Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы вакуумной техники. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 93 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Рис. 2.5. Схемы турбомолекулярных насосов

1 2 3 4 5 6

Газ

Пар

Рис. 2.6. Схема пароструйной откачки

насоса предварительного разрежения, присоединяемого к патрубку 6. В камере 3 происходит смешение откачиваемого газа и паровой струи, выходящей из сопла 2. Запирающий канал 4 создает сопротивление обратному потоку газа, обеспечивая коэффициент компрессии насоса. Разделение откачиваемого газа и рабочего пара осуществляется в камере 5 в процессе конденсации рабочего пара на

охлажденных поверхностях,

после чего откачиваемый газ выходит из насоса через выходной патру-

бок, а сконденсировавшийся пар поступает по трубопроводу 7 в кипятильник 8, где вновь испаряется, и по паропроводу 9 попадает в рабочее сопло 2, обеспечивая непрерывность процесса откачки.

В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей пара, а насосы, работающие

в таких условия,

называются диффузионными.

Трехступенчатый диффузионный насос. Пары рабочей жидкости

из кипятильника проходят по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ (рис. 2.7).

Вода

л · c

500

III

Ступени

0,05

–1

100

Нагреватель

Вход

Пар

p. То р

–8

–

–4

–2

Выход

Рис. 2.7. Трехступенчатый диффузионный насос:

I – эжекторная ступень; II, III – диффузионные ступени

В качестве рабочих жидкостей применяются: ртуть, минеральные масла, эфиры, кремнийорганические жидкости.

2.3. Физико-химические методы получения вакуума

Существенное преимущество физико-химических насосов перед механическими заключается в возможности устранения загрязнения откачиваемой камеры парами рабочих жидкостей, которые применяются для смазки и герметизации во многих механических насосах. Направленное движение предварительно заряженных молекул под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Испарительные насосы работают на принципе хемосорбции. Физическая конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: криоадсорбционными и криоконденсационными. Принцип ионной откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионносорбционных насосов.

Диапазоны рабочих давлений физико-химических методов откачки.

Криоконденсационнная откачка – это удаление газов из вакуумной системы за счет их конденсации на охлажденных поверхностях насоса.

Криоадсорбционная откачка осуществляется адсорбцией газа на

охлаждаемых адсорбентах.

Диапазоны рабочих давлений представлены на рис. 2.8

адсорбция и

Р, Па

Рис. 2.8. Диапазоны рабочих давлений ваку-

умных насосов, работающих на физико-

химических методах откачки

Криогенный насос. Для работы в низком вакууме используются

насосы погружного типа, а для работы в высоком вакууме – заливного типа (рис. 2.9).

а б

Рис. 2.9. Криоконденсационные насосы:

а – погружного типа; б – заливного типа

Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Разница в конструкции насосов погружного и заливного типа состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагента 5 в насосах погружного типа выполняется съемным, а

в насосах заливного типа в качестве теплоизоляции между стенками насоса и сосудом с криоагентом используется вакуум, создаваемый самим насосом. В качестве криоагентов используются сжиженные газы.

Криоконденсационные насосы испарительного типа имеют криопанели в виде змеевиков, по которым циркулируют пары криоагента, испаряющегося из сосуда Дьюара.

Для откачки широко применяются

адсорбенты с большой площа-

дью внутренней поверхности: активные угли, цеолиты, силикагели.

2.4. Ионно-сорбционная откачка

При ионно-сорбционной откачке используют два способа поглощения газа: внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов.

Магниторазрядный насос. Магниторазрядный насос (рис. 2.10)

состоит из двух катодов 1 и проволочного и цилиндрического анода 2, находящихся в магнитном поле с индукцией B. Магнитное поле направлено по оси анода, который имеет положительный относительно катодов потенциал 3…7 кВ.

Рис. 2.10. Варианты конструкции магниторазрядных насосов

Откачиваемые газы ионизируются электронами, появляющимися за счет автоэлектронной эмиссии из катода, и вторичными электронами, возникающими при бомбардировке катода ионами откачиваемого газа. Напряженность магнитного поля выбирают таким образом, чтобы радиус траектории электронов был меньше радиуса анода. При этом общая длина траектории электрона до его попадания на анод сильно увеличивается

, что ведет к возрастанию вероятности ионизации остаточных газов. Положительные ионы, слабо отклоняющиеся магнитным полем, бомбардируют катод и распыляют активный металл, который осаждается на аноде. Один ион выбивает в среднем один атом активного материала, что и обеспечивает саморегулируемую скорость распыления при работе насоса.

Активные газы химически взаимодействуют с

распыляемыми атомами материала катода и осаждаются на анод в виде химических соединений.

Магниторазрядные насосы обладают заметной избирательностью в процессе откачки, скорость откачки такими насосами инертных газов очень низка. Предельное давление магниторазрядных насосов

–8

…10

–10

Па. Верхний предел рабочих давлений определяется газо-

выделением из-за перегрева электродов насоса.

Наличие загрязнений на электродах насоса, особенно органических, уменьшает быстроту действия насоса и ухудшает предельное давление.

Магниторазрядными насосами трудно обеспечить большую быстроту откачки из-за малой проводимости корпуса насоса, находящегося в магнитном зазоре. В связи с этим распространены многосекционные насосы. Быстрота откачки такого насоса пропорциональна числу секций или диаметру входного патрубка насоса.

Задание к работе

Цель работы: изучение принципа работы вакуумных насосов.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с принципом действия, конструкцией, характери-

стиками, параметрами насосов.

2. Привести схему вакуумной системы с конкретным насосом.

3. Изучить порядок включения и выключения насоса.

Содержание отчета

1. Изображение изученных приборов на качественном уровне.

2. Описание принципа работы вакуумных насосов.

3. Параметры вакуумных насосов. Условия эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия вакуумных насосов.

2. Схема включения насоса.

3. Схема электропитания насоса.

4. Как определить по кривой откачки P = S(t) параметры насоса?

5. Чем определяется зависимость скорости откачки от рода газа?

6. Чем определяются предельные параметры откачки насоса? Пере-

числите их.

3. ИЗУЧЕНИЕ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

3.1. Вакуумные системы и их элементы

Принцип построения вакуумной системы определяется технологическими задачами, решаемыми на создаваемом оборудовании. Основными требованиями, которым должна удовлетворять вакуумная система, являются:

достижение требуемого давления в откачиваемом объеме;

–

получение требуемой быстроты откачки;

–

обеспечение заданного состава остаточной газовой атмосферы;

–

надежность и экономичность оборудования.

–

В зависимости от рабочих давлений в электронной технике выделяются два типа вакуумных систем: высоковакуумные системы – системы, работающие в диапазоне давлений 10

ковакуумные – с давлением ниже 10

–5

Па.

Установки первого типа используются в производстве ЭВП для обезгаживания, тренировки, сварки, пайки в вакууме, а в микроэлектронике – в технологии интегральных схем. Откачное оборудование обычно состоит из форвакуумного насоса (пластинчато-роторный, иногда в комплекте с насосом Рутса), паромасляного или турбомолекулярного насоса (в зависимости от газовой нагрузки), ловушки для сов от агрессивных газов и объема от обратных потоков масла из насосов. Схема установки этого типа показана на рис. 3.1. Данная установка предназначена для непрерывной работы, поэтому в период разгерметизации рабочего объема 1 диффузионный насос 5 поддерживается в рабочем состоянии через открытый клапан 8.

При форвакуумной откачке

объема через байпасную линию (клапан 14 открыт) диффузионный насос отсечен от системы с высоким давлением затвором 3 и клапаном 8 и работает на форвакуумный баллон 6. Клапан 10 предотвращает прорыв атмосферы и попадание масла из механического насоса в высоковакуумную часть при обесточивании установки. Клапан 11 предназначен для напуска воздуха в ство над входным патрубком насоса 12 для исключения попадания форвакуумного масла в систему при отключении установки.

–1

…10–5 Па, и сверхвысо-

защиты насо-

простран-

Рис. 3.1. Схема вакуумной системы:

1 – откачиваемый объем; 2, 4, 6, 13 – манометры; 3, 9, 10, 14 – коммутирующие клапаны; 5 – диффу-

зионный насос; 7 – форвакуумный баллон; 9 – ловушка; 11 – обратный клапан (натекатель); 12 – форвакуумный насос

Герметизация разъемных соединений в высоковакуумных установках выполняется уплотнителями из специальных сортов вакуумной резины, работоспособность которых ограничена температурой 400…500 К. Эти материалы характеризуются высокой газопроницаемостью и газовыделением, вследствие чего они применяются при давлениях выше 10

–5

Па.

В качестве уплотнителя может использоваться фторопласт, имеющий газовыделение в 10 раз меньше, чем у лучших сортов резины, и

температурный диапазон 78…523 К. Но из-за малой упругости для уплотнения фторопласта нужны большие усилия, что при значительной остаточной деформации и текучести материала для предотвращения его вытекания (выдавливания) требует уменьшения зазоров в разъемных соединениях до 0,1 мм. Для передачи движения в объем используются сальниковые уплотнительные элементы на основе

резиновых или фторопластовых материалов с максимальным

натеканием не более 5 · 10

–3

Па · м3/с.

Отличительные особенности установок сверхвысокого вакуума:

–

предельно малое собственное газовыделение;

–

предельно малое натекание газа через течи;

–

исключение возможности проникновения паров рабочей жидко-

сти насосов в объем.

Выполнение первого требования достигается выбором конструкционных материалов с минимальным газовыделением и газопроницаемостью, высокотемпературным (500…1000 К) прогревом системы в течение нескольких часов (до суток) с одновременной откачкой, обязательным использованием высокоэффективных криогенных ловушек.

В качестве уплотнителей разъемных соединений используются про кладки из индия (до 373 К), алюминия (до 573 К из-за возможности диффузионной сварки с уплотняемыми поверхностями), меди (до 900 К). Для повышения давления в объеме деформации металлической прокладки сжимаемым поверхностям придают клиновой или ступенчатый профиль. Во вводах движения применяются гибкие уплотнительные элементы (металлические сильфоны) либо неподвижные перегородки с передачей движения через магнитное поле.

Герметизация электрических вводов и смотровых окон осуществляется паяными или сварными соединениями: металл-стекло или металл-керамика. Предварительное разряжение (до 10

–5

Па) в установках

сверхвысокого вакуума может создаваться по любой из схем вакуумных систем первого типа либо безмасленой откачкой адсорбционными насосами. Достижение предельного вакуума обеспечивается ионосорбционными или криогенными насосами.

На рис. 3.2 приведена типичная схема двухкамерной сверхвысоковакуумной установки для аналитических и технологических целей.

Вакуумная установка имеет две камеры, каждая

из которых снабжена собственной линией откачки. Камера 1, предназначенная для загрузки исследуемых образцов, часто контактирует с атмосферой, поэтому для высоковакуумной откачки использованы механический 11

Рис. 3.2. Схема сверхвысоковакуумной установки:

1 – камера загрузки; 3 – камера спектрометра; 4 – масс-спектрометр; 8 – ад-

сорбционный насос ДВН-1-2; 9, 16 – заливная ловушка; 10, 18 – магниторазрядный насос НМД-0,25; 11 – механический насос 2НВР-5Д; 15 – турбомолекулярный насос ТМН-200; 5, 7, 12, 17, 22 – манометры; 2, 8, 13, 14, 19, 20, 21 – коммутирующие клапаны

и турбомолекулярный 15 насосы. Процесс откачки камеры загрузки от атмосферного давления происходит в следующей последовательности:

–

после включения форвакуумного насоса 11 последовательно от-

крываются клапаны 13, 20, 21;

–

при достижении давления 1 Па по тепловому манометру 12, 17

включается турбомолекулярный насос;

–

при достижении давления 10

–3

Па в камере 22 включается магни-

торазрядный насос 18;

–

через 0,5–1 мин закрывается клапан 20, открывается клапан 19 и

производится откачка камеры до давления Р ~ 1 · 10 откачку магниторазрядным насосом, имеющим близкую по величине скорость откачки с турбомолекулярным насосом при 10

–6

Па. Переход на

–3

Па, обуслов-

<<< < Предыдущая 1 23 / 93 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]