1.3 Выбор и обоснование алгоритма функционирования устройства

Источник разработки: вакуумная системарастрового электронного микроскопа-микроанализатора РЭММА-102-02; проспекты и другие рекламные материалы фирмыJEON(Япония),LEO(Германия),PHILIPS(Нидерланды).

Полностью вакуумная система состоит из :

а) каркаса, на котором установлены диффузионный насос, высоковакуумные и низковакуумные клапаны, детекторы давления, вакуумопроводы, источники питания приводов клапанов, буферный форбаллон;

б) двух форвакуумных насосов и виброгасящего демпфера;

в) форвакуумной ловушки;

г) игольчатого клапана напуска газа в камеру образцов с электроприводом и контроллером управления;

д) диафрагмы, разделяющей вакуумный объём камеры образцов и колонны.

Вакуумная система должна:

-иметь автоматический режим управления;

-обеспечивать дифференциальную откачку объёмов в районе пушки и аппертурной диафрагмы до высокого вакуума, а объём камеры образцов - до высокого нерегулируемого и низкого регулируемого с автоматической сменой режимов и поддержанием заданного давления в низковакуумном режиме;

- защиту образца от загрязнения рабочей жидкостью форнасосав в режиме низкого вакуума; защиту образца от загрязнения рабочей жидкости дифнасоса.

Показатели назначения:

- остаточное давление в области пушки должно быть не более

а) в режиме высокого вакуума в камере образцов – 0.67 мПа,

б) в режиме низкого вакуума в камере образцов – 1.33 мПа.

- давление в камере образцов в режиме низкого вакуума должно регулироваться в пределах от 1Па до 300Па.

- время перехода вакуумная система из режима с высоким вакуумом в камере образцов до режима с заданным низким вакуумом должно быть не более 2 мин.

- время смены образца должно быть не более 10 мин.

- время откачки микроскопа от атмосферного давления до давления 6.7 мПа должно быть не более 30 мин.

Показатели надёжности.

Вакуумная система должна быть восстанавливаемым, ремонтируемым изделием. Предполагаемый закон распределения безотказной работы – экспоненциальный. Средняя наработка на отказ в режимах высокого вакуума и низкого вакуума должна быть не менее 1000 ч. Отказом ВС есть несоответствие вышеизложенным пунктам. Среднее время восстановления работоспособного состояния вакуумной системы должно быть не более 8 ч. Полный средний срок службы вакуумной системы – 10 лет.

Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации.

Производственная и эксплуатационная технологичность должна обеспечивать возможность достижения заданных показателей качества вакуумной системы в условиях её изготовления, обслуживания и ремонта при минимальных затратах на выполнение работ и высокой производительности труда. Разработка методик контроля параметров и их точности должна быть проведена на стадии разработки рабочей документации и изготовления опытного образца вакуумной системы.

Требования к унификации и стандартизации.

Вакуумная система должна быть разработана с максимальным использованием заимствованных и унифицированных узлов и деталей согласно применяемости предприятия – изготовителя. А также вакуумная система должна разрабатываться на базе вакуумной системы микроскопа РЭЭММА-102-02.

Требования безопасности.

Конструкция и электрический монтаж вакуумной системы должны соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ12.2.007.0-75, требованиям безопасности к производственным процессам и оборудованию по ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 12.3.002-75 и СН№1042-73, общим требованиям к рабочим местам по ГОСТ 12.2.061-81. Конструкция вакуумной системы должна обеспечивать защиту обслуживающего персонала от действия электрического тока в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0-75. Электрическое сопротивление изоляции токоведущих цепей относительно корпуса должно быть не менее 20 Мом. Вакуумная система должна соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум, Общие требования безопасности». Допустимый уровень звука, создаваемый ВС на расстоянии 1 м от форнасосов должен быть не более 60 дБА. Конструкция вакуумной системы должна обеспечивать защиту от теплового воздействия на покрытие пола печи дифнасоса.

Условия эксплуатации.

Питание вакуумной системы должно осуществляться от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В. с частотой 50+- 1Гц. Потребляемая мощность 2 кВА.

Расход охлаждающей воды 2-4 л/мин. При температуре 20 С.

Температура окружающей среды 15-25 С.

Для выполнения профилактических работ допускается остановка на восьмичасовую рабочую смену через 80 ч работы, но не реже 1 раза в месяц, и остановка длительностью до четырёх восьмичасовых рабочих смен через шесть месяцев эксплуатации.

Откачка и напуск воздуха в систему производится через электромагнитные клапаны. Управление вакуумной системой осуществляется специальной управляющей программой компьютера через контроллер вакуумной системы. Конструктивно контроллер вакуумной системы представляет собой плату с печатным монтажом в защитном кожухе, расположенную внутри стенда микроскопа. Посредством кабелей через разъемы, расположенные на плате, контроллер соединяется с ПЭВМ, датчиками вакуума, электромагнитными клапанами и блоком питания.

Контроллер вакуумной системы выполняет следующие функции:

- обеспечивает связь компьютера через COM-порт со схемой управления всеми исполнительными устройствами вакуумной системы;

- контролирует напряжение питания однокристальной ЭВМ и при его понижении обеспечивает защиту от сбоя в работе вакуумной системы;

- измеряет и фиксирует значения датчиков вакуума в системе, а также обеспечивает эти датчики необходимым напряжением питания;

- формирует сигналы на включение/выключение через исполнительные элементы, расположенные в блоке питания 2.087.705, следующих устройств вакуумной системы: электропитание вакуумной системы механический роторные насосы NL1, NL2 диффузионный насос DP, нагреватель вакуумной ловушки HFT - формирует напряжения форсировки, удержания и подает эти напряжения на электромагнитные клапаны VE1...VE8 при их включении;

- на аппаратном уровне контролирует степень вакуума в районе пушки и с помощью реле обеспечивает блокировку подачи высокого напряжения в пушку и детектор электронов в камере объектов при ухудшении вакуума до 10^-4 тор. Все элементы контроллера вакуумной системы смонтированы на одной печатной плате, которая закреплена на поворотной рамке в стенде микроскопа. Для питания датчика высокого вакуума ПММ-32-1 на плате установлен источник высокого напряжения 2,5 kV. В целях безопасности он закрыт дополнительным защитным кожухом. Управление вакуумной системой может осуществляться как вручную, так и автоматически. На экране монитора ПЭВМ при соответствующей активизации отображается схема вакуумной системы, на которой показаны откачиваемые объемы микроскопа, электромагнитные клапаны и их состояние (Вкл./Откл), насосы, датчики и другие устройства вакуумной системы. Отдельно выводятся текущие показания датчиков вакуума, ориентируясь на которые, можно вручную с помощью "мышки" включать (выключать) насосы, открывать (закрывать) электромагнитные клапаны и тем самым осуществлять откачку вакуумной системы микроскопа. В автоматическом режиме откачка производится с помощью заложенной в ПЭВМ управляющей программы по алгоритму, заданному режимом работы микроскопа и необходимым конечным состоянием вакуумной системы:

- режим высокого вакуума в колонне и камере образца;

- режим низкого вакуума в камере образца;

- переход из режима высокого вакуума в режим низкого вакуума в камере образца и наоборот;

- смена катода или образца при работе микроскопа;

- режим перехода микроскопа в состояние ВЫКЛЮЧЕНО;

- режим аварийного отключения при отсутствии водяного охлаждения или аварии вакуумной системы.

ПЭВМ связана с контроллером вакуумной системы через COM-порт. При необходимости включить (выключить) какое-либо устройство вакуумной системы ПЭВМ формирует команду и по COM-порту передает ее контроллеру. Последний формирует необходимые напряжения и подает их на соответствующее исполнительное устройство для реализации этой операции. Через этот же порт осуществляется обратная связь. Контроллер производит постоянный опрос датчиков вакуума, с помощью встроенного АЦП измеряет текущие значения вакуума, усредняет и периодически передает их ПЭВМ для отображения этих значений на экране монитора.

Перечисленные выше функции кратко отображает схема алгоритма работы устройства рисунок1, на котором условно обозначены:

ШД – шина данных;

ДНВ и ДСВ – датчик низкого и среднего вакуума соответственно.

ДВВ – датчик высокого вакуума.

Рисунок 1 - Схема алгоритма работы устройства.