вакуумная техника

В отличие от ионов остальных газов ионы водорода, дейтерия, гелия, имеющие небольшие размеры, диффундируют в толщу катода, и поэтому первоначально устанавливается относительно высокая быстрота действия насоса по этим газам. Однако постепенно быстрота действия уменьшается, особенно для гелия, не образующего с титаном твердых растворов. При бомбардировке материала катода ионами тяжелых газов или при нагреве его разрядом свыше 200 °С наблюдается обратное выделение легких газов.

Тяжелые инертные газы — аргон, криптон, ксенон — откачиваются благодаря внедрению и захвату ионов катодом, в основном, на периферийных участках ячеек. Из-за больших размеров их диффузия в глубину катода невозможна.

Во всех отечественных магнитных электроразрядных насосах геометрические размеры ячеек примерно одинаковы и быстрота действия одной ячейки составляет около 1 л/с. Поэтому для получения высокой быстроты действия в насосах используется несколько электродных блоков, каждый из которых содержит большое количествоячеек.

Существование двух механизмов откачки, эффективность действия которых различна относительно различных газов, определяет значительную избирательность магнитных электроразрядных насосов в процессе откачки. Быстрота действия этих насосов при откачке водорода в 3 раза выше, а кислорода в 2 раза ниже, чем азота. Быстрота действия при откачке инертных газов невелика и составляет в диодных насосах для гелия 10 %, неона 4 %, аргона, криптона и ксенона 1-2 % от быстроты действия откачки азота. При длительной откачке аргона в насосе может возникнуть нестабильность, выражающаяся в периодическом выделении захваченного аргона и соответствующих колебаний давления.

При попадании на электроды насоса влаги, тяжелых углеводородов (паров масла) из пароструйных или механических форвакуумных насосов или других загрязнений скорость распыления титана уменьшается, ухудшаются состав и сорбционная способность напыляемой пленки. В результате падает быстрота действия и предельное давление насоса. Для улучшения характеристик насоса в этом случае проводят так называемую аргоновую обработку. В работающий насос напускается аргон до давления 3х10-3-3х10-2 мм рт. ст., одновременно откачиваемый другим насосом. Интенсивное

22

распыление ионами аргона создает на электродах свеженапыленные слои титана, не содержащие сорбированных газов, одновременно происходит обезгаживание насоса нагревом за счет энергии, выделяющейся на электродах. После аргонной обработки насос быстро достигает низких предельных давлений.

Верхний предел рабочих давлений насоса определяется перегревом его электродов при интенсивном разряде. Неохлаждаемые диодные магнитные электроразрядные насосы не могут длительно работать при давлениях выше 5x10-5 мм рт. ст. Насосы с водяным охлаждением анодов можно запускать при давлении 5x10-2 мм рт. ст. и длительно работать при 1x10-3 мм рт. ст. Предельное давление магнитных электроразрядных насосов составляет10-8 -10-9 мм рт. ст.

Параметры использующегося в лаборатории насоса НМД-0,16 приведены в табл.4.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗА

Приборы для измерения давления ниже атмосферного называются вакуумметрами. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя (манометрической лампы или просто манометра) сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока. Существует большое количество различных вакуумметров, принцип действия которых основан на зависимости того или иного физического явления от давления газа. Для измерения низкого вакуума (до 1 мм рт. ст.) используются

23

жидкостные и механические манометры. Для измерения среднего

вакуума (до 10-3 мм рт. ст.) используются тепловые манометры, для высокого (до 10-7 мм рт. ст.) и сверхвысокого (10-7-10-10 мм рт. ст.) —

магнитные электроразрядные, электронные и ионизационные манометрические датчики.

В лаборатории «Диагностика и методы получения плазмы» для измерения среднего и высокого вакуума используют соответственно тепловые вакуумметры с манометрическим преобразователем ПМТ-2 или ПМТ-4М и ионизационные с преобразователем ПМИ-2.

4.1. Термопарный (тепловой) манометрический преобразователь

Его конструкция и упрощенная схема измерительного блока изображены на рис.7. Манометрический преобразователь представляет собой стеклянный (ПМТ-2) или металлический (ПМТ-4М) корпус, в котором на двух вводах смонтирован платиновый или никелевый подогреватель 3, на двух других вводах крепится термопара 4, изготовленная из хромель-копеля или хромель-алюмеля.

Термопара и подогреватель сварены через перемычку П. Подогреватель нагревается током, который можно регулировать реостатом 5 и измерять миллиамперметром 1. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термоЭДС, значение которой показывает милливольтметр 2.

Действие манометра основано на том, что ЭДС термопары, измеряемая прибором 2, повышается с понижением давления. Действительно, при длине свободного пробега молекул, большей размеров лампы, коэффициент теплопроводности газа уменьшается с понижением давления. В результате при одном и том же токе накала при понижении давления увеличивается температура подогревателя 3 и, соответственно, спая термопары П. Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного выбора тока накала подогревателя. Ток накала определяется до вскрытия новой лампы (в случае стеклянного корпуса) или при откачке преобразователя до давления Р < 10-4 мм рт. ст. При этих давлениях теплоотвод по газу от подогревателя пренебрежимо мал и вся подводимая мощность расходуется на излучение (« 63 %) и тепловод по вводам («37 %).

Ток подогревателя подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра совпадала с последним делением шкалы, при этом показания миллиамперметра (шкала «ток накала») будут соответствовать рабочему току подогревателя. Градуировочные кривые «ЭДС — давление» приводятся в инструкциях по эксплуатации манометрических ламп.

Достоинствами тепловых вакуумметров являются: возможность непрерывного наблюдения за изменением давления в вакуумной системе, простота конструкции, применимость к измерению давлений всех газов и паров. Тепловые вакуумметры не боятся прорывов атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы.

Вместе с тем тепловые вакуумметры имеют ряд недостатков. Измеряемая ЭДС зависит от вида газа, поскольку теплопроводность различных газов и их температурная аккомодация на нагревателе различна. Рабочий ток нагревателя с течением времени меняется, что требует его периодической проверки и корректировки. Тепловые вакуум-

метры инерционны — существует Рис.7. Термопарный манометрический определенная задержка отсчета вопреобразователь и упрощенная схема

времени при быстром измененииизмерительного блока: 1 — миллиам-

перметр; 2 — милливольтметр; 3 — давления. подогреватель; 4 — термопара; 5 — реостат; 6— корпус преобразователя; П — перемычка между подогревом и

термопарой

25

4.2. Ионизационный манометрический преобразователь

Его работа основана на ионизации газа электронным потоком и измерении ионного тока, по которому судят о давлении. На рис.8 изображена конструкция ионизационного преобразователя ПМИ-2. В стеклянном баллоне 1 преобразователя смонтирована трехэлектродная система, состоящая из цилиндрического коллектора ионов 2, на который подается напряжение, равное -50 В, относительно прямонакального катода 4 и анодной сетки 3 в виде бифилярной вольфрамовой спирали с потенциалом, равным +200 В.

Катод при протекании через него тока испускает электроны, которые движутся к анодной сетке.

Рис.8. Электронный ионизационныйИз-за высокой проницаемости сетки

манометрический преобразовательони в среднем совершают около 5

ПМИ-2: 1 — стеклянный колебаний вокруг нее, прежде чем

баллон; 2 — коллектор ионов; 3 —

аноднаясетка;4 — катод попадут на нее. Тем самым увеличивается вероятность

столкновения электронов с молекулами (атомами) газа и повышается эффективность ионизации последних. Образовавшиеся положительные ионы собираются на коллекторе. Количество приходящих на коллектор ионов и, соответственно, величина создаваемого ими тока в цепи коллектора прямо пропорциональны давлению газа при Р ≤ 10-3 мм рт. ст. По величине этого тока судят о давлении газа в манометрическом преобразователе. Вероятность ионизации различных молекул газа не одинакова, поэтому чувствительность преобразователя зависит от рода газа в вакуумной системе. Однако линейная зависимость коллекторного тока от давления сохраняется.

Верхний предел давлений, измеряемых электронным ионизационным манометрическим преобразователем, определяется нарушением линейности изменения измеряемого тока от давления и быстрым разрушением вольфрамового термокатода при повышении давления химически активных газов.

Нижний предел измеряемых давлений определяется фоновым током, не зависящим от давления. Его причиной, главным образом, является ток фотоэлектронной эмиссии с коллектора. Фотоэлектронная эмиссия появляется при облучении коллектора мягким рентгеновским излучением с анода, возникающим при бомбардировке анода электронным потоком Указанные причины ограничивают диапазон рабочих давлений манометров ПМИ-2 величинами 10-3-10-7 мм рт. ст. При работе с электронными ионизационными манометрами необходимо иметь в виду следующие обстоятельства: манометры не могут работать во внешних магнитных полях с напряженностью более 0,015 А/м. Показания манометра со временем искажаются при попадании на его электроды паров масла. Они могут работать только в вертикальном положении. Вольфрамовый катод перегорает даже при кратковременном прорыве атмосферы в работающую лампу.

5. РАЗЪЕМНЫЕ ВАКУУМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Любая вакуумная система содержит соединения, которые в силу применяемой технологии должны допускать многократное вакуум- но-плотное уплотнение и разъединение узлов системы, а также уплотнение присоединяемых трубопроводов, токовводов, манометрических преобразователей и т.п. В таких (разъемных) вакуумных соединениях герметизация, предотвращающая натекание газа из атмосферы в вакуум, достигается применением различных прокладок, плотно прилегающих к поверхности стыкуемых узлов. Основными характеристиками вакуумного соединения, определяющими его применимость в конкретной вакуумной системе, являются следующие:

1) натекание, т.е. количество газа, протекающего в единицу времени в вакуумный объем между поверхностями уплотнителя и

элементом соединения, а также за счет проницаемости через материал уплотнителя;

2)газовыделение из объема уплотнителя;

3)механическая прочность соединения;

4)термическая стойкость, т.е. способность выдерживать много кратные нагревы и охлаждения без нарушения герметичности;

5)химическая стойкость;

6)легкость монтажа и демонтажа соединения и степень сложно сти его изготовления, возможность многократного использования уплотняющих прокладок;

7)простота проверки герметичности.

Впрогреваемых вакуумных системах с давлением меньше 5х х10 мм рт. ст. используют металлические (медные, алюминиевые, иногда индиевые) уплотнения. В непрогреваемых установках, где не требуется получение сверхвысокого вакуума, чаще всего применяют неметаллические уплотнения (фторопласты, резину). Они просты в изготовлении и эксплуатации, требуют небольших усилий при уплотнении, допускают многократное использование, однако имеют ограниченную термическую стойкость и, как правило, повышенное газовыделение.

Вустановках лаборатории используются резиновые уплотнители. При работе с ними необходимо у'читывать следующие общие требования:

1)резиновый уплотнитель не должен воспринимать механиче ской нагрузки и влиять на точность установки деталей;

2)для достижения вакуумной плотности соединения резиновый уплотнитель должен быть деформирован (сжат) на 30-40 % своей толщины;

3)резины практически несжимаемы, т.е. при деформации их объем остается постоянным, поэтому сечение канавки под уплот нитель должно быть на 2-5 % больше, чем сечение уплотнителя;

4)фланцы разъемного соединения рекомендуется затягивать до соприкосновения металлических поверхностей;

5)поверхность резинового уплотнителя, обращенная в вакуум ную полость, должна быть сведена к минимуму.

Рис.9. Примеры вакуумных уплотнений с резиновыми уплотнителями

На рис.9 представлены примеры уплотнений с резиновыми уплотнителями.

6. ТРЕБОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ ГИГИЕНЫ

Общие требования вакуумной гигиены относятся, в основном, к предохранению вакуумных приборов и устройств от попадания в них посторонних загрязнений. Личная гигиена работающих, особенно чистота рук, является обязательным условием. Даже при вполне чистых руках за очищенные детали нельзя браться голыми руками, необходимо пользоваться только чистым, обезжиренным инструментом или надевать на руки перчатки или резиновые напальчники. Спецодежда должна удовлетворять не только всем требованиям чистоты, но и быть совершенно безворсной, чтобы не быть источником загрязнений в виде пылинок или ворсинок. Для очистки и обезжиривания деталей и элементов вакуумных систем необходимо использовать только очищенные растворители: ацетон, бензин, спирт и т.п.

Необходимо также соблюдать специальные технологические требования вакуумной гигиены, целью которых является чистота получаемого вакуума и быстрота его достижения. Эти требования