МПК G01L 21/24

Способ измерения вакуума

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологиям, связанным с использованием вакуума как технологической среды и требующим знания таких параметров как давление остаточных газов, коэффициент покрытия поверхностей, обращённых в вакуум

слоем сорбированных газов..

Уровень техники

В настоящее время для того, чтобы непрерывно измерять давление при откачке камеры от атмосферного давления 10⁵ Па до давления 10^-10 Па необходимо использовать комбинацию по крайней мере трех (а чаще четырех) типов вакуумметров, например:

1. Механического на основе трубки Бурдона (10⁵ – 100) Па, термопарного (10 – 10^-1) Па, компрессионного(10³ – 10^-2)Па, ионизационного (10^-1 – 10^-5) Па, инверсно-магнетронного (10^-3 – 10^-10) Па [1.Л. Н. Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. –М.1982, «Высшая школа», 199 –320 стр].

   1. Мембранного (10⁵ – 10) Па, сопротивления (Пирани) (10 – 10^-1) Па, магниторазрядного (1 – 10^-6) Па, Па, Байарда-Альперта (10^-3 –10^-12)Па [2 D.A. Redhead. The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug.-4 Sept. 1998-P.1 ].

Среди перечисленных выше типов вакуумметров только пять из них (механический, мембранный, компрессионный, Пирани, термопарный) измеряют давление. Другие три из выше перечисленных (ионизационный, магниторазрядный, Байарда-Альперта, инверсно-магнетронный) измеряют концентрацию остаточных газов по количеству образованных из молекул ионов.

В то же время только два из перечисленных типов вакуумметров – термопарный и Пирани измеряет степень вакуума («средний» вакуум). К манометрам, измеряющим степень вакуума в области «среднего» вакуума относятся также вязкостный ротационный манометр Дэшмана, вязкостный струнный манометр. До настоящего времени не изобретено ни одного манометра, измеряющего степени «низкого», «высокого», «сверхвысокого» или «ультравысокого» вакуума. В то же время параметрическая надежность - способность вакуумного оборудования реализовать техпроцесс в требуемых параметрах для выпуска годной продукции, часто зависит не столько от суммарного давления, измеряемого вакуумметрами, сколько от степени вакуума (т.е. от относительной длины пробега молекул или от чистоты поверхностей в вакууме).

Критерии различных степеней вакуума до настоящего времени не согласованы между собой и определяются следующими соотношениями [1 .Л. Н. Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. –М.1982, «Высшая школа», 199 –320 стр.]:

Низкий вакуум Pd>200[мПа] (1)

Средний вакуум 200>Pd>0,004[мПа] (2)

Высокий вакуум Pd<0,004 [мПа] (3)

Сверхвысокий вакуум P<4 10^-4/t_э [Па] (4)

Ультравысокий вакуум P<10^-8 Па (точно не сформулирован) (5),

где, P – давление в камере, Па, d – характерный размер (диаметр) камеры, где измеряется давление, м, tэ – критическое время экспозиции поверхности в вакууме, за которое образуется слой сорбата, мешающий технологическому процессу. Поскольку критерии сверхвысокого вакуума и высокого (а также среднего и низкого вакуума) определяются совершенно разными способами, то при определенном соотношении параметров d и t_э они могут накладываться друг на друга, занимая одну и ту же область давлений. Критерии ультравысокого вакуума до сих пор четко не сформулированы [2 D.A. Redhead. The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug.-4 Sept. 1998-P.1.]

Следует отметить, что в настоящее время существуют вакуумметры, использующие измерение вязкостной силы трения газа, (измерение вязкости газа) происходящее при изменении давления. Это так называемый “spinning gauge” или ротационный вакуумметр Дешмана.[3,4,5 C.Дешман «Научные основы вакуумной техники», М. 1964, изд. «Мир», стр 219-231, U.S. Patent Document № 2,691,306 – Oct.1954, Авторское свидетельство №720348 (СССР). Б.И. – 1979-№43 ]

К недостаткам указанных вакууметров следует отнести то, что они могут измерять давление только в диапазоне ограниченном областью среднего и, частично, высокого, вакуума. Указанные вакууметры позволяют измерять только остаточные давления и не позволяют измерить коэффициент покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум, поэтому они могут быть рассчитаны только в качестве условных аналогов предложенного технического решения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа измерения остаточного давления в вакуумной камере и связанного с ним коэффициента покрытия поверхности сорбатом, который позволяет осуществить как измерение вакуума в широком диапазоне давлений так и измерение коэффициента покрытия одним вакуумметром и повысить экономичность технологических процессов, проводимых в вакууме.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона давлений, измеряемых одним вакуумметром, расширение технологических возможностей измерительной техники путём создания принципиально новых приборов, предназначенных для измерения коэффициента покрытия, а также повышение экономичности технологических процессов, проводимых в вакууме.

Технический результат достигается путем измерения силы трения- скольжения и коэффициента трения тестовых поверхностей, которые изменяются в зависимости от изменения коэффициента покрытия этих поверхностей, также изменяющегося в эависимости от изменения давления в испытуемом вакуумном объеме. Измерения указанных величин осуществляют при заданных параметрах скольжения и контактной нагрузки, а остаточное давление (степень вакуума) и коэффициент покрытия определяют по изменению измеряемых величин.

Предлагаемое изобретение основано на использовании функциональной зависимости силы трения скольжения и коэффициента трения металлических поверхностей [6.Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. -Киев, «Техника», 1968-180с.], и диэлектриков [ 7. Deulin E.A. Concept of dry friction of smooth surfaces in UHV, 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug.-4 Sept. 1998-P.310. 8. Deulin E.A., Gatsenko A.A., Loginov A.B., “Friction Force of Smooth Surfaces of SiO₂- SiO₂ as a function of Residual Pressure”, Surface Science, 433-435, 1999, p.p. 188-192] от давления и от коэффициента покрытия.

Зависимость коэффициента сухого трения от давления и от коэффициента покрытия имеет вид кривой, представленной на графике. Она имеет три максимума (в области атмосферного давления 10⁵ Па, границы высокого и сверхвысокого вакуума 10^-1 Па и ультравысокого вакуума 10^-7 Па, средний вакуум соответствует области с минимальным значением коэффициента трения P=(1 –10) Па. При больших количественных изменениях концентрации газа (давления P), на поверхности, соответственно, происходят не только количественные изменения сорбированного газа (коэффициента покрытия θ ), но и качественные изменения в природе и характере трения:

- в области давлений (10⁵ – 10) Па – доминирует «капиллярное трение»,

- в области давлений (10 – 1) Па – сочетается действие капиллярного и вязкостного трения, т.е. имеется «капиллярно-вязкостное трение»,

- в области давлений (1 – 10^-1) Па – доминирует вязкостное трение,

- в области давлений (10^-1 – 10^-7) Па – доминирует «адгезионное трение»,

- в области давлений P<10^-7 Па – доминирует «когезионное» трение.

. При этом степени вакуума определяются следующими соотношениями:

  3 P(10…10⁵) Па – низкий вакуум (6)

3 >   2 P(10^-1…10) Па – средний вакуум (7)

2 >   1 P(10^-1…10^-3) Па – высокий вакуум (8)

1 >   0,001 P(10^-7…10^-3) Па – сверхвысокий вакуум (9)

0,001 >  P<10^-7 Па – ультравысокий вакуум (10)

где  - коэффициент покрытия, являющийся функцией давления согласно уравнению БЭТ [9. S. Brunnaumer, P.H. Emmet, E. Teller. Journ. Amer. Chem. Soc. 60(1938), p309.]:

(11)

где: P – измеряемое давление (давление газа между фрикционными поверхностями), Па;

P_S – давление насыщающих паров измеряемого газа (пара), Па; E_S, E_L – теплота адсорбции и теплота парообразования газа, давление которого измеряется данным способом Jmol^-1; R – универсальная газовая постоянная R=8.34103 Jmol-1; T – температура газа (поверхности). , K.
или же либо согласно другому уравнению, предложенному в рамках рассматриваемого технического решения (приведено ниже).

Указанный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа измерения остаточного давления газа в исследуемом вакуумном объеме P и коэффициента покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум Θ, размещённых в исследуемом объеме, измеряют силу трения скольжения между двумя подвижными друг относительно друга объектами, помещенными в исследуемый объем, при заданных скорости скольжения и контактной нагрузке, и на основании измеренной силы трения определяют коэффициент трения скольжения между данными объектами, при этом искомый коэффициент покрытия определяют по предварительно построенным тарировочному графику изменения зависимости коэффициента покрытия поверхностей трения обьектов, обращенных в вакуум, от коэффициента трения скольжения между данными объектами, а давление остаточного газа в вакуумном объеме P, определяют на основании определённого по тарировочному графику коэффициента покрытия путем использования уравнения:

где:

Θ – коэффициент покрытия поверхности объекта, определённый по тарировочному графику его зависимости от коэффициента трения скольжения используемых объектов;

N_1П – количество «посадочных мест» для молекул на скользящей поверхности, обращенной в вакуум;

k – постоянная Больцмана;

Т_а – средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;

 - определённый по справочнику коэффициент прилипания молекул остаточного газа к поверхности объекта известного химического состава, обращенной в вакуум;

V_a - скорость теплового движения молекул, м/с;

L – среднее расстояние между микронеровностями поверхности объекта, обращенного в вакуум, м;

V – заданная скорость скольжения поверхностей объектов, м/с;

τ₀ – период колебания молекул остаточного газа, с;

E_d – энергия десорбции, Дж/м²;

R – универсальная газовая постоянная;

Т_f – максимальная температура поверхности, вышедшей из контакта (температура «вспышки»), К.

Все указанные выше параметры являются либо заданными в соответствиями с условиями испытаний, либо справочными данными для различных типов газов и указанных условий испытаний и приведены, например в справочниках [1] или [2].

Перечень фигур.

На фигуре представлен график зависимости коэффициента трения тестовых поверхностей от давления остаточных газов и суммарного коэффициента покрытия поверхностей сорбатом при различных степенях вакуума. Обозначения: f_ТР – коэффициент трения; P – остаточное давление [Па];  - суммарный коэффициент покрытия поверхностей сорбатом.

Эксперименты показывают, что приведенная на фиг. тарировочная зависимость обладает высокой устойчивостью и хорошей воспроизводимостью.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть осуществлено в конструкции вакуумметра, основанной на измерении коэффициента трения во фрикционной паре (см. описание к патенту RU 2263886). Так, например, измерение силы трения как коэффициента покрытия и давления газа в вакуумной камере возможно путём осуществления движения и трения подвижного элемента конструкции, например, вращающегося рабочего кольца о другое измерительное кольцо, закреплённое относительно корпуса конструкции упругим торсионом , ограничивающим угол разворота измерительного кольца относительно его статического положения. Тогда угол поворота измерительного кольца будет зависеть от силы и коэффициента трения, и по углу поворота измерительного кольца можно будет определить коэффициент покрытия и остаточное давление газа. Степень вакуума может быть определена по характеру изменения величины коэффициента трения.

Список использованных источников

1.Л. Н. Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. –М.1982, «Высшая школа», 199 –320 стр.

2 D.A. Redhead. The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug.-4 Sept. 1998-P.1.

3.C.Дешман «Научные основы вакуумной техники», М. 1964, изд. «Мир», стр 219-231.

1. 4.U.S. Patent Document № 2,691,306 – Oct.1954

2. 5.Авторское свидетельство №720348 (СССР). Б.И. – 1979-№43

6.Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. -Киев, «Техника», 1968-180с.