Программа Физика вакуума, страница 2

Модуль 1 «Основные положения физики вакуума» трудоемкостью 0,8 зачётной единицы, включает следующие виды аудиторных занятий: лекций - 12, семинарских занятий – 5. В состав модуля также входит самостоятельная работа студентов для выполнения домашнего задания, оформления отчета по лабораторным работам и подготовки к тестированию - 16.

В модуль 1 входят следующие разделы дисциплины.

Молекулярно-кинетическая теория газов. Давление газа. Скорости теплового движения молекул, закон распределения молекул газа по скоростям. Объем газа, приходящий к единице поверхности стенки в единицу времени, длина свободного пробега молекул, степени вакуума.

Явления тепло- и массопереноса. Теплопроводность, вязкость, диффузия. Поток газа и проводимость. Режимы течения газа. Течение газа через отверстие (диафрагму), через трубопровод круглого сечения при различных режимах. Анализ проводимости сложного трубопровода. Моделирование течения газа различными методами. Метод механики сплошной среды. Метод интегральных угловых коэффициентов. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло).

Газовыделение в вакууме. Виды взаимодействия газа с поверхностью твердого тела. Виды сорбционных процессов: физическая адсорбция, хемосорбция, абсорбция, десорбция. Давление насыщенных паров. Скорости адсорбции и десорбции. Коэффициент заполнения. Уравнения Генри, Ленгмюра. Полимолекулярная адсорбция. Уравнение БЭТ. Конденсация и испарение. Сублимация. Диаграмма агрегатного состояния вещества.

Растворимость и газосодержание в твердом теле. Стационарный и нестационарный процессы диффузии газа в твердом теле. Законы Фика. Расчет распределения концентрации растворенного газа в твердом теле.

В результате освоения содержания модуля «Основные положения физики вакуума» обучающийся приобретет необходимые знания, умения и навыки, предусмотренные следующими компетенциями ИК-2, ИК-5, ЛК-2, ОП-1, ОП-2, ОП-3, ОП-4, ПТ-1, ПТ-5, НИ-1, ПСК-2.

Модуль 2 «Вакуумные насосы» трудоемкостью 1,0 зачётной единицы, включает следующие виды аудиторных занятий: лекций – 12, семинарских занятий – 5, лабораторных работ – 8. В состав модуля также входит самостоятельная работа студентов для выполнения домашнего задания, оформления отчета по лабораторным работам и подготовки к тестированию - 18.

В модуль 2 входят следующие разделы дисциплины.

Основные параметры вакуумных насосов. Основные типы задач при расчете вакуумных систем. Выбор вакуумной системы и насосов, обеспечение требуемого предельного давления. Основное уравнение вакуумной техники. Расчет времени откачки от заданного давления. Расчет рабочего давления реальной системы. Анализ способов получения вакуума. Типы насосов, диапазон рабочих давлений, быстрота действия.

Механические насосы. Изучение принципов действия и конструкций, расчет быстроты действия, диапазон рабочих давлений. Способы улучшения вакуумных характеристик. Безмасляные механические насосы. Двухроторные насосы. Молекулярный и турбомолекулярный насосы. Изучение характеристик и конструкций.

Пароструйные насосы. Эжекторный и диффузионный механизм откачки. Рабочие жидкости. Насосы с разгонкой в жидкой и газообразной фазе. Расчет параметров насосов. Пути получения сверхвысокого вакуума, безмасляного вакуума.

Сорбционные насосы. Теоретические основы откачки. Сорбенты. Расчет основных параметров. Пути улучшения рабочих характеристик.

Геттерно-ионные насосы. Геттеры. Расчет рабочих параметров. Пути улучшения рабочих характеристик. Криогенные насосы. Принцип работы, особенности конструкции. Расчет рабочих характеристик. Криосорбционные насосы. Принцип работы. Пути совершенствования.

Пути совершенствования насосов и вакуумных систем. Перспективы создания надежных безмасляных откачных систем. Ловушки, экраны. Схемные и организационные способы получения безмасляного вакуума с помощью масляных средств откачки. Стандартизация насосов.

В результате освоения содержания модуля «Вакуумные насосы» обучающийся приобретет необходимые знания, умения и навыки, предусмотренные следующими компетенциями ИК-2, ИК-5, ЛК-2, ОП-1, ОП-2, ОП-3, ОП-4, ПТ-1, ПТ-5, НИ-1, ПСК-2.

Модуль 3 «Вакуумные измерения» трудоемкостью 1,0 зачётной единицы, включает следующие виды аудиторных занятий: лекций - 12, семинарских занятий – 5, лабораторных работ – 8. В состав модуля также входит самостоятельная работа студентов для выполнения домашнего задания, оформления отчета по лабораторным работам и подготовки к тестированию - 18.

В модуль 3 входят следующие разделы дисциплины.

Анализ способов и средств измерения общего давления в диапазоне до 10^-12 Па. Измерители суммарного давления. Механические манометры. Деформационные, гидростатические манометры. Компрессионный манометр. Вязкостный манометр. Диапазоны измеряемых давлений, точность измерения.

Тепловые манометры. Принцип работы манометра сопротивления, термопарный манометр. Диапазоны измеряемых давлений, точность измерения. Пути повышения точности и расширения диапазона работы.

Ионизационные манометры. Способ ионизации остаточных газов. Термоэлектронный ионизационный манометр. Магниторазрядный манометр. Датчик Альперта. Инверсно-магнетронный манометр. Принцип работы. Схемы включений. Диапазоны измеряемых давлений. Чувствительность манометров к различным газам. Использование селективности работы для течеискания. Способы повышения чувствительности и расширения рабочих диапазонов. Стабильность работы и надежность.

Измерители парциального давления. Чувствительность, разрешающая способность. Анализ способов измерения парциального давления. Способы разделения ионов с различными массовыми числами. Статические и динамические масс-спектрометры. Омегатрон, хронотрон, квадрупольные масс-спектрометры. Диапазоны измеряемых парциальных давлений, разрешаемых массовых чисел.

Анализ способов измерения газовых потоков. Методы измерения газовых потоков. Метод постоянного давления, метод постоянного объема, метод постоянной и переменной диафрагмы. Методы экспериментального исследования и измерения быстроты откачки системы, быстроты действия насосов, проводимости трубопроводов, запорной арматуры.

Анализ методов течеискания. Сравнительная чувствительность методов. Метод опрессовки, галоидный, манометрический, метод палладиевого барьера, масс-спектрометрический методы. Способы повышения чувствительности при течеискании.

В результате освоения содержания модуля «Вакуумные измерения» обучающийся приобретет необходимые знания, умения и навыки, предусмотренные следующими компетенциями ИК-2, ИК-5, ЛК-2, ОП-1, ОП-2, ОП-3, ОП-4, ПТ-1, ПТ-5, НИ-1, ПСК-2.

Модуль 4 «Элементы вакуумных систем » трудоемкостью 0,8 зачётной единицы, включает следующие виды аудиторных занятий: лекций - 12, семинарских занятий - 6. В состав модуля также входит самостоятельная работа студентов для выполнения домашнего задания, оформления отчета по лабораторным работам и подготовки к тестированию - 16.

В модуль 4 входят следующие разделы дисциплины.

Материалы, используемые для конструирования вакуумных систем. Герметизация вакуумных систем. Вакуумные герметики. Смазочные масла и гели. Конструкции вакуумных камер. Расчет на прочность. Токовводы: низко- и высоковольтные, слабо- и сильноточные, термопарные. Смотровые окна.

Разборные и неразборные соединения. Паяные соединения металла с металлом, стеклом и керамикой. Мягкие и твердые припои. Согласованные и несогласованные спаи металлов со стеклом. Сварные соединения. Виды сварки. Приварка сильфонов к фланцам. Разборные соединения с резиновыми уплотнителями. Разборные соединения с металлическими уплотнителями: клин-канавка, конфлат.

Запорно-коммутирующая арматура для непрогреваемых и прогреваемых систем. Конструкция и параметры вакуумных клапанов, шиберов, натекателей, аварийных затворов. Особенности конструирования прогреваемых соединений. Нагреватели и охлаждающие устройства. Экраны. Расчет нагревателей и экранов.

Вводы вращательного и поступательного движения в вакуум. Вводы движения с контактным уплотнительным элементом. Уплотнение Вильсона. Резиновые армированные манжеты. Вводы вращения с магнитожидкостным уплотнением. Расчет герметичности неподвижных и подвижных соединений. Вводы движения с деформируемым уплотнительным элементом. Сильфонные вводы вращательного и поступательного перемещения. Планетарный резьбовой ввод. Волновые вводы вращения. Вакуумные смазки. Твердосмазочные покрытия. Консистентные смазки. Поступательный ввод с резиновой мембраной. Привод на основе управляемой упругой деформации. Вводы движения с неподвижным уплотнительным элементом. Вводы движения с постоянными и переменными магнитными полями и жесткой уплотняющей стенкой. Основные параметры. Анализ, выбор, расчет и конструирование вводов движения. Расчет газовыделения из пар трения в вакууме: вал-втулка, зубчатого зацепления, резьбового зацепления, шарикоподшипника.

Вакуумные манипуляторы. Пьезопреобразователи: пьезостолбцы, пьезотрубки. Привод поступательного перемещения с магнитореологическим управлением. Многокоординатные механизмы параллельной кинематики. Основные параметры. Анализ, выбор, расчет и конструирование манипуляторов.

В результате освоения содержания модуля «Элементы вакуумных систем» обучающийся приобретет необходимые знания, умения и навыки, предусмотренные следующими компетенциями ИК-2, ИК-5, ЛК-2, ОП-1, ОП-2, ОП-3, ОП-4, ПТ-1, ПТ-5, НИ-1, ПСК-2.

4.2. Практические занятия – семинары.

Практические занятия на семинарах предусматривают проработку и освоение следующих разделов дисциплины.

Семестр 1

Модуль 1 «Основные положения физики вакуума»

1. Расчет давления газа. Определение скорости теплового движения молекул. Расчет объема газа, приходящий к единице поверхности стенки в единицу времени, длины свободного пробега молекул. Определение критерия степеней вакуума.

2. Методы расчета теплопроводности газа. Определение вязкости газа при различных степенях вакуума. Расчет потока газа и проводимости для разных режимов течения газа. Течение газа через отверстие (диафрагму), через трубопровод круглого сечения. Анализ проводимости сложного трубопровода. Моделирование течения газа различными методами. Метод механики сплошной среды. Метод интегральных угловых коэффициентов. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло).

3. Расчет газовыделения. Определение давления насыщенных паров. Расчет скорости адсорбции и десорбции. Использование уравнений Генри и Ленгмюра. Расчет полимолекулярной адсорбции с помощью уравнения БЭТ. Определение агрегатного состояния вещества с помощью диаграммы.

4. Методы расчета растворимости и газосодержания в твердом теле. Определение газового потока при стационарном и нестационарном процессах диффузии газа в твердом теле. Использование законов Фика. Расчет распределения концентрации растворенного газа в твердом теле.

Модуль 2 «Вакуумные насосы»

1. Основные типы задач при расчете вакуумных систем. Выбор вакуумной системы и насосов, обеспечение требуемого предельного давления. Основное уравнение вакуумной техники. Расчет времени откачки от заданного давления. Расчет рабочего давления реальной системы.

2. Расчет быстроты действия механических насосов. Способы улучшения вакуумных характеристик.

3. Расчет параметров пароструйных насосов. Выбор рабочих жидкостей.

4. Расчет основных параметров сорбционных насосов. Пути улучшения рабочих характеристик.

5. Расчет рабочих параметров геттерно-ионных насосов. Пути улучшения рабочих характеристик. Принцип работы, особенности конструкции.

6. Расчет рабочих характеристик криосорбционных насосов.

7. Методы расчета параметров ловушек. Схемные и организационные способы получения безмасляного вакуума с помощью масляных средств откачки. Примеры расчета.

Модуль 3 «Вакуумные измерения»

1. Расчет характеристик механических манометров: деформационных, гидростатических компрессионных, вязкостных.

2. Расчет характеристик тепловых манометров.

3. Расчет параметров ионизационных манометров: термоэлектронного, магниторазрядного, датчика Альперта, инверсно-магнетронного. Определение чувствительности манометров к различным газам. Использование селективности работы для течеискания.

4. Определение парциального давления. Расчет параметров статических и динамических масс-спектрометров: омегатронов, хронотронов, квадрупольных масс-спектрометров. Методика расшифровки спектра остаточных газов.

5. Анализ способов измерения газовых потоков. Определение газового потока методами: постоянного давления, постоянного объема, постоянной и переменной диафрагмы.

6. Анализ методов течеискания. Определение потока натекания масс-спектрометрическим методом. Способы повышения чувствительности при течеискании.

7. Анализ процессов сорбции и десорбции с поверхностей, работающих в вакуумном технологическом оборудовании. Определение коэффициента покрытия поверхности молекулами газа в вакууме.

Модуль 4 «Элементы вакуумных систем »

1. Расчет вакуумных камер на прочность.

2. Расчет газовых потоков из разборных соединений с резиновыми уплотнителями, разборных соединений с металлическими уплотнителями: клин-канавка, конфлат.

3. Вводы вращательного и поступательного движения в вакуум. Вводы движения с контактным уплотнительным элементом. Расчет уплотнения Вильсона.

4. Расчет ввода вращения с магнитожидкостным уплотнением.

5. Вводы движения с деформируемым уплотнительным элементом. Расчет сильфонных вводов вращательного и поступательного перемещения. Планетарный резьбовой ввод. Волновые вводы вращения.

6. Поступательный ввод с резиновой мембраной. Привод на основе управляемой упругой деформации. Расчет напряжений при деформации сильфонов.

7. Вводы движения с неподвижным уплотнительным элементом. Вводы движения с постоянными и переменными магнитными полями и жесткой уплотняющей стенкой. Основные параметры. Анализ, выбор и расчет вводов движения.

8. Расчет газовыделения из пар трения в вакууме: вал-втулка, зубчатого зацепления, резьбового зацепления, шарикоподшипника.

9. Вакуумные манипуляторы. Расчет пьезопреобразователей с редуцирующими элементами. Привод поступательного перемещения с магнитореологическим управлением. Многокоординатные механизмы параллельной кинематики. Основные параметры. Расчет основных характеристик манипуляторов.

4.3. Лабораторные работы.

Семестр 1

Модуль 2

Лабораторная работа 1 «Изучение вакуумных насосов»