где Р_атм – атмосферное давление, Па;

 –плотность вакуумного масла в бюретке, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

h – разность уровней масла в бюретке и резервуаре, м.

Если выполняется условие Р_атм » gh, то давление в бюретке Р_б = Р_атм и поток газа через бюретку равен:

Q = Р_атм V_ /, (5)

где V_ - приращение объема масла в бюретке за время  , м³;

• - время измерения подъема масла, с.

Тогда быстрота откачки вакуумной камеры:

S = Р_атм V_ /(P). (6)

Метод постоянного объема

Метод постоянного объема является квазистационарным, так как вакуумная система в процессе определения быстроты откачки работает в неустановившемся режиме.

Для определения быстроты откачки вакуумной камеры фиксируют изменение давления в камере объемом V₀ от времени и строят график этой зависимости (рис. 11).

Рис. 11. График зависимости давления в вакуумной камере от времени

На шкалах целесообразно ставить абсолютные значения давления, а не их логарифмы. Время откачки для идеальной системы:

, (7)

где Р₁, Р_х – значения давлений через интервал времени t.

На практике через некоторое время после начала откачки ее эффективная быстрота начинает убывать по мере приближения к предельному давлению Р’, поэтому задачей исследования является определение быстроты откачки как функции давления Р в камере. Для расчета быстроты откачки необходимо преобразовать формулу (7):

, (8)

где  - угол, образуемый на графике касательной к кривой откачки с осью абсцисс в заданной точке (t_x, lg P_x).

Для обработки полученной кривой откачки графическим методом обычно проводят ряд касательных к ней в интересующих точках, а величину tg находят как отношение:

. (9)

Практическая часть работы

Метод постоянного давления

1. Записать основные исходные данные:

Диапазон рабочих давлений установки	Pmax= Pmin =
Вакуумметр: тип, марка
Манометр: тип, марка
Атмосферное давление
Насос форвакуумный: тип, марка
Паспортная быстрота действия ф.в. насоса, м3 сек-1
Предельное давление форвакуумного насоса, Па

2. Записать данные бюретки:

Объем бюретки, м3
Общее число делений на градуированной части
Объем одного деления бюретки, м3
Удельный вес жидкости в бюретке, кг/м3

1. Плавно поворачивая маховик натекателя установить давление P = Па в вакуумной камере;

2. Перекрыть кран 6 и замерить время начала отсчета;

3. Зафиксировать время подъема масла на n = делений  = с и определить объем вошедшего в бюретку масла V_ = м³;

4. Опустить уровень масла в исходное положение,открыв кран 6;

7. Повторить опыт (п.п.4-6) три раза, найти  ср.=

Примечание: количество делений n во всех опытах должно быть постоянно.

8. Определить приближенное значение быстроты откачки по формуле (6).

Метод постоянного объема

1. Записать основные данные вакуумной установки:

Расчетный внутренний объем вакуумной камеры, м3
Вакууметр: тип, марка
Манометр: тип, марка
Начальное давление, Па
Предельное давление системы, Па
Насос форвакуумный: тип, марка
Паспортная быстрота действия ф.в. насоса, м3 сек-1
Предельное давление форвакуумного насоса, Па

2. Предварительно включив датчик, с помощью натекателя, установить в рабочей камере требуемое начальное давление P₀;

3. Быстро закрыв натекатель, фиксировать давление в камере через равные промежутки времени. Данные замеров свести в таблицу:

Время, с
Давление P, Па

4. Построить график зависимости lgP=f(t) в полулогарифмических координатах;

5. Методом графического дифференцирования определить быстроту откачки для четырех значений давления Р;

6. Построить зависимость S=f(P) по точкам, соответствующим значениям P.

Лабораторная работа № 3

характеристики тлеющего разряда

Цель работы - изучение физических явлений при тлеющем разряде в низком и среднем вакууме для его использования в технологиях ионно-плазменного травления и распыления материалов.

Тлеющий разряд относится к самостоятельному разряду и наблюдается только в приборах и технологических установках с холодным катодом. Для получения самостоятельного разряда к электродам достаточно приложить разность потенциалов. Для возникновения и развития тлеющего разряда достаточно небольшого количества свободных электронов, которые всегда есть в газовой камере.

Схема самостоятельного газового разряда представлена на Рис. 12.

Рис.12. Схема самостоятельного газового разряда: e – электрон; MX - молекула; M - атом; M^ - радикал; X^ - отрицательный ион; M⁺ - положительный ион; M* - возбужденный атом; h - фотон; E_e = kT_e - энергия (температура) электрона; E_иониз. - энергия ионизации атомов; h - величина темного катодного пространства; n_e и n_i - концентрация электронов и ионов соответственно; kT_i - энергия (температура) иона; w - плотность мощности; p - давление плазмообразующего газа; k_i - коэффициент ионизации

Основными участками тлеющего разряда является катодная область (область катодного свечения, темное катодное пространство), столб разряда (плазма) и анодная область (темное фарадеево пространство, область положительного свечения). В результате того, что положительные ионы движутся медленнее электронов, в катодной области формируется положительный объемный заряд, который образует катодное падение потенциала. Катодная область является источником электронов за счет поверхностной ионизации.

Столб разряда представляет собой плазму, в которой потенциал электронов и положительно заряженных ионов равны, а падение напряжения мало. Газ интенсивно светится в результате излучения энергии атомами при переходе электронов с высоких энергетических уровней на стационарные. В анодной области наблюдается небольшое падение потенциала. Напряжение зажигания тлеющего разряда зависит от рода газа и произведения давления на расстояние между электродами. Эта зависимость иллюстрируется кривыми Пашена (Рис.13).

Рис.13. Кривые Пашена

Общий разрядный ток в межэлектродном пространстве установки вакуумного напыления УВН - 1 (рис.14):

I_р=I_ф + I_и + I_в, (10)

где I_ф - фоновый ток автоэлектронной эмиссии (не зависящий от давления), I_{и -} ионный ток, образованный ионами в результате объемной ионизации, I_в - ток вторичной электронной эмиссии, образованный в результате поверхностной ионизации.

Ионный ток и ток вторичной электронной эмиссии зависит от давления, поэтому, пренебрегая фоновым током можно записать:

I_р= I_и + I_в = А  рⁿ, (11)

где А, n – постоянные, зависящие от геометрических параметров электродов, рода газа, наличия и напряженности магнитного поля в межэлектродном пространстве.

Рис. 14. Установка УВН -1:

1. – электродвигатель вакуумного насоса; 2 – насос диффузионный; 3 – затвор высоковакуумный; 4 - камера рабочая; 5 – преобразователь давления инверсионно-магнетронный; 6 - натекатель для напуска рабочего газа; 7 – вентиль; 8 – рукоятка управления; 9 - вентиль; 10 - насос механический пластинчато-роторный

Практическая часть работы

1. Откачать рабочую камеру до давления 5 … 10 Па;

2. Подать напряжение ~ 1 кВ на электрод и зажечь тлеющий разряд;

3. Измерить ток разряда;

4. Прекратить откачку камеры, закрыв затвор высоковакуумный 3;

5. Удерживая напряжение разряда стабильным, измерить ток разряда при увеличении давления через каждые 30 Па. Результаты измерений занести в таблицу 5;

6. По полученным точкам построить график зависимости тока разряда от давления;

Таблица 5

Давл. Па	10	40	70	100	130	160	190	220	250	280
Ток, мА

1. Экспериментально исследовать зависимость напряжения зажигания тлеющего разряда U_з от давления Р. Результаты измерений занести в таблицу 6. Построить график зависимости U_з(Pd) (кривую Пашена), где d – расстояние между анодом и катодом. (принять d=0,2 м).

Таблица 6

Давл. Па	10	40	70	100	130	160	190	220	250	280
Uз, В

Лабораторная работа № 4

Термовакуумные процессы при обезгаживающем прогреве

Цель работы - изучение термовакуумных процессов при обезгаживающем прогреве электровакуумных приборов (ЭВП).

При обезгаживающем прогреве материала наблюдается десорбция газа как с поверхности, так и из приповерхностного слоя твердого тела. При газовыделении из толщи материала происходит нестационарный процесс диффузии, при котором объемная концентрация газа С в каждой точке твердого тела меняется во времени. Характер изменения объемной концентрации С и толщины обезгаженного слоя  в приповерхностном слое материала показан на рис.15. Удельный поток газовыделения q из приповерхностного слоя, обусловленный диффузией растворенного газа, определяется выражением:

q = D dC/dx = D(C₀-C₁)/ = D₀exp(-E_д/(jRT))(C₀-C₁)/ , (12)

где D – коэффициент диффузии газа; dC/dx – градиент объемной концентрации газа; C₀,C₁ – начальная объемная концентрация газа в твердом теле и на поверхности;  - толщина обезгаженного слоя; D₀ – константа диффузии; E_д – энергия активации диффузии; j – число атомов в молекуле газа для металла (j=2) и j=1 – для неметалла; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура твердого тела.

Толщину обезгаженного слоя  можно найти как:

 = , (13)

где t - время прогрева.

Рис.15. Распределение объемной концентрации газа в приповерхностном слое материала

Таким образом, удельный поток газовыделения q из приповерхностного слоя экспоненциально зависит от температуры твердого тела Т (увеличивается с ростом Т), а также от времени прогрева t (уменьшается с ростом t).