Михайлов В.П. - Учебное пособие по курсу ФОЭТ, страница 2

а) низковакуумная откачка (P103Па) установки для вакуумной упаковки продуктов: 1- вакуумная упаковка; VT1 - вентиль тарельчатый; VF1 – натекатель; NI - насос механический

а) высоковакуумная откачка (P10-3Па) установки для нанесения тонких пленок: 1 - подложка; 2 – испаритель; VT1, 2, 3 - вентили тарельчатые; VF1 – натекатель; ND, NV – насосы диффузионный и механический; CV - колпак вакуумный

Физические явления при вакуумировании рабочих объемов

Основные постулаты физики вакуума:

1. Газ состоит из молекул, находящихся в беспрерывном и беспорядочном движении;

2. Существует устойчивое распределение молекул по скоростям;

3. Газ - среда изотропная;

4. Температура газа есть мера средней кинетической энергии молекул;

5. Взаимодействие молекул газа происходит как соударение упругих шаров;

6. При соударении с поверхностью твердого тела молекула сорбируется, т. е. на некоторое время задерживается на стенке;

7. Давление есть результат ударов молекул о стенку сосуда.

Давление газа

Давление газа - отношение нормальной составляющей силы, действующей со стороны газа на ограничивающую поверхность, к площади этой поверхности.

В стационарном состоянии (T_газа=T_стенок) устанавливается определенное распределение скоростей между отдельными молекулами, описываемое функцией распределения Максвелла

Функция распределения молекул газа по скоростям (функция распределения Максвелла):

F(v) - вероятность того, что молекула имеет абсолютную скорость v;

v_H1, v_H2 - наиболее вероятные скорости молекул для температур T₁ и T₂

Наиболее вероятная скорость движения молекул газа:

,

где k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; m - масса молекулы.

Средняя арифметическая скорость:

,

где n_i - количество молекул, имеющих скорость v_i; n-концентрация молекул

.

Средняя квадратическая скорость:

Соотношение скоростей молекул:

v_n : v_a : v_k = 1:1,13:1,22

Распределение молекул газа по скоростям (при T=293 К)

М - молекулярная масса (в атомных единицах массы)

Газ	М	vН,м/с	vа,м/с	vК,м/с
H2 N2 O2 воздух	2 28 32 29	1554 417 390 410	1752 470 440 462,5	1902 510 477 501,9

Определим выражение для давления P из уравнения Менделеева-Клапейрона для 1 моля газа:

где V_m - объем 1 моля газа; R - универсальная газовая постоянная.

Перепишем уравнение в виде:

где N_A - число Авогадро, n - концентрация молекул.

Средняя кинетическая энергия молекулы:

Из этого следует:

.

Основное уравнение молекулярно- кинетической теории газов:

Полное давление смеси газов:

где P_i - парциальное давление i-го газа.

Объем газа, ударяющегося в единицу времени о единицу поверхности

Число соударений молекул в единицу времени о единицу поверхности:

где v_а – средняя арифметическая скорость молекулы.

Объем газа, ударяющегося в единицу времени о единицу поверхности:

,

При нормальных условиях (М = 29; Т = 293 К) v_a = 462,5 ;

,

Величина V₁ не зависит от давления Р и определяет максимальную теоретическую быстроту откачки вакуумных насосов.

Длина свободного пробега молекул

, где va – средняя арифметическая скорость молекулы;  - число столкновений молекулы с другими частицами; , где  – диаметр молекулы; n – концентрация молекул.

Таким образом, , т.к. .

В действительности все молекулы движутся, и рассматриваемая молекула движется с относительной скоростью . Тогда число столкновений и .

Например, для молекулы воздуха для нормальной температуры Т=293 К и _в = 3,710^-10 м, k = 1,3810^-23

.

Пример:

1. Атмосферное давление P = 10⁵ Па

м  65 нм

1. Средний вакуум Р = 10¹ Па (механический насос)

м  0,65 мм

1. Высокий вакуум Р = 10^-4 Па (в космосе на высоте 150 км)

м

Степени вакуума

Когда длина свободного пробега молекул  становится соизмеримой с размерами сосуда (вакуумной камеры, ЭВП и др.) и молекулы вместо взаимных соударений начинают сталкиваться в основном со стенками сосуда, резко меняется характер явления переноса (теплопроводности, диффузии, вязкости, движения потоков заряженных частиц – электронов и ионов).

Таким образом, степень вакуума, определяемая величиной , существенно влияет на процессы, происходящие в вакуумированном объёме.

Низкий вакуум – характеризуется давлением газа Р, при котором <<d,

где d – характерный размер вакуумного сосуда.

Средний вакуум - характеризуется давлением газа Р, при котором  соизмерима с d (d).

Высокий вакуум - характеризуется давлением газа Р, при котором >>d.

Сверхвысокий вакуум - характеризуется давлением газа Р, при котором за время рабочего процесса не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа.

Таким образом, степень вакуума определяется двумя параметрами: давлением Р (и, соответственно, длинной свободного пробега ) и характерным размером вакуумного сосуда d (например диаметром). Учитывая, что наиболее ходовыми диаметрами являются размеры в диапазоне 16..250 мм, условными границами степеней вакуума являются следующие:

Условные границы степеней вакуума:

Критерий степени вакуума	Давление, Па	Название вакуума
Pd  1,2 мПа	105…102	Низкий
0,004 < Pd < 1,2 мПа	102…10-1	Средний
Pd  0,004 мПа	10-1…10-4	Высокий
 < 1, P < 410-4/to	P < 10-4	Сверхвысокий

Условия существования СВВ определяется его взаимодействием с поверхностью материала и, в частности, коэффициентом заполнения поверхности  ( где - количество мест на единице поверхности, - количество сорбированных молекул на единице поверхности). Если за время проведения рабочего процесса t_o сохраниться хотя бы малая доля чистой (ювенильной) поверхности, т.е.  < 1, то граница СВВ определяется

Р  410^-4/ t_o. С учётом того, что t_o = 1 с Р < 10^-4 Па.

Получение вакуума

Вакуумные насосы можно классифицировать следующим образом:

а) по назначению: сверхвысоковакуумные, высоковакуумные и низковакуумные (форвакуумные);

б) по принципу действия: механические, сорбционные (для среднего и высокого вакуума), диффузионные, магнитные электроразрядные, геттерно-ионные, крионасосы (для высокого и сверхвысокого вакуума).

Основные параметры вакуумного насоса:

Быстрота откачки объекта So – объём газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого объекта в трубопровод при давлении . Быстрота действия насоса Sн – объем газа, удаляемый насосом в единицу времени через впускной патрубок при давлении . Производительность насоса Q – поток газа, проходящий через его впускной патрубок .

• Проводимость трубопровода U – количество газа, протекающего через трубопровод в единицу времени при разности давлений на концах трубопровода, равной единице:

U = Q /(P_О – P_H).

Для стационарного потока (Q = const) при откачке вакуумной камеры выполняется условие сплошности газовой среды:

Q = P_oS_o = P_HS_H = const.

Установим взаимосвязь между основными параметрами вакуумной системы: S_o, S_H, U:

S_H = Q/P_H = U(P_О – P_H) /P_H;

S_О = Q/P_О = U(P_О – P_H) /P_О;

; ;

или .

Таким образом, при увеличении проводимости трубопровода до бесконечности (U –> ) быстрота откачки камеры стремится к быстроте действия насоса (S_o –> S_H); при закрытом трубопроводе (U –> 0) быстрота откачки камеры также равна нулю (S_o –> 0).

Расчет времени откачки полностью герметичной, идеально обезгаженной системы

Дано: V – объем камеры; So – быстрота откачки (принимается So = const); Po, PK – начальное и конечное давления. Найти: время откачки to от Ро до РК.

1. Определим количество газа dG, откачанное за время dt:

,

,

После интегрирования получим:

,