С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев Низкотемпературные системы селективной откачки
Описание файла
Документ из архива "С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев Низкотемпературные системы селективной откачки", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "вакуумная и плазменная электроника" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "вакуумная и плазменная электроника (вакплазэл)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев Низкотемпературные системы селективной откачки"
Текст из документа "С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев Низкотемпературные системы селективной откачки"
С.Б. Нестеров, А.В. Андросов, Ю.К. Васильев
Низкотемпературные системы откачки
Москва 2005
СОДЕРЖАНИЕ
введение 4
1. низкотемпературные ловушки для селективной откачки парогазовых смесей 6
1.1. Принципы селективной откачки 6
1.2. Защитная способность ловушек 8
1.3. Классификация ловушек 12
1.3.1. Водоохлаждаемые ловушки 12
1.3.2. Умеренно охлаждаемые ловушки 15
1.3.3. Криоловушки 23
1.3.4. Сорбционные ловушки 30
1.3.5. Каталитические (химические) ловушки 34
2. Применение крионасосов для откачки газовых смесей 38
3. Применение крионасосов в производстве плоских дисплеев и полупроводников 52
3.1. Влияние паров воды на процесс формирования покрытий 54
3.2. Практическое применение крионасосов в рулонных системах напыления 56
3.3. Применение крионасосов в специализированном производстве полупроводников 58
4. Разработка и модернизация вакуумных криогенных насосов 63
4.1. Конструкция и описание крионасосов 64
4.2. Анализ влияния геометрии экрана на его эффективность 66
5. Функциональные особенности современных криогенных насосов 72
6. исследование характеристик разреженного газа в различных режимах течения 78
6.1. Методы расчета проводимости в молекулярном режиме 78
6.2. Методы расчета проводимости в вязкостном режиме 80
6.3. Методы расчета проводимости в переходном (молекулярно-вязкостном) режиме течения 83
6.3.1. Аналитические методы расчета параметров вакуумных систем в переходном режиме течения 84
6.3.2. Решение задач газовой динамики с использованием кинетического уравнения Больцмана 89
6.3.3. Обзор современных численных методов решения уравнения Больцмана 93
6.3.4. Метод прямого численного моделирования Монте-Карло и его вариации 95
6.4. Некоторые примеры расчета с использованием различных методов 99
6.5. Области использования методов молекулярной газовой динамики 102
6.6. Универсальный метод анализа характеристик разреженного газа в сложных системах 104
приложение 108
Литература 113
введение
Современные высокотехнологичные приложения вакуумной техники, такие как нанотехнологии, микроэлектроника, термоядерная энергетика, космическая техника и т. п., предъявляют повышенные требования к характеристикам систем обеспечения и поддержания вакуума. Среди таких требований необходимо отметить:
-
Достижение высоких значений быстроты действия – уровня сотен тысяч литров в секунду;
-
Низкие предельные остаточные давления – до 10-11 – 10-13 мм. рт. ст.;
-
Отсутствие примесей в получаемом вакууме – обуславливает необходимость использования средств откачки без рабочей жидкости, пары которой могут попадать в откачиваемый объем;
-
Возможность длительной и бесперебойной работы, а также отсутствие движущихся частей, контактирующих с вакуумом.
Кроме того, можно отметить ряд специальных условий, характерных для таких областей, как моделирование условий космического пространства и физика твердого тела – низкая температура (уровня 20-70 К) устройств в вакуумной части для того, чтобы избежать теплопритоков в рабочие области установок.
Эти требования послужили серьезным толчком к развитию криовакуумного оборудования, которое наиболее полно удовлетворяет перечисленным требованиям. Данное направление возникло на стыке криогенной и вакуумной техники и активное развитие получило лишь в последней четверти прошлого века. Вместе с тем, в настоящий момент оно сформировалось уже в отдельную область вакуумной техники и даже послужило основой создания новых сфер – например, технологии селективной откачки.
Под криовакуумной техникой понимают оборудование для получения и поддержания вакуума с помощью криоохлаждения. Формы исполнения криовакуумного оборудования весьма разнообразны. Это и классические заливные системы, источником холода в которых служит сжиженный газ – например, наиболее часто – жидкий азот. Кроме того, это, особенно активно развивающиеся в последнее время, системы, построенные на базе различных холодильных газовых циклов. Такое оборудование позволяет работать на температурном уровне 4-10 К и проводить откачку гелия и водорода, то есть наиболее труднооткачиваемых газов, которые, как правило, и формируют газовую среду в условиях высокого вакуума, полученного традиционными средствами. Помимо методов охлаждения существуют самые разные формы исполнения и использования криовакуумных средств. Это и ловушки – устройства, проводящие газ, но захватывающие посторонние примеси, и крионасосы – системы, непосредственно проводящие откачку.
1.низкотемпературные ловушки для селективной откачки парогазовых смесей
1.1.Принципы селективной откачки
Для предотвращения попадания паров веществ, конденсированных в обычных условиях (масла, пары ртути, пары воды, пары металлов и др.), из одной части вакуумной системы в другую применяют устройства, которые в вакуумной технике принято называть ловушками. Ловушки могут предназначаться как для защиты насосов от летучих продуктов, выделяющихся в ходе технологического процесса, так и для защиты откачиваемого объема от рабочего вещества насоса, а также для возвращения рабочего вещества обратно в насос.
Улавливание постороннего вещества может быть осуществлено путем конденсации, сорбции или химического связывания. Поэтому рабочие поверхности ловушки должны либо охлаждаться, либо покрываться слоем сорбента или химически активного вещества.
По типу конструкции ловушки классифицируются на оптически плотные и оптически неплотные. Ловушка является оптически плотной, если она обеспечивает, по крайней мере, однократное столкновение молекулы с поглощающей поверхностью. Если ловушка не обеспечивает, как минимум, однократного столкновения молекулы с поглощающей поверхностью, то она является оптически неплотной.
Качество ловушки характеризуется ее проводимостью и защитной способностью, а также конструктивными (компактность, сложность изготовления) и экономическими (стоимость, энергопотребление, затраты на обслуживание) показателями. Под защитной способностью в данной работе понимается отношение количества вещества, прошедшего через ловушку, к количеству вещества, поступающего на нее со стороны насоса (откачиваемого объема). Также в различных источниках используют понятие коэффициент захвата ловушки – отношение количества вещества захваченного ловушкой, к количеству вещества, поступающего на нее со стороны насоса (откачиваемого объема).
К каждой ловушке предъявляется требование максимальной проводимости при максимальной защитной способности. Однако удовлетворить этим требованиям одновременно невозможно и обычно останавливаются на компромиссе. В таблице 1.1 приведены конструкции наиболее часто встречающихся ловушек [1].
Таблица 1.1. Наиболее часто встречающиеся конструкции ловушек
№п/п | Ловушка | Принципиальная схема |
1 | Шевронная | |
2 | Шевронная кольцевая | |
3 | Жалюзийная двухрядная | |
4 | Коническая кольцевая | |
5 | Коническая шевронная | |
6 | Диафрагменная | |
7 | Угловая |
Обычно высокопроводящие и достаточно надежные ловушки уменьшают эффективную быстроту откачки объема не более чем на 50%. Проводимость ловушки определяется только ее конструкцией. Теоретический расчет проводимости ловушки достаточно точно осуществляется с использованием метода пробной частицы Монте-Карло [2, 3].
1.2.Защитная способность ловушек
Паромасляный насос является источником паров масла. Масло в откачиваемый объем поступает как вследствие естественного испарения конденсата масла со стенок в вакуум, так и вследствие механического «распушения» струи. Локализация и удельный вес источников паров масла в паромасляных диффузионных насосах подробно рассмотрены в работах [4, 5]. Как правило, для диффузионных насосов применяют оптически плотные ловушки, однако и через оптически плотную ловушку возможно проникновение следов насосной жидкости в откачиваемый объем следующими путями:
-
испарение с поверхности ловушки;
-
отражение от поверхности ловушки вследствие того, что коэффициент прилипания на улавливающих поверхностях не равен 1;
-
взаимное столкновение молекул между собой;
-
диффузия молекул масла в вязкостном режиме течения газа;
-
поверхностная миграция.
Скорость испарения определяется температурой ловушки и упругостью насыщенных паров рабочей жидкости. Если рабочее вещество представляет собой индивидуальное вещество или смесь близкокипящих фракций, то, зная кривую упругости пара и температуру ловушки, можно оценить долю обратного потока, определяемую испарением с поверхности ловушки. Расчет скорости испарения масла ВМ-1 при различных температурах приведен в работе [6]. В работе [7] приводится вывод приближенной формулы для расчета пролета масла через оптически плотную угловую ловушку, обусловленного причинами 2, 3 и 4. При коэффициенте прилипания α≠1, доля прошедшего через ловушку потока равна 1,09(1-α).
Число молекул масла N, проникших через ловушку за 1 секунду вследствие взаимных столкновений, выражается следующей формулой , где
P – давление насыщенных паров масла, Торр;
а – радиус ловушки, см;
M – молекулярный вес масла, г/моль.
Вероятность вылета масла p вследствие столкновения молекул масла с молекулами газа определяется формулой , где
l – средний путь молекулы в ловушке (в данном случае l=2,7а), см;
L – средний свободный пробег молекулы масла, см.
Перенос масла W (г/сек) вследствие диффузии подсчитывается по формуле , (1.1)
где