Проанализировано влияние изменения геометрических характеристик криопанелей защитного экрана крионасосов на их эффективность и предложены рекомендации по возможной модернизации конструкции защитного экрана с целью увеличения эффективности его работы.

5.Функциональные особенности современных криогенных насосов

Криогенные вакуумные насосы, основанные на цикле Гиффорда-МакМагона, используются в промышленности для получения высокого и сверхвысокого вакуума для производства компонентов полупроводниковой и электронной промышленности, нанесения вакуумных покрытий, в производстве тонких пленок, металлургии чистых металлов и ряде других высокотехнологичных приложений. Свое широкое распространение крионасосы получили благодаря чистоте создаваемого ими вакуума, высокой производительности и относительно невысокой стоимости.

Характерными требованиями потребителей к современным криогенным насосам являются:

• снижение времени захолаживания и выхода на рабочие температуры при пуске или после регенерации;

• уменьшение времени полной регенерации, как отдельного насоса, так и нескольких, встроенных в одну вакуумную систему и/или работающих от одного компрессора;

• увеличение рабочего времени до полной регенерации;

• автоматическое включение и выход на соответствующий режим после внезапного отключения электроэнергии;

• автоматическое поддержание рабочей температуры первой ступени охладителя;

• гибкость автоматического контроля и способность интеграции в вакуумные системы со специфическими требованиями к рабочим процессам;

• сервисная поддержка оборудования в кратчайшие сроки, в любой точке мира.

Все эти требования вытекают из общих критериев конкурентоспособности современных производств: увеличения выхода продукта (подложек и др.) в единицу времени, снижения уровня отбракованного продукта путем уменьшения уровня загрязнений в вакуумной камере, увеличения общего времени производства за счет минимизации потерь времени на сервис и ремонт оборудования.

Снижение времени выхода на режим при пуске, в основном, важно для тех пользователей, которые эксплуатируют систему в течение одной или двух смен и по требованиям техники безопасности отключают ее после окончания процесса производства. Сокращение времени захолаживания после регенерации необходимо абсолютному большинству производителей, работающих непрерывно в циклическом режиме. Это может быть достигнуто с помощью автоматического увеличения холодопроизводительности крионасоса при изменении частоты вращения двигателя криоохладителя [⁵⁵, ⁵⁶]. Такой контроль частоты вращения позволяет до 30 % сократить время выхода на режим.

Полная регенерация крионасоса большой производительности в ручном режиме может занимать до 5 часов полезного производственного времени. Она обычно состоит из циклов: отогрева с продувкой, дополнительной продувки для удаления паров воды, форвакуумной откачки и теста на остаточный газ. Если тест не пройден продувка и форвакуумная откачка крионасоса повторяются снова. Установка нагревателей, отогрев до температур выше окружающей среды и автоматический контроль процесса регенерации с анализом результатов теста на остаточный газ позволяют сократить и поддерживать неизменным время регенерации до 2,5-3 часов.

Увеличение времени работы крионасоса до полной регенерации может быть достигнуто с помощью режима быстрой регенерации только низкотемпературной ступени (10-15 К). Обычно насыщение газами именно этой ступени вызывает необходимость регенерации. При этом более высокотемпературная ступень (80-100 К) остается холодной и продолжает откачивать пары воды, повышение уровня которых является критическим для производства качественного продукта. На рис. 5.1 приведено сравнение различных способов регенерации.

Рис. 5.34. Сравнение различных способов регенерации

Увеличение времени работы крионасоса также может быть достигнуто путем увеличения емкости криопанелей, которое достигается с помощью концентраторов криоосадка [⁵⁷].

Одна из функций автоматического контроля современных крионасосов позволяет им выходить на нужный режим после внезапного отключения электроэнергии. Немедленно после восстановления подачи электропитания, контроллер определяет в каком состоянии насос был до отключения (нормальная работа, режим регенерации и т.д.), оценивает текущую температуру крионасоса. На основании этих данных принимается одно из решений: или продолжить нормальную работу или регенерацию, или охладиться до рабочей температуры, или начать регенерацию.

Автоматический контроль температуры первой ступени современных крионасосов от 80 К до 100 К введен для предотвращения криоадсорбции на ней рабочих газов, таких как аргон, ксенон и др. При отсутствии такого контроля температура этой ступени может опускаться до 40 К-65 К. Это приводит к криоадсорбции, например, ксенона на криопанелях первой ступени при относительно высоком парциальном давлении (рис. 5.2). С прекращением напуска рабочего газа вакуум в системе должен быстро улучшаться, однако этого не происходит из-за выделения ксенона из криоосадка первой ступени и конденсации его на второй ступени. Во время этого процесса, который занимает длительное время, вакуумная система не может выйти на рабочий, более высокий вакуум.

Рис. 5.35. Эффект захвата аргона первой ступенью крионасоса

Захват аргона можно избежать при установке на первой ступени датчика температуры и нагревателя (рис. 5.3), сопряженных с модулем контроля, который отслеживает и контролирует температуру, препятствует ее понижению до температур, при которых возможен захват аргона.

Рис. 5.36. Автоматический контроль температуры первой ступени на уровне 80-100 К

Современные высоковакуумные производственные процессы быстро изменяются, число их растет. Вместе с ними меняются вакуумные системы и системные требования к вакуумному оборудованию. Производители вакуумных систем интегрируют в свои контроллеры набор компьютерных программ высокого уровня, которые напрямую обмениваются информацией с контроллером крионасоса. Современные крионасосы способны изменять холодопроизводительность и цикл работы, адаптируясь к тепловым нагрузкам и ограничениям производственного процесса в режиме реального времени.

С целью своевременного сервисного обслуживания и ремонта, производители криогенных насосов интегрируют в контроллеры функции дистанционной передачи данных о работе насоса, таких как давление, температуру, напряжение электропитания, частоту и др. При подключении контроллера через телефонную сеть эти данные передаются и обрабатываются в центре мониторинга. Основываясь на результатах многомесячного мониторинга, сервисный центр может своевременно отследить тенденцию к ухудшению работы крионасоса и уведомить пользователя о необходимости профилактических или сервисных работ до того, как насос полностью потеряет свою работоспособность.

6.исследование характеристик разреженного газа в различных режимах течения

6.1.Методы расчета проводимости в молекулярном режиме

С начала становления вакуумной науки важное место в ней занимают исследования характеристик разреженного газа в молекулярном режиме течения. Эти изыскания направлены на разрешение вопросов касающихся физики высокого и сверхвысокого вакуума.

М. Кнудсен, используя представления о направленности движения молекул параллельно оси трубопровода и о структуре разреженного газа в соответствии с молекулярно-кинетической теорией, установил и подтвердил экспериментально выражение для расчета газового потока при течении через длинный трубопровод и отверстие в бесконечно тонкой стенке при молекулярном режиме. Он выдвинул гипотезу о том, что при молекулярном режиме стенка трубопровода поглощает ударяющиеся о нее молекулы газа, которые затем покидают ее в соответствии с законом конуса. Закон конуса был впоследствии экспериментально подтвержден и обоснован в исследованиях В. Геде, П. Клаузинга и др.

Позднее Клаузинг исследовал вопросы течения разреженного газа в молекулярном режиме при моделировании поведения молекул газа методами молекулярно-кинетической теории при решении интегральных уравнений Фредгольма второго рода. Используя представления о течении разреженного газа, связанные с характером блужданий молекулы газа по трубопроводам, он ввел понятие вероятности прохождения молекулы и разработал методы расчета проводимости коротких и коаксиальных трубопроводов, и др.

В настоящее время для анализа молекулярных потоков в вакуумных системах со сложной геометрической конфигурацией в основном применяются методы статистических испытаний (метод Монте-Карло), интегрально-кинетические и метод угловых коэффициентов.

Интегрально-кинетические методы отличаются физической содержательностью, но при этом являются наиболее сложными в постановке и нахождении решений.

Для решения кинетических уравнений при расчете сложных вакуумных конструкций применяется метод эквивалентных поверхностей, использующий упрощенный математический аппарат, в основу которого положена концепция последовательного замещения реальных компонентов вакуумной системы их газокинетическими эквивалентами простейшей формы. Эквивалентная поверхность представляет собой пограничную между двумя областями условную поверхность, которой, в зависимости от того, частью какой из этих областей ее рассматривают, приписывают различные характеристические функции.

Возможность применения метода угловых коэффициентов основана на подобии процессов переноса и взаимодействия с твердой поверхностью при молекулярном режиме между фотонами и молекулярными частицами. Метод в интегральной формулировке аналогичен по строгости и сложности решения интегрально-кинетическим методикам. Сложность решения снижается при применении табличных значений угловых коэффициентов, вычисленных ранее, для типовых геометрических структур.

Для анализа потоков разреженного газа в вакуумной системе со сложной геометрической конфигурацией применяется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло), основанный на моделировании непосредственно физического процесса в соответствии с положениями молекулярной статистики. Газовый поток представляется совокупностью молекул, двигающихся по траекториям, которые могут быть описаны кусочно-линейными функциями. Молекулы заменяются их статистическими моделями, их движение – хаотическое, а отражение от стенок – диффузное. Согласно методу прослеживается траектория молекулы с момента входа ее в элемент вакуумной системы и до выхода ее через входные или выходные отверстия.

Метод статистических испытаний использовался для расчетов при высоком вакууме при оптимизации элементов вакуумных насосов, расчетов проводимости сложных систем с произвольным числом входов, вакуумных ловушек, вакуумных клапанов и других элементов вакуумных систем.

6.2.Методы расчета проводимости в вязкостном режиме

Значительную роль, особенно с практической и технологической позиций, в вакуумной науке уделяют изучению характеристик разреженного газа в вязкостном режиме течения. Большая часть вакуумного оборудования функционирует или имеет режимы работы, например, пусковой момент, связанные с вязкостным режимом течения газа.

Вязкостное течение разреженного газа на значительной части или, возможно, на всем протяжении соединительных вакуумных трубопроводов является неразвитым и зависит от условий во входном и выходном сечениях. Предполагается слоистая структура течения. Расстояние между слоями равно длине свободного пробега, причем граничный со стенкой трубопровода слой является адсорбированным на поверхности стенки. Совокупность взаимодействия между молекулами соседних слоев газа представляется силой внутреннего трения (вязкости). Процесс течения разреженного газа моделируется следующим образом. Во входном сечении элементов вакуумных систем скорости молекул газа равны и направлены по потоку течения. Под воздействием силы трения постепенно замедляются слои ближние к стенке и ускоряются в центре трубопровода до тех пор, пока течение не установится, т.е., например, не образуется параболическое распределение скоростей по ширине трубопровода.