Лекция 4 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике)

Лекция №4Расчет времени откачкиВведём следующее важное определение: количество газа – произведение объёмагаза на давление, при котором этот газ находится.G  pV , [Па∙м3].Количество газа численно равно объёму газа, прошедшему через сечениетрубопровода за некоторое время dt, помноженное на давление p в этом сечении, или жепроизведению скорости откачки Sо за время t, помноженное на давление pG  S o pt .Пусть в начальный момент времени в камере объёмом V давление p0 (рис. 4.1).Поскольку процесс откачки есть удаление газа из камеры, то давление в ней будетуменьшаться. Скорость этого уменьшения давления будет зависеть от параметров насоса(быстроты действия Sн и предельного давления p'н) и от параметров трубопровода, т.е. отпроводимости U.Рис.

4.1. К расчёту времени откачкиЗа единицу времени dt через сечение трубопровода у выхода из камеры пройдётколичество газа, равноеdG  S o pdtПри этом, поскольку из камеры ушло указанное выше количество газа, давление вкамере уменьшилось на величину dp. При неизменном объёме камеры ушедшее из неёколичество газа может быть выражено какdG  Vdp .Следовательно, можно записать следующее выражениеS o pdt  VdpРазделяя переменные и беря интегралы по времени, получим решениедифференциального уравнения для определения времени откачки от давления p1 додавления p2 (p1 > p2) для простейшей идеальной вакуумной системыp2VVVVppt  dp   ln p p2   (ln p2  ln p1 ) ln 1 .1S pSoSoS o p2p1 oВ реальном процессе откачки вакуумной системы существуют следующие условия,влияющие на время откачки:1.

давление в системе никогда не может быть меньше или равно предельномудавлению насоса p'н вследствие наличия сопротивления трубопровода;2. эффективная скорость откачки напрямую зависит от быстроты действия насоса иявляется функцией от давления;3. в системе всегда присутствуют дополнительные источники газов.Строго говоря, п.1 на расчёт реального времени откачки не влияет, однако припроектировании вакуумных систем для уменьшения времени откачки следует обращатьвнимание на предельное давление насоса p'н, а трубопроводы проектировать с учётом ихнаименьшего сопротивления.Эффективная скорость откачки связана с быстротой действия насоса основнымуравнением вакуумной техники111 .SО S Н UВ данном уравнении и проводимость, и быстрота действия насоса зависят отдавления.

В случае проводимости эта зависимость определяется режимом течения газа,поэтому время откачки следует рассчитывать отдельно для каждого режима течения газа.Быстрота действия насоса, как правило, имеет нелинейный характер зависимости отдавления вследствие конструктивных особенностей каждого типа насоса (рис. 4.2).Рис. 4.2. Типичная кривая зависимости быстроты действия насоса от давления на входенасосаЕсли изменением зависимости быстроты действия насоса от давления на входенельзя пренебречь, т.е.

насос работает некоторое время в области давлений, где егобыстрота действия уменьшается, то в этом случае следует разделить кривую зависимостина участки, где быстроту действия можно считать постоянной или линейной (в этомслучае требуется аналитическое описание линейной зависимости). Для каждого участка внеобходимо рассчитать своё время откачки и затем просуммировать (не забывая орежимах течения газа).Дополнительные источники газа в вакуумной системеВ реальной вакуумной системе всегда присутствуют два независимыхдополнительных источника газов (газовая нагрузка):1. газовыделение – выделение газов со стенок камеры;2. натекание – проникновение газов через неплотности вакуумной системы (вместах стыков, трещин), а также через материал, из которого изготовлены трубопроводы икамера (газопроницаемость).В вакуумной технике при расчётах оперируют понятиями потока газовыделенияQгв и потока натекания Qн.

Суммарно их объединяют в общий поток газонатекания Qгн.При давлении p поток газонатекания dQгн соответствует объёму dQгн/p,поступающему в объём камеры за единицу времени.С учётом этих дополнительных потоков уравнение баланса количества газа вобъёме камеры при её откачке будет выглядеть следующим образомS o pdt  Vdp  Qгн dt .Тогда выражение для времени откачки будет иметь следующий видQгнVVVSopt  dp   ln( p  Qгн ) p2  ln.1S p  QгнSoS o p  Qгнp1 o2SoПри длительной откачке устанавливается некоторое равновесие между потокомгазонатекания Qгн в объём камеры и потоком газа, откачиваемого насосом, т.е. изменениядавления не происходит.

Давление в камере при таком режиме называется предельнымдавлением системы p' и может быть определено какQp'  гн .SoТогда выражение для времени откачки можно переписать следующим образомQp1  гнVSoVp  p'tlnln 1S o p  Qгн S o p2  p '2SoКак правило, давление p1 >> p', поэтому в формуле определения времени имможно пренебречьVp1tln.S o p2  p 'Зависимость давления от времени откачки удобно строить в полулогарифмическихкоординатах, т.е. по оси ординат откладывается lg p. Поэтому окончательно выражениедля времени откачки приобретает следующий видVp1t  2,3 lg.S o p2  p'p2p1 Рис.

4.3. График зависимости давления от времени откачки(без газовой нагрузки и с газовой нагрузкой)Основные элементы газовой системыДля того чтобы определить скорость откачки вакуумной камеры (реципиента),необходимо рассчитать проводимость участка между насосом и камерой. Помимотрубопроводов, на участке, как правило, находятся различные элементы вакуумнойсистемы, влияющие на общую проводимость. Прежде, чем начинать расчёт, составляютпринципиальную вакуумную схему (по ГОСТ 2.797-81).На принципиальной схеме изображают все вакуумные элементы или устройства,необходимые для осуществления и контроля в установке заданных вакуумных процессов,и все вакуумные связи между ними.Элементы и устройства на принципиальной вакуумной схеме следует изображать спомощью условных графических обозначений – по ГОСТ 2.796-95.Каждый элемент или устройство, входящий в вакуумную систему и изображенныйна схеме, должен иметь буквенно-цифровое позиционное обозначение, состоящее избуквенного обозначения (кода), указывающего вид элемента, и порядкового номера(номер элемента), проставляемого после буквенного кода.Буквенный код элемента (устройства) должен содержать одну прописную букву(общий буквенный код – обязательный) или несколько прописных букв латинскогоалфавита.

Первая буква кода элемента (общий буквенный код) должна соответствоватьвиду группы элементов, к которой принадлежит данный элемент. Однобуквенный илидвухбуквенный код применяют в зависимости от конкретного содержания схемы.Например, если схема содержит несколько одинаковых насосов и не содержит других, товсе насосы можно обозначить одной буквой, хотя они имеют двухбуквенный код,соответствующий конкретному типу насоса. При выборе буквенного кода элемента(устройства) латинского алфавита необязательно исходить из названия элемента(устройства). Однако следует в обязательно порядке использовать буквенные кодынаиболее распространенных видов элементов (устройств), которые приведены вобязательном приложении к ГОСТ.Порядковыеномерадолжныбытьприсвоенывсоответствииспоследовательностью расположения элементов или устройств на схеме сверху вниз внаправлении слева направо.

При внесении изменений в схему последовательностьприсвоения порядковых номеров может быть нарушена.Позиционные обозначения проставляют на схеме рядом с условнымиграфическими обозначениями элементов и (или) устройств с правой стороны или надними (рис. 4.4). На принципиальной схеме должны быть однозначно определены всеэлементы, входящие в состав вакуумной системы (установки) и изображенные на схеме.Данные об элементах записывают в перечень элементов или помещают рядом сэлементами (устройствами) на свободном поле схемы.

Связь перечня с условнымиграфическими обозначениями элементов должна осуществляться через позиционныеобозначения. Форма перечня элементов и порядок его заполнения – по ГОСТ 2.704-76.Следует различать принципиальную вакуумную схему и схему соединений,которая предназначается для изображения способа соединения и монтажа составныхчастей вакуумной системы (установки).Рассмотрим типовую вакуумную систему.Рис. 4.4. Типовая вакуумная принципиальная схема1.2.3.4.5.Элементы вакуумной системы разделяются на следующие группы:Камера (реципиент) – рабочий объём, в котором происходят различныетехнологические процессы.Вакуумные насосы – устройства, предназначенные для создания вакуумаразличными способами.Ловушки – предназначены для улучшения свойств получаемого вакуума (давление,чистота).Запорная арматура (клапаны, затворы, натекатели) – предназначена длягерметичного перекрытия вакуумных линий, а также для подачи рабочих газов вобъём камеры или в требуемые элементы вакуумной системы.Приборы измерения, регистрации и контроля – предназначены для регистрации,измерения и контроля различных параметров вакуума.