Лекции ОВТ (1074277), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Если использовать сверхзвуковую струю пары малой плотности, то можно достигнуть высокой эффективности откачки. Такая струя образуется в так называемом “обращенном” сопле (зонтичном сопле), рис. 28

Рис.28

Геометрическая быстрота откачки такого сопла может быть рассчитана:

где V₁– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени,

V₁=117м³/м²*с;

F - площадь поверхности (сопла) откачивающей газ, м²;

D - внутренний диаметр корпуса насоса, м;

d - наружный диаметр сопла, м.

Действительная быстрота откачки должна быть рассчитана с учетом обратного потока газов (как сумма прямого и обратного потоков):

Q = Q_п – Q_о

где Q_п - прямой поток; Q_п =V₁*P_вп*F;

Q_o- обратный поток; Q_о = V₁*P_обр*F

Согласно определению, предельное давление это минимальное давление достигаемо на впускном патрубке насоса, когда насос не качает газ, т.е.

если Р_вп=Р¹, то Q = Q_п – Q_о= 0 =V₁P_впF – V₁P_обрF

что означает: P¹ =P_обр

Таким образом, в общем виде можно записать:

Q =V₁P_впF – V₁P¹F= V₁F(P_вп -P¹)

По определению: ,

с учетом отраженных обратно от струи молекул газа: ,

где γ – фактор качества (откачки),

Это означает, что только 25-30% молекул, ударяющихся о струю проникают в нее и могут быть откачены. Кроме того, обратное давление Р_обр = Р¹ в зоне работы рассматриваемого сопла должно быть минимальным, чтобы уменьшить обратный поток газа. В одноступенчатом диффузионном насосе не удается обеспечить малое обратное давление, поэтому обычно используются многоступенчатые диффузионные насосы, где обратное давление растет от ступени к ступени. На рис.29 показан насос в котором использованы три последовательных диффузионных “обращенных” (зонтичных) сопла и одно прямоточное инжекторное сопло.

Рис. 29 Конструкция четырехступенчатого диффузионного насоса:

1. охлаждаемая водой ловушка – колпачок, которая уменьшает обратный (в сторону вакуумной камеры) поток паров масла из сопла на 90 %, незначительно уменьшая при этом скорость откачки насоса;

2. Центральный паропровод, в который из кипятильника попадают только тяжёлые фракции масла с меньшим давлением насыщающих паров (которые кипят при большей температуре, только в центре кипятильника);

3. Инжекторное прямоточное сопло;

4. Козырёк внутри наружной трубы паропровода, служит для отражения капель при кипячении масла;

5. Днище кипятильника, обеспечивающее хорошую теплопередачу, не допускающее перегрева зон кипятильника свыше 240⁰С, чтобы избежать образования лёгких фракций масла, не улавливаемых ловушкой;

6. Нагреватель (печь);

7. Выпускной патрубок;

8. Форвакуумная ловушка – лабиринт, уменьшающая потери (выбрасывание в форвакуумную линию) масла.

Поскольку в отличии от ртути (мономера) вакуумное масло – полимер, состоящий из смеси фракций со слегка различающимся давлением насыщающих паров необходимо не допустить лёгкие (легкокипящие) фракции ко впускному патрубку. Показанный на рис.29 насос разгоночный , так как отделяет (разгоняет) лёгкие фракции, кипящие в зоне внешнего паропровода от тяжёлых, достигающих центральной, более нагретой зоны кипятильника 5 и кипящих в зоне внутреннего паропровода, поз.2 . Таким образом, достигается улучшения предельного вакуума примерно на порядок (на вакуумном масле ВМ-5 достигается Па).

Пример:

Рассчитать фактор качества (откачки) насоса HIC, имеющего следующие геометрические параметры:

D=86 мм; d=40 мм.

Насос создаёт предельный вакуум Па.

При впускном давлении Р_вп=10^-2Па, насос обеспечивает быстроту откачки S_Н=120 л/с = 0,12 м³/с

Геометрическая быстрота действия насоса:

[м³/с ];

Тогда фактор качества:

Такой низкий показатель, характеризующей недостаточно конструктивное совершенство рассмотренного насоса.

[м³/с ]

Лекция №13

Молекулярные насосы

Главная идея молекулярного насоса - придание всем молекулам откачиваемого газа движущимся в произвольных направлениях дополнительной составляющей скорости в направлении к выпускному патрубку.

Принцип работы такого насоса (насоса Геде) иллюстрируется рис. 4. Цилиндрический ротор 3 вращается внутри герметичного статора 4 и гонит газ от впускного патрубка 1 к впускному патрубку 2. Между статором 4 и ротором 5 имеется рабочая полость (в которой и осуществляется перекачка) за исключением зоны, находящейся наверху, между патрубками, где статор и ротор находятся вплотную друг к другу (с зазором 0,1 мм). В низком вакууме для такого насоса соотношение впускного Р_вп и выпускного давления определяется соотношением, определяемом вязкостью газа:

Р_обр-Р_вп=6 L n /h

где n – частота вращения ротора;

l – длина зазора;

h – глубина зазора;

η –вязкость откачиваемого газа

В высоком вакууме соотношение впускного и выпускного давлений определяется вектором дополнительной скорости молекул и геометрией ротора:

где В – константа, зависящая от параметров зазора и массы молекул газа.

При зазоре δ 0.1 мм между ротором и статором, в котором образуется вредный для насоса обратный поток газа и при параметрах насоса:

D_r =50 мм, n = 12000 об/мин, P_вып = 5 Па , насос обеспечивает предельный вакуум

Р¹ = 5*10^-5 Па. При уменьшении частоты вращения ротора до 4000 об/мин (как в опытах Геде), тот же насос создает вакуум лишь Р¹ 5*10^-2 Па.

Опыт показывает, что с таким типом насоса невозможно обеспечить большую быстроту откачки (S_H > 1 л/с) из-за малой пропускной способности рабочей полости насоса. Для достижения больших скоростей откачки используют другой тип молекулярных насосов – турбомолекулярные насосы .

Турбомолекулярные насосы (ТМН)

В отличие от молекулярного насоса, где ротор и отраженные от него молекулы движутся в одном направлении, в турбомолекулярном насосе молекулы откачиваемого газа двигаются перпендикулярно плоскости вращения ротора насоса.

Процесс откачки газа в турбомолекулярном насосе обеспечивается системой чередующихся, вращающихся и неподвижных дисков, в которых сделаны косые прорези, как это показано на рис. 30.

Рис. 30 Схема работы турбомолекулярного насоса:

а) схема конструкции;

б) процесс пролета молекул через систему дисков с прорезями;

в) диаграмма скоростей

Цифрами обозначены:

1 – диски статора с прорезями, наклоненными под углом β к плоскости

дисков;

2 – диски ротора с прорезями под углом α к плоскости (вращения) дисков;

3 – вал ротора;

4 – выпускной патрубок

Молекулы движущиеся вниз от впускного фланца вдоль наклонных прорезей неподвижного диска 1 (рис. 30 б) попадая в объем, занимаемый диском 2 не соударяются со стенками прорезей в диске 2, которые движутся с линейной скоростью V_r , которая может быть рассчитана с помощью векторной диаграммы скоростей показанной на рис. 30с, где V_m –вектор скорости теплового движения “откачиваемой” молекулы, V_r - скорость перемещения стенки зазора ротора;

пунктир – направление вектора “проскальзывания” молекулы вдоль стенки прорези ротора. Молекулы газа, движущиеся в других направлениях, с другой (резко отличающейся от V_m) скоростью или движущиеся в обратном направлении пропускаться системой дисков не будет.

Для эффективной откачки молекул газа, движущихся со средней тепловой скоростью V_a 500м/с необходимо придать ротору (диаметру 200-400 мм) скорость вращения около 16000-25000 об/мин.

Геометрическая быстрота откачки ТМН может быть выражена:

м³*с^-1

где V₁– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени,

V₁ =117м/с,

- суммарная площадь поперечных сечений прорезей неподвижного

(подвижного) дисков, т.е. воображаемая площадь “откачивающая” газ,м².

t₁ - время, когда прорези дисков 1 не закрыты перемычками дисков 2

t₂ - период взаимного перекрытия прорезей перемычками.

Основная причина, вызывающая отклонения действительной быстроты откачки от “геометрической”, заключается в отличии скоростей основной массы молекул газа от расчетной V_a , в соответствии с законом Максвелла о распределении молекул по скоростям.

Турбомолекулярные насосы способны создать предельное давление до Р¹ =10⁶Па и обеспечить стабильную быстроту откачки 100-1000 л/с (0,1-1 м³с^-1) в диапазоне впускных давлений Р _вп = 10^-1 – 5*10^-6 Па.

Эти насосы хорошо приспособлены откачки больших потоков газов, в том числе агрессивных, что делает их незаменимыми в микроэлектронике при реализации процессов нанесения и травления тонких пленок.

Лекция №14

Сорбция газов и паров твердыми телами

Одной из важнейших проблем вакуумной техники является удаление газов и паров, находящихся на поверхностях металлических, стеклянных, керамических деталей, обращенных внутрь вакуумной камеры.

Ряд специальных материалов, таких как активированный уголь, цеолиты, силикагель, с развитой поверхностью (за счет большого количества пар), могут поглощать этой поверхностью большие количества газов и поэтому используются как поглотители в специальных адсорбционных насосах.

Имеется несколько механизмов поглощения газов твердым телом:

1. Осаждение молекул газа и сорбция газа на поверхности (физическая адсорбция). Количество слоев адсорбированного газа (коэффициент покрытия Θ) может колебаться в широких пределах (Θ = 0,01 – 50, в зависимости от давления и температуры).

2. Растворение газов в твердом теле, подобно тому, как это происходит в жидкости

(физическая абсорбция).

1. Химическое взаимодействие твердого тела с газом (хемосорбция).

Во многих случаях газ, сорбированный поверхностью, может растворяться в твердом теле и, поэтому, трудно в чистом виде определить механизм поглощения. В этом случае употребим более общий термин сорбция (введенный МакБайном в 1909 г) включающий оба понятия: адсорбция и абсорбция . Твердое тело, поглощающее газ называется сорбентом, а осаждаемый газ – сорбатом (адсорбатом, абсорбетом). Процесс удаления сорбированного газа с поверхности называется десорбацией.

Сорбционная емкость сорбента определяется удельной поверхностью приходящейся на единицу массы.. Реальная поверхность:

Характеристики

Список файлов лекций