1 Вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем Ассистент кафедры ВЭПТ Юрьева Алёна Викторовна
Рейтинг Контрольная работа 1 – 10 б. Контрольная работа 2 – 10 б. Индивидуальное задание – 13 б. Практические занятия – 12 б. Лабораторные работы – 15 б. Итого – 60 б.
3 Основные понятия вакуумной техники Вакуум (от лат. vacuum - пустота). Понятие вакуум имеет три различных значения - для техники, космических исследований и физики. В космических исследованиях: на высоте километров над поверхностью Земли концентрация молекул равна примерно четырем штукам в 1 см 3. Такая концентрация уже близка к состоянию космического вакуума. Физическим вакуумом называется пространство, в котором отсутствуют частицы вещества, и установилось низшее энергетическое состояние. В технике вакуумом называется состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного.
4 Вакуум количественно определяют абсолютным давлением газа. В зависимости от значения давления различают вакуум низкий, средний, высокий и сверхвысокий. Единицей измерения давления в системе СИ является 1 Па.
5 Применение вакуума в науке и технике В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широко используют вакуумные технологии для нанесения тонких пленок. Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы, сплавы, сверхпроводящие пленки, специальные покрытия изготавливаются в вакууме. Машиностроение сварка в вакууме позволяет соединить керамику с металлом, сталь с алюминием, что невозможно в обычных условиях. В вакууме осуществляется нанесение упрочняющих покрытий на режущий инструмент, износостойких покрытий на детали машин. Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на напыление алюминия в вакууме. Просветленная оптика, защитные слои и фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме. В легкой промышленности напылением в вакууме металлизируют пластмассу, фольгу, бумагу и ткани для получения декоративных покрытий.
6 В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используется вакуумная сушка вымораживанием. Выпаривание в вакууме применяют при производстве сахара, при опреснении воды, солеварении. Также используют вакуумные упаковки. В медицине - вакуум применяют для сохранения лекарств, при получении ряда препаратов, в хирургии его используют для заживления ран и т.д. Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой можно осуществить электрофизические процессы при изготовлении изделий микро- и наноэлектроники.
7 Необходимость вакуума при напылении тонких пленок Схема процесса термического испарения: 1 испаритель; 2 подложка; 3 молекулы испаряемого вещества где k - постоянная Больцмана; Т - усредненная температура газа; Р - давление газа в рабочем объеме; d М - диаметр молекулы испаренного вещества.
8 Основное уравнение вакуумной техники S o -эффективная быстрота откачки S H –быстрота действия насоса при давлении Р при давлении Р H Быстрота действия откачки вакуумной системы в любом сечении трубопровода: при давлении Р i К И –коэффициент использования насоса
9 При расчетах вакуумных систем чаще пользуются величиной проводимости трубопровода U: Тогда для любой разности давлений р 1 -р 2 поток определится как: Q i –поток газа в данном сечении трубопровода Поток газа, протекающий во входном сечении вакуумного насоса, Q H называется производительностью насоса при данном впускном давлении P H (1) (2)
10 Согласно (1) и (2), можно записать Если переписать в виде 1/S 0 и 1/S H, то после вычитания второго выражения из первого получим Основное уравнение вакуумной техники Вводя в основное уравнение К И, получим или
11 Режимы течения газов по трубопроводам В вакуумной технике различают три режима течения газов по трубопроводам: Вязкостный, молекулярный, молекулярно-вязкостный. Вязкостный режим течения наблюдается в низком вакууме, когда λ > d). Молекулярно-вязкостный режим реализуется при среднем вакууме (λ ~ d), когда длина свободного пробега молекул газа соизмерима с диаметром трубопровода.
12 Критерии определения границ режимов течения газа Для определения режимов течения газа используются критерии Кнудсена К n 1) Молекулярный режим течения газа имеет место, когда Для воздуха Т=293 К 2) Вязкостный режим течения газа имеет место, когда Для воздуха Т=293 К 3) Молекулярно-вязкостный режим будет иметь место при условии Для воздуха Т=293 К
13 Проводимость трубопроводов зависит от его геометрии и режимов течения газов. Для трубопроводов круглого сечения имеем: 1) Вязкостный режим течения газов (воздух при 293 К): 2) Молекулярный режим течения газов: Для воздуха Т=293 К, М=29,05 г/моль 3) Молекулярно-вязкостный режим течения газов:
14 Общая характеристика методов получения вакуума Вакуумный насос – устройство, предназначенное для создания, повышения и (или) поддержания вакуума. Во всех вакуумных насосах для откачки газа используют один из двух способов: перемещение газа за счет приложения к нему механических сил в некотором месте вакуумной системы, откуда газ выталкивается; связывание газа путем сорбции, химических реакций или конденсации обычно в замкнутой вакуумной системе.
15 Основные параметры насосов Для характеристики вакуумных насосов обычно применяют четыре основных параметра: быстрота действия насоса S Н предельное давление насоса Р ПР давление запуска вакуумного насоса Р З наибольшее выпускное давление Р ВЫП. Предельное давление насоса Рпр - это минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта. Давление запуска вакуумного насоса Р З - это максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Наибольшее выпускное давление Р ВЫП - максимальное давление в выходном сечении насоса, при котором он может осуществлять работу.