ЛК№4 Вакуум. Основные понятия

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 50 000 километров над
поверхностью Земли концентрация молекул равна примерно четырем
штукам в 1 см3. 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.
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.
Применение вакуума в науке и технике
• В электронной технике вакуум является необходимым для работы
осветительных ламп, генераторных и СВЧ- приборов, телевизоров и
рентгеновских трубок.
•
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
широко используют вакуумные технологии для нанесения тонких пленок.
• 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.
• 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.
Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы,
сплавы, сверхпроводящие пленки, специальные покрытия изготавливаются в
вакууме.
Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой
можно осуществить электрофизические процессы при изготовлении изделий
микро- и наноэлектроники.
Необходимость вакуума при напылении тонких пленок.

Схема процесса
термического испарения:
1 — испаритель; 2 —
подложка;
3 — молекулы испаряемого
вещества
kT
,
2
2 Pd М
где k - постоянная Больцмана;
Т - усредненная температура
газа;
Р - давление газа в рабочем
объеме;
dМ - диаметр молекулы
испаренного вещества.
Общая характеристика методов получения вакуума
Когда говорят о вакууме с технической точки зрения, то речь идет об
использовании вакуума в широком диапазоне давлений – от атмосферного
105 до 10-10 Па.
Области действия вакуумных насосов
Механические вакуумные насосы
Принцип объемной откачки
В процессе объемной откачки выполняются следующие операции:
1) всасывание газа за счет расширения объема рабочей камеры насоса;
2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа;
3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу.
Схема пластинчато-роторного насоса:
1 — камера; 2 — ротор;
3 — пластины; 4 — пружина
Некоторые схемы объемных насосов
Механические насосы с масляным уплотнением
Золотниковый насос
Многопластинчатый насос
9
Механические безмаслянные насосы
Мембранный насос
Спиральный насос
10
Пароструйные насосы
Принцип пароструйной откачки
Удаление газа из вакуумной системы с помощью высокоскоростной
струи называется пароструйной откачкой.
Схема диффузионного насоса:
1 — входное отверстие;
2 — сопло;
3 — рабочая камера насоса;
4 — охлаждение;
5 — выходной патрубок;
6 — нагреватель;
7 — паропровод
11
Некоторые схемы турбомолекулярных насосов
12
Современные модификации крионасосов являются самыми «чистыми» из всего семейства
высоковакуумных насосов, применяющихся в настоящий момент.
Схема криогенного насоса:
1–конденсирующая решетка при
Т = 80 К,
2- конденсирующая решетка с
древесным углем при Т = 15 К,
3- корпус из нержавеющей стали
13
Тепловые преобразователи
Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости
теплопередачи через разреженный газ от давления.
Измерительное уравнение теплового
преобразователя можно записать так:
I Н2 R  ( E И  Е М )
p
К Т (Т Н  Т б )
где KТ - коэффициент теплопроводности,
ТН и Тб – температуры нити и баллона,
Iн — ток, проходящий через нить;
R — сопротивление нити;
EИ, ЕМ- потери теплоты за счет излучения нити
и теплопроводности материала нити.
Схема термопарного вакуумметра
Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления 5*103... 10 -1 Па.
Вакуумные датчики Пирани
Вакуумные датчики Пирани измеряют давление в диапазоне от атмосферного
до 10-2 Па. Они работают по принципу передачи тепла от катода, который
нагревается проходящим через него электрическим током, к окружающему
газу.
15
Электронные ионизационные преобразователи.
Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации
газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о
давлении.
Измерительное уравнение ионизационного
преобразователя можно записать так:
Ii
p
Ie K
где К – чувствительность
вакуумметра;
Ii – ионный ток;
Ie – электронный ток.
Ионизационный преобразователь измеряет в диапазоне давлений от
1 Па до 5*10 - 6 Па.
16
Вакуумметр абсолютного давления серии SmartlineTM
Вакуумметр предназначен для измерения давления до 5x10-7 Па.
Широкодиапазонный вакуумметр VSM72MV, включающий в себя два
датчика (низковакуумный датчик Пирани и высоковакуумный датчик с
холодным катодом) обеспечивает удобное, точное и стабильное измерение
вакуума в диапазоне от атмосферы до сверхглубокого вакуума.
17