Курсовой для второго потока(ТФ-09 - ТФ-14)

Сначала включается низковакуумный насос (в нашем случае пластинчато-статорный), по достижении давления меньшего, чем давление запуска высоковакуумного насоса (<13 Па, в нашем случае, манометры 3,9) включается высоковакуумный насос (гетероионный), при этом пластинчато – статорный насос остается включенным. Вначале работы высоковакуумного насоса давление контролируется по манометру 14, потом по манометрам 10,15. При достижении давления, равного давления запуска для сверхвысоковакуумного насоса (криоконденсационный), он включается (т.е. все насосы включены). Работоспособность криоконденсационного насоса контролируется с помощью манометра 5, давление в вакуумной камере с помощью манометра 11.

Характеристики насосов, используемых в вакуумной системе:

Для создания низкого вакуума – пластинчато-статорный насос

Обозначение – NL

Предельное давление, Па – 10⁰ – 10²

Быстрота действия, м³/с - 10^-3 – 10^-2

Объемные насосы в зависимости от кинематической схемы можно разделить на поршневые, спиральные и вращательные. Вращательные делятся на однороторные и двухроторные. Однороторные насосы бывают двух типов: пластинчато-статорные и золотниковые.

Пластинчато-статорный насос состоит из следующих основных элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, входного патрубка 6. Рабочая камера насоса образуется между эксцентрично установленным ротором и корпусом. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй происходит сжатие и выхлоп газа. Пластина под воздействием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.

Для создания высокого вакуума – гетероионный насос.

Обозначение – NG

Предельное давление, Па – 7*10^-8

Быстрота действия, м³/с – 0.8-10.0

Диапазон рабочих давлений, Па – 4*10^-7 – 3*10⁰

Давление запуска, Па - 13

В современный ионно-геттерных насосах обычно совмещены методы геттерной и ионной откачки. Принцип действия ионно-геттерных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно наносимой пленкой активного вещества (чаще всего титана) и улучшении откачки инертных газов и углеводородов за счет ионизации и улавливания положительных ионов отрицательно заряженными элементами насоса. Испарение титана в ионно-геттерных насосах происходит, как правило, из твердой фазы.

Испарение титана на стенки водоохлаждаемого корпуса 4 насоса производится из твердой фазы с прямоканальных испарителей 2, представляющих собой молибденовый U – образный керн, на который нанесен слой иодидного титана. Ионизация, необходимая для откачки инертных газов и углеводородов, осуществляется электронами, эмитируемыми термокатодом 1. Эффективность ионизации повышена за счет увеличения длины бега электронов. Это достигается применением прозрачного для электронов анода 3, на который подается положительное относительно катода напряжение 1000-1200 В. Анод 3, выполненный из молибденовой проволоки, используется еще и в качестве внутреннего нагревателя для обезгаживания насоса при подготовке его к работе. Коллектором ионов является корпус насоса с нанесенной титановой пленкой, в которую и внедряются образовавшиеся ионы. Таикм образом химически активные газы поглощаются пленкой титана, непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса, а откачка

инертных газов осуществляется за счет ионизации и последующего внедрения ионов в пленку геттера.

Для создания сверхвысокого вакуума – криоконденсационный насос.

Обозначение – NС

Предельное давление, Па – 10^-11

Быстрота действия, м³/с – 5*10^-1 – 4*10¹

Диапазон рабочих давлений, Па – 1,03*10^-5 – 10^-9

Предельное остаточное давление, Па – 10^-10

Криоконденсационные насосы заливного типа имеют конструктивную схему (рис. 2.3). В полость 2 заливается низкотемпературный криоагент (жидкий гелий или водород), а в полость 3 – высокотемпературный криоагент (жидкий азот). Экраны 1 защищают поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлажденной поверхности. Очень часто в криоконденсационных наосах используется адсорбционный способ поглощения неконденсирующихся газов, для чего поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом покрывается адсорбентом в виде пористой оксидной пленки (или в процессе работы насоса на ней осаждается пористый слой хорошо конденсируемых газов)

Криоконденсационные насосы испарительного типа (рис 2.4) имеют криопанели в виде змеевиков, по которым циркулируют пары криоагента, испаряющегося из сосуда Дьюара.

Циркуляция может осуществляться за счет создания избыточного давления в осуде Дьюара или всасывающего действия механического вакуумного насоса. Испаряющийся в криопанели 1 криоагент используется для охлаждения внешнего экрана 2, защищающего криопанель от излучения стенок насоса.

Предельное давление масляных насосов обусловлено обратным потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект. Его можно значительно уменьшить, если на пути обратного потока установить ловушки. К ловушкам предъявляются следующие основные требования: максимальное защитное действие на заданном сроке службы и минимальное сопротивление основному потоку откачиваемого газа. В качестве дополнительных требований можно назвать возможность регенерации, надежность, простоту и технологичность конструкции, удобство эксплуатации.

В качестве ловушки (17) выберем одну из ловушек для высоковакуумных насосов, например, адсорбционную ловушку.

Состоит из корпуса 4, нагревателя 3, адсорбента 2, отражателей 1, которые обеспечивают оптическую плотность ловушки. Материалы, из которых изготовлена ловушка, должны допускать прогрев до 300 – 400 °С. Адсорбент необходимо располагать так, чтобы предотвратить миграцию паров масла в откачиваемый объект по стенкам ловушки. При проектировании ловушек следует конструктивными методами снижать их тепловую инерцию, ухудшающую условия эксплуатации.

Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам.

3,9 – манометры низкого вакуума. В их качестве выберем тепловые преобразователи. Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

Тепловые преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления. В термопарном преобразователе температура нити 1 измеряется термопарой 2. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне 3, имеющем патрубок для подключения к вакуумной системе. ТермоЭДС термопары измеряется милливольтметром, ток накала нити регулируется реостатом и измеряется миллиамперметром. В преобразователе сопротивления для измерения температуры используется зависимость сопротивления нити от температуры.

Он включается в мостовую схему. Ток накала нити измеряется миллиамперметром, включенным в то же плечо моста, что и преобразователь, а температура нити – по току гальванометра в измерительной диагонали моста. Ток накала регулируется реостатом.

Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, так и в режиме постоянной температуры нити. Тепловые преобразователи измеряют обще давление всех газов и паров, присутствующих в вакуумной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Инерционность показаний, связанная с тепловой инерцией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.

Диапазон рабочих давлений традиционных преобразователей составляет 5*10³ – 10^-1 Па. Преобразователи, изготовленные средствами микромеханики, с тензорезисторами, расположенными на тонкой кремниевой мембране, имеют лучший нижний предел измеряемых давлений (10^-3 Па).

14 – манометр среднего вакуума

10,15 – манометры высокого вакуума

В их качестве выберем электронные преобразователи.

Электрические методы измерения общих давлений основаны на закономерностях электрических явлений в вакууме. Наибольшее распространение получил ионизационный метод измерения, использующий пропорциональность между давлением и разрядным током, протекающим между электродами, к которым приложена разность потенциалов. Нижний предел измерения этих преобразователей обычно ограничен фоновым током, имеющим с измеряемым током одинаковое направление. Верхний предел измерения определяется допустимым отклонением от линейности градуировочной характеристики – зависимости разрядного тока от давления. Существует несколько типов ионизационных преобразователей: электронные, магнитные и радиоизотопные. В электронных преобразователях ионизация газа осуществляется термоэлектронами, эмитируемыми накаленным катодом.

Принцип действия электронных преобразователей основан на пропорциональности давления и ионного тока, образовавшегося в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Существуют две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором. Для манометра 14 – выберем электронный преобразователь с внешним коллектором.

В схеме с внешним коллектором электроны, летящие от анода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то, что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления. Схематично конструкция электронного преобразователя с внешним коллектором представлена на рис. Коллектор ионов 1 имеет форму цилиндра с электрическим вводом в верхней части баллона, сетка 2 – форму двойной спирали с двумя выводами для обезгаживания путем пропускания электрического тока. Катод 3 вольфрамовый. Пределы давлений, которые могут быть измерены таким манометрическим преобразователем, составляют 1 – 10^-5 Па.

Нижний предел измерения определяется фоновыми токами в цепи коллектора, возникающими из-за эмиссии фотоэлектронов в результате мягкого рентгеновского излучения анодной сетки и ультрафиолетового излучения накаленного катода. Для уменьшения фоновых токов был предложен преобразователь с осевым коллектором, в котором катод и коллектор поменяли местами, что значительно уменьшило телесный угол, в котором рентгеновское излучение сетки попадает на коллектор. Это расширило нижний предел измерения до 10^-8 Па. Такие преобразователи мы будем использовать для манометров 10,15

5,11 – манометры сверхвысокого вакуума.

Для них выберем магнитные преобразователи. Их принцип действия основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме бывают нескольких видов. Ячейка Пеннинга (а) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (б) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом. Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подается положительное относительно катода напряжение 2-6 кВ, катод заземлен и соединяется с входом усилителя постоянного тока. Нижний предел измерения определяется временем зажигания заряда и значением фонового тока. В современных приборах он составляет 10^-11 Па. Для уменьшения фонового тока применяют специальные экраны (см. рис.) 3, расположенные в промежутке между катодом 2 и анодом 1, где напряженность электрического поля максимальна. Большая часть фонового тока в этом случае переходит на корпус, минуя прибор, которым измеряется разрядный ток.