 |
Описание вакуумной системы, ее элементов и методики измерения давления
|
|
|
|
Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е
Р А Б О Т Ы
По дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»
Для студентов III курса, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника», «Нанотехнология в электронике»
Лабораторная работа № 1
ВЫСОКОВАККУМНАЯ УСТАНОВКА И ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ РАБОТЫ НА НЕЙ
Цель работы
Целью настоящей работы является ознакомление с основными элементами вакуумной системы и приемами работы на ней.
Описание вакуумной системы, ее элементов и методики измерения давления
| Рис. 1 Принципиальная схема вакуумной системы: |
Вакуумной системой называется совокупность взаимосвязанных приборов, трубопроводов, предназначенных для откачки газа (пара) и для измерения давления. Она является основой частью вакуумной установки, которая кроме вакуумной системы содержит еще машины и устройства, обеспечивающие их действие (двигатель к насосу, измерительные приборы к манометрам и т. д.), а также вспомогательные устройства (печь для нагревания прибора т.п.).
Принципиальная схема вакуумной системы показана на рис. 1.1
ПМТ, ПМИ - манометрические преобразователи; Л – ловушки, ДУ – дозировальное устройство; НВВ – насос высокого вакуума; К1-12 - краны; КМ - компрессионный манометр; УБ - уравнительный баллон; ПБ - предохранительный баллон; НПР - насос предварительного разрежения; Г - резервуар для наполнения системы газом.
Система содержит насосы: предварительного разрежения НПР и высокого вакуума НВВ. Между насосами помещается предохранительный баллон (ПБ), служащий для улавливания тумана и брызг масла, которые могут проникнуть из механического насоса в высоковакуумный. Этот же баллон защищает насос предварительного разрежения от попадания в него твердых частиц со стороны вакуумной системы.
|
|
|
Часто устанавливается еще второй баллон большого объема, называемый уравнительным (УБ). Его назначение - уменьшить опасность окисления масла в высоковакуумном насосе при аварийном отключении насоса предварительного разрежения или при внезапном прорыве большого количества газа в систему. Он позволяет также в случае надобности производить в течение некоторого времени откачку системы одним только высоковакуумным насосом при отключенном механическом насосе.
Система содержит также ловушки глубокого охлаждения Л для разреженных паров. Ловушка либо погружается в сосуд с охладителем, а охлаждающий агент помещается в сосуд Дьюара, либо сама служит сосудом для охладителя. В качестве охладителя чаще всего применяется сжиженный азот (точка кипения при атмосферном давлении – минус 196° С). При работе с низкотемпературными охладителями необходимо соблюдать такие же предосторожности, что при обращении с очень горячей жидкостью. В частности, наливать жидкий азот в стеклянный сосуд или погружать в него стеклянную ловушку нужно постепенно.
Все элементы системы соединяются между собой трубопроводом по возможности большого диаметра, причем для разобщения отдельных участков на нем устанавливаются специальные вакуумные краны (К1, К2 и т.д.). Соединение частей системы, в которых давление при работе должны быть ниже 10-1 Па (» 10-3 мм. рт. ст.), осуществляется путем сварки или спайки или на специальной вакуумной замазке (смолы или другие вещества с низким давлением пара).
На тех участках, где рабочее давление составляет 10-3 мм. рт. ст. и выше, допускается соединение с помощью вакуумной резины.
Вакуумная система имеет байпасную (обходную) линию откачки от атмосферного давления до 10-3 мм. рт. ст. насосом предварительного разрежения, минуя насос высокого вакуума. Насос высокого вакуума может при этом оставаться включенным, так как он изолирован от больших количеств откачиваемого газа.
|
|
|
Для измерения давления в системе служат манометрические преобразователи ПМТ и ПМИ, а также компрессионный манометр КМ. Так как в процессе откачки давление изменяется в широких пределах, приходится применять в одной и той же системе два, а иногда и три манометра на разные диапазоны давления.
Основным эталонным манометром является компрессионный. Для измерения давления газа, отобранную из системы порцию газа сжимают в известное число раз, и затем измеряют давление в ней. С помощью компрессионного манометра можно измерить давление от 10 до 104 Па (»10-1… 10-6 мм. рт. ст.). Пределы измерения зависят от его конструкции. Однако он не позволяет вести непрерывное наблюдение за давлением, так как каждое измерение сопровождается отключением от системы. Конструкция компрессионного манометра показана на рис. 2.
Рис. 2. Поворотный компрессионный манометр; а - в положении измерения; б - в положении откачки; 1 - шар; 2 - измерительный капилляр; 3 - соединительная трубка; 4 -сравнительный капилляр; 5 - трубка для подачи масла; 6 - резервуар для масла; 7 -отросток для наполнения маслом; 8 - отвод к системе через вращающийся шлиф.
| 6 |
Стеклянный шар 1 с припаянным к нему закрытым вверху капилляром 2 сообщается через трубку 3 с системой, в которой измеряется давление. К трубке 3, параллельно ей, припаян капилляр 4 того же диаметра, что и 2. Через трубку 5 шар 1 связан с резервуаром 6, в котором находится жидкость, служащая поршнем для сжимания газа и одновременно указателем разности давлений. Жидкость должна иметь низкое давление пара при комнатной температуре и не слишком большую вязкость; обычно применяется ртуть или масло с высокой температурой кипения. Сжатие газа осуществляется за счет веса запирающей жидкости, для чего манометр соответствующим образом поворачивается (рис.2а).
При положении, изображенном на рис.2б, манометр откачивается вместе с системой, с которой он сообщен. В положении рис.2а шар разобщен с системой.
Величину давления газа после его сжатия можно считать пропорциональной разности уровней в капиллярах 2 и 4, если сжатие достаточно велико, как это обычно бывает. В трубке 3 жидкость стоит на несколько ином уровне, чем в 4, вследствие действия капиллярных сил.
|
|
|
Измерение давления этим манометром производится методом квадратичной шкалы. Для этого переводят манометр в положение, показанное на рис.2а, и находят разность уровней h в капиллярах 2 и 4, выражая ее в мм. Величина давления в мм.рт.ст. определяется по соотношению
p = Ch 2, (1)
где С – постоянная, значение которой указано на лабораторном стенде.
Иногда бывает необходимо после откачки системы и прибора ввести в них определенное количество того или другого газа. Для этого в вакуумной системе имеется дозировальное устройство (ДУ), устройство которого показано на рис.3.
Рис.3. Дозировальное устройство: А,Б,В – сосуды различного объема, Г – резервуар с газом, 1,2,3,4 – краны.
Сосуды могут быть разобщены один от другого с помощью кранов 2 и 3, от резервуара с газом Г (или от атмосферы) - краном 1, а от системы - краном 4. Крайние сосуды А и В, функции которых выполняют отрезки трубопроводов, имеют значительно меньшие (в 100...200 раз) объемы, чем сосуд Б.
Работа с дозировальным устройством производится следующим образом. Предварительно газ из всех частей его откачивается до достаточно низкого давления, причем обычно можно ограничиться разрежением до 10-1 Па. Если предполагается вводить и систему воздух, объем А при этом не откачивается; если будет вводиться газ из резервуара Г, нужно откачать все объемы и трубку, соединяющую резервуар с объемом А, вплоть до крана 2 резервуара Г. После откачки все краны закрываются.
Перед тем, как начать впуск газа в систему, она отключается от насосов, затем открывается кран 1 дозировального устройства для сообщения сосуда А с атмосферой или с резервуаром Г. Закрыв затем кран 1, открывают кран 2 и дают газу расшириться в Б; при этом его давление снижается соответственно увеличению объема. После этого закрывают кран 2 и открывают 3 для сообщения между собой сосудов Б и В. Наконец, закрыв кран 3, соединяют сосуд В с системой через кран 4. Введенное таким образом в систему количество газа называют «порцией» или «дозой» газа.
Предварительное задание
Подготовить ответы на следующие вопросы [1]:
1. Вакуум, единицы измерения, способы получения.
2. Основные элементы вакуумной системы и их назначение.
|
|
|
