Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Казанский государственный технологический университет
В.И. Курашов, М.Г. Фомина
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
СРЕДСТВА ОТКАЧКИ, ИХ ВЫБОР И ПРИМЕНЕНИЕ
Учебное пособие
1997
УДК 621.52
Вакуумная техника:средства откачки, и:.' выбор и применение: учеб.пособче/В.И.Мурашов,М.Г.Фомина; КГТУ, 1997.5'! с.
I5&M 5-7882-0022-9
Рассмотрены проблемы выбора высоковакуумного оборудования, исходя из его основных технических и эксплуатационных характеристик, для различных вакуумно-технологических процессов.
Предназначено для студентов спеииальности"Вакуумиая техника физических установок", аспирантов,соискателей, инженеров и исследователей, использующих в своей работе высоковакуумное оборудо -ванне.
Печатается по решению редакционно- издательского совета Казанского государственного технологического университета.
Под ред. проф.Г.Х.Мухамедзянова
Рецензент канд.техн.наук М.Ш.Галимарданов
ISRA/ 5-7882-0022-9	(с) Казанский государствен-
ный технологический университет,1997 г.
Редактор Л.Г.Шэвчук Корректор Ю.Е.Стрыхарь
Лицензия М 020404 от 12.02.92 г.
Тематический план 1996 г.
Подписано в печать 11.02.97	Формат 60x84 I/I6
Бумага оберточная Печать офсетная	3,25 усл.печ.л
3,25 уч.-изд-.л Тираж 150 эка. Заказ 60 <гС* 54
Издательство Казанского государственного технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета
420015,Ка зань,К.Маркса,68.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вакуумная техника и технология получили широкое распространение в самых различных отраслях науки, техники и производства Помимо своего традиционного применения в производстве электровакуумных и полупроводниковых приборов, вакуумные технологические процессы нашли применение в легкой и пищевой промышленности (металлизация тканей, бумаг, зеркал; обработка, сушка и консервирование продуктов питания; производство сахара), металлургии (плавка и переплав металлов под вакуумом), химической промышленности (вакуумная кристаллизация, пропитка и сушка), медицине (получение витаминов, антибиотиков). Кроме того, современные исследования в области фундаментальных наук также использует вакуумную технику (ускорители заряженных частиц, имитация космического пространства в лабораторных условиях, проблема термоядерного синтеза и др.). Для выполнения разнообразных технологических процессов, осуществляемых в вакууме, требуется специальное технологическое оборудование - вакуумные насосы и установки
В последние годы были изданы специальные книги по отдельным вопросам вакуумной техники- проектирование откачного оборудования, вакуумных установок, расчет вакуумных систем, физические основы работы приборов и устройств. Однако в имеющейся литературе нет комплексного, системного анализа И описания этих устройств с точки зрения методологии их применения в различных технологических процессах, основанной на системе критериев выбора различных типов высоковакуумнсо откачного оборудования в связи с его характеристиками и конкретными вакуумно-технологическими процессами
Таким образом, предлагаемое учебное пособие имеет интердисциплинарный характер и с >держит не только знания с современных достиже
- 3 -
ниях вакуумной науки и техники, но также (что принципиально важно) принципы и подходы к созданию вакуумных установок и систем для "высокой" вакуумной технологии на ее пути к XXI веку.
1. О ПРИНЦИПАХ ВЫБОРА ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Создание вакуумных систем для реализациии технологических процессов в условиях вакуума связано с принципами выбора оптимального состава соответствующей вакуумной откачной системы, включающей не только основные средства откачки, но также и вспомогательное оборудование, вакуумную арматуру, систему трубопроводов, средства измерений и т. п.
Основным элементом в таких системах являются средства откачки. Подбор средств откачки определяется многими факторами: с одной стороны, характеристиками технологического процесса и влиянием самого технологического процесса на вакуумное оборудование,а с другой -влиянием используемых средств откачки на технологический процесс и качество получаемого продукта. Исходя из этого, необходимо провести по возможности полный анализ технологического процесса, требований к целевому продукту, эксплуатационных характеристик откачного оборудования с целью выделения основных факторов, воздействующих на средства откачки, технологический процесс и конечный продукт.
В качестве примеров такого воздействия можно привести следующие а) образование в вакуумной камере при проведении технологического процесса газовой среды, которая может содержать токсичные, горючие, взрывоопасные, канцерогенные, радиоактивные и вызывающие коррозию газы, влияющие.не только на конструкционные, уплотнительные и смазочные материалы, рабочие тела откачного оборудования, но и на безопасность проведения работ и здоровье обслуживающего персонала (к таким процессам относятся плазменное травление, плазменное распыление, ионное осаждение ит.п.); б) образование в ходе технологического процесса микроскопических твердых частиц, приводящих к поломке механических вакуумных насосов; в) радиоактивное облучение, влияющее на работоспособность оборудования; г)выделение больших количеств водяного пара,затрудняющих Сили даже приводящих к срыву) работу некоторых вакуумных насоаов; д) высокая Сили низкая) температура проведения технологического процесса, влияющая на характеристики насоса и
- 4 -
свойства материалов; е) циклическое изменение давления в вакуумной камере, что может привести к орыву работы и выходу из строя вакуумного насоса; ж) возникновение в насосе магнитного поля, которое может привести к нарушениям в технологическом процессе и снижение качества продукта; з) проникновение частиц вакуумных рабочих » с гей и других частиц из вакуумных насосов в вакуумную камеру и осаждение этих молекул как на технологическом оборудовании, так и на продукте; и) так называемая "память" вакуумного насоса по газам, то есть наличие в насосе газов, не участвующих в данном технологическом процессе, а оставшихся там от предыдущих циклов работы, что может привести к нежелательным последствиям, если эти газы прореагируют с газами данного процесса.
Сказанное выше показывает первоочередность учета при выборе откачного оборудования факторов, воздействующих на технологический процесс. Далее, исключив типы вакуумных насосов, не пригодных для данного технологического процесса, можно переходить к проектировании вакуумной системы, исходя из эксплуатационных характеристик откачного оборудования Эта вторая задача является не менее сложной и не менее ответственной.
Основными критериями вакуумной системы, определяющими получение качественного продукта с разумной себестоимостью, как отмечалось авторами /13,14/, могут служить: а) способность вакуумной системы достигать требуемого давления за определенное время и поддерживать это рабочее давление; б) надежность вакуумной системы в работе и возможность безостановочной работы в течение требуемого времени; в) возможность автоматического управления всей вакуумной устаиовкой; г) гибкость, те возможность использования вакуумной установки в разных условиях; д) способность вакуумного насоса выдерживать аварийный прорыв атмосферного ьсздуха внутрь вакуумной системы.
Исходя из этих критериев, можно определить требования, предьявляемые к откачной системе проектируемой вакуумной установки Для достижения рабочего давления в течение заданного времени необходимо подобрать: а) быстроту действия вьсоковакуумного насоса; б) быстроту действия насоса предварительного разрежения и форвакуумного насоса; в) время, требуемое для достижения давления запуска высоковакуумного насоса.
При поддержании расечего давления необходимо иметь в виду сле
- S -
дующие факторы: а? газовыделение элементов вакуумной системы, б) натекание атмосферного воздуха внутрь вакуумной камеры, в) селективность откачки высокоэакуумного насоса, г) величину обратного потока из вакуумного насоса; д) упругость паров веществ,участвующих в технологическом процессе; е) степень сжатия высоковакуумного насоса.
Надежность работы вакуумной установки определяют безотказность и долговечность ее работы, а также ее ремонтопригодность. Это означает возможность; а) защиты технологического процесса и вакуумной системы при отключении энергии и охлаждающей воды; б) свободного доступа ко всем частям установки; в) быстрого проведения ремонта непосредственно на месте.
Говоря о получении продукта, необходимо учесть издержки на его производство, зависящие от выбора определенной системы откачки. Здесь имеет значение: а) количество параллельно работающих вакуумных насосов; б) количество последовательно соединенных насосов; в) затраты на монтаж оборудования; г) средний ресурс насосов; д) время цикла технологического процесса; е) время регенерации; ж) затраты на электроэнергию, охлаждающую воду, хладагенты; з) затраты на вспомогательное оборудование (защита от шума, вибрации, монтаж охлаждения) и вспомогательные материалы; и) затраты ьа обслуживание оборудования.
Обычно, говоря о выборе откачного оборудования для проведения технологического процесса, имеют в виду только высоковакуумные и сверхвысоковакуумные насосы, игнорируя насосы низкого и среднего вакуума.
В химической, пищевой, электротехнической промышленности большое место занимают процессы, проводимые при низком и среднем вакууме: сушка, фильтрование, перегонка, пропитка продуктов. Все они связаны о выделением больших количеств парод, которые необходимо удалить вакуумным насосом. Наиболее подходящими .для атих щелей являются водоструйные, жидкостно-кольцевые нэсосы, испольэумие для создания вакуума определенные жидкости (чаще всего воду), а также пароэжекторные насосы, где рабочим телом является пар (чаще всего водяной) .
- 6 -
2. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ НАСОСОВ В НАУЧНО-ИССШОВАТЕЛЬСКОИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ИНЖЕНЕРНО'ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЯХ
В результате разработки и внедрения высоковакуумных насосов различных типов потребитель имеет возможность выбора оптимальной схемы вакуумирования. Для тог,о чтобы оценить преимущества и недостатки тех или иных насосов либо их комбинации, необходимо знать их технические и эксплуатационные характеристики. Сопоставление насосов проводят по ряду параметров и характеристик, к которым в первую очередь относятся: 1) быстрота действия и ее постоянство в требуемом диапазоне давлений (подробнее об измерении быстроты действия насоса см. гл.4); 2) предельное остаточное давление; 33 рабочее давление;
4) длительность пускового периода; 5) состав остаточной среды; 6) величина обратного потока; 7) вибрация; 8) срок службы; 9) простота установки и обслуживания; 10) экономичность.
2.1.	Характеристики вакуумных насосов
Рассмотрим основные типы высоковакуумных систем, построенных на базе следующих насосов; диффузионных; турбомолекулярных; испаритель-ио-ионных; магнитных электроразрядных (магниторазрядных); криогенных.
Все высоковакуумные насосы работает в области давлений ниже 1+10 Па. Для их запуска необходима предварительная откачка.
Диффузионные и турбомолекулярные насосы относятся к газоперекачивающим насосам Они сжимают откачиваемый газ до определенного давления, а форвакуумный насос (обычно вращательного типа), присоединенный к выходному фланцу этих насосов, дожимает газ до атмосферного давления и выбрзсывасг его в атмосферу.
Механизм откачки криогенных насосов состоит в конденсации и криосорбции газа на холодных поверхностях. Эти насосы требуют периодической регенерации, т. е нагрева панелей до комнатной температуры, при которой сконденсироьавщийся газ выделяется и удаляется Ионны--насосы откачивают газы за счет обр.1зования устойчивых химических соединений с распыляемым титаном или "замуровывания" молекул газа под слоем распыленного гитана.
В испарительных i ет терно-ионных насосах активные газы связываются титаном, распыляемым с нагретой проволоки Инертные газы и на
- 7 -
сыщенные углеводороды этими насосами не откачиваются.
' Быстрота действия насосов. Диффузионные и турбомолекулярные вакуумные насосы имеют на характеристике (зависимости быстроты действия S от входного давления рвх) область постоянной быстроты действия - "плато".
Быстрота действия магниторазрядных насосов зависит от характеристик разряда и скорости распыления титана.быстрота откачки по азоту мала при высоких и низких давлениях и является максимальной в диапазоне 5.10"^ - 1.10"4 Па.
Для криогенных насосов не строят характеристики S = f(pax) Сна рис.2.1 показана условно!, а составляют таблицы для разных газов. Скорость откачки у них зависит от температуры хриопанелей и степени их заполнения. В каждый данный момент времени давление более всего завиоит от возможности сорбирования молекул водорода
Предельное остаточное давление. Эта характеристика используется для сравнения различных типов вакуумных насосов. В качестве паспортной характеристики предельного остаточного давления приводят давление, полученное во время испытаний вакуумного насоса на испытатель-'
- в -
ном стенде в определенных условиях (подробнее см. гл.4).
Возможно достижение предельного остаточного давления с прогревом и без прогрева. В сверхвысоковакуумяых системах в процессе прогрева производится обезгаживание поверхностей, находящихся под вакуумом, в результате чего уменьшается газовыделение в рабочих условиях и можно получить более низкое рабочее давление.
В прогреваемых сверхвысоковакуумных системах с различными насосами можно получить; диффузионный насос- 7.10 ® Па (с испарительноионным насосом 7.10”® Па); турбомолекулярный насос - 1.10”' Па Сс форвакуумным двухступенчатым насосом с масляным уплотнением), а с испарительно- ионным насосом 1.10”® Па, криогенный насос - 1.10"? Па Сс испарительно-ионным насосом 5.10”® Па).
Рабочее давление вакуумного насоса - это такое давление,при котором использование насоса наиболее эффективно. На рис.2.1 эти давления находятся в области "плато" характеристики.
Время откачки от давления запуска до Ю~* Па. Этот параметр важен для технологических процессов с малым временем цикла. Диффузионный и турбомолекулярный насосы так же хорошо справляются с большими потоками, как и криогенный насос. Но криогенный насос надо беречь от быстрого насыщения. В случае напуска аргона в вакуумную камеру напылительной установки необходимо предусмотреть дросселирующий клапан для предотвращения быстрого насыщения насоса и для экономии аргона.
Магниторазрядный насбс не рекомендуется использовать для работы с большими потоками:максимальное рабочее давление его не должно превышать IO”® Па. Время запуска (откачки от 1 до 10“^ Па) обычно больше 30 минут и зависит от состояния и предыстории насоса. Более подробно этот параметр рассмотрен в 12,с.458].
Состав остаточной среды в большой степени зависит от селективности откачки насоса Ст е. избирательности откачки насосом различных газов) и от "памяти" насоса по различным газам.
Как известно, диффузионные и турбомолекулярные насосы в основном неселективны, т е откачивают все газы одинаково хорошо. Криогенные насосы также откачивают вое газы, но в случае гелия и водо рода большую роль играет температура криопанели и свободные "места” для конденсации этих молекул.Магниторазрядные иасосы обнаруживают селективность откачки, их быстрота откачки зависит ст химической природы и состава откачиваемого газа: химически активные газы (аа л ,
- 9 -
кислород, оксиды углерода) поглощаются, образуя с титаном устойчивые соединения; тяжелые инертные газы (аргон, ксенон, криптон) "замуровываются" под слоем распыленного титана; легкие инертные газы (гелий и неон) легко диффундируют через слой титана в обе стороны; водород диффундирует в титановый катод, образуя твердый раствор,но легко освобождается при нагревании; метан образуется в насосе на поверхности титана и откачивается после диссоциации в разряде. В случае смесей водород-аргон даже небольшая концентрация аргона способствует обильному распылению титана, а водород образует с титаном гидрид титана; образовавшийся в насосе на поверхности титана метан откачивается после диссоциации в разряде.
Несколько слов о составе откачиваемых газов. Обычно это смесь; состоящая в основном из паров воды, водорода, оксидов углерода. Все насосы справляются с ней хорошо. В случае же проведения определенных технологических процессов это может быть водород, водяной пар, углеводороды или оксид углерода.
Наиболее универсальными являются диффузионный и турбомолекуляр-ный насосы; магниторазрядные насосы наименее универсальны, и их лучше не использовать для откачки инертных газов и углеводородов; криогенные насосы плохо откачивают водород и гелий.
У диффузионных и турбомолекулярных наоосов, являющихся газоперекачивающими, в отличие от магниторазрядных нет "памяти" по газам. При работе магниторазрядных насосов ионы остаточного газа проникают в катод, а при последующем распылении выделяются. В процессе нагревания катода освобождаются растворенные там водород, гелий и неон.
Криогенные насосы имеют "память", Отличную от "памяти" магниторазрядных насосов. У них уменьшается скорость откачки по водороду по мере заполнения криопанели, а в случае аварии все сконденсировавшиеся газы испаряются с панели, температура которой повышается.
Чистый вакуум. Такое требование, как правило, предъявляется к проведению технологического процесса. Это означает отсутствие углеводородных загрязнений и отсутствие в масс-спектре значительных пиков с массовыми числами более чем 48 а. е. м.
В гетТерно-ионных и криогенных насосах нет конструкционных материалов, содержащих углеводороды. Поэтому они не загрязняют рабочую камеру ни во время стабильной работы, ни при запуске, ни при аварии.
Турбомолекулярные насосы (ТИН) со смазываемыми подшипниками не
- 10 -
вносят углеводородных загрязнений во время работы,при правильном отсечении насоса и при правильных действиях в случае аварийного прорыва воздуха. Во время работы ТМН лопатки вращающегося ротора сами являются динамической ловушкой для тяжелых молекул углеводородов, стремящихся проникнуть в рабочую камеру. Поэтому нельзя оставлять ТМН после выключения под вакуумом, гак как при неподвижном тюторе углеводороды свободно проникают в рабочую камеру; надо осторожно напустить сухой воздух на вход ТМН. В случае кратковременного отключения электроэнергии можно не производить напуска воздуха в ТМН, пока скорость ротора не уменьшится в 2 раза по сравнению с рабочей, а в вакууме это займет значительнее время. Если в течение этого времени подача электроэнергии возобновится, тогда насос можно запустить без сложностей, вызываемых напуском воздуха.
Обратный поток из диффузионных насосов, механизм проникновения молекул в рабочую камеру и факторы, влияющие на величину обратного потока, будут подробно рассмотрены в главе 5 Здесь можно отметить, что при правильно организованной работе с диффузионным насосом, установке ловушек и подборе соответствующей рабочей жидкости, углеводородное загрязнение рабочей камеры очень мало; для образования мо-нсслоя может потребоваться от месяца до года Если же при работе насоса произошел "прорыв атмосферы" (попадание атмосферного воздуха в насос), то в зависимости от марки используемой вакуумной рабочей жидкости могут потребоваться чистка насоса и замена рабочей жидкости
Обратный поток из механических насосов с масляным уплотнением можно подавить,создав в трубопроводе на входе в насос вязкостный режим течения газа. Поэтому предварительную откачку этими насосами рекомендуется прекращать при 10-15 Па. Если же требуются более низкие давления, то над насосом устанавливают ловушку.
Рассмотрим теперь каждый из высоковакуумных насосов более подробно, акцентируя внимание на их сравнительной характеристике, достоинствах и недостатках каждого
2.2.	Сравнительная характеристика выссковакуумных насосов
2.21	Диффузионные и турбомолекулярные насосы
Начнем с рассмотрения широко используемых в настоящее время в практике научных исследований и в технологических установках дмф-
- 11 -
фузионного и турбомолекулярного насосов, в каждом из которых имеется источники углеводородных загрязнений.
' Интерес к турбомолекулярный насосам (ТМН) объясняется целым рядом их достоинств: возможность сверхвысоковакуумной откачки всех газов независимо от химической природы и атомной массы; практически свободный от углеводородов спектр остаточных газов; очень высокий коэффициент компресоии, обеспечивавший в принципе достижение сколь угодно низкого давления, в особенности по тяжелым газам, и работу непосредственно на атмосферу Св случае комбинированного насоса с молекулярной частью на выходе); малое энергопотребление; устойчивость к аварийному попаданию атмосферы; малая продолжительность запуска; отсутствие "памяти" по газам; способность длительно продолжать работу в случае отключения питания.
Характерным является то, что высоковакуумные пароструйные насо-вы, традиционно называемые также диффузионными, и ТМН, несмотря не ' принципиальные отличия в конструктивном отношении Сем. подробно /24/),имеют почти одинаковые вакуумные характеристики и находят равное применение в вакуумных системах ядерно-фиэических установок, в' Технике получения тонких пленок, в различных установках электроннооптических приборов, в установках электронной и электротехнической лромышленкости и т.п.
\ В то хе время между этими типами насосов имеются весьма существенные различия как в вакуумных параметрах Сразличные скорости от-хДчки различных газов, наибольшее выпускное давление), так и в акс-плУатационных характеристиках Сстоимость, потребление электроэнергия, простота обслуживания и т.п.). В бТой связи встает вопрос о выборе между турбомолекулярными и диффузионными насосами при создании конкретных вакуумных установок.
Рассмотрим, в первую очередь, проблему создания с данными видами насосов так называемых систем "чистого вакуума" Св зарубежной ли тературе называемых обычно "Dry vacuum system" или "Clean vacuum System!'), которая связана с явлением проникновения в откачиваемый объем рабочих жидкостей диффузионных насосов,смазок подшипников ТМН, а также рабочих жидкостей форвакуумных механических насосов с масляным уплотнением, работающих обычно в качестве форвакуумных с диффузионными и турбомолекулярными насосами.	,
Проникайте в рабочую камеру высоковакуумных установок угл<?во
- 12 -
дороды влияет на результаты научных экспериментов и на чистоту технологических процессов в вакууме, и связанный с этим вопрос о выборе высоковакуумного насоса следует рассматривать по результатам измерения потока углеводородов в сторону откачиваемого объема у систем с турбомолекулярными и диффузионными насосами.
В данном случае для сравнения с ТИН проанализируем величину обратного потока углеводородов У диффузионного насоса последнего поколения, типичными представителями которых является насосы типа “Crystal" фирмы “Alcatel" (Франций) и типа "Dlffstak” фирмы “Edwards" (Англия), а также отечественные насосы типа НСВДМ.
Особенностью конструкции указанных насосов является расширенные в области сопла первой ступени корпус и маслоотражатель, образуете “оптически-непрозрачную" систему входного канала.
Для сравнения можно отметить, что, если у диффузионных насосов с цилиндрическим корпусом величина обратного потока составляет порядка 5.10'^ мг/(см». ч), то у диффузионных насосов, названных выше, величина обратного потока, оцениваемая весовым методом, - менее 5.10”® мг/(см>. ч).
Сравнительные исследования состава обратного потока насоса типа "Crystal-160" (с рабочей жидкостье “Santovac-S") и ТИН на шариковых подшипниках проводились по специальной методике, основанной на применении квадрупольногс масс-спектрометра. Содержание углеводородов и остаточных газов определялось путем выдержки анализатора масс-спектрометра в атмосфере откачиваемой камеры заданное время, в течение которого на поверхности анализатора происходит конденсация и сорбция углеводородов и остаточных газов. Затем включался прогрев анализатора, и продукты десорбции фиксировались в масс-спектрах.
Для обоих сравниваемых типов насосов качественный состав остаточной среды приблизительно одинаков. В спектрах систем с турбомоле-кулярным и диффузионным насосами содержатся слэдуюмие компоненты откачиваемой среды водсрод (т/е=1 и 2), вода ^т/ея17 и 18), азот (®/е=14 и 28), кислород (ш/ея1б и 32), углекислый газ (я/е*44),а также углеводороды 'загрязнения), попавшие в откачиваемую среду из насосов (m-e=27-3g,41.42,43 и другие пики углеводородов с а/е>44). Высота пиков, относимых к углеводородам, возрастает с увеличением выдержки анализатора в откачиваемой камере (т.е. углеводороды поступают в откачиваемую камеру с обратным потоком, идуиым из насоса).
- 13 -
Источником углеводородов в такой системе с ТМН могут быть как обратный ноток из механического насоса, так и обратный поток из системы масляной смазки подшипников самого ТМН.
Парциальные давления компонентов рабочей жидкости, регистрируемые масс-спектрометрически, не превышают 4.10'^ Па и не увеличиваются в процессе непрерывной работы насосов в течение 100 часов
Использование на форвакуумной линии между насосом "Crystal-150" и форвакуумным насосом надежной защитной системы, состоящей ио одной азотной и двух сорбционных ловушек, уменьшает содержание углеводородов в откачиваемой камере на 60... 704. Этот результат для систем с диффузионными насосами говорит о большом вкладе в обратный леток углеводородов, поступающих с обратным потоком из механического форвакуумного насоса.
То хе самое наблюдается и для систем с ТМН, которые хотя и имеют высокую компрессию по углеводородам, но особенно в процессе пуска и останова ТМН, когда компрессия мала или отсутствует, пропускают углеводороды форвакуумного насоса через проточную часть ТМИ в откачиваемый объем. Загрязнения, источником которых является форвакуумный насос, не позволяют создать системы "чистого вакуума" даже с ТМН, которые сами по себе свободны от углеводородов СТМН на газовых или магнитных подшипниках). В этой связи можно предположить, что ТМН о магнитными подшипниками (магнитной подвеской) не пользуются успехом не только из-за дороговизны и сложности эксплуатации, но и из-за отсутствия безмасляных форвакуумных насосов.
При этом дополнительно, помимо указанных источников,надо учитывать влияние эластомерных уплотнителей,которые также выделяют углеводородные продукты и приводят к загрязнению ими откачиваемой среды. Для предотвращения влияния этого источника на чистоту вакуумной среды Скак в случае применения турбомолекулярных.так и диффузионных насосов) необходимо использование металлических уплотнений.
При рассмотрении технических и эксплуатационных характеристик турбомолекулярных н диффузионных насосов следует специально подчеркнуть, что вопрос выбора того или иного откачного средства должен решаться только применительно к конкретной экспериментальной или технологической системе, в то хе время, ни в настоящем, ни в будущем, что весьма очевидно, ие будет стоять вопрос о полной замене одного типа насосов на другой. Последнее связано с тем, что как в
- 14 -
плане специфики вакуумных характеристик, так и в плане особенностей эксплуатации, турбомслекулярные и диффузионные насосы имеют свои преимущества и недостатки.
Обобщенные значения вакуумных и эксплуатационных характеристио-тик насосов представлены в табл.2.1, составленной авторами /24/ на основе каталогов последних лет ведущих производителей обсуждаемых типов выссковакуумных насосов и научных публикаций /19-22/.
Для полезной информации и проведения сравнительного анализа конкретных данных реальных насосов в табл. 2.2 даны характеристики ряда современных турбомолекулярных и диффузионных насосов /24/.
По результатам, представленным в табл. 2.1 и 2.2, можно сделать следующие основные выводы: диффузионные насосы имеют существенно большую быстроту действия, что дает им преимущество при использовании в системах с большим натеканием и газовыделением (больших газовых нагрузках), они способны быстро восстанавливать требуемый вакуум в рабочей камере при быстро меняющихся газовых нагрузках; диффузионные насосы имеют большей коэффициент компрессии, большое выпускное давление, что дает возможность применения с ними форвакуумных насосов меньшей производительности; диффузионные иасосы и ТМН на шарикоподшипниках с масляной смазкой загрязняют откачиваемый объем углеводородами приблизительно в равной степени; диффузионные насосы имеют сравнительно невысокую стоимость, простоту устройства, надежность и удобство в эксплуатации; ТМН на магнитной подвеске или газовых подшипниках с выхлопом в атмосферу или работающие с безмасляным форвакуумным насосом обеспечивают практически чистую от углеводородов вакуумную среду, ТМН в три раза быстрее выходят на рабочий режим, что может быть весьма существенным преимуществом в вакуумных установках с малыми циклами откачки, ТМН допускают произвольную ориентацию в пространстве, что может Сыть важным в специальных конструкциях; ТМН потребляют меньше электроэнергии и охлаждающей воды, в то же время имеют большую собственную ст ииостъ и стоимость ремонта, поэтому в каждом конкретном случае совокупность этих факторов будет определять экономическую ь.ел.е-’оэбразиость выбора между ТМН и диффузионными насосами
Наконец, сгмегим, что ь ряде случаев с технико-экономической точки зрения может быть выгодном использование ТМН и диффузионных насосов в единой вакуумной системе с тем, чтобы сохранить преимуое-
15 -
Таблица 2.1 Сбоб*внныр сравнилельные технические и эксплуатационные характеристики турбомолечулярных и диффузионных насосов
Характеристика, единица измерения	Насосы	
	ТМН	Диффузионные
Быстрота действия при равных	1-2 (воздух)	3 (воздух)
диаметрах условного прохода,	1 Спары)	2 (пары воды)
отн. ед.	1-2 (гелий)	3 (гелий)
Коэффициент компрессии	10® (азот)	1010 (азот)
	103 (водород)	106(водород)
Выпуокное давление. Па	10	50
Ветчина обратного потока,	1	1
отн. ед.	(ТМН на шарикоподшипниках)	
	1	
	(ТМН на магнитной подвеске или газовых подшипниках без использования масляного фор	
	вакуумного на coca)	
Время выхода на рабочие режим (время запуска}, мин	3	15
Возможные ориентации в пространстве	Произвольное	Вертикальное
Потребление электроэнергии при равной производительности, усл. ед.	1	4
Потребление охлаждающей воды при равной производительности,	1	2
усл. ед. Стоимость и трудоемкость ремон-	Большая	Малая
та в случае отказа Стоимость при равной производительности, усл. ед.	3	1
- 16 -
Таблица 2.2.
Сравнение технических характеристик диффузионных и турбомолекулярных насосов с диаметром условного прохода Ду 100 мм ведущих зарубежных ^ирм
1 	 		 Наименование параметров, единила измерения	4-ирмв Edwards Англия		1 Фирма ALcateL ;	чтанпия		i Сирмв Batters ;	Ужхтэнитейн	
	вен ’100/300	тмн НТР 100/200	i вен ! IUC	ТЙН 5150	! ВСН ’ 100 f	шв ТРИ юс
быстрота действия по воздуху, л/с	280	210	300	140	300	170
Ьыстиста действия	50G	100	—	80	—	ПС
по водороду, л/с		•				
Диапазон работы, Па	ЫО"7 Т ...ЫС"1	-	2-Ю"5 т ...РЮ"1	I.I0"5 9 ...ЫО"2	ЫО"5 т ...2*10~ж	I-I0"8 г ...ЫО"1
Предельное остаточное давление, Па	б.пг*5	3-I0"7	5-I0"7	5-I0"7	3-I0"6	I-IC"8
Наибольшее выпускное давление, Па	60...I2C	33	50	10	80	ю
Потребляемая	650	400	550	300	650	325
мощность, Вт Масса, кг	а	6	9	12,5	8,5	13,3
Расход охлаждавшей	60	40	60	48	50	15
воды, л/ч Габаритные размеры	414x252	175x293	440x215	185x165	412x255	212x207
Удельная быцтрот^ действия, лу с см<	3,56	2,67	3,81	1,78	3,82	2,16
Удельная мощность.	2,32	Ь9	1,83	2,14	2,167	1,91
Вт/л-с"1						
Удельная масса, *г/л«с~-	0,032	0,028	0,03	0,092	0,026	0,072
ства и компенсировать недостатки того и другого откачного средства
2.2.2. Крионасосы
Криовакуумные насосы /7,8/ в последнее время стали широко исполг зоваться ь промипшенчых технологиях и технике эксперимента как эффективное и экономичное средство получения безмасляяого вакуума благодаря возможности использования криогенераторов - расширительных газовых холодильных машин (ГХМ).
При непрерывной работе вакуумного насоса удобство ГХМ состоит в том, что для их эксплуатации требуются только электроэнергия и техническая вода и нет необходимости в дополнительном потреблении рабочего газа за счет использования замкнутого холодильного цикла.
Действие крионасосов основано на физических откачивающих эффектах, происходящих при криогенных температурах, а именно /7/: а) конденсации газов на охлажденных металлических поверхностях (криокон-денсационные вакуумные насосы);б) адсорбции газов на твердых адсорбентах (криоадсорбцнонные насосы);в) сорбции газов на слое предварительно сконденсировавшегося вспомогательного легкоконденсирующегося газа (конденсационно-адсорбционные насосы);г) совместной одновременной конденсации откачиваемого газа и вспомогательного легкокоиденси-руюдегося газа Скриозахватные насосы);д) поглощении газов пленками геттерного материала, напыляемого на криопанель вакуумного насоса Скриогеттерные вакуумные насосы).
В настоящее время освоены и получили широкое распространение два первых метода.
Крионасосы оцениваются тремя основными параметрами, характеризующими технические возможности вакуумного насоса:давлением запуска, остаточным давлением и быстротой действия. Однако криовакуумные насосы обладают рядом специфических свойств, поэтому их вакуумные характеристики имеют иную природу и зависят от многих факторов.
Давление эапуска зависит от температуры криопанели, величины откачиваемого объема, вида откачиваемого газа, значения необходимого предельного остаточного давления иасоса. Остаточное давление зависит от температуры криопанели, типа сорбента, начального давления, упругости паров откачиваемого газа. Быстрота действия определяется площадью криооамли, молекулярной массой и температурой откачиваемого
- 18 -
газа
Криоконденсационные вакуумные насосы - их предельное давление зависит от давления пара конденсата при данной температуре криоповерхности Время непрерывной работы криоконденсационных вакуумных насосов ограничивается допустимой толщиной слоя конденсата, которая влияет на повышение температуры криоповерхности слоя конденсата и, следовательно, иа рост предельного давления.
Эти насосы применяется в небольших установках с предельным дав лением 10‘5 Па,где во время технологических процессов исключено выделение больших количеств водорода,а такие в системах с большим потоком газов, конденсирующихся при температурах 20 К. Они обладают большой емкостью, и, следовательно, могут попользоваться в области высокого, среднего и даже низкого вакуума.
Криосорбционный насос получил наибольшее распространение. Адсорбент (активированный уголь, цеолиты, силикагели, окисные пленки металлов) наносится на криопанель, физическая поверхность адсорбента намного больше геометрической поверхности криопанели и достигает 107 см^/г. Наиболее важно в данном случае - обеспечить хороший тепловой контакт сорбента с поверхностью (что влияет на время запуска) I хорошую тепловую защиту крионасоса. Лучший тепловой контакт обеспечивается при использовании пористых окисных слоев металлов (оксидированные пленки алюминия) толщиной до нескольких десятков микрометров.
Примерные характеристики, предельное остаточное давление . 10'7 Па, время запуска 1-1,5 ч.
Следует иметь в виду, что в прямой видимости от криопанели Re должны находиться источники тепла, например, датчики с не’алеиным катодом.
Крионасосы по сравнению с другими безмасляными откачными средствами имеют следующие достоинства, высокая, практически неограниченная быстрота действия; широкий диапазон рабочих давлений (10-10 Па); эксплуатационная гибкость, т е. возможность регулирования производительности по отдельным компонентам откачиваемой смеси вариацией теплового режима криопанели; отсутствие реакции на химически активные газы, на попадание твердых частиц иаат эсферного воздуха, отсутствие углеводородных загрязнений; простота процесса регенерации те i'.-оуегтя высокотемпературный прогрев); возможность
1) -
поменять криопанель в откачиваемый объем, увеличивая производитель-’ ность системы, малые затраты на форвакуумную систему откачки (используется насосы с масляным уплотнением, так как нужно давление запуска 10 Па, при этом легко ликвидируется обратный поток), крионасосы с криогенератором позволяет легко автоматизировать процесс, так как они запускается с помощью кнопки и имеет простую электрическую схему; совместимость с требованиями экологич°ски чистых безлюдных промышленных технологий.
Относител. ная стоимость откачки S/Nn0Tp для крионасосов с криогенератором и гегтерно-ионных насосов приблизительно равны
Недостатки крионасосов присуши всем поверхностным вакуумным насосам. К ним относится ограниченная емкость, следовательно, необходимость остановки по мере насыщения для регенерации Однако простота регенерации делает этот недостаток маловажным, при выделении неконденсируюшихся газов (при температуре криопанели более 20 К - это неон, водород и гелий) требуется активировать криопанели сорбентом или иметь вспомогательные средства откачки. Крионасосы нельзя подвергать зысокотемпературному прогреву - это снижает их возможности в достижении предельного остаточного давления. Они имеют быстро изнашивающиеся части в криогенераторе; значительное время запуска; зависимость парциального давления газов от температуры (например, при увеличении температуры крио'панели от -270 до 269*0 парциальное давление водорода увеличивается в 100 раз).
2.2.3. Электрофизические вакуумные насосы
К электрофизическим насосам (ЭФН) обычно относят все типы насосов поверхностного действия, в которых для создания и активации сорбирующих поверхностей используются электрический разряд в вакууме, резистивный и электронно-лучевой нагрев, потоки ускоренных заряжен-женных частиц, электромагнитное излучение. Как отмечается /12/. эти механизмы позволили пересмотреть принципы построения вакуумных систем.
Для ЭФН характерно разнообразие физических принципов и сфер применения /9-12/.
В вакуумных системах ускорителей и термоядерных установок электродные блоки электрофизических насосов встроены непосредственно в
- 20 -
откачиваемую камеру, дли их функционирования могут использоваться собственные электромагнитные поля установок или циркулирующие в них пучки заряженных частиц Такая компоновка позволяет полностью использовать быстроту дейс!вия, на два-три порядка снизить остаточное давление, при этом резко уменьшаются стоимость и объем вакуумной системы
В настоящее время наибольшее распространение получили испари тельные геттерно-ионные и распылительные геттерно-ионные С магнито• торазрядные) насосы Сравним их характеристики (табл.2 3)
Рассмотренным насосам свойственны недостатки в ряде случаев от раничивающие их практическое использование. От указанных недостатков свободны комбинированные насосы, обеспечивающие быстроту действия порядка сотен тысяч литров в секунду и более, возможность откачки систем в условиях переменных потоков газа различного спектрального со “10
става, низкое предельное остаточное давление(1,3 10 Па), достигаемое за более короткое время, материалоемкость 0,12-0,03 кг/л/с, более низкую стоимость откачки.
Селективность действия этих насосов по отношению к некоторым газам, затрудняющая их применение в ряде конкретных случаев, легко устраняется комбинированным применением их различных модификаций, а также параллельным использованием ТМН или крионасооа
В табл 2 4 представлены данные обо всех рассмотренных высоко -вакуумных насосах '3,17'
2 3 Примеры применения высоковакуумных насосов,
Исходя из вышеизложенною, м жно сделать следующие ь воды о применимости того или иного ьысоковакуумного откачного у<.ройсгва для конкретного технологичесюгэ процесса Авторы /б,17/ приводят следующие примеры
В сверхвысоковакуумных системах с малыми количествами газа маг ниторазрядныи насос практически не име^т конкурентов Этот насос, котя и более дориюй по сравнению с дифрузионным, не нуждается в ловушках паров масла и обладав! преимуществом в скорости сткачки Эти вакуумные насосы применяются также в вакуумный системах, , едко сообщающихся с атмосферой (в уск ригелях заряженных частиц) Поскольку *а куум, полученный з помощью магниторазряяного насоса, полностью сьо-
с\
Таблица 2.3
Сравнительная характеристика ЭФН
Эксплуатационная характеристика	гет.-ион	
	испар.	расп.
Достоинства		
Широкий диапазон рабочих давлений	4	+
Способность длительно и стабильно откачивать все газы включая инертные Неограниченная быстрота действия по активным	4	4-
газам		
Отсутствие органических загрязнений	4	4
Большой ресурс при р<10“* Па		♦
Устойчивость к вибрации, ударам, повышенной температуре, радиации, авариям о вл. питанием		4
Устойчивость к внезапному прорыву атмосферы Устойчивость к изменению газовой нагрузки	♦	4
Быстрый выход на режим после напуска газа Малая и саморегулируемая потребляемая модность	4	*
Возможность контроля давления по току разряда		+
Совместимость с АСУ	*	4
Простота обслуживания		4
Ремонтопригодность	♦	♦
Недостатки		
Селективность откачки	4	♦
Чувствительность К углеводородным загрязнениям		♦
Малая устойчивость в области повышенных давлен. Ограниченный ресурс	♦	♦
Чувствительность к прорыву атмосферы Эффект "памяти"	*	♦
Большая длительность выхода на режим после		♦
напуска атмосферы Вылет кз насоса паров геттера	♦	4
НалйчПе магнитных полей		4
Наличие высокого напряжения		4
Необходимость очистки от пленок геттера	4	4
Чувствительность к внешним магнитным полям Высокая удельная стоимость, масса и габариты	4	4
Та блица 2.4
Сравнительные характеристики высоковакуумных насосов
Тит насоса	; Скорость откачки, !	^я3/с (	*ТТ	г ;Предаври-j | тельное i	Газовая емкость, Па "К3	tl	х		 {Питание (Масса,i Цена iO-але- ; к-	i (троэнер-;	i irax> J	I (В - вода/j	i
	\ Иг ! “г ’ ir	|ние^ Па । i	i		
Диффузионный	0,7	1.3	0.7	I	Неотран.	в, в	X	1000
Турбомолекулярный с приводом	0,5	0,5	0,5	0,1	Неотран.	3, в	30 /15/	2500’
Магниторазрядннй с блоком питания	0,5	1,0	0,05	0,1	10000	3	150 /40/	2000
Испарительный геттер-ный с блоком питания	I	I	дезнач.	0,01	100	5, в	3 /17/	400
Криогенный с компрессором	I	0,6	0,9	0,1	1000	э, в жидкий азот	19 Л 5/	5500
боден от присутствия органических веществ, лучше всего создавать предварительное разрежение для него с помо:дью сорбционного насоса. Недостатком его использования является высокое содержание водорода в остаточном газе, что может быть неприемлемо в некоторых случаях, а также низкая скорость откачки инертных газов.
Получение сверхвысокого вакуума в больших вакуумных системах, таких как имитаторы условий космического пространства, ввиду сложности их прогрева является сложной проблемой. Эту проблему позволяют решить криогенные насосы, в особенности если они встроены непосредственно в камеру. Однако эти насосы для эффективной работы нуждаются ь предварительном разрежении ниже 0,1 Па, достижение которого часто требует более сложных откачивающих систем по сравнению с обычными вращательными насосами Также весьма эффективно использование в этом случае испарительных геттерных насосов, которые, к сожалению, не способны откачивать инертные газы.
Современные крионасосы с автономными криогенераторами компактны и обеспечивают высокую скорость откачки любых газов и чистоту получаемого вакуума. Они могут использоваться совместно с сорбционными, магниторазрядными или двухступенчатыми вращательными насосами, снабженными ловушками. Поскольку время работы последнего насоса для получения требуемого предварительного разрежения невелико, вероятность попадания в откачиваемую систему следов углеводородов мала.
В случае откачки большого количества газа Снапыление и травление) наиболее экономично использовать диффузионный насос в паре с механическим насосом с масляным уплотнением при условии эффективной защиты от паров масла. Альтернатива - турбомолекулярный насос с вращательным насосом.
В установках,где часто изменяются такие условия процесса откачки, как область давлений, величины газовых потоков и природа остаточных газов (напылительные вакуумные установки), неприемлемы испарительно-ионные насосы. В таких установках целесообразно использовать криогенные или диффузионные насосы, если нет строгих требований по присутствию паров углеводородов.
Для быстрой откачки с давлений выше 5.10'- Па,при работе с частым напуском атмосферы и при длительной откачке газовых сред со значительным содержанием углеводородов, водорода, химически активных газов рекомендуется применять испарительные геттерно-иоиные насосы.
- 24 -
В случае длительной откачки без напуска атмосферы при давлениях ниже 10~4 Па следует использовать магниторазрядные насосы;они же бо-
X W	-м. 4 Л *С Л-1 О
лее эффективны при откачке метана в диапазоне давлений 10 -10 'Па
В технологических процессах, где вакуумное оборудование долине выдерживать радиоактивное облучение, для откачки радиоактивных газов используются магниторазрядные насосы, которые после завершения работы могут быть захоронены.
В процессах травления, распыления и осаждения участвуют большие потоки газов, некоторые из которых могут быть токсичными и взрывоопасными. Здесь все шире применяются крионасосы и ТМН. Но недостаток крионасосов в том, что опасные газы испаряются при регенерации.
В последние годы используются комбинации различных откачных средств с целью увеличения скорости откачки, расширения диапазона рабочих давлений и снижения времени, необходимого для получения сверхвысокого вакуума. Быстрота действия геттерно-ионных испарительных насосов значительно возрастает, если параллельно к ним подсоединяется небольшой магниторазрядный вакуумный насос. Интерес также представляет комбинация магниторазрядного насоса с криогенным насосом, охлаждаемым жидким азотом.
Фирма "Varian" (США) в напылительной сверхвысоковакуумной установке использует комбинацию магниторазрядного, испарительного титанового и крионасоса, что позволяет после пятичасового прогрева и 50 ч непрерывной откачки‘получить в рабочем объеме вакуумной установки 10*8 Па.
Фирма "Balzers" (Лихтенштейн) для откачки сверхвысоковакуумных напылительных установок использует комбинацию паромаеляного вакуумного насоса с крионасосом, на охлаждаемую жидким азотом поверхность которого непрерывно напыляется титановая пленка. Это позволяет после предварительного прогрева установки и нескольких часов непрерывкой откачки получить в ее рабочем объеме предельный вакуум 10~° Па.
В заключение еще раз отметим, что идеального насоса, способного осуществлять откачку от атмосферного давления до 10"8 Па, пока не существует. Тем не менее, современные вакуумные насосы, выпускаемые промышленностью в составе с соответствующей вакуумной арматурой. по -зволяют получить сверхвысокий вакуум в установках, в которых нагека ние газа, выделение его с поверхности в результате десорбции и других процессов невелико.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ
Ознакомившись с техническими и эксплуатационными характеристиками высоковакуумньх средств откачки,рассмотрев их достоинства и недостатки, сравнив их по различным показателям, можно подобрать именно тот высокозакуумный нассс,который наилучшим образом обеспечит работу высоковакуумкой установки. Но зысоковакуумннй насос,как ухе отмечалось, хотя и является основным элементом откачной системы,не определяет полностью успех достижения заданных технологических режимов. Для обеспечения работы вакуумного насоса требуются различные устройства, "архитектура" взаимного расположения которых в вакуумной системе определяется рядом параметров,в том числе типом высоковакуумного насоса. Тип вакуумного насоса предопределяет многие конструктивные. функциональные и эксплуатационные особенности создаваемой вы-соксьакуумней системы. Перейдем к рассмотрению основных принципов построения высоковакуумных систем и их эксплуатации,а также возможных экстремальных (аварийных) ситуаций.
3.1.	Состав вакуумной системы
После этапа выбора выссковакуумного насоса, наиболее пригодного для заданных условий вакуумного технологического процесса, проектирование вакуумной системы будет заключаться в решении проблем оптимального сочетания всех ее необходимых элементов.
На рис. 3.1 представлены типовые вакуумные системы, созданные на базе различных высоковакуумных насосов,"с необходимыми элементами для обеспечения работы выссковакуумного насоса, приборами контроля за прохождением процесса откачки, устройствами для предотвращения аварийных ситуаций и поддержания рабочего состояния насосов.
На этом этапе проектирования состав вакуумной системы будет определяться уже и типом высоковакуумного насоса, а не только техноло-логическим процессом, как это было на этапе выбора откачного средства.
Вакуумная система может включать следующие элементы: высокова-хуумный затвор; высоковакуумный манометрический преобразователь; ьиброизоляциь и- изоляции от шума; ловушки (охлаждаемые водой или жидким азотом); форвакуумные насос, клапан, манометрический преоб-
- 26 -
Рис.3.1. Типовые вакуумные системы
разоватеяь, ловушку к баллон; систему прогрева; линию предварительной откачки; напускной клапан: патрубок для присоединения тэчаиска-теля; зацитный тепловой экран.
Каждая из вакуумных систем Са,б,в,г рис.3.1) включает все необходимые элементы для ее надежного и эффективного функционирования. Для простоты на схеме показана одна рабочая камера, к которой могла бы быть подсоединена любая из откачных систем (а~г). Дополнительно в вакуумной камере может располагаться встроенный испарительный гет-терный насос NG, улучшающий откачные характеристики основных вакуумных насоссз (см.гл 2). Элементы, показанные пунктиром, являются необяз ате >тьныии.
На рис.3.1 показаны вакуумные системы: CV - рабочая камера, в которой проводится технологический процесс; а - вакуумная система на базе магиитораэрядного насоса NM с линией предварительной откачки с использованием адсорбционных насосов НА; б - вакуумная система на базе криогенного насоса NK: в - вакуумная система на базе турбомо-лекулярного насоса NR; г - вакуумная система на базе диффузионного насоса ND; VT- высоковакуумный затвор; 31 -высокоьакуумная ловушка; VI - клапан напуска сухого воздуха;Р1 - высоковакуумный манометрический преобразователь; С - форбаллон; V2 - предохранительный клапан; V3 - форвакуумный клапан; Р2 - форвакуумный манометрический преобразователь; NI - насос, используемый для предварительной откачки и регенерации; NV-форвакуумный насос; V4 - отсечной клапан на входе в насос с масляным уплотнением; V5 - напускной клапан на входе в насос с масляным уплотнением, А1 - тепловой экран; А2 - дэмпфер; АЗ - масляный фильтр; 1 - патрубок для подсоединения течеискателя; 2 - байпасная линия откачки.
Рассмотрим последовательно расположение этих элементов в вакуумной системе и выполняемые ими функции во взаимосвязи с функциями других элементов и функциональным назначением системы в целом. При этом будем использовать сведения, изложенные в /15.16/.
Высокозакуумный затвор является одной из важнейших частей вакуумной системы, Если вакуумная система но обеспечивает условий проведения процесса, затвор перекрывают и проверяют работу отсеченной вакуумной системы для определения неисправностей - в самой вакуумной системе или в рабочей камере. Высоковакуумным затвором необходимо снабжать диффузионные и криогенные насосы для удобства ра
- 28 -
боты с вакуумной системой. Геттерно-ионные и турбомопекулярные насосы могут работать и без него.
Для создания в вакуумной системе сверхвысокого вакуума используют затвор с металлическими уплотнителями.
Зысоковакуумннй манометрический преобразователь в вакуумной системе с диффузионным, турбомолекулярным или магниторазрядным насосом устанавливается как на камере, так и непосредственно на входе в насос, под затвором. В этом месте его можно использовать для проверки работы отсеченной вакуумной системы. Он защищен от повреждений при загрузке и разгрузке рабочей камеры, а также от загрязнений во время проведения технологического процесса. Кроме того, от эмиссии электронов из преобразователя защищен вакуумный процесс.
Если установить ионизационный манометрический преобразователь в системе с криогенным насосом, то он может быть источником возможной опасности. Во время откачки газы конденсируются на криопаиели в определенной последовательности Св соответствии с теплотой сорбции), но при аварии и временном отогреве панели газы испаряются и могут представлять взрывоопасную смесь. Если при подаче энергии катод манометрического преобразователя будет нагрет, то это может быть причиной взрыва.
Предохранительная сетка на входе в насос предохраняет насос от попадания в него мелких твердых частиц, которые могут вызвать поломку ТМН, вызвать короткое замыкание (тепловое в криогенном насосе и электрическое - в магниторазрядном).
Поскольку турбомолекулярный, магниторазрядный и криогенный насосы работают в любом положении в пространстве, их следует устанавливать так, чтобы в них не попадали твердые частицы. Для диффузионных насосов мелкие твердые частицы не страшны.
Демпферы устанавливают в вакуумные системы с турбомолекулярны-ми и криогенными насосами, так как вибрация не позволяет применять аппаратуру для проведения точных измерений в вакуумной камере. Можно использовать для гашения вибрации сильфонные соединения и гибкие трубопроводы. Вращательные насосы надо устанавливать на резиновые прокладки, и не на раме вакуумной установки, а на полу; использовать гибкие трубопроводы.
Ловушки, охлаждаемые жидким азотом, устанавливаемые между диффузионным вакуумным насосом и рабочей камерой, препятствуют проник-
- 29 -
кованию обратного потока паров вакуумных рабочих жидкостей из насоса в камеру. Лэ*кие фракции <" метан, ацетилен, этан) не улавливаются. Используя в качестве рабочей жидкости полифениловый эфир, можно достичь 1.10"^ Па и без ловушки.
Охлаждаемая жидким азотом поверхность является криоконденсаци-онныч насосом и имеет большую скорость сткачкч по папам воды. Лучше всего ее помешать внутрь рабочей камеры
Такие ловушки используются для осаждения титана и в случае ис-паритсльнс-ионных насосов (они включаются в вакуумную систему с маг-нитораэрядным насосом в области низких давлений и с турбомолекуляр-ным - при откачке водорода)
Ловушки, схлапдаемые водой (обычно шевронного типа), всегда устанавливаются над диффузионным насосом и предназначены для конденсации паров вакуумных рабочих жидкостей, которые затем смекают в насос
Форвакуумный насос. Геттерно-ионные и криогенные насосы, являясь газоулавливающими, не нуждаются в форвакуумном насосе,но для запуска их в работу нужна предварительная откачка Форвакуумный насос подсоединяется на ьыход диффузионного насоса для поддержания давления на выходе меньше наибольшего выпускного. которое зависит от конструкции насоса, характеристик вакуумных рабочих жидкостей и обычно равно 10+30 Па. Это давление может поддерживать одноступенчатый механический насос с масляным уплотнением.В сверхвысоковакуумных системах для уменьшения парциального давления водорода в форвакуумной линии используются двухступенчатые насосы с масляным уплотнением.
Турбомолекулярный и форвакуумный насос соединяются последовательно для обеспечения молекулярного режима течения откачиваемого газа на входе в ТМН и для обеспечения более низкого давления га входе в ТМН, так как для турбомолекулярного насоса давление на входе равно частному от деления давления на выходе на коэффициент сжатия. Коэффициенты сжатия: по углеводородам -10 ,по аргону и окиои углерода - 1010 , по кислороду - 5.10®, по азоту - 10® , по гелию -5,10^, по водороду - 103. Предельное остаточное давление ТМН обусловлено коэффициентом сжатия водорода и равно:5.10*6 Па-с одноступенчатым форвакуумным насосом, 1.10"? Па-с двухступенчатым форвакуумным насосом, 1.10“® Па - о турбомслекуг.яриым или диффузионным назооом ь качестве форвакуумного.
- 30 -
Если в рабочей камере при проведении технологической- процесса необходимо провести точные измерения, то на некоторое вре. л форваку умный насос, являвшийся источником вибрации, может быть отключен. В этом случае на выходе диффузионного насоса устанавливают форбаллон, который позволяет отключить форвакуумный насос на время,пока давление в нем не достигнет наибольшего выпускного давления диффузионного насоса Установив манометрический преобразователь на форбаллоне,можно обеспечить автоматическое включение и выключение форвакуумного насоса
Форвакуумный клапан необходим в вакуумных системах с диффузионным насосом Он позволяет использовать форвакуумный насос в качестве насоса предварительного разрежения, а также для откачки диффузионного насоса в период его выключения
Форвакуумный клапан в системе с турбомолекулярным насосом используется для предварительной откачки камеры форвакуумным насосом, а также является отсечным клапаном для механического насоса с масляным уплотнением
Форвакуумный манометрический преобразователь Собычно тепловой) устанавливается на форвакуумную линию диффузионного насоса для контроля за давлением на выходе насооа и обеспечения его величины,мень шей наибольшего выпускного давления.
В высоковакуумных системах с турбомолекулярным насосом преобра эователь в форвакуумной линии устанавливается для удобства обслуживания.
Патрубок для присоединения течеискателя обязательно должен быть предусмотрен  рабочей камере (для подооединения квадрупольиого масс-спектром»., ра). В вакуумных системах с диффузионным и турбомолекулярным насосами такой патрубок должен быть предусмотрен в форвакуумной линии для подсоединения гелиевого течеискателя Сэто самое удобное место для определения малых течей).
В вакуумных системах с магнитораэрядным или криогенным Насосами, которые плохо откачивают гелий, пойок течей являетоя трудоемким и длительным процессом, так как при попадании гелия в систему он дает большой фоновый сигнал гелиевого течеискателя , и дальнейший поиск течей затрудняется.
Линия предварительной откачки. Диффузионные насосы должны быть предварительно откачаны до 1 Па, и поэтому для удобства проведений
- 31 -
ц .киических технологических процессов в вакуумной системе предусмотрена байпасная линия откачки (см. рис 3.1).
В вакуумных системах с ТМН при наличии ь .окоьакуумного затвора предьар тельную откачку рекомендуется прекращать при 10.1 Па, чгибы ооесиечить защиту рабочей камеры от обратного потока из насоса нр|дваригельного разрежения (который в данном случаи может являться Л1навременно и форвакуумным), а затем можно открывать высоковакуумный затвор при работавшем ТМН
Отсеченный криогенный насос до начала его работы неооходимо кредварительн' откачать до давления запуска (обычно 1Па) Эту откачку можно осуществить двухступенчатым механическим насосом с масляным уплотнением о форвакуумной ловушкой. Рабочус Камеру предварительно О|Качивают до 100+50 Па, а затем открывают ьысокоьакуумньй затвор Такое большое давление обеспечивает защиту ст углеводородных загрязнений
Для запуска магниторазрядных насосов их необходимо предваритель но откачать до i+S Па. Затем магнигоразрядиый насос и насос предварительного разрежения работают параллельно до достижения давления 0,1 Па, и тогда насос предварительного разрежения отключается Если для предварительной откачки использовался насос с масляным уплотнением без ловушки, то может произойти углеводородное загрязнение По атому с магниторазрядным насосом для предварительной откачки вакуумной камеры рекомендуется использовать систему адсорбционных насосов или небольшой турбомолекулярный насос. Такие варианты предпочтительнее насосов с масляным уплотнением и с форвакуумной ловушкой
Системы с магнитораэрядными насосами могут работать и без высо ковакуумного затвора, но затвор защищает насос от атмосферы при открывании рабочей камеры, и это способствует уменьшению цикла включения Однако этот насос можно использовать при высоких давлениях Если во время запуска давление находится в пределах от 2 до 10*^ Па, вто полезно для насоса.
Для предварительного разрежения обычно используются двухступенчатые вращательные насосы (за исключением указанных случаев), так как онг достигают требуемых давлений запуска быстро и легко
форвакуумные ловущки служат для улавливания обратного потока углеводородных эатрязнений, возникающего при работе механического жасоса с масляным уплотнением
- зг
Форвакуумные ловушки не нужны на линиях предваритель- ого разрежения вакуумных систем с турбомолекулярным и криогенинк ’асосами. так хак их давление запуска превышает 15 Па. Иногда ловушки устанав ливают для зашиты от углеводородных загрязнений из насоса с масляным уплотнением при его работе ниже 15 Па,но это уменьшает быстроту лей ствия насоса и увеличивает время предварительной откачки.
Форвакуумные ловушки следует устанавливать на линии предварите льной откачки и форвакуумной линии вакуумных систем с диффузионным насосом и на линии регенерации криогенных иасосов. В форвакуумной линии диффузионного насоса они предотвращают попадание рабочих жидкостей из механического насоса в кипятильник диффузионного насоса
Форвакуумные ловушки, охлаждаемые жидким азотом, эффективны, но неудобны в работе, так как при работе их необходимо пополнять жидким азотом. Они используется для линий предварительной откачки, если время такой откачки мало
Сорбционные и каталитические форвакуумные ловушки легко испоив зовать, но необходима их регулярная регенерация.
Для ловушек, охлаждаемых жидким азотом, и сорбционных ловушек регенерация проводится при напуске воздуха со стороны высокого ваку ума, но давление должно быть таким, чтобы обеспечить вязкостное те чение газа через ловушку (чтобы увлечь выделившиеся газы в сторону насоса с масляным уплотнением). Если проводить регенерацию без напуска воздуха, то выделившиеся пары углеводородов попадут в форвакуумную линию и в форвакуумный клапан.
Регенерацию сорбционных форвакуумных ловушек можно и не проводить, а, размс "кровав систему,заменить в них сорбент,а затем исполь зованный соре т регенерировать в отдельной системе.
Защитный экран. Высокая температура в рабочей камере не должна воздействовать на холодные поверхности криогенного насоса Обычно бывает достаточно поворотного колена трубопровода между камерой я насосом. В исключительных случаях Спечь илй прогреваемая сверхвысоковакуумная система) необходимы охлаждаемый водой отражатель, установленный в рабочей камере, или охлаждаемая водой ловушка, установленная на входе в насос.
Для магниторазрядных и турбомолекулярным насосов достаточно нс пользовать трубопровод с поворотным коленом.
- 33 -
3.2.	Состав остаточного газа
Состав остаточного газа в рабочей камер.. зависит от типа насоса, как у э отмечалось в главе 2, конструкции рабочей камеры (например, применение металлических или эластомерных прокладок) и проводимого в ней технологического процесса. Нике приведены возможные источники газов и необычных пиков в масс-спектре остаточного газа, что может помочь в определении причин ухудшения работы установки. В приведенной табл.3.1 (см. /16/) указаны массовые числа пиков масс-спектра, соответствующие им газы и источники их попадания в камеру.
3.3.	Прогрев сверхвысоковакуумных систем
Как уже отмечалось, прогрев необходим для сверхвысоковакуумных систем Во время прогрева десорбировавшиеся газы откачиваются вакуумным насосом.
Магниторазрядные насосы идеально подходят для прогреваемой системы. Прогревается вся система, включая работающий насос. Магниты, установленные вокруг магниторазрядного насоса, являются эффективными тепловыми экранами, которые замедляют нагрев и охлаждение наооса.
Турбомолекулярные насосы должны быть расположены за пределами зоны прогрева. Они прогреваются вместе с присоединенными трубопроводами отдельными рубашками до температуры не выше 100°С. Статор насоса прогревается быстро, а ротор находится как бы внутри вакуумной изоляции и прогревается только за счет излучения. Эта температура прогрева обеспечивает такое тепловое расширение материалов, что ротор и статор не будут соприкасаться друг с другом.
Диффузионные насосы не прогреваются, они работают при прогреве вакуумной сисгеш. Азотная ловушка включается в зону прогрева и заполняется после прогрева.
Крионасосы нельзя прогревать, и они должны находиться вдали от зоны прогрева, чтобы тепло не достигло криопанели, в противном случае это приведет к десорбции сконденсировавшихся газов и срыву работы насооа. Если осуществить прогрев 90Х обращенной в вакуум площади (а прогрев уменьшает гаэовыделение нержавеющей стали в 1000 раз)тс яепрогретая часть даст такой,поток гаэовыделения, что прогрев окажется бессмысленным. Казалось бы,что крионаез^ы непригодны для
- 34
Таблица 3.1
Источники газов в масс-спектре остаточного газа
Массовое число	Газ	Источник
1	2	3
2	Водород	Основной компонент в сверхвысоковакуумных системах
Гаэовыделение из материалов конструкций, сорбировавших его ранее
Диссоциация паров воды и вакуумных рабочих жидкостей	•
4	Гелий Гаэовыделение из эластомеров
Остается после поисков течи гелиевым тече-искателем Проницаемость через эластомеры и стекло
16	Кислород Стимулированная электронной бомбардировкой
десорбция из ионных источников масс-спектрометров
13,14,15,16 Метая Синтезируется в вакуумных системах, откачиваемых магниторазрядными и испарительно-ионными насосами
Не откачивается испарительно-ионным насосом
17	Аммиак	Когда пик 17 выше, чем пик 18, есть подозрение на течь Натекающий азот реагирует с остаточным воде родом с образованием аммиака
16,17,18	Вода	Гаэовыделение хемосорбированной воды с внутренних поверхностей. Преобладает в спектре остаточного газа непро1’реваемых систем
19 23 35,37 39	Фтор Натрий Хлор Калий	Стимулированная электронной бомбардировкой десорбция из ионногб.источника масс-спектрометра
го.гг	Неон	Неон и его изотопы
28	Оксид	Синтезируется на накаленный нитях
углерода
28	Азот	Возможное натекание Сможет быть я внутренняя
течь) из атмосферы подтверждается пиком 14
1
2
3
30	Оксид азота	Реакция азота и кислорода на накаленных нитях
30	Этан	Углеводородные загрязнения
32	Кислород	Необычно высокий пик 32 указывает на натекание
33,37	Хлор	Десорбция из ионного источника масс-спектрометра
36,38	Хлорид водорода	Реакция водорода и хлора
40	Аргон	Натекание - обычно большой пик в вакуумных системах с магниторазрядными насосами
22,44	Двуокись	Десорбция с внутренних поверхностей системы Синтез на накалешых нитях Концентрация СО, обычно выше в вакуумных системах с испарительно-ионными насосами из-за реакции СО и кислорода с образованием СО, на накаленных нитях
	углерода	
16	СН„	
30	С&	Углеводородные загрязнения из насосов
44	сл	с масляным уплотнением
58	С.Щ.	
41,43		Разложение углеводородных пластиков
58	Ацетон	Индивидуальный масс-спектр: 20	100	27 %
130	Трихлорэтилен	Индивидуальный маос-спектр: 60	95	130	132
		65	100	89	85 %
446	Полифе-	Индивидуальный масс-спектр:
	ниловый	38	51	77	446
	эфир	10	29	79	100 %
сверхвысокого вакуума.		На практике, однако, крионасосы широко ис<-
конструкции установки
пользуется в том случае, когда все стальные покрыты рарпыляемым материалом, и качество получаемой в этом случае продукции намного выше, чем в новой вакуумной системе Со временем
- 36 -
при дальнейшей работе такой вакуумной системы качество продукции ухудшается, и вакуумную систему надо разбирать и очищать.
3 4 Вакуумные системы с малыми циклами
Для увеличения производительности вакуумной установки высоковй-куумные системы могут иметь малые циклы загрузки-разгрузки, т. е. иапуск атмосферы при разгрузке и затем быстрая откачка вакуумной камеры.
С этой целью можно использовать диффузионные, турбомолекуляр-иые и криогенные системы, обеспечив иапуск сухого воздуха, минимальное время загрузки, правильную работу установки и снижение газовыде-деления (работая в перчаткак).
Магнитораэрядные насосы для такой цели непригодны.
В сверхвысоковакуумных системах нельзя проводить малые циклы, так как после каждого напуска атмосферы надо осуществлять прогрев для восстановления сверхвысокого вакуума. В таких системах загрузка производится без напуска воздуха (через шлюзы).Для этого надо иметь несколько камер. Безопасная и надежная загрузка образцов в сверхвысоковакуумные системы - быстро развивающаяся отрасль вакуумной технологии.
3.5. Аварийные ситуации
Прорыв атмосферы может произойти при случайном напуске воздуха, повреждении смотровых окон, электрических вводов, сильфонов й т. ц. Это приведет к порче продукта и остановке работы вакуумных насосов.
Магниторазрядные и криогенные насосы не чувствительны к прорыву атмосферы и после исправления ситуации могут быть вновь заЬущены (после регенерации крионасоса).
Турбомолекулярные насоса могут быть повреждены, если в иих попадут твердые мелкие частицы. Но защитная сетка должна иметь крупны** ячейки, чтобы не уменьшать быстроту действия.
При попадании атмосферы в диффузионные насосы кипение прекращается» вакуумные рабочие жидкости окисляются, прикипают к элементам конструкции насоса или выбрасываются в форвакуумный насос. При этом рабочая камера (если не перекрыт затвор) будет полностью оагря-
- 37 -
знена углеводородами вакуумной рабочей жидкости. Манометрические преобразователи, электронные пушки, смотровые окна необходимо снимать и чистить. Накаливаемые нити, электронные умножители необходимо заменить Можно попытаться прогреть сверхвысоковакуумиую систему, в противном случае ее надо полностью разобрать и очистить
Отклонение электроэнергии при работе магниторазрядного насоса не приводит к негативным последствиям Легко восстанавливают свое действие после отключения электроэнергии магниторазрядные, турбо-молекулярные и диффузионные вакуумные насосы Для крионасоса необходимо провести регенерацию
Все высоковакуумные системы необходимо оснастить таким автома-чески срабатывающим оборудованием, которое бы перекрывало вакуумную систему в случае аварии.
Отключение воды. Вода необходима для работы компрессора крионасоса, для охлаждения диффузионного и турбомолекулярного насоса, (хотя имеются конструкции с охлаждением воздухом) В электрическую цепь устанавливаются выключатели, связанные с датчиками температуры или расхода воды, которые прерывают подачу электроэнергии и отключают насос, если расход воды недостаточен.
4 ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
Обьективная оценка технического уровня подготавливаемых к промышленному производству, а также уже освоенных изделий является важным факторог для общей оценки уровня исследований и разработок в соответствующей отрасли техники и конкурентоспособности изделий на мировом рынке (см. подробно /24/)
Рассмотрим проблемы оценки технического уровня вакуумных насосов (диффузионных, бустерных, турбомолекулярных). К числу основных параметров, определяющих технический уровень вакуумных насосов, относится быстрота действия, диапазон рабочих давлений и предельное остаточное давление Оценка технического уровня вакуумных насосов не сводится к простому сопоставлению данных испытаний по определению ос новных параметров насосов и данных информационных материалов по аналогичным образцам Рассмотрим проблемы оценки технического уровня ва куумнмх насосов последовательно для каждого из важнейших параметров.
- 38 -
4 1 Сравнение по быстроте действия
быстрота действия является наиболее важным параметром вакуумных йасосов, непосредственно определяющим время откачки технологических камер до заданного давления, допустимые газовые нагрузки при осу-жествлекии технологических процессов и т д
Метод измерения быстроты действия S. определяемый сушествуоиимк отечественными и зарубежными стандартами на методы испытаний,основан на измерении давления р на входе в насос при создании определенного потока газа Q в стандартизованную измерительную камеру.
S = Q/p	С4.10
Смыв типичного стенда испытаний показана на рис. 4.1.
1
R
Рис.4.1 Схема испытательного стенда
Все без исключения стандартные методики предусматривают илмере-
- 39 -
ние давления, принимаемого для расчета быстроты действия, не непосредственно во входном сечении испытуемого насоса, а в расположенном на некотором расстоянии от него стандартизованном сечении измеритель ной камеры. Таким образом, при заданном потоке в расчет принимается давление рр большее давления во входном сечении насоса р2, то есть
Q = U Ср2- рр,	(4 2)
где U - проводимость канала (участка измерительной камеры) между входом в насос и сечением, где установлен манометрический преобразователь.
Следовательно, первая проблема оценки и сопоставления технического уровня вакуумного насоса по быстроте действия заключается в несовпадении количественных показателей, получаемых для одного и того же изделия в случае испытаний насоса по методикам различных стандартов.
Таблица 4.1
Сравнение характеристик насосов
Характеристики	Данные, л/с		
	каталога	паспорта	испытаний по ГОСТ 15662-83
Быстрота действия насоса 18В4А "Edwards" (Великобритания) при давлении входа			
1,33, Jia	2500	-	2500
6,65.10'1, Па	4000	-	2825
1,33. КГ1, П»	4000	-	2823
* 1,33 - 1,33.10'1, Па	3500	-	2750
Наибольшая быстрота действия насоса 30В5А “Edwards*	12500	9000-10000	-
• Средняя быстрота действия насоса Crystal-63 фирмы "Alcatel" (Франция) при давлении входа 1,33.10“3 г 1,33.10'1 Па	200	160	155
- 40 -
Вторая важная проблема заключается в несовпадении характеристик, приводимых в зарубежных информационно-рекламных каталогах фирм и конкретных паспортах на изделия, причем, как показано ниже, те и другие часто не совпадают с характеристиками реальных образцов, полученными при их испытании.
Рассмотрим эти вопросы для диффузионного вакуумного насоса.
4 2 Сравнение диффузионных насосов по диапазону рабочих давлений.
При прямом и формальном сопоставлении зависимостей S » ftp) длл типичных диффузионных насосов, приводимых разными фирмами (рио. 4.£). создается представление о существенном различии диапазонов рабочих давлений этих насосов. Неформальный анализ, однако, показывает, что ' дело заключается не в действительнр.££йкак.₽5дличии зависимостей -
Рис 4 2 Зависимость быстроты действия S of давления на входе р для диффузионных насосов разных типов:а -НВДМ (СССР); б - Dlffstafc (Eo«ards, Ветлюоритания); в - Crystal (Alcatel, Франция'); г - ШХ,* (Uhac. Японии1	• '
- 41 -
S  fCp) диффузионных насосов различных типов,а в неодинаковых подходах к форме представления этих зависимостей Поясним это обстоятельство. Согласно общим физичес им соображениям и литеоагурным данным, диффузионный насос должен иметь определенную быстроту действия при любом малом входном давлении, если под быстротой действия в данном случае принимать скорость захвата рабочей струей диффузионного насоса определенного объема откачиваемого газа в единицу времени. Это вполне понятно, поскольку вероятность захвата струей частицы откачиваемого газа при молекулярном режиме его течения не может зависеть от частоты попадания (однозначно связанной с входным давлением) частиц в струю. С учетом этого обстоятельства некоторые фирмы представляют зависимость S = Г (р) в виде, показанном на рис 4 26, хотя измеряемая по стандартной методике оыстрота действия снижается в области малых давлений (см.рис 4 2а). Такой подход включен в стандарты европейских стран. Реальная S = f(p), построенная на основании данных измерения по стандартной методике,в некоторых информационных материалах дается пунктиром (см.рис.4.2а,в) Наличие идеально ровного участка (см.рис.4.2а,б,в) также является упрощением и идеализацией реальной зависимости S = f(p); для диффузионных насосов типично, например, увеличение быстроты действия в области наибольших рабочих давлений (см. рис. 4.2г)
Вне зависимости от особенностей стандартизованной измерительной камеры измеряемая быстрота действия диффузионных насосов асегда уменьшается в диапазоне малых давлений (см.рис 4 2а), поскольку при небольшом входном давлении поток, проходящий через потокомер, становится соизмерим с неизмеряемым потоком газовыделения и натекания, всегда имеющим место в любой вакуумной системе. Чем меньше давление, тем больше относительная доля такого потока, и, следовательно, меньше доля потока, регистрируемого потокомером.
В связи с этим для определения реальной быстроты действия в формулу (4.1) необходимо ввести поправку, учитывающую неизмеря*мый поток (поток, минующий потокомер). Величина неизмеряемого потока taao-выреления и натекания связана с реальной (или полной) быстротой действия Sp насоса и предельным давлением р0 (давлением, которое достигается в измерительной камере при отсутствии потока извне) простым выражением-
Ом = SpPc	U 3)
42 -
В свою очередь, измеряемый по известным методикам поток 0и (поток, проходящий через соответствующий клапан-натекатель потокомера) связан с входным давлением и быстротой действия аналогичным выражением
Q„ = S„p,	(4.4)
где р - входное давление в измерительной камере (то же, что и в формуле (4.1); 8И - быстрота действия, рассчитываемая по (4.1).
Учитывая, что откачиваемый насосом общий газовый поток складывается из потоков газовыделения и натекания и потока, специально подаваемого через клапан-натекатель, имеем
Q0 = <VQH
или	pSp = SHp + Spp0,	(4.6).
откуда находим выражение для определения реальной быстроты действия насоса
sp = -pV	С4'7)
в котором все величины определяют экспериментально в процессе испытаний. Вполне понятно, что при больших давлениях неизмеряемые потоки газовыделения и натекания значительно меньше измеряемых потокомером, и соответственно ошибки испытаний малы. В частности, требование предварительной откачки измерительной камеры до давления 0,1р, при котором будет измеряться поток (и соответственно определяться быстрота действия), свидетельствует о том, что неизмеряемый поток гаэовыде-ления и натекания меньше измеряемого потока, по крайней мере, в 10 раз.
4.3. Сравнение диффузионных насосов по предельному остаточному давлению.
Согласно ГОСТ 5197-85 /1/ предельное остаточное давление вакуумного насоса - давление, к которому асимптотически стремится давление в стандартизованном испытательном объеме без впуска газа и при нормально работающем насосе. В связи с этим' все устанавливаемые нормативными документами методики испытания насосов на определений предельного остаточного давления основаны на измерении давления в стандартизованной камере через определенные промежутки времени.
Предельное остаточное давление вакуумного•насоса
Pn = Qc/S	(4.8)
- 43 -
зависит от величины Q„ (суммарный поток газовыделения и натекания, имевшийся в измерительной камере). В свою очередь, величина Qc определяется большим числом факторов: десорбцией различных газов со стенок; испарением различных веществ, находящихся в испытательном объеме (воды, рабочей жидкости и продуктов ее разложения и т.п.); натеканием атмосферных газов извне через микротрещины и уплотнения; обратным потоком откачиваемого газа и т. п. В связи с этим значения пре дельного остаточного давления идентичных насосов, определяемые при испытаниях на одном и том же стандартном стенде,будут различными в зависимости от многих условий: степени обезгажиьания поверхностей, типа используемых уплотнений, вида рабочей жидкости, степени охлаждения маслоотражателя насоса и стенок насоса во входном канале, степени технологической подготовки камеры и входящих в нее элементов (промывка, очистка) и др. Эти условия в большей части не описываются в информационных материалах и не регламентируются в стандартах на методики испытаний. Следовательно, объективное сравнение технического уровня диффузионных насосов по предельному остаточному давлению только на основании литературных данных не представляется возможным.
Таким образом, проведенный анализ свидетельствует о том, что объективная оценка технического уровня высоковакуумных насосов зависит от используемой методики испытаний, достоверности и формы представления количественных характеристик в различных информационных материалах.
5. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ "ЧИСТОГО ВАКУУМА"
Проблема получения "чистого",или "безмасляного", вакуума является одной иэ наиболее актуальных для вакуумной науки и техники (см. подробно /13,19/). Наличие каких-либо веществ (загрязнений) в объеме откачиваемой камеры чрезвычайно вредно во многих исследова-вательских или промышленных системах: масс-спектрометрах, ускоритэ-лях элементарных частиц, установках для получения тонких пленок. Согласно данным многочисленных исследований, загрязнения в большей части создаются проникновением вакуумных масел - рабочих жидкостей -в откачиваемый объем. В отечественной литературе данное явление принято называть "обратным потоком"(ОП),или "обратной миграцией" (backstreaffilng.baoknigratlon), в немецкой - "обратным потоком масла"
- 44 -
COlruckslromung), во французской - "ретродиффузией", или "контрдиф-фузией" (retrodiffusion, contrediffusion)
В некоторых работах высказывается мнение, что в общем виде под ОП нужно понимать любой перенос вещества из системы откачки в вакуумную камеру В связи с этим ОП разделяют на "первичный" ОП, т. е. тот, который идет непосредственно из насоса, и "вторичный" ОП - который идет в вакуумную камеру после маслоотражателя и ловушки.
Принципиальная трудность в исследовании механизмов образования ОП заключается в определении относительного вклада каждого из источников в общий ОП, исходящий из входного сечения насоса. Возможными
источниками ОП в паромасляных насосах явдяртся сл'дующие Сем.рис.5.1):
вылет масла из пограничной зоны струи и верхней ступени (1), испарение масла с кромки сопел соответствующих ступеней С2,4, 53, испарение масла со стенки насоса (33, вылет масла из зоны кипятильника через зазор между корпусом насоса и паропроводом нижней ступени (63, проникновение паров масла из форвакуумного насоса до выхода паромасляного насоса на рабочий режим (73. Согласно экспериментальным данным, относительный вклад источников ОП
Рис. 5.1. Основные источники ОП
в паромасляном насосе
в общий ОП, величина которого
принимается за единицу, распределяется, как показано в табл. 5.1 (.измерения проводились при давлении 2,7.10*4 ПаЗ.
Таблица 5.1
Удельный вклад в ОП его основных источников в паромасляном ВН
Источник (рис. 5.13	1	2	3	4	5	6
Относительная интенсивность ОП	Незиач.	0,9	Иеанач.	6.10‘4	3.10”4	3.10"4
- 45 -
Определение приведенных выше величин проводилось весовым методом. Направленность ОП изучалась по соответствующей ориентации пластины во входном канале насос... Величина ОП монотонно увеличивается от сопла к стенке насоса; разница в величине ОП у стенки и непосредственно у охлаждаемого колпачка Смаслоотражателя) 100-крат-ная на расстоянии 1 см от плоскости входного сечения насоса и 10-кратная - на расстоянии 10 см от входного сечения насоса.
Интересное явление наблюдалось в рабочем режиме насоса - пульсация величины ОП. Его назвали "взрывным ОП".Измерения проводились с помощью масс-спектрометра Наблюдаемые всплески имели длительность 0,1 с, вклад их в интегральную величину ОП был очень мал. Наблюдаемый факт объясняется падением капель масляного конденсата с маслоотражателя в насос, что приводит к возмущению струи, истекающей из сопла.
Если говорить вообще о механизме загрязнения откачиваемого объема рабочими жидкостями, то помимо ОП нужно учитывать также испарение масла, например, с незахоложенных поверхностей конструктивных элементов системы. Удельный вклад этого источника загрязнений вакуумных систем мал относительно первичного ОП в силу относительно низкой летучести вакуумных масел, но велик по отношению ко вторичному ОП, например, за азотной ловушкой.
Вопреки распространенному мнению, величина ОП не снижается с уменьшением мощности нагревателя. Для каждого диффузионного насоса конкретной конструкции существует оптимальная мощность, подводимая для нагрева рабочей жидкости, соответствующая минимальному остаточному давлению при максимальной быстроте откачки и наименьшему ОП Это связывается с тем, что когда мощность увеличивается в некоторых пределах, повышается максимальная степень сжатия насоса, повышается энергия струй, исходящих из сопел, которые образуют как бы "паровую ловушку" для ОП.
При выборе режима работы паромасляного насоса с целью обеспечения минимального ОП необходимо учитывать зависимость ОП от впускного давления. Уменьшение впускного давления паромасляного насоса в диапазоне 10"Л . ю'^ Па не вызывает заметного изменения ОП, однако
О при давлениях больших чем 10 Па ОП уменьшается Наблюдаемая закономерность связывается с тем, что при таких давлениях поток откачиваемого газа достаточно плотный, чтобы заметная часть молекул отра
- 46 -
жалась в сторону насоса.
Известно, что величина ОП в паромасляном насосе в режимах его работы "пуск" и "останов" превышает величину ОП в рабочем режиме на 2...3 порядка. Имеется разные подходы к объяснению такого явления. Большая величина ОП в пусковой период связывается с тем, что при включении кипятильника разогрев его происходит не мгновенно, а в течение 10-20 минут, следовательно, некоторое время происходит истечение паров масла из сопел (особенно легколетучих фракций) с относительно малой скоростью. Такие неорганизованные в струю пары масла идут преимущественно "вверх", не достигая стенки насоса (не конденсируясь на ней). Кроме того, во время непосредствг -кого выхода паро-масляного насоса на рабочий режим давление в системе резко падает, что вполне вероятно приводит к взрывному вскипанию масла (которое оказывается как бы перегретым для таких давлений), в результате чего брызги масла из зазора кипятильника могут вылетать в сторону откачиваемого объема.
Величина ОП сильно зависит от рода рабочей жидкости (вакуумного масла). Сейчас находят применение синтетические жидкости типа поли-силоксанов и полиэфиров и минеральные продукты нефтепереработки.
Вакуумные масла имеют низкое парциальное давление порядка 10"6..10"® Па при 20°С и соответственно малую скорость испарения.
Если говорить отдельно о загрязнении вакуумной среды, определяемой испарением масла со стенок, то в табл. 5.2 представлены расчетные данные зависимости скорости испарения минерального вакуумного масла от температуры. •
Приведенные величины расчетные, а не экспериментальные, и если учитывать наличие в минеральных маслах легких фракций, особенно в маслах окисленных (после некоторого срока эксплуатации), то реальные величины скорости иопарения могут существенно отличаться от приве-
. Таблица 5.2 Расчетная скорость испарения вакуумного масла
Температура, °C	30	20	10	-20	-100	. -190
Скорость испарения, мг/( см1. ч)	2.10“2	4.10“3	10‘3	3. IO"6	6.10 ~17	1.10"79
ййнных в табл 5.2. Таким обраэом, испарение масла со стенок не вносит
- 47 -
заметного вклада в ОП,исходящий из насоса, хотя в вакуумных агрегатах с азотной ловушкой ОП, проходящий через нее (“вторичный 0П“), сравним с потоком испаряющегося со стенок вакуумного масла.
Существенным параметром рабочих жидкостей, заметно влияющим на величину первичного ОП, считается молекулярно-массовое распределение, которое особенно заметно у минеральных масел как сложной смеси различных природных продуктов и практически отсутствует у синтетических рабочих жидкостей, которые являются монопродуктами. Широкое молекулярно-массовое распределение минеральных масел затрудняет оптимизацию режима работы насоса, поскольку в данном случае рабочая жидкость представляет как бы смесь рабочих жидкостей с различными параметрами. Эти проблемы отсутствуют в случае применения синтетических рабочих жидкостей,что и обуславливает лучший режим работы паромасляного насоса и соответственно малые величины ОП в случае их применения
Следует также учитывать, что параметры рабочей жидкости изменяются по мере ее эксплуатации. Так, минеральные масла достаточно легко подвергаются термоокислительным превращениям, в результате чего увеличивается доля как легких (деструкция), так и тяжелых (полимеризация) фракций, что приводит к ухудшению эксплуационных характеристик вакуумного масла.
Подобные изменения происходят и в синтетических жидкостях, но их термоокислительная стойкость значительно выше; чем у минеральных, особенно высока стойкость у кремнийорганических жидкостей (полисилоксанов).
Рабочие жидкости с относительно малым молекулярным весом дают большие значения ОП, чем рабочие жидкости с относительно большим молекулярным весом. Самый низкий ОП получается в случае использования в паромасляных иаоосах полифениловых эфиров.
В то же время минимизация величины ОП не должна быть самоцелью й ряде практических задач может оказаться полезным использование относительно летучей рабочей жидкости (если даже с ней ОП относительно велик), так как ее конденсат на стенках откачиваемого объема легче удалить прогревом системы.
Отсюда можно сделать вывод, что если требуется минимум загрязнении поверхности, то ее температура должна быть относительно высокой, хотя это приведет к высоким парциальным давлениям загрязнений
- 48 -
Если же требуется именно низкое парциальное давление загрязнений (паров рабочей жидкости), то температуру поверхностей откачиваемого объема необходимо поддерживать достаточно низкой. В первом случае, очевидно, потребуется относительно летучая жидкость, во втором -относительно малолетучая.
На основании усреднения результатов ряда работ отмечается, что величина ОП в диффузионных паромасляных насосах составляет 0,1... 0,001"/. от количества пара, истекающего из сопла верхней ступе ни Усредненная величина ОП в области входного сечения составляет 1.. .5 мг/Ссм^.ч). При этом применение маслоотражателя уменьшает величину ОП в 10... 100 раз.
На основании этих данных можно оценить величину загрязнения масляным конденсатом поверхности, расположенной на входе паромасляного насоса. Так, величина 0П 1 мг/Ссм1. ч) образует масляную пленку толщиной порядка 1000 А за 1 мин. Если с помощью маслоотражателя умень шить величину ОП до 2.10*2 мг/Ссм1. ч), то это будет соответствовать уменьшению толщины пленки до 20 А/мин, Если эта жидкость будет осаждаться на поверхности рабочей камеры по площади,превосходящей площадь входного сечения в 20 раз, то скорость роста пленки масла будет 1 А/мин.
Отметим, что при использовании ловушек, согласно научным публикациям и рекламным проспектам, величина 0П для диффузионного насоса с азотной ловушкой ("вторичного 0П") будет значительно меньше -порядка 10*4... 10"° мг/Ссм’. ч).
Библиографический список
1.	ГОСТ 5197-85. Вакуумная техника. Термины и определения Ввел с 01.07.86. М.: Изд-во стандартов, 1986.
2.	Вакуумная техника: Справочник/Е. С. Фролов,В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова и др. ; Под общ. ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева. М.; Машиностроение, 1992. 480 с.
3.	Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума М : Мир, 1988 366 с.
4.	ПауэрБ. Д. Высоковакуумные откачные устройства. М Энер гия, 1969. 528 с.
5.	Эксплуатация вакуумного оборудования/В. И. Кузнецов и др М-
- 49 -
Энергия, 1978. 208 с.
6.	Данилин Б. С. , МинайчевВ.Е. Основы конструирования вакуумных систем. М.: Энергия, 1971. 392 с.
7.	МинайчевВ. Е. Крионасосы с газовыми холодильными машинами. М.; ЦИНТИХимнефтемаш, 1979. 65 с. (Обзор, информ. Сер. ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машиностроение").
8.	Криосорбционные средства вакуумной откачки/Л.С. Гуревич, А П. Крюков,С. Б. Нестеров, Г. Л. Саксаганский. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1991. 44 с. (Обзор информ. Сер. ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машистрое-ние”).
9.	СаксаганскийГ. Л. Современные турбомолекулярные и электрофизические насосы. М.;ЦИНТИХимнефтемаш,1981. 106 с. (Обзор.Информ. Сер.ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машиностроение").
10.	Комбинированные электроразрядные геттерно-ионные вакуумные насосы/ffl. А. Ахманов, М. Ш. Галимарданов,С. Д. Островка и др. М.; ЦИНТИХимнефтемаш, 1979. 38 с. (Обзор, информ. Сер. ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машиностроение").
И. Саксаганский Г. Л. Испарительные геттерные и ион-но-геттерные насосы. М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1988. 56 с. (Обзор, информ. Сер.ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машиностроение").
12.	С а к с а г а н с к и й Г. Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.
13.	Shapira F., Arbel A. A systematic approach Гог selecting pumping technology: Ultrahigh vacuum application//!, of Vac. Scince and Technol. 1987. №. P. 2526-2529.
14.	Arbel A.,Shapira Y. A decision framework for evaluating vacuum pumping technology//!, of Vac. Science and Technol.
1986 A4. P. 230-236.
15.	D u v a 1 P. Plasma Technology. Vol.2. High Vacuum Production in the Microelectronics Industry. Amsterdam: Elsevier, 1988 222 p.
16.	Heppel N. A. High vacuum pumping systems - An overview // Vacuum. 1987. V 37. P. 593-601.
17.	Weston G. F. Pumps for ultra-high vacuumz/Vacuum. 1978. V.28. P. 209-234.
18.	Hucknall D.!.,Goetz D.G. Turbomolecular pumpsz/Vacuum. 1987. V, 37. P. 615-620.
- 50 -
19.	Maurice L. , Duval P., Gorinas G. Oil backstreaming in turbo -molecular and oil diffusion pumps/zJ.of Vacuum Science and Technology. 1979. v. IS. P. 741-745.
20.	Edwards vacuum equipment. Catalogue of the Edwards High Vacuum Corporation. 1987.
21.	Balzers vacuum components: Catalogue, 1987.
22.	Alcatel. Techniques du Vide: Catalogue general, 1986.
23	КурашовВ. И. .Садыков К. С. .Шмелев И. Ф. Высоковакуумные струйные и турбомолекулярные насосы. Особенности вакуумных характеристик и проблема выбора//Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Общая и ялерная физика" 1988. Вып. 4(44). С. 19-26.
24.	Проблемы оценки технического уровня пароструйных вакуумных насосов / В.И Курашов, К. С. Садыков, В. Н. Кеменов, А. Н. Трошков //Хим. и нефт. машиностроение. 1990. Nil. С. 8-10.
25.	Обратные потоки рабочей жидкости в вакуумных паромаоляннх насосах/ В. В. Леонов, В. И. Куратов, Ф. Д. Путиловский, Л. А. Бурдакова // Вопросы атомной науки и техники.Сер.Общая и ядерная физика. 1983.
Вып. 1(30). С. 22-30
Приложение
Информационные издания по вакуумной технике
Журналы
Vacuum (United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland)
The Journal of Vacuum. Science and Technology (USA) Le Vide (France)
Pumpen Pumps Pompen
Vacuum Technik (Germany)(до 1990 года), с 1990 года -
Vacuum in der Praxis
Microelectronic Manufacturing and Testing
Materials Evaluation
Research and Development Magazine
Вакуумная техника и технология (Беларусь)
Обзорная информация
ЦИНТИХимнефтемаш.Серия ХМ-6 "Криогенное и вакуумное машиностроение" (до 1991 года)
ЦНИИЭлектроника Серия 4 "Электровакуумные и газоразрядные приборы"
- 51 -
Экспресс-информация
ЦИНТИХимнефтемаш.Серия ХМ-6"Криогенное и вакуумное машиностроение" (.до 1991 года!
ВИНИТИ. Контрольно-измерительная техника
ВИНИТИ. Электроника
ВИНИТИ. Вакуумная техника Сдо 1977 года) Реферативные журналы
РЖ 61. Насосостроение и компрессоростроение
РЖ 47 Химическое, нефтеперерабатывающее и полимерное машиностроение
Каталоги фирм-производителей
Ведущие производители вакуумного оборудования
Alcatel С 55 rue Edgar Quinet, 92240 Malakoff Cedex France )
Balzer Ag ( FL-9496 Balzers, Furstentum, Liechtenstein )
Edwards High Vacuum (Manor Royal,Crawley,West Sussex,RH10 2LW,Great Britain)
Leybold-Heraeus (Bonner Strasse 498, D-5000 Koln 51, Deutschland) Varian Vacuum Product.s Div (121 Hartwell Ave, Lexington,MA 02173) Ulvac Corp ( 10-3, 1-chome Kyobashi, Chuo-ku, Tokyo 104 или 300,Hakus an-cho,Midori-ku,Yokohama 220, Japan)
VAT (CH-9469 Haag, Suisse)
Riber (133 Bd National BP231, 92503 Rueil Cedex France)
А также следующие фирмы.-
Le Vide Industriel (Франция)
Sargent Welch Scientific (США)
Vacuum generators (Великобритания)
Spectramass (Великобритания)
High Vacuum Systems Inc. (Канада)
Pfeiffer Vacuumtechnic GmbH (Германия)
VTS Joachim Schwarz (Германия)
Dynavac PTY Ltd (Австралия)
Fuji Bellows Co (Япония)
Osaka Vacuum Ltd (Япония)
Offlcine Galileo (Италия)
Tel star (Испания)
Acmevac Pumps & Engineering P Ltd (Индия)
Microtorr Vacuum Systems P Ltd (Индия)