Вакуумное оборудование плазменных

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю

Зав. кафедрой ВЭПТ

В.П. Кривобоков

« » 2013 г.

А.В. Юрьева

Вакуумное оборудование плазменных

И ускорительных систем

Методические указания к выполнению

лабораторных работ по курсу

«Вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем»

для студентов, обучающихся по направлению 011200 «Физика»,

223200 «Техническая физика»

Томск 2013

Лабораторная работа №1 «Изучение вакуумной системы»

Цель работы:изучение вакуумной системы установки и работы вакуумных насосов.

Теоретические основы

Вакуумом (от лат. Vacuum – пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в системе СИ служит Паскаль (1 Па). В практике вакуумных измерений широко используется другая внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133 Па).

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины свободного пробега λ к характерному (определяющему) линейному размеру сосуда.

Это отношение называется числом Кнудсена Кn и оно положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий:

Низкий вакуум характеризуется давлением газа при котором средняя длина свободного пробега молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда λ << L .

Низкому вакууму обычно соответствует область давлений 760 ÷ 1 мм.рт.ст.

Средний вакуум: характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пробега соизмерима с линейным размером сосуда (λ ≈ L). Область давлений 1 ÷ 10−3 мм.рт.ст.

Высокий вакуум: средняя длина свободного пробега много больше линейных размеров (λ >> L). Область давлений 10−3 ÷ 10−7 мм.рт.ст.).

Сверхвысокий вакуум: характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Обычно этому соответствует область давлений меньше 10−7 мм.рт.ст.

Вакуумная система – совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов.

Элемент вакуумной системы – прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе.

Откачка – уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств, удаляющих или поглощающих газ.

Остаточный газ – газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки.

Разреженный газ – газ, молекулярная концентрация которого меньше его концентрации при нормальных условиях.

Форвакуум– предварительный вакуум (до 0,1 Па), создаваемый насосом более низкого вакуума перед подключением высоковакуумного насоса.

Вакуумный насос – устройство, предназначенное для создания, повышения и (или) поддержания вакуума.

Вакуумный насос предварительного разрежения (форвакуумный насос) – вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме или откачной системе от атмосферного давления до значения, при котором может начать работу другая откачная система или вакуумный насос.

Низковакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный для получения давления в откачиваемом объеме в диапазоне от 105 до 0,1 Па.

Высоковакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный для получения давления в откачиваемом объеме менее 0,1 Па.

Манометр – прибор для измерения давлений или разности давлений.

Вакуумметр– манометр для измерения давления разреженного газа или пара.

Термопарный вакуумметр – тепловой вакуумметр полного давления, в котором использована зависимость электродвижущей силы термопары от измеряемого давления.

Ионизационный вакуумметр – вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.

Ловушка– устройство, в котором парциальное давление компонентов газопаровой смеси понижается механическим, физическим или химическим способом, и уменьшается проникновение паров или газов из одной части откачной системы в другую.

Задание

  • изучить вакуумную систему установки;
  • нарисовать схему вакуумной системы;
  • расписать последовательность получения высокого вакуума.

Теоретические основы

Быстротой откачки объема или эффективной быстротой от­качки So называется объем газа, поступающий в единицу времени из сосуда в трубопровод при данном давлении Р в откачиваемом объеме. По определению Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru , при данном давлении Р в сосуде.

Быстротой дейст­вия вакуумного насоса SH при данном впускном давлении Рн на­зывается объем газа, поступающий в работающий насос в едини­цу времени при этом давлении. Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

По аналогии с S0 и SН можно говорить, что быстрота дейст­вия откачки вакуумной системы в любом сечении трубопровода Si = dVi/ dt при давлении Рi причем dVi, — объем газа, проходя­щий через сечение трубопровода за промежуток времени dt и из­меряемый при том же давлении Рi.

Поскольку в вакуумной системе отсутствуют натекания и газовыделение, то количество газа Qi протекающего в единицу времени в любом сечении трубопровода, может быть определено как произведение давления Рi в этом сечении на объем газа Si проходящего через него в единицу времени:

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

Это количество газа принято называть потоком газа в дан­ном сечении трубопровода. Обычно поток газа измеряется в сле­дующих единицах: pV/t = м3Па/с

Поток газа, протекающий во входном сечении вакуумного насоса, QH называется производительностью насоса при данном впускном давлении Pн.

Так как во всех сечениях трубопровода, соединяющего от­качиваемый сосуд с насосом, поток газа Qi одинаков, то можно записать:

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

При расчетах ваку­умных систем чаще пользуются величиной проводимости трубо­провода U:

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru .

Проводимость U измеряется обычно в м3/с или л/с. Тогда для любой разности давлений (р12) поток определится как: Q=U(p1-p2).

Установим взаимосвязь между тремя параметрами вакуум­ной системы: S0, SH и U. Из уравнения (1) получаем: S0=Q/p1, SH=Q/p2

Получаем основное уравнение вакуумной техники: Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

Введем в основное уравнение коэффициент использования насоса Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

Задание

  • произвести откачку вакуумной системы до низкого вакуума;
  • снять зависимость термопарного вакуумметра от времени работы пластинчато-роторного насоса с момента его включения. Отсчет давления производится через равные промежутки давления (0,5 мВ). Откачку проводить до значения 9мВ;
  • произвести замену трубопровода низковакуумной системы. Снять зависимость Р(t) как в предыдущем задании;
  • построить зависимость давления в камере от времени откачки низковакуумным насосом для разной длины трубопровода.
  • определить режимы течения газов при работе насоса и рассчитать проводимость трубопровода при этих режимах.
  • определить эффективную скорость откачки и коэффициенты использования насоса при разной длине трубопровода.

Результаты работы представить в виде таблиц

Таблица 1

P, мВ Р, Па t (L1), с t (L2), с
       

Таблица 2

  Длина трубопровода, м Режимы течения газа Проводимость (м3/с) Эффективная быстрота откачки (м3/с) Коэффициент использования насоса
НВР -5ДМ          
         

Диффузионный насос

Диффузионный насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума, т.е. при давлениях 10−3 мм.рт.ст. ÷10−7 мм.рт.ст. и ниже. Диффузионные насосы применяются совместно с механическими вакуумными насосами с масляным уплотнением.

Чтобы диффузионный насос мог действовать, требуется предварительный вакуум порядка 10-2 мм рт. ст., что и обеспечивается форвакуумным насосом.

При таком вакууме средний свободный пробег молекулы газа уже достаточно велик для того, чтобы происходила диффузия газа в струю пара и молекулы пара могли без столкновений достигать холодных стенок насоса и конденсироваться.

Схема устройства паромасляного диффузионного насоса, наиболее распространенного в настоящее время, показана на рисунке 1.

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

На дне сосуда, обычно металлического, находится испаряющаяся жидкость.

Испарение ее обеспечивается электрическими нагревателями. Откачиваемый объем присоединяется к верхнему концу насоса, а его выхлопной патрубок – к входной трубе форвакуумного насоса. После того как форвакуумный насос создал нужное давление в насосе и откачиваемом объеме, включается нагреватель и жидкость интенсивно испаряться.

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru Пар поднимается по трубе, помещенной над жидкостью, с большой скоростью выбрасывается из сопла, которым заканчивается труба, а затем конденсируется на стенках и стекает вниз на дно сосуда. Стенки сосуда окружены <<рубашкой>>, внутри которой протекает вода. Нагреватель и холодильник насоса обеспечивают, таким образом, непрерывную циркуляцию пара.

Молекулы откачиваемого газа, поступающие из рабочего объема, увлекаются струей пара, выбрасываемого из сопла, переносятся в нижнею часть насоса, где они попадают в патрубок и удаляются форвакуумными насосом в атмосферу.

Основное значение струи пара сводится к тому, чтобы передать часть своего импульса (кол-во движения) молекулам откачиваемого газа и направить их вниз к выхлопной трубе. Давление газа на выхлопе высоковакуумного насоса равно, очевидно, давлению, создаваемому форвакуумным насосом.

Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют ряд особенностей, связанных с использованием в качестве рабочей жидкости масла. Это прежде всего устройства обеспечивающие фракционирование (т.е. разделение на фракции) неоднородных масел, причем тяжелые фракции (с низким давлением насыщающего пара направляются в сопло первой (высоковакуумной) ступени, им обеспечивается низкое предельное остаточное давление и высокое быстродействие насоса в целом, а легкие фракции (с высоким давлением насыщающего пара) направляются в сопло последней ступени, обеспечивая высокое выпускное давление. Фракционирование масла, стекающего в кипятильник по стенкам корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец, удлиняющих путь масла до центральной зоны. Легкие фракции успевают испариться на переферии, а более тяжелые в центре, где они испаряются в сопло первой ступени. Предельное остаточное давление пароструйного диффузионного насоса в значительной мере определяется качеством фракционирования и содержанием газа в масле.

При рабочих давления диффузионных насосов, длина свободного пробега молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса. При тепловом движении молекулы газа направляются к паровой струе. Механизм удаления газа в диффузионных насосах обусловлен диффузионными процессами. Под действием разности концентраций газа над паровой струей и в струе (концентрация газа в струе вблизи сопла пренебрежительно мала) происходит диффузия газа в струю. Попав в струю молекулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового потока и уносятся вместе со струей к охлаждаемой стенке корпуса насоса, при этом пар конденсируется, а газ, сжатый в струе до выпускного давления ступени перетекает вдоль стенки на выход насоса. Наряду с прямой диффузией газа происходит и обратная диффузия, однако при оптимальных режимах работы она несоизмеримо мала, хотя в некоторых случаях, например, при откачке легких газов существенно влияет на характеристики насоса.

Задание

  • получить предварительный вакуум, достаточный для запуска высоковакуумного насоса;
  • после открывания высоковакуумного затвора снять зависимость показаний ионизационной части вакуумметра от времени работы диффузионного насоса. Отсчет давления проводить через равные промежутки давления (1мА для диапазона давлений до 2*10-7 мА и 0.2 мА после 2*10-7 мА). Откачку производить до давления 10-7 мА. Построить зависимость P(t);
  • зафиксировать диапазон (начальное и конечное) давления при работе пластинчато-роторного и диффузионного насосов. Измерить геометрические размеры трубопроводов.
  • Определить режим течения газа при работе диффузионного насос, рассчитать проводимость трубопроводов, эффективную скорость откачки системы и коэффициент использования насоса.

Результаты работы представить в виде таблиц

Таблица 1

Время откачки (сек) Давление (мА) Давление (Па)
     
     
     
     
     

Таблица 2

  Длина трубопровода, м Режимы течения газа Проводимость (м3/с) Эффективная быстрота откачки (м3/с) Коэффициент использования насоса
НВДМ-100          

Порядок выполнения работы

Подготовка к работе

· Проверить внешнее состояние токоведущих проводов, кабельного канала и убедиться в отсутствии повреждений и надлежащем расположении.

· Проверить положение тумблеров панели управления 6 рис.6 (должны находиться в среднем или нижнем положении).

· Проверить положение ручного вакуумного клапана (должен находиться в закрытом положении).

· Проверить положение вакуумного затвора VT (тумблер VT рис.6 должен находиться в положении «Закрыт»).

· Клапаны VE1, VE2, VP, VM1, VM2 (п.6 рис.6) должны находиться в положении «Закрыт»). О чем также свидетельствует красный цвет соответствующих индикаторных ламп на панели 5 рис.6.

Выключение установки

Выключение установки производится в обратном порядке.

· Закрыть клапан VM1 установив тумблер VM1 (рис.6) в положении «Закрыт». При этом на панели 5 (рис.6) должна загореться соответствующая (VM1) индикаторная лампа красного цвета.

· Открыть клапан VE1 установив тумблер VE1 (рис.6) в положении «Открыт» При этом на панели 5 (рис.6) должна загореться соответствующая (VE1) индикаторная лампа зеленого цвета.

· Выключить двухроторный вакуумный насос NZ кнопкой «СТОП NZ» на панели 5 (рис.6).

· Выключить форвакуумный насос NL кнопкой «СТОП NL».

· Выключить вакуумметр ВИТ-3 (п.1 рис.6).

· Убрать напряжение с установки выключив тумблер «380 В 50 Гц» на панели 7 (рис.6).

· Закрыть общий вентиль подачи воды на установку.

Порядок выполнения работы

Подготовка к работе

· Проверить внешнее состояние токоведущих проводов, кабельного канала и убедиться в отсутствии повреждений и надлежащем расположении.

· Проверить положение тумблеров панели управления 6 рис.4 (должны находиться в среднем или нижнем положении).

· Проверить положение ручного вакуумного клапана (должен находиться в закрытом положении).

· Проверить положение вакуумного затвора VT (тумблер VT рис.4 должен находиться в положении «Закрыт»).

· Клапаны VE1, VE2, VP, VM1, VM2 (п.6 рис.4) должны находиться в положении «Закрыт»). О чем также свидетельствует красный цвет соответствующих индикаторных ламп на панели 5 рис.4.

Выключение установки

Выключение установки производится в обратном порядке.

· Закрыть затвор VT установив тумблер VT (рис.4) в положении «Закрыт». При этом на панели 5 (рис.4) должна загореться соответствующая (VT) индикаторная лампа красного цвета.

· Открыть клапан VE1 установив тумблер VE1 (рис.4) в положении «Открыт» При этом на панели 5 (рис.4) должна загореться соответствующая (VE1) индикаторная лампа зеленого цвета.

· Выключить диффузионный насос ND кнопкой «СТОП ND» на панели 5 (рис.4). Охлаждение диффузионного насоса займет примерно 40÷45 мин.

· Открыть клапан VM2 установив тумблер VM2 (рис.4) в положении «Открыт» При этом на панели 5 (рис.4) должна загореться соответствующая (VM2) индикаторная лампа зеленого цвета.

· Выключить двухроторный вакуумный насос NZ кнопкой «СТОП NZ» на панели 5 (рис.4).

· Выключить форвакуумный насос NL кнопкой «СТОП NL».

· Выключить вакуумметр ВИТ-3 (п.1 рис.4).

· Убрать напряжение с установки выключив тумблер «380 В 50 Гц» на панели 7 (рис.4).

· Закрыть вентиль подачи воды на диффузионный насос.

· Закрыть общий вентиль подачи воды на установку.

Приложение А

Вакуумное оборудование плазменных - student2.ru

Таблица А.1

ДВН - 50 Н - 250
Быстрота действия насоса, м3 0,05 Быстрота действия насоса, м3 2,15
Вспомогательная линия d, см 7,3 Основная линия d, см
L, см L, см

Отчет по лабораторной работе студента должен включать:

- титульный лист;

- цели выполнения лабораторной работы;

-схема установки и описание её работы;

- результаты работы (таблицы, графики, расчет);

- обсуждение результатов выполнения лабораторной работы в виде кратких доказательств и выводов.

Оформление текста отчета выполняется в соответствии с общими требованиями СТО ТПУ 2.5.01-2006. Титульный лист отчёта приведён ниже.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт – Физико-технический

Кафедра – водородной энергетики и плазменных технологий

Направление –

Название работы

Отчет по лабораторной работе №__

по дисциплине «Вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем»

Студент гр. ________________________   И.О. Фамилия
  (подпись)    
  ________________________    
  (дата)        
Руководитель      
ассистент кафедры ВЭПТ ________________________   А.В. Юрьева
должность (подпись)    
  ________________________    
  (дата)    

Томск 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю

Зав. кафедрой ВЭПТ

В.П. Кривобоков

« » 2013 г.

А.В. Юрьева

Вакуумное оборудование плазменных

И ускорительных систем

Методические указания к выполнению

лабораторных работ по курсу

«Вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем»

для студентов, обучающихся по направлению 011200 «Физика»,

223200 «Техническая физика»

Томск 2013


Наши рекомендации