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 
, 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. 
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:
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:
При расчетах вакуумных систем чаще пользуются величиной проводимости трубопровода U:
.
Проводимость U измеряется обычно в м3/с или л/с. Тогда для любой разности давлений (р1-р2) 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: 
Введем в основное уравнение коэффициент использования насоса 
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.
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.
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
Таблица А.1
| ДВН - 50 | Н - 250 | ||||
| Быстрота действия насоса, м3/с | 0,05 | Быстрота действия насоса, м3/с | 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