Вакуумные технологии


ФИЗТЕХОВСКИЙ УЧЕБНИК




Е.П. ШЕШИН

ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2009

   Е.П. Шешин
      Вакуумные технологии: Учебное пособие / Е.П. Шешин— Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. — 504 с.
      ISBN 978-5-91559-012-9

      Современную науку, технику, промышленность и даже медицину нельзя представить без применения вакуумных устройств и технологий, от упаковки продуктов до производства традиционных и новых материалов, создания научных приборов и телевизоров, источников света и интегральных схем.
      Учебно-справочное руководство посвящено в первую очередь инженерным вопросам создания, поддержания и измерения различных уровней вакуума для огромного множества практических задач. При этом даны и необходимые сведения научного характера, позволяющие понять критерии выбора технических решений, принципы работы приборов и установок, физические предпосылки для рационального применения материалов и использования новейшего оборудования.
      Подобное универсальное руководство создано впервые. Оно включает в себя примеры проектирования реальных вакуумных систем и справочные таблицы по характеристикам оборудования мировых и отечественных производителей.
      Для студентов и преподавателей инженерно-физических факультетов и технических университетов, инженеров-разработчиков и практиков.















   ISBN 978-5-91559-012-9      © 2009, Е.П. Шешин
                               © 2009, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

                ОГЛАВЛЕНИЕ












Предисловие................................................ 7

Глава 1 Принципы...................................................12
    1.1. Газовые законы....................................12
       1.1.1. Законы идеальных газов ......................12
       1.1.2. Испарение, конденсация, понятия «газ», «пар».16
       1.1.3. Тепловое движение молекул....................20
       1.1.4. Давление с точки зрения кинетической теории...21
    1.2. Свойства газов в зависимости от степени вакуума...26
       1.2.1. Средняя длина свободного пробега.............26
       1.2.2. Степени вакуума..............................30
       1.2.3. Соударения молекул и поток газа..............31
       1.2.4. Диффузия газов...............................34
       1.2.5. Теплопроводность и внутреннее трение газов ..36
    1.3. Основы процесса откачки............................43
       1.3.1. Быстрота откачки объема и быстрота действия насоса..............................................43
       1.3.2. Сопротивление и пропускная способность вакуумпровода .....................................46
       1.3.3. Основное уравнение вакуумной техники.........48
Глава 2
Элементы расчета вакуумных систем..........................50
    2.1. Вид течения газа и давление ......................50
    2.2. Пропускная способность отверстий .................53
       2.2.1. Молекулярный режим течения газа..............53
       2.2.2. Вязкостный режим течения газа................57
       2.2.3. Молекулярно-вязкостный режим течения газа....57
    2.3. Пропускная способность трубопроводов..............58
       2.3.1. Молекулярный режим течения газа..............60
       2.3.2. Вязкостный режим течения газа................69
    2.4. Течение в трубопроводах малого поперечного сечения.74
       2.4.1. Течение газа через капилляр..................74

-Цл Оглавление

    2.5. Расчет длительности откачки .......................75
       2.5.1. Обобщенная формула............................75
       2.5.2. Вакуумпровод с большой пропускной способностью.......................................76
       2.5.3. Вакуумпровод с малой пропускной способностью..78
    2.6. Согласование насосов, работающих последовательно...81

Глава 3
Техника получения вакуума...................................84
    3.1. Объемные вращательные механические насосы..........88
       3.1.1. Водокольцевые насосы..........................88
       3.1.2. Вращательные насосы с масляным уплотнением....90
       3.1.3. Вращательные механические безмасляные насосы.102
    3.2. Объемные возвратно-поступательные насосы..........121
       3.2.1. Диафрагменные насосы.........................121
    3.3. Турбомолекулярные насосы..........................123
    3.4. Пароструйные насосы ..............................129
       3.4.1. Эжекторные и бустерные насосы ...............130
       3.4.2. Диффузионные насосы..........................133
    3.5. Геттерные насосы..................................142
    3.6. Геттерно-ионные насосы............................145
    3.7. Магниторазрядные насосы...........................152
    3.8. Криогенные насосы.................................158
    3.9. Цеолитовые насосы.................................164

Глава 4
Техника измерения вакуума..................................171
    4.1. Вакуумметры.......................................171
       4.1.1. Абсолютные вакуумметры.......................173
       4.1.2. Емкостные манометры..........................177
       4.1.3. Тепловые вакуумметры.........................179
       4.1.4. Электронные ионизационные     вакуумметры....185
       4.1.5. Магнитные электроразрядные    вакуумметры....195
       4.1.6. Современные конструкции......................202
    4.2. Газоанализаторы...................................205
       4.2.1. Классификация анализаторов ..................205
       4.2.2. Статические масс-спектрометры с разделением ионов в магнитном поле............................209
       4.2.3. Циклоидальный масс-спектрометр (трохотрон)...211
       4.2.4. Времяпролетный масс-спектрометр (хронотрон) .213
       4.2.5. Резонансный радиочастотный масс-спектрометр (омегатрон).......................................216
       4.2.6. Квадрупольный и монополярный масс-спектрометры.................................218
       4.2.7. Радиочастотный масс-спектрометр (фарвитрон) .223

Оглавление -i\r 5

       4.2.8. Радиочастотный масс-спектрометр (топатрон) ...224
       4.2.9. Десорбционный спектрометр.....................226
    4.3. Измерение газовых потоков .........................227
       4.3.1. Методы измерения газовых потоков..............227
       4.3.2. Аппаратура измерения больших газовых потоков .233
       4.3.3. Автоматические системы регулирования газовых потоков...........................................237
    4.4. Течеискание........................................242
       4.4.1. Количественная оценка течи....................242
       4.4.2. Компрессионный метод..........................248
       4.4.3. Искровой течеискатель.........................249
       4.4.4. Манометрический метод.........................251
       4.4.5. Галоидный течеискатель........................253
       4.4.6. Гелиевый течеискатель.........................257
Глава 5
Элементы вакуумных систем.................................  266
    5.1. Вакуумные материалы................................267
       5.1.1. Металлы.......................................268
       5.1.2. Стекла........................................272
       5.1.3. Керамические материалы........................280
       5.1.4. Органические материалы........................283
    5.2. Неразъемные соединения ............................288
       5.2.1. Вакуумно-герметичная пайка....................288
       5.2.2. Сварные соединения ...........................299
       5.2.3. Элементы вакуумных систем.....................303
    5.3. Разъемные соединения...............................305
       5.3.1. Простейшие разъемные соединения...............305
       5.3.2. Соединения с эластомерными уплотнителями .....310
       5.3.3. Соединения с металлическими уплотнителями.....319
    5.4. Запорная арматура..................................329
       5.4.1. Требования, предъявляемые к запорной арматуре.329
       5.4.2. Запорная арматура вакуумных систем с давлением больше 5 ■ 10 ' мм рт. ст.........................331
       5.4.3. Запорная арматура вакуумных систем с давлением меньше 5 ■ 10 ' мм рт. ст.........................342
       5.4.4. Устройства аварийного перекрытия трубопроводов.....................................350
       5.4.5. Натекатели....................................355
    5.5. Смотровые окна.....................................358
    5.6. Электрические вакуумные вводы......................360
       5.6.1. Низковольтные вакуумные вводы.................361
       5.6.2. Высоковольтные вакуумные вводы ...............364
       5.6.3. Коаксиальные вводы ...........................365
    5.7. Передача движения в вакуум.........................365
       5.7.1. Вводы движения с сальниковыми уплотнителями ..367

—I Оглавление

           5.7.2. Вводы движения с гибкими элементами........369
           5.7.3. Передача движения через неподвижную перегородку 379
           5.7.4. Трение в вакууме ..........................382
        5.8. Ловушки.........................................388
           5.8.1. Основные требования к ловушкам.............388
           5.8.2. Ловушки без адсорбента ....................392
           5.8.3. Адсорбционные ловушки......................402
           5.8.4. Термосорбционные ловушки...................407
           5.8.5. Электрические ловушки......................410
    Глава 6
    Вакуумные системы........................................412
        6.1. Типовые схемы и последовательность запуска .....412
        6.2. Подготовка элементов вакуумной системы к сборке.429
        6.3. Монтаж вакуумной системы........................432
        6.4. Получение предельного разрежения в рабочем объеме. Проверка герметичности вакуумной системы ............437

    Глава 7
    Проблемы безопасности в вакуумной технике................441
        7.1. Основы вакуумной гигиены .......................441
        7.2. Электробезопасность в вакуумной технике.........445
        7.3. Другие виды безопасности........................452
           7.3.1. Вакуумная безопасность.....................452
           7.3.2. Термическая безопасность...................453
           7.3.3. Системы высокого давления .................454
        7.4. Основы производственной санитарии...............455

    Приложение 1
    Данные о некоторых отечественных и зарубежных фирмах.....458
    Приложение 2
    Условные графические обозначения элементов вакуумных систем...460
    Приложение 3
    Условные графические обозначения.........................468
    Приложение 4
    Русско-английский словарь основных терминов вакуумной техники.472
    Приложение 5
    Англо-русский словарь основных терминов вакуумной техники.....487

    Литература...............................................502

                ПРЕДИСЛОВИЕ










           Развитие нанотехнологий, разработка новых технологических процессов, обеспечивающих техническое перевооружение основных отраслей производства, тесно связаны с вакуумной техникой.
   Новейшие технологические разработки непосредственно связаны с использованием вакуумных установок, например таких, как электронно-лучевой литограф, растровый электронный микроскоп, установки для выращивания кристаллов и т. д.
   Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы, сплавы, специальные покрытия изготавливаются в вакууме. Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой можно осуществить электрохимические и электрофизические процессы при изготовлении изделий микроэлектроники.
   Экспериментальные и технологические исследования испарения и конденсации, поверхностных явлений, некоторых тепловых процессов, низких температур, ядерных и термоядерных реакций осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент современной ядерной физики — ускоритель заряженных частиц — немыслим без вакуума. Вакуумные системы применяются в химии для изучения свойств чистых веществ, состава и разделения компонентов смесей, скоростей химических реакций.
   Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, но с начала прошлого века и до сих пор наиболее важным его применением остается электронная техника. В электрова

-'\r Предисловие

куумных приборах вакуум является конструктивным элементом и обязательным условием их функционирования в течение всего срока службы. Низкий и средний вакуум используется в осветительных приборах и газоразрядных устройствах, высокий вакуум — в приемно-усилительных и генераторных лампах. Наиболее строгие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых приборов и сверхвысокочастотных приборов. Для работы полупроводникового прибора вакуум не требуется, но в процессе его изготовления широко используется вакуумная технология. Особенно активно вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.
       В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождают их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. В производстве высококачественных сталей широко применяется вакуумирование. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, является одним из основных технологических процессов порошковой металлургии. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках. Сплавы с любым соотношением компонентов могут быть получены методами вакуумной молекулярной эпитаксии. Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира получают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения материалов с сильно различающимися температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т. д. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме.

Предисловие           9

       В машиностроении вакуум применяется при исследованиях процессов схватывания материалов и сухого трения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и износостойких покрытий на детали машин, захвата и транспортирования деталей в автоматах и автоматических линиях.
       Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные аппараты при выпуске синтетических волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей. Вакуум-фильтры используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются кристаллизационные вакуумные аппараты.
       В электротехнической промышленности вакуумная пропитка как самый экономичный метод широко распространена в производстве трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов и кабелей. Повышаются срок службы и надежность при работе в вакууме переключающих электрических аппаратов.
       Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на вакуумное алюминирование. Просветленная оптика, защитные слои и интерференционные фильтры получаются напылением тонких слоев в вакууме.
       В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием. Расфасовка скоропортящихся продуктов, осуществляемая в вакууме, удлиняет сроки хранения фруктов и овощей. Вакуумное выпаривание применяется при производстве сахара, опреснении морской воды, солеварении. В сельском хозяйстве широко распространены вакуумные доильные аппараты. В быту пылесос стал нашим незаменимым помощником.
       На транспорте вакуум используется для подачи топлива в карбюраторах, в вакуумных усилителях тормозных систем автомобилей. Имитация космического пространства в условиях земной атмосферы необходима для испытаний искусственных спутников и ракет.

-'\r Предисловие

       В медицине вакуум применяется для сохранения гормонов, лечебных сывороток, витаминов, при получении антибиотиков, анатомических и бактериологических препаратов.
       Из всего вышесказанного следует, что диапазон востребованности вакуумных технологий чрезвычайно широк. Промышленность, как отечественная, так и зарубежная, выпускает широкий круг компонентов, на основе которых можно собрать почти любую необходимую вакуумную систему.
       Основная цель этой книги — помощь специалистам в разных отраслях техники грамотно сформулировать требования к вакуумным устройствам и выбрать наиболее эффективную и дешевую конструкцию требуемой вакуумной системы. Это условие вытекает из простого факта, что предприятиям, продающим вакуумные компоненты, выгоднее продавать гораздо более дорогие компоненты, нежели те, которые необходимы для достижения поставленных целей.
       Поэтому книга начинается кратким изложением на упрощенном уровне принципов процесса откачки и элементов расчета вакуумных систем.
       Основой вакуумной техники являются средства откачки, поэтому им отведено в книге значительное место. Приведены правила подготовки к эксплуатации и дальнейшего обслуживания вакуумных насосов. Этому предпослано краткое описание принципов действия и физических процессов, обусловливающих работу насосов. На этой основе даются рекомендации по эксплуатации, выполнение которых обеспечит поддержание оптимальных характеристик средств откачки и оборудования. Указывается диапазон возможных изменений основных вакуумных характеристик насосов в зависимости от режима работы и условий эксплуатации. В дальнейшем в такой же последовательности сообщаются общие сведения о средствах измерения давления и газовых потоков, описываются наиболее употребительные в вакуумной технике приемы и методы отыскания течей и контроля герметичности.
       Особое внимание уделено элементам вакуумных систем — неразъемным и разъемным соединениям, клапанам, смотровым окнам, вводам электрических соединений и передаче движения в вакуум, а также материалам, применяемым в ва

Предисловие          11

    куумной технике. Все это необходимо для правильного выбора вакуумной системы, основные принципы построения которых приведены в гл. 4. Там же можно достаточно детально ознакомиться с правилами и последовательностью монтажа и подготовки вакуумной системы к эксплуатации. Также приведены единые требования вакуумной гигиены, правил техники безопасности, которых следует придерживаться при эксплуатации вакуумного оборудования.
       В приложениях представлены данные о фирмах, производящих и продающих различные элементы вакуумных систем, а также условные графические изображения элементов, русско-английский и англо-русский словари. Все это, как можно надеяться, окажется полезным читателям.
       Автор выражает глубокую признательность авторам, материалы которых были использованы при составлении этой книги.
       Особую благодарность выражаю инженеру кафедры вакуумной электроники Московского физико-технического института Т.В. Барсуковой за помощь в оформлении книги.
       Поскольку данная книга является первой работой подобного рода, она не лишена недостатков. Автор будет признателен всем, кто пришлет свои замечания и рекомендации в адрес издательства.

ГЛАВА





                ПРИНЦИПЫ





1

1.1.    ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ


1.1.1.     Законы идеальных газов

           Состояние газа определяется тремя параметрами: давлением, объемом и температурой. Для решения многих задач, возникающих при изучении газов, удобно пользоваться понятием об идеальном газе и уравнением, связывающим все три параметра состояния и массу газа.
   Идеальными принято считать такие газы, у которых:
   1)     молекулы можно представить как упругие материальные частицы;
   2)     взаимодействие между молекулами ограничивается упругими столкновениями;
   3)     пространство, занимаемое молекулами, ничтожно мало по сравнению с пространством, свободным от молекул.
   Реальные газы тем сильнее отличаются от идеальных, чем больше их плотность и ниже температура; наоборот, разреженные газы, с которыми в основном имеет дело вакуумная техника, по своим свойствам очень мало отличаются от идеальных.
   Поэтому мы будем пользоваться уравнением состояния без всяких поправок:


Nm _ pV = —RT, Р М


(1.1)

где р — давление; V — объем; Т — абсолютная температура; N — число молекул; m — масса одной молекулы; М — масса

1.1. Газовые законы -i\r 13

молекулы в единицах атомного веса, т. е. число, равное его молекулярному весу; если согласно международной системе единиц (СИ) за единицу массы взят килограмм, то М называется килограмм-молекулой или киломолем газа (кмоль); R — газовая постоянная.
    К уравнению (1.1) полезно сделать следующие замечания.
    1.    Произведение Nm выражает собой массу всего газа; если ее выразить в килограммах, то отношение Nm/М показывает, сколько всего взято киломолей газа.
    2.   Если газ взят в количестве одного киломоля, то Nm/М = 1 и уравнение (1.1) принимает более простой вид: pV = RT.
    3.    Число молекул в одном киломоле, очевидно, равно N = М/m = N^; оно называется числом Авогадро; это число постоянно для любого вещества и равно 6,02 • 10²⁶ кмоль '. Постоянство значения N^ следует хотя бы из тех соображений, что Мчисленно равно молекулярному весу вещества, т. е. массе одной молекулы в единицах атомного веса, а m есть масса той же молекулы, но только в других единицах — килограммах.
    4.    Пользуясь числом Авогадро, уравнение (1.1) можно представить в виде:

PV= NkT,                    (1.2)

где k = R/N^ называется молекулярной газовой постоянной, или постоянной Больцмана.
    5.    Если в уравнениях (1.1) и (1.2) все величины выражены в единицах СИ, то газовые постоянные независимо от рода газа имеют значения:

R = 8,314 • 10³ [Дж/град • кмоль];

k = 1,38 • 10 ²³ [Дж/град].

    6.    Единицей давления служит: в системе СИ — Н/м² (ньютон на квадратный метр, или паскаль (Па)); в системе СГС — дин/см² (дина на квадратный сантиметр, или микробар). Практической, внесистемной единицей давления газа является миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). В вакуумной технике единица давления газа «миллиметр ртутного столба» носит также название «Тор» (в честь итальянского физика Торричелли).

Л

Глава 1. Принципы

   Между различными единицами давления имеются определенные соотношения, которые полезно записать в виде табл. 1.1.
   Уравнение состояния идеальных газов объединяет в себе газовые законы, известные из экспериментальной физики.
   Закон Бойля-Мариотта. При постоянной массе Nm и температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:

pV = const.                (1.3)

   В более общем случае, когда постоянной остается только температура, а количество газа меняется, можно написать:

pV = const Nm,               (1.4)

т. е. произведение давления газа на его объем при неизменной температуре прямо пропорционально массе газа. Отсюда следует, что величиной pV вполне определяется количество газа, если его температура остается неизменной.
   При решении многих практических задач вакуумной техники бывает удобно количество газа выражать именно в еди-ницахрИ [(Н/м²) • м³ = Н • м, мм рт. ст. • см³] и т. п.
   Из уравнений (1.4) и (1.1) следует, что

RT Nm RT Р ~ М ' V ~ м р
где р = Nm/ V — плотность газа; таким образом, при постоянной температуре давление газа пропорционально его плотности.
   Кроме понятия о плотности газа р как о массе в единице объема, полезно ввести понятие о молекулярной концентрации газа N₁ = N/ Vкак о количестве молекул в единице объема. Так как N₁ m = р, то при постоянной температуре давление пропорционально также и молекулярной концентрации газа.
   Закон Гей-Люссака. При постоянной массе Nm и давлении р объем газа пропорционален его абсолютной температуре:


V= const Т.


(1.5)