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 S_o 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 S_H при данном впускном давлении Р_н на­зывается объем газа, поступающий в работающий насос в едини­цу времени при этом давлении.

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

Поскольку в вакуумной системе отсутствуют натекания и газовыделение, то количество газа Q_i протекающего в единицу времени в любом сечении трубопровода, может быть определено как произведение давления Р_i в этом сечении на объем газа S_i 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, Q_H называется производительностью насоса при данном впускном давлении P_н.

Так как во всех сечениях трубопровода, соединяющего от­качиваемый сосуд с насосом, поток газа Q_i 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, S_H и U. Из уравнения (1) получаем: S₀=Q/p₁, S_H=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