Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вакуумные системы современного технологического и физико-аналитического оборудования электронной техники на основе турбомолекулярных насосов
1.1 Общая характеристика. 9
1.2 Вакуумно-термическая обработка приборов вакуумной электроники с использованием высоковакуумных турбомолекулярных насосов. 10
1.3 Оборудование ионной имплантации. 13
1.4 Оборудование для осаждения плёнок из сепарированных ионных потоков . 16
1.5 Оборудование для осаждения плёнок методом ионного распыления. 17
1.6 Физико-аналитическое оборудование электронной техники. 19
1.7 Магистрально-модульный комплекс сверхвысоковакуумной лучевой технологии. 21
1.8 Масс-спектрометрический гелиевый течеискатель на основе турбомолекулярного насоса. 22
Выводы по главе 1. 25
Глава 2. Анализ работ по исследованиям и разработке турбомолекулярных насосов
.2.1 Обзор теоретических и прикладных вопросов создания турбомолекулярных насосов. 26
2.2 Классификация турбомолекулярных насосов по конструктивному выполнению их основных узлов . 49
2.3 Ступени турбомолекулярных насосов. 52
2.4 Возникновение откачивающего действия у движущихся и неподвижных наклонных каналов ступеней турбомолекулярных насосов. 55
2.5 Оценка прочности роторных ступеней турбомолекулярных насосов. 58
2.6 Обсуждение работ по теоретическим и прикладным вопросам создания турбомолекулярных насосов. 68
Выводы по главе 2. 70
Глава 3. Вопросы теории, расчёта и конструирования турбомолекулярных насосов
3.1 Графоаналитическая модель переноса молекул газа через каналы, роторной ступени турбомолекулярного насоса. 71
3.2 Метод расчёта вакуумных характеристик проточной части ТМН без учёта потоков газовыделений с её рабочих поверхностей. 79
3.3 Анализ закономерностей процесса откачки газа турбомолекулярным насосом. 86
3.4 Быстрота действия ТМН по смеси газов. 96
Выводы по главе 3. 98
Глава 4. Расчёт проточной части ТМН.4.1 Принцип оптимизации вакуумных параметров ТМН . 99
4.2 Методика расчёта оптимальной проточной части ТМН. 103
4.3 Исследование вакуумных характеристик ТМН для различных условий работы . 111
Выводы по главе 4. 123
Глава 5. Экспериментальные исследования турбомолекулярныхвысоковакуумных насосов
5.1. Становление и развитие методов экспериментальных исследований 124
5.2 Методика испытаний вакуумных характеристик ТМН. 134
5.3 Экспериментальное оборудование. Результаты испытаний. 139
5.4 Оценка точности и воспроизводимости измеренных величин. 152
5.5 Получение безмасляного вакуума при помощи ТМН, имеющего масляные опоры вращения роторных ступеней, и масляный форвакуумний насос. 155
Выводы по главе 5. 164
Заключение. 165
Список литературы. 167
- Оборудование для осаждения плёнок из сепарированных ионных потоков
- Классификация турбомолекулярных насосов по конструктивному выполнению их основных узлов
- Метод расчёта вакуумных характеристик проточной части ТМН без учёта потоков газовыделений с её рабочих поверхностей.
- Исследование вакуумных характеристик ТМН для различных условий работы
Введение к работе
Вторая половина XX в. была ознаменована ускоренным развитием отечественной науки, техники и производства в наиболее важных для страны направлениях, среди которых особое место принадлежало электронной технике.
Трудно назвать в настоящее время какую-либо другую отрасль техники, которая по наукоёмкости, диапазону используемых физических процессов и технических принципов может сравниться с электроникой.
Особая роль в развитии электронных технологий принадлежит вакуумной технике, которая используется и как рабочая среда электровакуумных приборов различного назначения, и как средство для осуществления сложнейших физико-технологических процессов современной твердотельной электроники, протекающих в высоком и сверхвысоком вакууме на молекулярном и атомном уровне с использованием энергетических потоков электронов, ионов, плазмы, нейтральных атомов и др.
Эти процессы широко используются для осаждения покрытий из молекулярных и сепарированных ионных пучков, размерной обработки остросфокусированными потоками электронов и ионов, ионного легирования, выращивания сверхтонких структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии и других процессов.
На этом этапе динамка уменьшения линейных размеров элементов микросхем являлась приоритетной и была реализована на высоком технологическом и аппаратном уровне [1-12].
Создание элементов интегральных схем с размерами порядка единиц и десятков нанометров потребовало качественного изменения традиционной электроники и перевода ее в область наноэлектроники. Реализация новых технологических процессов наноэлектроники, включающих совокупность методов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе элементов, состоящих из отдельных атомов и молекул, потребовала создания нового класса сверхвысоковакуумного технологического и физико-аналитического оборудования.
Нанотехнология стала одним из важных достижений последнего времени современной науки, техники и технологии, и стимулировала дальнейшее развитие высоких технологий производства различных изделий электронной техники. Нанотехнология позволяет, например, в зависимости от размера частиц, изменять электронную структуру материалов, проводимость, реакционную способность, механические свойства и др.
Определяющими высоковакуумными процессами наноэлектроники являются: нанолитография высокого разрешения на основе рентгено- ионно- и электроно-литографии и высокояркостного синхротронного излучения [13-14], ионно-лучевое перемешивание с целью изменения структуры исходного материала, который невозможно достичь с использованием обычных равновесных нанотехнологических процессов, аморфизация нанометровых пленок с использованием высокоэнергетических ионных пучков; создание тонких поверхностных пленок методом туннельной и атомно-силовой микроскопии [15-24] и др.
Важным направлением работ, обеспечивающих выполнение большинства технологических процессов современной электронной техники, является формирование требуемых вакуумных условий в рабочих камерах оборудования [25].
До сравнительно недавнего времени одним из распространенных средств получения вакуума для технологических целей в рабочих камерах технологического оборудования являлись струйные вакуумные насосы (диффузионные, бустерные, эжекторные), которые благодаря простоте их изготовления, сравнительно низкой стоимости и высокой надежности, использовались в некоторых видах оборудования.
Однако присутствие в спектре остаточной газовой среды, создаваемой насосами этого типа, тяжелых углеводородных соединений с массовым числом более 44 (паров масла) не удовлетворяли требованиям большинства электронных технологий [25].
Сорбционные насосы также имели достаточно ограниченное применение, благодаря ряду присущих им недостатков, таких как селективность откачки, наличие сорбционной памяти, малое время работы при повышенных давлениях, чувствительность к прорыву атмосферы, неприспособленность к автоматизации процесса откачки [26].
Одним из перспективных средств получения безмасляного вакуума в широком диапазоне рабочих давлений от 1 до 10"9 Па явились молекулярные и турбомолекулярные насосы, первые промышленные образцы которых были созданы в середине прошлого века и имели перспективу дальнейшего развития
[27-30], которая реализуется и до настоящего времени с участием многих специалистов. Автор настоящей работы посвятил этой проблеме более 30 лет.
Следует отметить, что отечественная электронная промышленность и смежные отрасли науки и техники по мере своего развития испытывают необходимость в периодическом совершенствовании средств получения высокого вакуума с предпочтительным использованием турбомолекулярных насосов (ТМН).
Широко используемые в электронной технике процессы связанные с применением химически активных газов, например процессы реактивного ионно-плазменного, реактивного ионно-лучевого травления и др. обусловили необходимость создания ТМН в химстойком исполнении [31, 32, 33].
Стремление к увеличению выпускного давления ТМН привело к использованию в качестве последних ступеней проточной части ступени молекулярных и вихревых насосов [34, 35 ].
Для проведения уникальных физических исследований были созданы малогабаритные ТМН специального назначения [36].
Работы теоретического и прикладного характера по дальнейшему развитию и совершенствованию конструкций ТМН продолжаются. Этой проблеме посвящена представленная работа. Диссертация состоит из введения и пяти глав.
Первая глава посвящена анализу вакуумных систем технологического и физикоаналитического оборудования электронной техники, вакуумные системы которых созданы на основе ТМН.
Во второй главе с учётом работ предшественников рассмотрены вопросы теории ТМН, приведена классификация ТМН с учётом ретроспективы, современного состояния и возможностей создания новых моделей с улучшенными характеристиками.
Рассмотрены вопросы теории процесса откачки газов ступенями и проточной частью насоса, выполнены экспериментальные исследования прочностных характеристик ступиц роторных ступеней, послуживших основой создания равнопрочных конструкций.
В третьей главе приводится предложенная графоаналитическая модель переноса молекул газа через наклонные каналы роторной ступени, предлагается метод расчёта проточной части ТМН с учётом возможных ограничений, приводятся теоретические зависимости для расчёта основных эксплуатационных параметров ТМН, анализируются проблемы их оптимизации, которые подробно рассмотрены и исследованы в четвёртой главе.
В четвёртой главе сосредоточены вопросы оптимизации проточной части ТМН. Приведены впервые полученные результаты исследования и оптимизации вакуумных характеристик ТМН с учётом различных условий эксплуатации.
Пятая глава посвящена выполнению и анализу экспериментальных исследований с учётом различных условий работы.
Акцентирована и показана возможность получения "безмасляного" вакуума турбомолекулярными насосами, имеющими "масляные" опоры вращения роторных ступеней и "масляный" форвакуумный насос. В соответствии с полученными результатами на защиту выносятся вопросы:
1. Научно-технические требования к созданию современных перспективных высоковакуумных и сверхвысоковакуумных систем технологического и физико-аналитического оборудования электронной техники на основе ТМН.
2. Классификация ТМН, выполненная на основе определяющих физических принципов их действия, методов структурного синтеза и перспектив дальнейшего развития.
3. Графоаналитическая модель переноса молекул газа через каналы роторных ступеней ТМН.
4. Метод расчета быстроты действия ТМН по суммарному потоку газа в молекулярном режиме течения с использованием одновременной откачки потоков различных газов.
5. Алгоритм расчета оптимальной проточной части ТМН с учетом комплекса ограничивающих факторов и оптимизаций, обусловленных требованиями к конструктивным и эксплуатационным параметрам для заранее заданных технологических процессов и условий эксплуатации.
6. Физико-технические принципы моделирования проточной части ТМН в широком диапазоне давлений от сверхвысокого до низкого вакуума.
7. Результаты комплекса теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТМН и рекомендации по оптимальным методам проектирования и эксплуатации насосов рассматриваемого типа в составе технологического оборудования.
8. Метод получения безмасляного вакуума при использовании ТМН с масляным форвакуумным насосом и масляными опорами вращения.
9. Комплекс новых научно-обоснованных технических решений и теоретических положений, направленных на дальнейшее развитие теории ТМН и создание новых поколений насосов с улучшенными характеристиками.
Оборудование для осаждения плёнок из сепарированных ионных потоков
Если начертить зависимости нескольких ступеней пакета и задаться объёмным потоком газа, входящим в него, то можно продемонстрировать метод расчёта быстроты действия и сжатия газа отдельными ступенями насоса. Графический метод расчёта пакета одинаковых ступеней ТМН, предложенный Г. Гарнье показан на рис. 2.15.
Отложив на оси абсцисс газовый поток QVi, поступающий на вход в пакет -получим точку Pi, и определим ординату PiHi, которая определяет величину сжатия этого потока первым рабочим колесом. Далее соединив точку Pi с началом координат, а из точки пересечения с прямой 1-N проведя линию, параллельную оси ординаты получим абсциссу ОНг, которая определяет величину потока Qv2, проходящего через второе рабочее колесо, а ордината Р2Н2 - дальнейшее сжатие этого потока. Такое построение вытекает из подобия треугольников 0PiHi и ОСНг: PiHi7CH2 = T1=0H1/0H2 = QVi/Qv2 (2.6) или T1=QV1/Qv2 (2.7) Г. Гарнье утверждает, что этот метод является общим для расчёта пакетов ступеней как высоковакуумных, так и низковакуумных.
Г. Гарнье подтверждает вывод Беккера, что сжатие газа насосом равно произведению сжатия газа всеми ступенями. Из своих рассуждений он делает вывод, что быстрота действия насоса должна быть меньше максимально возможной быстроты действия первой ступени, так как его сжатие газа больше единицы.
Из отечественных работ по ТМН следует отметить большую ценность работы Л. Беляева [62], в которой были впервые опубликованы экспериментальные данные испытаний ряда различных ступеней ТМН. В теоретических работах [63, 64] Л. Беляев предлагает проводить расчёт ТМН, рассматривая его как динамически регулируемое сопротивление. Суть этого расчёта должна заключаться в том, что при изменении скорости вращения ротора изменяется общее сопротивление проточной части насоса откачиваемому газу. Однако Л. Беляев отмечает, что на практике не стремятся проводить такой расчёт, так как к достаточно точному результату ведёт поступенныи расчёт проточной части. Он также предлагает свести расчёт насоса к тому, чтобы экспериментально определить вакуумные параметры ступеней, а далее, по уже ,, РОССИЙСКАЯ ГОСУДОСТЕШНЛЯ БИБЛИОТШ известным методикам, рассчитать насос. Методика поступенного расчёта Беляева аналогична методике Гарнье.
Почти все дальнейшие теории, посвященные ТМН, в основном сводились к различным способам определения вероятности прохождения молекул газа через каналы рабочих колёс в прямом и обратном направлении.
Так, например, японские исследователи Т. Савада, М. Сузуки и О. Танигучи [65] в 1968 г. предложили математические выражения для вычисления этих вероятностей применительно к наклонным каналам с параллельными стенками.
Расчёт вероятности перехода молекул газа в прямом направлении Ci2=m12(c)+mux(c)+muy(c) (в направлении откачки), а также вероятность перехода в обратном направлении C2i=m12(-c)+mux(-c)+muy(-c) в отличие от расчётов Ч. Крюгера и А. Шапиро проводился аналитическим методом итерации для нескольких значений: - для лопаток бесконечной длины; - для лопаток конечной длины, т. е. с учётом рассеивания молекул газа неподвижной стенкой корпуса. Где: m12(c), m12(-c) - вероятности перехода молекул газа через канал в прямом направлении и обратно без соударения с его стенками; mux(c), mux(-c) - вероятности перехода молекул газа через канал в прямом направлении и обратно после соударения с набегающей стенкой канала; muy(c), muy(-c) - вероятности перехода молекул газа через канал в прямом направлении и обратно после соударения с уходящей стенкой канала.
На рисунках 2.16 и 2.17 показаны графики изменения этих вероятностей для двух каналов различной геометрии (а=30 s/b=1.5 и а=15, s/b=1.0) в зависимости от изменения относительной скорости "с".
Для отношения окружных скоростей радиальных сечений наклонных каналов к наиболее вероятной скорости движения молекул газа в интервале от нуля до трёх они составили таблицу вероятностей перехода молекул газа через движущийся наклонный канал. В таблицу включены параметры каналов с отношением s/b - 0,5; 1,0; 1,5 и углом наклона каналов 10, 20, 30, 40.
Следует отметить, что графическая интерполяция табличных данных позволила автору диссертации провести расчёт и оптимизацию вакуумных параметров, как отдельных ступеней, так и проточных частей различных отечественных и зарубежных турбомолекулярных насосов [66].
Работы [67, 68] посвящены определению основных размеров дисковых и лопаточных колёс ТМН, наклонные каналы которых образованы фрезерованием. К сожалению, предлагаемая методика расчёта этих колёс не учитывает существующую технологию их изготовления и наличие у них менее прочных мест -посадочных диаметров на ротор насоса.
В работе [69] приведены результаты экспериментального исследования влияния рода откачиваемого газа на основные параметры рабочих колёс ТВН, проведённого на пакете, состоящем из двух роторных и помещённого между ними статорного колеса. В качестве исследуемых газов были выбраны гелий, воздух и аргон. Авторы утверждают, что максимальная скорость откачки рабочего колеса практически не зависит от рода откачиваемого газа. Если сравнить их выводы с работами [52, 63, 70 - 75] или графиками, приведенными например на рис. 2.5, то это утверждение вызывает сомнение в правильности их теоретических и экспериментальных исследований.
Отечественные работы [76 - 79] по разработке методов различного рассеивания молекул газа, движущимися стенками канала своего применения практически не нашли из-за сложности разработанных теорий, значительных расхождений с экспериментальными данными, противоречивости предлагаемых рекомендаций и отсутствия связи с реальными условиями.
Расчёту вероятностей перехода молекул газа через наклонный, движущийся канал посвящен ряд отечественных работ [80 - 83] в каждой из этих работ сделаны различные допущения для расчёта вероятностей.
Если каналы ступеней ТМН расположить вдоль оси ротора на чередующихся роторных и статорных обечайках, вставленных друг в друга, то будет имитирована схема турбомолекулярного насоса с радиальным течением откачиваемого газа - РТМН [84]. Такой насос был предложен, изготовлен и испытан И. Анохиным в 1966 г. [85]. При одинаковых наружных диаметрах ступеней в виде дисков или обечаек площадь наклонных каналов, расположенных на обечайках могла быть увеличена в несколько раз по сравнению с площадью каналов ступеней В. Беккера или М. Хабланяна. Другим преимуществом расположения каналов на обечайках является постоянство их окружной скорости вдоль каналов. Эти преимущества позволяют значительно увеличить быстроту действия и сжатие газа ступенями РТМН по сравнению со ступенями ТМН.
Классификация турбомолекулярных насосов по конструктивному выполнению их основных узлов
1. Определение: - ТМН - ТМН лопаточный компрессор, работающий в молекулярном режиме течения газа. - Осевой ТМН - ТМН с течением откачиваемого газа вдоль оси вращения дисковых ступеней. - Радиальный ТМН - ТМН с течением откачиваемого газа вдоль радиуса (к оси и от оси вращения). Наклонные каналы ступеней расположены на соосных обечайках. - Смешанный ТМН - ТМН с радиальным и осевым течением откачиваемого газа. - Гибридный ТМН -ТМН, содержащий проточную часть из ступеней ТМН и ступеней других лопаточных компрессоров, работающих в переходном и вязкостном режимах течения газа. Например, ступеней молекулярных, винтовых, вихревых и т. д.
2. Количество проточных частей располагается на роторе ТМН: с горизонтальной осью - 2 (двухпоточный насос В. Беккера); с произвольно расположенной в пространстве осью, - 1 (однопоточный насос М. Хабланяна).
3. Ротор ТМН приводится во вращение: - через повышающую передачу; - от высокоскоростного электродвигателя или турбины. 4. Опоры вращения роторов ТМН: - шарикоподшипниковые опоры с жидкой смазкой. - шарикоподшипниковые опоры с густой смазкой. - керамические шарикоподшипниковые опоры без смазки. - аэростатические опоры вращения. - гидравлические опоры вращения. - опоры вращения с магнитной разгрузкой сил тяжести ротора. - магнитные опоры вращения. 5. Диапазоны рабочих давлений ТМН: - ТМН на СВВ (1-109) Па; - ТМН на высокий вакуум (1 - 10"4) Па; - ТМН на определённый диапазон давлений (1 - 2) порядка Па; - ТМН в переходном и вязкостном режиме течения газа (1 -103) Па; - ТМН на низкий вакуум (10"1 -105) Па; - ТМН с выхлопом в атмосферу - (ТМН с минимальным давлением по пунктам [1-4]-105) Па.
Принцип работы всех перечисленных типов ТМН один - увеличение концентрации газа вдоль их проточной части при создании неодинаковой вероятности перехода молекул газа с одной стороны наклонных каналов ступени на другую.
Стенки наклонных каналов ступеней могут быть параллельными (ступени насоса Беккера) или не параллельными (ступени насоса Хабланяна), причём, как первые, так и вторые могут перекрываться полностью или частично в направлении движении газа от одной ступени к другой. Различие в перекрытии каналов приводит только к различию величин прямой и обратной проводимости и, поэтому нет необходимости различать ТМН по величине перекрытия их наклонных каналов.
Очень перспективны для работы ТМН в вязкостном режиме течения газа ступени с лопатками, имеющими большие перекрытия в корневых сечениях.
Под ступенью ТМН следует понимать один элемент проточной части насоса (роторный или статорный), изменяющий концентрацию откачиваемого газа. В настоящее время наибольшее распространение получили ТМН с осевым течением откачиваемого газа, имеющие дисковые, чередующиеся, роторные и статорные ступени.
Дисковые ступени содержат один или несколько рядов радиальных наклонных каналов определенной геометрии расположенных на теле диска и зазоры - осевой и радиальный. Радиальный зазор ступени соединяет два объёма с обеих сторон ступени с различной концентрацией откачиваемого газа, и поэтому влияет на ее работу. Эти объемы образованы осевыми зазорами, разделяющими ступень от ступени. Осевые зазоры влияют на длину ротора и поэтому их выполняют минимальными порядка 1 мм. Такой короткий канал в молекулярном режиме течения газа мало влияет на процесс передачи газа от одной ступени к другой и поэтому влияние осевых зазоров на работу ступени не рассматривается.
Радиальные зазоры влияют на величину сжатия газа ступенью и, следовательно, на перераспределение быстроты действия между ступенями в проточной части насоса. Расчеты показали, что при увеличении радиальных зазоров и числа ступеней можно получить проточную часть насоса с необходимыми значениями быстроты действия и сжатия газа. Это особенно важно, например, для насосов, в которые возможны попадания мелких частиц при проведении технологического процесса.
Влияния вращения одной стенки радиального зазора на его проводимость в осевом направлении в пределах ошибки расчёта ±10% не обнаружено.
Геометрия наклонных каналов таких ступеней во многом зависит от применяемой технологии их изготовления. Так первые ступени ТМН (насос В. Беккера) имели наклонные фрезерованные каналы с параллельными стенками неизменной геометрии вдоль радиуса. Их геометрия определялась: длиной вдоль радиуса; постоянной шириной вдоль радиуса в плоскости диска; углом наклона стенки канала к этой плоскости и толщиной ступени в осевом направлении. Геометрия каналов, образованных наклонными радиальными лопатками (насос М. Хабланяна) не постоянна вдоль радиуса, ширина каналов увеличивается при увеличении радиуса, стенки каналов непараллельны. Геометрию каналов задают геометрией лопаток, которыми они образованы, т.е. их числом, длиной, толщиной, шириной и углом наклона.
В работе [97] приводятся результаты поиска оптимальных геометрических параметров первых ступеней ТМН, имеющих однорядные или многорядные радиальные, наклонные, каналы с параллельными стенками (насос Беккера). В ней показано, что наибольшей быстротой действия для ступеней с однорядными каналами обладают ступени, у которых каналы прорезаны до величины Ri = R2/V3. (2.8) Где: Ri - радиус корневых сечений лопаток, образованных каналами; R2 - наружный радиус диска. И это несмотря на то, что наибольшую площадь каналов можно получить, если прорезать их до величины Ri = 0,5R2. (2.9)
Это объясняется тем, что наибольшей быстротой действия будет обладать ступень, у которой максимально произведение площади каналов на среднюю вероятность прохождения молекул газа через них.
Там же приведены соотношения, позволяющие произвести прорезку дополнительных каналов с целью улучшения быстроты действия ступени.
Если каналы первых ступеней ТМН выполняются разворотом их тонких лопаток, то длину лопаток не целесообразно выполнять более величины R2/Ri=0,5 из-за малого прироста быстроты действия, уменьшения жёсткости лопаток и увеличения осевой длины проточной части насоса.
На рис. 2.23 приведены формы каналов ступеней ТМН, предлагавшиеся различными авторами. Следует отдавать предпочтение ступеням, обладающим максимальной откачивающей площадью каналов, например ступеням типа (5, 6, 7), т. к. в качестве первых они будут обладать максимальной быстротой действия, а в качестве последних - максимальным сжатием газа. Выполнение роторных ступеней типа (8а) с фрезерованными каналами постоянной ширины вдоль радиуса и с уменьшающейся осевой толщиной ступеней от Ri до R2 позволит увеличить их частоту вращения, т. е. увеличить их откачные характеристики [98, 99]. Заслуживают внимание также тонкие лопатки 8 в постоянной толщины и переменной высоты.
Метод расчёта вакуумных характеристик проточной части ТМН без учёта потоков газовыделений с её рабочих поверхностей.
Этот метод впервые был разработан автором и доложен на конференции по вакуумной технике в г. Казани [107, 108].
Если воспользоваться принципом независимости потоков газа в молекулярном режиме течения, то потоки газа, откачиваемые каждой ступенью проточной части ТМН, равны разности прямого и обратного потоков газа, проходящих с одной стороны ступени на другую. Прямые потоки проходят в направлении повышения давления, обратные - в обратном направлении. Баланс потоков газа, омывающих каждую ступень проточной части можно записать так: Qp = Qnpi- Qo6pi = S1P1=S2P2=S3P3= ... =SiPj ... =SZP2= 8фРф=СОП8І (3.1) Где: Qp - результирующий (или рабочий) поток газа, откачиваемый каждой ступенью проточной части; Qnpi - прямой поток газа, проходящий через і-тую ступень проточной части; Ообрі - обратный поток газа, проходящий через і-тую ступень проточной части; z - число ступеней в проточной части ТМН; Si; S2; S3 ... Sj ... Sz - быстрота действия 1, 2, 3, ... і ... z ступени проточной части ТМН соответственно; Pil Р2; Рз Pi Pz - давление газа перед 1, 2, 3, ... і ... z ступенью соответственно. Бэф - эффективная быстрота откачки форвакуумного насоса; Рф - давление газа за последней ступенью в проточной части ТМН.
В свою очередь прямые и обратные потоки газа можно представить в виде потоков молекул газа, проходящих через наклонные каналы ступеней и их радиальные зазоры см. рис. 3.7. На основании распределения потоков газа, омывающих ступени насоса, показанных на рисунке 3.7 можем записать: SjPi = Pi(Unp + U)i- Pi+i(Uo6p + U)i. (3.2) Где: Pi - давление перед і-ой ступенью; Pj+i - давление за і-ой ступенью; ипр - прямая проводимость наклонных каналов і-ой ступени; U06p - обратная проводимость наклонных каналов і-ой ступени; U - проводимость радиального зазора ступени.
Прямая и обратная проводимость движущихся наклонных каналов ступеней пропорциональна их входной площади F с каждой стороны ступени, объёму газа, падающему на единицу этой площади 0,25Va = 3,64(Т/М)0,5 [л/с.см2] в единицу времени и вероятности перехода молекул газа через наклонные каналы соответственно Ci2 в прямом направлении и C2i в обратном направлении. Неодинаковые вероятности Сіг и С21 перехода молекул газа через наклонные каналы с одной стороны ступени на другую можно рассматривать аналогично эффекту полупроводника, т. е. как различную проводимость каналов в прямом и обратном направлениях. Тогда быстрота действия ступени из выражения (3.2) определится: Si = (Unp + U)i-P/Pi+i(Uo6p + U)i (3.3) Где: Unp = F-3,64(T/M) 5-C12; иобр = F3,64(T/M)0 5-C2i; U = FyS T/M)0 5- ; Pj/Pj+1 = і; - величина сжатия газа ступенью; F3 - площадь радиального зазора; Ккл - коэффициент Клаузинга выбирается в соответствии [109].
Так как в ТМН давление газа за ступенью Pj+i не должно быть меньше давления перед ступенью Pj, то наибольший интерес представляет изменение давления газа за ступенью в пределах от Pj+i = Р, (отношение давлений равно единице) до Pj+i = Ртах (отношение давлений максимально).
Из выражения (3.3) видно: если прямой и обратный поток равны, то быстрота действия ступени равна нулю, а отношение давлений, создаваемое ступенью максимально:
При Pj+i = Pj (т =1,0) разность прямого и обратного потоков максимальна, максимальна и быстрота действия ступени: Smax = Unp - Uo6p- (3.5) Отсюда следует, что быстрота действия ступени может изменяться от нуля до Smax, а сжатие газа ступенью от единицы до ттах см. рис. 3.8. Из равенства (3.1) также следует: Ti=P1+i/Pi = Si/Si+i. (3.6) Тогда из (3.1), (3.3) и (3.6) следует: (3.7) To есть быстрота действия любой ступени проточной части насоса зависит: 1. от геометрии каналов ступени и частоты вращения ротора насоса, которые определяют величины иПрі, Uoepi, U; 2. от быстроты действия последующей в направлении откачки ступени; 3. от значения Snp,= (Unpi+U) до сколько угодно малой величины в зависимости от быстроты действия форвакуумного насоса. Анализируя выражение (3.7), можно заметить что:
1. Быстрота действия одинаковых ступеней в направлении, обратном откачке, стремится к Smaxi= (Unpi+Uo6pi); 2. Отношение давлений на этих ступенях уменьшается, стремясь к единице; 3. Быстрота действия ТМН определяется быстротой действия первой ступени; 4. Выражение (3.7) даёт возможность вести поиск проточной части ТМН для различных задаваемых условий работы.
Как было показано выше, при изменении потока откачиваемого газа сжатие газа ступенью т, может быть больше или равно единице, но меньше или равно Tmax. Промежуточные значения Tj для каждой ступени насоса можно определить из выражения (3.6), после определения их быстроты действия по выражению (3.7). Величину сжатия откачиваемого газа от значения быстроты действия насоса до значения форвакуумной эффективной быстроты действия можно так же определить из выражения (3.6): i=z x = S, /S30 = Рф/Рі=Ц ті. (3.8) /=i
По мере уменьшения откачиваемого потока Qp до нуля, форвакуумное давление Рф будет уменьшаться до предельного остаточного давления форвакуумного насоса РфП0, эффективная быстрота действия форвакуумного насоса S3(j также будет уменьшаться до нуля. Давление Pi и т будут также стремиться к своим предельным значениям ттах и Рпо: х П п Ттах= П т max /. (3.9) Рпо —»Рфпо/Ттах (ЗЛО) 1=2 Величина ттах = ГТгтах/. является постоянной для конкретного насоса (=1 и характеризует его проточную часть. Выражение (3.10) показывает, что чем больше т, тем меньше давление Pi, достигается при Qp - 0. Поэтому необходимо иметь максимальные значения ттаХі, особенно для форвакуумных ступеней или увеличивать число ступеней для достижения заданного Pi. Согласно выражения (3.4) увеличить значение ттаХі можно: уменьшая радиальные зазоры; увеличивая 1)пр и уменьшая U06p, т. е. подбором геометрии ступеней [66]. Зависимости быстроты действия и отношения давлений ступеней от изменения величины радиального зазора представлены на рис. 3.9. (Каналы всех рассматриваемых ступеней имеют одинаковые проводимости Unpi и U06Pi).
Исследование вакуумных характеристик ТМН для различных условий работы
Основное преимущество ТМН перед молекулярными насосами заключается в значительных зазорах между подвижными и неподвижными поверхностями, что даёт возможность улучшать их технологичность и расширять область применения. Поэтому при их расчёте особое внимание было уделено влиянию изменения зазоров на вакуумные характеристики насосов. Влияние осевых зазоров на прямую и обратную проводимость ступеней не рассматривалось, т. к. их влияние на проводимость ступени в молекулярном режиме ничтожно мало, а их увеличение не оправдано, т. к. приведёт к увеличению длины насоса и уменьшению критической частоты вращения ротора.
Как было показано в 3.2 главы 3, радиальные зазоры влияют на сжатие газа ступенью и на перераспределение быстроты действия между ступенями в проточной части насоса. Поэтому при расчёте вариантов проточной части насоса ТМН-200А была проведена оценка влияния изменения величины радиальных зазоров на быстроту действия насоса (см. рис. 4.5).
Проводимость радиальных зазоров для всей проточной части насоса оценивалась с учётом влияния коэффициента Клаузинга согласно [109].
На рис. 4.5 видно, что изменение радиального зазора в пределах 1,0 - 2,0 мм практически не влияет на изменение быстроты действия насоса по воздуху. Изменение максимального сжатия газа в этом случае может составить 1-2 порядка.
Несмотря на увеличение радиального зазора до 6 мм, быстрота действия первых ступеней по воздуху практически выходит на линию насыщения (запас по величине сжатия газа достаточен). А вот при откачке водорода увеличение радиальных зазоров существенно уменьшает максимальное сжатие насоса и особенно его быстроту действия.
При расчётах проводимости радиального зазора не учитывалось влияние вращения одной стенки зазора. Расчётным путём было оценено возможное влияние ошибки при определении величины коэффициента Клаузинга на вакуумные характеристики насоса. В этом случае величина радиального зазора принималась постоянной, а возможное влияние ошибки учитывалось изменением величины коэффициента Клаузинга в пределах от 0,3 до 0,46. На рис. 4.6 показана зависимость максимального сжатия насоса ТМН-200 при откачке воздуха от изменения коэффициента Клаузинга (при неизменном радиальном зазоре равном 1,0 мм).
Как видно на рис. 4.6, максимальное сжатие насоса ТМН-200 по воздуху изменяется примерно лишь в четыре раза при изменении коэффициентов Клаузинга от 0,3 до 0,46.
На рис. 4.7 показана зависимость быстроты действия насоса ТМН-200 по воздуху (для одного потока) от изменения величины коэффициента Клаузинга (при неизменном радиальном зазоре равном 1,0 мм).
На рис. 4.7 видно лишь небольшое изменение быстроты действия первой статорной ступени при увеличении коэффициента Клаузинга для всей проточной части. При этом быстрота действия второй ступени осталась практически постоянной.
На рис. 4.8 показана зависимость быстроты действия (одного потока) насоса ТМН-200 по водороду от изменения коэффициента Клаузинга.
Зависимость, представленная на рис. 4.8, показывает, что даже небольшое изменение коэффициента Клаузинга при откачке водорода должно приводить к заметному уменьшению сжатия водорода, что вызовет уменьшение быстроты действия не только у первой ступени, но и у второй. Следует также отметить влияние радиальных зазоров на подбор оптимизированной проточной части ТМН, предназначенной для работы в определённых условиях, т. к. при изменении радиального зазора изменяется оптимальная геометрия ступеней, и их расположение в проточной части насоса.
4. Расчёты показали, что быстрота откачки форвакуумного насоса оказывает влияние на быстроту действия ТМН (см. рис 3.11, 3.12), особенно по лёгким газам. При приближении быстроты откачки форвакуумного насоса к нулю быстрота действия ТМН также приближается к нулю. Таким образом, уменьшение быстроты действия ТМН (ниспадающая кривая на стороне сверхвысокого вакуума) определяется как наличием газоотделения с поверхностей насоса, расположенных в вакууме, так и уменьшением быстроты откачки форвакуумного насоса.
5. Известно [61], что изменение температуры элементов вакуумной системы приводит к изменению их проводимости, а, следовательно, и каналов ступеней насосов. Однако, данных о температуре рабочих поверхностей ТМН недостаточно. Поэтому были сделаны расчёты, в которых температура поверхностей ТМН изменялась от 25 С до максимальной при нагреве - 110 С. Скорость движения молекул откачиваемого газа была принята средней арифметической. Результаты расчётов представлены на рис. 4.9, 4.10.
Сжатие по водороду при увеличении температуры от 25 С до110 С уменьшается примерно в два раза, а по воздуху примерно на порядок.
Эти расчёты показывают на необходимость снятия вакуумных характеристик ТМН при определённой установившейся температуре, особенно для лёгких газов.
В 60х годах ушедшего двадцатого века в стране сложилась ситуация, при которой, по причине отсутствия признанного специалистами и утверждённого государственного стандарта на проведение вакуумных испытаний, как в электронной, так и в других отраслях науки и техники, каждый исследователь и разработчик новых вакуумных насосов создавал методику их испытаний в меру своих знаний, убеждений и опыта понимания физических основ процесса откачки.
Различные методики и созданное до 1974 г. экспериментальное оборудование отличалось неоправданным многообразием, о чём свидетельствуют схемы, представленные на рис. 5.1 - 5.4.
В связи с этим практически было невозможно оценить ни уровень их разработок, ни возможность их сравнения между собой, ни достоверно измерить их эксплуатационные параметры, что тормозило создание новых средств откачки [113].
Только в 1973 г. было принято решение о разработке единого отраслевого стандарта [114] для всех средств получения вакуума на основе согласованных единообразных методов измерений, как в СССР, так и в других государствах, использующих международные стандарты.
Первый вариант отечественного отраслевого стандарта был принят в 1974 г. (В его разработке автор принимал участие). Стандарт предусматривал и оговаривал схемы устройств для измерения давлений и потоков газа, откачиваемых вакуумными насосами. Этот стандарт был согласован с методиками и измерительными устройствами применяемыми в международных стандартах, в том числе PNEUROP, ISO, DIN, AVS. На рис. 5.5 показана принятая в соответствии с [114] схема устройства для измерения давления и потоков газа различными высоковакуумными средствами откачки.
Так как разработчики стандартов PNEUROP, ISO, DIN, AVS также базировались на своих исследованиях и экспериментах, то и они имели свои различные методики и инструменты для определения основных параметров средств получения вакуума и во многом были правы.
