Физика вакуума

В момент прекращения откачки вакуумной камеры (t=0) в ней возникает газовыделение адсорбированных газов, приводящее к нелинейному повышению давления (кривая 2), рис. 2.48. Суммарное изменение давления идет согласно

Рис. 2.48.

кривой 3. Для надежного измерения потока методом  постоянного  объема газовыделение должно быть мало по сравнению с измеряемым газовым  потоком.  Этого  можно  достичь длительной предварительной откачкой вакуумной камеры.

Методы измерения газовых потоков, точность которых может быть обеспечена только после предварительной градуировки, называются косвенными. Чувствительность по потоку приборов для косвенных измерений K_Q=a/Q, где a - показания прибора в делениях самой чувствительной шкалы; Q - газовый поток, определенный абсолютным методом. В процессе градуировки определяется диапазон потоков, в котором сохраняется линейность градуировочной характеристики.

Проверка градуировки в процессе эксплуатации осуществляется с помощью  калиброванных течей.  Например, в стеклянный баллон 1, заполненный гелием  при  давлении 10⁵ Па, впаяна через переход  2 кварцевая трубка 3, рис. 2.48. Гелий диффундирует сквозь плавленый кварц, величина потока 10^-6...10^-9 м³∙Па/с.

Рис. 2.49.

Тепловой метод

Теплопередача в области низкого  вакуума при вынужденной конвекции  зависит от скорости течения газа, а температура нагретой нити, следовательно, от потока газа. Градуируют тепловой потокомер  по абсолютному прибору.

Методы течеискания

При изготовлении вакуумных систем из-за пор или трещин в материалах возможно появление течей. Из-за малых размеров дефектов, вызывающих течи, обнаружить визуально их практически невозможно. Для определения места течей разработаны следующие методы течеискания: а) пробного газа; б) высокочастотного разряда; в) люминесцентный; г) радиоизотопный; д) пузырьковый.

Метод пробного газа получил наиболее широкое распространение, рис. 2.50.

Рис. 2.50.

После получения вакуума в испытуемом объекте место, проверяемое на наличие  течи, обдувается пробным газом, который через    дефект начинает поступать в обьект и регистрируется масс-спектрометром. Для предотвращения повышения давления проверяемый объект должен находиться под непрерывной откачкой. Основным пробным газом является гелий. Он безопасен в работе, хорошо проникает через течи, у него низкая адсорбируемость.

При использовании метода пробного газа следует учитывать инерционность  испытаний и невысокую точность нахождения места течи. Для уточнения места поверхность покрывают специальной вакуумной замазкой, которая в момент прекращения проникновения пробного газа фиксирует место течи. Так можно определить координаты места течи с точностью до нескольких миллиметров.

Вместо пробных газов иногда используют пробные жидкости - спирт, эфир, бензин, ацетон. При этом время проникновения жидкости может достигать нескольких часов. Поэтому пробные жидкости используют для индикации грубых течей при высоких давлениях.

Метод высокочастотного разряда заключается  в том, что при приближении  электрода высокочастотного трансформатора к месту течи образуется направленный разряд. Появление разряда связано с понижением давления воздуха в месте течи и улучшением условий электрического пробоя газового промежутка. Этот метод удобен для определения течей в стеклянных вакуумных системах.

Люминесцентный метод использует проникновение раствора люминофора в капиллярные течи. Проверяемый обьект длительное время выдерживается в растворе люминофора. После удаления люминофора с поверхности обьекта заполненные капилляры обнаруживаются в виде точек или полос при облучении ртутно-кварцевыми лампами. Люминофор дает желтое или красное свечение.

Радиоизотопный метод обнаружения  течей состоит в том, что испытуемые обьекты в течение некоторого времени выдерживаются в атмосфере радиоактивного газа. После удаления радиоактивного газа и тщательной очистки поверхности от радиоактивных загрязнений излучающими остаются только негерметичные приборы. Метод применяется при автоматической проверке на герметичность малогабаритных полупроводниковых приборов.

Пузырьковый метод наиболее простой. В испытуемом обьекте создается избыточное давление газа, и обьект погружается в жидкость. Диаметр пузырька в месте его образования равен диаметру капилляра. Воду без образования пузырьков можно нагреть до 80ºС, масло до 200ºС.

Герметичность вакуумных систем

Требования к герметичности  вакуумных систем формируются с  учетом условий их дальнейшей эксплуатации. В техническом задании на разработку вакуумной системы, работающей под  непрерывной откачкой, задается рабочее давление Рраб, при котором должен осуществляться технологический процесс. Для обеспечения эффективного использования откачных средств необходимо обеспечить предельное давление

Р_пр≥0,1Р_раб. (2.20)

Если вакуумная система хорошо обезгажена и газовыделением можно пренебречь по сравнению с натеканием, тогда допустимый газовый поток, поступающий через все течи, имеющиеся в вакуумной установке,

Q_н≤P_пр∙S_о=0,1P_раб∙S_о, (2.21)

где S_о - быстрота откачки обьекта.

Если технические требования связаны с поддержанием не общего, а парциального давления Рп какого-то компонента смеси, содержание которого равно g, то

Q_н≤0,1∙Pп∙S_o/g. (2.22)

В вакуумных системах объемом V, работающих в течение времени t без непрерывной  откачки, для допустимого возрастания  давления Р газовый поток

Q_н≤V∙DP/Dt. (2.23)

Если требования ставятся по парциальным  давлениям, то аналогично (2.21) получим

Q_н≤V∙DP/(Dtg). (2.24)

При совпадении условий испытаний  на герметичность с рабочими условиями  уравнения (2.21)...(2.24) определяют требования к пороговой чувствительности испытаний. Если контроль на герметичность производится с помощью пробного газа или при другой

 

 

 

 

 температуре и перепаде давлений, то требования к пороговой  чувствительности необходимо уточнить по уравнению

 

                 (2.25)

Q_п DP_пєU_п

_{---- = -------, (2.25)}

Q_в DР_вєU_в

где U_в,  U_п - проводимость течи по воздуху и пробному  газу,  ∆Р_в,

∆Р_п - перепад давлений по воздуху и пробному газу.

 

Аппаратура для определения  герметичности

Наиболее широко применяется масс-спектрометрический течеискатель, обладающий самой высокой чувствительностью, рис.2.51. Минимальные

Рис. 2.51.

обнаруживаемые течи равны 10^-13 м³∙Па/с. Электроны, эмитируемые катодом 9, попадают в камеру ионизации 8. Источник питания катода 11 подключен к анализатору через фланец 10. В случае негерметичности вакуумной системы, обдуваемой пробным газом, молекулы гелия через фланец 5  проникают в камеру ионизации. Положительные ионы гелия  ускоряющим напряжением направляются в камеру магнитного анализатора 6. Ускоряющее напряжение  Еу  и магнитная индукция В подбираются таким  образом,  чтобы  ионы гелия,  прошедшие через входную щель 7, двигаясь по траектории 4, попали в выходную щель 2. Остаточные газы по траектории 3 разряжаются на стенках анализатора. Коллектор ионов 1 соединяется через электрометрический каскад с блоком усиления и измерения ионного тока.

В отличие от анализаторов парциальных  давлений, которые должны иметь высокую разрешающую способность и перестраиваться на различные массовые числа, датчик течеискателя настраивается только на пробный газ. При этом входная и выходная щели могут быть расширены, что увеличивает чувствительность течеискателя. Этот способ повышения чувствительности можно применять для гелия, не имеющего в составе воздуха веществ с близкими массовыми числами.

Течеискатель подключается и испытуемому обьекту, рис.2.52., с помощью фланца 1. Для предварительной градуировки может применяться гелиевая течь 12, подключенная через клапан 13.  Для дросселирования больших потоков,  поступающих в течеискатель, служит клапан-натекатель 2. Ловушка 3 с насосом 10, подключенным  через клапан 11, используется  для создания рабочего давления 10  Па, измеряемого  преобразователем  4  и необходимого для  работы  масспектрометрической камеры 5.

Рис .2.52.

 

Форвакуумный насос 8 обеспечивает через клапан 9 работу высоковакуумного пароструйного насоса 10 и через клапан 6 - байпасную откачку камеры 5.  Работоспособность насоса 8 можно определить с помощью манометра 7.  Вакуумная система течеискателя предназначена для откачки масс-спектрометрической камеры  и,  как  правило,  не  может  быть использована для откачки испытуемого объекта, который должен иметь собственную откачную систему.