Вакуумная техника - техника получения, поддержания вакуума и проведения вакуумных измерений [1] в вакуумных камерах технологического производственного и аналитического оборудования, а также в вакуумных системах ускорительной и термоядерной техники, имитаторах космического пространства.

Характер и интенсивность протекания физико-химических процессов зависит от содержания молекул газа в среде, в которой эти процессы протекают. Создаваемые разреженные среды в вакуумных камерах технологического оборудования должны либо исключать воздействие атмосферных газов на реализацию процессов, либо сводить эти воздействия к минимуму. В области управляемого термоядерного синтеза наряду с формированием дейтериево-тритиевой плазмы, возникают проблемы подготовки и переработки топлива, создания единого вакуумно-тритиевого комплекса для наработки трития, его сепарации и защиты окружающей среды.

Широкое распространение вакуумная техника получила в смежных областях промышленности, позволяя создавать материалы с новыми качествами в металлургии, машиностроении, пищевой и медицинской промышленности и других отраслях промышленности Диапазон давлений, создаваемый в вакуумных камерах технологических и аналитических установок, имитаторов космического пространства, ускорителей и термоядерных комплексов охватывает от 105 до значений меньше 10^-11 Па, что превышает 16 десятичных порядков. Для решения этих проблем используются различные типы вакуумных насосов, разнообразные методы вакуумметрии и масс-спектрометрии, цельнометаллическая вакуумная арматура, камеры имитаторов космического пространства с объемами превышающими 100 м³. Загрузка обрабатываемых изделий в вакуумную камеру осуществляется через загрузочные люки или шлюзы, которые герметизируются с помощью фланцев или затворов. Передача различных воздействий на изготавливаемый объект, а также съем информации о параметрах технологического процесса осуществляется с помощью вакуумных вводов, расположенных на вакуумной камере.

Типовые вакуумные системы представлены на рис. 1(a,b). Основное отличие двух представленных схем заключается в применении высоковакуумных насосов, использующих либо газоперекачивающий (рис. 1a) либо газоулавливающий принцип (рис. 1b) удаления газа. Как правило, все вакуумные системы состоят из типовых вакуумных элементов. Это - вакуумные насосы , вакуумметры , камеры, клапана, затворы, трубопроводы с фланцевыми соединениями , течеискатели и масс-спектрометры . Вакуумная камера строится исходя из решаемых технологических или научных задач. Камера комплектуется различными вакуумными вводами , обеспечивающими передачу в вакуумную камеру и из нее механических перемещений и усилий, а также передачу электрических и оптических сигналов, иллюминаторами для визуального контроля процесса.

Рис.1. Принципиальные вакуумные схемы типовых высоковакуумных установок: a- высоковакуумная откачка осуществляется газоперекачивающим насососом; b- высоковакуумная откачка осуществляется газоулавливающим насосом. На схемах приняты следующие обозначения: CV вакуумная камера; HVP – высоковакуумный насос; G – течеискатель; NI- механический форвакуумный насос на схеме a и вакуумный насос предварительного разрежения на схеме b; PT1- тепловой вакуумметр; PM1- широкодиапазонный вакуумный датчик; S1- масс-спектрометр; VП-клапан угловой; V – затвор; DV- ввод вакуумный; AB- сильфонный вакуумный шланг.

На схеме a в качестве высоковакуумного газоперекачивающего насоса используется либо паромасляный диффузионный насос , либо высоковакуумный турбомолекулярный (гибридный) насос . Откачная система, построенная на высоковакуумном турбомолекулярном насосе с магнитным подвесом ротора и сухим форвакуумным насосом , обеспечивает безмасляную откачку камеры. Использование турбомолекулярных насосов с нижним смазываемым подшипником или паромасляного диффузионного насоса обеспечивает безмасляную откачку при реализации специальных методических приемов и использовании защитных ловушек:

• запуск турбомолекулярного насоса следует осуществлять при давлении в вакуумной камере превышающем 1 мбар, а при остановке напускать в насос газ через клапан продувки;
• между паромасляным насосом и откачиваемой камерой размещать защитные ловушки, охлаждаемые до температуры ниже 90 К.

Высоковакуумная откачка по схеме b осуществляется газоулавливающим насосом. В качестве газоулавливающего насоса, применяются либо магнитный электроразрядный насос , либо вакуумный криогенный насос.

При использовании высоковакуумного турбомолекулярного (гибридного) насоса вакуумная система может быть упрощена за счет исключения линии байпасной откачки с клапаном VП1 , а также затвора V между камерой и турбомолекулярным насосом. Использование масс-спектрометра связано с необходимостью контроля состава газовой среды, обеспечивающей реализацию технологического процесса или для контроля его протекания путем оценки газовых потоков, сопровождающих процесс. Течеискатель G соединен с вакуумной системой установки постоянно, либо подсоединяется к ней на время поиска течи. Применяются и более сложные вакуумные системы, в которых загрузка изготавливаемого изделия в рабочую камеру осуществляется через шлюз. В этом случае используются устройства, герметично перекрывающего шлюзовую и рабочую камеры и механизмы перемещения изделия между этими камерами , создается дополнительная вакуумная система для откачки шлюзовой камеры. Работа высоковакуумного насоса, начинается после предварительной откачки камеры до давления 0,005 ….0,1 мбар. Откачка камеры осуществляется через клапан VП3 газоперекачивающим форвакуумным насосом. Режим высоковакуумной откачки газоперекачивающего насоса осуществляется в тандеме с форвакуумным насосом через клапан VП4. Газоулавливающий насос в режиме высоковакуумной откачки работает при закрытых клапанах VП3 и VП4 и открытом затворе V. Откачка газоулавливающего насоса через клапан VП4 осуществляется при его регенерации.

При откачке периодически вскрываемых вакуумных камер, между ними газоулавливающими насосами следует устанавливать затвор. Для оперативного выхода на высокий вакуум магнитного электроразрядного насоса рекомендуется предварительную откачку с атмосферы осуществлять в два этапа: до давления 1 мбар – механическим насосом и далее до давления 10^-4 мбар криосорбционным насосом, эффективно удаляющим пары воды. Практика показывает, что при таком сочетании насосов, время выхода магнитного электроразрядного насоса на режим высоковакуумной откачки (10^-7 мбар) не превышает 4-х минут. Давление в вакуумной камере устанавливается в результате действия ряда конкурирующих процессов. С одной стороны откачка газа насосом, а с другой поступление газа в результате натекания через неплотности, газовыделения поверхностей камеры и газовыделения в результате реализации технологических процессов.

Зависимость давления в вакуумной камере от этих параметров выражается формулой:

(2)
где ΣQ - суммарное газовыделение в вакуумной камере, м³ Па/с;
Sэ - эффективная быстрота действия вакуумного насоса, м³/с.
(3)
где U – проводимость коммуникаций, соединяющих насос с камерой, м³/с.
На практике при построении вакуумной системы необходимо выполнять следующее условие:
(4)

Исходя из особенностей реализуемого технологического процесса, для оптимального выбора быстроты действия вакуумного насоса, обеспечивающего заданного давление необходимо чтобы:

• суммарное натекания и газовыделения с поверхностей камеры было меньше технологического газовыделения в (10…100) раз;
• проводимость коммуникаций между насосом и камерой была максимальной.

Первое достигается созданием камеры с необходимой герметичностью и минимальным газоотделением ее внутренних поверхностей. Второе обеспечивается либо подсоединением насоса непосредственно к камере, либо установкой между ними шиберного затвора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 5197-85 Вакуумная техника. Термины и определения
2. Вакуумная техника: справочник / К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К. Никулин и др.; под общей редакцией К.Е.Демихова, Ю.В. Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2009. 590 с., ил.
3. Трендельберг Э. Сверхвысокий вакуум. Под редакцией М.И. Меньшикова. Изд. «Мир», М 1966. 286 с.
4. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Москва. Высшая школа. 1990 г. с 131-136.
5. Глазков А.А., Саксаганский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. Москва. Энергоатомиздат. 1985 г.185 с.