Технические средства получения и измерения давления вакуумной технологической среды

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

А.М. Базиненков, А.Т. Каменихин 

Технические средства получения и измерения 
давления вакуумной технологической среды 

Методические указания к выполнению лабораторных работ  
по дисциплине «Основы проектирования и эксплуатации  
нанотехнологического оборудования» 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 

УДК 621.5 
ББК 33.77:74.263.0 
 
Б17 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/44/book1647.html 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

 
Базиненков, А. М. 
Б17  
Технические средства получения и измерения давления 
вакуумной технологической среды : методические указания к 
выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы 
проектирования и эксплуатации нанотехнологического обо-
рудования» / А. М. Базиненков, А. Т. Каменихин. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 62, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4675-9 
Представлены материалы для практического изучения важнейших эле-
ментов вакуумного оборудования — средств откачки, измерения давления, 
а также процедуры измерения быстроты откачки технологического объема. 
Для студентов, обучающихся по специальностям «Электроника и нано-
электроника», «Наноинженерия» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

 
 УДК 621.5 
 
 ББК 33.77:74.263.0 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4675-9 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 

Предисловие 

Образованию технологической среды, отличающейся высоким 
уровнем чистоты, химической инертности и хорошей теплоизоля-
цией — технологического вакуума, посвящены лабораторные ра-
боты, описываемые в настоящих методических указаниях.  
Вакуумная технологическая среда создается при использова-
нии насосов для удаления газа из герметичного объема технологи-
ческой камеры. Для измерения давления в объеме реципиента ис-
пользуются манометрические преобразователи. 
Современные отечественные и зарубежные предприятия выпус-
кают широкий спектр вакуумных насосов для получения вакуума и 
манометрических преобразователей для измерения давления ваку-
умной технологической среды различного назначения.  
Знание основ функционирования вакуумного оборудования 
позволяет обеспечить правильную эксплуатацию и необходимое 
техническое обслуживание оборудования на производстве. 
Дидактическая цель лабораторного практикума — формирова-
ние у студентов знаний о конструктивных особенностях и эксплуа-
тации средств откачки газа из технологической среды и развитие 
умения и навыков проведения измерений параметров среды, таких, 
как давление и быстрота откачки. 
Особое внимание уделено приобретению студентами знаний 
конструкции изучаемых насосов, принципа действия манометри-
ческих преобразователей.  
При выполнении лабораторных работ студенты проводят само-
стоятельные исследования, позволяющие получить опыт экспери-
ментальной работы и освоить методы статистической обработки 
результатов. В целях закрепления материала предлагаются вопро-
сы для самопроверки.  
После выполнения лабораторных работ студенты приобретут 
знания об устройстве различных типов вакуумных насосов и ма-

нометрических преобразователей, смогут выбрать тип насоса в 
зависимости от требований к вакуумной технологической среде, 
обосновать выбор средств измерения вакуума в технологическом 
объеме и оценить давление и быстроту откачки системы на осно-
вании показаний манометрических преобразователей. 
В методические указания включен пропедевтический материал 
для ознакомления студентов кафедры «Технологии приборострое-
ния» с краткими сведениями о вакууме как технологической среде 
и о характеристиках систем, обеспечивающих требуемые парамет-
ры этой среды, чему и посвящена теоретическая часть.  
Объекты изучения и последовательность выполнения практи-
ческих заданий в ходе лабораторных работ даны при описании 
практических занятий.  
Лабораторная работа № 1 заключается в изучении конструкций 
вакуумных насосов (вращательного механического, диффузионно-
го, геттерно-ионного и турбомолекулярного) и определении по 
конструктивным элементам насосов их технологических парамет-
ров — геометрической быстроты действия насоса, т. е. объема га-
за, удаляемого насосом в единицу времени при данном впускном 
давлении.  
Выполняя лабораторную работу № 2, наряду с приобретением 
знаний о конструкции средств измерения давления в вакуумной 
среде (термопарного и ионизационного манометров), студенты 
экспериментальным путем осваивают методику измерения давле-
ния в рабочей камере двумя типами преобразователей (термопар-
ным тепловым и ионизационным) и определяют время откачки га-
за из рабочей камеры. 
Измерение быстроты откачки вакуумной камеры методом по-
стоянного объема студенты освоят, выполняя лабораторную рабо-
ту № 3. 
Дополняют методические указания правила техники безопас-
ности, описание системы оценивания качества выполненных лабо-
раторных работ, а также бланки отчетов по ним.  

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА 

Понятие вакуума.  
Характеристики вакуумных систем 

Вакуум — технологическая среда со значениями давления ни-
же атмосферного, это основная технологическая среда для новей-
ших процессов, формирующих объекты в нанометровом диапазоне 
размеров. На основании исключительной чистоты и химической 
инертности вакуумной среды создаются электронные компоненты 
интегральных микросхем размером от 15 до 20 нм, осуществляется 
разработка наноизделий размером от 1 до 100 нм, использующих 
фотоны для обработки и передачи информации практически без 
помех. Разработкой вакуумной техники занимается наука, изучающая 
физические и химические процессы в газах при значениях 
давления ниже атмосферного, процессы в сосудах при низких значениях 
давления (в технологических камерах оборудования, камерах 
исследовательских установок и т. п), а также задачи измерений 
при этих процессах. 
Для получения вакуумной технологической 
среды в приборе или 
рабочей камере необходимо применение 
вакуумной системы откачки. 
Простейшая 
вакуумная 
система, 
(рис. 1, табл. 1) состоит из вакуумного 
насоса 1, вакуумного трубопровода 
2 и непосредственно реципиента (
откачиваемого объема). 
Быстротой откачки называется 
объем газа, удаляемый из реципиента 
в единицу времени при данном 
давлении в нем.  

 

Рис. 1. Вакуумная система 
  
откачки: 
1 — вакуумный насос; 2 — трубопровод; 
3 — вакуумная камера 

Таблица 1 

Основные характеристики вакуумной системы 

Наименование 
Обозначение Единица  
измерения 
Уравнение 

Движущая разность давлений 
1
2
p
p

 
МПа 
— 

Давление на выходе из реципиента 
3 в вакуумный трубопровод 
2 (см. рис. 1) 

1p  
МПа 
— 

Давление на входе в вакуумный 
насос 1 из трубопровода 
2 

2
p  
МПа 
— 

Быстрота откачки реципиента 
(вакуумной камеры) 3 
o
S  
м3/с 
— 

Быстрота действия насоса 1 
н
S  
м3/с 
— 

Поток газа 
Q 
м3·Па/с 
(
)
 d pV
Q
dt
 

Сопротивление трубопровода 
2 
W 
с/м3 
1
2

 p
p
W
Q
 

Проводимость трубопровода 
2 
U 
м3/с 

1
2

1



Q
U
U
p
p  

Быстротой действия насоса называется объем газа, удаляемый 
насосом (проходящий через его впускной патрубок) в единицу 
времени при данном впускном давлении.  
Потоком газа называется количество газа, проходящее через 
рассматриваемое сечение трубопровода в единицу времени. 
Характеристики вакуумной системы (быстрота действия насоса, 
проводимость вакуумного трубопровода и быстрота откачки 
реципиента) связаны соотношением, которое называется основным 
уравнением вакуумной техники:  

  

о
н

1
1
1 ,
S
U
S


 
 (1) 

или 

  

н
o
н
.
S U
S
S
U


 
 (2) 

Методы создания вакуумной технологической среды  

Известны два пути получения вакуума: 
1) с помощью вакуумных насосов (основной); 
2) при использовании ловушек, которые обычно служат для 
улучшения вакуума, получаемого вакуумными насосами. 
Для удаления газа из реципиента используют следующие три 
метода: 
1) объемный метод позволяет определенный объем газа отсе-
кать, сжимать и «выбрасывать» в область высокого давления; 
2) энергетический метод придает откачиваемому газу кинети-
ческую энергию — достаточное количество движения, чтобы уда-
лить его из вакуумной системы; 
3) метод отбора лишает откачиваемый газ кинетической энер-
гии — количество движения газа «извлекается» за счет его хими-
ческого связывания или конденсации на поверхностях. 
При использовании первого и второго методов требуемое для 
переноса газа из камеры в атмосферу количество движения необ-
ходимо обеспечить каким-либо рабочим инструментом. В совре-
менной практике в качестве инструмента выступают поршень, 
струя газа или ротор, вращающийся с большой скоростью. 
В третьем методе применяется, в частности, процесс управ-
ляемой сорбции. Его необходимо обеспечить присутствием в ва-
куумной системе сорбентов, поверхность которых реагирует с по-
падающими на нее молекулами газов. Если энергия сорбций пре-
вышает тепловую энергию молекулы, то последняя остается на 
поверхности. Этот процесс можно обеспечить за счет выбора сор-
бентов с большой энергией сорбции (например, на основе титана 
Ti или циркония Zr) или охлаждая сорбент водой, сжиженными 
газами (азотом, t = 77 К), чтобы снизить тепловую энергию по-
павших на поверхность молекул. 

Вакуумные насосы для создания разряжения  
в технологических камерах  

В зависимости от степени вакуума все насосы (рис. 2, табл. 2) 
можно отнести к следующим группам: 
• насосы предварительного разряжения, служащие для получе-
ния низкого и среднего вакуума (область рабочих давлений 
5
1
10 ...10  Па); 

• высоковакуумные насосы 
1
5
(10 ...10

  Па); 
• сверхвысоковакуумные насосы 
5
( 10 

 Па). 
Из рис. 2 видно, что большую часть давления высокого и 
сверхвысокого вакуума нельзя получить, используя только один 
тип насосов. Таким образом, чаще применяют несколько типов 
насосов, работающих последовательно. 

 

Рис. 2. Классификация вакуумных насосов (единица измерения дав-
ления Торр — внесистемная, применяется многими европейскими  
  фирмами — производителями оборудования, 1 Торр  1 мм рт. ст.) 

Таблица 2 

Основные характеристики вакуумных насосов 

Наименование характеристики 
Обозначение 
Единица 
измерения 
Уравнение 

Предельное давление 
p  
Па 
— 

Быстрота действия насоса 
н
S  
м3/с 
— 

Впускное давление (давление 
на впускном патрубке) 

вп
p
 
Па 
— 

Минимальное впускное 
давление (обеспечивает 
паспортную быстроту действия) 


min
вп
p
 
Па 
— 

Окончание таблицы 2 

Наименование характеристики 
Обозначение 
Единица 
измерения 
Уравнение 

Наибольшее впускное давление (
обеспечивает паспортную 
быстроту откачки) 

max
вп
p
 
Па 
— 

Диапазон рабочих давлений 
min
max
вп
вп
...
p
p
 
Па 
— 

Максимальная производительность 
насоса 

max
Q
 
м3·Па/с 
max
max
вп
н

Q
p
S  

Выпускное давление 
(на выпускном патрубке 
насоса) 

вып
p
 
Па 
— 

Максимально допустимое 
выпускное давление (обеспечивает 
нормальную работу 
насоса)  

max
вып
p
 
Па 
— 

 
Предельным давлением называется минимальное давление, создаваемое 
насосом на впускном патрубке при длительной (более 
10 ч) работе «на себя» (при закрытом впускном патрубке, когда 
быстрота откачки равна нулю). 

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ 

Лабораторная работа № 1 
«Вакуумные насосы»  

1.1. Конструкция и принцип действия насосов 

Для выполнения лабораторной работы студентам выдают по 
одному механическому вакуумному насосу. Им необходимо про-
вести его измерения, дать количественную оценку геометрической 
быстроты откачки насоса, сравнить ее с паспортной быстротой, 
оценить значение погрешности измерений и сделать выводы. 
Механические насосы с масляным уплотнением относятся к 
насосам объемного действия (первый способ удаления газа) и ра-
ботают за счет периодического изменения объема рабочей камеры, 
в которую поступает откачиваемый газ из вакуумного трубопро-
вода, отсекаемый от впускного патрубка, затем сжимается в каме-
ре насоса и выбрасывается в атмосферу. 
Основные типы таких насосов: пластинчато-роторные, пластин-
чато-статорные, золотниковые, винтовые, спиральные. Работа та-
ких насосов и получение остаточного давления в реципиенте 
1
((1...4) 10

 Па) возможно только при заполнении маслом зазоров 
между их трущимися деталями. Для механических насосов при-
меняются специализированные масла марок ВМ-4 
ВМ-4
(p
  
3
5 10


 Па) и ВМ-6 
4
ВМ-6
(
1 10
p

 
 Па) с низким давлением 
насыщенных паров. Для откачки паров воды насосы снабжают 
газобалластными устройствами, напускающими балластный газ 
(атмосферный воздух) в область сжатия или переноса. 
В пластинчато-роторном насосе (рис. 1.1) две пластины, 
находящиеся в пазах вращающегося ротора, ось вращения кото-
рого смещена относительно оси вращения статора, поочередно 
захватывают газ, поступающий из впускного патрубка в область