Технические средства получения и измерения давления вакуумной технологической среды

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»
А.М. Базиненков, А.Т. Каменихин
Технические средства получения 
и измерения давления вакуумной 
технологической среды
Учебно-методическое пособие
2-е издание, исправленное

УДК 621.5 
ББК 33.77:74.263.0 
 
Б17 
 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6622/ 
 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении» 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 
 
Базиненков, А. М. 
Б17  
Технические средства получения и измерения давления вакуумной технологической среды : учебно-методическое пособие / 
А. М. Базиненков, А. Т. Каменихин. — 2-е изд., испр. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 62, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-5384-9 
Представлены материалы для практического изучения важнейших элементов вакуумного оборудования — средств откачки, измерения давления, 
а также процедуры измерения быстроты откачки технологического объема. 
Для студентов, обучающихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника», «Наноинженерия» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
 
 УДК 621.5 
 
 ББК 33.77:74.263.0 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020, 
 
 
с изменениями 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5384-9 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 

Предисловие 
Образованию технологической среды, отличающейся высоким 
уровнем чистоты, химической инертности и хорошей теплоизоляцией — технологического вакуума, посвящены лабораторные работы, описываемые в настоящем учебно-методическом пособии. 
Вакуумная технологическая среда создается при использовании насосов для удаления газа из герметичного объема технологической камеры. Для измерения давления в объеме реципиента используются манометрические преобразователи. 
Современные отечественные и зарубежные предприятия выпускают широкий спектр вакуумных насосов для получения вакуума и 
манометрических преобразователей для измерения давления вакуумной технологической среды различного назначения.  
Знание основ функционирования вакуумного оборудования 
позволяет обеспечить правильную эксплуатацию и необходимое 
техническое обслуживание оборудования на производстве. 
Дидактическая цель данного пособия— формирование у студентов знаний о конструктивных особенностях и эксплуатации 
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 манометрических преобразователей.  
При выполнении лабораторных работ студенты проводят самостоятельные исследования, позволяющие получить опыт экспериментальной работы и освоить методы статистической обработки 
результатов. В целях закрепления материала предлагаются вопросы для самопроверки.  
После выполнения лабораторных работ студенты приобретут 
знания об устройстве различных типов вакуумных насосов и ма3 

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 основании показаний манометрических преобразователей. 
В учебно-методическое пособие включен пропедевтический 
материал для ознакомления студентов кафедры «Технологии приборостроения» с краткими сведениями о вакууме как технологической среде и о характеристиках систем, обеспечивающих требуемые параметры этой среды, чему и посвящена теоретическая 
часть.  
Объекты изучения и последовательность выполнения практических заданий в ходе лабораторных работ даны при описании 
практических занятий.  
Лабораторная работа № 1 заключается в изучении конструкций 
вакуумных насосов (вращательного механического, диффузионного, геттерно-ионного и турбомолекулярного) и определении по 
конструктивным элементам насосов их технологических параметров — геометрической быстроты действия насоса, т. е. объема газа, 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 давления в рабочей камере двумя типами преобразователей (термопарным тепловым и ионизационным) и определяют время откачки газа из рабочей камеры. 
Измерение быстроты откачки вакуумной камеры методом постоянного объема студенты освоят, выполняя лабораторную работу № 3. 
Дополняют издание правила техники безопасности, описание 
системы оценивания качества выполненных лабораторных работ, а 
также бланки отчетов по ним.  
4 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА 
Понятие вакуума.  
Характеристики вакуумных систем 
 
Рис. 1. Вакуумная система 
  
откачки: 
1 — вакуумный насос; 2 — трубопровод; 3 — вакуумная камера 
Вакуум — технологическая среда со значениями давления ниже атмосферного, это основная технологическая среда для новейших 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.  
5 

Таблица 1 
Основные характеристики вакуумной системы 
Наименование 
Обозначение Единица  
измерения 
Уравнение 
Движущая разность давлений 
1
2
p
p

 
МПа 
— 
1
p  
МПа 
— 
Давление на выходе из реципиента 3 в вакуумный трубопровод 2 (см. рис. 1) 
2
p  
МПа 
— 
Давление на входе в вакуумный насос 1 из трубопровода 2 
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:  
  
1
1
1 ,
S
U
S


 
 (1) 
о
н
или 
  
н
o
н
.
S U
S
S
U


 
 (2) 
6 

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 отсекать, сжимать и «выбрасывать» в область высокого давления; 
2) энергетический метод придает откачиваемому газу кинетическую энергию — достаточное количество движения, чтобы удалить его из вакуумной системы; 
3) метод отбора лишает откачиваемый газ кинетической энергии — количество движения газа «извлекается» за счет его химического связывания или конденсации на поверхностях. 
При использовании первого и второго методов требуемое для 
переноса газа из камеры в атмосферу количество движения необходимо обеспечить каким-либо рабочим инструментом. В современной практике в качестве инструмента выступают поршень, 
струя газа или ротор, вращающийся с большой скоростью. 
В третьем методе применяется, в частности, процесс управляемой сорбции. Его необходимо обеспечить присутствием в вакуумной системе сорбентов, поверхность которых реагирует с попадающими на нее молекулами газов. Если энергия сорбций превышает тепловую энергию молекулы, то последняя остается на 
поверхности. Этот процесс можно обеспечить за счет выбора сорбентов 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 попавших 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 получения низкого и среднего вакуума (область рабочих давлений 
5
1
10 ...10 Па); 
7