Основы конструирования вакуумных плазменных установок
Покупка
Новинка
Тематика:
Электричество и магнетизм. Физика плазмы
Авторы:
Марахтанов Михаил Константинович, Духопельников Дмитрий Владимирович, Воробьев Евгений Валентинович
Под ред.:
Ивашкин Анатолий Борисович
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 94
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4029-0
Артикул: 837698.01.99
Рассмотрены основные понятия вакуумной техники, а также характеристики вакуумных насосов, необходимые для проектирования и расчета вакуумных плазменных установок. Даны примеры определения параметров потоков газа и плазмы в вакууме. Приведены характеристики ряда промышленных и лабораторных установок, предназначенных для ионно-плазменной обработки изделий. Для студентов старших курсов технических университетов и инженеров, занимающихся разработкой и конструированием вакуумно-плазменных систем.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 12.03.01: Приборостроение
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 15.03.01: Машиностроение
- ВО - Специалитет
- 03.05.02: Фундаментальная и прикладная физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана М. К. Марахтанов, Д. В. Духопельников, Е. В. Воробьев Основы конструирования вакуумных плазменных установок Учебное пособие по курсам «Технологические ионно-плазменные установки» и «Промышленные магнетронные установки» Под редакцией А.Б. Ивашкина
УДК 533.6(075.8) ББК 31.76 М25 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/101/book428.html Факультет «Энергомашиностроение» Кафедра «Плазменные энергетические установки» Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета «Энергомашиностроение» в качестве учебного пособия Рецензенты: канд. техн. наук Ю. А. Хохлов, канд. техн. наук, доцент Н. К. Никулин М25 Марахтанов, М. К. Основы конструирования вакуумных плазменных установок : учебное пособие / М. К. Марахтанов, Д. В. Духопельников, Е. В. Воробьев ; под ред. А. Б. Ивашкина. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 91, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4029-0 Рассмотрены основные понятия вакуумной техники, а также характеристики вакуумных насосов, необходимые для проектирования и расчета вакуумных плазменных установок. Даны примеры определения параметров потоков газа и плазмы в вакууме. Приведены характеристики ряда промышленных и лабораторных установок, предназначенных для ионно-плазменной обработки изделий. Для студентов старших курсов технических университетов и инженеров, занимающихся разработкой и конструированием вакуумноплазменных систем. УДК 533.6(075.8) ББК 31.76 © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4029-0 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 2
ВВЕДЕНИЕ Вакуумно-плазменная технология, как следует из ее названия, тесно связана с физическими основами получения и сохранения вакуума в рабочей камере промышленной установки. Производительность установки в целом зависит от быстроты действия вакуумных насосов, режима течения газа в магистралях установки и времени напуска воздуха в вакуумную камеру по завершении цикла обработки деталей. Данные вопросы рассмотрены в настоящем пособии. Глубоко разреженный газ, или вакуум, является идеальной средой для создания устойчивого электрического разряда, плазма которого служит рабочим веществом как для быстрой, так и для весьма продолжительной обработки самых разнообразных деталей. Вместе с тем плотность подобной плазмы чрезвычайно мала, поэтому истекающий из нее поток ионов, представляющий собой основное рабочее вещество плазменной технологии, также невелик. Тем не менее роль вакуумно-плазменных установок в современной промышленности неоценима. Это производство элементов оптоэлектроники, компьютеров, транспортных машин, режущего инструмента, самолетов, медицина и т. д. Определению потоков заряженных и нейтральных частиц в разреженной плазме посвящена одна из глав настоящего пособия. Авторы надеются, что материал пособия поможет студентам старших курсов технических университетов и инженерам, занимающимся разработкой и конструированием вакуумно-плазмен- ных систем. 3
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ: БЫСТРОТА ОТКАЧКИ, БЫСТРОТА ДЕЙСТВИЯ, СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ ТРУБОПРОВОДА Быстрота действия насоса Sн, м3/c, или объемная производительность насоса, показывает, какой объем газа dV поступает из трубопровода в насос в единицу времени dt при заданном давлении на входе в насос pн: н . dV S dt = (1.1) Быстрота откачки камеры Sо, м3/c, или объемная производительность откачной системы, показывает, какой объем газа dV поступает из камеры в откачную систему в единицу времени dt при заданном давлении в камере pк: o . dV S dt = (1.2) Газовый поток Q, Па·м3/c = Вт, определяется как произведение объемного расхода S и давления p: . Q pS = Проводимость магистрали U, м3/c, определяется как отношение газового потока через участок трубопровода к разности давлений на его входе pвх и выходе pвых: вх вых . Q U p p = − (1.3) 4
Течение газа через трубопроводы описывается аналогично течению тока в электрических цепях. Участок трубопровода можно рассматривать как активное сопротивление. Проводимость трубопровода является аналогом электрической проводимости, разность давлений на концах трубопровода — аналогом падения напряжения, газовый поток через трубопровод — аналогом электрического тока. Таким образом, выражение (1.3) для проводимости участка трубопровода служит аналогом закона Ома для участка цепи. Рассмотрим вакуумную магистраль, состоящую из i последовательно соединенных участков трубопровода с проводимостью Ui (рис. 1.1). Рис. 1.1. Последовательное соединение участков трубопровода: Q — газовый поток через магистраль; U1, U2, Ui — проводимости участков трубопровода; pвх1, pвх2, pвхi — давления на входе в участки трубопровода; pвых1, pвых2, pвыхi — давления на выходе из участков трубопровода Через каждый из этих участков будет протекать одинаковый газовый поток Q, а давление на выходе из одного участка будет совпадать с давлением на входе следующего за ним: вых1 вх2; p p = вых( 1) вх . i i p p − = (1.4) Для суммарной проводимости UΣ этой системы с учетом выражений (1.5) можно записать: вх1 вых вх1 вых1 вх2 вых2 вх вых . ... i i i Q Q U p p p p p p p p Σ = = − − + − + + − (1.5) Взяв обратные величины от левой и правой частей выражения (1.5), получим выражение для суммарной проводимости последовательно соединенных участков трубопровода: 5
i i i i i вх вых вх вых ( ) 1 1 . − − = = = ∑ ∑ ∑ (1.6) i i i p p p p U Q Q U Σ Рассмотрим вакуумную магистраль, состоящую из i параллельно соединенных участков трубопровода с проводимостью Ui (рис. 1.2). Рис. 1.2. Параллельное соединение участков трубопровода: QΣ — газовый поток через магистраль; Q1, Q2, Qi — газовые потоки через участки трубопровода; U1, U2, Ui — проводимости участков трубопровода; pвх1, pвх2, pвхi — давления на входе в участки трубопровода; pвых1, pвых2, pвыхi — давления на выходе из участков трубопровода Через весь трубопровод будет протекать газовый поток QΣ, который представляет собой сумму всех газовых потоков, протекающих через отдельные участки трубопровода Qi, а давление на входе и выходе всех участков одинаково: Q Q ; ∑ Σ = i i = = = = (1.7) p p p p ... ; i вх1 вх2 вх вх = = = = p p p p i ... . вых1 вых2 вых вых Для суммарной проводимости UΣ системы параллельно соединенных трубопроводов с учетом условий (1.7) можно записать: Σ Σ = = = = − − − ∑ ∑ ∑ (1.8) Q Q Q U U p p p p p p i i i i i i i i вх вых вх вых вх вых . 6
Из выражения (1.6) видно, что при последовательном соединении трубопроводов суммарная проводимость магистрали снижается. При этом суммарная проводимость магистрали всегда меньше, чем проводимость трубопровода с наименьшей проводимостью. Из формулы (1.8) следует, что при параллельном соединении трубопроводов суммарная проводимость магистрали повышается. При этом суммарная проводимость магистрали всегда больше, чем проводимость трубопровода с наибольшей проводимостью. 1.1. Основное уравнение вакуумной техники Рассмотрим вакуумную систему (рис. 1.3), состоящую из вакуумной камеры 1, откачной магистрали (трубопровода) 2 и вакуумного насоса 3 (например, роторно-пластинчатого). Давление в вакуумной камере и на входе в насос равно соответственно pк и pн. Газ, откачиваемый из вакуумной камеры, проходит через весь откачной тракт и при отсутствии каких-либо течей создает во всех элементах вакуумной системы одинаковый газовый поток Q, т. е. газовый поток из камеры Qк равен газовому потоку в трубопроводе Qтр и газовому потоку в насос Qн: к тр н . Q Q Q Q = = = (1.9) Рис. 1.3. Схема вакуумной системы: 1 — вакуумная камера; 2 — трубопровод; 3 — вакуумный насос; pк — давление в вакуумной камере; pн — давление на входе в насос; Qк — газовый поток из камеры; Qтр — газовый поток в трубопроводе; Qн — газовый поток в насос 7
Запишем выражения для газовых потоков во всех элементах вакуумной системы и с учетом выражений (1.1), (1.2) и условия (1.9) получим = = = − ; ; ; Q Q p S Q p S U p p тр к к o н н н к н (1.10) = = = − ; ; . Q Q p S Q p S U p p к o н н к н Преобразуем формулу (1.3) для проводимости трубопровода с учетом выражений (1.10): к н к н 1 1 1 . p p p p U Q Q Q S S − = = − = − (1.11) o н Из формулы (1.11) получим выражение, называемое основным уравнением вакуумной техники: 1 1 1 . S S U = + o н Преобразуем основное уравнение вакуумной техники, выделив из него объемную производительность откачной системы Sо: н o н . S U S S U = + (1.12) Рассмотрим выражение (1.12) при условии, что проводимость трубопровода U много больше объемной производительности насоса Sн. Тогда значением объемной производительности насоса Sн в знаменателе выражения (1.12) можно пренебречь, и для объемной производительности откачной системы Sо получим н н о н н S U S U S S S U U = ≈ = + при н. U S ≫ (1.13) Рассмотрим выражение (1.12) при условии, что объемная производительность насоса Sн много больше проводимости трубопровода U. Тогда значением проводимости трубопровода U в знаме 8
нателе выражения (1.12) можно пренебречь, и для объемной производительности откачной системы Sо получим н н o н н S U S U S U S U S = ≈ = + при н . S U ≫ (1.14) Из формул (1.13) и (1.14) видно, что для эффективного использования насоса необходимо обеспечивать максимальную проводимость трубопровода. Тогда объемная производительность откачной системы будет приближаться к объемной производительности насоса. Наибольшую проводимость обеспечивают короткие магистрали максимального сечения. 1.2. Дифференциальное уравнение откачки. Расчет длительности форвакуумной откачки с учетом натекания Рассмотрим вакуумную камеру объемом V (рис. 1.4), в которую поступает газовый поток натекания Qн и осуществляется откачка с объемной производительностью Sо при давлении в камере pк. Изменение количества газа d(Vp) в камере в течение времени dt будет определяться разностью количества газа, поступающего в камеру (Qнdt) и откачиваемого из камеры (Sоdt). Дифференциал d(Vp) можно записать как ( ) . d Vp Vdp pdV = + (1.15) Рис. 1.4. Схема газовых потоков в вакуумной камере при откачке: V — объем вакуумной камеры; p — давление в вакуумной камере; Qн — поток натекания; Sо — объемная производительность откачной системы 9
Поскольку камера жесткая и объем ее не изменяется, вторым членом в правой части выражения (1.15) можно пренебречь, и с учетом потоков натекания и откачки для изменения количества газа в камере переписать выражение (1.15) в виде н 0 . Vdp Q dt S pdt = − (1.16) Преобразуем полученное дифференциальное уравнение (1.16), разделив переменные t и p: н o . Vdp dt Q S p = − (1.17) Выделим в правой части выражения (1.17) множитель −V/Sо: o н o . / V dp dt S p Q S = − − Проинтегрируем полученное выражение: н o o ln . Q V t p C S S ⎛ ⎞ = − − + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1.18) Постоянную интегрирования C найдем, подставив в формулу (1.18) условия, соответствующие моменту начала откачки t = 0, p = pнач: н нач o o ln . Q V C p S S ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1.19) Подставив выражение (1.19) в (1.18) для конечного времени откачки t, при котором достигается давление p, получим выражение для времени откачки с учетом натекания: нач н o н н нач o o o o o н o / ln ln ln . / p Q S Q Q V V V t p p S S S S S p Q S ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − = − − + − = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (1.20) Очень часто при форвакуумной (предварительной) откачке, когда давления в камере больше 1 Па, а потоки натекания малы, выполняется условие н o / . p Q S ≫ Тогда из формулы (1.20) можно получить выражение для времени откачки без учета натекания: 10