Вакуумная техника

метки: Вакуумный, Давление, Вакуум, Техник, Молекула, Температура, Свободный, Средний

Научный этап в развитии вакуумной техники начинается еще с 1643 года, когда в Италии Торричели измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О.Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения исследова­ний свойств разреженного газа.

В 1873 г. А.Лодыгин изобрел первый электровакуумный прибор — лампу накаливания с угольным электродом. В 1883 г. Т.Эдиссон отк­рыл термоэлектронную эмиссию.

В начале ХХ века были изобретены широко применяемые в настоя­щее время вакуумные насосы — вращательный, криосорбционный, моле­кулярный, диффузионный.

Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, но с конца прошлого века и до сих пор наиболее важное его применение — электронная техника. Низкий и средний вакуум применяется в освети­тельных приборах и газоразрядных устройствах. Высокий вакуум — в приемно-усилительных и генераторных лампах, в электронно-лучевых трубках и сверхвысокочастотных приборах. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесе­ния тонких пленок, ионного травления обеспечивают получение элеме­нтов электронных схем субмикронных размеров.

В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобожда­ет их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высо­кую механическую прочность, вязкость и пластичность. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения материалов с сильно различающимися свой-

ствами. Высококачественное соединение материалов с однородными

свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме.

Применение вакуумных технологий позволяет получать упрочня­ющие и защитные покрытия, обладающие уникальным набором свойств.

Вакуумное осаждение выгодно отличается от других методов прецизион­ностью, практически неограниченными возможностями управлять струк­турой и свойствами покрытий, возможностью получать сочетания метал­лических и неметаллических материалов в покрытии практически недос­тижимые другими способами.

Типовая вакуумная установка включает в себя вакуумную камеру, насосы, соединительные трубопроводы, вакуумные затворы и средства контроля вакуума. Стандартами приняты следующие условные обозначения элементов вакуумных систем, рис 1:

Рис. 1. Условные обозначения элементов вакуумных систем на схемах

Назначение и область применения полуавтоматической сварки под флюсом

... повысить производительность сварки по сравнению с ручной сваркой, поэтому шланговые полуавтоматы, хотя и были известны, не находили применения. Созданию практически пригодного шлангового полуавтомата способствовал переход ... глубокого холода, в агрессивных средах, в вакууме и в условиях высоких давлений. Наиболее выгодно использовать механизированную сварку под флюсом при производстве однотипных ...

1. Физика вакуума

1.1 Понятие о вакууме и давлении

Основой физики вакуума являются следующие постулаты:

1) Газ состоит из отдельно движущихся молекул.

2) Существует постоянное распределение молекул газа по скоростям.

3) При движении молекул газа нет преимущественного движения.

4) Температура газа — величина, пропорциональная его средней кине­тической энергии молекул.

5) При взаимодействии с поверхностью твердого тела молекулы газа адсорбируются.

В а к у у м — состояние газа при более низком давлении, чем атмосферное. При давлениях, близких к атмосферному, пользуются ко­личественным определением вакуума как разности атмосферного и абсолютного давлений. При абсолютном давлении, отличающемся от ат­мосферного более чем на два порядка, эта разность остается практи­чески постоянной и не может служить количественной характеристикой разреженного газа. В этих условиях вакуум определяют абсолютным давлением газа. При очень малых давлениях, которые не могут быть измерены приборами, состояние газа можно характеризовать количест­вом молекул в единице объема — молекулярной концентрацией газа.

Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверх­ность твердого тела:

, (1.1)

где ΔA — площадь поверхности; Δt — время взаимодействия молекулы

с поверхностью.

Давление газа на поверхность твердого тела найдем интегриро­ванием по объему полусферы, из которой молекулы достигают поверх­ности за время Dt, с радиусом R=vDt. С учетом выражения (1.1)

(1.2)

Вводя вместо постоянной среднеквадратичную скорость, получим

, (1.3.)

где n — молекулярная концентрация.

Учитывая, что плотность газа ρ=nm, выражение (1.3) можно при­вести к виду

Р = ρv _кв /3.

Уравнение (1.3) применимо при условиях равновесия, т.е. ра­венства потоков падающих и вылетающих молекул газа. Равенство мо­жет нарушаться, например, при адсорбции молекул на поверхности.

Атмосферный воздух — основная газовая смесь, с которой прихо­дится иметь дело в вакуумной технике. Он состоит в основном из азота, кислорода, паров воды и др. При 25ºС и 50% влажности парци­альное давление паров воды — 12 гПа (табл. 1.1).

В качестве нормальных условий приняты давление 10 ⁵ Па и тем­пература 273 К. При этом объем, занимаемый 1 кмоль, равен 22,4 м³ .

Таблица 1.1

Состав сухого атмосферного воздуха.

Газы	Содержание, %	Парциальное давление, гПа	Газы	Содержание, %	Парциальное давление, гПа
N 2 O 2 Ar CO 2 Ne He	78,1 21 0,9 0,03 0,0018 0,00052	781 210 9 0,3 0,018 0,0052	CH 4 Kr N 2 O H 2 Xe	0,0002 0,0001 0,00005 0,00005 0,000009	0,002 0,001 0,0005 0,0005 0,00009

Газовые законы

Парциальное давление газа — давление, оказываемое химически индивидуальным газом, содержащимся в газо­вой смеси, равное давлению, какое бы оказывал этот газ, если бы он был без других примесей при тех же условиях.

Если в объеме находится смесь из К химически не взаимо­действующих газов, то для определения давления смеси Рсм необходи­мо подсчитать сумму

(1.4)

Сравнивая (1.3) и (1.4), можно записать

(1.5.)

Последнее выражение — закон Дальтона: общее давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных дав­лений смеси.

Учитывая, что температура пропорциональна средней кинети­ческой энергии молекул газа, можно записать mV _кв /2=сТ, где с — по­стоянная. Тогда уравнение (1.3) для расчета давления газа можно представить в виде P=2ncT/3. Если обозначить k=2c/3, то

Р = nkT, (1.6)

а средняя кинетическая энергия молекул

mV _кв /2 = 3kT/2.

Уравнение (1.6) — уравнение газового состояния, связывающее между собой три основных параметра состояния газа: давление, моле­кулярную концентрацию и температуру. Постоянная k — постоянная Больцмана, ее экспериментальное значение 1,38·10 ^-23 Дж/К.

Уравнение (1.6) можно записать

(1.7)

где М — молекулярная масса газа; V — объем газа; R — универсальная

газовая постоянная: R=kN =8,31·10 ³ Дж/(К·моль); N — число Авогад­ро: N =М/m=6,02·10²⁶ кмоль^-1 .

Следствия из (1.7):

1. Закон Гей-Люссака — при постоянной массе и неизменном давлении объем газа пропорционален его абсолютной температуре.

2. Закон Шарля — при постоянной массе газа и его объеме давление газа пропорционально его абсолютной температуре.

3. Закон Бойля-Мариотта — при постоянных массе и температуре газа произведение его давления на объем неизменно.

4. Закон Авогадро — при постоянном давлении и температуре газа мо­лекулярная концентрация не зависит от рода газа.

Частота соударений газа с поверхностью

Число молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени, или частота соударений,

N _q =nV_ар /4, (1.8)

где Vар — среднеарифметическая скорость молекул газа.

Объем газа, ударяющийся о единицу поверхности в единицу вре­мени, можно выразить через частоту соударений и молекулярную кон­центрацию:

V _q =N_q /n=V_ар /4. (1.9)

Полученное выражение не зависит от давления и определяет максимальную быстроту действия идеального вакуумного насоса, отка­чивающего все молекулы газа, которые попадают в него через входное отверстие.

Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над уровнем моря и определяется по формуле Больцмана

(1.10)

где Р _о — давление газа у поверхности земли, z — высота.

Согласно формуле Больцмана, при подъеме на каждые 15 км давление воздуха уменьшается примерно на один порядок.

Распределение молекул по скоростям

При соударениях друг с другом или стенками вакуумной камеры молекулы газа изменяют свои скорости как по величине, так и по направлению. Скорость, при которой наблюдается максимум функции распределения, называется наиболее вероятной скоростью:

(1.11)

Обозначив с=v/v _вер , можно записать функцию распределения мо­лекул по скоростям так:

(1.12)

Безразмерные функции распределения

и

показаны на графике, рис. 1.1.

Рис. 1.1.

Функция F(c) численно равна доле общего числа молекул, скорости которых не превышают с.

В вакуумных расчетах часто используют скорости: среднеарифметическую

; (1.13)

среднеквадратичную

(1.14)

Соотношение между скоростями v _вер , v_ар , v_кв равно 1:1,128: 1,225. Так, для азота при 0ºС v_вер =402 м/с, v_ар =453 м/с, v_кв =492 м/с.

Средняя длина свободного пути

Направленный молекулярный поток, содержащий в начальный мо­мент N молекул газа, за счет столкновений с хаотически движущимися молекулами с частотой К за время dt уменьшается на величину

dN=-KNdt. После интегрирования получим

N = N _o e^-Kt = N_o e^-l/L . (1.15)

Средняя длина свободного пути молекул газа определяется отно­шением скорости молекул к числу столкновений в единицу времени: L=v/K.

Столкновение молекул произойдет, если расстояние между цент­рами молекул не более диаметра молекулы d _m . Примем, что одна молекула имеет радиус d_m , а остальные — математические точки с нулевым радиусом. При движении со скоростью v в газе с молекулярной кон­центрацией n такая молекула опишет объем и испытает cоударений. Средняя длина пути в этом случае

(1.16)

С учетом относительных скоростей движения молекул газа, кото­рые не учитывались, получим более точное выражение:

(1.17)

Опытные данные показывают, что при постоянной молекулярной концентрации с увеличением температуры длина свободного пути уве­личивается. Это можно учесть введением дополнительного множителя, определяемого экспериментально:

(1.18)

где С — постоянная Сазерленда, равная температуре, при которой в случае постоянной молекулярной концентрации газа средняя длина свободного пути молекул уменьшается вдвое по сравнению со значени­ем, соответствующим бесконечно большой температуре (табл.1.2).

С учетом взаимодействия молекул газа между собой (взаимного притяжения) и учетом (1.6) формулу (1.18) можно записать:

(1.19)

Для воздуха при Т=293 К и давлении 1 Па из (1.19) следует, что L ₁ = 6,7·10^-3 м·Па. При любом другом давлении

L = L ₁ /P=6,7·10^-3 /P, (1.20)

где Р — в Па; L — в м.

Таблица 1.2

Средняя длина свободного пути молекул различных газов при давлении 1 Па

Газы	L 1 ·103 , м·Па при t,К				Газы	L 1 ·103 , м·Па при t, K
	600	293	77	4,2
						600	293	77	4,2
N 2 O 2 Ar CO 2 Ne Kr	20,8 16,9 16,7 11,6 30,7 14,1	8,67 7,02 6,79 4,32 13,9 5,52	1,26 1,00 0,933 0,492 2,50 0,691	0,0061 0,0047 0,0042 0,0019 0,0165 0,0029	H 2 Xe H 2 O Воздух He	28,2 10,5 13,9 16,0 43,6	12,2 3,93 4,38 6,72 19,1	0,197 0,448 0,391 0,995 3,13	0,0108 0,0017 0,0013 0,0048 0,0174

Понятие о степенях вакуума

Многие физические процессы в вакууме существенно зависят от соот­ношения между числом взаимных столкновений молекул и числом столк­новений молекул со стенками вакуумной камеры. Частота столкновений между молекулами Кm обратно пропорциональна средней длине свобод­ного пути: К _m =v_ap /L. Среднее число соударений со стенкой камеры , где F — площадь поверхности стенок, сопри­касающихся с разреженным газом; V — объем камеры; d_эф =4V/F — эф­фективный размер вакуумной камеры.

Для молекул газа внутри сферического сосуда диаметром D d _эф =2D/3, для трубы бесконечной длины с диаметром D d_эф =D, а для двух бесконечных параллельных поверхностей, расположенных на расстоянии D друг от друга, d_эф =2D.

Отношение К _с /К_m — критерий Кнудсена

Kn = K _c /K_m = L/d_эф (1.21)

В зависимости от значения этого критерия различают вакуум низкий, средний и высокий.

Низкий вакуум — состояние газа, при котором взаимные столкно­вения между молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумной камеры, Kn<<1. При этом длина свободного пу­ти молекул газа значительно меньше размеров вакуумной камеры. При напылении в низком вакууме столкновения молекул газа с молекулами распыленного вещества не дают возможности получить на стенках камеры изображение экрана, поставленного на пути молекулярного пучка. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn<0,005.

Средний вакуум — состояние газа, когда частоты соударений мо­лекул друг с другом и со стенками камеры одинаковы: L=d _эф , Kn=1.

Высокий вакуум — состояние газа, при котором столкновения мо­лекул газа со стенками камеры преобладают над взаимными: Kn>1. В этом случае, при напылении, изображение экрана на пути молекуляр­ного пучка получается отчетливым. Из условия изменения режима те­чения газа принимают Kn>1,5. Тогда условие существования среднего вакуума можно записать в виде 0,005<Kn<1,5.

1.2 Сорбционные явления в вакууме

Процесс поглощения газов или паров твердыми телами неза­висимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газов на поверх­ности твердых тел — адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Абсорбция — это поглощение газов в объеме твердых тел. В процессе абсорбции газ растворяется в объеме твердого тела.

Вещество, поглощающее газ, называется сорбентом (адсорбентом, абсорбентом), а поглощаемое вещество — сорбатом (адсорбатом, абсорбатом).

Выделение газов из твердого тела — десорбция.

Сорбция — процесс экзотермический. При поглощении молекул га­за выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физи­ческую Q _ф и химическую Q_х природу.

Физическая составляющая энергии взаимодействия определяется следующими эффектами, обеспечивающими притяжение и отталкивание молекул: индукционный эффект притяжения при взаимодействии посто­янного и индуцированного диполей имеет место, если хотя бы одна из

взаимодействующих молекул обладает постоянным дипольным моментом;

ориентационный эффект притяжения наблюдается для двух молекул с

постоянными дипольными моментами; дисперсионный эффект притяжения

имеет место при взаимодействии флуктуирующих диполей, создаваемых

электронами, вращающимися вокруг ядра.

Отталкивание объясняется взаимодействием положительно заря­женных ядер сближающихся молекул. Энергия отталкивания Q _о обратно пропорциональна двенадцатой степени расстояния между молеку­лами: Qo=B/r¹² .

С учетом всех эффектов энергию взаимодействия между двумя молекулами можно записать Q=Q _о -Q_ф -Q_х . При Q=0 наблюдается равно-

весие, при котором энергии отталкивания и притяжения равны.

Энергия взаимодействия молекулы с твердым телом

(1.22)

где n и V — концентрация и объем атомов адсорбента. После интегри­рования составляющая энергии притяжения пропорциональна третьей, а отталкивания девятой степени расстояния между молекулой и поверх­ностью. Уравнение (1.22) можно представить в графической форме в виде потенциальных кривых, рис .1.2.

Рис. 1.2.

С приближением к поверхности молекула сначала оказывается в первой потенциальной яме. При этом наблюдается физическая адсорбция. Молекула с энергией поступательного движения kT/2 будет колебаться внутри потенциальной ямы между r _Ф1 и r_Ф2 . Если энергия молекулы пре­вышает φ_ф +φ_акт то она диссоциирует на атомы, которые химически взаимодействуют с поверхностью. При этом атомы попадают во вторую потенциальную яму и колеблются в ней между r_Х1 и r_Х2 .

Следующий этап процесса поглощения — абсорбция, которая ха­рактеризуется переходом хемосорбированных молекул газа в кристал­лическую решетку твердого тела.

Десорбция газа наблюдается в обратном порядке. Молекулы из твердого тела переходят в хемосорбированное состояние, откуда при достаточно высокой энергии молекул kT/2>f _х +f_акт они могут покинуть поверхность. Для удаления молекул из первой потенциальной ямы должно соблюдаться условие kT/2>f_ф .

На практике для удаления хемосорбированного газа адсорбент нагревают до температур 300-400ºС.

Конденсация и испарение

Вещества в зависимости от температуры и давления могут нахо­диться в различных агрегатных состояниях. При низких давлениях возможны переходы из парообразного состояния в жидкое (конденса­ция) и обратный процесс (испарение), из парообразного состояния в твердое (десублимация) и обратный процесс (сублимация).

Пар отличается от газа тем, что выше некоторого давления он переходит в жидкое состояние. Газ невозможно сконденсировать при увеличении давления.

Для расчета скорости свободного испарения в вакуум применимо уравнение Герца-Кнудсена, гр/(см ² ·с):

(1.23)

где Рт — давление насыщенного пара при температуре Т в ммрт.ст,

М — молекулярная масса. Данное выражение характеризует максимальную расчетную скорость, для достижения которой общее давление остаточного газа и паровой фазы над поверхностью испарения должно быть равно нулю. Реальные скорости испарения в технологических процессах обработки отличаются от расчетных. Влияние давления газа и пара над поверх­ностью учитывается разностью (Р _Т -Р).

Скорость массообмена на поверхности тела определяется выраже­нием

(1.24)

где G _к и G_и — соответственно скорость конденсации и испарения вы­ражается в кг/(м² єс), если М — в кг/моль, а R=8310 Дж/(кмоль·К); , γ — вероятность конденсации молекулы газа на поверхности — доля молекул, энергия которых меньше теплоты ад­сорбции φ_а

На диаграмме агрегатного состояния вещества Т _кр — критическая температура, выше которой вещество остается в газообразном состоянии при любых давлениях, рис. 1.3.

Рис. 1.3.

Кривая abc определяет давление насыщенного пара. При давлении, равном давлению насыщенного пара, на поверхности тел существует динамическое равновесие процессов конденсации и испарения: при (Р>Р _Т ) происходит осаждение, а при (Р<Р_Т ) — удаление вещества с поверхности тела.

Процессы сублимации — десублимации описываются аналогичными выражениями.

Растворимость газов в твердых телах

Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его температуры, давления и типа кристаллической решетки. Газы в металлах растворяются в атомарном состоянии, и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Зависимость растворимости от давления и температуры имеет следующий вид:

, (1.25)

где n — число атомов в молекуле газа; Q _s — энергия активации при растворении; S_o — постоянный коэффициент. Знак «+» в формуле приме­няют для газов, образующих с металлом химическое соединение, а знак «-» для газов, образующих истинные растворы. Растворимость газов, образующих растворы (Н₂ в Cu, Fe, Ni), с повышением темпе­ратуры возрастает, образующих химические соединения (H₂ в Ti) — уменьшается. Кроме того, растворимость водорода в титане больше, чем в никеле, железе и меди.

В неметаллах газы растворяются в молекулярном состоянии и за­висимость растворимости имеет вид

_. (1.26)

Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осу­ществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решет­ку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорционален гради­енту концентрации. Для стационарного газового потока через стенку толщиной 2h градиент концентрации ds/dx=(s ₁ — s₂ )/(2h), тогда

, (1.27)

где q — число молекул, проходящих в единицу времени через единицу площади поперечного сечения в направлении оси х; D — коэффициент диффузии; s ₁ и s₂ концентрации газа на границах стенки.

1.3 Физические процессы в вакууме

Вязкость газов

При перемещении твердого тела со скоростью vп за счет переда­чи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.

В области низкого вакуума газ между подвижной 2 и неподвижной 1 пластинами можно разделить на слои толщиной L, где L – средняя длина свободного пути, рис. 1.4.

Рис. 1.4.

Скорость движения каждого слоя различна и линейно зависит от расстояния между поверхностями переноса. В плоскости х ₀ происходят столкновения молекул, вылетевших из плоскостей х^` и х^« .

Причиной возникновения силы вязкостного трения является то, что движущиеся как единое целое отдельные слои газа имеют различную скорость, вследствие чего происходит перенос количества движения из одного слоя в другой. Изменение количества движения в результа­те одного столкновения равно 2mLdv _п /dx. В среднем в отрицательном и положительном направлениях оси х в единицу времени единицу пло­щади в плоскости х₀ пересекают согласно (1.8) nv_ap /4 молекул, тогда общее изменение количества движения в единицу времени для плоскости х₀

(1.28)

Сила трения по всей поверхности переноса, согласно второму закону Ньютона, определяется общим изменением количества движения в единицу времени:

, (1.29)

где А — площадь поверхности переноса; η — коэффициент динамической

вязкости газа:

. (1.30)

Отношение η/ρ называют коэффициентом кинематической вязкости. Согласно полученному выражению коэффициент динамической вязкости при низком вакууме не зависит от давления.

С повышением температуры газа η изменяется по зависимости

. (1.31)

В области высокого вакуума молекулы газа перемещаются между движущейся поверхностью и неподвижной стенкой без соударения. В этом случае сила трения рассчитывается по уравнению

Fтр = -mv _п v_ap A/4_. (1.32)

Сила трения в области высокого вакуума пропорциональна моле­кулярной концентрации или давлению газа. Уравнение (1.32) с учетом (1.13) можно записать

. (1.33)

откуда следует, что сила трения возрастает пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры.

В области среднего вакуума сила трения

. (1.34)

При низком вакууме L→0 и формула (1.34) совпадает с (1.29), а при высоком вакууме, когда L→∞cовпадает с (1.33).

Перенос теплоты в вакууме

Теплопередача в разреженных газах может происходить за счет конвекции, теплопроводности и излучения.

При низком вакууме конвективный теплообмен играет важную роль. Перенос теплоты конвекцией от поверхности нити, нагретой до температуры Т _н , к стенкам камеры, имеющим температуру Т, описыва­ется уравнением

Е _к = α(Т_н -Т)А, (1.35)

где α — коэффициент теплообмена; А — площадь поверхности нити. Ко­эффициент теплообмена в условиях вынужденной конвекции при попе­речном обтекании нити воздухом

α _в = Nuλ/d, (1.36)

где λ — коэффициент теплопроводности газа; d — характерный размер, диаметр нити; Nu=k ₁ Re^k2 — критерий Нуссельта; Re=v_г dr/h — критерий Рейнольдса; v_г — скорость газового потока; k₁ и k₂ — константы.

Теплопроводность газа в качестве явления переноса при низком вакууме можно рассматривать аналогично вязкости газа. Вместо коли­чества движения в этом случае переносится энергия молекул газа.

Количество теплоты, отнесенное к одной молекуле газа,

Q ₁ =c_v mT_, (1.37)

где с _v — теплоемкость газа при постоянном объеме; m — масса молеку­лы газа; Т — абсолютная температура.

Если концентрация газа n постоянна, то аналогично (1.29) по­лучим выражение для теплового потока:

, (1.38)

где λ _н — коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме:

λ _н = nmv_ар Lc_v /2 = ηc_v. (1.39)

Коэффициент теплопроводности газа равен произведению коэффи­циента динамической вязкости на удельную теплоемкость, которую можно рассчитать по формуле

---

---