автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Физико-технические основы создания оптимизированных высоковакуумных магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного технологического и аналитического оборудования электронной техники

На правах рукописи

КУРБАТОВ ОЛЕГ КОНСТАНТИНОВИЧ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ

ВЫСОКОВАКУУМНЫХ МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСОВ, ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И АНАЛИТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в ФГУП им. С.А. ВЕКШИНСКОГО», г Москва

«НИИ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Кеменов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Кожитов Лев Васильевич

доктор технических наук, профессор Саксаганский Георгий Леонидович

доктор технических наук, профессор Слепцов Владимир Владимирович

Ведущая организация:

ИНСТИТУТ СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ РАН, г. Москва

Защита состоится «21» марта 2006 г. в 11 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.133.05 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).

Адрес института: 109028, г. Москва, Б. Трех святительский пер. 1 - 3/12, стр. 8, МИЭМ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ

Автореферат разослан « > февраля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, Кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в производстве полупроводников, материалов и приборов электронной техники значительную часть всего парка специального технологического оборудования составляет вакуумно-технологическое оборудование, работающее в широком диапазоне давлений в рабочих камерах — от 10 до 10 Па. На этом оборудовании производятся различного рода электровакуумные приборы: осветительные и газоразрядные приборы, приемно-усилительные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи, СВЧ-приборы.

Вакуумно-технологическое оборудование, оснащенное сложными электрофизическими устройствами, используется для газоплазменной и ионно-лучевой обработки материалов (очистки, травления и нанесения тонких пленок) при производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем вплоть до субмикронных размеров с применением нанотехнологий. Этим же целям служит вакуумно-технологическое оборудование с применением ионной имплантации, получившее широкое распространение в микроэлектронике в силу своих уникальных технологических возможностей.

В производстве больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) применяется вакуумно-технологическое оборудование, в котором используются методы литографии: ультрафиолетовый, электронно-лучевой, ионно-лучевой, рентгеновский и синхротронный. Имеется вакуумно-технологическое оборудование для производства пьезоприборов.

В настоящее время'для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных, рентгеновских, СВЧ приборов и других ответственных приборов), а также аналитического оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковаку-умных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Разработка новых и дальнейшая модернизация имеющихся конструкций приборов и технологий их производства с использованием вакуумнсьтехнологического оборудования решающим образом зависит от степени получаемого разрежения, от качества откач-ных средств и состава остаточных газов. Производство выше перечисленных приборов и создание высокоточного с повышенным разрешением многофункционального аналитического оборудования требуют применение сверхвысоковакуумных и безмасляных средств откачки (с А/<44), обеспечивающих вакуум ~10"8 Па.

Проведенный анализ технологического и аналитического оборудования показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с испарительными насосами или с нераспыляемымн геттерами.

Для создания магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. 1-Ю"8 Па вместо 2-10"7 Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований. Поэтому разработка физико-технических основ создания оптимизированных магниторазрядных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и герметизирующих устройств явилась актуальной задачей.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является разработка физико-технических основ создания высоковакуумных оптимизированных магниторазрядных насосов, цельнометаллических разъемных фланцевых соединений и запорно-регулирующих устройств, предназначенных для повышения технического уровня и эффективности

сверхвысоковахуумного безмасляного технологического и аналитического оборудования производства изделий электронной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: -анализ средств формирования безмасляной газовой среды в высоковакуумных системах технологического оборудования;

-разработка физико-математической модели зависимости быстроты действия маг-ниторазрядной ячейки от коэффициента катодного распыления, коэффициента поглощения газовых молекул и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению);

-проведение исследования распределения ионов по поверхности катода, по углам и до энергиям в элементной ячейке насоса;

-проведение экспериментального определения коэффициентов распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки в условиях сверхвысокого вакуума;

-экспериментальное исследование и определение коэффициента поглощения азота пленками титана в магниторазрядном насосе;

-экспериментальное исследование зависимости разрядного тока от физических параметров разряда в широком диапазоне давлений вплоть до 10"8 Па;

-разработка инженерной методики расчета магниторазрядных насосов; -разработка и внедрение параметрического ряда оптимизированных магнитораз-рядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;

-проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса герметизации разъемных сверхвысоковакуумных соединений;

-разработка параметрического ряда оптимизированных сверхвысоковакуумных разъемных фланцевых соединений;

-проведение исследований по созданию новых цельнометаллических клапанов, прогреваемых до 400°С в закрытом состоянии;

. -разработка и внедрение в серийное производство оптимизированных сверхвысоковакуумных цельнометаллических клапанов и высоковакуумных затворов шиберного типа, а также ряда быстродействующих форвакуумиых клапанов..

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались положения теоретических основ вакуумной техники, физики твердого тела, газового разряда, сопротивления материалов, а также современные методы экспериментальных исследований, в том числе с использованием сканирующего зондового микроскопа. Использовались методы математического и физического моделирования, системного анализа и компьютерной обработки расчетных зависимостей.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые проведены обширные и комплексные экспериментальные исследования зависимости разрядного тока от физических параметров и геометрических размеров ячейки магниторазрядного насоса в широком диапазоне давления остаточного газа (от 10'1 до 1СГ8 Па). Необходимость проведения этих исследований объясняется отсутствием законченной теории разряда Пеннинга, лежащего в основе работы магниторазрядных насосов (из-за чрезвычайной сложности газового разряда с изменяющимся отрицательным объемным зарядом при изменении давления в скрещенных электрическом и магнитном полях).

Впервые в ячейке с параметрами промышленных магниторазрядных насосов экспериментально исследованы распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям. Получено, что средняя энергия бомбардирующих катод ионов при давлении 5-КГ4 Па составляет приблизительно 0,5е1/а (~3,5 кэВ).

' При этом обнаружено, что энергия ионов, определяющаяся величиной потенциала в местах рождения ионов, зависит от давления: с понижением давления средняя энергия ионов возрастает, а при повышении давления - уменьшается, что свидетельствует о непостоянстве величины отрицательного объемного заряда.

Впервые экспериментально определены коэффициенты распыления "П положительными ионами N2*, Ог, Аг+ в диапазоне энергий от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме (~10-7 Па).

Показано, что в условиях работы магниторазрядных насосов при 1/а~7 кВ и давлении 5-10"4 Па коэффициент распыления титана ионами азота составляет 0,7 ат/ион, ионами кислорода— 0,5 ат/ион, ионами аргона —1,5 ат/ион.

Получена аналитическая формула зависимости быстроты действия разрядной ячейки от коэффициента распыления материала катода газовыми ионами, от коэффициента поглощения газовых молекул металлическими пленками и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению).

Теоретически и экспериментально показана корреляция зависимости интенсивности разряда и быстроты действия насоса от давления. Это чрезвычайно важное обстоятельство дало возможность заменить трудоемкие и дорогостоящие измерения зависимости быстроты действия различных макетов насосов от их параметров на измерения разрядного тока и интенсивности разряда в одиночных ячейках от физических и геометрических параметров в широком диапазоне давлений.

При исследовании процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений впервые предложена и разработана физическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны плоского медного уплотнителя.

Применение математического метода конечных элементов (МКЭ) для напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений позволяет глубже понять физику процесса и увидеть пути дальнейшего совершенствования техники вакуумной герметизации.

Впервые в большом объеме исследованы и изучены особенности, технические и эксплуатационные характеристики разъемных цельнометаллических фланцевых соединений различных конструкций и прогреваемых клапанов. При этом выбрана оптимальная конструкция — разъемные соединения со встречными канавками.

Практическая ценность я реализация результатов работы:

1. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать метод расчета магниторазрядных насосов.

2. На основании научных результатов работы разработан и внедрен в серийное про- . изводство на Искитимском машиностроительном заводе (г. Искигим, Новосибирской области) параметрический ряд насосов 3-го поколения - насосов НМД с быстротой действия от 6,3 до 1000 л/с (по азоту) с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

3. Разработан ряд малогабаритных магниторазрядных насосов с быстротой действия от 0,02 до 1 л/с для откачки и поддержания вакуума в приборах специального назначения.

4. Разработаны принципы проектирования высоковакуумной запорно-регулиругощей арматуры, на основании которых созданы и внедрены в серийное производство на Машиностроительном заводе «ТЕМП» (г. Фурманов, Ивановской области) параметрические ряды сверхвысоковакуумных и форвакуумных клапанов, затворов, на-техателей с Ду от 6,3 до 400 мм (работающих в широком диапазоне давлений).

5. Созданные насосы серии НМД и новая запорно-регулирующая арматура широко применяются на предприятиях электронной техники в составе сверхвысоковакуум-ного безмасяяного оборудования для разработки и производства целого класса ЭВП повышенной сложности (ЭОП, ФЭП, СВЧ и рентгеновские приборы и др.), а также в составе сверхвысоковакуумного технологического оборудования типа мо-лекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и аналитического оборудования (Оже-спектрометры, ВИМС, МРЭМ и др.) - ФГУЛ «НЛП «ТОРИЙ» (г. Москва), ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского» (г. Москва), ФГУП «НПП «ИСТОК» (г. Фрязино,

Московской области), ОАО «Завод ПЛУТОН» (г. Москва), ОАО «НИТИ-САЕНС» (г. Рязань) и др.

6. Значительный объем созданной новой элементной базы широко используется в смежных отраслях науки и техники: в комплексах экспериментальной и технической физики (Серпуховской ускоритель заряженных частиц, Московская мезонная фабрика, ускорительно-накопительный комплекс Института ядерной физики им. академика Г.И. Будкера СО РАН, РНЦ «Курчатовский институт» и др.)

7. Принципы и методы разработки вакуумной арматуры успешно использованы для создания новой отечественной гидравлической и газовой арматуры, применяющейся в теплоэнергетическом городском хозяйстве - в центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИГЛ), тепловых станциях и других теплоэнергетических объектах.

8. За создание и внедрение в промышленность сверхвысоковакуумных магнитораз-рядных насосов и высоковакуумных средств технологического и научного оборудования электронной техники группе ученых и специалистов НИИВТ им. С.А. Векшинского, МИЭМ и МГУ была присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники, в том числе автору диссертационной работы как главному конструктору насосов НМД.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Сущность и критерии оптимизации магниторазрядаых насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного оборудования электронной техники.

2. Физико-математическая модель зависимости быстроты действия магниторазрядной ячейки от коэффициента поглощения газовых молекул, коэффициента распыления титана и интенсивности разряда.

3. Методика и результаты экспериментальных исследований углового и энергетического распределения ионов, бомбардирующих различные участки катодов в элементарной ячейке насоса (в разряде Пеннинга).

4. Методика и результаты исследования распыления титана ионами азота, кислорода и аргона в сверхвысоком вакууме.

5. Результаты комплексных экспериментальных исследований зависимостей разрядного тока от геометрических размеров элементарной ячейки насоса, от анодного напряжения и напряженности магнитного поля в широком диапазоне давлений.

6. Методика расчета, принципы проектирования и создание насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

7. Физико-математическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны пластичного уплотнителя и результаты исследования процесса герметизации цельнометаллических разъемных вакуумных соединений.

8. Результаты комплексных экспериментальных исследований различных типов цельнометаллических разъемных соединений и выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.

9. Результаты экспериментальных исследований по созданию оптимизированной за-порно-регулирующей арматуры.

10. Конструктивно-технологические принципы проектирования и создание запорно-регулирующей арматуры с оптимальными техническими характеристиками. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: на многочисленных Всесоюзных конференциях по «Физике и технике сверхвысокого вакуума» (Ленинград) в период с 1972 по 1988 г.г., по «Вакуумной науке и технике» (г. Казань) в период с 1973 по 1991 г.г. и в 2001 г., на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах предприятий МЭП (г. Москва, г. Рязань, г. Брянск, г. Пенза, г. Нальчик, г. Калининград) в период с 1979

по 1990 г.г., на Всесоюзных конференциях по тонким пленкам (г. Адлер, г. Туапсе и г. Махачкала) в 1987, 1988 и 1989 г.г., на 1-ой, 3-ей, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Международных научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» в Крыму, в 1994, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000,2001,2002,2003,2004,2005 г.г., и научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» - Санкт-Петербург 2000, 2004,2005 г.г., на 3-ем Российско-японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» МИСиС-ULVAC Inc., Москва 2005, на научной сессии МИФИ-2005, секция «Физика плазмы».

Публикации. Основное содержание работы изложено в 57 публикациях, одном учебном пособии, 18 авторских свидетельствах на изобретение и 3 патентах РФ. Выпущено 32 научно-технических отчета ФГУП «НИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинско-го»

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 182 наименований. Общий объем работы составляет 348 стр., в том числе 183 рисунка и 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные положения, вынесенные на защиту

Первая глава посвящена анализу требований и средств формирования безмасляной остаточной газовой среды в высоковакуумных системах технологического и аналитического оборудования производства изделий электронной техники.

Среди многообразия вакуумно-технологического оборудования производства изделий электронной техники существенную часть представляет оборудование, основанное на получении в рабочих камерах в качестве рабочей среды безмасляного сверхвысокого вакуума порядка 10"7 — 10"8 Па.

Это оборудование должно обеспечивать в электровакуумных приборах повышенной сложности и ответственности остаточное давление не выше 10"5 — 10 Па. К таким электронным приборам относятся: СВЧ-приборы (магнетроны, лампы бегущей и обратной волны), рентгеновские трубки, фотоэлектронные приборы (ФЭП), электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

В технологии производства этих приборов важнейшим этапом является термовакуумная обработка — процесс создания в приборе необходимого вакуума и условий сохранения его во время эксплуатации для надежной работы прибора со стабильностью технических характеристик в течение всего назначенного срока службы.

Несоблюдение требований по допустимому составу и парциальным давлениям остаточных газов даже при очень низком суммарном давлении в приборе резко снижает его работоспособность. Это связано с тем обстоятельством, что в случае повышенного содержания в составе остаточных газов Ог, СО, COz, паров воды происходит интенсивное окисление и, как следствие, перегорание нагретых деталей и в первую очередь катода. Особенно хубительпо для приборов присутствие тяжелых углеводородов в составе остаточных газов (с М > 44). По этим причинам для производства указанных приборов используется сверхвысоковакуумное безмасляное технологическое оборудование. Для разработки и производства особо чистых материалов электронной техники также используется сверхвысоковакуумное безмасляное оборудование.

Специальное вахуумно-технологическое оборудование с технологией молекудяр-но-лучевой эпитаксии служит для выращивания кристаллов и получения сплавов практически с любым соотношением составляющих компонентов, получения структур СВЧ-полупроводниковой электроники.

К классу вакуумно-технологического оборудования следует отнести и оборудование для контроля и анализа поверхности твердого тела.

В числе методов аналитического оборудования: электронная оже-спектроскопия и масс-спектрометрия вторичных ионов, резерфордовского обратного рассеяния, растровое ионное зондирование, электронная микроскопия высокого разрешения, растровая электронная микроскопия, метод рентгеновских стоячих волн, сканирующая туннельная микроскопия, релаксационная спектроскопия глубоких уровней и ряд других методов.

Ускоряющее воздействие на развитие аналитической техники оказывает лидирующая тенденция к дальнейшему уменьшению размеров топологии твердотельных электронных устройств с недостижимыми ранее характеристиками (с линейными размерами элементов СБИС ~ 0,05 мкм).

Эффективная разработка новых изделий микроэлектроники и оптимизация технологии их производства невозможны без достоверной информации о химическом составе и распределении легирующих и фоновых примесей в объеме а на поверхности тонкопленочных систем.

При этом особенно заметно проявились эти требования при разработке ряда развивающихся технологических процессов: молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), ионного перемешивания и создания скрытых диэлектрических слоев, лазерного и фотонного отжига, процессов осаждения пленок из газовой фазы при пониженных давлениях, активизируемых электромагнитным излучением (СВЧ, УФ и лазерным излучением).

Современное состояние исследований и производство изделий микроэлектроники, требующих точного метрологического и аналитического обеспечения, приводят к тому, что аналитический прибор становится частью технологической установки. Типичный пример этого — включение аналитических узлов в состав установок молекулярно-лучевой эпитаксии, что превращает их в единый аналитико-технологический комплекс.

Все вышеперечисленные методы исследований и производственные процессы современной микроэлектроники требуют обеспечения чистых условий на поверхности. Поэтому в аналитических приборах и оборудовании прежде всего должно выполняться условие обеспечения безмасляного сверхвысокого вакуума, т.е. давление остаточных газов не должно превышать ~ 1 • I О"8 Па.

Вообще в качестве средств получения безмасляного сверхвысокого вакуума используются криогенные, турбомолекулярные, магвиторазрядные и комбинированные электрофизические насосы (мапшторазрядные и^испарительно-геттерные насосы или ве-распыляемые геттеры совместно с магниторазрддными насосами).

Криогенные насосы, являясь хорошими средствами получения «чистого» вакуума без присутствия в спектре остаточных газов тяжелых углеводородов, имеют ряд эксплуатационных недостатков при их промышленном применении.

«Заливные» насосы требуют периодической дозаливки жидкого гелия и наличия устройств накопления испаряющегося гелия. Кроме того, производство жидкого гелия и утилизация газообразного гелия для дальнейшего его использования в настоящее время являются относительно дорогостоящими мероприятиями. Эти процессы сложно автоматизировать.

Криогенные насосы с автономными криогенераторами являются довольно сложными и дорогостоящими устройствами, требующими высокой точности и культуры производства, высокой производственной технологии.

К числу безмасляных средств получения сверхвысокого вакуума относят также турбомолекулярные насосы с магнитными и воздушными опорами подшипников. В момент работы такого типа турбомолекулярного насоса в спектре остаточных газов действительно отсутствуют тяжелые углеводороды. Однако в промышленных насосах с масляной смазкой подшипников после остановки насосов наблюдается проникновение тяжелых углеводородов (с М>44) в высоковакуумный объем вследствие миграции масла из форваку-умной части насоса и системы в целом по внутренней поверхности турбомолекулярного насоса и последующего испарения паров масла в откачиваемый объем. Об этом свидетельствуют исследования спектров остаточных газов, выполненные как на отечественных,

так и на зарубежных насосах. Поэтому, строго говоря, турбомолекулярные насосы не являются абсолютно безмасляными средствами сверхвысокого вакуума.

В качестве сверхвысоковакуумных безмасляных средств получения вакуума в выше рассмотренном классе оборудования чаще всего используются магниторазрядные насосы или комбинированные насосы на их основе, обладающие рядом преимуществ перед другими насосами, особенно в промышленных условиях (по сравнению с турбомолеку-лярными, криогенными и другими сверхвысоковакуумными насосами).

Проведенный в диссертационной работе анализ состава откачных частей сверхвы-соковакуумного технологического оборудования производства электровакуумных приборов повышенной сложности и ответственности, а также сверхвысоковакуумного физико-аналитического оборудования и оборудования выращивания чистых кристаллов показывает, что основными элементами откачных частей такого оборудования являются сверх-высоковакуумные магниторазрядные насосы, разъемные соединения и запорная арматура.

Для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик высоковакуумных ЭВП (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных, рентгеновских и СВЧ-приборов), а также других типов ответственных приборов и сверхвысоковакуумного безмасляного оборудования потребовалось совершенствование основной части элементной базы оборудования: сверхвысоковакуумных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и залорно-регулирующей арматуры.

В разработках описанного типа оборудования должны были использоваться магниторазрядные насосы и запорная арматура с оптимизированными техническими характеристиками.

Отечественные магниторазрядные насосы нового поколения в отличие от предшествующих насосов серии НЭМ и НОРД с охлаждаемыми водой анодами должны были иметь оптимальные физические и геометрические параметры, которые обеспечили бы:

1. получение предельного остаточного давления на один порядок ниже - 1-Ю"8 Па (вместо 2 10 Па);

2. более широкое плато зависимости быстроты действия насосов от давления

3. наибольшее пусковое давление Ро неохлаждаемых насосов близкое к Ро охлаждаемых насосов - не менее 1 Па;

4. массогабаритные характеристики существенно лучшие, чем у насосов НЭМ и НОРД;

5. технический уровень новых насосов должен быть не ниже уровня лучших аналогичных зарубежных диодных насосов - насосов фирмы Уаггап (США);

6. невысокие цены на насосы.

Аналитически эти требования в общем виде можно выразить следующими форму-

5 Р 5 Р

лами: АГ0Н = —и Хион =-^—где Кон - коэффициент технической огггималь-

М Рпр с-М Рп„

поста насоса; К^м - интегральный коэффициент оптимальности;

5 - быстрота действия насоса, л/с;

М- масса насоса, кг; с=С/5 - удельная цена насоса (на 1 л/с откачки); С - цена насоса; Ро — наибольшее пусковое давление, Па; Рпр — предельное остаточное давление, Па.

. Из формул видно, что чем выше Кон, тем в большей степени насос будет удовлетворять требованиям оптимизации и эффективности работы. Этот коэффициент может служить критерием оптимальности при сравнении насосов различной конструкции.

Новая запорная арматура также должна была иметь технические характеристики и конструкции, которые обеспечили бы:

1. оптимальные усилия герметизации основного узла — герметирующей пары «седло-тарель»;

2. как следствие п.1, существенное повышение средней наработки на отказ до —100 тыс. циклов «открыто-закрыто» и среднего ресурса - до 500 тыс. циклов (уплотнитель из термостойкой резины);

3. повышенную степень герметичности: допустимый поток натекания через пару «седло

— тарель» в закрытом состоянии ди для сверхвысоковакуумной арматуры (СВВА) — не более МО"1® м3Па/с, а для форвакуумной арматуры (ФА) - не более 5 10 м3Па/с;

4. максимально возможную вакуумную проводимость;

5. соответствие требованиям ГОСТ и стандартам 1БО\

6. невысокие цены на арматуру;

7. технический уровень не ниже уровня лучших зарубежных аналогов - арматуры, фирмы УА Т (Швейцария).

Аналитическое выражение соответствия запорной арматуры (клапанов или затворов) основным требованиям оптимальности может быть представлено следующими фор-

и N и N

мулами: К'ол = ———^—— и К'=———-——— ,где К'- коэффициент техниче-М-Рул £ с-М'Руя ?

ской оптимальности запорной арматуры (клапана или затвора) с ручным приводом; К^

- интегральный коэффициент оптимальности; и— вакуумная проводимость в молекулярном режиме, л/с; М— масса клапана (затвора), кг; с=СЯ/— удельная цена (на 1 л/с проводимости), С—цена; Л^ — средняя наработка на отказ (среднее количество циклов «открыто-закрыто», наработанных до первого отказа); # — допустимый поток натекания воздуха через закрытый клапан, м3Па/с; лРуд — удельное усилие герметизации в узле «заслонка-седло», Н/мм.

и N

Для клапанов с электромагнитными приводами Л""а =--1§—— и

М д-1

с-М д'1

А'ио« = —— • —:, где I— ток удержания клапана в открытом положении, А.

Остальные обозначения те же самые. Из формул следует, что чем выше коэффициенты оптимальности К'оа и К"а, тем в большей степени запорная арматура удовлетворяет требованиям оптимизации и эффективности работы. Эти коэффициенты могут служить критериями оптимальности при сравнении запорной арматуры различной конструкции.

Во второй главе обсуждается опыт создания и эксплуатации магниторазрядных насосов первого и второго поколений - серии НЭМ и НОРД (НМДО).

В магниторазрядных насосах откачка происходит путем поглощения остаточных газов пленками геттера, чаще всего титана, распыляемого газовыми ионами в высоковольтном разряде в магнитном поле. Активные газы (азот, кислород и др.) откачиваются благодаря прочному химическому связыванию их с пленками титана (хемосорбции), а инертные газы (гелий, неон, аргон и др.) откачиваются за счет внедрения образованных в разряде ионов в нераспыляемые участки поверхности электродов с одновременным залы-лением титаном.

Широкое использование этих насосов объясняется целым рядом их преимуществ по сравнению с другими средствами откачки, среди которых основными являются:

1. получение безмасляного вакуума, свободного от тяжелых углеводородов;

2. отсутствие движущихся частей и бесшумная работа насоса;

3. относительная простота конструкции и высокая надежность в работе;

4. большой ресурс работы - десятки тыс. часов при давлении 10 Па;

5. широкий диапазон рабочего давления — 10 - Ю-9 Па;

6. возможность измерения вакуума по току разряда в насосе;

7. авторегулировка расхода геттерного материала;

8. безопасность аварийного прорыва атмосферного воздуха в насос вследствие отсутствия высокотемпературных элементов;

9. возможность поиска течей без вскрытия вакуумной системы;

10. экономичное потребление электроэнергии;

11. возможность легкого встраивания магниторазрядных насосов в автоматизированные технологические посты и установки, вплоть до управляемых от ЭВМ и компьютеров;

12. малая инерция при запуске и остановке;

13. любое рабочее положение;

14. относительно невысокая цена

К недостаткам магниторазрядных насосов следует отнести:

1. относительно большую массу их (по сравнении с паромасляными насосами) из-за применения постоянных магнитов;

2. наличие магнитного поля;

3. пониженную быстроту действия по инертным газам по сравнению с активными газами;

4. способность «запоминать» ранее откачиваемые газы, так называемый эффект памяти магниторазрядных насосов.

Однако в большинстве случаев эти недостатки являются несущественными, а маг-ниторазрядные насосы успешно используются в качестве безмасляных средств получения сверхвысокого вакуума.

Первый магниторазрядный насос непрерывного действия (без насыщения), в котором использовался разряд Пеннинга, был предложен в 1956 году профессором МТУ Э.М. Рейхруделем и сотрудниками. Насос представлял собой набор круглых ячеек в стеклянном баллоне, размещенном в длинном соленоиде.

Интенсивное применение магниторазрядных насосов в промышленности началось с 1958 года, когда Холл предложил удобную в изготовлении многоячеистую сотовую конструкцию насоса с металлическим корпусом и постоянными магнитами.

В 1962-64 гг. была создана первая серия отечественных магниторазрядных насосов промышленного типа — серия НЭМ с быстротой действия по азоту 0,2; 30; 100 и 300 л/с, а позже были разработаны насосы с быстротой действия 1000 и 2500 л/с.

Разработка насосов серии НЭМ явилась серьезным шагом вперед в создании отечественных безмасляных средств получения сверхвысокого вакуума.

Насосы серии НЭМ сразу нашли широкое применение в электронной промышленности и в экспериментальном физическом оборудовании. Большое количество насосов серии НЭМ было использовано для откачки самого крупного в то время отечественного ускорителя заряженных частиц - Серпуховского ускорителя. Главным образом там были применены насосы НЭМ-100, НЭМ-300 и НЭМ-1Т и НЭМ-2.5Т.

Насосы серии НЭМ по своим вакуумным и эксплуатационным характеристиками являлись лучшими отечественными насосами того времени и превосходили зарубежные образцы по массогабаритным характеристикам. По вакуумно-техническим характеристикам они были близки к зарубежным аналогам. В тот период времени физико-технические особенности магниторазрядных насосов были изучены слабо, и считалось, что быстрота действия постоянна во всем рабочем диапазоне. Поэтому за оптимальные параметры были приняты те значения геометрических размеров элементарной разрядной ячейки и напряженности магнитного поля, которые обеспечили минимально возможные массу и габариты при сохранении достаточной величины быстроты действия.

Существенное уменьшение массы и габаритов достигнуто за счет применения следующих значений геометрических и физических параметров насосов: геометрические -квадратные ячейки с размерами 20x20 мм и длиной 15 мм, зазоры анод-катод 3 мм, напряженность магнитного поля #=700 Э, анодное напряжение С/а = 7 кВ, полярность — положительная.

В насосах серии НЭМ впервые в мировой практике были применены ферритовые магниты, поскольку для этих насосов было выбрано относительно небольшое по величине магнитное поле Н= 700 Э.

На базе насосов НЭМ - 100 и НЭМ -300 были разработаны и серийно выпускались безмасляные агрегаты типа ЭРА-100 и ЭРА-300 дня откачки рентгеновских и СВЧ-приборов.

Однако недостатком насосов серии НЭМ явилась их невозможность работать длительное время при давлении выше 2-10'3 Па (по воздуху). У насосов серии НЭМ довольно тяжелый запуск: без предварительного прогрева насосы практически не запускаются в работу. Последнее обстоятельство не позволило применять насосы серии НЭМ в установках с частыми циклами откачки без прогрева, то есть при частых напусках атмосферного воздуха в них. Кроме того, насосы серии НЭМ оказались не совсем пригодными для производства некоторых электровакуумных приборов, технология изготовления которых допускает повышение давления в установках до 10"2- 10'1 Па либо из-за напуска газа для обработки приборов, либо из-за интенсивного газовыделения.

Вследствие необходимости расширения диапазона давлений устойчивой работы магниторазрядных насосов в сторону повышенных давлений вплоть до 10"1 Па и улучшения запуска их была разработана и внедрена в производство новая серия насосов - серия НОРД (НМДО).

Параметры насосов серии НОРД таковы: геометрические размеры - круглые ячейки d& =12 мм, /, =16 мм, зазоры между анодом и катодом от 4 до 7 мм. Напряженность магнитного поля 1200 Э, напряжение питания - 7 кВ. Полярность отрицательная.

Принципиальным отличием магниторазрядных насосов серии НОРД от насосов серии НЭМ явилось введение в насосы водяного охлаждения. В качестве охлаждаемого электрода выбран анод, поскольку наибольший эффект дает охлаждение анода, при этом сохраняется простота устройства сменных деталей насоса — катодов. Анод насосов серии НОРД находится под потенциалом корпуса, а на катоды подается высокое отрицательное напряжение. Были разработаны четыре типа охлаждаемых магниторазрядных насоса. Несколько позднее был разработан насос НОРД-1000, (НМДO-1-l) специального назначения. Благодаря применению круглых анодных ячеек небольшого размера (d =12 мм) максимум быстроты действия таких насосов смещен в сторону повышенных давлений по сравнению с насосами серии НЭМ. Максимальная быстрота действия, насосов серии НОРД достигается при давлении 2-10"3 Па, в то время как у насосов НЭМ максимум быстроты действия соответствует давлению 5-1 О*4 Па. Ввод в эксплуатацию насосов серии НОРД существенно улучшил промышленные возможности производства рентгеновских и СВЧ приборов, особенно с повышенным газовыделением. Были сконструированы и внедрены в электронную промышленность посты откачки и агрегаты на базе насосов НОРД.

Однако позже ведущие зарубежные фирмы, такие как Varían (США), Edwards (Англия), Riber (Франция) и др., разработали и приступили к продаже усовершенствованных магниторазрядных насосов.

Отечественные магниторазрядные насосы серий НЭМ и НОРД значительно уступали новым зарубежным насосам как по вакуумным, так и по весовым характеристикам, поскольку они были разработаны значительно раньше.

Поэтому перед специалистами возникла задача создания новых отечественных магниторазрядных насосов с существенно улучшенными характеристиками и не уступающих по техническому уровню лучшим зарубежным образцам.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям физических процессов в магниторазрядных насосах с целью оптимизации их параметров.

Самостоятельный газовый разряд в насосе (разряд Пеннинга) поддерживается вплоть, до сверхвысокого вакуума (до Ю*10 Па) благодаря наличию магнитного поля, высокого постоянного напряжения и специальной конструкции электродной системы.

Магниторазрядная ячейка представляет собой устройство, состоящее из полого цилиндрического анода и двух плоских катодов, расположенных симметрично с обеих торцевых сторон анода (рис. 1а). Вся система помещается в продольном магнитном поле. Обычно в магниторазрядном насосе анодный блок представляет собой набор параллельно

соединенных элементарных ячеек. Катоды электрически соединены между собой, а анод изолирован от них. Как правило, на анод подается постоянное высокое положительное напряжение £/а (порядка нескольких киловольт), а катоды находятся под потенциалом земли. Напряженность магнитного поля Н обычно составляет 4-104 - 16-Ю4 А/м (5002000 Э).

Рис 1. а) Схема разрядной ячейки Пеннипга:1 - катоды; 2 — анод; б) Траектория электрона в плоскости (г, 6) в поперечном сечении ячейки

В разряде непрерывное рождение электронов и ионов за счет ионизации остаточных газов и вторичной ионно-электронной эмиссии компенсирует их утечку на электроды. Каждый электрон движется по циклоидальной траектории и одновременно колеблется между катодами до тех пор, пока не испытает соударение с молекулой газа. Образовавшийся ион направляется на катод, а электрон переходит на более близкую к аноду орбиту, расположенную в области более сильного электрического поля. Так развивается лавина. В конечном итоге электрон приблизится к аноду и попадёт на него, образуя анодный ток.

Уход ионов на катоды насоса и связанные с этим вторичные явления распыления катодов и поглощения газа составляют полезный эффект, т.е. откачку. В цепи разряда течет непрерывный ток, и расходуемая энергия пополняется из внешнего источника.

Электродная система в сочетании с магнитным полем и высоким напряжением является хорошей «ловушечной» системой для электронов. Электроны попадают на анод главным образом за счет последовательных ионизирующих столкновений с молекулами остаточного газа. При этом происходит накопление отрицательного объемного заряда.

Распределение потенциала в ячейке Пеннинга, величина объемного заряда, а также величина разрядного тока, являющаяся главной физической характеристикой магнитораз-рядного насоса, зависят от большого числа геометрических и физических параметров: от диаметра (2Го), длины анодной ячейки 1а, расстояния между анодом и катодом (г**)» разности потенциалов между анодом и катодом 17а, напряженности магнитного поля Я, рода и давления газа, материала катодов.

Механизм разряда Пеннинга является весьма сложным, поскольку разряд горит в магнитном поле в трехмерном пространстве с крайне неоднородным электрическим полем при наличии отрицательного объемного заряда с изменяющимися величиной и распределением в пространстве. Поэтому теория разряда разрабатывалась в течение ряда лет и несколькими авторами.

Однако наиболее тщательное и всестороннее изучение разряда Пеннинга провели сотрудники МГУ. под руководством профессора Э.М. Рейхруделя. Профессором МГУ Г.В.Смирницкой создана теория разряда, которая основана на исследовании кинетики электронов и ионов в разряде, измерении распределения потенциала в ячейке.

Изучение распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в ячейке насоса необходимо для понимания механизма разряда Пеннинга, а значит и процесса откачки в магниторазрядных насосах. Важно знать энергетическое и угловое рас-

пределение газовых ионов и изменение этого распределения при изменении давления в элементарной ячейке. В работах других авторов исследования проведены в разряде с параметрами не типичными для магниторазрядных насосов.

Однако данные по энергетическому и угловому распределению ионов при характерных для магниторазрядных насосов значениях анодного напряжения, магнитного поля и давления отсутствуют. Для исследования использовано экспериментальное устройство, помещаемое в вакуумную камеру агрегата ЭРА-300. Экспериментальное устройство, представленное на рис. 2, состояло из двух частей: разрядной и приемной. Разрядная часть устройства представляла собой типовую анодную ячейку насосов серии НЭМ: анод изготовлен из стали 12X18Н9Т, а катоды из титана ВТ-1 -1.

Рис. 2. Экспериментальное устройство для исследования распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в магниторазрядной ячейке: 1 - ячейка Пешшпга (разрядная камера); 2 - анод; 3 - титановые катоды;4 - постоянные магниты; 5 - щель в катоде; б - прпемник ионов; 7 - диафрагмы; 8 - задерживающий электрод (трубка); 9 — цилиндр Фарадея; 10 - трубка для задержки электронов; 11 -изоляторы.

Посередине одного из катодов разрядной системы была прорезана узкая щель шириной 0,5 мм и длиной 25 мм, проходившая через ось разряда. Приемная часть экспериментального устройства находилась за катодом с щелью и располагалась напротив щели. Приемная часть устройства служила для анализа ионов, вылетающих из щели. Экспериментальное устройство снабжалось специальным механизмом, с помощью которого приемная часть системы перемещалась вдоль щели в катоде и поворачивалась относительно нормали к катоду разрядной части на любой угол ср< 90° как в одну, так и в другую сторону (угол ф отсчитывается от нормали к катоду). Такое экспериментальное устройство позволяло измерить распределение плотности ионного тока по поверхности катода, а также энергетическое и угловое распределение ионов.

На рис. За представлены зависимости плотности тока ионов, направленных по нормали к катоду, от расстояния до оси разряда при различных значениях давления. За г=0 принят центр щели, через который проходила ось разряда. Плотность тока ионов, приходящих на катод по нормали, в зависимости от расстояния до оси разряда неодинакова: имеется острый максимум в центре.

На рис. 36 показаны кривые зависимости ионного тока от угла падения ионов на катод при различных значениях давления. Это распределение ионов по углам относится к ионам, приходящим в центр катода, т.е. для г=0.

На рис. Ъв представлены зависимости <р) для разных значений г при давлении р=2-10"3 Па. Видно, что с удалением от центра по г ионный поток становится более «раз-

а) б) в)

Рис. 3. а) Распределение плотности ионного тока по поверхности катода/=^Дг) при <р-0 при различных значепиях давления; б) Распределение ионного тока по углам /,^Д<р) для г=0 при различных значениях давления; в) Угловое распределение ионов, приходящих на различные участки катода: при/7=2-10'3 Па и г=уаг.

Кривые распределения ионов по энергиям снимались методом задерживающего потенциала. Для подавления электронов, присутствующих в ионном потоке, на первую трубку подавалось небольшое отрицательное напряжение (£/.=-50 В), на вторую - задерживающий потенциал. После пролета второй трубки ионы попадали на цилиндр фарадея. На рис. 4а показаны зависимости ионного тока на цилиндр Фарадея от величины задерживающего потенциала С/з для нормального пучка ионов, приходящих в центр катода (г=0, <р=0) при различных значениях давления газа в разрядной ячейке.

На рис. 4б показаны кривые, полученные дифференцированием зависимостей

1гЯиг). График зависимостей = /(С/3) представляет собой кривые распределения

<ЗС/3

ионов по энергиям.

Из рис. 4 б видно, что в исследуемой разрядной ячейке при /К5-10"3Па отсутствуют ионы с малой энергией Е< 1 кэВ, и с понижением давления средняя энергия иовов увеличивается. При этом разброс ионов по энергии заметно уменьшается. Такое изменение энергии ионов с понижением давления означает изменение величины объемного заряда, т.е. с понижением давления увеличивается потенциал центра ячейки, что может быть объяснено при ив=сопЛ лишь уменьшением величины отрицательного объемного заряда. Видно также, что имеются максимумы в распределении ионов по энергии. Наличие отдельных групп ионов может быть объяснено, по-видимому, их образованием в различных местах разряда, отличающихся величиной потенциала, а это означает наличие нескольких областей наибольшей ионизации.

Были сняты также кривые распределения по энергиям ионов, приходящих по нормали в другие места катода при р=2-10"3 Па. По этим кривым была построена зависимость средней энергии ионов Еср(г), приходящих на различные участки катода по нормали, от расстояния г до оси разряда (рис. 4в).

Зависимость Ещ,(г) показывает, что на более удаленные от центра участки катода ионы приходят с большей энергией, т.е. рождаются в местах с более высоким потенциалом, чем осевые ионы. При г=5 мм средняя энергия ионов заметно возрастает.

а

51 О3 Па \

\

2- О-'П! \

1-1 5 Ю"* Па ^ Уз

г 1 ' 1

< г л ¥ 5 <*

4к

V.

I- ~м _ ( А

1

* 11' ■

пи

-1 1 1 Г > 1

а кь

в)

а) 6)

Рис. 4. а) Зависимости ионного тока на цилиндр Фарадея от величины задерживающего потенциала при различных давлениях 1гДРз) для г=0 и ф=0; б) Зависимости &Г/сШз=;Д(7з) для г=0, <р=0; в) Зависимость средней энергии ионов, приходящих на катод по пормали, от расстояния до центра

Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами .О^.Аг* с энергией от 0.5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме. Большой интерес для понимания механизма откачки магниторазрядных насосов и оценки величины быстроты действия представляет процесс распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки, поскольку откачивающее действие насосов основано на поглощении газов пленками титана, распыляемого газовыми ионами.

С практической точки зрения для разработчиков магниторазрядных насосов важно знать характер распыления и величины коэффициентов распыления титана под действием ионов как активных газов (азота, кислорода и др.), так и инертных газов.

В литературе имеется большое количество как теоретических, так и экспериментальных работ, посвященных изучению процесса распыления материалов под действием ионной бомбардировки. Однако данные по изучению распыления титана в условиях работы магниторазрядных насосов практически отсутствуют.

Ранее показано, что при низких давлениях (р<10"3 Па) энергия ионов в магниторазрядных ячейках лежит в пределах 1-7 кэВ (при [7а=7 кВ), а углы падения ионов на катоды близки по величине к нормальному.

В связи с этим исследование распыления титана под действием ионной бомбардировки производилось при нормальном падении ионов на титановую мишень с энергией £,=0,5-9 кэВ. В качестве пробных газов использовались N2, Ог> Лг как основные компоненты воздуха. Измерение коэффициентов распыления производились весовым методом: по количеству распыленного титана за определенное время и по суммарному числу ионов, попавших на мишень за это же время.

Экспериментальная установка (рис. 5а) состояла из двух рабочих камер: высоковакуумной камеры, в которой на микровесах подвешивалась плоская титановая мишень размерами 10x10x0,1 мм, и вспомогательной камеры, в которой помещался ионный источник типа Пеннинга. Сверхвысоковакуумная камера откачивалась до давления 1-10"8 Па сорбционным титановым агрегатом АВТО-20М с быстротой действия 10000 л/с по азоту. Обе вакуумные камеры соединялись между собой ионопроводом в виде трубки диаметром 10 мм с проводимостью 1,16 л/с по азоту, что обеспечивало перепад давления между камерами ~104.

Во время измерений убыли масса мишени форвакуумная откачка производилась двумя небольшими цеолитовыми насосами ЦВН-0,1-1 с целью исключения передачи вибраций от механического насоса. Разработанные автоматические сверхвысоковакуумные микровесы позволили с точностью МО"6 г непрерывно следить за изменением массы ти-

Рис. 5. а) Схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения распыления титана ионами N2,02, Ап 1 — титановая мишень; 2 — вакуумные микровесы; 3 - высоковакуумная камера; 4 — ионный источник; 5 — камера ионного источника; б - агрегат АВТО-20М; 7 — наромасляный агрегат типа ВА-ОД-1; 8 — ионопровод; 9 -антивибрационная платформа; 10 - механический насос ВН-2; 11 — цеолнтовые насосы ЦВН-0,1-1; б) Зависимости коэффициента распыления титана от энергии ионов аргона, азота и кислорода

Коэффициент распыления определялся по формуле Р = 2?. г ГДе ДМ—

убыль массы мишени за время А/, г; Д/ - время распыления, с; /< - ионный ток на мишень, А; /ил - молярная масса титана; ге — заряд иона, кулон; Ыа — число Авогадро. После подстановки численных значений ИА, тг„ ге имеем: р = 2,01 -109 • ^ , где р — ат/ион; АМ—

/| • Д/

П^-мкА; ДГ-с.

Характер зависимости коэффициента распыления титана от энергии бомбардирующих ионов является типичным для распыления твердых тел. Распыление титана ионами аргона гораздо эффективнее, чем ионами азота и кислорода. Это обстоятельство связано, во-первых, с большей массой ионов аргона, и следовательно, с более эффективной передачей энергии ионами аргона атомам титана, и, во-вторых, с тем, что ионы азота и кислорода распыляют титан с примесью нитридов и окислов. Последние могут образовываться в результате взаимодействия с решеткой титана внедрившихся в нее атомов азота и кислорода. Следует заметить, что отношение коэффициентов распыления титана ионами азота и кислорода при энергии 3,5 кэВ (средняя энергия ионов в насосах при р=-5-10"4 Па) равно примерно отношению значений быстроты действия мапшторазрядных насосов по азоту и кислороду при /?=5-10"4 Па.

Проведено исследование микроструктурных изменений титановых катодов магни-торазрядного насоса после длительной откачки кислорода (650 ч при 2*10"3 Па) с помощью атомно-силового микроскопа «Фемто-Скан» (пр. «Центра перспективных технологий», МГУ).

Анализ различных участков титанового катода магниторазрядного насоса показал, что после длительной откачки в центральной части, соответствующей оси разрядной ячейки, наблюдается значительный перепад высот. При удалении от оси разрядной ячейки микронеровности поверхности сглаживаются, шероховатость уменьшается, а горизонтальный размер деталей поверхности увеличивается. Таким образом, существует нерав-

номерность плотности потока ионов, бомбардирующих катод, что подтверждает получен ные экспериментальные результаты распределения ионов по поверхности катода.

На масштабном уровне 1 мкм участок поверхности, соответствующий краю анод ной ячейки, имеет зернистую структуру и до, и после эксплуатации. При этом бомбардировка центра катода ионами кислорода приводит к уменьшению диаметра зерен._

г=0

1x1 мкм

2

1x1 мкм

*»мммдм

1x1 мкм

Рис. б. Состояние поверхности титанового катода насоса на различном расстоянии от оси разрядной ячейки после длительной откачки кислорода

Физико-математическая модель связи между разрядным током, коэффициентом распыления, коэффициентом поглощения газовых молекул и быстротой действия ячейки

магниторазрядного насоса выражается выведенной формулой ¿0 = 23,24-а-р-—.

Р

Отсюда следует, что быстрота действия одной ячейки (л/с), а следовательно, и всего магниторазрядного насоса пропорциональна коэффициенту поглощения газовых молекул а, коэффициенту распыления (3 и отношению разрядного тока к давлению 1р/р (А/Па). Отношение разрядного тока к давлению 1р/р принято называть интенсивностью разряда.

При условии постоянства аир для данного газа в конкретном насосе (при £/в=еошО величина быстроты действия прямо пропорциональна интенсивности разряда 50~1р!р.

Количественные значения коэффициента распыления титана р ионами азота, кислорода и аргона были определены ранее. Коэффициент поглощения азота был определен экспериментальным путем по результатам исследования длительной откачки азота магни-торазрядным насосом НОРД-10 и составил 0,63. Средний коэффициент распыления составляет р=0,75 атом/ион. Тогда, подставляя численные значения аир, получим выражение быстроты действия одной ячейки по азоту 5о=11 ~1р/р.

В четвертой главе представлены результаты исследования и разработки магнито-разрядных насосов серии НМД с оптимальными геометрическими и физическими параметрами, позволившими существенно улучшить их технические и эксплуатационные характеристики. Как было показано в третьей главе, быстрота действия разрядной ячейки пропорциональна интенсивности разряда, т.е. 8~1р!р. Эта закономерность была подтверждена на примере насоса НОРД-250 (НМДО-0,25): кривые зависимости быстроты действия и интенсивности разряда от давления повторяют друг друга. Поэтому снижение быстроты действия насоса НОРД-250 в области сверхвысокого вакуума объясняется уменьшением интенсивности разряда. В связи с этим обстоятельством при выборе оптимальных параметров насосов оказалось возможным довольно трудоемкое и дорогостоящее непосредственное измерение быстроты действия макетов насосов с различными ячейками заменить измерением интенсивности разряда в одиночных ячейках при разных значениях анодного напряжения С/а, напряженности магнитного поля Н и давления р.

Несмотря на многочисленные попытки и наших и зарубежных ученых создать строгую законченную теорию разряда с осциллирующими электронами (разряда Пен-нинга), отражающую действительную картину явлений в разряде, такая общая теория разряда, с помощью которой можно было бы рассчитывать зависимости разрядного тока от физических параметров в широком диапазоне давлений, к сожалению, не существует.

Это обстоятельство объясняется сложностью процессов, происходящих в разряде, существованием различных форм разряда, сильно отличающихся друг от друга величиной и распределением отрицательного объемного заряда, изменением средней энергии ионов и их распределением по поверхности катода, изменением вторично-эмиссионных процессов по мере изменения давления остаточных газов.

Поэтому выбор оптимальных параметров проводился экспериментальным путем: были получены и проанализированы зависимости разрядного тока и интенсивности разряда в одиночных ячейках от геометрических размеров, анодного напряжения и напряженности магнитного поля в широком диапазоне изменения давления пробного газа (азота).

Исследование зависимостей разрядного тока в одиночных ячейках от геометрических и физических параметров проводилось на установке, собранной на основе агрегата ЭРА-300. Схема экспериментального измерительного устройства представлена на рис. 1а. Были исследованы отдельные ячейки круглой формы диодного типа со следующими размерами: диаметром от 10 до 28 мм и длиной от 5 до 42 мм, зазоры между анодом и катодом от 3 до 7 мм.

Напряженность магнитного поля изменялась в пределах от 500 до 2000 Э. Напряжение от 0 до 10 кВ подавалось на аноды ячеек от регулируемого выпрямителя постоянного тока.

Разрядные токи измерялись в диапазоне давлений 10"7 - 10"3 Па. В качестве пробного газа использовался главным образом азот, являющийся основным компонентом воздуха. Так же, как и в насосах, катоды экспериментальных ячеек были изготовлены из технического титана ВТ-1, аноды - из нержавеющей стали 12X18Н10Т.

На основании полученных зависимостей //=/(£/<,) для различных ячеек анодное напряжение для питания магниторазрядных насосов следует выбирать равным 7 кВ. Большее напряжение выбирать нецелесообразно, поскольку быстрота действия возрастает незначительно, а опасность пробоев увеличивается. Приведенные далее в работе экспериментальные результаты были получены главным образом при 11л—1 кВ.

С увеличением анодного напряжения Ua значение напряженности магнитного поля Но, при котором ток разряда достигает максимальной величины 1тах, сдвигается в сторону более сильных полей. Такой вид зависимости I=J{If) характерен разряду при всех давлениях.

С точки зрения получения максимальной быстроты действия магниторазрядных насосов необходимо обеспечивать такие условия разряда, когда разрядный ток достигает максимальной величины. На рис. 16. показана зависимость IP~J{H) для ячеек различного диаметра.

52-

3

1

*Ткачксu

500

1000

1S00

2000

Н(Э)

к

2_ 3_ 4

5 10 15 20

Напряженность налшпоге поли, НСа/мДОО*

а) б)

Рис. 7. а) Схема экспериментального устройства для измерения разрядных токов в одиночных ячейках: 1 — анод; 2 - катоды; 3 - электрический ввод; 4 — манометрический датчик; 5 - корпус вакуумной камеры; б - микроамперметр; 7 — выпрямитель; 8 - патекатель; б) Зависимость разрядного тока от напряжённости магнитного поля 1р-Д1Т) для ячеек разного диаметра при 17,=7 кВ,/>=1'10"5Па и /,=12 мм

Для определения оптимальных геометрических размеров ячейки магниторазрядно-го насоса важно знать, каким же образом зависит величина разрядного тока в ячейке от геометрических параметров (диаметра и длины ячейки й* и /, и зазора между анодом и катодом и при каких соотношениях этих параметров достигается максимальная величина разрядного тока (рис. 8а и 86).

■в30 »25

Л- ' у-20

115

3

I"

" 7кВ

••

... ' ЗкН

— '■

1 2.3 4 5 6 7 Расстояни* между «иодом и катодом, 2ж-ч, мм

«42

. - W

20 30

Длина анодной ячейки, U, ■

6)

<№2*и

ДштГ.Ш

И»

1«*

ДимпИкГ,Ш

W*

в) г)

Рис. 8. а) Зависимость для ячейки с */=20 мм, /,=20 мм, №1200 Э и />=2-10 Па;

б) Зависимость 1Р~А'•) Для ячейки с </=12 мм при 17а=7кВ и /7=1,5-10^3;

в) Зависимость интенсивности разряда от давления 1р/р=Др) для ячеек с <£=22 мм и /ж=12 мм при 1/я=7 кВ и различными значениями II г) Зависимость интенсивности разряда от давления 1р1р=$[р) для ячеек с различными диаметрами и /,=12 мм при 17,=7 кВ и №1500 Э

Зависимость /^Га-*) является довольно слабой: разрядный ток увеличивается примерно на 15%. Поэтому при разработке насосов зазор между анодом и катодом должен выбираться главным образом из условия достаточной вакуумной проводимости между соседними ячейками в электродных блоках насосов, состоящих из большого числа элементарных анодных ячеек. Расчеты показывают, что величина указанных зазоров должна быть в пределах 4-7 мм в зависимости от требуемой быстроты действия насоса.

Из рис 86 видно, что зависимость 1р/р=^1л) имеет максимум, причем максимальная величина разрядного тока наблюдается при соотношении длины и диаметра равном 1,3. Уменьшение разрядного тока в длинных ячейках связано с повышением потенциала центра ячейки и, следовательно, с уменьшением радиального электрического поля и уменьшением средней вероятности ионизации по радиусу. Для увеличения интенсивности разряда в длинных ячейках требуется повышение величины напряженности магнитного поля.

Одной из важнейших характеристик магнигоразрядного насоса, как и всякого вакуумного насоса, является зависимость быстроты действия от давления Поэтому особое внимание при исследовании интенсивности разряда в ячейке Пеннинга, являющейся пропорциональной величиной быстроте действия ячейки, было уделено зависимости интенсивности разряда от давления 1р/р=Лр). Интенсивность разряда в области сверхвысокого вакуума понижается, особенно заметно при слабых магнитных полях (рис. 8<з).

Снижение интенсивности разряда в области сверхвысокого вакуума при слабых магнитных полях объясняется уменьшением отрицательного объемного заряда в ячейке за счет ухода на анод электронов, имеющих большую г — составляющую скорости, в результате упругих соударений. Однако по мере повышения напряженности магнитного поля увеличивается величина объемного заряда и понижается величина потенциала в центре ячейки. При этом значительно уменьшается величина 2 - составляющей скорости электронов и тем самым снижается эффект потери электронов из объемного заряда за счет упругих соударений (без совершения ионизирующих столкновений).

Повышением напряженности магнитного поля можно добиться постоянства интенсивности разряда, то есть добиться условия достижения максимума зависимости 1=АН) , когда потенциал центра ячейки близок к потенциалу катодов.

Интенсивность разряда в области сверхвысокого вакуума быстрее спадает в ячейках с малым диаметром, чем в ячейках с большим диаметром (рис. 8г). Это обстоятельство также можно объяснить влиянием г — составляющей скорости некоторой части электронов в ячейках малого диаметра на уход этих электронов из разряда за счет упругих соударений. В ячейках большого диаметра потенциал центра ячеек Щ ниже, чем в ячейках малого диаметра (при {/а=сопй и /а=сопз1:) и электрическое поле по г слабее. Количество электронов, движущихся по г к аноду за счет ионизирующих столкновений, увеличивается и тем самым уменьшается влияние г — составляющей электрического поля.

Таким образом, за счет увеличения диаметра ячейки (при С/а=сопз1, Я=сош1 и /¡г^оп^) можно добиться постоянства интенсивности разряда в широком диапазоне давлений, вплоть до сверхвысокого вакуума.

Из сравнения графиков рис. 8в и 8г нетрудно заметить, что интенсивность разряда в области сверхвысокого вакуума можно повысить либо за счет увеличения напряженности магнитного поля Н, либо за счет увеличения диаметра ячейки ¿. Поэтому в общем виде следует считать, что характер зависимости интенсивности разряда от давления 1р1р=Лр) зависит от произведения Н-<1. В дальнейшем для расчета и проектирования новых насосов в качестве оптимального значения Н-<1 выбрана величина 2400 Э-см при иа=7 кВ (с1=16 мм, /в=20 мм, #=1500 Э). Зазор между анодом и катодом от 3 до 7 мм (в зависимости от быстроты действия насоса).

В общем виде инженерный расчет магниторазрядных насосов должен включать в себя: выбор геометрических размеров элементарной анодной ячейки (*/„ напряженности магнитного поля и анодного напряжения, расчет быстроты действия одиночной ячейки, определение геометрических размеров присоединительного фланца и входного пат-

рубка, выбор конструкции насоса (определение количества электродных блоков), определение величины зазора между анодом и катодом, определение величины магнитного зазора и выбор магнитной системы, расчет номинальной быстроты действия насоса с учетом неоднородности магнитного поля.

Эффективная быстрота действия магниторазрядного насоса 5эф (быстрота действия, измеренная на входном фланце насоса) определяется быстротой действия одной элементарной ячейки $0, общим количеством ячеек ЛГ, вакуумной проводимостью между соседними ячейками С, а также проводимостью присоединительного фланца и входного патрубка 1/. При этом следует иметь в виду значительную неоднородность магнитного поля в зазоре, в связи с чем величина быстроты действия одной ячейки может существенно отличаться от 5о Для другой ячейки из-за разброса значений напряженности магнитного поля. В качестве откачиваемого газа выберем азот.

Учитывая выбранные геометрические размеры ячейки, значения Яи УЛ а также экспериментальные результаты зависимостей интенсивности разряда от параметров, получим величину быстроты действия одиночной ячейки (по азоту) 5о=0,9 л/с.

При определении диаметра условного прохода присоединительного фланца и размеров входного патрубка руководствуемся тем, что стандартами России, как и международными стандартами по вакуумной технике, в качестве типоразмерного ряда вакуумных насосов по быстроте действия по азоту и по диаметру условного прохода присоединительных фланцев определен ряд Р5: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3;10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000 л/с (мм).

При этом целесообразно предусматривать возможность замены старых насосов в действующем оборудовании новыми насосами, т.е. следует стремиться к использованию таких же присоединительных фланцев по Ду, как и у аналогичных насосов (с одинаковой номинальной быстротой действия).

Конструкция магниторазрядного насоса определяется главным образом заданной величиной быстроты действия. Обычно насосы с быстротой действия до ЗОл/с имеют один электродный блок, а магнитные системы имеют конструкцию типа «скобы». При быстроте действия свыше 30 л/с насосы имеют многосекционную конструкцию с однотипными электродными блоками. Количество электродных блоков определяется величиной эффективной быстроты действия насоса и выбранной величиной быстроты действия одного электродного блока в соответствии с размерами постоянных магнитов.

Как показал опыт разработки насосов серий НЭМ и НОРД, из-за неоднородности магнитного поля и вакуумного сопротивления между соседними ячейками средняя величина быстроты действия одной ячейки электродного блока примерно на 25% меньше быстроты действия одиночной ячейки, работающей при Н=Н0 (Но — напряженность магнитного поля в центре магнитного зазора). Поэтому при расчете насосов в первом приближении следует считать 1Й =0,75so.

Ранее показано, что зазор между анодом и катодом слабо влияет на величину интенсивности разряда, а следовательно, и на быстроту действия отдельной ячейки (по крайней мере при изменении г** от 3 до 7 мм - для реальных насосов). Поэтому величину зазора г** следует выбирать из условия достаточности вакуумной проводимости между соседними ячейками.

В качестве постоянных магнитов для магниторазрядных насосов наибольшее распространение получили магнитотвердые ферриты (главным образом гексаферрит бария ВаО вГегОт). Это обстоятельство объясняется следующими свойствами феррита бария: высокой коэрцитивной силой (3000 Э), стабильностью характеристик во времени, малой плотностью (4,5 г/см3), дешевизной и недефицитностью исходного сырья и рядом других свойств.

Расчетная эффективная величина быстроты действия насоса по азоту определяется по формуле:

^•D^-K-M-F-SoY",

1=1

Ml нп

/=1 "о

где Пу — диаметр условного прохода присоединительного фланца и патрубка (см); К - коэффициент Клаузинга; ^ - коэффициент эффективности конструкции электродного блока, зависящий от проводимости между соседними ячейками, средней быстроты действия одной ячейки и числа ячеек в ряду по направлению поступления газа; М~ число электродных блоков; 5о - расчетная величина одной ячейки; п> — число ячеек в ряду электродного блока по направлению поступления газа; к — число рядов ячеек в электродном блоке; Но — напряженность магнитного поля в центре блока (выбранное значение); — напряженность магнитного поля в месте расположения /-ой ячейки.

Выполненные расчеты насосов улучшенной серии с погрешностью менее 10% совпадают с заданными величинами быстроты действия для семи типов насосов от 6,3 до 1000 л/с.

На рис. 9 показаны внешние виды разработанных и внедренных в серийное производство насосов серии НМД (7 типов): НМД-0,0063; НМД-0,025; НМД-0,063; НМД-0,1; НМД-0,25; НМД-0,63 и НМД-1.

Рис. 9. Магниторазрядлые насосы 3-го поколения - серии НМД с быстротой действия по азоту 63; 25; 63; 100; 250; 630; 1000 л/с

Все насосы новой серии диодного типа с естественным воздушным охлаждением. Катоды электродных блоков насосов представляют собой титановые пластины, изготовленные из технического титана ВТ-1-0, а анодные блоки - наборы тонкостенных цилиндров — ячеек из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Диаметр анодных ячеек <#=16 мм, длина ячеек /=20 мм, зазоры между анодом и катодом от 3 до 7 мм (в зависимости от быстроты действия насоса). Анодное постоянное напряжение +7 кВ, напряженность магнитного поля 1400-1500 Э. В качестве постоянных магнитов использованы ферритовые магниты марки 2,8БА в виде пластин с размерами 120x80x16 мм и 60x80x16 мм.

Высоковольтные источники питания насосов представляют собой блоки питания с оптимальными падающими вольтамперяыми характеристиками.

У насосов третьего поколения существенно расширен диапазон давлений (2-10*62-1 О*3 Па), в котором быстрота действия остается практически постоянной (рис. 10). Значения быстроты действия по другим газам (в % от быстроты действия по азоту) такие же, как и у обычных диодных насосов с титановыми катодами. Предельное остаточное давление — 1 • 10"8 Па. Давление запуска - 1 Па.

ИМД'1 НМД-0.61

НМД~ 0,23

НМД-0.1

нмд.цо&ь

НМД-0,025

НМД* Ш63

I I „14III

,1,11,1

11111111

10°

ю-

10"

10"

10"'

Давление, Па

Рис. 10. Зависимости быстроты действия насосов серии НМД от давления

Ресурс работы насосов при откачке воздуха при давлении 1-Ю"4 Па составляет более 40000 часов (до момента появления отверстий в катодах). На базе насоса НМД-0,25 разработан насос НМДИ-0,25 с повышенной быстротой действия по инертным газам и для получения более низкого остаточного давления - ниже 5-10"9 Па. В насосе использованы анодные ячейки диаметром <£=22 мм (вместо ячеек <£=16 мм для всей серии насосов НМД).

В насосе НМДИ-0,25 применены катоды из различных материалов: один катод - из титана, другой — из тантала. Быстрота действия насоса по воздуху несколько ниже, чем насоса НМД-0,25 (с двумя титановыми катодами) и составляет 210 л/с, а быстрота действия аргона составляет около 60 л/с, т.е. примерно 30% от быстроты действия по азоту. Предполагается, что повышение быстроты действия по инертным газам (примерно в 15 раз) в насосах с титан-танталовыми катодами объясняется более эффективным отражением ионов откачиваемых газов от тяжелых танталовых катодов («¡7=48, /7770=181) в виде высокоэнергетичных нейтралов и последующим внедрением их в анод с одновременным запылением материалом катодов.

Достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных величин быстроты действия (расхождение не более 12%) свидетельствует о правильности разработанной методики расчета насосов.

Новые магни-торазрядные насосы серии НМД по своим техническим и эксплуатационным характеристикам существенным образом отличаются от насосов серий НЭМ и НОРД (рис. 11 и 12).

£

£ о

§

« й

-а М

нмд-о.1

10° 10ч Давление, Па

Рис. 11. Зависимости быстроты действия от давления З-Др)

Насосы серии НМД в области сверхвысокого вакуума (при /г<М0"6 Па) превосходят насосы серий НЭМ и НОРД по быстроте действия почти в 3 раза. Давление запуска насосов НМД и НОРД почти одно и то же. Предельное остаточное давление насосов НМД более чем.на порядок ниже, чем у насосов серии НОРД и НЭМ (МО"8 Па по сравнению с 2-Ю"7 Па).

Рис. 12. а) Насосы с быстротой действия 25 л/с: НЭМ-30, НОРД-25, НМД-0,025; б) 250 л/с - НОРД-250 и НМД-0,25

Габаритные размеры и масса насосов серии НМД также значительно меньше, чем у насосов серии НЭМ и НОРД (в 1,5 и 2,5 раза).

В таблице 1 приведены сравнительные данные насосов серий НЭМ, НМДО (НОРД), НМД и американских насосов серии Vacion фирмы «Variant. Видно, что отечественные насосы серии НМД находятся на уровне лучших зарубежных образцов, а по пусковым характеристикам и коэффициенту оптимальности превосходят их.

Для откачки и поддержания вакуума в ряде ответственных электровакуумных приборов небольшого объема (от долей литра до нескольких литров) из-за требования без-масляности крайне необходимыми оказались малогабаритные магниторазрядные насосы с быстротой действия от нескольких десятых долей до 1 л/с. Такими электровакуумными приборами являются фотоэлектрические и СВЧ приборы криостатного типа, в которых магниторазрядные насосы служат для создания вакуумной изоляции между внешней оболочкой прибора и охлаждаемыми до низких температур внутренними деталями прибора.

Одной из серьезных причин, по которой используются малогабаритные насосы при производстве этих приборов, является способность насоса выполнять роль манометрического преобразователя из-за жесткой зависимости разрядного тока от давления.

Для откачки и поддержания вакуума в криостатных приборах были разработаны три магниторазрядных насоса диодного типа с естественным воздушным охлаждением: НМД-0,0002 (с быстротой действия воздуха 0,2 л/с), НМД-0,0006 (с быстротой действия 0,6 л/с) и НМД-0,001 (с быстротой действия 1 л/с). Основная особенность этих насосов заключается в способности их выдерживать повышенные климатические и механические воздействия. Эта особенность во многом определила конструкцию насосов.

Характеристики: быстрота действия по азоту - не менее 0,2 л/с; предельное остаточное давление —1-10"7 Па; давление запуска - 5-10"1 Па; ток короткого замыкания блока питания - 10 мА; масса насоса с магнитом - 150 г; габаритные размеры - 69*47*38 мм. Насос нормально работает в интервале температур от +60 до -60°С, выдерживает повышенную влажность - до 98% (при +35°С), сохраняет работоспособность после вибрацион- • ных нагрузок до 20g и/<2000 Гц и ударных нагрузок до I5g.

Для измерения быстроты действия малогабаритных насосов с исключением эффекта откачки ионизационных манометрических преобразователей был разработан и использован оригинальный метод измерения, на который было получено авторское свидетельство на изобретение.

Таблица 1. Сравнительные характеристики магниторазрядных насосов

Параметры Россия (НИИВТ им. С.А. Векшинского) США (Varian)

Тип насоса

НЭМ-30 НМДО-0,025 (НОРД-25) НМД-0,025 VacionAO

Тип охлаждения воздушный водяной воздушный воздушный

Максимальная быстрота действия (по азоту), S, л/с 29,0 25,0 25,0 40,0

Быстрота действия, л/с при р= 1 -10"6 Па 10,2 7,5 20,5 35

Предельное остаточное давление, Рш, Па 2-10"7 5-Ю"7 МО-8 1-Ю"9

Наибольшее давление запуска, Р0, Па МО"1 5-10° 1-10° МО'1

Габаритные размеры, мм 205*205*373 205*205*319 205*205*240 (190*152*240)* 310*137*318

Масса, М, кг 18 13,5 8,5 (8,0)* 17

Удельная быстрота действия, S/M, л/(с-кг) 1,2 1,85 2,9 (3,12)* 2,35

Коэффициент оптимальности (техн.) К =—lgA м Р пр 7,0 12,9 23,5 (25)* 18,8

Цена, тыс. руб. С(СБГГ) - 46,5 38,5 136,6

Цена откачки в 1 л/с с=с/я тыс-ру%,с - 1,86 1,54 3,4

Интегральный коэффициент оптимальности К = 5 1еР° ■"■НОН Л V D - - 6,93 15,26 5,5

* с фланцами типа «confiât»

В пятой главе представлены результаты комплексных исследований и разработки основ проектирования оптимизированных герметичных разъемных соединений и залорно-регулирующей арматуры для высоковакуумного технологического оборудования.

При разработке технологического и аналитического оборудования производства изделий электронной техники одной из важнейших задач является правильный выбор или

создание новых образцов вакуумной герметизирующей элементной базы (ВГЭБ), включающей в себя разъемные фланцевые соединения, задорно-регулирующую арматуру (клапаны, затворы, натекатели), вводы движения в вакуум и другие вакуумные элементы.

В качестве основного конструкционного материала в сверхвысоковакуумных фланцевых соединениях традиционно используется нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, с которой по коэффициенту термического расширения медь имеет хорошую согласованность.

Долгие годы в качестве сверхвысоковакуумных разъемных соединений (СВРС) использовались канавочно-клиновые соединения. Однако они, несмотря на высокую надежность, имели ряд недостатков. Существует множество вариантов СВРС, разработанные различными предприятиями и институтами.

В настоящее время имеется ГОСТ 26526-85 на сверхвысоковакуумные разъемные соединения, за основу которого по технико-политическим соображениям было принято соединение типа «сои/7а/». Недостатком соединений типа «сотфап является необходимость высокой точности изготовления фланцев и ограниченная возможность применения при диаметрах условных проходов более 200 мм.

Сверхвысоковакуумные разъемные соединения должны отвечать следующим требованиям:

иметь натекание через герметичное соединение не более ~1 • 10"11 м3-Па/(с-м2); - допускать эксплуатацию в диапазоне температур от - 196 до +450°С;

обеспечивать герметичность при минимальных усилиях герметизации и равномерность его распределения по контуру уплотнения, а также минимально воздействовать на качественный и количественный состав остаточной среды в системе; обладать гарантированной герметичностью в условиях термоциклирования, а также минимальными габаритами и массой.

Разработка метода расчета процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений (фланцевых соединений, соединений «тарель-седло» в запорной арматуре, устройств газонапуска и др.) применительно к сверхвысоковакуумному оборудованию по-прежнему остается актуальной научно-технической задачей в связи со сложностью самого процесса и зависимости его от трудно контролируемых физико-механических факторов. Задача состоит в том, чтобы иметь надежную, близкую к реальной картине, аналитическую зависимость величины допустимой течи в месте стыка цельнометаллических разъемных соединений от величины удельной силы герметизации.

При рассмотрении процесса герметизации речь идет в первую очередь о взаимодействии двух металлических поверхностей. Исследование физического состояния поверхностных слоев отличается большой сложностью тонкой структуры поверхностей и соответственно возникающими при этом трудностями.

Контактный слой, образованный сжатыми поверхностными микронеровностями, характеризуется наличием множества пересекающихся микроканалов, разнообразных по форме и протяженности. Причем при контактировании изотропных шероховатых поверхностей микронеровности располагаются по поверхности случайным образом.

При создании цельнометаллических сверхвысоковакуумных разъемных соединений, обеспечивающих высокую степень герметичности, фланцы изготавливаются, как правило, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, а в качестве материала уплотнителя используется более пластичный материал — отожженная медь марки МБо или М1. При использовании пластичного уплотнителя в результате прилагаемого давления происходит деформация микронеровностей до состояния текучести, и все пустоты в области стыка заполняются материалом уплотнителя, а пленки окислов и адсорбированных газов в зоне фактического контакта разрушаются. При этом суммарная площадь контакта увеличивается, а суммарная проводимость микроканалов в контактной зоне снижается, приближаясь к нулю.

Существует несколько теорий герметизации металлических поверхностей соединений для гидравлического и газового аппаратостроения. Но почти во всех этих работах

микронеровности в зависимости от класса чистоты поверхностей моделируются в виде стержней, конусов, эллипсов, пирамид, полусфер и тл., высоты которых распределены по некоторому закону. Но, к сожалению, ни одна из предлагаемых физических моделей и аналитических формул, полученных на их основании, не позволяет с достаточной точностью подсчитать величины удельных усилий, необходимых для герметизации соединений.

В области теоретических исследований процесса герметизации сверхвысоковаку-умных цельнометаллических разъемных соединений как отечественные, так и зарубежные специалисты исходят главным образом из того, что вакуумные течи в зоне герметизации образуются из-за шероховатости поверхностей соединяемых деталей, т.е. наличия поверхностных микронеровностей стыкуемых материалов. Высота микронеровностей составляет 10-15 мкм. При этом считается, что применение уплотнителя из пластичного материала (например, отожженной меди) обеспечивает достижение герметичности путем смятия и заполнения поверхностных микронеровностей за счет пластической деформации уплотнителя при приложении необходимой внешней нагрузки.

Однако, [тактика показывает, что уровень вакуумной течи, не превышающей величины МО"" м Па/с, достигается при «погружении» фигурного профиля фланца в материал уплотнителя (меди) под воздействием внешней нагрузки на глубину до 0,5 мм с каждой стороны уплотнителя.

Следовательно, помимо поверхностных микроканалов, образующих вакуумные течи, в приповерхностных слоях пластичного уплотнителя имеются глубинные микроканалы пористого происхождения, через которые также происходит натекание атмосферного воздуха в вакуумную полость.

В диссертации предложена и рассмотрена многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей. Основным допущением в этом механизме герметизации является то обстоятельство, что фигурный профиль стального фланца (либо «зуб», либо «П»— образный выступ, либо что-то другое) «врезается» в пластичный уплотнитель под воздействием внешних усилий, проходя и перекрывая несколько слоев шероховато-пористых микроканалов вакуумных течей.

При этом предполагается, что микроканалы круглого сечения располагаются ровными слоями по глубине материала уплотнителя с убыванием диаметра по величине. Длина микроканала рассматривается как случайная величина, которая связана с углом ц/

отклонения оси трубопровода от радиального направления (рис. 13)

Случайная величина у принадлежит про-

Г п тЛ

межутку, т.е. хуе! — I и характеризуется косинусной плотностью распределения вероятностей = ^ соэ .

При расчете общей проводимости всех микроканалов считается, что рассматриваемая система трубопроводов представляет собой систему параллельного соединенных трубопроводов площадью поперечного сечения Sк и длиной I. Эффективная длина цилиндрического трубопровода I вычисляется как среднее значение случайной величины х=зс(\1/).

Общий поток натекания через стык при условии молекулярного режима течения газов в микроканалах выражается следующей формулой:

В С

ГОч

\ \ 0 ) )

Рис. 13. Схема расчета эффективной длины микроканалов течи: г— внутренний радиус медного уплотнителя, к - ширина уплотнителя, -угол отклонения оси микроканала от радиального направления

4,3 7 • 103 • "У^2 (1—а, )3/2

а--

как функция удельного усилия герметизации приходящейся на единицу длины уплотнения, где 5<ж — площадь сечения трубопровода к-го слоя в исходном недеформированном состоянии; ак - параметр, зависящий от силы Г, приходящейся на единицу длины уплотнения, числа слоев п, диаметров с1ок элементарных трубопроводов в исходном состоянии, их количества N в каждом слое, расстояния между центрами соседних слоев по вертикали, а также от упругих свойств материала уплотнителя; а - расстояние между центрами трубопроводов в каждом слое; п - число слоев. Параметр а, получается при численном моделировании процесса герметизации для напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения посредством расчета послойного уменьшения объема пор в медном уплотнителе в результате силового обжатия. Следует отметить, что полученная формула допускает естественное обобщение и на случай другой формы поперечного сечения элементарных трубопроводов.

Коэффициент а*, учитывающий уменьшение площади поперечного сечения микроканалов к-го слоя, определяется в результате численного расчета напряженно-деформированного состояния сверхвысоковакуумного разъемного состояния, поскольку задача является физически и геометрически нелинейной.

Получить аналитическое решение данной задачи представляется весьма затруднительным. По этой причине для анализа поставленной задачи используется метод математического моделирования. В качестве базового метода выбран метод конечных элементов (МКЭ), опыт практического использования которого показал приемлемую численную устойчивость работы алгоритмов МКЭ при анализе физически и геометрически нелинейных задач, что . позволяет проводить математическое моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции с максимальной степенью учета реальных свойств материала и реальной геометрии конструкции в процессе деформации.

С помощью метода конечных элементов промоделирован процесс деформирования всей конструкции фланцевого уплотнения с целью оценить закономерности перекрытия поверхностных каналов и внутренних пор, имеющихся в материале уплотюггельного кольца.

При этом для конкретности рассматривается сверхвысоковакуумное разъемное фланцевое соединение со встречными канавками, изготовленное из двух различных материалов: корпус — сталь 12Х18Н10Т; уплотнение — медь марки МОб (медь 99,97% - отожженная) или М1 (медь 99,9%).

Допущения:

1. поверхность выступа фланца гладкая без шероховатостей;

2. шероховатость поверхности уплотнителя и поперечные размеры пористых каналов лежат в пределах 10-20 мкм;

3. при численном моделировании поры заполнялись гипотетическим сжимаемым материалом с малой жесткостью;

4. для описания свойств материала использовалась упруго-пластическая (билинейная) модель материала с изотропным упрочнением,

В МКЭ реализуется алгоритм исследования поведения системы на основе известной информации о законах поведения отдельных ее частей. Таким образом, для аппроксимации сверхвысоковакуумного разъемного фланцевого соединения используется численная модель в виде набора отдельных, конечных элементов. Теоретически процесс перекрытия пор контролировался по величине объема, занимаемого порами (рис. 14).

Стальной фланец надвигался по вертикали на медный уплотнитель. Величина сжимающего усилия определялась посредством суммирования вертикальных реакций во всех узлах, принадлежащих нижней кромке медного уплотнителя.

На рис. 15 а) и б) показаны расчетные и экспериментальные зависимости удельного усилия обжатия от величины смещения верхнего уровня медного уплотнителя (или от глубины «врезания» фигурного фланцевого выступа) и изменения потока вакуумной течи от удельного усилия герметизации (усилия обжатия уплотнителя).

Рис. 14. Конечно-элементная аппроксимация пористой зоны медного уплотнителя: а) выступ фланца; б) уплотнитель

Полученные зависимости свидетельствуют о хорошем качественном и достаточно удовлетворительном количественном совпадении теоретических (расчетных) и экспериментальных результатов. Эти зависимости подтверждают правомерность предложенной многослойной шероховато-пористой физической модели вакуумной течи в процессе герметизации сверхвысоковакуумного цельнометаллического соединения.

Глубяив вроаняя, 2. мм Увямю» !«■ гчмотпми» Л1 и. НЛш

а) б)

Рис. 15. а) Зависимость удельного усилия обжатия от глубины «врезания» выступа фланца в уплотнитель (от смещения); б) Зависимость потока натекания через разъемное фланцевое соединение от удельного усилия герметизации

Исследования и разработка оптимизированных сверхвысоковакуумных фланцевых соединений. Параметрический ряд фланцевых соединений должен был содержать соединения с условными проходами 10, 16,20,25,32, 40, 50, 63, 80,100, 125,160,250 мм. Диапазон рабочих температур от +20 до +450°С, допустимое натекание через уплотнение - не более 1 • 10-11 м3Па/с; материал фланцев и крепежных элементов — нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, материал уплотнителей - медь М1 или М06.

К разъемным сверхвысоковакуумным соединениям (РСВС), помимо основных требований по высокой надежности и работоспособности, предъявляется еще ряд специфических требований: возможно малые габариты и масса, технологичность изготовления фланцев и уплотнителей, симметричность фланцев, удобство эксплуатации и т.п.

Среди выбранных для анализа и исследований разъемных соединений были: кана-вочно-клиновые; соединения с серповидным уплотнением; универсальные соединения (с двумя плоскими медными уплотнителями толщиной 0,5 мм или одним круглым медным кольцом); соединения со встречными канавками с плоскими медными уплотнителями толщиной 2 мм или с проволочными толщиной 2-2,5 мм; соединения с уплотнением встречными выступами с серповидным профилем; соединения с уплотнением встречными выступами трапецеидального сечения (нормаль С-31); соединения по СТП ЦФ 113-75; соединения со встречными коническими поверхностями с медным уплотнителем квадратного сечения 3*3; соединения со встречными «П» - образными выступами; соединения по нормали НС-31 с коническим уплотняемым профилем и с проволочным уплотнителем диаметром 2 мм; соединения со встречными выступами на упругом основании; конические соединения с плоским уплотнителем; соединения типа «Конфлат» (confiât) фирмы «Varían», США.

Технический анализ вышеперечисленных типов разъемных соединений показал, что ряд типов соединений не соответствует требованиям проекта международного стандарта ISO 3669 таких как требованию соответствия типоразмерному ряду Ду, требованию симметричности фланцевых соединений, основным размерным требованиям, массогаба-ритным характеристикам, требованию недопустимости наличия дополнительных деталей, из-за чрезмерно жестких требований по допускам и особенностям изготовления из-за эксплуатационных сложностей и др.

Для проведения экспериментальных исследований были отобраны четыре типа соединений наиболее близких по характеристикам и рекомендациям ISO: соединения со встречными серповидными выступами, встречными канавками, встречными коническими поверхностями по СТП ЦФ 113-75 и типа «confiât».

При исследовании нагрузка на фланцы прикладывалась равномерно распределенной по окружности, на которой лежат центры отверстий под крепежные элементы. Нагрузка постепенно увеличивалась при откачке образца, и в момент устранения натекаиия фиксировалось ее значение F. Величина этой нагрузки, отнесенная к единице длины уп-

F F

лотнителя принималась за величину усилия герметизации q = — --, где Dcp - средний

1 ^Рер

диаметр уплотнителя, / - длина уплотнителя.

Проверка работоспособности и надежности соединений проводилась при термоциклических испытаниях образцов на безмасляной установке. Процесс нагрева до температуры 450°С и охлаждения до комнатной температуры являлся испытательным циклом. Испытание состояло из 20 циклов. В итоге экспериментальных исследований всех опытных образцов четырех отобранных типов разъемных соединений с положительными результатами испытания выдержали лишь соединения со встречными канавками (рис. 16) и соединения типа «confiât» (за исключением Ду-200). В образцах соединения типа «confiât» Ду-200 мм появлялись течи в среднем после 5-го термоцикла. Во всех образцах фланцевых соединений других типов появлялись течи, как правило, после нескольких термоциклов.

При этом из-за технологических сложностей переборок и замены уплотнителей течи устранялись с большим трудом.

Рве. 16. Соединение со встречными канавками: а) с плоским уплотнителем; б) с проволочным уплотнителем: 1- фланец; 2- уплотнитель; 3- кольцо

Поэтому дальнейшие исследования с увеличенным объемом испытаний проводились на РСВС со встречными канавками. Каждый образец фланцевых соединений Ду-10, 63,200 мм был подвергнут 200 циклам прогрева при 50 переборках. Весь указанный объем испытаний опытные образцы фланцевых соединений со встречными канавками выдержали с положительными результатами.

При этом минимальное усилие герметизации фланцевых соединений с плоскими уплотнителями составило 155 Н/мм, а с проволочными уплотнителями 180 Н/мм. Для соединений типа «confiât» —150 Н/мм.

При повторных испытаниях соединений со встречными канавками была проверена возможность неоднократного использования уплотнителей в соединениях этого типа. Испытания проводились как с плоскими, так и с проволочными уплотнителями. В подавляющем большинстве случаев, если уплотнитель не имел повреждений и тщательно соблюдалась вакуумная гигиена, повторные уплотнения проходили успешно без существенного увеличения момента затяжки крепежа. Число переборок на одном и том же уплотнителе в отдельных случаях доходило до 10.

В результате проведенных исследований был определен тип соединения, подлежащий стандартизации: соединение с уплотнением встречными канавками. Данный тип соединений был принят за стандарт НИИВТ им. С.А. Векшинского (СТП «Сверхвысокова-куумные фланцевые соединения»). Преимущество этого типа, по сравнению с другими, выразилось как в большой надежности, так и в лучших эксплуатационных качествах из-за сравнительно несложный технологии изготовления.

Соединения со встречными канавками полностью отвечают требованиям рекомендаций ISO - 3669: соединения обеспечивают высокую герметичность - потоки натекания через стыки соединений не превышают величины 1-10"им3Па/с; имеют симметричные фланцы; массогабаритные характеристики соответствуют западным значениям; основные размеры фланцев, размеры и расположение крепежных элементов, их количество также соответствуют рекомендациям.

Qpn!,

Рис. 17. а) Фланец по стандарту СТП ШШВТ им. С.А. Векшинского; б) Схема стыковки соединений со встречными канавками СТП НИИВТ им. С.А. Векшинского и типа «соп/1аЬ>

Таблица 2. Основные размеры фланцев по СТП

Условный проход Ду, мм Размеры, мм п Масса, кг

д». Д2 Дз Д4 Д5 Я я, В d

10 45 30 14 14,6 19 12 17 8 6,6 4 0,105

16 56 42 19 26,6 31 12 17 9 6,6 4 0,148

20 60 46 23 30,6 35 12 17 9 6,6 4 0,171

25 63 48 28 32,6 37 12 17 9 6,6 4 0,180

32 70 58,7 35 43,6 48 13 18 10 6,6 6 0,192

40 90 71 45 53,6 58 14 19 11 6,6 8 0,430

50 100 81 55 63,6 68 16 21 13 8?4 8 0,467

63 114 92,1 69 74,6 79 18 23 14 8,4 8 0,660

80 130 111 85 93,6 98 18 23 15 8,4 12 0,694

100 152 130,2 105 113,6 118 18 23 15 8,4 16 0,900

125 175 156 130 138,6 143 18 23 15 8,4 16 0,990

150 202 181 155 163,6 168 20 25 17 8,4 20 1,410

160 210 192 165 174,6 179 20 25 17 8,4 20 1,650

200 253 231,8 206 212,6 217 20 25 17 10,5 24 2,090

250 330 306 256 285,6 290 20 25 17 10,5 32 2,650

Поскольку в рекомендациях ISO — 3669, за основу были взяты соединения типа «conflah> (фирма Varían, США), наши фланцы со встречными канавками вполне стыкуются с фланцами типа «.conflat».

Соединения по СТП обладают меньшими по сравнению с канавочно-клиновыми соединениями, габаритами в 1,2-2,4 раза и массой фланцев в 2-3 раза. Сверхвысоковаку-умные соединения по СТП ШШВТ им. СА. Векшинского успешно используются в разработках ряда новых сверхвысоковакуумных установок и оборудования.

. Принципы проектирования сверхвысоковакуумной запорно-регулируюшей арматуры определяются в основном техническими требованиями, предъявляемыми к этому типу элементной базы вакуумно-технологического оборудования: высокая степень герметичности - допустимое натекание не более МО"11 м3-Па/с; минимальные удельные величины газопроницаемости и газовыделения (на уровне Ю^-Ю"6 м3,Па/см2); невыделение в остаточную вакуумную среду газов с Aí>44; отсутствие образования и выделения в вакуумную среду частиц износа подвижных элементов (так называемых привносимых дефек-

тов); максимально возможная вакуумная проводимость; минимально возможные размеры и масса (в соответствии с действующими ГОСТами и международными стандартами); достаточно высокая надежность (средняя наработка на отказ - не менее 1000 циклов открытий-закрытий и средний ресурс более 104 циклов); неусложненная конструкция и удобство в изготовлении и эксплуатация; ремонтоспособность (в случае необходимости).

Общепромышленная запорно-регулирующая арматура была разработана и внедрена в ОАО «Вакууммаш» (г. Казань). Однако указанная элементная база в большинстве своем не рассчитана на применение в сверхвысоковакуумном оборудовании, т.к. не предусмотрена возможность высокотемпературного прогрева ее до 450°С в закрытом состоянии.

Исходя из основных требований вытекают следующие принципы проектирования:

1. Для существенного снижения уровня газовыделения арматурной элементной базы необходимо применять высокотемпературный прогрев (до 450°С) в течение не менее 12 ч;

2. Необходимо использовать в основном цельнометаллические конструкции, выдерживающие высокотемпературный прогрев, на основе материалов, обладающих малыми величинами газопроницаемости и газовыделения;

3. Для обеспечения недопустимости превышения удельных величин газопроницаемости и газовыделения следует применять в качестве основного конструкционного материала коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т, а в качестве уплотнительного материала МОб или Ml;

4. В качестве элементов, изолирующих вакуумную часть от атмосферы узлов и устройств, крайне целесообразно использовать гибкие деформируемые оболочки (сильфоны, мембраны, трубчатые элементы). При выборе гибкого изолирующего элемента критерием работоспособности является не сопротивление усталости, а допустимый газовый поток, проникающий через оболочку в соответствии с требованием на газовую проницаемость;

5. Дтя исключения (или доведения до допустимого уровня) привносимых дефектов за счет продуктов износа подвижных узлов необходимо выносить за пределы вакуумной части элементы взаимных перемещений и трения. Этот принцип способствует увеличению параметров надежности конструкции;

6. Высокие требования, предъявляемые к сверхвысоковакуумным клапанам по герметичности, обеспечиваются правильным выбором уплотнительной пары. При этом усилие герметизации должно быть минимальным (на уровне 150 Н/мм), т.к. от него зависят конструкция и мощность привода, параметры надежности, а также размеры и масса клапана. Прочностные свойства материалов, площадь и состояние контак-тируемых поверхностей должны быть учтены наиболее рационально;

7. Распределение усилия герметизации по контуру стыка должно быть равномерным при каждом цикле срабатывания клапана. Неравномерность распределения усилий приводит к перенапряжению уплотнителя в одних местах и недостаточной нагрузке в других, что вызывает появление течей;

8. Элементы уплотнительных пар должны бьггь точно центрированы один относительно другого, т.к. многократное воспроизведение герметичности при постоянном усилии герметизации возможно при контактировании одних и тех же участков поверхности от цикла к циклу;

9. Постоянство усилия герметизации - необходимое условие длительной работы уплотнительных пар. Поэтому клапаны снабжают устройствами и элементами для компенсации термических и механических деформаций, возникающих при эксплуатации и отрицательно влияющих на стабильность усилия Герметизации. Особенно это обстоятельство надо учитывать при конструировании клапанов, прогреваемых в закрытом состоянии;

10. Возможность прогрева сверхвысоковакуумных клапанов в закрытом состоянии крайне необходима при откачке ЭВП класса ЭОП, ФЭУ, СВЧ-приборов. Отсутствие такой возможности приводит к тому, что дорогостоящее сверхвысоковахуум-ное оборудование, применяющееся при изготовлении электровакуумных приборов, приходится прогревать в течение длительного времени каждый раз после отсоединения ЭВП, что в значительной мере увеличивает время технологического цикла его изготовления и экономические затраты;

11. При прогреве клапанов в закрытом состоянии уплотнительные элементы пар не должны «схватываться»;

12. При проектировании клапанов следует предусматривать простую замену клапана или уплотнительного диска и восстановление седла. Для этой цели конструкции клапанов необходимо снабжать элементами, обеспечивающими соосность клапана и седла. Для повышения ремонтопригодности и ресурса целесообразно использовать сменные элементы уплотнительных пар.

На экспериментальных цельнометаллических клапанах Ду-10 и Ду-25, были изучены изменения удельного усилия при сжатии медных образцов уплотнителей в зависимости от степени их деформации, от количества циклов герметизации, а также закономерности изменения удельного усилия герметизации и момента закрытия при термоиспытаниях, в том числе от температуры и количества циклов прогрева для различных конструкций пары «седло-заслонка». Исследованы закономерности изменения потока натекания через пару «седло-заслонка» клапана при его закрытии с постоянным усилием герметизации.

Экспериментальные результаты и изложенные принципы реализованы при проектировании и создании оптимизированных цельнометаллических клапанов, прогреваемых в закрытом состоянии, с повышенным ресурсом работы (рис 18).

Рис. 18. а) Цельнометаллический клапан КРУТ-25; б) Внешний вид цельнометаллических клапанов КРУТ-10 и КРУТ-6

Для форвакуумных частей высоковакуумного технологического оборудования разработаны и внедрены в серийное производство оптимизированные угловые клапаны с электромагнитными приводами и встроенными блоками питания и управления (БПУ) -клапаны типа КВУМл и КВУМ-М. В конструкциях реализованы принципы оптимального проектирования: отсутствуют элементы трения из-за раздельного расположения электромагнитной силовой катушки и сердечника, размещенного в вакууме и связанного с запирающим устройством клапана, выбраны оптимальные усилия герметизации, конфигурации уплотнительной пары, геометрические размеры сердечника и высота седла в корпусе (для максимальной вакуумной проводимости). В качестве материала уплотнителей при-

6)

менена термостойкая резина (прогреваемая до 150°С) со сниженным на один порядок удельным газовыделением по сравнению с обычной резиной.

Впервые в отечественной практике для удешевления клапанов и улучшения технологии изготовления разработана и внедрена в серийное производство технология вакуум-но-плотного литья корпусов из высококачественного алюминиевого сплава АЛ-9. Для повышения надежности и увеличения ресурса работы клапанов применен ступенчатый способ питания: вначале-пусковой режим, затем режим удержания со сниженным более чем в 10 раз током, проходящим через электромагнитную катушку. '

Таблица 3 Сравнительные характеристики и оценка оптимальности высоковакуумных клапанов Ду-25 с электромагнитными приводами

Фирма-разработчик, страна и обозначение клапана ОАО «Вакуум-маш», Россия НИИВТ им. СЛ. Век-шинского, Россия УАТ, Швейцария серия 26

КВМ-25 КВУМ-25М УУМ-25

Проводимость в молекулярном режиме и, л/с 14,2 16,2 14,0

Допустимый поток натекания воздуха через закрытый клапан д, м3Па/с МО*10 МО"10 МО"10

Диапазон рабочих давлений, р, Па ю5-1-ю-5 МО5-МО-6 МО'-МО"6

Наработка до первого отказа, циклы «открыто-закрыто», N 6104 10-Ю4 5-104

Масса с блоком питания и управления (БПУ), М, кг 2,5 2,8 2,5

Габаритные размеры со встроенным БПУ, мм 90x80x185 (без БПУ) 120x80x220 82x95x242

Ток удержания клапана, I, А 0,45 0,35 0,15

Цена, С, тыс. руб. 10,3 9,5 21

Удельная цена, с=С/С/, тыс.руб/ /л/с 0,72 0,59 1,16

Коэффициент технической оп- к» и. N тимальности &л< =—12- ОА М д-1 85,8 89,7 86,9

Интегральный коэффициент оптимально- и ,КР с™ктл = сМЫд1 119,2 152,0 57,9

Одним из основных параметров запорно-регулирующей арматуры является параметр вакуумной проводимости, влияющей на время и степень достижения вакуума в системах, а следовательно и на технико-экономическую эффективность оборудования.

Существует несколько методов расчета вакуумной проводимости, в том числе метод электрической аналогии расчета сопротивления вакуумпровода (эквивалентный модели клапана) с расчетом сопротивления электрической цепи, метод статистических испытаний, основанный на методе Монте-Карло.

В диссертационной работе используется современная более развитая редакция метода Монте-Карло, разработанная С.Б. Нестеровым и учениками, — метод пробной части-

цы, построенном на последовательном моделировании молекулярных траекторий в условиях сложной геометрии реальной системы.

На базе нового метода, был разработан программный комплекс позволяющий проводить анализ сложных вакуумных систем, в том числе вакуумной запорной арматуры. Численный расчет проводился для каждой конкретной конфигурации клапана в полной мере (количество пробных частиц — 300 ООО, что позволяет добиться относительной погрешности менее 1%). Расчеты показали достаточно хорошее совпадение с экспериментальными данными по проводимости для молекулярного режима (расхождение не превышает 7%).

Экспериментальные и расчетные результаты диссертационной работы позволили разработать параметрические ряды угловых и проходных клапанов, а также плоских затворов с Ду от 10 до 400 мм с электромагнитными, электропневматическими, электромеханическими и ручными приводами. Указанная арматура была внедрена в серийное производство и выпускается в настоящее время (по конкретным заказам).

Шестая глава посвящена вопросам использования результатов работы и созданной элементной базы в оборудовании электронной техники и смежных отраслей науки и техники.

Разработанная новая серия магниторазрядных насосов типа НМД (семь типоразмеров) с быстротой действия от 6,3 до 1000 л/с по решению Министерства электронной промышленности была успешно внедрена и освоена Искитимским машиностроительным заводом (г. Искитим, Новосибирская обл.).

Были освоены также насосы типа НМДИ — 0,25 с повышенной откачкой инертных газов (с быстротой действия до 30% от быстроты действия по азоту). Насосы типа НМД и НМДИ в настоящее время выпускаются ООО «ПРИЗМА», образованного на базе Иски-тимского машиностроительного завода.

Всего было выпущено более 30 тыс. насосов НМД и НМДИ: свыше 60% - для предприятий электронной техники, остальные — для смежных отраслей науки и техники. Большое количество насосов используется в составе сверхвысовакуумного безмасляного оборудования производства ЭВП: СВЧ-приборов, электронно-оптических преобразователей (ЭОП), фотоэлектрических приборов (ФЭП), рентгеновских приборов, в оборудовании производства пьезоприборов и. др.

Магниторазрядные насосы типа НМД и НМДИ используются в составе сверхвысо-ковакуумных систем оборудования молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) типа «ЦНА».

Насосы серии НМД и НМДИ совместно с испарительными титановыми насосами нашли широкое применение в качестве средств откачки в составе отечественного аналитического сверхвысоковакуумного оборудования: Оже-спектрометры, вторично-ионные масс-спектрометры (ВИМС), растровые рентгеновские и электронные микроскопы, растровые туннельные микроскопы и др.

Магниторазрядные насосы серии НМД и НМДИ широко используются в сверхвы-соковакуумных откачных системах экспериментальной физики: в составе оборудования ускорительно-накопительных комплексов, синхротронов, линейных ускорителей электронов и протонов. Большое количество крупных насосов НМД-1 и НМДИ-0Д5 (около 50 штук) применяются в составе экспериментального оборудования Московской мезонной фабрики (г. Троицк, Московская обл.) для получения безмасляного сверхвысокого вакуума в сильноточном , линейном ускорителе протонов и отрицательных ионов водорода с энергией 600 МэВ.

Магниторазрядные насосы нового поколения применяются и в других отраслях науки и техники: в металлургической отрасли — в экспериментальном оборудовании получения и анализа чистых металлов и сплавов, в авиационной и химической промышленности, в космической технике и др.

Разработанные по инициативе и под руководством автора диссертации параметрические ряды сверхвысоковакуумной, высоковакуумной и форвакуумной запорно-

регулирующей арматуры были внедрены в серийное производство на машиностроительном заводе «Темп» (г. Фурманов, Ивановская обл.). Всего было выпущено дня нужд предприятий электронной промышленности и других смежных отраслей науки и техники свыше 120 тыс. единиц запорно-регулирующей арматуры. Практически вся арматура с Ду от 6,3 до 400 мм, представленная в главе 5, (клапаны, затворы, натекатели, газонапускные системы, комплекты фланцевых соединений) входила в перечень элементной базы МЭП и выпускалась для комплектации вакуумного технологического и аналитического оборудования. 4

Для оборудования производства СВЧ-приборов, ФЭП, ЭОП, рентгеновских приборов и для аналитического оборудования поставлялись сверхвысоковакуумные клапаны типа КРУТ-10, 16, 25, 40, 63, КПУТ-25, 40, 63, затворы ЗПТ-100, 160, 250 и затворы ЗЭПШТ-100,160,250.

Для высоковакуумного оборудования производства изделий микроэлектроники выпускаются электромагнитные клапаны КВУМ-Л - 16,25, 40, 63 и КПУ-25,40,63, затворы ЗЭПШ-100, 160,200, 250, 400, ЗЭПП-100, 160, 250, натекатели НРП-1,6ДШБ-1, НК-2Р и др.

В качестве примера можно отметить комплектование установок «Везувий-16», предназначенных для ионно-лучевого легирования материалов электронной техники, затворами ЗЭПШ-160,200 и 250,, а также клапанами типа КВУМ-Л.

Большой. комплекс вакуумного оборудования, в т.ч вакуумной запорно-регулирующей арматуры, разработанной НИИВТ им. С.А. Векшинского и изготовленной заводом «Темп» (г. Фурманов) и БЗТО (г. Брянск), был поставлен в ядерный центр в Ливии - по теме «Тажура».

Для комплектования термоядерных установок Т-10 и Т-15 (РНЦ «Курчатовский институт») были изготовлены и поставлены прогреваемые плоские затворы ЗЭПШТ-100 (в количестве более 30 шт.) и клапаны КРУТ и КВУМ. Большое количество запорно-регулирующей арматуры используется и в других смежных отраслях науки и техники (металлургия, медицина, химия, авиация, космическое оборудование и др.)

Конструкции цельнометаллических фланцевых соединений со встречными канавками в течение ряда лет успешно используются в экспериментальном ускорительно-накопительном комплексе Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Крупногабаритная цельнометаллическая сверхвысоковакуумная камера с фланцевыми соединениями со встречными канавками используется для электрофизических исследовательских работ в Сухумском физико-техническом институте.

Результаты накопленного опыта разработки запорно-регулирующей вакуумной арматуры были использованы при разработке автоматических клапанов для городских объектов теплоэнергетики (для горячего водоснабжения и теплоснабжения). Указанная арматура создана в НИИВТ им. С. А. Векшинского по заданию Правительства Москвы и по договорам с ОАО «МКНТ». Разработаны параметрические ряды гидравлических и газовых клапанов с Д, от 10 до 125 мм

Новая арматура позволяет осуществлять автоматическое регулирование и поддержание заданных параметров теплоносителя, рациональный расход горячей и холодной воды и газа, способствует избегать перерасхода тепловой энергии, надёжно поддерживать наиболее экономичные режимы работы оборудования, в том числе с компьютерным управлением, на городских тепловых станциях и распределительных тепловых пунктах (ЦТП, ИТП и др.)

Разработанная арматура, как основная элементная база для теплоэнергетических объектов России, включена в Альбом энергоэффективных схем энергоресурсообеспечения объектов жилищно-коммунального сектора, выпущенный в 2005 г. Министерством образования и науки Российской Федерации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основным результатом работы является разработка физико-технических основ создания оптимизированных высоковакуумных мапшторазрядных насосов, цельнометаллических разъемных фланцевых соединений и запорно-регулирующих устройств, предназначенных для повышения технического уровня и эффективности сверхвысоковакуумного безмасляного технологического и аналитического оборудования производства изделий электронной техники.

Для создания оптимизированных магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НМДО (НОРД), т.е. МО'8 Па вместо 2*10"7 Па, и повышенной в 2-3 раза быстроты действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированных сверхвысоковакуумных разъемных соединений и высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, в том числе прогреваемой в закрытом состоянии (для ускоренного получения сверхвысокого вакуума), выполнен большой комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Впервые разработана физико-математическая модель зависимости быстроты действия магниторазрядной ячейки от коэффициента поглощения газовых молекул, коэффициента распыления материала катода (титана) и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению).

2. Впервые в ячейке с параметрами промышленных магниторазрядных насосов изучено энергетическое и угловое распределение ионов, приходящих на различные участки поверхности катода. Получено, что средняя энергия бомбардирующих катод ионов при давлении 5-Ю'4 Па составляет примерно 0,5е1/а (~3,5 кэВ). Обнаружено, что энергия ионов в разрядной ячейке зависит от давления: с понижением давления средняя энергия ионов возрастает,, а при повышении давления уменьшается, что свидетельствует о непостоянстве величины отрицательного объемного заряда.

3. Впервые в сверхвысоком вакууме (~10"? Па) экспериментально определены значения коэффициента распыления титана положительными ионами N2, Ог, Лг+(Р) в диапазоне энергии от 0,5 до 9 кэВ. Показано, что в условиях работы магниторазрядных насосов при иа=7 кВ и давлении 510"4 Па рд,. Ю,7-ат/ион, р0* «=0,5 ат/ион,

-1,5 ат/ион.

4. Впервые в большом объеме проведены экспериментальные исследования зависимости разрядного тока и интенсивности разряда от физических параметров и геометрических размеров ячейки (# в диапазоне от 500 до 2000 Э; иа - от 0 до 10 кВт; диаметр ячейки от 10 до 28 мм, длина - от 5 до 42 мм) в широком диапазоне давления остаточного газа (от 10"1 до 10"8 Па).

5. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований выбраны оптимальные геометрические размеры ячейки и физические параметры (диаметр 16 мм, длина 20 мм, #=1500 Э, С/а=7 кВ), обеспечившие существенное улучшение вакуумных и эксплуатационных характеристик магниторазрядных насосов.

6. На основании разработанной инженерной методики расчета насосов создан и внедрен в серийное производство параметрический ряд оптимизированных магниторазрядных насосов серии НМД с быстротой действия от 6,3 до 1000 л/с (7 типоразмеров). Кроме того, разработан ряд малогабаритных магниторазрядных насосов с быстротой действия от 0,02 до 1 л/с для откачки и поддержания вакуума в приборах специального назначения.

7. Впервые для исследования процесса герметизации цельнометаллических сверхвысоковакуумных разъемных соединений предложена и разработана многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей. Применение математического

метода конечных элементов (МКЭ) для расчета напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений позволило глубже понять и математически оценить процесс герметизации.

8. В результате проведения обширных экспериментальных исследований особенностей, технических и эксплуатационных характеристик разъемных цельнометаллических фланцевых соединений различных конструкций выбрана оптимальная конструкция — разъемные соединения со встречными канавками.

9. На основании экспериментальных результатов разработаны принципы' проектирования высоковакуумной залорно-регулирующей арматуры, на базе которых созданы и внедрены в серийное производство параметрические ряды сверхвысоковакуумных клапанов, затворов, натекателей с Ду от 6,3 до 400 мм, работающих в широком диапазоне давлений.

10. Созданные оптимизированные магниторазрядные насосы серии НМД и новая запор-но-регулирующая арматура широко применяются на предприятиях электронной техники в составе сверхвысоковакуумного безмасляного оборудования для разработки и производства ЭВП повышенной сложности (ЭОП, ФЭП, СВЧ, рентгеновские приборы и др.), а также в составе сверхвысоковакуумного технологического и аналитического оборудования, в том числе в оборудовании молекулярно-лучевой эпитаксии, спектрометров и микроскопов.

11. Значительный объем созданной новой элементной базы широко используется в оборудовании смежных отраслей науки и техники.

12. Разработанные принципы проектирования вакуумной арматуры успешно использованы для создания новой энергосберегающей гидравлической и газовой арматуры, применяющейся в теплоэнергетическом городском хозяйстве.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Курбатов О.К. Энергетическое и угловое распределение ионов, приходящих на различные участки катода в высоковольтном разряде Пеннинга // ЖТФ, 1966, 36, № 9, с. 1665-1669.

Курбатов O.K. Исследование распыления титана положительными ионами азота, кислорода и аргона с энергией 3-9 кэВ //ЖТФ, 1967,37, № 10, с. 1814-1817. Курбатов O.K., Щербаков Ю.И. Чувствительные автоматические веси для работы в сверхвысоком вакууме // ГПЭ, 1968, №3, с. 180-182.

Курбатов О.К., Щербаков Ю.И. Об эффекте памяти триодного магниторазрядного насоса ТРИОН-150 // ЖТФ, 1971,41, № 3, с. 639.

Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов О.К., Рудницкий Е.М. Вакуумные магниторазрядные насосы с охлаждаемым анодом // Электронная промышленность, 1971, № 2, с. 103-105.

Курбатов О.К., Виноградов М.И., Самылина TJB. Малогабаритный магниторазрядный насос с повышенной устойчивостью к вибрациям и экстремальным климатическим условиям // Тезисы докладов Ш Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1971, с. 31-32.

Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б. Охлаждаемый магниторазрядный насос с быстротой откачки 650 л/с // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной конференции по вакуумной технике, Казань, 1972, с. 42-43.

Курбатов О.К., Рудницкий Е.М. Исследование зависимостей интенсивности разряда Пеннинга от параметров разряда // Электронная техника, 1974, сер.4, № 7, с. 118-120. Курбатов О.К., Виноградов М.И. и др. Неохлаждаемые магниторазрядные насосы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 19-21.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8. 9.

10. Толмачев Л.Б., Курбатов O.K., Виноградов В.И., Яцук AM. Новые высоковольтные блоки питания к магшггоразрядным насосам И Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 22.

11. Курбатов O.K., Виноградов М.И., Летников В .А., Самылина Т.В. Миниатюрный маг-ниторазрядный насос с быстротой действия 0,1 л/с // Тезисы докладов VI Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике, Казань, 1976, с. 46.

12. Курбатов O.K., Данилов К. Д., Филатовский Л А. Состояние и перспектива разработок запорной арматуры // Материалы отраслевой научно-технической конференции по вакуумной арматуре, М., 1979, с 4-5.

13. Курбатов O.K., Данилов К.Д., Лещева М.С. Разработка основ технологии вакуумного литья из алюминиевых сплавов корпусов вакуумной запорной арматуры // Материалы отраслевой НТК по вакуумной арматуре. М., 1979, с 14-15.

14. Бирюкова Н.Е., Курбатов O.K., Лавыгин В.А, Никитин М.А. Сверхвысоковакуумный безмасляный агрегат СВА-1 // Материалы 6-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. Казань, 1980, с 62-63.

15. Филатовский ЛА, Курбатов O.K., Шувалов АС., Васильченко С Д. Новые малогабаритные сверхвысоковакуумные фланцевые соединения. Электронная техника И 1982, сер. 7, ТОПО, вып. 3 (112).

16. Деулин Е.А., Курбатов O.K., Медовщук В.Ф. Выбор основного параметра высоковакуумного клапана. Известия вузов, сер. «Машиностроение» //1982, № 11, с. 53-54.

17. Данилов К.Д., Ильин ГЛ., Курбатов O.K., Терещенко Л.Ф., Шнитко М.В. Сверхвысо-ковакуумная безмасляная установка с сокращенным циклом откачки И ГГГЭ, 1984, № 3, с. 163-165.

18. Данилов К.Д., Курбатов O.K., Шнитко М.В. Параметрический ряд высоковакуумных затворов маятникового типа Ду-100,160,250,400 И Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума», 1985, Ленинград, с 56-57.

19. Курбатов O.K. Основные направления и перспективы в создании вакуумной арматуры // Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого вакуума», Ленинград, 1985, с. 8-10.

20. Львов Б.Г., Курбатов O.K., Шихов А.И., Шувалов A.C. Вакуумные клапаны типа КЭ-Ун // Сб. «Научно-технические достижения», М. ВИМИ, 1985, №4, с. 45-48.

21. Александрова А.Т., Арменский Е.В., Ермаков Е.С., Львов Б.Г., Минайчев В.Е., Виноградов М.И., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б., Рудницкий Е.М., Контор Е.И., Рейхрудель Э.М., Смирницкая Г.В. Сверхвысоковакуумные магниторазрядные насосы и высоковакуумные средства технологического и научного оборудования // Ежегодник БСЭ, 1985, с. 536-537

22. Курбатов O.K., Новиков Н.С., Рябов И.А. Система импульсного газонапуска в вакуумные установки // ПТЭ, №6,1986, с. 102-104.

23. Курбатов O.K., Шувалов A.C., Шнитко М.В. Прогреваемые сверхвысоковакуумные клапаны // Вакуумная техника и технология, 1991, Т. 1, №1, с. 42-44.

24. Докукин В.Г., Курбатов O.K., Рыбчинский P.E., Шувалов АС. Вакуумные уплотнения с фторопластовыми прокладками // Вакуумная техника и технология, 1991, т. 1, № 2, с 36-38.

25. Курбатов O.K. Новые вакуумные затворы, клапаны и газонапускные устройства для оборудования нанесения и травления тонких пленок // Материалы 7-ой отраслевой НТК по тонким пленкам, Махачкала, 1991, с. 14.

26. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. и др. Новая запорная и регулирующая арматура // Вакуумная техника и технология, 1992, т. 11, №3, с. 32-38

27. Курбатов. O.K., Шувалов A.C., Толмачев ПЛ. Малогабаритный безмасляный блок откачки МББО-1 // Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, №1, с. 24-27.

28. Шувалов A.C., Курбатов O.K. Исследование влияния конструктивных факторов на проводимость вакуумных клапанов. Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, № 1, с 23-24.

29. Курбатов O.K. Вакуумно-арматурная элементная база вакуумных систем и технологического оборудования // Материалы 1-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1994, с. 4-6.

30. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. Применение опыта разработки вакуумной арматуры в создании автоматических клапанов для пищевого и теплоэнергетического оборудования // Материалы 3-й НТК «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1996, с. 63-64.

31. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Варлов ПЛ., Платов О.И. Современное состояние и серийный выпуск вакуумной запорной и регулирующей элементной базы экспериментальных установок и промышленного оборудования // Материалы 3-ей НТК «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1996, с. 5-6.

32. Панфилов Ю.В., Курбатов O.K., Буравцев А.Т. Вакуумные клапаны, затворы, регуляторы давления и расхода газа: базы данных П Справочник. Инженерный журнал № 5, 1998, с. 26-36.

33. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием И Промышленность России XXI век, М., 2002, с. 89-90.

' 34. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка и организация серийного выпуска новой вакуумно-газовой и гидравлической арматуры с Ду от 16 до 125 мм // Материалы 5-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1998, с. 63-64.

'35. Курбатов O.K. Простой и корректный способ измерения быстроты действия малогабаритных высоковакуумных насосов (S<2,5 л/с) // Материалы 6-оЙ НТК «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1999, с. 73-74.

36. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка, серийный выпуск и опыт эксплуатации автоматических вакуумно-газовых и гидравлических клапанов Д-16, 25, 50, 63, 100, 125 мм // Материалы 6-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1999, с. 37-38.

37. Курбатов O.K. Вакуумные клапаны, затворы, натекатели // Раздел 3.2.3 Энциклопедия машиностроения, том Ш-8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». М., Машиностроение, 2000, с. 318-331.

38. Курбатов O.K., Варлов ЛЛ. и др. Модернизация и разработка новой вакуумной, вакуумно-газовой и гидравлической арматуры для автоматизированного оборудования // Материалы 7-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2000, с. 43-44.

39. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием // Журнал «Энергосбережение» 2000, №2, с. 62-63.

40. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Галиев М.С. и др. Создание и организация серийного выпуск автоматической запорной арматуры: вакуумной, газовой и гидравлической // Материалы 10-й Международной НТК «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», г. Казань, 2001, с. 31-34.

41. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Новые вакуумно-газовые клапаны Ду-10, 20, 25 с электромагнитными приводами в нормально открытом исполнении // Материалы 8-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2001, с. 57-58.

42. Курбатов O.K., Варлов Л.Я. и др. О возможности в короткий срок разработать и начать серийный выпуск автоматической вакуумной запорно-регулирующей арматуры нового поколения с Ду от 10 до 125 мм // Материалы 9-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2002, с. 44-45.

43. Курбатов O.K. Магниторазрядные насосы. Выбор оптимальных физических параметров // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2003, с. 6-8.

44. Курбатов О.К. Энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для АСУ теплоэнергетики с Ду от 10 до 125 мм // Материалы научно-практического семинара «Научно-технологическое обеспечение инновационной деятельности предприятий, институтов и фирм металлургии», Москва-МИСиС, 2004, с. 863-900.

45. Курбатов О.К. Создание, организация серийного выпуска и внедрение энергосберегающей трубопроводной арматуры в автоматизированное оборудование тепловых станций и пунктов // Материалы научно-практической конференции «Московская наука - проблемы и перспективы», Москва, 2003, с. 286-289.

46. Курбатов О.К. Особенности и способы повышения откачки инертных газов магнито-разрядными насосами // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2003, с. 39-40.

47. Курбатов О.К., Галиев М.С., Леонтьев А.Ф., Толмачев П.Л. Новые разработки газовакуумной арматуры // Материалы НТС «Вакуумная техника и технология», Санкт-Петербург, июнь 2004, с. 21-22.

48. Курбатов О.К. Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами N2% Ог+, Аг+ с энергией от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме // Материалы 11-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2004, с. 14-16.

49. Курбатов О.К., Светлаков В.М. Автоматическая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура и оценка экономической эффективности применения ее в городском хозяйстве Москвы // Материалы 1-го Московского научного форума (V научно-практическая конференция «Московская наука - проблемы и перспективы»), Москва, 2004, с. 106-114.

50. Курбатов О.К. Экспериментальный выбор оптимальной конструкции сверхвысокова-куумных разъемных соединений // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 39-40.

51. Курбатов О.К., Нестеров С.Б., Кеменов В.Н., Зилова О.С., Рубипский Д.С. Исследования с помощью СЗМ микроструктурных изменений поверхности титанового катода магниторазрядного насоса после длительной откачки кислорода // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 315-317.

52. Курбатов О.К. Исследование процесса распыления титана однозарядными ионами различных газов с энергией от 0,5 до 10 кэВ // Материалы научной сессии «МИФИ-. 2005», секция «Физика плазмы», М., 2005, с. 78.

53. Курбатов О.К. Метод измерения быстроты действия малогабаритных магниторазряд-ных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, том 15, № 2, с. 117-118.

54. Курбатов О.К. Экспериментальное определение коэффициентов распыления Т1 ионами азота, кислорода и аргона с энергией от 0.5 до 9 кэВ // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 1, с. 11 -15.

55. Курбатов О.К. Оптимизация конструкции магниторазрядных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 2, с. 121-126.

56. Курбатов О.К. Клапаны со встроенными блоками питания и управления для автоматизированного вакуумного оборудования // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, №2, с. 143-147.

57. Курбатов О.К. Исследование зависимости разрядного тока в ячейке Пеннинга от физических параметров с целью оптимизации сверхвысоковакуумных ионно-распылительпых (магниторазрядных насосов). Труды 3-го Российско-японского семинара «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», МИСиС-ЦЬУАС 1пс, Москва, апрель 2005, с. 96-103.

58. Курбатов О.К. Физические основы и промышленные средства получения и поддержания вакуума // М.: Изд. МИФИ, 1991, 83 с.

Подписано в печать 02.02.2006. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 2,7 Тираж 100 экз. Заказ 3 2.9.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12.

Центр оперативной полиграфии (095) 916-88-04, 916-89-25

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ И СРЕДСТВ ФОРМИРОВАНИЯ БЕЗМАСЛЯНОЙ ОСТАТОЧНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ВЫСОКОВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Современные средства и системы получения безмасляного вакуума. Анализ оборудования.

1.2. Спектральный состав остаточной газовой среды при откачке высоковакуумными насосами различного типа.

1.3. Состояние, технический уровень и требования, предъявляемые к уплотнительным материалам элементной базы оборудования с безмасляной откачкой

1.4. Постановка задачи.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСОВ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ СЕРИЙ НЭМИНОРД (НМДО).

2.1. Особенности магниторазрядных насосов.

2.2. Опыт создания и применения насосов первого поколения -серии НЭМ и агрегатов на их базе.

2.3. Исследование, создание и опыт эксплуатации насосов второго поколения -серииНОРД (НМДО).

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСАХ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1. Физическая модель магниторазрядных насосов.

3.1.1. Кинетика электронов.

3.1.2. Распределение электрического поля.

3.2. Особенности физических процессов в элементарной ячейке насоса.

3.3. Расчет величины разрядного тока.

3.4. Исследование распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в ячейке насоса.

3.4.1. Методика исследования и аппаратура.

3.4.2. Основные результаты и их обсуждение.

3.5. Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами N2, , Аг+ с энергией от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме.

3.5.1. Механизм катодного распыления.

3.5.2. Экспериментальная установка и аппаратура.

3.5.3. Методика измерений и экспериментальные результаты.

3.6. Исследование с помощью сканирующего зондового микросокопа (СЗМ) микроструктурных изменений титановых катодов магниторазрядных насосов после длительной откачки кислорода.

3.7. Исследование и определение связи между разрядным током, коэффициентом распыления, коэффициентом поглощения газовых молекул и быстротой действия ячеек магниторазрядных насосов.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСОВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ - СЕРИИ НМД.

4.1. Основы выбора оптимальных геометрических и физических параметров насосов

4.1.1. Экспериментальное устройство и методика измерений.

4.1.2. Зависимость интенсивности разряда от анодного напряжения.

4.1.3. Зависимости разрядного тока и интенсивности разряда Пеннинга от напряженности магнитного поля.

4.1.4. Зависимости разрядного тока и интенсивности разряда от зазора между анодом и катодом и от соотношения длины и диаметра ячеек.

4.1.5. Зависимость интенсивности разряда в ячейке от давления.

4.1.6. Выбор оптимальных геометрических размеров и значений £/а и Я для ячейки магниторазрядного насоса.

4.2. Разработка методики расчета магниторазрядных насосов.

4.2.1. Выбор геометрических и физических параметров.

4.2.2. Расчет быстроты действия одиночной магниторазрядной ячейки

4.2.3. Определение диаметра условного прохода присоединительного фланца и размеров входного патрубка.

4.2.4. Выбор конструкции насосов (определение количества электродных блоков)

4.2.5. Определение величины зазора между анодом и катодом.

4.3. Разработка и внедрение в серийное производство магниторазрядных насосов с оптимальными геометрическими и физическими параметрами (насосов 3-го поколения)

4.3.1. Расчет насосов.

4.3.2. Конструкция насосов.

4.3.3. Испытательное оборудование и аппаратура.

4.3.4. Вакуумные характеристики насосов серии НМД.

4.3.5. Сравнение насосов серии НМД с насосами серий НЭМ, НОРД и Vacion фирмы «Varian» (США).

4.3.6. Малогабаритные магниторазрядные насосы.

4.3.7. Особенности и нестандартный метод определения быстроты действия малогабаритных насосов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СОЗДАНИЕ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ВЫСОКОВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.1. Классификация и анализ технико-эксплуатационных требований к герметизирующей элементной базе.

5.2. Анализ и дальнейшее развитие научных основ процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений.

5.2.1. Многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей

5.2.2. Расчет напряженно-деформированного состояния сверхвысоковакуумного разъемного фланцевого соединения.

5.3. Исследования и разработка оптимизированных сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.

5.3.1. Экспериментальные исследования.

5.3.2. Определение наличия замкнутых газовых полостей в соединениях со встречными канавками и степени их влияния на процесс получения сверхвысокого вакуума (СВВ).

5.4. Разработка научно-технических принципов и методов проектирования запорно-регулирующей арматуры.

5.4.1. Исследование по созданию оптимизированных цельнометаллических клапанов, прогреваемых в закрытом состоянии, с повышенным ресурсом работы

5.4.2. Экспериментальный выбор оптимизированных конструкций быстродействующих клапанов.

5.4.3. Расчет вакуумных проводимостей арматуры.

5.5. Создание и внедрение в серийное производство параметрических рядов запорно-регулирующей арматуры.

5.5.1. Основные технические, эксплуатационные требования и характеристики запорно-регулирующей арматуры.

5.5.2. Сверхвысоковакуумные клапаны.

5.5.3. Высоковакуумные и форвакуумные клапаны с различными приводами.

5.5.4. Высоковакуумные плоские затворы шиберного типа с различными приводами

5.5.5. Высоковакуумные натекатели и газонапускные системы, в том числе многоканальные, для автоматизированного оборудования.

5.6. Выводы.

ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И СОЗДАННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ В ОБОРУДОВАНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И СМЕЖНЫХ ОТРАСЛЕЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ.

6.1. Использование оптимизированных магниторазрядных насосов в вакуумных системах оборудования электронной техники, экспериментальной и технической физики.

6.2. Применение разработанной герметизирующей и запорно-регулирующей элементной базы в вакуумных системах оборудования электронной техники и смежных отраслей науки и техники.

6.3. Использование результатов работы в создании запорно-регулирующей арматуры для автоматизированных теплоэнергетических объектов городского хозяйства

6.3.1. Клапаны для горячей воды и пара.

6.3.2. Газовые клапаны.

6.4. Выводы.

В настоящее время в мировой практике, в том числе и в России, существует огромный парк специального технологического оборудования (СТО), предназначенного для производства изделий электронной техники. Многообразие специального технологического оборудования объясняется большим арсеналом выпускаемых электронных и микроэлектронных приборов.

Весьма значительную часть всего парка СТО составляет вакуумно-технологическое оборудование, обеспечивающее вакуумные условия в рабочих камерах - от 10 до Ю"10 Па. На этом оборудовании производятся различного рода электровакуумные приборы: осветительные и газоразрядные приборы, приемно-усилительные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические и рентгеновские электронно-оптические преобразователи, СВЧ-приборы.

Вакуумно-технологическое оборудование, оснащенное сложными электрофизическими устройствами, используется для газо-плазменной и ионно-лучевой обработки материалов (очистки, травления и нанесения тонких пленок) при производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем вплоть до субмикронных размеров. Этим же целям служит вакуумно-технологическое оборудование с применением ионной имплантации, получившее широкое распространение в микроэлектронике в силу своих уникальных технологических возможностей.

Для совершенствования производства больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) также применяется вакуумно-технологическое оборудование, в котором используются методы литографии: ультрафиолетовый, электронно-лучевой, ионно-лучевой, рентгеновский и синхротронный. Имеется вакуумно-технологическое оборудование для производства пьезоприборов.

Специальное вакуумно-технологическое оборудование с технологией молекулярно-лучевой эпитаксии служит для выращивания кристаллов и по6 лучения сплавов практически с любым соотношением составляющих компонентов, получения структур СВЧ-транзисторов.

К классу вакуумно-технологического оборудования следует отнести и оборудование для контроля и анализа поверхности твердого тела.

Среди физико-химических методов, применяемых к задачам метрологического обеспечения и автоматизации в электронной технике, наибольшее распространение получили методы исследования поверхности и криоповерх-ностных слоев, основанные на зондировании пучками заряженных частиц и потоками излучения.

В числе этих методов: электронная оже-спектроскопия и масс-спектрометрия вторичных ионов, резерфордовского обратного рассеяния, растровое ионное зондирование, электронная микроскопия высокого разрешения, растровая электронная микроскопия, метод рентгеновских стоячих волн, сканирующая туннельная микроскопия, релаксационная спектроскопия глубоких уровней и ряд других методов.

Ускоряющее воздействие на развитие аналитической техники оказывает лидирующая тенденция к микроминиатюризации и дальнейшему уменьшению размеров топологии твердотельных электронных устройств с недостижимыми ранее характеристиками (с линейными размерами элементов СБИС ~ 0,05 мкм).

Эффективная разработка новых изделий микроэлектроники, особенно на основе новых материалов, и оптимизация технологии их производства невозможны без достоверной информации о химическом составе и распределении легирующих и фоновых примесей в объеме и на поверхности тонкопленочных систем.

При этом особенно заметно проявились эти особенности при разработке ряда развивающихся технологических процессов: молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), ионного перемешивания и создания скрытых диэлектрических слоев, лазерный и фотонный отжиг, процессы осаждения пленок из газовой фазы при пониженных давления, активизируемые электромагнитным излучением (СВЧ, УФ и лазерным излучением).

Современное состояние исследований и производство изделий микроэлектроники, требующих точного метрологического и аналитического обеспечения, приводят к тому, что аналитический прибор становится частью технологической установки. Типичный пример этого - включение аналитических узлов в состав установок молекулярно-лучевой эпитаксии, что превращает их в единый аналитико-технологический комплекс.

Почти все вышеперечисленные методы исследований и производственные процессы современной микроэлектроники требуют обеспечения чистых условий на поверхности, исключения образования на подготовленной поверхности пленки адсорбатов. Поэтому в аналитических приборах и оборудовании прежде всего должно выполняться условие обеспечения безмасляного сверхвысокого вакуума, т.е. давление остаточных газов не должно превышать - МО"8 Па.

Проведенный в диссертационной работе анализ состава откачных частей сверхвысоковакуумного технологического оборудования производства электровакуумных приборов повышенной сложности и ответственности, а также сверхвысоковакуумного физико-аналитического оборудования и оборудования выращивания чистых кристаллов показывает, что основными элементами откачных частей такого оборудования являются сверхвысоковаку-умные насосы, разъемные соединения и запорная арматура.

При этом выполненный на основании данных отечественной и мировой практики анализ средств получения и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума в оборудовании молекулярно-лучевой эпитаксии, производства ЭВП повышенной сложности, а также в аналитическом оборудовании показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с сублимационными испарительными насосами или с нераспыляемыми геттерами. Данное оборудование является прогреваемым до температуры ~400°С с целью эффективного обезгаживания, тренировки и получения необходимых технических характеристик откачиваемых приборов.

В настоящее время для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных, рентгеновских и СВЧ-приборов), а также других типов ответственных приборов и оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковакуумных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Для создания магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. НО"8 Па вместо п

2-10'' Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке физико-технических основ создания оптимизированных магниторазрядных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и герметизирующих устройств, предназначенных для повышения технического уровня и эффективности технологического и аналитического оборудования электронной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-проведение анализа требований и средств формирования безмасляной газовой среды в высоковакуумных системах технологического оборудования;

-обоснование необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в магниторазрядных насосах, с целью оптимизации их параметров;

-проведение исследования распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в элементарной ячейке насоса;

-проведение экспериментального определения коэффициентов распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки в условиях сверхвысокого вакуума;

-экспериментальное исследование и определение коэффициента поглощения азота пленками титана в магниторазрядном насосе;

-экспериментальное исследование зависимости разрядного тока от физических параметров разряда в широком диапазоне давлений вплоть до 10"8 Па;

-разработка инженерной методики расчета магниторазрядных насосов; -разработка и внедрение параметрического ряда оптимизированных магниторазрядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;

-проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса герметизации разъемных сверхвысоковакуумных соединений;

-разработка параметрического ряда оптимизированных сверхвысоковакуумных разъемных фланцевых соединений;

-проведение исследований по созданию новых цельнометаллических клапанов, прогреваемых до 400°С в закрытом состоянии;

-разработка и внедрение в серийное производство оптимизированных сверхвысоковакуумных цельнометаллических клапанов и высоковакуумных затворов шиберного типа, а также ряда быстродействующих форвакуумных клапанов.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Сущность и критерии оптимизации магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для оборудования электронной техники.

2. Методика и результаты экспериментальных исследований углового и энергетического распределения ионов, бомбардирующих различные участки катодов в элементарной ячейке насоса (в разряде Пеннинга).

3. Методика и результаты исследования распыления титана ионами азота, кислорода и аргона в сверхвысоком вакууме.

4. Комплекс экспериментальных исследований зависимостей разрядного тока от геометрических размеров элементарной ячейки насоса, от анодного напряжения и напряженности магнитного поля в широком диапазоне давлений с целью оптимизации насосов.

5. Физико-математическая модель зависимости быстроты действия элементарной разрядной ячейки от коэффициента поглощения газовых молекул, коэффициента распыления титана и интенсивности разряда.

6. Методика расчета, принципы проектирования насосов и создание магниторазрядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

7. Многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей и исследование процесса герметизации цельнометаллических разъемных вакуумных соединений.

8. Комплекс экспериментальных исследований различных типов цельнометаллических разъемных соединений и выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.

9. Результаты экспериментальных исследований по созданию оптимизированной запорно-регулирующей арматуры.

10. Конструктивно-технологические принципы проектирования и разработка запорно-регулирующей арматуры с оптимальными техническими характеристиками.

6.4. Выводы

1. Разработанные и внедренные в серийное производство оптимизированные магниторазрядные насосы типа НМД и НДМИ с быстротой действия по азоту от 0.1 до 100 л/с, нашли широкое применение в технологическом и аналитическом оборудовании электронной техники.

2. Магниторазрядные насосы типа НМД и НМДИ используются для получения безмасляного сверхвысокого вакуума в откачных постах и оборудовании производства СВЧ-приборов, фотоэлектронных и рентгеновских приборов, электронно-оптических преобразователей, в экспериментальном и аналитическом оборудовании микроэлектроники, в т.ч. в оборудовании мо-лекулярно-лучевой эпитаксии, в Оже-спектрометрах, в рентгеновских растровых микроскопах и в другом оборудовании.

3. Созданные магниторазрядные насосы типа НМД и НМДИ также широко используются в составе оборудование смежных отраслей науки и техники: экспериментальной физики, химической и металлургической промышленности, в медицинской технике, в оборудовании авиационно-космического комплекса.

4. В частности большое количество насосов НМД и НМДИ используется в составе вакуумных систем ускорительно-накопительных комплексов синхротронов, линейного ускорителя Московской мезонной фабрики РАН и в других электрофизических установках и комплексах.

5. Разработанная и внедренная в серийное производство герметизирующая элементная база (фланцевые соединения, различного рода клапаны, затворы, натекатели, газонапускные системы) нашли широкое применение в составе вакуумно-технологического оборудования электронной техники. В частности, сверхвысоковакуумная запорно-регулирующая арматура используется в оборудовании производства СВЧ-приборов, ЭОПов, ФЭП и др. Высоковакуумные затворы с электромеханическими и электропневматическими приводами, а также электромагнитные клапаны применены в установках серии «Везувий».

6. Созданная и выпускаемая серийно вакуумная арматура нашла применение в оборудовании смежных отраслей науки и техники. В частности, большое количество вакуумных плоских шиберных затворов и клапанов используется в вакуумных системах термоядерных установок Т-10 и Т-15, в вакуумных системах оборудования Международного института ядерных исследований (г. Дубна) и на ряде других исследовательских и прикладных установках и комплексах.

7. Опыт создания вакуумной арматуры использован для разработки и внедрения в серийное производство запорно-регулирующей арматуры малой энергетики (городской теплоэнергетики) и пищевой промышленности.

8. Разработаны, освоены в серийном производстве и широко применяются параметрические ряды гидравлических и газовых клапанов с Ду от 10 до 125 мм для автоматизированных теплоэнергетических объектов городского хозяйства. Созданная арматура позволила исключить необходимость закупки дорогостоящего зарубежного оборудования.

9. Выпускаемая серийно разработанная арматура используется для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения, способствует энергоресурсосбережению. и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных и рентгеновских приборов, СВЧ-приборов и других ответственных приборов), а также аналитического оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковакуумных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Создание новых и дальнейшее совершенствование имеющихся конструкций приборов и технологий их производства с использованием вакуумно-технологического оборудования решающим образом зависит от степени получаемого разрежения, от качества откачных средств и состава остаточных газов. Производство выше перечисленных приборов и создание высокоточного с повышенным разрешением многофункционального аналитического оборудования требуют применения сверхвысоковакуумных и безмасляо ных средств откачки, обеспечивающих вакуум -10" Па.

Проведенный в диссертационной работе на основании данных отечественной и мировой практики анализ средств получения и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума в оборудовании молекулярно-лучевой эпитаксии, производства ЭВП повышенной сложности, в аналитическом оборудовании показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с сублимационными испарительными насосами или с нераспыляемыми геттерами. Данное оборудование является прогреваемым до температуры ~400°С с целью эффективного обезгажива-ния, тренировки и получения необходимых технических характеристик откачиваемых приборов.

Для создания оптимизированных магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. И О"8 Па п вместо 2-10"' Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, в том числе прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

Впервые проведены обширные и комплексные экспериментальные исследования зависимости разрядного тока от физических параметров и геометрических размеров ячейки магниторазрядного насоса в широком диапазоне давления оста

1 8 точного газа (от 10" до 10" Па). Необходимость проведения этих исследований объясняется отсутствием законченной теории разряда Пеннинга, лежащего в основе работы магниторазрядных насосов (из-за чрезвычайной сложности газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с изменяющимся отрицательным объемным зарядом при изменении давления).

Впервые в ячейке промышленного магниторазрядного насоса экспериментально исследованы распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям. Получено, что средняя энергия бомбардирующих катод ионов при давлении 5-Ю"4 Па составляет \/2eUa (-3,5 кэВ).

Впервые обнаружено, что энергия ионов, определяющаяся величиной потенциала в местах рождения ионов, зависит от давления: с понижением давления средняя энергия ионов возрастает, а при повышении давления - уменьшается, что свидетельствует о непостоянстве величины отрицательного объемного заряда.

Впервые экспериментально определены коэффициенты распыления Ti по-f ложительными ионами N2+, 02+, Аг+ в диапазоне энергий от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме (~10"7 Па).

Показано, что в условиях работы магниторазрядных насосов при Ua=7 кВ и р=5-10"4 Па коэффициент распыления титана ионами азота составляет 0,7 ат/ион, ионами кислорода - 0,5 ат/ион, ионами аргона - 1,5 ат/ион.

Получена аналитическая формула зависимости быстроты действия насоса от коэффициентов распыления материала катода газовыми ионами, от коэффициентов поглощения газовых молекул металлическими пленками и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению).

Теоретически и экспериментально показана корреляция зависимости интенсивности разряда и быстроты действия насоса от давления. Это чрезвычайно важное обстоятельство дало возможность заменить трудоемкие измерения зависимости быстроты действия от параметров экспериментальных насосов на измерения разрядного тока и интенсивности разряда в одиночных ячейках от различных параметров в широком диапазоне давлений.

При исследовании процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений впервые предложена и разработана физическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны плоского медного уплотнителя.

Применение разработанного математического метода конечных элементов (МКЭ) для напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений позволяет глубже понять физику процесса и увидеть пути дальнейшего совершенствования техники вакуумной герметизации.

Впервые в большом объеме исследованы и изучены особенности, технические и эксплуатационные характеристики разъемных цельнометаллических фланцевых соединений различных конструкций и прогреваемых клапанов. При этом выбрана оптимальная конструкция - разъемные соединения со встречными канавками.

На новом научно-техническом уровне проведены расчеты и сравнения с экспериментальными данными вакуумных проводимостей разработанных клапанов и плоских шиберных затворов.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать метод расчета магниторазрядных насосов.

2. На основании научных результатов работы разработан и внедрен в серийное производство на Искитимском машиностроительном заводе (г. Искитим, Новосибирской области) параметрический ряд насосов 3-го поколения - насосов НМД с быстротой действия от 0,1 до 1000 л/с (по азоту) с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Разработаны принципы и методы проектирования высоковакуумной запорно-регулирующей арматуры, на основании которых созданы и внедрены в серийное производство на машиностроительном заводе «ТЕМП» (г. Фурманов, Ивановской области) параметрические ряды сверхвысоковакуумных и форвакуумных клапанов, затворов, натекателей с Ду от 6,3 до 400 мм (работающих в широком диапазоне давлений).

Созданные насосы серии НМД и новая запорно-регулирующая арматура широко применяются на предприятиях электронной техники в составе сверхвысоковакуумного безмасляного оборудования для разработки и производства целого класса ЭВП повышенной сложности (ЭОП, ФЭП, СВЧ и рентгеновские приборы и др.), а также в составе сверхвысоковакуумного технологического оборудования типа молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и аналитического оборудования (Оже-спектрометры, ВИМС, МРЭМ и др.) - ФГУП «НПП «ТОРИЙ» (г. Москва), ФГУП «НИИВТ им. С.А. Век-шинского» (г. Москва), ФГУП «НПП «ИСТОК» (г. Фрязино, Московской области), завод «ПЛУТОН» (г. Москва) и др.

Значительный объем созданной новой элементной базы широко используется в смежных отраслях науки и техники: в комплексах экспериментальной и технической физики (Серпуховской ускоритель заряженных частиц, Московская мезонная фабрика, ускорительно-накопительный комплекс Института ядерной физики им. академика Г.И. Будкера СО РАН, РНЦ «Курчатовский институт» и др.)

Принципы и методы разработки вакуумной арматуры успешно использованы для создания новой отечественной гидравлической и газовой арматуры, применяющейся в теплоэнергетическом городском хозяйстве - в центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), тепловых станциях и других теплоэнергетических объектах.

7. За создание и внедрение в промышленность сверхвысоковакуумных магни-торазрядных насосов и высоковакуумных средств технологического и научного оборудования электронной техники группе ученых и специалистов НИИВТ им. С.А. Векшинского, МИЭМ и МГУ была присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники, в том числе автору диссертационной работы как главному конструктору насосов НМД.

Апробация результатов работы.

По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, учебное пособие (МИФИ) и 21 авторское свидетельство на изобретение и патенты РФ, выпущено 32 научно-технических отчета ФГУП «НИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинского».

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: на многочисленных Всесоюзных конференциях по «Физике и технике сверхвысокого вакуума» (Ленинград) в период с 1972 по 1988 г.г., по «Вакуумной науке и технике» (г. Казань) в период с 1973 по 1991 г.г. и в 2001 г., на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах предприятий МЭП (г. Москва, г. Рязань, г. Брянск, г. Пенза, г. Нальчик, г. Калининград) в период с 1979 по 1990 г.г., на Всесоюзных конференциях по тонким пленкам (г. Адлер, г. Туапсе и г. Махачкала) в 1987 , 1988 и 1989 г.г., на 1-ой, 3-ей, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Международных научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» в Крыму, в 1994, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 г.г., и научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» - Санкт-Петербург 2000, 2004, 2005 г.г., на 3-ем Российско-японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» МИСиС-ULVAC Inc., Москва 2005, на научной сессии МИФИ-2005, секция «Физика плазмы».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ВЫПОЛНЕННОЙ

ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Курбатов O.K. Энергетическое и угловое распределение ионов, приходящих на различные участки катода в высоковольтном разряде Пеннинга // ЖТФ, 1966, 36, №9, с. 1665-1669.

2. Курбатов O.K. Исследование распыления титана положительными ионами азота, кислорода и аргона с энергией 3-9 кэВ // ЖТФ, 1967, 37, № 10, с. 18141817.

3. Курбатов O.K., Щербаков Ю.И. Чувствительные автоматические весы для работы в сверхвысоком вакууме // ПТЭ, 1968, №3, с. 180-182.

4. Курбатов O.K., Щербаков Ю.И. Об эффекте памяти триодного магниторазрядного насоса ТРШН-150 // ЖТФ, 1971, 41, № 3, с. 639.

5. Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов O.K., Рудницкий Е.М. Вакуумные магниторазрядные насосы с охлаждаемым анодом // Электронная промышленность, 1971, № 2, с. 103-105.

6. Курбатов O.K., Виноградов М.И., Самылина Т.В. Малогабаритный магнито-разрядный насос с повышенной устойчивостью к вибрациям и экстремальным климатическим условиям // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1971, с. 31-32.

7. Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б. Охлаждаемый магниторазрядный насос с быстротой откачки 650 л/с // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной конференции по вакуумной технике, Казань, 1972, с. 42-43.

8. Курбатов O.K., Рудницкий Е.М. Исследование зависимостей интенсивности разряда Пеннинга от параметров разряда // Электронная техника, 1974, сер.4, №7, с. 118-120.

9. Курбатов O.K., Виноградов М.И. и др. Неохлаждаемые магниторазрядные насосы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 19-21.

10. Толмачев Л.Б., Курбатов O.K., Виноградов В.И., Яцук A.M. Новые высоковольтные блоки питания к магниторазрядным насосам // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 22.

11. Курбатов O.K., Виноградов М.И., Летников В.А., Самылина Т.В. Миниатюрный магниторазрядный насос с быстротой действия 0,1 л/с // Тезисы докладов VI Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике, Казань, 1976, с. 46.

12. Курбатов O.K., Данилов К.Д., Филатовский Л.А. Состояние и перспектива разработок запорной арматуры // Материалы отраслевой научно-технической конференции по вакуумной арматуре, М., 1979, с 4-5.

13. Курбатов O.K., Данилов К.Д., Лещева М.С. Разработка основ технологии вакуумного литья из алюминиевых сплавов корпусов вакуумной запорной арматуры // Материалы отраслевой НТК по вакуумной арматуре. М., 1979, с 14-15.

14. Бирюкова Н.Е., Курбатов O.K., Лавыгин В.А., Никитин М.А. Сверхвысокова-куумный безмасляный агрегат СВА-1 // Материалы 6-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. Казань, 1980, с 62-63.

15. Филатовский Л.А., Курбатов O.K., Шувалов А.С., Васильченко С.Д. Новые малогабаритные сверхвысоковакуумные фланцевые соединения. Электронная техника // 1982, сер. 7, ТОПО, вып. 3 (112).

16. Деулин Е.А., Курбатов O.K., Медовщук В.Ф. Выбор основного параметра высоковакуумного клапана. Известия вузов, сер. «Машиностроение» // 1982, № 11, с. 53-54.

17. Данилов К.Д., Ильин Г.И., Курбатов O.K., Терещенко Л.Ф., Шнитко М.В. Сверхвысоковакуумная безмасляная установка с сокращенным циклом откачки // ПТЭ, 1984, № 3, с. 163-165.

18. Данилов К.Д., Курбатов O.K., Шнитко М.В. Параметрический ряд высоковакуумных затворов маятникового типа Ду-100, 160, 250, 400 // Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума», 1985, Ленинград, с 56-57.

19. Курбатов O.K. Основные направления и перспективы в создании вакуумной арматуры // Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого вакуума», Ленинград, 1985, с. 8-10.

20. Львов Б.Г., Курбатов O.K., Шихов А.И., Шувалов А.С. Вакуумные клапаны типа КЭУн // Сб. «Научно-технические достижения», М. ВИМИ, 1985, №4, с. 45-48.

21. Александрова А.Т., Арменский Е.В., Ермаков Е.С., Львов Б.Г., Минайчев В.Е., Виноградов М.И., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б., Рудницкий Е.М., Контор Е.И., Рейхрудель Э.М., Смирницкая Г.В. Сверхвысоковакуумные магни-торазрядные насосы и высоковакуумные средства технологического и научного оборудования // Ежегодник БСЭ, 1985, с. 536-537

22. Курбатов O.K., Новиков Н.С., Рябов И.А. Система импульсного газонапуска в вакуумные установки // ПТЭ, №6, 1986, с. 102-104.

23. Курбатов O.K., Шувалов А.С., Шнитко М.В. Прогреваемые сверхвысоковакуумные клапаны // Вакуумная техника и технология, 1991, Т. 1, №1, с. 42-44.

24. Докукин В.Г., Курбатов O.K., Рыбчинский Р.Е., Шувалов А.С. Вакуумные уплотнения с фторопластовыми прокладками // Вакуумная техника и технология, 1991, т.1, № 2, с 36-38.

25. Курбатов O.K. Новые вакуумные затворы, клапаны и газонапускные устройства для оборудования нанесения и травления тонких пленок // Материалы 7-ой отраслевой НТК по тонким пленкам, Махачкала, 1991, с. 14.

26. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. и др. Новая запорная и регулирующая арматура // Вакуумная техника и технология, 1992, т. 11, №3, с. 32-38

27. Курбатов. O.K., Шувалов А.С., Толмачев П.Л. Малогабаритный безмасляный блок откачки МББО-1 // Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, №1, с. 24-27.

28. Шувалов А.С., Курбатов O.K. Исследование влияния конструктивных факторов на проводимость вакуумных клапанов. Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, № 1, с 23-24.

29. Курбатов O.K. Вакуумно-арматурная элементная база вакуумных систем и технологического оборудования // Материалы 1-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1994, с. 4-6.

30. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. Применение опыта разработки вакуумной арматуры в создании автоматических клапанов для пищевого и теплоэнергетического оборудования // Материалы 3-й НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1996, с. 63-64.

31. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Варлов Л.Я., Платов О.И. Современное состояние и серийный выпуск вакуумной запорной и регулирующей элементной базы экспериментальных установок и промышленного оборудования // Материалы 3-ей НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1996, с. 5-6.

32. Панфилов Ю.В., Курбатов O.K., Буравцев А.Т. Вакуумные клапаны, затворы, регуляторы давления и расхода газа: базы данных // Справочник. Инженерный журнал № 5,1998, с. 26-36.

33. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием // Промышленность России XXI век, М., 2002, с. 89-90.

34. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка и организация серийного выпуска новой вакуумно-газовой и гидравлической арматуры с Ду от 16 до 125 мм // Материалы 5-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1998, с. 63-64.

35. Курбатов O.K. Простой и корректный способ измерения быстроты действия малогабаритных высоковакуумных насосов (S<2,5 л/с) // Материалы 6-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1999, с. 73-74.

36. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка, серийный выпуск и опыт эксплуатации автоматических вакуумно-газовых и гидравлических клапанов Д-16, 25, 50, 63, 100, 125 мм // Материалы 6-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1999, с. 37-38.

37. Курбатов O.K. Вакуумные клапаны, затворы, натекатели // Раздел 3.2.3 Энциклопедия машиностроения, том III-8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». М., Машиностроение, 2000, с. 318-331.

38. Курбатов O.K., Варлов Л.Я. и др. Модернизация и разработка новой вакуумной, вакуумно-газовой и гидравлической арматуры для автоматизированного оборудования // Материалы 7-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2000, с. 43-44.

39. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием // Журнал «Энергосбережение» 2000, №2, с. 62-63.

40. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Галиев М.С. и др. Создание и организация серийного выпуск автоматической запорной арматуры: вакуумной, газовой и гидравлической // Материалы 10-й Международной НТК «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», г. Казань, 2001, с. 31-34.

41. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Новые вакуумно-газовые клапаны Ду-10, 20, 25 с электромагнитными приводами в нормально открытом исполнении // Материалы 8-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2001, с. 57-58.

42. Курбатов O.K., Варлов Л.Я. и др. О возможности в короткий срок разработать и начать серийный выпуск автоматической вакуумной запорнорегулирующей арматуры нового поколения с Ду от 10 до 125 мм // Материалы 9-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2002, с. 44-45.

43. Курбатов O.K. Магниторазрядные насосы. Выбор оптимальных физических параметров // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2003, с. 6-8.

44. Курбатов O.K. Энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для АСУ теплоэнергетики с Ду от 10 до 125 мм // Материалы научно-практического семинара «Научно-технологическое обеспечение инновационной деятельности предприятий, институтов и фирм металлургии», Москва-МИСиС, 2004, с. 863-900.

45. Курбатов O.K. Создание, организация серийного выпуска и внедрение энергосберегающей трубопроводной арматуры в автоматизированное оборудование тепловых станций и пунктов // Материалы научно-практической конференции «Московская наука - проблемы и перспективы», Москва, 2003, с. 286-289.

46. Курбатов O.K. Особенности и способы повышения откачки инертных газов магниторазрядными насосами // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2003, с. 39-40.

47. Курбатов O.K., Галиев М.С., Леонтьев А.Ф., Толмачев П.Л. Новые разработки газо-вакуумной арматуры // Материалы НТС «Вакуумная техника и технология», Санкт-Петербург, июнь 2004, с. 21-22.

48. Курбатов O.K. Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами N2+, 02+, Аг+ с энергией от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме // Материалы 11-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2004, с. 1416.

49. Курбатов O.K., Светлаков В.М. Автоматическая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура и оценка экономической эффективности применения ее в городском хозяйстве Москвы // Материалы 1-го Московского научного форума (V научно-практическая конференция «Московская наука -проблемы и перспективы»), Москва, 2004, с. 106-114.

50. Курбатов O.K. Экспериментальный выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных разъемных соединений // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 39-40.

51. Курбатов O.K., Нестеров С.Б., Кеменов В.Н., Зилова О.С., Рубинский Д.С. Исследования с помощью СЗМ микроструктурных изменений поверхности титанового катода магниторазрядного насоса после длительной откачки кислорода // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 315-317.

52. Курбатов O.K. Исследование процесса распыления титана однозарядными ионами различных газов с энергией от 0,5 до 10 кэВ // Материалы научной сессии «МИФИ-2005», секция «Физика плазмы», М., 2005, с. 78.

53. Курбатов O.K. Метод измерения быстроты действия малогабаритных магниторазрядных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, том 15, № 2, с. 117-118.

54. Курбатов O.K. Экспериментальное определение коэффициентов распыления Ti ионами азота, кислорода и аргона с энергией от 0.5 до 9 кэВ // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 1, с. 11-15.

55. Курбатов O.K. Оптимизация конструкции магниторазрядных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 2, с. 121-126.

56. Курбатов O.K. Клапаны со встроенными блоками питания и управления для автоматизированного вакуумного оборудования // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, №2, с. 143-147.

57. Курбатов O.K., Исследование зависимости разрядного тока в ячейке Пеннинга от физических параметров с целью оптимизации сверхвысоковакуумных ионно-распылительных (магниторазрядных насосов). Труды 3-го Российско-японскокого семинара «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», MHChC-ULVAC Inc, Москва, апрель 2005, с. 96-103.

Курбатов O.K. Физические основы и промышленные средства получения и поддержания вакуума // М.: Изд. МИФИ, 1991, 83 с.

1. Машиностроение. Энциклопедия. Том III 8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». Под ред. Ю.В.Панфилова. М. Изд. «Машиностроение», 2000, 682 с.

2. Кожитов Л.В., Зарапин А.Ю., Чиченёв Н.А. Технологическое вакуумное оборудование М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2001, 416 с.

3. Тренделенбург Э. Сверхвысокий вакуум, изд. «Мир», 1966.

4. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. Под ред Г.Л. Саксаганского. М. Атомиздат, 1976, 288 с.

5. Васильев Г.А. Магниторазрядные насосы. М. Изд. «Энергия», 1970, 112 с.

6. Рудницкий Е.М., Селях Г.С. Высоковакуумный агрегат безмасляной откачки с магнитными электроразрядным насосом. ПТЭ, № 6, 1963, с.141-143.

7. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М. Изд. «Энергия», 1970, 505 с.

8. Бирюкова Н.Е., Курбатов O.K., Лавыгин В.А., Никитин М.А. Сверхвысоко-вакуумный безмасляный агрегат СВА-1. Материалы 6-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. Казань, 1980, с. 62-63.

9. Кратенко В.И. Перспективы развития физико-аналитического оборудования. Электронная промышленность, 1989, вып.7, с.40-46.

10. Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ион-но-и электронно-лучевой технологии. М. «Машиностроение», 1989, 56 с.

11. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. М. Изд. «Советское радио», 1967.

12. Пипко А.И., Пипко Ю.А., Плисковский В.Я. Вакуумно-термическое оборудование в производстве изделий электронной техники. М. Изд. «Машиностроение», 1986, с. 72.13,14,15,1617,18,19,20,21,22,23