Дослідження особливостей низькотемпературних вакуумних насосів
Автор: Чех Антон Петрович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Обладнання електронної промисловості
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Чех А.П., Шеремета Р.М. (керівник). Дослідження особливостей низькотемпературних вакуумних насосів. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація. Успіхи в розвитку таких галузей науки і техніки, як електроніка і радіоелектроніка, хімія і металургія, здобуття надчистих і напівпровідникових матеріалів і багато інших, були б неможливі без прогресу вакуумної техніки, одним з основних завдань якої є створення вакуумних відкачувальних засобів, що не вносять органічних забруднень до відкачуваних об’ємів. Новим видом відкачувальних засобів є кріонасоси, в основу роботи яких покладений метод конденсації газів на поверхнях, що охолоджуються до низьких (кріогенних) температур. Зростаючий інтерес до кріонасосів пояснюється тим, що отримування вакууму, вільного від органічних забруднень, з одночасним забезпеченням великої швидкості відкачування найефективніше досягається за допомогою цього типу насосів. Як показує практика, кріонасоси доцільно застосовувати не лише для відкачування великих камер або для роботи в умовах великих газових навантажень. Сучасний стан криогенної техніки дозволяє використовувати з достатньою економічною ефективністю і мініатюрні кріонасоси. При впровадженні кріонасосів виникає багато практичних труднощів, але можна передбачати, що у міру вдосконалення техніки отримування низьких температур кріонасоси набуватимуть все більшого поширення. Якщо перші практичні застосування кріонасосів обмежувалися переважно лабораторною практикою, то в даний час кріонасоси знаходять все більше використання в багатьох видах вакуумно-техничного устаткування, що працює в різних діапазонах вакууму. Фізична суть відкачувальної дії кріонасосів заснована на тому, що рівноважний тиск газів над поверхнею твердого тіла, охолодженого до низьких температур, може бути доведеним до дуже малих значень, тобто на здатності охолоджених поверхонь конденсувати і утримувати на собі за рахунок сил міжмолекулярної взаємодії молекули газів. Принципово процес низькотемпературного відкачування спрощено може бути представлений таким чином. Газ, що знаходиться в деякій судині, з позицій молекулярно-кінетичної теорії є безліччю молекул, що хаотично рухаються прямолінійно по всіх напрямках. При цьому молекули газу безперервно стикаються між собою, а також із стінками судини. Після кожного зіткнення швидкості і напрями їх руху змінюються. Якщо в судину помістити поверхню і охолодити її до низької температури, то молекули газу, ударяючись об неї, втрачатимуть частину своєї кінетичної енергії і конденсуватимуться на ній, утворюючи твердий шар «заморожених» молекул газу. В результаті цього в об’ємі створюватиметься і підтримуватиметься розрідження (вакуум). У реальних умовах ця спрощена модель не відображає весь комплекс явищ, що супроводжують процес кріовідкачування. Теоретичне вивчення явищ, що відбуваються на охолодженій поверхні, в процесі кріовідкачування ускладнюється тим, що вони у свою чергу супроводжуються великим комплексом взаємозв’язаних і важкороздільних процесів: масотеплопереносом, фазовими перетвореннями, безперервним зростанням кріоосаду, формуванням і постійною зміною структури і теплофізичних властивостей кріоосаду та ін. Крім того, доводиться відкачувати не однокомпонентний газ, а багатокомпонентне газове середовище з різними теплофізичними властивостями. З’ясування природи сил, що утримують частки газу на охолодженій поверхні, а також механізму кріоконденсаційного захоплення молекул газів належить до однієї із складних проблем сучасної фізики і є предметом багаточисельних експериментальних і теоретичних досліджень. Сили міжмолекулярної взаємодії мають електромагнітну, а також квантовомеханічну природу. Досліди показують, що міжмолекулярні взаємодії залежать від відстані між молекулами. Дія цих сил виявляється на близьких відстанях (менше 10–9 м). Взаємодія в мікросвіті виражається двома силами, що одночасно діють: силами взаємного тяжіння і відштовхування. У основі процесу кріовідкачування лежать сили міжмолекулярного тяжіння, і цей процес є фазовим переходом першого роду, що характеризується розшаруванням системи на дві фази «пара – тверде тіло». З термодинамічної точки зору кріоконденсаційне відкачування є ізобарно-ізотермічним процесом, який протікає мимоволі у напрямі зменшення вільної енергії системи «газ – твердий конденсат». Фізично кріовідкачування являє собою конденсацію, тобто фазовий перехід першого роду, що супроводжується стрибкоподібною зміною внутрішній енергії і густини. Фазові переходи першого роду завжди пов’язані з виділенням або поглинанням тепла, що називається прихованою теплотою фазового переходу. Об’єкт дослідження – відкачування газового середовища низькотемпературними вакуумними насосами. Предмет дослідження – низькотемпературні вакуумні відкачувальні кріопанелі. Мета дослідження: аналіз конструкцій вакуумних кріопанелей і визначення основних параметрів процесу низікотемпературного вакуумного відкачування газів. Результати дослідження дозволяють створити методику розрахунку і проектування нізькотемпературних вакуумних насосів з заданими експлуатаційними параметрами. Ключові слова: вакуумна техніка, низькотемпературний насос, кріопанель, розрахунок, конструювання.