Патент на изобретение №2316744
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
(57) Реферат:
Предложенное изобретение относится к области вакуумной техники. Техническим результатом от реализации данного изобретения является расширение диапазона давлений, измеряемых одним вакуумметром, и расширение технологических возможностей измерительной техники путем создания новых приборов, предназначенных для измерения коэффициента покрытия. Предложенный способ измерения остаточного давления газа в исследуемом вакуумном объеме Р и коэффициента покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум
Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к области вакуумной техники и технологиям, связанным с использованием вакуума как технологической среды и требующим знания таких параметров как давление остаточных газов, коэффициент покрытия поверхностей, обращенных в вакуум слоем сорбированных газов. Уровень техники В настоящее время для того, чтобы непрерывно измерять давление при откачке камеры от атмосферного давления 105 Па до давления 10-10 Па необходимо использовать комбинацию по крайней мере трех (а чаще четырех) типов вакуумметров, например: 1) Механического на основе трубки Бурдона (105-100) Па, термопарного (10-10-1) Па, компрессионного(103-10-2) Па, ионизационного (10-1-10-5) Па, инверсно-магнетронного (10-3-10-10) Па [1. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. – M. 1982, «Высшая школа», 199-320 стр.]. 2) Мембранного (105-10) Па, сопротивления (Пирани) (10-10-1) Па, магниторазрядного (1-10-6) Па, Байарда-Альперта (10-3-10-12) Па [2 D.A.Redhead. The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug.-4 Sept. 1998 – P.1]. Среди перечисленных выше типов вакуумметров только пять из них (механический, мембранный, компрессионный, Пирани, термопарный) измеряют давление. Другие три из вышеперечисленных (ионизационный, магниторазрядный, Байарда-Альперта, инверсно-магнетронный) измеряют концентрацию остаточных газов по количеству образованных из молекул ионов. В то же время только два из перечисленных типов вакуумметров – термопарный и Пирани измеряет степень вакуума («средний» вакуум). К манометрам, измеряющим степень вакуума в области «среднего» вакуума, относятся также вязкостный ротационный манометр Дэшмана, вязкостный струнный манометр. До настоящего времени не изобретено ни одного манометра, измеряющего степени «низкого», «высокого», «сверхвысокого» или «ультравысокого» вакуума. В то же время параметрическая надежность – способность вакуумного оборудования реализовать техпроцесс в требуемых параметрах для выпуска годной продукции, часто зависит не столько от суммарного давления, измеряемого вакуумметрами, сколько от степени вакуума (т.е. от относительной длины пробега молекул или от чистоты поверхностей в вакууме). Критерии различных степеней вакуума до настоящего времени не согласованы между собой и определяются следующими соотношениями [1. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. – M. 1982, «Высшая школа», 199-320 стр.]:
где Р – давление в камере, Па, d – характерный размер (диаметр) камеры, где измеряется давление, м, tэ – критическое время экспозиции поверхности в вакууме, за которое образуется слой сорбата, мешающий технологическому процессу. Поскольку критерии сверхвысокого вакуума и высокого (а также среднего и низкого вакуума) определяются совершенно разными способами, то при определенном соотношении параметров d и tэ они могут накладываться друг на друга, занимая одну и ту же область давлений. Критерии ультравысокого вакуума до сих пор четко не сформулированы [2 D.A.Redhead, The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug. – 4 Sept. 1998 – P.1.] Следует отметить, что в настоящее время существуют вакуумметры, использующие измерение вязкостной силы трения газа, (измерение вязкости газа), происходящее при изменении давления. Это так называемый “spinning gauge” или ротационный вакуумметр Дешмана.[3, 4, 5 С.Дешман «Научные основы вакуумной техники», М. 1964, изд. «Мир», стр 219-231, US Patent Document № 2,691,306 – Oct. 1954, Авторское свидетельство № 720348 (СССР). БИ – 1979 – № 43]. К недостаткам указанных вакууметров следует отнести то, что они могут измерять давление только в диапазоне, ограниченном областью среднего и, частично, высокого вакуума. Указанные вакууметры позволяют измерять только остаточные давления и не позволяют измерить коэффициент покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум, поэтому они могут быть рассчитаны только в качестве условных аналогов предложенного технического решения. Раскрытие изобретения Задачей изобретения является создание способа измерения остаточного давления в вакуумной камере и связанного с ним коэффициента покрытия поверхности сорбатом, который позволяет осуществить как измерение вакуума в широком диапазоне давлений, так и измерение коэффициента покрытия одним вакуумметром и повысить экономичность технологических процессов, проводимых в вакууме. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона давлений, измеряемых одним вакуумметром, расширение технологических возможностей измерительной техники путем создания принципиально новых приборов, предназначенных для измерения коэффициента покрытия, а также повышение экономичности технологических процессов, проводимых в вакууме. Технический результат достигается путем измерения силы трения – скольжения и коэффициента трения тестовых поверхностей, которые изменяются в зависимости от изменения коэффициента покрытия этих поверхностей, также изменяющегося в зависимости от изменения давления в испытуемом вакуумном объеме. Измерения указанных величин осуществляют при заданных параметрах скольжения и контактной нагрузки, а остаточное давление (степень вакуума) и коэффициент покрытия определяют по изменению измеряемых величин. Предлагаемое изобретение основано на использовании функциональной зависимости силы трения скольжения и коэффициента трения металлических поверхностей [6. Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. – Киев, «Техника», 1968-180 с.], и диэлектриков [7. Deulin E.A. Concept of dry friction of smooth surfaces in UHV, 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug. – 4 Sept. 1998 – P.310. 8. Deulin E.A., Gatsenko A.A., Loginov А.В., “Friction Force of Smooth Surfaces of SiO2-SiO2 as a function of Residual Pressure”, Surface Science, 433-435, 1999, p.p.188-192] от давления и от коэффициента покрытия. Зависимость коэффициента сухого трения от давления и от коэффициента покрытия имеет вид кривой, представленной на графике. Она имеет три максимума (в области атмосферного давления 105 Па, границы высокого и сверхвысокого вакуума 10-1 Па и ультравысокого вакуума 10-7 Па, средний вакуум соответствует области с минимальным значением коэффициента трения Р=(1-10) Па. При больших количественных изменениях концентрации газа (давления Р) на поверхности соответственно происходят не только количественные изменения сорбированного газа (коэффициента покрытия – в области давлений (105-10) Па доминирует «капиллярное трение», – в области давлений (10-1) Па сочетается действие капиллярного и вязкостного трения, т.е. имеется «капиллярно-вязкостное трение», – в области давлений (1-10-1) Па доминирует вязкостное трение, – в области давлений (10-1-10-7) Па доминирует «адгезионное трение», – в области давлений Р<10-7 Па доминирует «когезионное» трение. При этом степени вакуума определяются следующими соотношениями:
3 > 2 > 1 > 0,001 > где
где Р – измеряемое давление (давление газа между фрикционными поверхностями), Па; PS – давление насыщающих паров измеряемого газа (пара), Па; ES, EL – теплота адсорбции и теплота парообразования газа, давление которого измеряется данным способом J·mol-1; R – универсальная газовая постоянная R=8.34·103 J·mol-1; Т – температура газа (поверхности), К или же либо согласно другому уравнению, предложенному в рамках рассматриваемого технического решения (приведено ниже). Указанный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа измерения остаточного давления газа в исследуемом вакуумном объеме Р и коэффициента покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум
где N1П – количество «посадочных мест» для молекул на скользящей поверхности, обращенной в вакуум; k – постоянная Больцмана; Тa – средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;
Va – скорость теплового движения молекул, м/с; L – среднее расстояние между микронеровностями поверхности объекта, обращенного в вакуум, м; V – заданная скорость скольжения поверхностей объектов, м/с;
Ed – энергия десорбции, Дж/м2; R – универсальная газовая постоянная; Тf – максимальная температура поверхности, вышедшей из контакта (температура «вспышки»), К. Все указанные выше параметры являются либо заданными в соответствиями с условиями испытаний, либо справочными данными для различных типов газов и указанных условий испытаний и приведены, например в справочниках [1] или [2]. На чертеже представлен график зависимости коэффициента трения тестовых поверхностей от давления остаточных газов и суммарного коэффициента покрытия поверхностей сорбатом при различных степенях вакуума. Обозначения: fTP – коэффициент трения; Р – остаточное давление [Па]; Эксперименты показывают, что приведенная на чертеже тарировочная зависимость обладает высокой устойчивостью и хорошей воспроизводимостью. Осуществление изобретения Изобретение может быть осуществлено в конструкции вакуумметра, основанной на измерении коэффициента трения во фрикционной паре (см. описание к патенту RU 2263886). Так, например, измерение силы трения как коэффициента покрытия и давления газа в вакуумной камере возможно путем осуществления движения и трения подвижного элемента конструкции, например вращающегося рабочего кольца о другое измерительное кольцо, закрепленное относительно корпуса конструкции упругим торсионом, ограничивающим угол разворота измерительного кольца относительно его статического положения. Тогда угол поворота измерительного кольца будет зависеть от силы и коэффициента трения, и по углу поворота измерительного кольца можно будет определить коэффициент покрытия и остаточное давление газа. Степень вакуума может быть определена по характеру изменения величины коэффициента трения. Список использованных источников 1. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. Учебник для ВУЗов. – М. 1982, «Высшая школа», стр.199-320. 2. D.A.Redhead. The Ultimate Vacuum 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K.., 31 Aug. – 4 Sept. 1998 – P.1. 3. С.Дешман «Научные основы вакуумной техники», 1964, М. изд. «Мир», стр 219-231. 4. US Patent Document № 2691306 – Oct. 1954. 5. Авторское свидетельство СССР. № 720348. Б.И. – 1979 – № 43. 6. Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. – Киев, «Техника», 1968 – 180 с. 7. Deulin Е.А. Concept of dry friction of smooth surfaces in UHV, 14. Int. Vacuum Congress IVC-14, Book of Abstracts, Birminghem, U.K., 31 Aug. – 4 Sept. 1998 – P.310 8. Deulin Е.А., Gatsenko A.A., Loginov A.B., “Friction Force of Smooth Surfaces of SiO2-SiO2 as a function of Residual Pressure”, Surface Science, 433-435, 1999, p.p.188-192. 9. S.Brunnaumer, P.H.Emmet, E.Teller. Joum. Amer. Chem. Soc. 60 (1938), p309.
Формула изобретения
Способ измерения остаточного давления газа в исследуемом вакуумном объеме Р и коэффициента покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум
где N1П – количество «посадочных мест» для молекул на скользящей поверхности, обращенной в вакуум; k – постоянная Больцмана; Та – средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;
Va – скорость теплового движения молекул, м/с; L – среднее расстояние между микронеровностями поверхности объекта, обращенного в вакуум, м; V – заданная скорость скольжения поверхностей объектов, м/с;
Ed – энергия десорбции, Дж/м2; R – универсальная газовая постоянная; Tf – максимальная температура поверхности, вышедшей из контакта (температура «вспышки»), К.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
, размещенных в исследуемом объеме, заключается в том, что измеряют силу трения скольжения между двумя подвижными друг относительно друга объектами, помещенными в исследуемый объем, при заданных скорости скольжения и контактной нагрузке, и на основании измеренной силы трения определяют коэффициент трения скольжения между данными объектами, при этом искомый коэффициент покрытия 
3 P 
(10…105) Па – низкий вакуум (6)
– определенный по справочнику коэффициент прилипания молекул остаточного газа к поверхности объекта известного химического состава, обращенной в вакуум;
0 – период колебания молекул остаточного газа, с;
