Вакуумное оборудование - pyrs.ru

Критерии и оптимизация вакуумных систем на основе структур с сорбирующими стенками

Критерии и оптимизация вакуумных систем на основе структур с сорбирующими стенками
0

Насосы поверхностного действия (НПД) и ВС на их основе, объединяемые термином структуры с сорбирующими стенками, представляют собой совокупность поглощающих и отражающих молекулы поверхностей, имеющих различную ориентацию относительно источников газа. Это заставляет использовать для описания процессов молекулярного и сопутствующего лучистого переноса набор характеристик. Этот набор должен включать интегральные характеристики насоса; описывать распределение газовых потоков во внутренней полости НПД; делать возможными сравнительные оценки различных модификаций НПД, формулирование количественных требований к их функциональным узлам и критериев их структурногеометрической оптимизации.

При решении этой задачи нет необходимости вдаваться в физические детали взаимодействия молекул с сорбирующими поверхностями. Достаточно построить простую обобщенную модель, включающую как частные случаи любые реальные механизмы взаимодействия. Например, удобно использовать концепцию активных центров.

Под активным центром будем понимать микрообпасть на сорбирующей поверхности, доступную для падающих молекул. Взаимодействие молекул с активными центрами, приводящее к нейтрализации последних, будем описывать статистически детерминированными параметрами 17 (г, t) (вероятность необратимого поглощения молекулы активным центром) и £Нг, t) (вероятность попадания какой-либо молекулы в поле активного центра). Введем также а (г, г) — плотность потока нейтрализуемых активных центров в малой области сорбирующей поверхности вокруг точки г в момент t; Л/а ц(г, t) — поверхностную или объемную концентрацию активных центров в этой области.

Концепция активных центров как обобщенная модель взаимодействия молекул с сорбирующей поверхностью адекватна идущим в НПД физическим процессам. В криогенных насосах активные центры существуют все то время, пока поддерживается требуемая температура. В сорбционных и имплантационных насосах активные центры формируются до начала откачки и в ее процессе расходуются (нейтрализуются) со скоростью, пропорциональной падающему молекулярному потоку. В насосах с непрерывным возобновлением геттерной пленки активные центры воспроизводятся испарителем (распылителем).

Методики расчета НПД должны давать не только интегральные характеристики, но и количественную оценку соответствия проектируемой структуры ее оптимальной теоретической модели. Независимыми или управляемыми факторами при этом могут быть распределение потоков откачиваемого газа, геометрическая структура НПД и свойства сорбирующих поверхностей.

Важнейшей интегральной характеристикой структуры с сорбирующими стенками является коэффициент захвата или адекватная ему в равновесных условиях быстрота действия. Рассмотрим подробнее несколько типов таких структур.

Расхождение значений концентрации вблизи торцевых эквивалентных поверхностей в первом и втором приближениях достигает 5%; однако уже на расстояниях х fl оно не превышает 1%.

Формула (4.50) дает, строго говоря, приближенный результат. Погрешность связана с нарушением изотропности поля скоростей молекул вблизи сорбирующей поверхности из-за влияния трубопровода (см. рис. 3.7).

На рис. 4.8 представлены расчетные значения Г для осесимметричных НПД различной формы. Насосы присоединены торцом к камере, заполненной равновесным газом (кроме случаев, описываемых кривыми на рис. 4.8, ж из, которые построены соответственно для 47-симметричного квазиточечного источника в центре входного отверстия насоса и для квазиточечного источника с косинусоидальным распределением эмиттируемого потока и максимумом по оси насоса). Расчеты выполнены с помощью ММК (рис. 4.8, а—г), МУК (рис. 4.8, и—р), ИКМ (рис. 4.8, д, е), приближенного метода (рис, 4.8, ж, з). Влияние направленности молекулярных потоков, как видно из сравнения соответствующих кривых, весьма существенно. По мере возрастания (3 оно заметно ослабевает.

На начальном этапе проектирования применение точных методов вычисления Г не всегда оправдано ввиду их трудоемкости. Во многих случаях приближенные методы позволяют быстро оценивать эффективность той или иной структуры при вариациях ее геометрии. Простой и универсальный метод, дающий вполне достаточную для этих целей точность, состоит в приведении кажущейся быстроты действия сорбирующих поверхностей к площади входного отверстия образуемой ими структуры. Кажущейся быстротой действия Soj; названа величина SSp/F., где суммирование ведется по всем сорбирующим поверхностям. Такая операция описывается формулой

1. Сорбирующая поверхность (площадь F, удельная быстрота действия Sp, коэффициент прилипания (3 ) в камере, заполненной равновесным газом при температура Т. Быстрота действия

2. Сорбирующая поверхность (площадь F, коэффициент прилипания /3) соединена с камерой трубопроводом проводимостью G. Быстрота откачки камеры

3. Частично замкнутая система сорбирующих поверхностей, присоединенная непосредственно к откачиваемой камере. Точное значение коэффициентов захвата Г в этом случае можно получить одним из способов, изложенных в 4.1 — 4.3; для приближенного вычисления предложено несколько расчетных схем.

4. Структуры с сорбирующими стенками, соединяющие вакуумные камеры. Интегральными характеристиками таких структур, используемых обычно для дифференциальной откачки, являются коэффициенты захвата, проводимости и обратного рассеяния:




Для наиболее распространенных сечений — кругового (диаметр а), прямоугольного (стороны а и fa =Ы и квадратного (сторона с) формула (4.51) приобретает вид:





Для наиболее распространенного типа НПД — цилиндрической камеры с сорбирующими стенками длиной I и диаметром 2R, где Qnorn Q — плотность потока молекул, поглощаемых стенкой в зоне входного торца (х = 0). Молекулы влетают в камеру через один торец; угловое распределение потока на входе и рассеяние молекул стенкой описывают законом косинуса; плотность входящего потока — *7о- Если противоположный торец закрыт сорбирующей поверхностью с тем же коэффициентом прилипания |3, то распределение поглощаемых молекул описывается аппроксимирующими функциями:

Термином полезный эффект, используемым в табл. 4.3, обозначается любой физический параметр, определяющий назначение электрофизической установки и требующий достижения определенных вакуумных характеристик. Это может быть эквивалентный ток пучка в инжекторах быстрых частиц, продолжительность циркуляции сгустков или интенсивность пучка в накопителях при фиксированном уровне потерь на остаточном газе и т. п. Построение оптимизированного по этому критерию вакуумного тракта предполагает использование дифференциальной откачки, локализацию зон с повышенной молекулярной концентрацией, создание сети замкнутых каналов для транспортировки молекулярных потоков повышенной плотности и др.

Как видно из табл. 4.3, большая часть критериальных характеристик требует совместного анализа пространственного распределения молекулярных и лучистых потоков. В частности, только на этой основе возможна оптимизация теплозащитных экранов и криогенных насосов в целом.

В качестве иллюстрации рассмотрим количественные критерии структурно-геометрической оптимизации геттерных насосов. В оптимальном гетгерном насосе коэффициент захвата должен иметь максимально возможное для данной пары газ — сорбирующая поверхность значение. При этом степень насыщения геттера в любой области должна быть одинаковой. При невыполнении этого условия локальное насыщение геттера будет приводить к падению Г.

Количественно сформулированный критерий для произвольной области вокруг точки г можно выразить простым соотношением:


Погрешность вычисления по формулам (4.54) при i/R — 2 меньше 5%.

Перейдем теперь к критериям оптимизации НПД и систем на их основе (табл. 4.3). Обобщенный коэффициент прозрачности, используемый в этой таблице, вводится соотношением:




Таблица 4.3. Критерии структурно-геометрической оптимизации элементов вакуумного тракта электрофизических установок и комплексов.

Учитывая принципиальные различия в математическом описании процессов поглощения газа в насосах с непрерывным возобновлением геттерной пленки и в насосах с заранее сформированными сорбирующими поверхностями, рассмотрим отдельно каждый из этих типов НПД.

Насосы с непрерывным возобновлением геттерной пленки (испарительные насосы в режиме непрерывного испарения геттера и магниторазрядные насосы).

Активными центрами являются здесь напыляемые атомы геттера. Удобно принять

Оптимальным будем называть такой насос, в котором в любой области сорбирующих поверхностей поток активных центров поддерживается минимально необходимым для поглощения падающего газового потока, т. е.

Таким образом, в каждой области сорбирующих поверхностей реального насоса величина может принимать любое значение от нуля до бесконечности, причем степень ее близости к единице можно рассматривать как меру структурного совершенства данной области насоса в смысле условия (4.57). В соотношении (4.58)

Нулевой индекс присвоен значениям функций, относящимся к произвольно выбранной малой области сорбирующих поверхностей, например к узкому пояску вблизи входного сечения насоса.

Оптимальным будем называть такой насос, в котором во всех точках сорбирующих поверхностей относительное изменение поверхностной или объемной концентрации активных центров вследствие поглощения молекул одно и то же. Количественно сформулированное условие можно представить в виде:












В реальном насосе соотношение (4.62) может не выполняться, что означает снижение по сравнению с его предельно возможным для данных условий значением. Следовательно, в каждой области сорбирующих поверхностей реального насоса величина

Leave A Reply