СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА Российский патент 2008 года по МПК G01L21/24 

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.]:

Низкий вакуумPd > 200 [м·Па] (1)Средний вакуум200 > Pd > 0,004 [м·Па] (2)Высокий вакуумPd > 0,004 [м·Па] (3)Сверхвысокий вакуумP < 410^-4/t_э[Па] (4)Ультравысокий вакуумP < 10^-8Па (точно не сформулирован) (5),

где Р - давление в камере, Па, d - характерный размер (диаметр) камеры, где измеряется давление, м, t_э - 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 t_э 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 θ), но и качественные изменения в природе и характере трения:

- 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:

Θ ≥ 3 P ≈ (10...10⁵) Па - низкий вакуум (6)

3 > Θ ≥ 2 P ≈ (10^-1...10) Па - средний вакуум (7)

2 > Θ ≥ 1 P ≈ (10^-1...10^-3) Па - высокий вакуум (8)

1 > Θ ≥ 0,001 P ≈ (10^-7...10^-3) Па - сверхвысокий вакуум (9)

0,001 > Θ P < 10^-7Па - ультровысокий вакуум, (10)

где Θ - коэффициент покрытия, являющийся функцией давления согласно уравнению БЭТ [9. S.Brunnaumer, P.H.Emmet, E.Teller. Joum. Amer. Chem. Soc. 60 (1938), p 309.]:

где Р - измеряемое давление (давление газа между фрикционными поверхностями), Па; P_S - давление насыщающих паров измеряемого газа (пара), Па; E_S, E_L - 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 Θ, размещенных в исследуемом объеме, 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 определяют по предварительно построенным тарировочному графику изменения зависимости коэффициента покрытия поверхностей трения объектов, обращенных в вакуум, от коэффициента трения скольжения между данными объектами, а давление остаточного газа в вакуумном объеме Р, определяют на основании определенного по тарировочному графику коэффициента покрытия путем использования уравнения:

где Θ - коэффициент покрытия поверхности объекта, определенный по тарировочному графику его зависимости от коэффициента трения скольжения используемых объектов;

N_1П - количество «посадочных мест» для молекул на скользящей поверхности, обращенной в вакуум;

k - постоянная Больцмана;

Т_a - средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;

α - определенный по справочнику коэффициент прилипания молекул остаточного газа к поверхности объекта известного химического состава, обращенной в вакуум;

V_a - 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;

τ₀ - период колебания молекул остаточного газа, с;

E_d - энергия десорбции, Дж/м²;

R - универсальная газовая постоянная;

Т_f - 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: f_TP - коэффициент трения; Р - остаточное давление [Па]; Θ - суммарный коэффициент покрытия поверхностей сорбатом.

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.

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 Θ, 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 Θ определяют по предварительно построенному тарировочному графику изменения зависимости коэффициента покрытия поверхностей трения объектов, обращенных в вакуум, от коэффициента трения скольжения между данными объектами, а давление остаточного газа в вакуумном объеме Р, определяют расчетным путем на основании определенного по тарировочному графику коэффициента покрытия. 1 ил.

Способ измерения остаточного давления газа в исследуемом вакуумном объеме Р и коэффициента покрытия поверхностей объектов, обращенных в вакуум Θ, размещенных в исследуемом объеме, заключающийся в том, что измеряют силу трения скольжения между двумя подвижными относительно друг 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 определяют по предварительно построенному тарировочному графику изменения зависимости коэффициента покрытия поверхностей трения объектов, обращенных в вакуум, от коэффициента трения скольжения между данными объектами, а давление остаточного газа в вакуумном объеме Р определяют на основании определенного по тарировочному графику коэффициента покрытия путем использования уравнения

где Θ - коэффициент покрытия поверхности объекта, определенный по тарировочному графику его зависимости от коэффициента трения скольжения используемых объектов;

N_1П - количество «посадочных мест» для молекул на скользящей поверхности, обращенной в вакуум;

k - постоянная Больцмана;

Т_а - средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;

α - определенный по справочнику коэффициент прилипания молекул остаточного газа к поверхности объекта известного химического состава, обращенной в вакуум;

V_a - 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;

τ₀ - период колебания молекул остаточного газа, с;

E_d - энергия десорбции, Дж/м²;

R - универсальная газовая постоянная;

T_f - максимальная температура поверхности, вышедшей из контакта (температура «вспышки»), К.