Sebastian Jaroszczuk Wrocław 13.05.1999

III rok Fizyka komputerowa

TEMAT :

POMIAR GRUBOŚCI I OPORU CIENKICH WARSTW

1. Zagadnienia teoretyczne :

1. Otrzymywanie wysokiej próżni :

1. pompa rotacyjna :

Pompy rotacyjne (obrotowe) podobnie jak pompy tłokowe przepychają fragment objętości pobranego gazu z wlotu i wypchanie go do wylotu. W pompach rotacyjny ruch posuwowy tłoka został zastąpiony ruchem obrotowym elementu tłoczącego. W zależności od rodzaju zastosowanego uszczelniacza pompy te dzielimy na :

1. rtęciowe

Tego typu pompy zbudowane są z wirnika porcelanowego (lub stalowego) w kształcie labiryntu zamkniętego w obudowie ( statorze) wypełnionym do odpowiedniego poziomu rtęcią. Schemat przykładowej pompy rtęciowej przedstawiłem na poniższym rysunku 1. :

Rys.1. Pompa obrotowa rtęciowa Geade

(1 - wirnik, 2 - stator, 3,5,6,8 - obszar komory, 4,7 - otwory, Hg- rtęć )

Podczas obrotu wirnika (zgodnie ze strzałką) następuje zassanie powietrza poprzez otwór 6 do komory 3 i poprzez otwór 4 do komory pomocniczej 5. Podczas zmniejszania się obszaru 6 wypychanego poprzez otwór 7 poprzez rtęć do obszaru 8 i do wylotu. Pompy tego rodzaje wymagają próżni wstępnej w obszarze wylotowym (rzędu kilku do kilkunastu torów). Końcowe uzyskane ciśnienie może uzyskać wartości 10^-4 - 10^-5 Tr. z szybkością od kilku litrów na sekundę do 25 cm³­/s.

2. Olejowe

Tego rodzaju pompy najczęściej budowane są jako mimosirodowo-suwakowe, w których elementem chłodzącym, uszczelniającym i smarującym jest olej. Wirnik porusza się w statorze mimośrodowo i do utworzenia dodatkowej komory stosuje się suwaki i ze względu na ich umieszczenie tego rodzaju pompy dzielimy na :

• z suwakami w wirniku :

Schemat przykładowej pompy rotacyjnej z suwakami w wirniku przedstawiam poniżej na rysunku 2.

Rys. 2. Pompa rotacyjna olejowa z suwakami w wirniku

( 1 - stator, 2 - wirnik, 3,4,5 - obszary komory, 6,7- suwaki, 8 - sprężyna, 9 - zawór,

10 - odoliwiacz, 11 - filtr, 12,13 - boczne denka, 15 - poziom oleju )

W cylindrycznym statorze obraca się wirnik umieszczony na osi 14 mimośrodowo. W wirniku znajdują się dwa suwaki 6,7 dociskane do ścianek statora sprężyną 8. W tym układzie powstały trzy komory, odizolowane i zmieniające swoje objętości podczas ruchu wirnika. Komora 3 jest połączona z wlotem (zabezpieczonym filtrem, chroniącym wnętrze pompy) tworząc komorę ssącą. Przy ruchu wirnika komora 3 przechodzi w komorę 4. Dalej komora 4 przechodzi w komorę 5 która jest połączona z zaworem 9 (zabezpieczającym przed dostaniem się oleju do wnętrza przy gwałtownym zatrzymaniu wirnika). Tworzy ona komorę wypychającą objętość poprzez olej i odoliwiacz 10 (zmniejszający wydostawanie się rozpylonego oleju na zewnątrz) do wylotu. Przy prostej budowie pompy występuje tzw. objętość szkodliwa, obszar zamknięty pomiędzy wylotem a wlotem i przepychany ponownie do obszaru ssącego. Przykładową objętość szkodliwą i przykładowe usunięcie jej poprzez zastosowanie innego kształtu statora pokazano na rys. 3.

Rys. 3 . Objętość szkodliwa 1 powstała pomiędzy punktami 2 i 3. Przykład zminimalizowania wady.

• z suwakami w statorze :

Przykładowe schematy pomp rotacyjnych z suwakami w statorze przedstawiłem na rysunku 4.

Rys. 4. Pompa rotacyjna olejowa z suwakami w statorze.

(1 - wirnik mimośrodowy, 2 - oś, 3 - stator, 4,5 - komory, 6 - zawór kulkowy, 7 - suwak, 8 - łożysko, 9 - cylinder mimośrodu)

W statorze 3 znajduje się suwak 7 dociskający do wirnika 1. Układ tworzy dwie komory 5 ssącą połączoną z wlotem, która poprzez ruch wirnika zwiększa swoją objętość do maksymalnej i przechodzi w komorę 4 wypychającą połączoną z wylotem. Do uzyskania lepszej wytrzymałości na ścieranie używa się także wirników zbudowanych z łożysk, jak to pokazana na rysunku 4.

• z suwakiem przegubowym :

Przykładowy schemat pompy rotacyjnej ze suwakiem przegubowym przedstawiłem na rysunku 5.

Tego rodzaj pomp posiada sztywno zamocowany suwak1 z wirnikiem 2. Styk wirnika ze statorem i suwak tworzy w wewnątrz statora dwie przestrzenie. Ssącą 7 połączoną z wlotem która poprzez obrót wirnika zwiększa swoją objętość i po przekroczeniu maksymalnej wielkości zamyka wlot i przechodzi w komorą wypychającą 6. Ona z kolei zmniejszając swoją objętość poprzez dalszy ruch wirnika wypycha poprzez zawór 8 od obszaru przed olejem i poprzez niego do wylotu. Korpus pompy chłodzony jest poprzez ciągły obieg wody. Zastosowano także wielorakie ulepszania np. wstawienie kanału wlotowego w suwaku, które usprawniały działania tego typu pompy.

Rys. 5. Pompa rotacyjna olejowa z suwakiem przegubowym.

(1 - suwak, 2 - cylinder wirnika, 3 - urządzenie przegubowe, 4 - mimośród, 5 - wał, 6,7 -komory, 8 - zawór samoczynny, 9 - dopływ wody, 10 - odpływ wody, 11 - olej, 12 - otwór do spuszczania oleju )

We wszystkich tych typach pomp, w których elementem smarującym jest olej, w przypadku wystąpienia w gazach odsysanych i znajdujących się w komorze wypychania, par (np. pary wodnej) przy sprężaniu może wystąpić skraplanie ich i rozpuszczenie w oleju. Do uniknięcia takiej sytuacji stosuje się tzw. przedmuchiwanie. Polega ona wprowadzeniu, poprzez dodatkowy otwór w komorze wypychania, powietrza przedmuchującego dzięki czemu pary zostaną przedmuchane zanim skondensują się na ściankach. Graniczne uzyskane ciśnienie zależy od wykorzystanego silnika (mocy) jest w zakresie 10^-2-5*10^-4 bez przedmuchu i 1 - 6*10^-3 Tr.

3. Bezsmarowe

Pompy bezsmarowe utrzymują szybkość pompowania w zakresie niższych ciśnień a także pozbywają się niepożądanych par oleju lub rtęci z obszarze pompowania. Uzyskuje się to poprzez wyeliminowanie czynników smarujących, mających na celu zmniejszenie tarcia, poprzez uniknięcie styku pomiędzy wirnikiem a statorem.

• Rootsa

Pompa ta jest oparta na budowie dmuchawy Rootsa. Schemat przykładowej pompy tego typu pokazany jest na rysunku 6.

Rys.6. Pompa bezsmarowa Rootsa.

(1,2 - wirniki, 3 - stator )

Nieszczelność (rzędu kilku paru setnych milimetra) wynikająca z powstania małej szczeliny pomiędzy wirnikami a statorem zmniejsza szybkość pompowania i podwyższa ciśnienie końcowe. Wady te likwiduje się poprzez stosunkowo dużą szybkość obrotów wirników. Wirniki o odpowiednim kształcie obracają się synchronicznie z prędkością kilku tysięcy obrotów na minutę. Pompowanie wynika z różnicy natężeń przepływu gazów od wlotu do wylotu pompy (wynikającego z obrotu wirników) i natężenia powrotnego od wylotu pompy do wlotu (wynikającego z nieszczelności)

• mimośrodowe

Innym typem budowy obrotowej pompy bezsmarowej jest pompa mimośrodowa. Przykładowy schemat budowy przedstawiłem na rysunku 7 .

Rys. 7. Obrotowa pompa bezsmarowa mimośrodowa.

(różne fazy położenia mimośrodu)

Pompy tego typu posiadają dwa walce umieszczone mimośrodowo zamknięte w wewnątrz wspólnego statora. Poruszając się przepychają gaz z wlotu do wylotu.

2. pompa dyfuzyjna :

Pompy dyfuzyjne z powodu wykorzystania efektu dyfuzji gazów mogą pracować w stosunkowo niskich ciśnieniach. Wymagają one istnienia próżni wstępnej po stronie wylotu rzędu lub części Tr (gęstość pompowanego gazu musi być mniejsza od gęstości pary w strumieniu pompującym). Najczęściej wykorzystuje się jako czynnik parujący rtęć lub olej.

Posty schemat budowy tego typu pompy przedstawia rysunek 8.

Rys.8. Pompa dyfuzyjan.

(1 - zbiornik czynnika parującego, 2 - prowadnica pary, 3 - dysza, 4 - grzejnik, 5 - chłodnica, 6 - olej lub rtęć)

W zbiorniku znajduje się czynnik pompujący, który poprzez podgrzewanie wytwarza parę która poprzez prowadnice dostaje się do dysz. Energia ciśnienia pary w dyszach zostaje zamieniona w prędkości pary tworząc ścięty stożek (ab i a'b'). Cząstki pompowanego gazu dostając się poprzez wlot stykają się z powierzchnią górną stożka (przesłoną). Dyfundują do wewnątrz stożka i uzyskują prędkość w kierunku ruchu cząstek parujących. Uderzając o ścianki (kondensator) czynnik parujący skrapla się i spływa wraz z gazem do obszaru pod stożkiem, skąd zostaje wypychany na zewnątrz.

Dla pompy dyfuzyjnej charakterystyczny jest współczynnik sprężania który określa stosunek ciśnienia u wylotu pompy do ciśnienia przy wlocie.

Jest on tym lepszy im mniejszy, czyli im większa jest prędkość par czynnika pompującego v_p, dłuższa droga pompowania L i mniejszy współczynnik dyfuzji gazu w parze D. Prędkość v_p zależy od konstrukcji pompy oraz rozkładu temperatury w pompie. Jej zwiększenie powoduje także wzrost D oraz ciśnienia par czynnika pompującego. Końcowe ciśnienie mocno zależy od rodzaju pompowanego gazu.

3. pompa sublimacyjno-jonowa :

Pompy jonowe wykorzystują zjawisko pompowania w poprzez skuteczną jonizację gazu dzięki obecności pola magnetycznego i rozpylaniem metalu katody pod wpływem bombardowania jej jonami. Pompy sublimacyjno-jonowe wykorzystuje się przy pompowaniu gazów chemicznie czynnych. Przykład pompy sublimacyjno-jonowej z podawaniem tytanu przedstawiam na poniższym rysunku 9 :

Rys.9. Pompa sublimacyjno-jonowa.

(1 - rolka drutu tytanowego, 2 - prowadnica, 3 - tygiel-anoda,

K - katoda, S - siatka, A - anoda)

W tego rodzaju pompy role anody spełnia siatka S, katoda K ma kształcie pierścienia. Pod wpływem bombardowania elektronami z katody, drut tytanowy znajdujący się w tyglu ulega odparowaniu i gaz znajdujący się w pompie ulega jonizacji. Zjonizowane cząstki są wiązane chemiczni i fizycznie na powierzchni uziemionej obudowy. Tam zostają zamurowane osadzającym się tytanem (obudowa jest chłodzona wodą). Szybkość pompowania zależy od szybkości podawania tytanu a także od rodzaju pompowanego gazu.

Technicznie inaczej skonstruowanym rodzajem pompy sublimacyjno-jonowej jest pompa triodowa (rysunek 10).

Rys. 10. Pompa sublimacyjno-jonaowa triodowa.

W szklanej bańce zamknięta jest żarząca się katoda, anoda w kształcie siatki pokryta tytanem i warstwa tytanu na powierzchni bańki spełniająca rolę kolektora. Elektrony z katody oscylując poprzez otwory siatki jonizują gaz, wytworzone jony dodatnie poruszają się do kolektora (pod wpływem pola elektrycznego), tam są wbijane w powierzchnię. Jednocześnie anoda rozgrzewa się pod wpływem bombardowania elektronami i zostaje wyparowany tytan który z kolej osadza się na kolektorze zamurowując wbity gaz. Całość jest chłodzona wodą.

---