Физические основы вакуумной техники

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
А.Б. БЕРКИН, А.И. ВАСИЛЕВСКИЙ 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2014 

УДК 621. 521 + 533.59](075.8) 
          Б 489 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, профессор В.К. Макуха 
 
Работа подготовлена на кафедре электронных приборов 
для студентов II–III курсов РЭФ, обучающихся 
по направлению 200100 – «Электроника и наноэлектроника» 
 
 
 
Беркин А.Б. 
Б 489     Физические основы вакуумной техники  : учеб. пособие / 
А.Б. Беркин, А.И. Василевский. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 
2014. – 84 с. 

ISBN 978-5-7782-2424-7 

Рассмотрены физические основы работы наиболее распространенных типов вакуумных насосов, манометрических датчиков давления и масс-спектрометров, а также принципы построения откачных 
систем высокого и сверхвысокого вакуума. Для получения практических навыков работы с оборудованием предлагаются соответствующие варианты практических занятий. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 200100 «Электроника и наноэлектроника». Оно может быть 
рекомендовано также для специалистов, занимающихся эксплуатацией вакуумного технологического оборудования. 
 
 
 
УДК 621. 521 + 533.59](075.8) 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-2424-7                                       © Беркин А.Б., Василевский А.И., 2014  
© Hовосибиpский государственный         
технический университет, 2014             

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ................................................................................................................... 4 
1. Манометрические преобразователи давления ................................................... 5 
   1.1. Тепловые преобразователи давления ........................................................... 6 
   1.2. Электронный (ионизационный) преобразователь давления .................... 10 
   1.3. Магнитный преобразователь давления ...................................................... 13 
2. Вакуумные насосы ............................................................................................. 17 
   2.1. Конструкции объемных насосов ................................................................ 19 
   2.2. Молекулярная откачка................................................................................. 20 
   2.3. Физико-химические методы получения вакуума ...................................... 23 
   2.4. Ионно-сорбционная откачка ....................................................................... 24 
3. Изучение вакуумных систем ............................................................................. 27 
   3.1. Вакуумные системы и их элементы ........................................................... 27 
   3.2. Вакуумные насосы ....................................................................................... 31 
   3.3. Уравнение вакуумной техники. Расчет скорости откачки рабочего 
          объема ........................................................................................................... 34 
   3.4. Согласование насосов, работающих последовательно ............................. 38 
   3.5. Расчет газовых нагрузок .............................................................................. 39 
4. Масс-спектрометрические газоанализаторы ................................................... 45 
   4.1. Качественный анализ спектра ..................................................................... 46 
   4.2. Количественный анализ .............................................................................. 49 
   4.3. Влияние сорбционных процессов на состав газовой атмосферы ............ 51 
   4.4. Магнитостатический газоанализатор. Принцип действия ....................... 55 
5. Изучение техники течеискания ........................................................................ 61 
   5.1. Масс-спектрометрический течеискатель ................................................... 61 
   5.2. Течеискатель гелиевый ПТИ-10 ................................................................. 63 
   5.3. Принцип действия течеискателя ................................................................ 65 
   5.4. Порядок работы с течеискателем ............................................................... 69 
Библиографический список .................................................................................. 71 
Приложение А. Характеристики вакуумных насосов ........................................ 72 
Приложение Б. Измерение давления. Работа с вакуумметрами ........................ 75 
 
 
 

Введение 

 
Вакуумная техника является основой развития современной науки 
и технологии. Без нее невозможно себе представить микро- и наноэлектронику, физику элементарных частиц и аналитическое приборостроение, плазменную и лазерную физику. Трудно найти области техники, где бы не использовались вакуумные приборы и устройства: 
электронно-оптические приборы и детекторы излучений; мощные генераторные лампы для средств связи и локации; вакуумные печи для 
плавления и сварки металлов; установки для нанесения покрытий в 
электронике, оптике, машиностроении, медицине; вакуумная упаковка 
и сублимация продуктов в пищевой промышленности и многое другое. 
Настоящее пособие охватывает базовые разделы вакуумной техники: средства получения и измерения вакуума, особенности построения 
вакуумных систем, техника контроля состава газовой атмосферы, контроль негерметичности вакуумных систем. 
Для получения практических навыков работы с вакуумным оборудованием предлагаются варианты практических занятий, содержащие 
задание и контрольные вопросы по теме. В приложении приводятся 
технические данные приборов и порядок работы с ними. 
Пособие разработано на основе курса «Основы вакуумной техники» для студентов направления «Электроника и наноэлектроника» факультета РЭФ НГТУ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
ДАВЛЕНИЯ  

Давление газа служит основной характеристикой в вакуумной 
технике. Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Однако на практике широко используют внесистемные 
единицы – мм рт. ст., атм, бар. Соотношение между этими единицами 
приведено в табл. 1.1. 

Т а б л и ц а  1.1 

Единицы измерения давления 

Единицы 
Па 
Мм рт. ст. 
Атм 
Бар 

Па 
1 
7,5   10–3 
9,87 · 10–6 
10–5 

Мм рт ст 
(торр) 
133,32 
1 
1,32 · 10–3 
1.33 · 10–3 

Атм 
1,01 · 105 
760 
1 
1,01 

Бар 
1,00 · 105 
750 
0,987 
1 

Для измерения давления ниже атмосферного используются вакуумметры. Приборы состоят из манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал (датчика) и измерительного 
блока. В табл. 1.2 приведены основные типы преобразователей, используемых в вакуумной технике. 

Т а б л и ц а  1.2 

Рабочий диапазон датчиков давления 

Тип датчика 
Диапазон давлений, Па 

Деформационные (емкостной) 
105…10–3 

Тепловые: 
   Пирани  
   Термопарный  

 
105…10–3 
10+1…10–1 

Ионизационные 
10–1…10–10 

В зависимости от используемого метода измерений вакуумметры 
можно разделить на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть рассчитаны 
или получены с помощью градуировки по динамометрическим приборам. К вакуумметрам абсолютного действия относятся жидкостные, 
компрессионные и деформационные вакуумметры. В вакуумметрах 
для относительных измерений непосредственно измеряются физические параметры, зависящие от давления газа. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Измеряемое давление у таких приборов зависит от рода газа и температуры. Калибровочные характеристики приборов приведены обычно для сухого воздуха. При измерении 
давления других газов необходимо использовать указанные в справочной литературе переводные коэффициенты или проводить индивидуальную градуировку вакуумметра по рабочему газу. Измерение давлений ниже 10-3 Па практически возможно только приборами косвенного 
измерения давлений. 

1.1. Тепловые преобразователи давления 

В основе работы тепловых преобразователей используется зависи
мость теплопроводности газа Kт от давления Р (рис. 1.1). При высоких 
давлениях газа (область 3) теплопроводность не зависит от давления, а 
при низких – наблюдается практически прямая пропорциональность 
Kт ~ kР (область 1). В области средних давлений 2, когда длина свободного пробега молекулы λ соизмерима с характеристическим размером системы L, связь Kт и Р носит сложный характер. 
Схема теплового преобразователя представлена на рис. 1.2. В корпусе 1 (
0
20 С
Т 

 ) натянута металлическая нить накала (Ni, Pt,W) с 
температурой Тн (обычно 100...200 С

); сопротивление нити Rн. Нить 
разогревается протекающим через нее током Iн. 
Уравнение теплового преобразователя в области низких давлений 
имеет вид 

2
н
н
н
изл
держ

н
0

(
)
(
)

(
)

I R T
W
W
P
аk T
T





,  
 
 
 
 
(1.1) 

где k – коэффициент пропорциональности в выражении Kт ~ kР; a – 
коэффициент, определяемый радиусом и длиной нити, а также коэффициентом аккомодации (0–1), учитывающим полноту теплообмена 

между газом и нитью. Из уравнения теплового баланса следует, что 
чем меньше потери на излучение нити (Wизл) и теплоотвод в держатель 
(Wдерж), тем выше точность измерений. Чувствительность датчика тем 
выше, чем длиннее и тоньше нить. 

K

1       2                  3

P

т

Рис. 1.1. Зависимость теплопро- 

водности газа от давления: 

1 – λ >> L; 2 – λ ~ L; 3 – λ << L 

L

1

2
3

 
Рис. 1.2. Схема теплового преобра- 
зователя: 

1 – корпус; 2 – нить накала (резистор); 
3 – электроды 

Уравнение (1.1) показывает, что давление газа является функцией 
двух переменных: температуры нити Тн и тока накала Iнак. При постоянстве одного из параметров давление является функцией другого 
(рис. 1.3). Следует учитывать, что градуировочная кривая теплового 
преобразователя не сохраняется в процессе эксплуатации из-за коэффициента термической аккомодации, который может меняться в широких пределах вследствие загрязнения поверхности нити парами масла, 
 

P
P

I  = const
T  = const
нак
н

I нак
Tн
 
Рис. 1.3. Градуировочные характеристики тепловых преобразователей в режимах постоянного тока и постоянной 
                             температуры нити 

воды, окислительных процессов. Поэтому периодически требуется калибровка прибора, для чего используются ионизационные преобразователи. Калибровка производится в двух точках: при атмосферном и 
«нулевом» (менее 10–2 Па) давлениях. 
Тепловые манометрические преобразователи просты по конструкции и надежны в работе, не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы. 
Наиболее распространены тепловые датчики двух типов: термопарные и преобразователи сопротивления (Pirani Sensor). 
В термопарном преобразователе ПМТ-2 (рис. 1.4) электроды расположены в стеклянном баллоне, подключаемом к вакуумному объему. К средней точке тонкой V-образной нити 2 приварен спай хромелькопелевой термопары 3. По нити нагревателя пропускается ток Iн постоянной величины, контролируемый амперметром. Так как температура нагревателя зависит от давления газа, то ее изменение будет приводить к изменению ЭДС термопары, которая измеряется милливольтметром. 

Рис. 1.4. Схема конструкции 
термопарного преобразователя: 

1 – держатели (токовводы); 2 – V-образный нагреватель; 3 – хромель-копе                  левая термопара 

P

1

2

3

mV
mA

Преобразователь сопротивления типа ПМТ-6-3 (рис. 1.5) конструк
тивно представляет собой металлический тонкостенный цилиндр 1, в 
корпусе которого закреплен нагреватель 2 из платиновой проволоки 
диаметром 12 мкм. Преобразователь работает в режиме постоянного 
сопротивления нагревателя 116,5 Ом при температуре нити 473 К. 
Датчик включается в измерительную мостовую схему. Изменение давления газа в объеме приводит к изменению температуры нагревателя и, 

1
2

P

mA

V

 

Рис. 1.5. Манометрический преобразователь сопротивления ПМТ–6–3 
        и его электрическая схема: 

1 – корпус датчика; 2 – нить нагревателя 

следовательно, его сопротивления. Как следствие, возникает дополнительный разбаланс электрического моста. Источник изменяет напряжение питания таким образом, чтобы разбаланс сохранялся на исходном («нулевом») уровне. Напряжение питания моста изменяется от 0,3 
до 7 В при изменении давления от 0,1 до 105 Па. 
В отличие от традиционных датчиков Pirani, использующих проволочные резисторы, в настоящее время разработаны интегральные варианты таких преобразователей (рис. 1.6). В них взамен нагреваемого 
провода используется тонкопленочный никелевый резистивный элемент, напыленный на кремниевую подложку. Этот нагреватель поддерживает постоянную температуру подложки выше окружающей 
температуры. 
Полупроводниковый MicroPirani сенсор имеет несколько преимуществ по сравнению с классическим: 
– уменьшены потери на излучение и на теплопроводность в держатель; 
– встроенный температурный датчик улучшает точность температурной компенсации; 
– малые размеры термопреобразователя уменьшают термическую 
задержку, обеспечивая более быстрое время установления теплового 
равновесия (т. е. время задержки измерения давления). 

Рис. 1.6. Интегральный вариант MicroPirani Sensor 

Эти решения позволяют использовать MicroPirani сенсор для измерения давления до 10-3Па, что на два порядка ниже традиционного сенсора.  

1.2. Электронный (ионизационный) 
преобразователь давления 

Принцип работы ионизационных преобразователей основан на явлении ионизации молекул газа электронами с последующим измерением ионного тока. Количество образовавшихся ионов пропорционально 
концентрации нейтральных частиц, а следовательно, при постоянной 
температуре газа и давлению, так как Р = nkT. Таким образом, при постоянстве тока эмиссии электронов с катода ионный ток Ii линейно зависит от давления газа Ii = cP, где с – постоянная манометра. Диапазон 
давлений, измеряемых электронным преобразователем, ограничен: 
– сверху – нарушением линейности градуировочной характеристики вследствие роста числа столкновений электрона с молекулами при 
малых длинах свободного пробега и, как следствие, в дальнейшем возникновения газового разряда. Кроме того, с ростом давления резко 
снижается срок службы вольфрамового катода; 
– снизу (со стороны малых давлений) – генерацией электронов в 
цепи коллектора, уменьшающей результирующий ток коллектора, т. е. 
снижающей чувствительность датчика. Основной причиной эмиссии 

электронов является фотоэмиссия под действием рентгеновского излучения сетки анода, возникающего при бомбардировке ее термоэлектронами. Для измерения более низких давлений необходимо уменьшать площадь поверхности коллектора. 
На практике реализуются две разновидности ионизационных преобразователей:  
– электронный ионизационный с термокатодом (различают преобразователь на базе вакуумного триода и манометр Байарда–Альперта); 

– электронный магниторазрядный с холодным катодом. 
Важной особенностью электронных преобразователей является 

ионно-сорбционная откачка газов в процессе работы. Быстрота откачки зависит от типа преобразователя, рода газа и режима работы. Она 
может достигать 0,01…1 л/с, что приводит к погрешности измерений в 
области низких давлений. 
Простейший ионизационный манометр выполнен на базе вакуумного триода с вольфрамовым термокатодом (рис. 1.7), цилиндрической 
сеткой – анодом и цилиндрическим электродом в роли коллектора 
ионов. Так как коллектор находится под отрицательным потенциалом  
(–20 В) относительно анода, то электроны, разогнавшиеся в поле между 
 

1

3

2

1

 
Рис. 1.7. Электронный преобразователь ПМИ-2 
и схема его включения: 

1 – термокатод; 2 – сетка – анод; 3 – коллектор