Вакуумный практикум

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
 «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

И. Г.  ИВАНОВ

ВАКУУМНЫЙ 

ПРАКТИКУМ

учебно-методическое 
пособие

Ростов-на-Дону

Издательство Южного федерального университета

2009

УДК 22.63
ББК 22.3

УДК 22.63
ББК 22.3
       И 20
        

Иванов И. Г.
Вакуумный практикум: учебно-методическое пособибие / И. Г. Иванов. – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. – 56 с.
ISBN 978-5-9275-0604-0
В пособии дается описание лабораторных работ практикума 
по физическим основам вакуумной техники, при выполнении которого студенты знакомятся с кинетикой различных молекулярных процессов в вакууме, с основными принципами получения 
и измерения малых давлений, а также основными принципами 
вакуумной тонкопленочной технологии. Рекомендуется в качестве 
методического руководства для студентов 2–3 курсов физических 
специальностей. 

© Иванов И. Г.,  2009
© Южный федеральный университет,  2009
©  Оформление. Макет. Издательство 
    Южного федерального университета,  2009

И 20

ISBN 978-5-9275-0604-0

Учебное пособие подготовлено и издано в рамках 
национального проекта «Образование» 
по «Программе развития федерального государственного 
образовательного учреждения 
высшего профессионального образования 
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»

Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................................................................
4

Лабораторная работа № 1 .........................................................................
Контрольные вопросы (тест) ........................................................
5
12

Лабораторная работа № 2 .........................................................................
Контрольные вопросы (тест) ........................................................
14
22

Лабораторная работа № 3 .........................................................................
Контрольные вопросы (тест) ........................................................
24
31

Лабораторная работа № 4 .........................................................................
Контрольные вопросы (тест) ........................................................
33
38

Лабораторная работа № 5 .........................................................................
Контрольные вопросы (тест) ........................................................
40
49

Правильные ответы к тестам ...................................................................
50

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА .......................................................
51

Приложение. Условные обозначения элементов вакуумных систем, 
применяемые на схемах и чертежах ........................................................
52

ВВЕДЕНИЕ

Современная вакуумная техника позволяет получать и измерять давления от 105 Паскалей (атмосферного) до 10–13 Паскаля (на 18 порядков ниже 
атмосферного), что определяет ее широчайшее использование как в физическом эксперименте, так и в многочисленных научно-технических приложениях. 
В настоящем пособии дается описание лабораторных работ Практикума по физическим основам вакуумной техники, в котором студенту дается 
представление о кинетике различных молекулярных процессов в вакууме, 
об основных принципах получения и измерения малых давлений, а также 
основных принципах вакуумной тонкопленочной технологии. Все работы 
выполняются на модернизированных лабораторных установках с использованием новых методик измерений.
Рекомендуется в качестве методического руководства при выполнении:
 – в рамках Физпрактикума (модуль 6) – «Вакуумного практикума» –
лабораторного практикума (лабораторные работы № 1–5) по физическим 
основам вакуумной техники для студентов 2 курса дневного отделения Физического факультета специальностей: физика, радиофизика и электроника; 
– лабораторного практикума по вакуумной и плазменной электронике 
(лабораторные работы № 1, 2, 5) для студентов 3 курса дневного отделения 
специальности микроэлектроника и твердотельная электроника; 
– лабораторного спецпрактикума по вакуумной и плазменной электронике (лабораторные работы № 1–5) для студентов 3 курса дневного отделения специальности фотоника и оптоинформатика. 

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ  ГАЗОРАЗРЯДНЫХ  МЕТОДОВ 
ПОИСКА ТЕЧИ  
В  ВАКУУМНЫХ  СИСТЕМАХ

1.1. Цель работы:
Знакомство с теорией и техникой получения вакуума, методами течеискания и методами измерения малых давлений, используемыми в физическом эксперименте.
1.2. Перед выполнением работы необходимо:
– изучить способы получения вакуума: принцип действия и типы вакуумных насосов, вакуумных кранов (Литература [1] – с. 9–20, [2] – с. 79–136, 
[3]– с. 60–105, 177–182 );
– познакомиться с различными методами течеискания ( [1] – с. 30–32, 
[2] – с. 178–185, [3] – с. 190–202);
– познакомиться с принципом действия манометров различных типов, в 
том числе тепловых ([1] – с. 20–30, [2] – с. 136–155, [3] – с. 106–147).
1.3. Отчет по работе должен содержать:
– название и цель лабораторной работы;
– схему лабораторной установки;
– перечисление и краткую характеристику использованных в работе методов поиска течей.
1.4. Краткий обзор методов поиска течи в вакуумных системах
Известны следующие методы течеискания:
 – опрессовка – создание в проверяемом объеме избыточного давления 
газа и отыскание течи по выходу газа при погружении объема в жидкость, 
либо при нанесении пенящейся жидкости и др.;
 – манометрические методы – реализуются путем контроля за величиной давления в объеме:
 – при откачке (регистрируется предельный вакуум без– и при смачивании места течи легколетучей жидкостью, или сравнивается предельный 
вакуум в объеме и вакуум, который может создать насос ),
 – при натекании газа в отсеченную от насоса установку (измеряется 
скорость роста давления в установке при присоединенном и отключенном 
испытываемом объеме);
 – в газоаналитических методах производится качественный анализ 
воздуха, поступающего через течь в вакуум, на наличие в нем пробного 
газа. Индикаторами пробного газа могут служить: газоразрядная трубка 
(выявляется наличие в спектре линий излучения пробного газа); масс–спек

трометр (так называемый «гелиевый» течеискатель, пробный газ–гелий), 
а также индикаторы водорода и галогеносодержащего пробного газа (водородный и галогенный методы);
 – в газоразрядных методах для поиска течи только в стеклянных, кварцевых и др. неметаллических оболочках используются искровые течеискатели.
1.5. Схема лабораторной установки 

Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки

Обозначения, использованные на схеме (рис. 1.1): ФН – объемно–механический ротационный (форвакуумный) насос, ТМ – датчик теплового 
термопарного манометра–вакуумметра (ПМТ-2), ВТ – вакуумметр термопарный (ВТ-2, ВТ-3 или ВИТ) (схема питания и регистрации для ТМ), 
К1–К3 – вакуумные трехходовые краны. Краном К1 к системе может быть 
подключен либо форвакуумный насос ФН, либо насос другого типа. Кран 
К2 предназначен для пуска атмосферного воздуха во входной патрубок ФН 
после его останова при выключении установки (при откачке форвакуумным 
насосом кран К2 находится в нейтральном положении); кран К3 – «раздаточный», с его помощью проверяемый объем может подключаться к системе; ПО – проверяемый на наличие течи объем, ИТ – искровой течеискатель, 
ГРТ – газоразрядная трубка.
В данной работе используется тепловой «термопарный» манометр–
вакуумметр. Его электрическая схема показана на рис. 1.2. Датчик термопарного манометра содержит нить 1, нагреваемую током от выпрямителя и 
соединенную с термопарой 2, предназначенной для контроля температуры 

нити. Температура нити и э.д.с. термопары зависят от теплопроводности 
газа, т.е. от рода газа и величины его давления в колбе датчика. Величина 
тока I через нить (называемую в ряде приборов–нагревателем) может регулироваться с помощью переменного резистора Rрег. Измерительный прибор 
ИП может или контролировать ток в цепи нити (переключатель П – в положении «Ток нагревателя») или измерять термо-э.д.с. термопары датчика 
(переключатель П – в положении «Измерение»).

Рис. 1.2. Общий вид и схема включения 
теплового термопарного манометра

Искровой течеискатель ИТ (рис. 1.3) представляет собой импульсный 
генератор (или генератор переменного тока) с высоким выходным напряжением, достаточным для зажигания искрового разряда в воздухе при атмосферном давлении, и имеет два высоковольтных вывода. Простейшим 
искровым течеискателем может служить классическая «индукционная катушка Румкорфа» (рис. 1.3, а), представляющая собой повышающий трансформатор Тр, содержащий первичную обмотку с малым числом витков с 
прерывателем ЭМПр в ее цепи питания, и вторичную – с большим числом 
витков. Обе обмотки трансформатора намотаны на сердечнике C, коэффициент трансформации составляет несколько тысяч. Питание трансформатора осуществляется от источника постоянного тока или тока промышленной 
частоты. Электромагнитный прерыватель ЭМПр модулирует ток в первичной обмотке трансформатора Тр, создавая пульсации тока, при этом во вторичной обмотке индуктируется высокое переменное напряжение. В порта

тивных искровых течеискателях с сетевым питанием прерывателем служит 
тиристор Т (рис. 1.3, б). 

Рис. 1.3. Электрические схемы искровых 
течеискателей:
а) катушка Румкорфа;
б) с тиристорным прерывателем

1.6. Ход  работы
УКАЗАНИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Работа должна выполняться бригадой, включающей не менее двух 
человек, причем в каждый момент времени все переключения и регулировки 
должен выполнять только один человек, а другой (другие) студенты должны внимательно контролировать правильность его действий.
2. При выполнении работы следует постоянно иметь в виду, что стеклянные оболочки проверяемого объема, вакуумпровода, кранов, манометра Мак–Леода и др. находятся под давлением, равным разности наружного атмосферного давления и давления внутри установки, т.е. при откачке 
находятся под давлением, практически равным атмосферному. Поэтому 
любые повреждения оболочек приводят к мгновенному их разрушению и 
разлету осколков, которые могут нанести травму. В связи с этим, категорически запрещается:
 – прикладывать к ручкам вакуумных стеклянных кранов чрезмерно 
большие усилия, а также при вращении кранов держать в руке какие–либо 
предметы;

– держать на рабочем столе посторонние предметы (сумки, одежду 
и пр.);
 – включать установку без разрешения лиц, проводящих практикум;
 – в установке, находящейся под напряжением, разъединять разъемы, а 
также осуществлять какие–либо переключения, не оговоренные инструкцией.
3. При работе с ртутным (либо масляным) компрессионным гидростатическим манометром Мак–Леода во избежание выплескивания ртути и 
даже возможного разрушения стеклянных частей установки вследствие 
гидравлических ударов:
 – подъем и опускание резервуара со ртутью производить плавно и 
только с помощью подъемного механизма;
 – вращение масляного компрессионного гидростатического манометра производить плавно во избежание вытекания масла из манометра; 
 – во избежание возможных резких изменений давления в вакуумной части манометра запрещается во время подъема резервуара со ртутью 
или вращения масляного манометра поворачивать краны установки, включать и выключать вакуумный насос;
 – после каждого измерения ртутным манометром, резервуар со ртутью необходимо незамедлительно опустить в крайнее нижнее положение, 
а после каждого измерения масляным манометром, его также необходимо 
незамедлительно вернуть в исходное положение.
1.6.1. Включить установку, для этого:
– поставить краны К1–К3 в нейтральное положение;
– включить форвакуумный ротационный насос ФН;
– по мере откачки воздуха из трубопровода, подключить установку к 
насосу, повернув кран К1 вправо.
1.6.2. Поиск течи в проверяемом объеме (ПО):
1.6.2.1. Сделать заключение о наличии течи в ПО манометрическим методом двумя способами:
а) из сравнения значений давления в системе во время откачки (кран К1 
повернут вправо) при отключенном проверяемом объеме (кран К3 в нейтральном положении) и при подключенном проверяемом объеме (кран К3 
повернут влево).
б) из сравнения скоростей натекания в систему, предварительно откачанную и отсеченную от насоса, при отключенном ПО и при подключенном ПО. 
Для этого откачать систему вместе с ПО: кран К1 повернуть вправо, 
кран К3 – влево. Далее отсечь систему от насоса, поставив кран К1 в нейтральное положение и определить быстроту натекания. Затем проделать 
то же самое, но с отключенным ПО, поставив кран К3 в нейтральное положение. 

(О скорости изменения давления при откачке и при натекании можно судить по изменению показаний термопарного манометра за единицу времени.) 
Очевидно, что если скорости различаются, то проверяемый объем имеет течь, если одинаковы – течь отсутствует, т.е. объем герметичен.
1.6.2.2. При нарушении герметичности проверяемого объема (ПО) найти место течи в нем с помощью искрового течеискателя. 
Для этого один из выводов вторичной обмотки трансформатора течеискателя соединяется с корпусом (или внутренней металлической деталью) вакуумной установки, а другой, высоковольтный, (щуп) перемещают 
вручную вдоль проверяемой поверхности. В зоне, где течь отсутствует, 
от высоковольтного электрода распространяется пучок достаточно слабых 
искр высоковольтного «безэлектродного» разряда, а внутри установки, в 
области низкого давления, возникает «безэлектродный» высокочастотный разряд также слабого свечения. Если же электрод оказывается над 
дефектным местом, то между ним и другим электродом установки через 
отверстие в стекле возникает интенсивный искровой разряд, точно указывающий место течи.
ВНИМАНИЕ! 
При использовании искрового течеискателя возникает опасность 
проплавления и последующего «пробоя» тонкого стекла. Во избежание 
этого электрод (щуп) рекомендуется держать на некотором расстоянии 
от стекла и не задерживаться подолгу на одном месте. 
Категорически запрещается проверять на течь электроискровым 
методом стеклянные вакуумные краны.
ВОПРОС ПО ХОДУ РАБОТЫ: Попытайтесь объяснить почему разряд 
между двумя высоковольтными электродами не происходит по кратчайшему пути («напрямую») в атмосфере, а возникает по более длинному пути 
через область пониженного давления.
1.6.2.3. Найти место течи в проверяемом объеме газоаналитическим 
методом – «методом пробного газа» с использованием разрядной трубки в 
качестве индикатора пробного газа. Пробным газом могут служить пары 
легкоиспаряющегося, «летучего», вещества, например, спирта или др. растворителя.
Для этого зажечь разряд в разрядной трубке: 
– присоединив высоковольтные выводы катушки Румкорфа к электродам трубки; 
– включить питание катушки Румкорфа, откачать проверяемый объем 
и разрядную трубку, повернув краны К1 и К3 в положение «на откачку».
В разрядной трубке возникнет разряд низкого давления в воздухе, проникающем через течь в вакуум, с характерным розовым свечением. Далее 
смочить кисточку в какой-нибудь легколетучей жидкости, например, в 

спирте, и провести ею по подозрительному на течь месту проверяемого объема. При попадании паров жидкости внутрь установки (в том числе и в разрядный промежуток трубки) будет происходить изменение спектрального 
состава излучения, т.е. – цвета и яркости разряда.
ВОПРОС ПО ХОДУ РАБОТЫ: Попытайтесь объяснить почему добавление к воздуху паров более сложного химического вещества приводит к 
изменению цвета разряда и снижению интенсивности его свечения.
1.6.3. По окончании работы краны К1 и К3 поставить в нейтральное положение. Выключить электропитание объемно–механического форвакуумного насоса, после чего краном K2 незамедлительно соединить вход насоса 
с атмосферой.