После этапа выбора высоковакуумного насоса, наиболее пригодного для заданных условий вакуумного технологического процесса, проектирование вакуумной системы будет заключаться в решении проблем оптимального сочетания всех ее необходимых элементов.

На рис. 3.1 представлена типовые вакуумные системы, созданные на базе различных высоковакуумных насосов, с необходимыми элементами для обеспечения работы выссковакуумного насоса, приборами контроля за прохождением процесса откачки, устройствами для предотвращения аварийных ситуаций и поддержания рабочего состояния насосов.

На этом этапе проектирования состав вакуумной системы будет определяться уже и типом высоковакуумного насоса, а не только технологическим процессом, как это было на этапе выбора откачного средства.

Вакуумная система может включать следующие элементы: высоковакуумный затвор; высоковакуумный манометрический преобразователь; виброизоляцию и- изоляцию от шума; ловушки (охлаждаемые водой или жидким азотом); форвакуумные насос, клапан, манометрический преобразователь, ловушку к баллон; систему прогрева; линию предварительной откачки; напускной клапан: патрубок для присоединения течеискателя; защитный тепловой экран.

Рис.3.1. Типовые вакуумные системы.

Каждая из вакуумных систем (а,б,в,г рис. 3.1) включает все необходимые элементы для ее надежного х эффективного функционирования.

Для простоты на схеме показана одна рабочая камера, к которой могла бы быть подсоединена любая из откачных систем (а,г). Дополнительно в вакуумной камере может располагаться встроенный испарительный геттерный насос NG, улучшающий откачные характеристики основных вакуумных насосов. Элементы, показанные пунктиром, является необязательными.

На рис.3.1 показаны вакуумные системы: CV - рабочая камера, в которой проводятся технологический процесс; а - вакуумная система на базе магниторазрядного насоса NH с линией предварительной откачки с использованием адсорбционных насосов NA; б - вакуумная система на базе криогенного насоса NK:

в - вакуумная система на базе турбомолекулярного насоса NR; г - вакуумная система на базе диффузионного насоса ND; VT- высоковакуумный затвор; B1 -высоковакуунная ловушка; VI - клапан напуска сухого воздуха;Р1 - высоковакуумный манометрический преобразователь; С - форбаллон; V2 - предохранительный клапан; V3 - форвакуумный клапан; Р2 - форвакуумный манометрический преобразователь; N1 - насос, используемый для предварительной откачки и регенерации; NV-форвакуумяый насос; V4 - отсечной клапан на входе в насос с масляным уплотнением; V5 - напускной клапан на входе в насос с масляным уплотнением, А1 - тепловой экран; А2 - дэмпфер; A3 - масляный фильтр; 1 - патрубок для подсоединения течеискателя; 2 - байпасная линия откачки.

Рассмотрим последовательно расположение этих элементов в вакуумной системе и выполняемые ими функции во взаимосвязи с функциями других элементов и функциональным назначением системы в целом.

Высоковакуумный затвор является одной из важнейших частей вакуумной системы, Если вакуумная система но обеспечивает условий проведения процесса, затвор перекрывают и проверяют работу отсеченной вакуумной системы для определения неисправностей - в самой вакуумной системе или в рабочей камере. Высоковакуумным затвором необходимо снабжать диффузионные и криогенные насосы для удобства работы с вакуумной системой.

Геттерно-ионные и турбомолекулярные насосы могут работать и без него.

Для создания в вакуумной системе сверхвысокого вакуума используют затвор с металлическими уплотнителями.

Высоковакуумный манометрический преобразователь в вакуумной системе с диффузионным, турбомолекулярные или магниторазрядным насосом устанавливается как на камере, так и непосредственно ка входе в насос, под затвором. В этом месте его можно использовать для проверки работы отсеченной вакуумной системы. Он заацщен от повреждений при загрузке и разгрузке рабочей камеры, а такхе от загрязнений во время проведения технологического процесса. Кроме того, от эмиссии электронов из преобразователя защищен вакуумный процесс.

Если установить ионизационный манометрический преобразователь в системе с криогенным насосом, то он может быть источником возможной опасности. Во время откачки газы конденсируются зa криопанели в определенной последовательности (в соответствии с теплотой сорбции), но при аварии и временном отогреве панели газы испаряются и могут представлять взрывоопаснуо смесь. Если при подаче энергии катод манометрического преобразователя будет нагрет, то это может быть причиной взрыва.

Предохранительная сетка на входе в насос предохраняет насос от попадания в него мелких твердых частиц, которые могут вызвать поломку ТМН, вызвать короткое замыкание (тепловое в криогенном насосе и электрическое - в магниторазрядном).

Поскольку турбомолекулярный, магниторазрядный и криогенный насоси работает в любом положении в пространстве, их следует устанавливать так, чтобы в них не попадали твердые частицы. Для диффузионных насосов мелкие твердые частицы не страшны.

Демпферы устанавливает в вакуумные системы с турбомолекулярными и криогенными насосами, так как вибрация не позволяет применять аппаратуру для проведения точных измерений в вакуумной камере. Можно использовать для гашения вибрации сильфонные соединения и гибкие трубопроводы. Вращательные насосы надо устанавливать на резиновые прокладки, и не на раме вакуумной установки, а на полу; использовать гибкие трубопроводы.

Ловушки, охлаждаемые задним азотом, устанавливаемые между диффузионным вакуумным насосом и рабочей камерой, препятствуют проникновению обратного потока паров вакуумных рабочих жидкостей из насоса в камеру

Легкие фракции ( метан, ацетилен, этан) не улавливаются. Используя в качестве рабочей жидкости полифениловый эфир, можно достичь 1*10^-6 Па и без ловушки.

Охлаждаемая жидким азотом поверхность является криоконценсационным насосом и имеет большую скорость сткачки по парам воды. Лучше всего ее помешать внутрь рабочей камеры.

Такие ловушки используются для осаждения титана и в случае испарительно-ионных насосов (они включаются в вакуумную систему с магнитораэрядным насосом в области низких давлений и с турбомолекулярным - при откачке водорода).

Ловушки, охлаждаемые водой (обычно шевронного типа), всегда устанавливаются над диффузионным насосом ч предназначены для конденсации паров вакуумных рабочих жидкостей, которые затем стекают в насос

Форвакуумный насос. Геттерно-ионные и криогенные насосы, являясь газоулавливающими, не нуждаются в форвакуумном насосе,но для запуска их в работу нужна предварительная откачка. Форвакуумный насос подсоединяется на выход диффузионного насосэ для поддержания давления на выходе меньше наибольшего выпускного, которое зависит от конструкции насоса, характеристик вакуумных рабочих жидкостей и обычно равно 10+30 Па. Это давление может поддерживать одноступенчатый механический насос с масляным уплотнением. В сверхвысоковакуумных системах для уменьшения парциального давления водорода в форвакуумной линии используются двухступенчатые насосы с масляным уплотнением.

Турбомолекулярный и форвакуумный насос соединяются последовательно для обеспечения молекулярного режима течения откачиваемого гaзa на входе в ТМН и для обеспечения более низкого давления га входе в ТМН, так как для турбомолекулярного насоса давление на входе равно частному от деления давления на выходе на коэффициент сжатия.

Коэффициенты сжатия: по углеводородам -10¹⁵ ,по аргону и окиси углерода - 10¹⁰ , по кислороду - 5*10⁹, по азоту - 10⁹ , по гелию - 5*10⁴, по водороду - 10³. Предельное остаточное давление ТМН обусловлено коэффициентом сжатия водорода и равно 5*10^-6 Па - с сдноступеначатым форвакуумным насосом, 1*10^-7 Па - с двухэтупенчатым форвакуумным насосом, 1*10^-8 Па - с турбомолекулярным или диффузионным насосом в качестве форвакуумного.

Если в рабочей камере при проведении технологического процесса необходимо провести точные измерения, то на некоторое время форвакуумный насос, являвшийся источником вибрации, может быть отключен. В этом случае на выходе диффузионного насоса устанавливают форбаллон который позволяет отключить форвакуумный насос на время, пока давление в нем не достигнет наибольшего выпускного давления диффузионного насоса Установив манометрический преобразователь на форбаллоне, можно обеспечить автоматическое включение и выключение форвакуумпого насоса.

Форвакуумный клапан необходим в вакуумных системах с диффузионным насосом. Он позволяет использовать форвакуумный насос в качестве насоса предварительного разрежения, а также для откачки диффузионного насоса в период его выключения.

Форвакуумный клапан в системе с турбомолекулярным насосом используется для предварительной откачки камеры форвакуумным насосом, а также является отсечным клапаном для механического насоса с масляным уплотнением

Форвакуумный манометрический преобразователь (обычно тепловой) устанавливается на форвакуумную линию диффузионного насоса для контроля за давлением на выходе насоса и обеспечения его величины,меньшей наибольшего выпускного давления.

В высоковакуумных системах с турбомолекулярным насосом преобразователь в форвакуумной линии устанавливается для удобства обслуживания.

Патрубок для присоединения течеискателя обязательно должен быть предусмотрен - рабочей камере (для подооединения квадрупольного масс-спектрометра). В вакуумных системах с диффузионным и турбомолекулярным насосами такой патрубок должен быть предусмотрен в форвакуумной линии для подсоединения гелиевого течеискателя (это самое удобное место для определения малых течей).

В вакуумных системах о магниторазрядным или криогенным насосами, которые плохо откачивают гелий, поиск течей является трудоемким и длительным процессом, так как при попадании гелия в систему он дает большой фоновый сигнал гелиевого течеискателя, и дальнейший поиск течей затрудняется.

Линия предварительной откачки. Диффузионные насосе должны быть предварительно откачаны до 1 Па, и поэтому для удобства проведений технологических процессов в вакуумной системе предусмотрена байпасная линия откачки (рис 3.1).

В вакуумных системах с ТМН при наличии высоковакуумного затвора предварительную откачку рекомендуется прекращать при 10-1 Па, чтобы обеспечить защиту рабочей камеры от обратного потока из насоса и предварительного разрежения (который в данном случаи может являться одновременно и форвакуумным), а затем можно открывать выооковакуумный затвор при работающем ТМН

Отсеченный криогенный насос до начала его работы необходимо предварительно откачать до давления запуска (обычно 1Па) Эту откачку можно осуществить двухступенчатым механическим насосом с масляным уплотнением о форвакуумной ловушкой. Рабочую Камеру предварительно откачивают до 100+50 Па, а затем открывают высоковакуумный затвор.

Такое большое давление обеспечивает защиту от углеводородных загрязнении.

Для запуска магниторазрядных насосов их необходимо предваритсль но откачать до 1+5 Па. Затем магниторазрядный насос и насос предварительного разрежения работают параллельно до достижения давления 0,1 Па, и тогда насос предварительного разрежения отключается Если для предварительной откачки использовался насос с масляным уплотнением, без ловушки, то может произойти углеводородное загрязнение .

Поэтому с магниторазрядным насосом для предварительной откачки вакуумной камеры рекомендуется использовать систему адсорбционных насосов или неболыюй турбомолекулярный насос. Такие варианты предпочтительнее насосов с масляным уплотнением и с форвакуумной ловушкой.

Системы с магнитораэрядными насосами могут работать и без высоковакуумного затвора, но затвор защищает насос от атмосферы при открывании рабочей камеры, и это способствует уменьшению цикла включения Однако этот насос можно использовать при высоких давлениях.

Если во время запуска давление находится в пределах от 2 до 10^-2 Па, то полезно для насоса.

Для предварительного разрежения обычно используются двухступенчатые вращательные насосы (за исключением указанных случаев), так как они достигают требуемых давлений запуска быстро и легко

Форвакуумные ловушки служат для улавливания обратного потока углеводородных загрязнений, возникавшего при работе механического насоса с масляным уплотнением.

Форвакуумные ловушки не нужны на линиях предварительного разрежения вакуумных систем с ТМН и криогенными. насосами, так как их давление запуска превышает 15 Па. Иногда ловушки устанавливают для защиты от углеводородных загрязнений из насоса с масляных уплотнением при его работе ниже 15 Па, но это уменьшает быстроту действия насоса и увеличивает время предварительной откачки.

Форвакуумные ловушки следует устанавливать на линии предварительной откачки и форвакуумной линии вакуумных систем с диффузионным насосом и на линии регенерации криогенных насосов. В форвакуумной линии диффузионного насоса они предотвращает попадание рабочих жидкостей из механического насоса в кипятильник диффузионного насоса.

Форвакуумные ловушки, охлаждаемые жидким азотом, эффективны, но неудобны в работе, так как при работе их необходимо пополнять жидкий азотом. Они используются для линий предварительной откачки, если время такой откачки мало

Сорбционные и каталитические форвакуумныв ловушки легко использовать, но необходима их регулярная регенерация.

Для ловушек, охлаждаемых жидким азотом, и сорбционных ловушек регенерация проводится при напуске воздуха со стороны высокого вакуума, но давление должно быть таким, чтобы обеспечить вязкостное течение газа через ловушку (чтобы увлечь выделившиеся газы в сторону насоса с масляным уплотнением). Если проводить регенерацию без напуска воздуха, то выделившиеся пары углеводородов попадут в форвакуумнуи линию и в форвакуумный клапан.

Регенерацию сорбционных форвакуумных ловушек можно и не проводить,а размонтировав систему,заменить в них сорбент,а затем использованный сорбент регенерировать в отдельной системе.

Защитный экран. Высокая температура в рабочей камере не должна воздействовать на холодные поверхности криогенного насоса Обычно бывает достаточно поворотного колена трубопровода между камерой и насосом. В исключительных случаях (печь или прогреваемая сверхвысоковакуумная система) необходимы охлаждаемый водой отражатель, установленный в рабочей камере, или охлаждаемая водой ловушка, установленная на входе в насос.

Для магниторазрядных и турбомолекулярных насосов достаточно но пользовать трубопровод с поворотным коленом.