Современное состояние работ по созданию вакуумной коммутационной аппаратуры

Современное состояние работ по созданию вакуумной коммутационной аппаратуры. I.I. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной техники.

Основные требования, предъявляемые к ВКА. Вакуум как рабочая среда технологических процессов и научных исследований находит возрастающее применение в различных отраслях промышленности.

При этом основным потребителем элементов, средств и систем вакуумной техники является электронная техника, предъяв- ляющая наиболее жесткие, зачастую противоречивые и трудно реализу- емые требования к создаваемым ВС. Используемое в электронной технике вакуумное технологическое и научное оборудование, интервалы рабочих давлений основных типов которого приведены на рис. I.I по величине рабочего давления можно условно разделить на три группы 1 установки с рабочим дав- лением до 5 10 Па 2 установки с рабочим давлением до 1 10 Па 3 оборудование с рабочим вакуумом выше 1 10 Па. Как правило, получение вакуума в оборудовании первой группы достигается применением паромасляных диффузионных насосов с ловуш- ками, позволяющими исключить наличие углеводородных соединений в рабочей среде герметизация разъемных соединений осуществляется резиновыми прокладками I - 5 . Подобные установки относятся к непрогреваемым системам, длительность откачки которых определя- ется, в основном, десорбцией паров воды 6 - 8 . Дополнительными требованиями к установкам данного типа могут служить необходимость получения определенного спектра остаточных газов 9, 10 , исключе- ние привносимой дефектности на изделие электронной техники 11 - 15 , высокая до 1600 К температура в рабочей камере и повышенные - 11 - требования к надежности работы из-за значительного экономического ущерба в случае отказа 16 - 18 . Оборудование второй группы 19 - 24 обеспечивает получение более низких парциальных давлений остаточных газов.

В данной груп- пе оборудования, в основном, используют безмасляные турбомолеку- лярные, магнито- и электро-разрядные насосы и комбинированные средства откачки 25 - 27 . В качестве уплотнений разъемных соеди- нений применяются металлические прокладки и прокладки, изготовлен- ные из термостойкой резины 28, 29 . Как правило, установки второй группы прогреваются до 400 - 650 К оборудование для откачки электровакуумных приборов частично до 950 К , имеют достаточно большое время достижения рабочего давления от 5 до 20 часов 19, 30 - 33 и более жесткие требования к привносимой на изделие де- фектности 34 . К третьей группе оборудования принадлежат уникальные системы- ускорители заряженных частиц 35 - 38 , камеры для космических исследований и ряд технологических установок и научных приборов 39, 40 . Их отличие от вакуумных систем второй группы состоит в необходимости предварительной обработки и очистки материалов для вакуумных систем, длительном времени прогрева и откачки, использо- вании только металлических уплотнителей в разъемных соединениях.

При этом время существования высокого вакуума в рабочем объеме мо- жет длиться месяцами и годами 29, 41 - 43 . Общим требованием ко всем группам вакуумного оборудования яв- ляется автоматизация технологических процессов и научного экспери- мента 44 - 46 . В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формиру- ют требования к его элементной базе, в том числе к ВКА, которая, являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования например, только в одно- и двухкамерных установках число коммутационных уст 12 - ройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 20, 47 , во многом оп- ределяет его выходные характеристики.

Так, производительность обо- рудования первой и второй групп определяется не только его конструкцией однопозиционные установки периодического действия, установки полунепрерывного действия со шлюзовыми камерами, уста- новки и линии непрерывного действия и др но и сокращением вре- мени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от про- водимости ВКА 48, 49 . Следует отметить и наметившуюся в последнее время в произ- водстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего давления до 10 - 10 Па вследствие существенного влияния дав- ления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства изделий 1, 19, 40 , т.е. к использованию высоко- и сверхвысокова- куумного оборудования, требующего прогрева до 700 - 800 К и, сле- довательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сокра- тить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить обслуживание установок 25, 41 . С учетом отмеченного во введении критического состояния проектирования цельнометаллической ВКА це- лесообразно выделить для детального рассмотрения области ее приме- нения, которые показаны на рис. I.2. При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группа- ми оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и усло- виями эксплуатации, определяющими основные свойства ВКА, к ней предъявляется множество разнообразных дополнительных требований, зависящих от конкретного случая использования, что ведет к увели- чению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандар- тизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его проек- тирования и изготовления.

Анализ длительности технологических циклов и ресурса работы оборудования, проведенный по работам 19, 20, 24, 47, 48 , позво 14 - ляет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показы- вает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах 500 - 8000, а в ряде установок, имеющих длительность технологи- ческого процесса порядка десятков секунд например, электронно-лу- чевых установок микросварки, их ресурс должен быть значительно большим - 20000 - 50000. Кроме того, особенностью ВКА является кратковременный циклический режим работы с большими промежутками между включениями отношение времени работы к времени выстоя очень различно и в среднем находится в пределах 1 100 - 10000 . Сум- марное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим уп- лотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа, для ВКА с резиновым уп- лотнением - 20 - 50 часов.

Снижение рабочего вакуума накладывает дополнительные ограни- чения на разработку ВКА, связанные с необходимостью уменьшения влияния элементов вакуумной полости ВКА на параметры технологи- ческого процесса и учета привносимой дефектности 50, 51 . При этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большо- го ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к быст- родействию и высокой надежности ее работы 37, 39 . Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следую- щие основные требования, предъявляемые к ВКА. ВКА должна иметь заданную проводимость в открытом положении обеспечивать требуемое быстродействие гарантировать величину натекания в за- крытом положении ВКА не выше допустимой например, соизмеримой с уровнем газопроницаемости конструкционных материалов и материала уплотнителя допускать эксплуатацию в диапазоне температур от 77 до 800 К минимально воздействовать на качественный и количествен 15 - ный состав остаточной среды в вакуумной системе иметь достаточные ресурс работы и наработку на отказ предусматривать возможность автоматического управления и контроля за работой обладать мини- мальными габаритами и весом обеспечивать простой монтаж и де- монтаж устройства иметь высокие технолого-экономические показа- тели. I.2. Функционально-структурный анализ ВКА. Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА, имеющаяся по ней