Вакуумная и криогенная техника для спец. 210602.65 Плотников

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет Электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины "Вакуумная и криогенная техника"
для специальности 210602.65 «Наноматериалы»
подготовки инженера
Автор программы:
Плотников Юрий Дмитриевич, профессор, к.т.н., u_plotnikov@miem.edu.ru
Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника" «___»____________ 20 г.
Зав. кафедрой ______________К.О. Петросянц
Рекомендована секцией УМС «Электроника»
Председатель __________________________
«___»____________ 20 г.
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций
Ученый секретарь________________________
«___»_____________20 г.
Москва, 2012
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета
и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины «Вакуумная и криогенная техника» является
изучение научных основ вакуумной техники, газокинетических и
электрофизических явлений, происходящих в вакууме, устройства и действия
откачных, измерительных и коммутационных устройств, методов вакуумтехнических расчетов, в том числе с применением САПР.
Задачи дисциплины состоят в:
● изучении физических основ современной вакуумной техники, принципов
действия и устройств откачных средств и аппаратуры для измерения вакуума;
● изучении конструкций вакуумных насосов различных типов,
коммутационной аппаратуры и другого оснащения вакуумных систем;
● приобретении практических навыков работы с вакуумным
оборудованием;
● ознакомлении с современным научно-техническим уровнем вакуумной
техники, ее применением в различных отраслях техники.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «Вакуумная и криогенная техника» относится к вариативной
части профессионального цикла.
Дисциплина требует наличия у студентов знаний, умений и навыков,
полученных в ходе изучения дисциплин «Физика» (2-4 семестры), «Физические
свойства объемных и наноструктурированных материалов» (5 семестр),
«Прикладная механика» (3 семестр), «Основы технологии материалов» (3
семестр).
Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими
компетенциями:
●
способностью использовать основные законы естественно-научных
дисциплин
в
профессиональной
деятельности,
применять
методы
математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования;
●
способностью выявлять естественно-научную сущность проблем,
возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения
соответствующий физико-математический аппарат;
●
готовностью
учитывать
современные
тенденции
развития
электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных
технологий в своей профессиональной деятельности;
●
способностью
собирать,
обрабатывать,
анализировать
и
систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования,
использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и
технологии;
●
способностью выполнять работы по технологической подготовке
производства материалов и изделий электронной техники;
●
способностью собирать, анализировать и систематизировать
отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике
исследования в области электроники и наноэлектроники;
2
●
готовностью участвовать в разработке организационно-технической
документации (графиков работ, инструкций, планов, смет) установленной
отчетности по утвержденным формам;
●
способностью налаживать, испытывать, проверять работоспособность
измерительного,
диагностического,
технологического
оборудования,
используемого для решения различных научно-технических, технологических и
производственных задач в области электроники и наноэлектроники.
Дисциплина «Вакуумная и криогенная техника»:
●
имеет междисциплинарные связи с дисциплиной «Методы и
приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и
наноматериалов» и изучается с ней параллельно в 7 семестре;
●
является предшествующей для изучения дисциплин: «Процессы
получения наночастиц и наноматериалов, нанотехнологии» (9 семестр),
«Устройства и элементы наномеханики» (8 семестр).
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
навыков:
●
способность
собирать,
обрабатывать,
анализировать
и
систематизировать научно-техническую информацию по вакуумной технике,
использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и
технологии в области вакуумных технологий;
●
способностью владеть современными методами расчета оборудования
электронного машиностроения, в т.ч. с использованием средств автоматизации
проектирования;
●
способностью владеть методиками выбора оборудования и оснастки
для проведения технологических процессов изготовления изделий электроники и
наноэлектроники;
●
способность разрабатывать схемы вакуумных систем оборудования
для производства изделий электронной техники на основе современных
технологий и с применением навыков компьютерной обработки информации.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физические основы молекулярно-кинетической теории газов,
физические основы взаимодействия газов и паров с поверхностью твердого тела,
основы диффузии и газопроницаемости газов в твердых телах, явления
адсорбции, хемосорбции и конденсации, физические принципы действия
вакуумных насосов, средств измерения вакуума, конструкции элементов и
устройств вакуумной техники, представлять современный уровень вакуумной
техники.
Уметь: рассчитывать основные характеристики вакуумных насосов,
проводить оценку величины газовой нагрузки различных технологических
процессов в вакууме, уметь строить схемы вакуумных систем различного
назначения.
Владеть: методикой вакуумных расчетов, в т.ч. с использованием
программных средств, основами эксплуатации вакуумных постов и агрегатов,
3
соблюдением норм безопасной жизнедеятельности при работе с вакуумным
оборудованием.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы (7 семестр)
Вид учебной работы
Всего часов
Семестры
160
68
7
68
51
17
92
51
17
92
32
40
20
32
40
20
зачет
зачет
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Коллоквиум
Домашнее задание
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля
(зачет, экзамен)
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование раздела
п/п
дисциплины
1. Вводная лекция.
2.
Физика разреженных газов.
Содержание раздела
История появления и развития вакуумной
техники. Вклад российских ученых в
становление и развитие вакуумной техники.
Применение вакуума в технике, науке,
технологии. Место вакуумной техники в
создании и развитии электроники и
микроэлектроники, элементной базы для
вычислительной
техники.
Применение
вакуума в нанотехнологии, экологически
чистых производствах.
Понятие о газе как материальной среде.
Основные параметры газовых молекул.
Законы идеальных газов. Закон Авогадро.
Уравнение
газового
состояния.
Распределение молекул газа по скоростям.
Давление газа. Длина свободного пробега
4
молекул. Частота взаимных соударений
молекул газа. Степени вакуума. Число
Кнудсена. Явления переноса в газах:
теплопроводность, вязкость, диффузия.
3.
Взаимодействие газов и
паров с поверхностью
твердого тела.
Ограниченность
молекулярнокинетической теории газов. Молекулы газа
как сложные объекты. Физическая адсорбция,
хемосорбция, растворение газов в твердых
телах. Основные параметры физической
адсорбции. Формулы Ленгмюра и Генри.
Конденсация газов и паров в вакууме.
Криоадсорбция. Электрическое поглощение
газов. Ионизация газовых молекул в вакууме.
Источники газов и паров в вакуумных
объемах: натекание через сквозные дефекты,
газопроницаемость,
испарение,
поверхностная десорбция, диффузионное
газовыделение.
4.
Теоретические основы
процесса откачки.
Течение (перемещение) газов. Понятия,
описывающие течение газа. Режимы течения
газа, их связь с числом Кнудсена.
Сопротивление коммуникации. Идеальная и
элементарная вакуумная система. Основные
параметры
вакуумной
системы,
их
взаимосвязь. Основное уравнение вакуумной
техники. Закономерности откачки газа из
объема в начальный период и при
стационарном режиме.
5.
Техника получения
вакуума.
Классификация средств откачки. Рабочий
диапазон вакуумных насосов. Механический
вытеснительный и двухроторный насосы.
Молекулярный и турбомолекулярный насосы.
Диффузионный
пароструйный
насос.
Совместная работа вакуумных насосов с
различными диапазонами откачки. Насосы
поверхностного
действия:
криоадсорбционные,
криогенные,
испарительные (сублимационные). Ионносорбционные (магниторазрядные) насосы.
Встроенные насосы на основе геттеров.
Комбинированные высоковакуумные насосы.
6.
Техника измерения
вакуума.
Классификация методов и устройств для
измерения полного давления разреженных
газов. Манометры и манометрические
5
преобразователи. Механические манометры
на основе трубки Бурдона или мембраны.
Абсолютный манометр Мак-Леода. Тепловые
преобразователи: чувствительный элемент и
уравнение теплового баланса. Электронные
преобразователи: измерительное уравнение,
схемы с внешним и осевым коллектором.
Магнитные прогреваемые преобразователи
для измерения сверхвысокого вакуума:
Чувствительность к различным газам.
Принцип анализа остаточной газовой
среды. Классификация газоанализаторов.
Статические
и
динамические
массспектрометры: основные характеристики,
конструктивные схемы разделения потоков
ионов на примере омегатрона, фильтра масс и
оже-спектрометра.
7.
Расчет вакуумных систем.
Газовые потоки в вакуумных объемах.
Газовыделение
из
конструкционных
материалов при высоких температурах.
Десорбция газов и паров воды с
поверхностей, обращенных в вакуумную
полость. Критерии выбора средств откачки.
Согласование
насосов.
Выбор
конструктивных размеров коммуникаций и
подбор коммутационной арматуры. Расчет
времени достижения требуемого вакуума в
рабочей камере.
8.
Вакуумные системы.
Принципы построения
вакуумных систем.
Требования к вакуумным системам в
технологическом оборудовании электронной
промышленности. Принципы и методы
построения вакуумных систем. Типовые
вакуумные системы, примеры построения
вакуумных систем на базе насосов объемного
действия, молекулярных средств откачки,
насосов
поверхностного
действия.
Высоковакуумные системы на основе
комбинированных насосов, для откачки
агрессивных сред. Протяженные вакуумные
системы, шлюзовые устройства, вакуумные
модули.
6
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
с
№ № разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
Наименование
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
№
п/п
связи
1
1.
Устройства и элементы
наномеханики
2.
Процессы получения
наночастиц и наноматериалов,
нанотехнологии
2
3
4
+
5
6
+
+
+
+
7
8
+
+
+
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Лекц.
Практ.
зан.
Лаб.
Семин. СРС Всего
зан.
1.
Введение.
2
-
-
-
2
4
2.
Физика разреженных газов.
9
-
-
-
15
24
3.
Взаимодействие газов и паров с
поверхностью твердого тела.
6
-
-
-
12
18
4.
Теоретические основы процесса
откачки.
6
-
-
-
11
17
5.
Техника получения вакуума.
12
-
13
-
20
45
6.
Техника измерения вакуума.
6
-
4
-
11
21
7.
Расчет вакуумных систем.
4
-
-
-
9
13
8.
Вакуумные системы. Принципы
построения вакуумных систем.
6
-
-
-
12
18
Итого:
51
-
17
-
92
160
6. Лабораторный практикум
№ № раздела
п/п дисциплины
1.
5, 6
Наименование лабораторных работ
Механический вакуумный насос
7
2.
5, 6
Диффузионный пароструйный насос
3.
5, 6
Турбомолекулярный высоковакуумный насос
4.
5, 6
Двухроторный вакуумный насос (Рутса)
5.
5, 6
Криоадсорбционный цеолитовый насос
6.
5, 6
Магнитный электроразрядный насос
7.
6
Манометрические преобразователи
8.
6
Измеритель парциальных давлений омегатронный
(ИПДО-2)
9.
5, 6
Гелиевый течеискатель
7. Примерная тематика расчетных домашних заданий
ДЗ1 – Определение основных параметров разреженной газовой среды на
основе молекулярно-кинетической теории. Расчет физических процессов
переноса (вязкость, диффузия, теплопроводность) в разреженных газах.
ДЗ2 – Расчет основных параметров течения газа при различных режимах.
Определение основных характеристик вакуумной системы и процесса откачки.
Расчет характеристик адсорбции, криоадсорбции и конденсации.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) Основная литература.
1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Москва, Высшая школа, издания 1982,
1991, 2007 гг.
2. Кикоин А.А., Кикоин И.К. Молекулярная физика. Москва, Наука, 1976 г.
3. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. Москва, Мир, 1964
4. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Москва, Мир, 1975 г.
б) Дополнительная литература.
1. Пипко А.И. и другие. Конструирование и расчет вакуумных систем.
Москва, Энергия, 1979 г.
2. Минайчев В.Е. Вакуумные крионасосы. Москва, Энергия, 1976 г.
3. Васильев Г.А. Магниторазрядные насосы. Москва, Энергия, 1970 г.
4. Волчкевич А.И. Высоковакуумные адсорбционные насосы. Москва,
Машиностроение, 1973 г.
5. Рот А. Вакуумные уплотнения. Москва, Энергия, 1971 г.
6. Справочник "Вакуумная техника". Москва, Машиностроение, 1992 г.
в) программное обеспечение:
не используется.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
8
не используется.
д) рекомендуемая литература для самостоятельной работы:
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Специализированная лаборатория вакуумной техники, оснащенная
средствами получения вакуума (вакуумными насосами и вакуумными агрегатами,
аппаратурой для измерения низкого, среднего и высокого вакуума).
10. Перечень наглядных и учебно-вспомогательных пособий и
методических материалов
1. Комплект плакатов по курсу "Вакуумная техника".
2. Макеты вакуумных насосов, коммутационной арматуры, датчиков для
измерения вакуума.
3. Комплект методических указаний к лабораторным работам.
4. Комплект индивидуальных расчетных заданий (30 вариантов) для
усвоения лекционного курса.
11.
Методические
дисциплины:
рекомендации
по
организации
изучения
В интерактивных формах проводятся 12 часов семинарских занятий. В
качестве оценочного средства для текущего контроля успеваемости проводится
обсуждение представленных студентами домашних расчетных заданий с
последующим разбором типичных ошибок. Активность и грамотные ответы на
вопросы учитываются при оценке ДРЗ.
Программа дисциплины составлена в соответствии с Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по
специальности 210602.65 «Наноматериалы».
Программу составил:
профессор, к.т.н.
Плотников Юрий Дмитриевич
9