Физико-технические основы создания оптимизированных высоковакуумных магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного технологического и аналитического оборудования электронной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, доктор технических наук Курбатов, Олег Константинович

• Курбатов, Олег Константинович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Курбатов, Олег Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ И СРЕДСТВ ФОРМИРОВАНИЯ БЕЗМАСЛЯНОЙ ОСТАТОЧНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ВЫСОКОВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Современные средства и системы получения безмасляного вакуума. Анализ оборудования.

1.2. Спектральный состав остаточной газовой среды при откачке высоковакуумными насосами различного типа.

1.3. Состояние, технический уровень и требования, предъявляемые к уплотнительным материалам элементной базы оборудования с безмасляной откачкой

1.4. Постановка задачи.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСОВ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ СЕРИЙ НЭМИНОРД (НМДО).

2.1. Особенности магниторазрядных насосов.

2.2. Опыт создания и применения насосов первого поколения -серии НЭМ и агрегатов на их базе.

2.3. Исследование, создание и опыт эксплуатации насосов второго поколения -серииНОРД (НМДО).

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСАХ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1. Физическая модель магниторазрядных насосов.

3.1.1. Кинетика электронов.

3.1.2. Распределение электрического поля.

3.2. Особенности физических процессов в элементарной ячейке насоса.

3.3. Расчет величины разрядного тока.

3.4. Исследование распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в ячейке насоса.

3.4.1. Методика исследования и аппаратура.

3.4.2. Основные результаты и их обсуждение.

3.5. Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами N2, , Аг+ с энергией от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме.

3.5.1. Механизм катодного распыления.

3.5.2. Экспериментальная установка и аппаратура.

3.5.3. Методика измерений и экспериментальные результаты.

3.6. Исследование с помощью сканирующего зондового микросокопа (СЗМ) микроструктурных изменений титановых катодов магниторазрядных насосов после длительной откачки кислорода.

3.7. Исследование и определение связи между разрядным током, коэффициентом распыления, коэффициентом поглощения газовых молекул и быстротой действия ячеек магниторазрядных насосов.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ МАГНИТОРАЗРЯДНЫХ НАСОСОВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ - СЕРИИ НМД.

4.1. Основы выбора оптимальных геометрических и физических параметров насосов

4.1.1. Экспериментальное устройство и методика измерений.

4.1.2. Зависимость интенсивности разряда от анодного напряжения.

4.1.3. Зависимости разрядного тока и интенсивности разряда Пеннинга от напряженности магнитного поля.

4.1.4. Зависимости разрядного тока и интенсивности разряда от зазора между анодом и катодом и от соотношения длины и диаметра ячеек.

4.1.5. Зависимость интенсивности разряда в ячейке от давления.

4.1.6. Выбор оптимальных геометрических размеров и значений £/а и Я для ячейки магниторазрядного насоса.

4.2. Разработка методики расчета магниторазрядных насосов.

4.2.1. Выбор геометрических и физических параметров.

4.2.2. Расчет быстроты действия одиночной магниторазрядной ячейки

4.2.3. Определение диаметра условного прохода присоединительного фланца и размеров входного патрубка.

4.2.4. Выбор конструкции насосов (определение количества электродных блоков)

4.2.5. Определение величины зазора между анодом и катодом.

4.3. Разработка и внедрение в серийное производство магниторазрядных насосов с оптимальными геометрическими и физическими параметрами (насосов 3-го поколения)

4.3.1. Расчет насосов.

4.3.2. Конструкция насосов.

4.3.3. Испытательное оборудование и аппаратура.

4.3.4. Вакуумные характеристики насосов серии НМД.

4.3.5. Сравнение насосов серии НМД с насосами серий НЭМ, НОРД и Vacion фирмы «Varian» (США).

4.3.6. Малогабаритные магниторазрядные насосы.

4.3.7. Особенности и нестандартный метод определения быстроты действия малогабаритных насосов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СОЗДАНИЕ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ВЫСОКОВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.1. Классификация и анализ технико-эксплуатационных требований к герметизирующей элементной базе.

5.2. Анализ и дальнейшее развитие научных основ процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений.

5.2.1. Многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей

5.2.2. Расчет напряженно-деформированного состояния сверхвысоковакуумного разъемного фланцевого соединения.

5.3. Исследования и разработка оптимизированных сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.

5.3.1. Экспериментальные исследования.

5.3.2. Определение наличия замкнутых газовых полостей в соединениях со встречными канавками и степени их влияния на процесс получения сверхвысокого вакуума (СВВ).

5.4. Разработка научно-технических принципов и методов проектирования запорно-регулирующей арматуры.

5.4.1. Исследование по созданию оптимизированных цельнометаллических клапанов, прогреваемых в закрытом состоянии, с повышенным ресурсом работы

5.4.2. Экспериментальный выбор оптимизированных конструкций быстродействующих клапанов.

5.4.3. Расчет вакуумных проводимостей арматуры.

5.5. Создание и внедрение в серийное производство параметрических рядов запорно-регулирующей арматуры.

5.5.1. Основные технические, эксплуатационные требования и характеристики запорно-регулирующей арматуры.

5.5.2. Сверхвысоковакуумные клапаны.

5.5.3. Высоковакуумные и форвакуумные клапаны с различными приводами.

5.5.4. Высоковакуумные плоские затворы шиберного типа с различными приводами

5.5.5. Высоковакуумные натекатели и газонапускные системы, в том числе многоканальные, для автоматизированного оборудования.

5.6. Выводы.

ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И СОЗДАННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ В ОБОРУДОВАНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И СМЕЖНЫХ ОТРАСЛЕЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ.

6.1. Использование оптимизированных магниторазрядных насосов в вакуумных системах оборудования электронной техники, экспериментальной и технической физики.

6.2. Применение разработанной герметизирующей и запорно-регулирующей элементной базы в вакуумных системах оборудования электронной техники и смежных отраслей науки и техники.

6.3. Использование результатов работы в создании запорно-регулирующей арматуры для автоматизированных теплоэнергетических объектов городского хозяйства

6.3.1. Клапаны для горячей воды и пара.

6.3.2. Газовые клапаны.

6.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технические основы создания оптимизированных высоковакуумных магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного технологического и аналитического оборудования электронной техники»

В настоящее время в мировой практике, в том числе и в России, существует огромный парк специального технологического оборудования (СТО), предназначенного для производства изделий электронной техники. Многообразие специального технологического оборудования объясняется большим арсеналом выпускаемых электронных и микроэлектронных приборов.

Весьма значительную часть всего парка СТО составляет вакуумно-технологическое оборудование, обеспечивающее вакуумные условия в рабочих камерах - от 10 до Ю"10 Па. На этом оборудовании производятся различного рода электровакуумные приборы: осветительные и газоразрядные приборы, приемно-усилительные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические и рентгеновские электронно-оптические преобразователи, СВЧ-приборы.

Вакуумно-технологическое оборудование, оснащенное сложными электрофизическими устройствами, используется для газо-плазменной и ионно-лучевой обработки материалов (очистки, травления и нанесения тонких пленок) при производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем вплоть до субмикронных размеров. Этим же целям служит вакуумно-технологическое оборудование с применением ионной имплантации, получившее широкое распространение в микроэлектронике в силу своих уникальных технологических возможностей.

Для совершенствования производства больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) также применяется вакуумно-технологическое оборудование, в котором используются методы литографии: ультрафиолетовый, электронно-лучевой, ионно-лучевой, рентгеновский и синхротронный. Имеется вакуумно-технологическое оборудование для производства пьезоприборов.

Специальное вакуумно-технологическое оборудование с технологией молекулярно-лучевой эпитаксии служит для выращивания кристаллов и по6 лучения сплавов практически с любым соотношением составляющих компонентов, получения структур СВЧ-транзисторов.

К классу вакуумно-технологического оборудования следует отнести и оборудование для контроля и анализа поверхности твердого тела.

Среди физико-химических методов, применяемых к задачам метрологического обеспечения и автоматизации в электронной технике, наибольшее распространение получили методы исследования поверхности и криоповерх-ностных слоев, основанные на зондировании пучками заряженных частиц и потоками излучения.

В числе этих методов: электронная оже-спектроскопия и масс-спектрометрия вторичных ионов, резерфордовского обратного рассеяния, растровое ионное зондирование, электронная микроскопия высокого разрешения, растровая электронная микроскопия, метод рентгеновских стоячих волн, сканирующая туннельная микроскопия, релаксационная спектроскопия глубоких уровней и ряд других методов.

Ускоряющее воздействие на развитие аналитической техники оказывает лидирующая тенденция к микроминиатюризации и дальнейшему уменьшению размеров топологии твердотельных электронных устройств с недостижимыми ранее характеристиками (с линейными размерами элементов СБИС ~ 0,05 мкм).

Эффективная разработка новых изделий микроэлектроники, особенно на основе новых материалов, и оптимизация технологии их производства невозможны без достоверной информации о химическом составе и распределении легирующих и фоновых примесей в объеме и на поверхности тонкопленочных систем.

При этом особенно заметно проявились эти особенности при разработке ряда развивающихся технологических процессов: молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), ионного перемешивания и создания скрытых диэлектрических слоев, лазерный и фотонный отжиг, процессы осаждения пленок из газовой фазы при пониженных давления, активизируемые электромагнитным излучением (СВЧ, УФ и лазерным излучением).

Современное состояние исследований и производство изделий микроэлектроники, требующих точного метрологического и аналитического обеспечения, приводят к тому, что аналитический прибор становится частью технологической установки. Типичный пример этого - включение аналитических узлов в состав установок молекулярно-лучевой эпитаксии, что превращает их в единый аналитико-технологический комплекс.

Почти все вышеперечисленные методы исследований и производственные процессы современной микроэлектроники требуют обеспечения чистых условий на поверхности, исключения образования на подготовленной поверхности пленки адсорбатов. Поэтому в аналитических приборах и оборудовании прежде всего должно выполняться условие обеспечения безмасляного сверхвысокого вакуума, т.е. давление остаточных газов не должно превышать - МО"8 Па.

Проведенный в диссертационной работе анализ состава откачных частей сверхвысоковакуумного технологического оборудования производства электровакуумных приборов повышенной сложности и ответственности, а также сверхвысоковакуумного физико-аналитического оборудования и оборудования выращивания чистых кристаллов показывает, что основными элементами откачных частей такого оборудования являются сверхвысоковаку-умные насосы, разъемные соединения и запорная арматура.

При этом выполненный на основании данных отечественной и мировой практики анализ средств получения и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума в оборудовании молекулярно-лучевой эпитаксии, производства ЭВП повышенной сложности, а также в аналитическом оборудовании показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с сублимационными испарительными насосами или с нераспыляемыми геттерами. Данное оборудование является прогреваемым до температуры ~400°С с целью эффективного обезгаживания, тренировки и получения необходимых технических характеристик откачиваемых приборов.

В настоящее время для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных, рентгеновских и СВЧ-приборов), а также других типов ответственных приборов и оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковакуумных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Для создания магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. НО"8 Па вместо п

2-10'' Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке физико-технических основ создания оптимизированных магниторазрядных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и герметизирующих устройств, предназначенных для повышения технического уровня и эффективности технологического и аналитического оборудования электронной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-проведение анализа требований и средств формирования безмасляной газовой среды в высоковакуумных системах технологического оборудования;

-обоснование необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в магниторазрядных насосах, с целью оптимизации их параметров;

-проведение исследования распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в элементарной ячейке насоса;

-проведение экспериментального определения коэффициентов распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки в условиях сверхвысокого вакуума;

-экспериментальное исследование и определение коэффициента поглощения азота пленками титана в магниторазрядном насосе;

-экспериментальное исследование зависимости разрядного тока от физических параметров разряда в широком диапазоне давлений вплоть до 10"8 Па;

-разработка инженерной методики расчета магниторазрядных насосов; -разработка и внедрение параметрического ряда оптимизированных магниторазрядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;

-проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса герметизации разъемных сверхвысоковакуумных соединений;

-разработка параметрического ряда оптимизированных сверхвысоковакуумных разъемных фланцевых соединений;

-проведение исследований по созданию новых цельнометаллических клапанов, прогреваемых до 400°С в закрытом состоянии;

-разработка и внедрение в серийное производство оптимизированных сверхвысоковакуумных цельнометаллических клапанов и высоковакуумных затворов шиберного типа, а также ряда быстродействующих форвакуумных клапанов.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Сущность и критерии оптимизации магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для оборудования электронной техники.

2. Методика и результаты экспериментальных исследований углового и энергетического распределения ионов, бомбардирующих различные участки катодов в элементарной ячейке насоса (в разряде Пеннинга).

3. Методика и результаты исследования распыления титана ионами азота, кислорода и аргона в сверхвысоком вакууме.

4. Комплекс экспериментальных исследований зависимостей разрядного тока от геометрических размеров элементарной ячейки насоса, от анодного напряжения и напряженности магнитного поля в широком диапазоне давлений с целью оптимизации насосов.

5. Физико-математическая модель зависимости быстроты действия элементарной разрядной ячейки от коэффициента поглощения газовых молекул, коэффициента распыления титана и интенсивности разряда.

6. Методика расчета, принципы проектирования насосов и создание магниторазрядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

7. Многослойная шероховато-пористая физическая модель вакуумных течей и исследование процесса герметизации цельнометаллических разъемных вакуумных соединений.

8. Комплекс экспериментальных исследований различных типов цельнометаллических разъемных соединений и выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.

9. Результаты экспериментальных исследований по созданию оптимизированной запорно-регулирующей арматуры.

10. Конструктивно-технологические принципы проектирования и разработка запорно-регулирующей арматуры с оптимальными техническими характеристиками.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Курбатов, Олег Константинович

6.4. Выводы

1. Разработанные и внедренные в серийное производство оптимизированные магниторазрядные насосы типа НМД и НДМИ с быстротой действия по азоту от 0.1 до 100 л/с, нашли широкое применение в технологическом и аналитическом оборудовании электронной техники.

2. Магниторазрядные насосы типа НМД и НМДИ используются для получения безмасляного сверхвысокого вакуума в откачных постах и оборудовании производства СВЧ-приборов, фотоэлектронных и рентгеновских приборов, электронно-оптических преобразователей, в экспериментальном и аналитическом оборудовании микроэлектроники, в т.ч. в оборудовании мо-лекулярно-лучевой эпитаксии, в Оже-спектрометрах, в рентгеновских растровых микроскопах и в другом оборудовании.

3. Созданные магниторазрядные насосы типа НМД и НМДИ также широко используются в составе оборудование смежных отраслей науки и техники: экспериментальной физики, химической и металлургической промышленности, в медицинской технике, в оборудовании авиационно-космического комплекса.

4. В частности большое количество насосов НМД и НМДИ используется в составе вакуумных систем ускорительно-накопительных комплексов синхротронов, линейного ускорителя Московской мезонной фабрики РАН и в других электрофизических установках и комплексах.

5. Разработанная и внедренная в серийное производство герметизирующая элементная база (фланцевые соединения, различного рода клапаны, затворы, натекатели, газонапускные системы) нашли широкое применение в составе вакуумно-технологического оборудования электронной техники. В частности, сверхвысоковакуумная запорно-регулирующая арматура используется в оборудовании производства СВЧ-приборов, ЭОПов, ФЭП и др. Высоковакуумные затворы с электромеханическими и электропневматическими приводами, а также электромагнитные клапаны применены в установках серии «Везувий».

6. Созданная и выпускаемая серийно вакуумная арматура нашла применение в оборудовании смежных отраслей науки и техники. В частности, большое количество вакуумных плоских шиберных затворов и клапанов используется в вакуумных системах термоядерных установок Т-10 и Т-15, в вакуумных системах оборудования Международного института ядерных исследований (г. Дубна) и на ряде других исследовательских и прикладных установках и комплексах.

7. Опыт создания вакуумной арматуры использован для разработки и внедрения в серийное производство запорно-регулирующей арматуры малой энергетики (городской теплоэнергетики) и пищевой промышленности.

8. Разработаны, освоены в серийном производстве и широко применяются параметрические ряды гидравлических и газовых клапанов с Ду от 10 до 125 мм для автоматизированных теплоэнергетических объектов городского хозяйства. Созданная арматура позволила исключить необходимость закупки дорогостоящего зарубежного оборудования.

9. Выпускаемая серийно разработанная арматура используется для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения, способствует энергоресурсосбережению. и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных и рентгеновских приборов, СВЧ-приборов и других ответственных приборов), а также аналитического оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковакуумных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Создание новых и дальнейшее совершенствование имеющихся конструкций приборов и технологий их производства с использованием вакуумно-технологического оборудования решающим образом зависит от степени получаемого разрежения, от качества откачных средств и состава остаточных газов. Производство выше перечисленных приборов и создание высокоточного с повышенным разрешением многофункционального аналитического оборудования требуют применения сверхвысоковакуумных и безмасляо ных средств откачки, обеспечивающих вакуум -10" Па.

Проведенный в диссертационной работе на основании данных отечественной и мировой практики анализ средств получения и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума в оборудовании молекулярно-лучевой эпитаксии, производства ЭВП повышенной сложности, в аналитическом оборудовании показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с сублимационными испарительными насосами или с нераспыляемыми геттерами. Данное оборудование является прогреваемым до температуры ~400°С с целью эффективного обезгажива-ния, тренировки и получения необходимых технических характеристик откачиваемых приборов.

Для создания оптимизированных магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. И О"8 Па п вместо 2-10"' Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, в том числе прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

Впервые проведены обширные и комплексные экспериментальные исследования зависимости разрядного тока от физических параметров и геометрических размеров ячейки магниторазрядного насоса в широком диапазоне давления оста

1 8 точного газа (от 10" до 10" Па). Необходимость проведения этих исследований объясняется отсутствием законченной теории разряда Пеннинга, лежащего в основе работы магниторазрядных насосов (из-за чрезвычайной сложности газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с изменяющимся отрицательным объемным зарядом при изменении давления).

Впервые в ячейке промышленного магниторазрядного насоса экспериментально исследованы распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям. Получено, что средняя энергия бомбардирующих катод ионов при давлении 5-Ю"4 Па составляет \/2eUa (-3,5 кэВ).

Впервые обнаружено, что энергия ионов, определяющаяся величиной потенциала в местах рождения ионов, зависит от давления: с понижением давления средняя энергия ионов возрастает, а при повышении давления - уменьшается, что свидетельствует о непостоянстве величины отрицательного объемного заряда.

Впервые экспериментально определены коэффициенты распыления Ti по-f ложительными ионами N2+, 02+, Аг+ в диапазоне энергий от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме (~10"7 Па).

Показано, что в условиях работы магниторазрядных насосов при Ua=7 кВ и р=5-10"4 Па коэффициент распыления титана ионами азота составляет 0,7 ат/ион, ионами кислорода - 0,5 ат/ион, ионами аргона - 1,5 ат/ион.

Получена аналитическая формула зависимости быстроты действия насоса от коэффициентов распыления материала катода газовыми ионами, от коэффициентов поглощения газовых молекул металлическими пленками и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению).

Теоретически и экспериментально показана корреляция зависимости интенсивности разряда и быстроты действия насоса от давления. Это чрезвычайно важное обстоятельство дало возможность заменить трудоемкие измерения зависимости быстроты действия от параметров экспериментальных насосов на измерения разрядного тока и интенсивности разряда в одиночных ячейках от различных параметров в широком диапазоне давлений.

При исследовании процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений впервые предложена и разработана физическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны плоского медного уплотнителя.

Применение разработанного математического метода конечных элементов (МКЭ) для напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений позволяет глубже понять физику процесса и увидеть пути дальнейшего совершенствования техники вакуумной герметизации.

Впервые в большом объеме исследованы и изучены особенности, технические и эксплуатационные характеристики разъемных цельнометаллических фланцевых соединений различных конструкций и прогреваемых клапанов. При этом выбрана оптимальная конструкция - разъемные соединения со встречными канавками.

На новом научно-техническом уровне проведены расчеты и сравнения с экспериментальными данными вакуумных проводимостей разработанных клапанов и плоских шиберных затворов.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать метод расчета магниторазрядных насосов.

2. На основании научных результатов работы разработан и внедрен в серийное производство на Искитимском машиностроительном заводе (г. Искитим, Новосибирской области) параметрический ряд насосов 3-го поколения - насосов НМД с быстротой действия от 0,1 до 1000 л/с (по азоту) с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Разработаны принципы и методы проектирования высоковакуумной запорно-регулирующей арматуры, на основании которых созданы и внедрены в серийное производство на машиностроительном заводе «ТЕМП» (г. Фурманов, Ивановской области) параметрические ряды сверхвысоковакуумных и форвакуумных клапанов, затворов, натекателей с Ду от 6,3 до 400 мм (работающих в широком диапазоне давлений).

Созданные насосы серии НМД и новая запорно-регулирующая арматура широко применяются на предприятиях электронной техники в составе сверхвысоковакуумного безмасляного оборудования для разработки и производства целого класса ЭВП повышенной сложности (ЭОП, ФЭП, СВЧ и рентгеновские приборы и др.), а также в составе сверхвысоковакуумного технологического оборудования типа молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и аналитического оборудования (Оже-спектрометры, ВИМС, МРЭМ и др.) - ФГУП «НПП «ТОРИЙ» (г. Москва), ФГУП «НИИВТ им. С.А. Век-шинского» (г. Москва), ФГУП «НПП «ИСТОК» (г. Фрязино, Московской области), завод «ПЛУТОН» (г. Москва) и др.

Значительный объем созданной новой элементной базы широко используется в смежных отраслях науки и техники: в комплексах экспериментальной и технической физики (Серпуховской ускоритель заряженных частиц, Московская мезонная фабрика, ускорительно-накопительный комплекс Института ядерной физики им. академика Г.И. Будкера СО РАН, РНЦ «Курчатовский институт» и др.)

Принципы и методы разработки вакуумной арматуры успешно использованы для создания новой отечественной гидравлической и газовой арматуры, применяющейся в теплоэнергетическом городском хозяйстве - в центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), тепловых станциях и других теплоэнергетических объектах.

7. За создание и внедрение в промышленность сверхвысоковакуумных магни-торазрядных насосов и высоковакуумных средств технологического и научного оборудования электронной техники группе ученых и специалистов НИИВТ им. С.А. Векшинского, МИЭМ и МГУ была присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники, в том числе автору диссертационной работы как главному конструктору насосов НМД.

Апробация результатов работы.

По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, учебное пособие (МИФИ) и 21 авторское свидетельство на изобретение и патенты РФ, выпущено 32 научно-технических отчета ФГУП «НИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинского».

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: на многочисленных Всесоюзных конференциях по «Физике и технике сверхвысокого вакуума» (Ленинград) в период с 1972 по 1988 г.г., по «Вакуумной науке и технике» (г. Казань) в период с 1973 по 1991 г.г. и в 2001 г., на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах предприятий МЭП (г. Москва, г. Рязань, г. Брянск, г. Пенза, г. Нальчик, г. Калининград) в период с 1979 по 1990 г.г., на Всесоюзных конференциях по тонким пленкам (г. Адлер, г. Туапсе и г. Махачкала) в 1987 , 1988 и 1989 г.г., на 1-ой, 3-ей, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Международных научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» в Крыму, в 1994, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 г.г., и научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» - Санкт-Петербург 2000, 2004, 2005 г.г., на 3-ем Российско-японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» МИСиС-ULVAC Inc., Москва 2005, на научной сессии МИФИ-2005, секция «Физика плазмы».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ВЫПОЛНЕННОЙ

ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Курбатов O.K. Энергетическое и угловое распределение ионов, приходящих на различные участки катода в высоковольтном разряде Пеннинга // ЖТФ, 1966, 36, №9, с. 1665-1669.

2. Курбатов O.K. Исследование распыления титана положительными ионами азота, кислорода и аргона с энергией 3-9 кэВ // ЖТФ, 1967, 37, № 10, с. 18141817.

3. Курбатов O.K., Щербаков Ю.И. Чувствительные автоматические весы для работы в сверхвысоком вакууме // ПТЭ, 1968, №3, с. 180-182.

4. Курбатов O.K., Щербаков Ю.И. Об эффекте памяти триодного магниторазрядного насоса ТРШН-150 // ЖТФ, 1971, 41, № 3, с. 639.

5. Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов O.K., Рудницкий Е.М. Вакуумные магниторазрядные насосы с охлаждаемым анодом // Электронная промышленность, 1971, № 2, с. 103-105.

6. Курбатов O.K., Виноградов М.И., Самылина Т.В. Малогабаритный магнито-разрядный насос с повышенной устойчивостью к вибрациям и экстремальным климатическим условиям // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1971, с. 31-32.

7. Виноградов М.И., Галиев М.С., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б. Охлаждаемый магниторазрядный насос с быстротой откачки 650 л/с // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной конференции по вакуумной технике, Казань, 1972, с. 42-43.

8. Курбатов O.K., Рудницкий Е.М. Исследование зависимостей интенсивности разряда Пеннинга от параметров разряда // Электронная техника, 1974, сер.4, №7, с. 118-120.

9. Курбатов O.K., Виноградов М.И. и др. Неохлаждаемые магниторазрядные насосы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 19-21.

10. Толмачев Л.Б., Курбатов O.K., Виноградов В.И., Яцук A.M. Новые высоковольтные блоки питания к магниторазрядным насосам // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике высокого вакуума, Ленинград, 1974, с. 22.

11. Курбатов O.K., Виноградов М.И., Летников В.А., Самылина Т.В. Миниатюрный магниторазрядный насос с быстротой действия 0,1 л/с // Тезисы докладов VI Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике, Казань, 1976, с. 46.

12. Курбатов O.K., Данилов К.Д., Филатовский Л.А. Состояние и перспектива разработок запорной арматуры // Материалы отраслевой научно-технической конференции по вакуумной арматуре, М., 1979, с 4-5.

13. Курбатов O.K., Данилов К.Д., Лещева М.С. Разработка основ технологии вакуумного литья из алюминиевых сплавов корпусов вакуумной запорной арматуры // Материалы отраслевой НТК по вакуумной арматуре. М., 1979, с 14-15.

14. Бирюкова Н.Е., Курбатов O.K., Лавыгин В.А., Никитин М.А. Сверхвысокова-куумный безмасляный агрегат СВА-1 // Материалы 6-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. Казань, 1980, с 62-63.

15. Филатовский Л.А., Курбатов O.K., Шувалов А.С., Васильченко С.Д. Новые малогабаритные сверхвысоковакуумные фланцевые соединения. Электронная техника // 1982, сер. 7, ТОПО, вып. 3 (112).

16. Деулин Е.А., Курбатов O.K., Медовщук В.Ф. Выбор основного параметра высоковакуумного клапана. Известия вузов, сер. «Машиностроение» // 1982, № 11, с. 53-54.

17. Данилов К.Д., Ильин Г.И., Курбатов O.K., Терещенко Л.Ф., Шнитко М.В. Сверхвысоковакуумная безмасляная установка с сокращенным циклом откачки // ПТЭ, 1984, № 3, с. 163-165.

18. Данилов К.Д., Курбатов O.K., Шнитко М.В. Параметрический ряд высоковакуумных затворов маятникового типа Ду-100, 160, 250, 400 // Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума», 1985, Ленинград, с 56-57.

19. Курбатов O.K. Основные направления и перспективы в создании вакуумной арматуры // Материалы 8-ой Всесоюзной НТК «Физика и техника высокого вакуума», Ленинград, 1985, с. 8-10.

20. Львов Б.Г., Курбатов O.K., Шихов А.И., Шувалов А.С. Вакуумные клапаны типа КЭУн // Сб. «Научно-технические достижения», М. ВИМИ, 1985, №4, с. 45-48.

21. Александрова А.Т., Арменский Е.В., Ермаков Е.С., Львов Б.Г., Минайчев В.Е., Виноградов М.И., Курбатов O.K., Толмачев Л.Б., Рудницкий Е.М., Контор Е.И., Рейхрудель Э.М., Смирницкая Г.В. Сверхвысоковакуумные магни-торазрядные насосы и высоковакуумные средства технологического и научного оборудования // Ежегодник БСЭ, 1985, с. 536-537

22. Курбатов O.K., Новиков Н.С., Рябов И.А. Система импульсного газонапуска в вакуумные установки // ПТЭ, №6, 1986, с. 102-104.

23. Курбатов O.K., Шувалов А.С., Шнитко М.В. Прогреваемые сверхвысоковакуумные клапаны // Вакуумная техника и технология, 1991, Т. 1, №1, с. 42-44.

24. Докукин В.Г., Курбатов O.K., Рыбчинский Р.Е., Шувалов А.С. Вакуумные уплотнения с фторопластовыми прокладками // Вакуумная техника и технология, 1991, т.1, № 2, с 36-38.

25. Курбатов O.K. Новые вакуумные затворы, клапаны и газонапускные устройства для оборудования нанесения и травления тонких пленок // Материалы 7-ой отраслевой НТК по тонким пленкам, Махачкала, 1991, с. 14.

26. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. и др. Новая запорная и регулирующая арматура // Вакуумная техника и технология, 1992, т. 11, №3, с. 32-38

27. Курбатов. O.K., Шувалов А.С., Толмачев П.Л. Малогабаритный безмасляный блок откачки МББО-1 // Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, №1, с. 24-27.

28. Шувалов А.С., Курбатов O.K. Исследование влияния конструктивных факторов на проводимость вакуумных клапанов. Вакуумная техника и технология, 1993, т.З, № 1, с 23-24.

29. Курбатов O.K. Вакуумно-арматурная элементная база вакуумных систем и технологического оборудования // Материалы 1-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1994, с. 4-6.

30. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф. Применение опыта разработки вакуумной арматуры в создании автоматических клапанов для пищевого и теплоэнергетического оборудования // Материалы 3-й НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1996, с. 63-64.

31. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Варлов Л.Я., Платов О.И. Современное состояние и серийный выпуск вакуумной запорной и регулирующей элементной базы экспериментальных установок и промышленного оборудования // Материалы 3-ей НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1996, с. 5-6.

32. Панфилов Ю.В., Курбатов O.K., Буравцев А.Т. Вакуумные клапаны, затворы, регуляторы давления и расхода газа: базы данных // Справочник. Инженерный журнал № 5,1998, с. 26-36.

33. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием // Промышленность России XXI век, М., 2002, с. 89-90.

34. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка и организация серийного выпуска новой вакуумно-газовой и гидравлической арматуры с Ду от 16 до 125 мм // Материалы 5-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1998, с. 63-64.

35. Курбатов O.K. Простой и корректный способ измерения быстроты действия малогабаритных высоковакуумных насосов (S<2,5 л/с) // Материалы 6-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1999, с. 73-74.

36. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Разработка, серийный выпуск и опыт эксплуатации автоматических вакуумно-газовых и гидравлических клапанов Д-16, 25, 50, 63, 100, 125 мм // Материалы 6-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 1999, с. 37-38.

37. Курбатов O.K. Вакуумные клапаны, затворы, натекатели // Раздел 3.2.3 Энциклопедия машиностроения, том III-8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». М., Машиностроение, 2000, с. 318-331.

38. Курбатов O.K., Варлов Л.Я. и др. Модернизация и разработка новой вакуумной, вакуумно-газовой и гидравлической арматуры для автоматизированного оборудования // Материалы 7-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2000, с. 43-44.

39. Курбатов O.K. Новая энергосберегающая арматура для автоматических систем управления теплоэнергетическим оборудованием // Журнал «Энергосбережение» 2000, №2, с. 62-63.

40. Курбатов O.K., Леонтьев А.Ф., Галиев М.С. и др. Создание и организация серийного выпуск автоматической запорной арматуры: вакуумной, газовой и гидравлической // Материалы 10-й Международной НТК «Состояние и перспективы развития вакуумной техники», г. Казань, 2001, с. 31-34.

41. Курбатов O.K., Галиев М.С. и др. Новые вакуумно-газовые клапаны Ду-10, 20, 25 с электромагнитными приводами в нормально открытом исполнении // Материалы 8-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2001, с. 57-58.

42. Курбатов O.K., Варлов Л.Я. и др. О возможности в короткий срок разработать и начать серийный выпуск автоматической вакуумной запорнорегулирующей арматуры нового поколения с Ду от 10 до 125 мм // Материалы 9-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2002, с. 44-45.

43. Курбатов O.K. Магниторазрядные насосы. Выбор оптимальных физических параметров // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2003, с. 6-8.

44. Курбатов O.K. Энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура для АСУ теплоэнергетики с Ду от 10 до 125 мм // Материалы научно-практического семинара «Научно-технологическое обеспечение инновационной деятельности предприятий, институтов и фирм металлургии», Москва-МИСиС, 2004, с. 863-900.

45. Курбатов O.K. Создание, организация серийного выпуска и внедрение энергосберегающей трубопроводной арматуры в автоматизированное оборудование тепловых станций и пунктов // Материалы научно-практической конференции «Московская наука - проблемы и перспективы», Москва, 2003, с. 286-289.

46. Курбатов O.K. Особенности и способы повышения откачки инертных газов магниторазрядными насосами // Материалы 10-ой юбилейной НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2003, с. 39-40.

47. Курбатов O.K., Галиев М.С., Леонтьев А.Ф., Толмачев П.Л. Новые разработки газо-вакуумной арматуры // Материалы НТС «Вакуумная техника и технология», Санкт-Петербург, июнь 2004, с. 21-22.

48. Курбатов O.K. Экспериментальное определение коэффициентов распыления титана ионами N2+, 02+, Аг+ с энергией от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме // Материалы 11-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Крым, 2004, с. 1416.

49. Курбатов O.K., Светлаков В.М. Автоматическая энергосберегающая гидравлическая и газовая арматура и оценка экономической эффективности применения ее в городском хозяйстве Москвы // Материалы 1-го Московского научного форума (V научно-практическая конференция «Московская наука -проблемы и перспективы»), Москва, 2004, с. 106-114.

50. Курбатов O.K. Экспериментальный выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных разъемных соединений // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 39-40.

51. Курбатов O.K., Нестеров С.Б., Кеменов В.Н., Зилова О.С., Рубинский Д.С. Исследования с помощью СЗМ микроструктурных изменений поверхности титанового катода магниторазрядного насоса после длительной откачки кислорода // Материалы 12-ой НТК «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005, с. 315-317.

52. Курбатов O.K. Исследование процесса распыления титана однозарядными ионами различных газов с энергией от 0,5 до 10 кэВ // Материалы научной сессии «МИФИ-2005», секция «Физика плазмы», М., 2005, с. 78.

53. Курбатов O.K. Метод измерения быстроты действия малогабаритных магниторазрядных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, том 15, № 2, с. 117-118.

54. Курбатов O.K. Экспериментальное определение коэффициентов распыления Ti ионами азота, кислорода и аргона с энергией от 0.5 до 9 кэВ // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 1, с. 11-15.

55. Курбатов O.K. Оптимизация конструкции магниторазрядных насосов // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, № 2, с. 121-126.

56. Курбатов O.K. Клапаны со встроенными блоками питания и управления для автоматизированного вакуумного оборудования // Вакуумная техника и технология, 2005, т. 15, №2, с. 143-147.

57. Курбатов O.K., Исследование зависимости разрядного тока в ячейке Пеннинга от физических параметров с целью оптимизации сверхвысоковакуумных ионно-распылительных (магниторазрядных насосов). Труды 3-го Российско-японскокого семинара «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», MHChC-ULVAC Inc, Москва, апрель 2005, с. 96-103.

Курбатов O.K. Физические основы и промышленные средства получения и поддержания вакуума // М.: Изд. МИФИ, 1991, 83 с.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Курбатов, Олег Константинович, 2005 год

1. Машиностроение. Энциклопедия. Том III 8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». Под ред. Ю.В.Панфилова. М. Изд. «Машиностроение», 2000, 682 с.

2. Кожитов Л.В., Зарапин А.Ю., Чиченёв Н.А. Технологическое вакуумное оборудование М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2001, 416 с.

3. Тренделенбург Э. Сверхвысокий вакуум, изд. «Мир», 1966.

4. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. Под ред Г.Л. Саксаганского. М. Атомиздат, 1976, 288 с.

5. Васильев Г.А. Магниторазрядные насосы. М. Изд. «Энергия», 1970, 112 с.

6. Рудницкий Е.М., Селях Г.С. Высоковакуумный агрегат безмасляной откачки с магнитными электроразрядным насосом. ПТЭ, № 6, 1963, с.141-143.

7. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М. Изд. «Энергия», 1970, 505 с.

8. Бирюкова Н.Е., Курбатов O.K., Лавыгин В.А., Никитин М.А. Сверхвысоко-вакуумный безмасляный агрегат СВА-1. Материалы 6-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. Казань, 1980, с. 62-63.

9. Кратенко В.И. Перспективы развития физико-аналитического оборудования. Электронная промышленность, 1989, вып.7, с.40-46.

10. Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ион-но-и электронно-лучевой технологии. М. «Машиностроение», 1989, 56 с.

11. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. М. Изд. «Советское радио», 1967.

12. Пипко А.И., Пипко Ю.А., Плисковский В.Я. Вакуумно-термическое оборудование в производстве изделий электронной техники. М. Изд. «Машиностроение», 1986, с. 72.13,14,15,1617,18,19,20,21,22,23