第23卷第5-6期 光学仪器 Vol 23.No. 5-6 2001年12月 OPTICAL NSTRUMENTS Decem ber. 2001 文章编号:1005-5630(2001)5/6—0210—05 介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件 孙纯,马秀芳,沈元华 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要介绍了一个培训镀膜机操作人员的真空训练软件。 关键词:真空,镀膜机训练软件 中图分类号O484.4文献标识码A An exerc ise sof tware for tra in ig vacuum opera tors N Chun, MA X iufang, SH EN Yuan-hua (Departm ent of Physics, Fudan U niversity, Shanghai 200433, Ch ina) Abstract A n exercise softw are"V acuum"which can be used for train ing the operators of vacuum coating p lant is introduced Key words vacuum; coating p lan t; exercise softw are 引言 随着光学与光电子薄膜技术的迅速发展,镀膜操作人员的培训是一个亟待解决的任务。虽然薄膜有多 种制备方法,但真空镀膜无疑是薄膜制备技术的主流,而各类真空镀膜都离不开真空系统的操作。目前的 真空镀膜系统中,用以获得真空的最常用设备是杋械泵和扩散泵,用以测量真空度的最常用器件是热偶规 和电离规。本软件以此两泵、两规所构成的真空镀膜机为典型,介绍了它们的结构、原理和功能,让受训练 者自由地在计算机上一遍又一遍地、快速地操作该真空系统,以进行全方位的训练,逐步达到熟练的程度。 特别有意义的是该软件允许犯各种错误,对一般错误给予提示并显示错误所造成的后果对严重错误则予 以警告并中止程序。由于实际真空系统的训练,总是尽量防止犯各种错误,特别不允许犯严重错误的,所 以,受训练者往往只能进行标准操作,难以从错误中吸取教训,全面掌握真空系统的真谛。因此,本软件是 个经济、快速、高质量培训镀膜机操作人员的好帮手。 2各主要元件的结构与功能 2.1机械泵 本软件以旋片式真空泵为例,介绍了它的结构和工作原理。机械泵开启后,泵内及其所抽容器内的气 压,按某一速率减小(具体速率是可调的)。软件中,真空度的高低用灰度表示白色成份越大,真空度越高, 大气被表示为黑色高真空(大约10Pa)很接近于白色。因此,机械泵工作时,可明显看到被抽容器内的 颜色逐渐由黑变白。机械泵通过两个阀门分别与真空室和扩散泵下部相联。阀门开启时,阀门两边的气压 按照容器体积的比例相应增大或减少。鉴于目前大多机械泵后都装有电磁自动放气阀,因而本软件也设置 收稿日期2001-08-30 作者简介孙纯(1979-),男,上海人,复旦大学物理系98级学生,从事物理方面的研究。 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
文章编号: 1005—5630 (2001) 5ö6—0210—05 介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件Ξ 孙 纯, 马秀芳, 沈元华 (复旦大学物理系, 上海 200433) 摘要: 介绍了一个培训镀膜机操作人员的真空训练软件。 关键词: 真空; 镀膜机; 训练软件 中图分类号: O 48414 文献标识码: A An exerc ise sof tware for tra in ing vacuum opera tors SUN Chun, M A X iu2f ang , S H EN Y uan2hua (D epartm ent of Physics, Fudan U niversity, Shanghai 200433,Ch ina) Abstract: A n exercise softw are“V acuum ”w h ich can be u sed fo r train ing the operato rs of vacuum coating p lan t is in troduced. Key words: vacuum; coating p lan t; exercise softw are 1 引 言 随着光学与光电子薄膜技术的迅速发展, 镀膜操作人员的培训是一个亟待解决的任务。虽然薄膜有多 种制备方法, 但真空镀膜无疑是薄膜制备技术的主流, 而各类真空镀膜都离不开真空系统的操作。目前的 真空镀膜系统中, 用以获得真空的最常用设备是机械泵和扩散泵; 用以测量真空度的最常用器件是热偶规 和电离规。本软件以此两泵、两规所构成的真空镀膜机为典型, 介绍了它们的结构、原理和功能, 让受训练 者自由地在计算机上一遍又一遍地、快速地操作该真空系统, 以进行全方位的训练, 逐步达到熟练的程度。 特别有意义的是该软件允许犯各种错误, 对一般错误给予提示并显示错误所造成的后果; 对严重错误则予 以警告并中止程序。由于实际真空系统的训练, 总是尽量防止犯各种错误, 特别不允许犯严重错误的, 所 以, 受训练者往往只能进行标准操作, 难以从错误中吸取教训, 全面掌握真空系统的真谛。因此, 本软件是 一个经济、快速、高质量培训镀膜机操作人员的好帮手。 2 各主要元件的结构与功能 211 机械泵 本软件以旋片式真空泵为例, 介绍了它的结构和工作原理。机械泵开启后, 泵内及其所抽容器内的气 压, 按某一速率减小(具体速率是可调的)。软件中, 真空度的高低用灰度表示: 白色成份越大, 真空度越高; 大气被表示为黑色, 高真空(大约 10- 4Pa) 很接近于白色。因此, 机械泵工作时, 可明显看到被抽容器内的 颜色逐渐由黑变白。机械泵通过两个阀门分别与真空室和扩散泵下部相联。阀门开启时, 阀门两边的气压 按照容器体积的比例相应增大或减少。鉴于目前大多机械泵后都装有电磁自动放气阀, 因而本软件也设置 第 23 卷 第 526 期 2001 年 12 月 光 学 仪 器 O PT ICAL IN STRUM EN T S V o l. 23,N o1526 D ecem ber, 2001 Ξ 收稿日期: 2001208230 作者简介: 孙 纯(19792) , 男, 上海人, 复旦大学物理系 98 级学生, 从事物理方面的研究。 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第5-6期 孙纯等:介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件 了电磁阀,如图1所示。关闭机械泵必须放气的训练省略。 机械系 真 图1机械泵与电磁阀 2.2扩散泵 本软件以金属油扩散泵为例,介绍了它的结构和工作原理。正常工作时,扩散泵可以将其上部的空气 逐渐压缩到下部,体现为上部的真空度逐渐提高(灰度变浅),下部的真空度相应下降(灰度变深),造成压 强差。如果不用机械泵抽气,可能造成下部气压过髙而导致泵油氧化的错误。真空度变化的速率与油的温 度有关,而油的温度由扩散泵加热的时间决定。加热时间不足时,油蒸汽速度太慢,会使返油增加,这时如 果打开扩散泵上的阀门,会使油蒸汽较多进入真空室而犯错误。当然,如果打开扩散泵而未开冷却水,或在 扩散泵正常工作时关闭冷却水,都是要犯错误的时间长了,会导致泵油严重氧化变质的严重错误。扩散泵 在工作时的状态如图2所示 门c 扩散泵 图2扩散泵工作状态 2.3热偶规 本软件详细介绍了热偶真空规的结构和工作原理,还在模拟系统中设置了两个热偶规:一个在真空 室,另一个在扩散泵的下端,它们的读数可分别显示。热偶规的读数随当时所在处的气压值而变化,以数字 不断跳动来显示,单位是Pa。气压不变或低于某设定值后,热偶规的读数将停止跳动,不再变化。 2.4电离规 本软件也详细介绍了电离真空规的结构和工作原理,并在模拟系统的真空室中设置了一个电离规,它 以在高真空的情况下读出真空室的真空度,也是采用数字显示。当然,如果在低真空下开启电离规,它将 被烧坏而造成严重错误。 3操作训练平台 系统操作平台由1个主画面(Fom)和5个副画面组成如图3所示。 主画面是整个模拟真空镀膜系统的示意图,包括真空室、扩散泵、机械泵、冷阱、3个真空规和4个阀 门及管道等。各个阀门用黄色表示,打开和关闭时有相应显示变化。热偶规和电离规用不同的符号表示出 来,并且在打开时有相应颜色显示。各个部件的旁边有中文说明。对于扩散泵,外边蓝色的粗线条是水冷 套的表示,如果在没有打开水冷套的情况下加热扩散泵,水冷套会逐渐由蓝变红,提醒使用者打开水冷套。 顶部是交错的水冷档板(冷阱),打开其冷却水时呈天蓝色,否则是暗蓝色。扩散泵的下面是电炉,打开电源 后变红。扩散泵内部用线条勾勒出其内部喷口结构。黄色的是扩散泵油,在未加热的时候只存在于底部。 随着扩散泵温度的上升,这些扩散泵油会沿着内部的管道和喷嘴逐渐上行,并向下喷出。与此同时,扩散泵 C1995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
了电磁阀, 如图 1 所示。关闭机械泵必须放气的训练省略。 图 1 机械泵与电磁阀 212 扩散泵 本软件以金属油扩散泵为例, 介绍了它的结构和工作原理。正常工作时, 扩散泵可以将其上部的空气 逐渐压缩到下部, 体现为上部的真空度逐渐提高(灰度变浅) , 下部的真空度相应下降(灰度变深) , 造成压 强差。如果不用机械泵抽气, 可能造成下部气压过高而导致泵油氧化的错误。真空度变化的速率与油的温 度有关, 而油的温度由扩散泵加热的时间决定。加热时间不足时, 油蒸汽速度太慢, 会使返油增加; 这时如 果打开扩散泵上的阀门, 会使油蒸汽较多进入真空室而犯错误。当然, 如果打开扩散泵而未开冷却水, 或在 扩散泵正常工作时关闭冷却水, 都是要犯错误的; 时间长了, 会导致泵油严重氧化变质的严重错误。扩散泵 在工作时的状态如图 2 所示。 图 2 扩散泵工作状态 213 热偶规 本软件详细介绍了热偶真空规的结构和工作原理, 还在模拟系统中设置了两个热偶规: 一个在真空 室, 另一个在扩散泵的下端; 它们的读数可分别显示。热偶规的读数随当时所在处的气压值而变化, 以数字 不断跳动来显示, 单位是 Pa。气压不变或低于某设定值后, 热偶规的读数将停止跳动, 不再变化。 214 电离规 本软件也详细介绍了电离真空规的结构和工作原理, 并在模拟系统的真空室中设置了一个电离规, 它 可以在高真空的情况下读出真空室的真空度, 也是采用数字显示。当然, 如果在低真空下开启电离规, 它将 被烧坏而造成严重错误。 3 操作训练平台 系统操作平台由 1 个主画面(Fo rm ) 和 5 个副画面组成, 如图 3 所示。 主画面是整个模拟真空镀膜系统的示意图, 包括真空室、扩散泵、机械泵、冷阱、3 个真空规和 4 个阀 门及管道等。各个阀门用黄色表示, 打开和关闭时有相应显示变化。热偶规和电离规用不同的符号表示出 来, 并且在打开时有相应颜色显示。各个部件的旁边有中文说明。对于扩散泵, 外边蓝色的粗线条是水冷 套的表示, 如果在没有打开水冷套的情况下加热扩散泵, 水冷套会逐渐由蓝变红, 提醒使用者打开水冷套。 顶部是交错的水冷档板(冷阱) , 打开其冷却水时呈天蓝色, 否则是暗蓝色。扩散泵的下面是电炉, 打开电源 后变红。扩散泵内部用线条勾勒出其内部喷口结构。黄色的是扩散泵油, 在未加热的时候只存在于底部。 随着扩散泵温度的上升, 这些扩散泵油会沿着内部的管道和喷嘴逐渐上行, 并向下喷出。与此同时, 扩散泵 第 526 期 孙 纯等: 介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件 · 112 · © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
光 第23卷 内会出现黄色小点,代表油蒸汽。点的多少代表油蒸汽密度。扩散泵油的氧化程度由它的颜色变化来表示, 颜色越深表示氧化越严重,当颜色变黑时,说明油已严重氧化变质,不能再用了。 副画面有5个,它们是“开关控制”“阀门控制”“真空规控制”“时间监控”和“示范操作” o 02=0 m p是 图3模拟真空镀膜系统操作平台 在“开关控制”画面中,画有按钮和指示灯,如图4所示。它可以对总电源、机械泵和扩散泵进行打开和 关闭的操作,绿色小按钮和红色小按钮分别是开和关,绿色指示灯的明或暗表明了开或关的状态。当然,只 有在总电源打开的情况下才可以对其他电器(包括两个真空规)进行操作。 回 图4开关控制画面 阀门控制”副画面中画有4个阀门和2个水龙砂,如图5所示。左右拖动阀门的扳手就可以打开或者 关闭,而水龙头和螺旋式的阀门(放气阀门)则需要上下拖动才能控制 门0 图5阀门控制画面 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
内会出现黄色小点, 代表油蒸汽。点的多少代表油蒸汽密度。扩散泵油的氧化程度由它的颜色变化来表示, 颜色越深表示氧化越严重, 当颜色变黑时, 说明油已严重氧化变质, 不能再用了。 副画面有 5 个, 它们是:“开关控制”、“阀门控制”、“真空规控制”、“时间监控”和“示范操作”。 图 3 模拟真空镀膜系统操作平台 在“开关控制”画面中, 画有按钮和指示灯, 如图 4 所示。它可以对总电源、机械泵和扩散泵进行打开和 关闭的操作, 绿色小按钮和红色小按钮分别是开和关, 绿色指示灯的明或暗表明了开或关的状态。当然, 只 有在总电源打开的情况下才可以对其他电器(包括两个真空规) 进行操作。 图 4 开关控制画面 “阀门控制”副画面中画有 4 个阀门和 2 个水龙砂, 如图 5 所示。左右拖动阀门的扳手就可以打开或者 关闭, 而水龙头和螺旋式的阀门(放气阀门) 则需要上下拖动才能控制。 图 5 阀门控制画面 · 212 · 光 学 仪 器 第 23 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第5-6期 孙纯等:介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件 “真空规控制”画面主要显示真空规测得的真空度(气压值),如图6所示。当然,只有在总电源打开以 后才可以开始显示。电离真空规必须在真空室已达到高真空时才可打开;对于热偶真空规,点击右键可以 选择读数对象:真空室的真空度或者扩散泵下部的真空度。 0x% 偶煌 图6真空规控制画面 “时间监控”画面是一系列指示时间的数码,如图7所示。它对整个实验的模拟过程进行时间上的监控 和记录绿色数字表示已关闭时间,红色数字表示已打开时间。画面下部的小时钟是为节省训练时间而设 置的:每次点击右边的小时钟,可让系统运行lmin;每次点击左边的小时钟,则可让系统运行h这就避 免了单纯的等待,使整个训练过程既仿真又快速。 危 图7时间监控画面 右下角的副画面叫做“示范操作与提示”,如图8所示。它提供了演示标准操作和监督人工操作并给予 错误提示的功能。标准的操作将逐步自动进行,每一步操作都有提示信息显示在操作的部位,每个信息显 示持续6s,以便于观察。用户也可以随时中断或终止这样的操作步骤,进行自己的操作,然后再回到标准 操作的进程上。当用户自己进行操作时,该画面将随时提示用户可能发生的错误,并指出注意事项。 增误腾作 意扩 图8示范操作与提示画面 4操作训练 当用户进入主画面时,就可以自己进行操作训练。此时,本软件会实时监控用户的每一个操作,如果有 不规范的操作或不很严重的一般错误,在“示范操作与提示”画面的提示栏中,会出现一行文字,提示该操 作可能岀现的问题或指出应如何正确操作,同时,系统依然按照用户的误操作继续运行,并逐渐显示出该 误操作的后果(如扩散泵油氧化而逐渐变黑,或油蒸汽逐渐充斥真空室等),直到用户改正。这样,用户可以 清楚地看到各种误操作的危害性,并学习各种误操作以后应该如何纠正。当然,如用出现严重的误操作,或 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
“真空规控制”画面主要显示真空规测得的真空度(气压值) , 如图 6 所示。当然, 只有在总电源打开以 后才可以开始显示。电离真空规必须在真空室已达到高真空时才可打开; 对于热偶真空规, 点击右键可以 选择读数对象: 真空室的真空度或者扩散泵下部的真空度。 图 6 真空规控制画面 “时间监控”画面是一系列指示时间的数码, 如图 7 所示。它对整个实验的模拟过程进行时间上的监控 和记录: 绿色数字表示已关闭时间, 红色数字表示已打开时间。画面下部的小时钟是为节省训练时间而设 置的: 每次点击右边的小时钟, 可让系统运行 1m in; 每次点击左边的小时钟, 则可让系统运行 1h。这就避 免了单纯的等待, 使整个训练过程既仿真又快速。 图 7 时间监控画面 右下角的副画面叫做“示范操作与提示”, 如图 8 所示。它提供了演示标准操作和监督人工操作并给予 错误提示的功能。标准的操作将逐步自动进行, 每一步操作都有提示信息显示在操作的部位, 每个信息显 示持续 6s, 以便于观察。用户也可以随时中断或终止这样的操作步骤, 进行自己的操作, 然后再回到标准 操作的进程上。当用户自己进行操作时, 该画面将随时提示用户可能发生的错误, 并指出注意事项。 图 8 示范操作与提示画面 4 操作训练 当用户进入主画面时, 就可以自己进行操作训练。此时, 本软件会实时监控用户的每一个操作, 如果有 不规范的操作或不很严重的一般错误, 在“示范操作与提示”画面的提示栏中, 会出现一行文字, 提示该操 作可能出现的问题, 或指出应如何正确操作; 同时, 系统依然按照用户的误操作继续运行, 并逐渐显示出该 误操作的后果(如扩散泵油氧化而逐渐变黑, 或油蒸汽逐渐充斥真空室等) , 直到用户改正。这样, 用户可以 清楚地看到各种误操作的危害性, 并学习各种误操作以后应该如何纠正。当然, 如用出现严重的误操作, 或 第 526 期 孙 纯等: 介绍一个镀膜机真空系统操作训练软件 · 312 · © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
214· 光 第23卷 一般误操作不予纠正的时间过长,则会形成无法纠正的严重错误(如扩散泵油严重氧化无法工作,或电离 规烧毁等),此时,将出现一个“严重错误”的警告画面,而整个操作训练程序被中止 此外,本软件还提供了计分功能。当用户选择了“计分式”模拟操作后,软件会自动为用户的操作过程 打分(错误越多、时间越长、性质越严重,则得分越少),并在程序中止后报告本次运行中的各种操作错误和 改进意见,以帮助用户总结每次操作训练的成果 5参数设置 本软件为模拟真空系统提供了很多可调节的参数,如真空室和扩散泵的起始真空度、两种泵的抽气速 率、真空室和扩散泵的漏气速率、电离规的真空度下限等。由于各种实际真空系统的此类参数各不相同,所 以有必要让用户自己来设置这些参数,使模拟真空系统适用于各种不同的实际系统而达到最大程度的仿 6问题及解答 点击问号,除了可以得到软件的操作帮助以外,还可以学习有关真空的各种知识,以及各种仪器设备 的介绍。让用户在一个友好的环境下学习真空知识,可以比较好地达到训练的目的。 7结束语 本软件初步编制成功后,就有幸得到中国真空学会名誉理事长华中一教授和中国光学学会薄膜专业 委员会秘书长刘旭教授的试用。他们对本软件给予了充份的赞誉和肯定。作者并已按照两位专家的建议 对软件在使用方法的说明上作了适当的改进,使软件更趋完善。值此,向两位专家表示深切的谢意。 现在本软件己在复旦大学、上海交通大学等许多高校物理实验中供学生使用,作为真空实验的预习和 复习,收到了良好的效果 8参考文献 ]华中一,真空实验技术(物理实验丛书)M↓上海上海科学技术出版社,1989 2 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
一般误操作不予纠正的时间过长, 则会形成无法纠正的严重错误(如扩散泵油严重氧化无法工作, 或电离 规烧毁等) , 此时, 将出现一个“严重错误”的警告画面, 而整个操作训练程序被中止。 此外, 本软件还提供了计分功能。当用户选择了“计分式”模拟操作后, 软件会自动为用户的操作过程 打分(错误越多、时间越长、性质越严重, 则得分越少) , 并在程序中止后报告本次运行中的各种操作错误和 改进意见, 以帮助用户总结每次操作训练的成果。 5 参数设置 本软件为模拟真空系统提供了很多可调节的参数, 如真空室和扩散泵的起始真空度、两种泵的抽气速 率、真空室和扩散泵的漏气速率、电离规的真空度下限等。由于各种实际真空系统的此类参数各不相同, 所 以有必要让用户自己来设置这些参数, 使模拟真空系统适用于各种不同的实际系统而达到最大程度的仿 真。 6 问题及解答 点击问号, 除了可以得到软件的操作帮助以外, 还可以学习有关真空的各种知识, 以及各种仪器设备 的介绍。让用户在一个友好的环境下学习真空知识, 可以比较好地达到训练的目的。 7 结束语 本软件初步编制成功后, 就有幸得到中国真空学会名誉理事长华中一教授和中国光学学会薄膜专业 委员会秘书长刘旭教授的试用。他们对本软件给予了充份的赞誉和肯定。作者并已按照两位专家的建议, 对软件在使用方法的说明上作了适当的改进, 使软件更趋完善。值此, 向两位专家表示深切的谢意。 现在本软件已在复旦大学、上海交通大学等许多高校物理实验中供学生使用, 作为真空实验的预习和 复习, 收到了良好的效果。 8 参考文献 [ 1 ] 华中一 1 真空实验技术(物理实验丛书) [M ]. 上海: 上海科学技术出版社, 19891 · 412 · 光 学 仪 器 第 23 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved