Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения»

М.Х. Хабланян, Г.Л. Саксаганский, А.В. Бурмистров

ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
ОБОРУДОВАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ,
ТЕХНОЛОГИИ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Часть I
ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Учебное пособие

Казань
Издательство КНИТУ
2013

УДК 621.52
ББК 31.77
Хабланян М.Х.
Вакуумная техника. Оборудование, проектирование, технологии, эксплуатация. Ч. 1. Инженерно-физические основы : учебное пособие / М.Х. Хабланян,
Г.Л. Саксаганский, А.В. Бурмистров; М-во образ. и науки России, Казан. нац.
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2013. – 232 с.
ISBN 978-5-7882-1447-4
Рассмотрены свойства разреженных газов; режимы и закономерности их
течения; массо – и теплоперенос и электрические явления в условиях вакуума; способы и средства его получения; понятийный аппарат вакуумной техники; алгоритм проектирования высоко- и сверхвысоковакуумных систем.
Приведен краткий обзор областей практического использования вакуума как
уникальной технологической среды. Представлена ретроспектива развития
физики и техники вакуума.
Предназначено для подготовки инженеров по специальности «Вакуумная и компрессорная техника физических установок» и бакалавров по направлениям «Технологические машины и оборудование», «Наноинженерия»,
«Ядерная энергетика и теплофизика», «Материаловедение и технология материалов». Также может быть полезно для специалистов и преподавателей
соответствующих профилей.

Печатается по решению редакционно-издательских советов Казанского
национального исследовательского технологического университета и СанктПетербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Ю.В. Панфилов
д-р техн. наук, профессор Р.Р. Зиганшин

ISBN 978-5-7882-1447-4

© Хабланян М.Х., Саксаганский Г.Л.,
Бурмистров А.В., 2013
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2013

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
1. Понятие о вакууме
1.1. Что такое вакуум?
1.2. Вакуумные технологии в промышленности и науке
Контрольные вопросы
2. Свойства газов
2.1. Давление, плотность, молекулярная концентрация
2.2. Уравнение состояния идеального газа
2.3. Скорость молекул и температура газа
2.4. Давление пара. Испарение в вакууме
2.5. Адсорбция и десорбция
2.6. Взаимодействие молекул с поверхностью
2.7. Водяные пары
Контрольные вопросы
3. Течение газов
3.1. Поток газа
3.2. Режимы течения
3.3. Молекулярный поток
3.4. Термическая транспирация
3.5. Молекулярный поток через отверстие в тонкой стенке
3.6. Молекулярно-вязкостный (переходный) режим течения
3.7. Проводимость, быстрота откачки, быстрота действия
3.8. Основное уравнение вакуумной техники
3.9. Переходные процессы
Контрольные вопросы
4. Явления переноса в вакууме
4.1. Вязкость газов
4.2. Перенос тепла в вакууме
4.3. Диффузия газов
4.4. Потоки в микроканалах. Диффузионный перенос газов
4.5. Адсорбционная «задержка» потока
4.6. Поверхностная миграция
4.7. Газы в материалах. Газовыделение
4.8. Газопроницаемость
4.9. Электрические явления в вакууме
Контрольные вопросы
3

6
10
10
12
24
25
25
28
30
35
40
45
48
52
53
53
59
68
70
72
74
77
83
88
89
90
90
92
98
101
103
104
106
111
113
121

5. Способы получения вакуума
5.1. Типовая характеристика вакуумного насоса
5.2. Вакуумные насосы как своеобразные компрессоры
5.3. Основные разновидности вакуумных насосов
5.4. Технико-экономические характеристики промышленных
вакуумных насосов
5.5. Сопряжение высоковакуумных и форвакуумных насосов
5.6. Давление перехода от предварительной к высоковакуумной
откачке
5.7. Интеграция вакуумного тракта электрофизических установок
5.8. Измерение быстроты действия вакуумных насосов
Контрольные вопросы

Приложения

П1. Становление вакуумной техники и технологий
П1.1. Эволюция представлений о вакууме
П1.2. Развитие средств получения вакуума
П1.2.1. Механические насосы
П1.2.2. Пароструйные (диффузионные) насосы
П1.2.3. Молекулярные насосы
П1.2.4. Геттерно-ионные и магниторазрядные насосы
П1.2.5. Криогенная откачка
П2. Вакуумная гигиена
П2.1. Классификация чистых помещений
П2.2. Принципы организации чистых помещений
П3 Условные графические изображения и буквенные коды
элементов вакуумных схем
Литература

4

123
123
127
134
148
164
170
176
182
187
188
188
188
190
192
195
196
197
199
200
200
203
211
231

Список основных обозначений
P, V – давление и объём газа соответственно;
Т – абсолютная температура газа;
ρ – плотность газа;
R – универсальная газовая постоянная;
RГ – газовая постоянная конкретного газа;

М Г – молекулярная масса газа;

m – масса молекулы;
k – постоянная Больцмана;
v – скорость молекулы;
λ – cредняя длина свободного пути молекулы;
n – молекулярная концентрация газа;
Q – поток газа;
W – скорость газа;
G – массовый расход газа;
S – быстрота откачки насоса;
S ВХ – быстрота действия насоса;
µ – коэффициент динамической вязкости;
λT – коэффициент теплопроводности газа.

5

ПРЕДИСЛОВИЕ
Представленное вниманию читателей учебное пособие открывает
цикл пособий по физике, технике и технологиям высокого и сверхвысокого вакуума. Последующие выпуски будут посвящены средствам
форвакуумной откачки, кинетическим, пароструйным, электрофизическим и криогенным высоковакуумным насосам, методам и средствам
вакуумных измерений, контролю герметичности, основам проектирования вакуумных систем.
По содержанию и направленности цикл носит учебно-справочный
характер. Он рассчитан на широкий круг читателей. Это не только будущие бакалавры, инженеры и магистры. Публикуемые материалы
могут быть также полезны конструкторам, технологам и проектантам
промышленного и лабораторного вакуумного оборудования, физикамэкспериментаторам, инженерам и техникам-эксплуатационникам, специалистам многих профессий, в той или иной мере использующим вакуум. А их число продолжает расти. Разреженный газ широчайшего
диапазона давлений – около 15 декад – стал эффективной, а в сотнях
конкретных применений - единственно возможной технологической
средой. Достаточно упомянуть атомную и ракетно-космическую технику, электронику во всём её многообразии, напылительную технику,
точное машиностроение, прецизионную металлургию, аналитическое
приборостроение, нанотехнологии, медико-биологическую и фармацевтическую промышленность, экспериментальную физику: высоких
энергий, плазмы, тонких плёнок, твёрдого тела…
За столетие вакуумная техника в своём развитии пережила три понастоящему революционных этапа. Первый – череда изобретательских
озарений начала ХХ века, связанных главным образом с именем Геде.
Реализация его творческих предложений вывела вакуум из научных
лабораторий в индустриальный мир. Фейерверк новаторских инженерно-физических идей 50-70 гг. прошлого столетия, ставший ответом
на потребности атомной, электронной и ракетно-космической отраслей, сделал реальностью «большой» сверхвысокий безмасляный вакуум. И, наконец, этап третий, пришедшийся на излом тысячелетий, –
стремительная интеллектуализация вакуумного оборудования.
Правомерен вопрос: оправдана ли в целом ещё одна развёрнутая
публикация по проблематике с вековой историей!? Постараемся обосновать утвердительный ответ.
6

Во-первых, авторский коллектив включает специалистов, занимающих весьма различные функционально-тематические ниши в вакуумной сфере. М.Х. Хабланян (Marsbed H.Hablanian) десятки лет возглавлял отдел вакуумной техники фирмы VARIAN – крупнейшей
транснациональной
компании,
обогатившей
вакуумнотехнологический арсенал десятками высокоэффективных новаций и
накопившей богатейший опыт эксплуатации средств откачки, технологического оборудования и аналитической аппаратуры. Г.Л. Саксаганский – научный руководитель экспериментальных исследований и
проектных разработок уникальных сверхвысоковакуумных систем ускорителей заряженных частиц и установок управляемого термоядерного синтеза, заведующий кафедрой университета аэрокосмического
приборостроения. А.В. Бурмистров – профессор профильной кафедры
«Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского национального исследовательского технологического университета, работающий в области прецизионного вакуумного машиностроения.
Специфичность творческой деятельности и национальных школ
позволяет участникам авторского коллектива рассматривать излагаемые проблемы и задачи с разных позиций. Это открывает возможности дать критическую оценку бытующим заблуждениям, равно как и
избежать вузовского «академизма» и индивидуальных научнометодических пристрастий, чем порою грешат единоличные публикации.
Во-вторых, за многолетнюю историю вакуумной техники сложился и кочует из учебника в учебник устойчивый методологический подход к решению образовательных (профессиональное обучение вакуумной технике) и инженерных (проектирование высоковакуумных
систем) задач. Условно назовём его «классическим». Его понятийную
основу составляет набор базовых характеристик, производных от осреднённых параметров состояния разреженного газа, в частности его
давления и объёма. Это быстрота откачки, быстрота действия, проводимость и др.
Между тем ещё в середине 70-х гг. прошлого века было показано,
что нередко перечисленные понятия не отражают истинную картину
молекулярного переноса в высоком вакууме, особенно в сложных
структурах. Таковы, например, вакуумные системы ускорительнонакопительных комплексов, имитаторов космического пространства,
крупномасштабных технологических установок, термоядерных реак7

торов. Более того, в «классических» рамках в принципе неразрешимы
многие значимые для практики задачи. Это анализ пространственного
распределения молекулярной концентрации в вакуумируемых объектах, моделирование «собственной» атмосферы космических летательных аппаратов, структурно-геометрическая оптимизация многокомпонентных вакуумных структур и т.д. Тогда же были сформулированы
концептуальные модели, адекватные реальным процессам молекулярного переноса в сложных системах, и разработаны эффективные и
достаточно простые методы решения перечисленных выше задач.
Кратко излагая их сущность, авторы надеются, что постепенно они
станут столь же привычными в профессиональной и студенческой
среде, как и «классика».
В-третьих, авторы существенно расширили образовательный контент цикла, введя представления и понятия, прежде рассматривавшиеся лишь в сугубо научной литературе. Это критерии и принципы оптимизации электрофизических и криогенных насосов; оптимальное
сопряжение последовательно включённых средств откачки; эксплуатация высоковакуумных насосов в режиме газовой перегрузки; интеграция вакуумного тракта электрофизических установок и др.
Подчеркнём также насыщенность текста практическими рекомендациями. Они будут полезны персоналу, эксплуатирующему вакуумное оборудование.
Уже отмечавшаяся и, на наш взгляд, положительная особенность
цикла - его ориентация на читателей с различным уровнем профессиональной подготовки. Отсюда свободный стиль изложения, сознательные повторы и привнесение наглядных механических аналогий вакуумно-физическим процессам.
Наконец, заключительный акцент: теснейшая связь и взаимообусловленность достижений физики и вакуумной техники. Провидчески
звучат сегодня слова Михаила Васильевича Ломоносова: «…После
того, как сделалось известным применение воздушного насоса, естественные науки получили огромное развитие…». Невозможно назвать
другую область, где бы взаимозависимость между развитием физической науки и прогрессом в конкретной технической отрасли проявлялась столь явно и непосредственно. Ярчайший пример – медленное, но
неуклонное восхождение цивилизации к термоядерной энергетике.
Серьёзным шагам в покорении водородной плазмы, как правило,
предшествовали оригинальные вакуумно-технологические решения.
8

На старой технологической базе новый уровень научного познания
был бы попросту недостижим. И одну из своих задач авторы видели в
том, чтобы ясно и доходчиво показать физический фундамент концепций и базовых решений вакуумной техники.
Авторы признательны коллегам за полезные обсуждения, предоставление отдельных материалов и разнообразную помощь при подготовке рукописи. Особой благодарности заслуживает вклад Б.Д.Ершова
и Л.В. Филипповой (НИИ ЭФА им. Д.В. Ефремова, Санкт-Петербург),
М.Г. Фоминой (КНИТУ, Казань).
Критические замечания и предложения читателей будут приняты
с благодарностью.
М.Х. Хабланян, Бостон, США
Г.Л. Саксаганский, Санкт-Петербург, Россия
А.В. Бурмистров, Казань, Россия

9

1. ПОНЯТИЕ О ВАКУУМЕ
1.1. Что такое вакуум?
Термин «вакуум» используют для описания очень широкого диапазона физических условий. Он означает почти абсолютную пустоту,
пространство, не содержащее вещества или, точнее, пространство, в
котором отсутствует воздух и иные газы. По другому определению
вакуум – это состояние, при котором давление газа ниже доминирующего давления окружающей среды или, конкретнее, атмосферного
давления. Первому из определений отвечает межгалактическое пространство; иллюстрация второго – газовая среда во всасывающем патрубке обычного пылесоса.
Вакуум – состояние разреженного газа или пара при давлении
ниже атмосферного. Здесь и далее курсивом будем выделять определения по ГОСТ 5197-85.
Уровень вакуума может быть выражен через давление разреженного газа, его молекулярную концентрацию (плотность), соотношение
между средней длиной свободного пробега молекул газа ( λ ) и характеристическим линейным размером вакуумной камеры ( d ). Это соотношение называют числом Кнудсена

Kn =

λ

.
(1.1)
d
Сферы научного и инженерного интереса к вакууму в настоящее
время охватывают широчайший интервал плотностей – около 15 декад
(миллион миллиардов раз!). Современные промышленные технологии
и исследовательские задачи занимают определённые ниши этого гигантского диапазона. Потребность в высоком вакууме и освоение высоковакуумных технологий обусловлены и неразрывно связаны с развитием физических наук.
При атмосферном давлении в 1см3 воздуха содержится приблизительно 3×1019 молекул. На околоземных орбитах космических летательных аппаратов концентрация газовых молекул близка к 109 см-3.
Соответственно меньше и аэродинамическое сопротивление движению, что позволяет спутникам оставаться на орбитах в течение многих
лет. При атмосферных условиях газовые молекулы сталкиваются друг
с другом, пройдя расстояние всего ~10-6см. Расстояние, проходимое
молекулой без столкновений в космосе, может достигать нескольких
10

километров. В высоковакуумной камере межмолекулярные столкновения происходят намного реже, чем соударения молекул со стенками.
Эффект бесстолкновительного перемещения частиц в высоком
вакууме используют, например, в телевизионных кинескопах, в которых сфокусированный пучок электронов, не рассеиваясь, свободно
пролетает от электронной пушки до экрана. Давление в кинескопах
составляет примерно одну миллиардную долю атмосферы.
Простейший пример проявления вакуума в природе – дыхание.
При вдохе мускульным усилием мы расширяем лёгкие, увеличивая их
объём. При этом давление в их полости несколько падает по отношению к атмосфере, что вызывает приток в лёгкие дополнительной порции воздуха. Этот же принцип реализован в механических объёмных
насосах для получения вакуума. В результате движения функциональных органов насоса происходит непрерывное изменение объёма его
рабочей полости, и газ или всасывается, или сжимается и выталкивается.
Давление в откачиваемой камере определяется динамическим
равновесием между двумя противоположными физическими процессами: удалением газа из камеры вакуумным насосом и поступлением
туда технологического газа и газа, натекающего в камеру из атмосферы через неплотности самой камеры (неконтролируемые течи) и с её
стенок (газовыделение).
Подразделяют области низкого (Kn << 1), среднего (Kn ~ 1), высокого (Kn >> 1) и сверхвысокого вакуума. Низкому вакууму на практике соответствует интервал давлений от атмосферы до 102 Па, среднему
– от 102 до 10-1 Па, высокому – от 10-1 до 10-5 Па. Для сверхвысокого
вакуума характерна неизменность поверхностной концентрации адсорбата, т.е. газовых молекул, в ходе технологического процесса находящихся в связанном состоянии на стенках камеры. Такое состояние
для подавляющего большинства вакуумных установок наступает при
давлении ниже 10-5 Па.
Несмотря на условность подобной классификации, она имеет под
собой физический фундамент – различие преобладающих режимов
течения газа и соответственно закономерностей газокинетических
процессов в каждой из названных областей.

11

1.2. Вакуумные технологии в промышленности и науке
Разреженную газовую среду используют во многих промышленных и бытовых устройствах. К примеру, благодаря вакууму топливная
смесь подаётся в цилиндры автомобильных двигателей. Вакуумирование полости между стенками колбы для лучшей теплоизоляции сохраняемого продукта повышает эффективность термосов. Откачка электрических ламп накаливания в процессе их изготовления предотвращает окисление нагретых вольфрамовых спиралей. Сходная цель достигается созданием высокого вакуума в установках для напыления металлических плёнок различного назначения - от пластмассовых игрушек до микросхем. Осаждение плёнок в вакууме, пришедшее на смену
гальванопокрытиям, исключает их окисление и насыщение газом.
Кроме того, появилась возможность получать многокомпонентные и
многослойные покрытия с заранее заданными свойствами.
Эти примеры иллюстрируют многообразие сфер применения и
практическую значимость вакуумных технологий. Свойства газов существенно меняются по мере их разрежения. В вакууме невозможна
жизнь, за исключением разве что очень стойких вирусов. Животные
способны находиться в вакууме не более нескольких секунд. Летучие
жидкости, включая воду, испарялись бы с очень высокой скоростью,
не будь окружающей нашу планету атмосферы. Если бы удавалось
непрерывно удалять и где-то за пределами атмосферы конденсировать
водяной пар, земные озёра и реки испарились бы за несколько дней.
Реальная скорость испарения жидкостей мала лишь потому, что покинувшие поверхность молекулы после соударения с атмосферными
частицами возвращаются обратно в жидкость. Температура кипения
жидкости в вакууме уменьшается: при давлении примерно в сорок раз
ниже атмосферного вода закипает при комнатной температуре. Иначе
говоря, вакуум интенсифицирует процессы сушки и обезвоживания,
особенно при пониженных температурах.
Космонавт, работающий в открытом космосе, не может слышать
удары молотка либо гаечного ключа, поскольку звук в вакууме не распространяется. А вот световым лучам и радиоволнам вакуум не помеха: в отличие от атмосферы для электромагнитного излучения он абсолютно «прозрачен». В этом причина размещения в космосе телескопов и других астрономических приборов.

12

Сказанное поясняет цели широкого использования вакуума как
рабочей среды. В первую очередь это устранение «вредных» процессов, вызываемых химически активными компонентами атмосферы. К
примеру, вакуумирование применяется при выплавке, очистке и обработке стали и сплавов, поскольку в вакууме практически устраняется
возможность взаимодействия металлов с атмосферными газами. В
обычных условиях эти газы переходят в металл. Вакуумные условия,
напротив, способствуют удалению из металлов уже содержащихся в
них газов и других включений. Благодаря этому удаётся резко снизить
содержание растворённых в стали и сплавах газов, ухудшающих их
свойства, обеспечить высокую однородность и плотность металлов,
повысить их электропроводность.
Некоторые металлы, например титан, тантал, молибден, вольфрам, ниобий, вообще можно получить только под вакуумом, поскольку
их нельзя нагревать до высоких температур и расплавлять в воздухе
из-за химических реакций с атмосферным кислородом. Нагрев в атмосфере приводит к тому, что они интенсивно поглощают газы, в особенности водород, азот и кислород, что отрицательно влияет на их
свойства. Для получения высококачественного металла его нагревают
в вакуумной печи и в процессе расплавления откачивают выделяющиеся газы.
Важную роль вакуум играет при сварке. Простейший способ его
применения состоит в том, что сварочную камеру откачивают до среднего вакуума, а затем заполняют аргоном при атмосферном давлении.
Таким способом осуществляют дуговую сварку узлов из химически
активных металлов и сплавов, в частности титана. Столь же эффективен вакуум при диффузионной сварке металлов, сплавов и неметаллических материалов, которые трудно или невозможно сваривать другими способами. В первую очередь это относится к стали, алюминию,
титану, чугуну, металлокерамике. Соединение происходит в результате диффузии при непосредственном контакте чистых поверхностей
деталей в вакууме без применения припоев, флюсов и электродов.
Диффузионную сварку в вакууме можно производить непосредственным соединением металла с металлом либо используя промежуточную
прокладку (подслой) из другого материала. Вакуум в сварочной камере исключает возможность физико-химического взаимодействия металла с компонентами воздуха и охрупчивание шва. Относительно невысокая температура сварки и небольшие удельные давления снижают
13

внутренние остаточные напряжения, что предотвращает образование
трещин.
Ещё одно эффективное применение вакуума – электронно-лучевая
сварка. Область контакта свариваемых деталей подвергают воздействию перемещающегося сфокусированного пучка электронов мощностью до нескольких сотен киловатт; пучок эмитируется электронной
пушкой, встроенной в сварочную камеру. Выделяющееся тепло расплавляет контактную зону, формируя сварной шов. Электроннолучевая сварка особенно широко применяется в микроэлектронике,
приборостроении и для соединения тугоплавких, химически активных
и разнородных материалов. При этом расход энергии снижается в 5 –
10 раз по сравнению с другими методами сварки.
Пожалуй, один из основных процессов, не только использующий
вакуум как технологическую среду, но и стимулирующий развитие
практически всех направлений вакуумной техники, – вакуумное напыление. Технологии нанесения тонких плёнок в вакууме получили бурное развитие благодаря универсальности и высокой производительности процесса, чистоте получаемых покрытий, экологичности. Путём
вакуумного напыления одинаково успешно можно наносить плёнки
металлов, сплавов, химических соединений (нитриды, силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.).
Нанесение покрытия включает в себя несколько стадий: перевод
напыляемого вещества в газовую фазу, перенос молекул к поверхности изделия, их конденсацию на этой поверхности, образование и рост
зародышей, формирование плёнки. Перевод напыляемого вещества в
газовую фазу осуществляют его нагреванием до температуры плавления и испарения (сублимации) либо методами катодного и магнетронного распыления.
В настоящее время трудно найти отрасль, где бы не применялось
вакуумное напыление. Это нанесение проводящих, диэлектрических,
защитных, просветляющих, теплоотражающих, жаростойких, упрочняющих, износостойких, антифрикционных, антикоррозионных, химически стойких покрытий. Причём сфера применения вакуумного
напыления непрерывно расширяется. Примером может служить одно
из новейших приложений вакуумной техники – дентальная имплантология. В последние десятилетия разработаны эффективные методы
вживления в полости рта внутрикостных дентальных имплантатов с
последующим размещением на них несъёмных протезов, имеющих
14

высокие эстетические и функциональные показатели. Имплантаты
чаще всего изготавливают из титана; посредством вакуумного ионно плазменного напыления на них наносят биосовместимые покрытия.
Напыление таких слоёв в вакууме обеспечивает их высокую чистоту и
адгезию. Специальный состав покрытия улучшает взаимодействие с
костной тканью и снижает долю послеоперационных осложнений. Вакуумное напыление используют также для снижения трения в шарнирах ортопедических протезов и повышения их биосовместимости.
Вакуумная металлизация тканей – один из новейших способов их
отделки. Она придаёт им перламутровый или металлический блеск и
незаменима в производстве тканей «металлик», пользующихся устойчивым спросом. Обладая высоким коэффициентом отражения лучистых потоков, металлизированные ткани эффективно выполняют теплозащитные функции. Их используют для изготовления спецодежды
для рабочих горячих цехов и пожарных, солнцезащитных жалюзи и
тентов; они служат также для сохранения тепла, выделяемого организмом человека. Ткани со светоотражающим покрытием применяют
как элементы спецодежды дорожных рабочих и работников автоинспекции.
Металлизация существенно уменьшает поверхностное электрическое сопротивление тканей, что придаёт им антистатические свойства.
Такие ткани не электризуются при носке и не накапливают электрического заряда. Это делает их незаменимыми при использовании в качестве штор «чистых комнат», одежды персонала, работающего в медицинской и электронной промышленности, а также на взрывоопасных
производствах.
Металлизированные ткани имеют хорошие бактерицидные свойства. Поэтому они используются для изготовления постельного белья
для ожоговых центров и родильных домов, в производстве бактерицидных фильтров. Металлизация тканей придаёт им хороший экранирующий эффект и обеспечивает защиту человека и техники от воздействия электромагнитных полей и инфракрасного излучения. Способность проводить электрический ток делает возможным их использование в качестве гибких электропроводящих элементов.
Ещё одно важное направление вакуумных тонкоплёночных технологий – металлизация полимерных плёнок для улучшения их барьерных свойств. Проницаемость плёнки за счёт металлизации снижается в десятки и сотни раз, что делает её незаменимой при упаковке пи15

щевых продуктов. При этом металлизированные полимерные плёнки
меньше, чем алюминиевая фольга, теряют барьерные свойства при перегибах. Ещё одно их достоинство – возможность нанесения печати
перед металлизацией при изготовлении этикеток и фрагментов художественного оформления. Значительный интерес представляет металлизация плёнки для получения гибких, сверхлёгких зеркал. В дополнение к великолепным декоративным свойствам металлизированные
плёнки устойчивы к влаге, кислороду, моющим средствам, ультрафиолетовому излучению.
Путём вакуумной металлизации изготавливают рефлекторы фонарей и фотовспышек, детали отделки автомобильных салонов, мебельную фурнитуру, сувениры, пуговицы. Её применяют и при изготовлении зеркал бытового назначения, зеркал заднего вида, уникальных крупноразмерных зеркал телескопов.
Мощный толчок технология нанесения вакуумных покрытий получила в связи с освоением магнетронного распыления и созданием
высокоэффективных ионных источников. Появилась возможность наносить не только традиционные плёнки нитридов, карбидов и боридов
(TiN, TiC, CrN, TiBN, TiSiN, MoС и др.), но и многослойные и градиентные покрытия. В многослойных покрытиях плёнки названных соединений и металлов чередуются. Этого добиваются изменением вида
реакционного газа или прекращением его подачи. Двухслойные градиентные покрытия получают плавным или дискретным изменением потока реакционного газа в процессе напыления. Поэтому возможны
плавный переход от чисто металлического слоя к более твёрдому слою
соединения металла и обратный переход.
Бум в развитии нанотехнологий привёл к разработке и промышленному освоению новых наноструктурированных покрытий для нанесения на режущие инструменты. Наибольшее распространение получили покрытия TiN, AlN, в которых нанослои нитридов титана и
алюминия наносят попеременно, создавая градиент концентрации составных элементов. Такие покрытия называют наноградиентными.
Очень широкое применение находит нанесение функциональных
покрытий на стёкла. Вакуумное осаждение металлов на стёкла традиционно используют для изготовления зеркал. Обычно наносят плёнки
алюминия или серебра, реже хрома и золота. Для получения зеркальных покрытий различных цветов используют плёнки диэлектриков, в

16

частности оксидов металлов. Различная цветовая гамма достигается в
результате интерференции.
В строительстве вакуумное напыление используют для нанесения
многослойных солнцезащитных и энергосберегающих покрытий на
листовое стекло. Поскольку в современных зданиях остеклённая часть
фасада может превышать половину его площади, даже небольшое
снижение тепловых потерь приносит существенный экономический
эффект.
Быстроразвивающаяся технология – нанесение покрытий, снижающих загрязняемость стекла (самоочищающиеся покрытия). Активно ведётся разработка покрытий, свойствами которых можно
управлять в зависимости от погоды, времени года и суток.
Исключительно широк спектр применения вакуума в химии и
нефтехимии. Пожалуй, самый распространённый процесс разделения
жидких смесей на различные фракции путём частичного испарения и
последующей конденсации образовавшихся паров – вакуумная дистилляция. Дистилляция при атмосферном давлении зачастую невозможна из-за высокой температуры кипения исходного вещества, вызывающей термическое разложение перегоняемого продукта. Поскольку в вакууме жидкость кипит при более низкой температуре,
удаётся разделять жидкости, разлагающиеся при перегонке в атмосфере.
Схожий процесс – ректификацию – также часто проводят в условиях вакуума. В ходе ректификации из смеси выделяют жидкости с
различными температурами кипения. Результат достигается нагреванием и испарением смеси с последующим многократным тепло- и
массообменом между жидкой и паровой фазами. При этом часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть
«тяжёлого» компонента – из паровой фазы в жидкую. Ректификацию
под вакуумом проводят при разделении жидких смесей с повышенной
температурой кипения. Наибольшее распространение вакуумная ректификация получила при разделении нефти на бензин и мазут.
Фильтрование под вакуумом применяют для разделения суспензий или коллоидных растворов. Вакуум создают в приёмнике продукта, так что жидкость фильтруется под давлением атмосферы. Чем
больше разность между атмосферным давлением и давлением в приёмнике, тем быстрее идёт фильтрование.

17

Благодаря пониженной температуре кипения выпаривание растворов в вакууме способствует сохранению полезных свойств продукта.
Один из процессов, ярко демонстрирующих преимущества вакуумных технологий, – сублимационная сушка. Влагу удаляют из продуктов, находящихся в замороженном состоянии, т.е. переводят её непосредственно из твёрдой фазы в пар, что сохраняет витамины и полезные свойства продуктов. Благодаря этому их качество намного выше, чем при других видах высушивания. Сублимационную сушку используют при консервации продуктов питания. При этом отпадает необходимость в ароматизаторах, консервантах и красителях.
Важное свойство вакуума – в десятки раз большая в сравнении с
атмосферным воздухом электрическая прочность. Это его преимущество используют в высоковольтных выключателях с вакуумными дугогасящими устройствами, быстро вытесняющих масляные, электромагнитные и воздушные коммутационные аппараты.
Вакуум находит эффективное применение в электротехнике. После намотки электроизоляционной бумаги из неё путём вакуумной
сушки удаляют воздух и влагу, а затем, также в условиях вакуума, её
пропитывают жидким диэлектриком.
Неоценима роль вакуума в практике научных исследований. По
некоторым оценкам, вакуумные условия необходимы для проведения
до 70% экспериментов в области физики и смежных естественных наук.
Необходимость создания принципиально новых сверхвысоковакуумных технологий и оборудования была осознана во второй половине 50-х годов прошлого столетия в связи с развитием исследований
по физике высокотемпературной водородной плазмы и управляемому
термоядерному синтезу. Уже первые эксперименты в этой области выявили органическую связь характеристик и свойств плазмы с вакуумными условиями. Наиболее наглядно эта связь проявляется в системах
с магнитным удержанием плазмы. От концентрации и парциального
состава остаточного газа, состояния поверхности вакуумной камеры
зависят скорость термоядерной реакции, профили температуры и концентрации плазмы, её эффективный заряд. Вакуумные условия оказывают сильное влияние на развитие некоторых видов неустойчивостей
плазменного шнура, кинетику накопления гелия (термоядерной «золы»), поступление в плазму примесных частиц, формирование корпус18

кулярных и электромагнитных потоков на стенку, нагрев плазмы, ресурс элементов камеры и т.п.
Столь же важную роль вакуумные условия играют в накопительных комплексах и столкновителях пучков заряженных частиц. Предельное остаточное давление и состав остаточного газа непосредственно определяют максимальную интенсивность циркулирующих частиц, светимость накопителей, время жизни накопленных пучков.
Не менее существенна роль вакуумных условий при создании
электроионизационных лазеров, источников синхротронного излучения, электрофизических установок прикладного и промышленнотехнологического назначения.
Существенное влияние вакуумных условий на физические процессы в термоядерных установках, ускорителях и столкновителях пучков заряженных частиц, электрофизических комплексах предопределяет чрезвычайно жёсткие и специфические требования к их вакуумным системам. Для них характерны экстремальность значений предельного давления, быстроты откачки, эксплуатационной надёжности;
«чистота» масс-спектра остаточного газа; напряжённые радиационные
и термомеханические режимы эксплуатации вакуумных камер, откачного, коммутационного и измерительного оборудования. Их отличает
структурно-геометрическая разветвлённость, насыщенность специальной аппаратурой, средствами управления и обработки информации.
С достижениями вакуумной техники неразрывно связано освоение космоса. Уже в первые годы космической эры стало очевидно, что
естественным и, более того, обязательным этапом подготовки к полётам должны быть наземные исследования и испытания в условиях,
максимально приближенных к космическим, в том числе по вакуумнофизическим критериям. Это относится как к человеку, так и к приборам, устройствам и материалам ракет и космических летательных аппаратов. С этой целью в 60 – 70 гг. ХХ века были построены и сейчас
продолжают строиться и модернизироваться стенды и крупномасштабные вакуумные камеры для комплексной имитации факторов
околоземного и межпланетного пространства, включая состояние газовой среды, тепловой режим, потоки корпускулярного и электромагнитного излучения. Некоторые из имитационных камер имеют диаметр до 10 м и высоту до 30 м. В них проводят испытания спутников,
космических аппаратов, ракетных двигателей, автономных узлов, тестируют оптические и электронные приборы, подшипниковые узлы,
19

оценивают влияние условий космоса, в частности сухого трения и резкой смены температур, на эксплуатационные характеристики и ресурс
механизмов. Во многом именно имитационные испытания послужили
толчком к созданию криогенных и криосорбционных насосов с быстротой действия порядка миллионов литров в секунду.
Высоко- и сверхвысоковакуумные системы – одни из основных
функциональных элементов электронных и ионных микроскопов,
масс-спектрометров, разнообразной аналитической аппаратуры для
научных исследований.
Основные сферы приложения вакуумных технологий и ориентировочные рабочие давления соответствующих процессов сведены в
табл. 1.1.
Таблица 1.1
Области применения вакуумной техники
Отрасль
Область применения
Рабочее
давление,
Па
Электрони- Производство электровакуумных и 10-6 – 10-3
ка
газоразрядных приборов
Активные и пассивные элементы, 10-7 – 10-3
микрочипы, сборки. Нанесение проводящих покрытий на гибкие печатные платы
Электрофи- Рентгеновские трубки. Кинескопы
~ 10-3
зическое
Высоковольтные ускорители
10-6 – 10-4
аппаратоИндукционные ускорители
~ 10-4
строение
Циклотроны
10-6 – 10-3
Линейные резонансные ускорители
~ 10-5
Накопители. Источники синхротрон- ~ 10-7
ного излучения
Ускорительно-накопительные
ком- ~ 10-9
плексы. Коллайдеры
~ 10-4
Масс-сепараторы
Экспериментальные
термоядерные ~ 10-6
установки с магнитным удержанием
плазмы
~ 10-5
Магнитные термоядерные реакторы

20

Отрасль
Электрофизическое
аппаратостроение
Ракетнокосмическая техника
Научное
приборостроение
Металлургия

Химическое
и нефтехимическое
аппаратостроение
Электротехника

Продолжение табл. 1.1
Область применения
Рабочее
давление,
Па
Камеры взаимодействия термоядерных ~ 10-4
установок с инерциальным удержанием
плазмы
~ 10-3
Сверхпроводящие магнитные системы
Газоразрядные лазеры
~ 10-4
Испытательные установки
10-4 – 10-1
Имитаторы космического пространства 10-6 – 10-4
Стенды космического материаловедения
10-8 – 10-6
Экранно-вакуумная теплоизоляция
~ 10-2
Аналитические приборы и комплексы
10-8 – 10-4
Вакуумные детекторы излучений
~ 10-4
Внепечная вакуумная дегазация металлов и сплавов
Вакуумная плавка металлов и сплавов в
дуговых, индукционных электроннолучевых печах и печах сопротивления
Отжиг и закалка в вакууме
Получение сверхчистых материалов
Спекание
Вакуумная дистилляция и ректификация
Фильтрация в вакууме
Выпаривание и кристаллизация в вакууме
Регенерация отработанных машинных
масел
Производство вакуумных коммутаторов
и дугогасительных устройств
Сушка и пропитка электродвигателей

21

~ 103
10-3 – 10-1
10-1 – 1
10-6 – 10-3
10-3 – 10-2
102 – 105
104 – 105
102 – 105
103 – 5∙104
10-2 – 10
103 – 105

Отрасль

Энергетика

Оптическая
промышленность
Авиационная промышленность

Машиностроение

Продолжение табл. 1.1
Область применения
Рабочее
давление,
Па
и трансформаторов, высоковольтной
изоляции
Производство конденсаторов и резисто- 10-4 – 10-2
ров
Производство тонкоплёночных солнеч- 10-3 – 10-1
ных элементов
Нанесение эрозионно стойких покрытий 10-3 – 10-1
на лопатки турбин
Сверхпроводящие электрические гене- ~ 10-3
раторы и электромагниты
~ 104
Деаэрация воды
Теплоизоляция ёмкостей для хранения ~ 10-2
низкотемпературных жидкостей Сосуды
Дьюара
~ 10-2
Нанесение тонких плёнок при изготов- 10-5 – 10-1
лении бытовых зеркал, интерференционных фильтров, лазерных и полупрозрачных зеркал, просветлённой оптики
Нанесение теплозащитных, твёрдых, 10-5 – 10
износостойких, эрозионно стойких покрытий
Нанесение теплозащитных, интерфе- 10-5 – 10
ренционных, антибликовых, защитных
и специализированных покрытий (например, технология «Стелс»)
Нанесение антифрикционных, износо- 10-3 – 1
стойких, твёрдых, теплозащитных покрытий на режущие инструменты и детали машин
Электронно - лучевая пайка и сварка
~ 10-3

22

Продолжение табл. 1.1
Область применения
Рабочее
давление,
Па
-2
МедицинДистилляция и сублимационная сушка с 10 – 10
ская, фар- целью получения фармацевтических
мацевтичепрепаратов, антибиотиков, плазмы кроская и пар- ви, сыворотки, вакцины, витаминов. Изфюмерная
готовление ароматических веществ
Биосовместимые покрытия на имплан- 10-3 - 10-1
промыштатах
ленность
Антифрикционные покрытия на искус- 10-3 - 10-1
ственных суставах
Нанесение упрочняющих и декоратив- 10-3 - 10-1
ных покрытий на медицинское оборудование, хирургические инструменты,
зубные протезы
АвтомобиМеталлизация фар, элементов отделки 10-4 – 10-2
льная просалона и кузова. Нанесение антибликомышленвых покрытий
ность
Нанесение износостойких и антифрик- 10-3 – 10-1
ционных покрытий на детали двигателей и ходовой части
Строитель- Нанесение теплоотражающих и декора- 10-3 – 10-2
ство
тивных покрытий на стёкла, защитных,
износостойких и декоративных покрытий на элементы внешней и внутренней
отделки зданий. Изготовление энергосберегающих стеклопакетов
Лёгкая
Металлизация пуговиц, тканей, фольги, 10-3 – 10
промышбумаги. Обработка в плазме низкого
ленность
давления тканей и меха, игрушек, сувениров, украшений
Пищевая
Сублимационная сушка мяса, рыбы, 103 – 104
промышфруктов, овощей. Получение растительленность
ных экстрактов и витаминов
Вакуумная упаковка
103 – 104
Отрасль

23

Отрасль
Добывающая промышленность

Окончание табл. 1.1
Рабочее
давление,
Па
Откачка агрессивных, запылённых, ток- 10 – 5∙104
сичных, загазованных сред
Разделение
суспензий
вакуум- ~ 104
фильтрованием
Пневмотранспорт
~ 104
Область применения

Контрольные вопросы
1. Что такое вакуум? Единицы измерения давления.
2. Что такое критерий Кнудсена? От чего он зависит?
3. На какие области можно подразделить вакуум? В чем их принципиальное различие?
4. Основные сферы приложения вакуумной техники.
5. Достоинства применения вакуума в медицинской и пищевой
промышленности.
6. Достоинства и недостатки вакуумного напыления.
7. Преимущества сушки в вакууме, и в частности сублимационной сушки.
8. Причины применения вакуума в металлургии.
9. Сколько молекул воздуха находится в кубическом метре при
атмосферном давлении?
10. Какое расстояние проходит молекула при атмосферном давлении между столкновениями с двумя другими молекулами?

24

2. СВОЙСТВА ГАЗОВ
2.1. Давление, плотность, молекулярная концентрация
Уровень (степень) вакуума принято характеризовать абсолютным
давлением разреженного газа. Гипотетическому нулевому давлению
отвечает полное отсутствие газа. Международной системой СИ установлена универсальная единица давления паскаль (Па), т.е. 1Па =
1Н/м2. Международный стандарт допускает также применение единиц
давления бар и миллибар (мбар), что обусловлено их распространённостью в экспериментальной физике. Один бар эквивалентен атмосферному давлению при нормальных условиях. Европейские авторы
часто используют миллибар. В США почти исключительное применение нашла внесистемная единица торр (мм.рт.ст). 1000 мбар эквивалентны 760 Торр.
Атмосферное давление при нормальных условиях в системе СИ
равно 101000 Па. В области низкого, или, как его иногда называют,
грубого, вакуума давление может определяться как абсолютной величиной, так и соотноситься с атмосферой. Эта традиция восходит к
гидро- и пневмотехнике, где абсолютное давление измеряют в единицах ата (АТмосфера Абсолютная), а относительное, т.е. отсчитываемое
от уровня атмосферы, – в единицах ати (АТмосфера Избыточная).
Следует также различать физическую атмосферу 1 атм= 760 торр и
техническую атмосферу 1ат = 735,5 мм рт.ст.
Коэффициенты для пересчёта основных единиц давления приведены в табл.2.1.
Таблица 2.1
Коэффициенты для пересчета основных единиц давления
Единица
Па
мбар
мм рт.ст.
атм
измерения
(торр)
Па
1
10-2
7,5⋅10-3
9,87⋅10-6
2
мбар
10
1
0,75
9,87⋅10-4
мм рт.ст.
133
1,33
1
1,32⋅10-3
(торр)
атм
760
1
1,01⋅105
1,01⋅103
Переход от одних единиц к другим можно также осуществить с
25

помощью номограммы, представленной на рис.2.1. Здесь численные
значения зафиксированного давления в различных единицах отвечают
точкам пересечения горизонтальной линии с соответствующими вертикалями.

Рис. 2.1. Номограмма для перевода различных единиц
измерения давления

Иногда уровень разрежения выражают в процентах вакуума. Атмосферному давлению соответствует 0% вакуума, а, например, 0,1 атм
– 90% вакуума.
26

В вакуумной технике давление не является единственной важной
характеристикой разреженного газа. Оно значимо лишь в области,
близкой к атмосфере. В высоком вакууме силы, действующие изнутри
на стенки камеры, не представляют практического интереса - настолько они малы. Более существенны молекулярная концентрация и, во
многих случаях, количество газа, адсорбированного стенками. Поэтому вакуумщик должен приучить себя, говоря о давлении в откачиваемой камере, иметь в виду не «силовой» аспект этого понятия, а его эквивалент, выражаемый, к примеру, молекулярной концентрацией в
долях её значения при атмосферных условиях. Верхняя граница подобной понятийной терминологической инверсии пролегает вблизи 101
Па. Движение вниз по шкале давлений (понижение давления) делает
её еще более оправданной. Не случайно в последние десятилетия нередко высказывается идея вовсе отказаться от давления как показателя
уровня вакуума. В качестве альтернативы предлагаются молекулярная
концентрация, децибар (как децибел в акустике) или некая характеристика системы «разреженный газ – поверхность», например коэффициент заполнения поверхности адсорбированными молекулами или
время формирования на поверхности монослоя адсорбата и т.п. Эти
предложения вполне логичны, и их реализация дала бы определённый
эффект. Тем не менее представляется, что наиболее рациональна всё
же нынешняя система, покоящаяся на единой метрологической шкале
во всём диапазоне давлений, от высоких до сверхнизких.
Приближённые оценки молекулярной концентрации, отвечающей
заданному уровню вакуума, можно сделать на основе простейших соображений. Как известно, атомы и простые молекулы большинства
веществ, даже сильно различающихся по массе (например, водорода и
ртути), имеют довольно близкие размеры – около 3 Å (3⋅10-8 см). Стало
быть, молекулярный ряд протяжённостью 1 см насчитывает приблизительно 3,3⋅107 частиц, и 1 см3 отверждённого (сконденсированного)
газа в виде плотноупакованной кристаллической решётки будет содержать около 3,5⋅1022 молекул.
Известно также, что при фазовом переходе «твёрдое тело – газ»
объём вещества возрастает примерно в тысячу раз. Соотношение
плотностей конденсированного вещества и одноимённого газа при атмосферном давлении составляет: у гелия – 700, водорода – 790, воды –
1600, неона – 1340, азота – 650, воздуха – 715, кислорода и аргона –
800, ртути – 3000. Из сопоставления вышеприведённых величин сле27

дует, что концентрация молекул в атмосферном воздухе близка к
2,5×1025 м-3. Считая, что атмосферное давление равно 105 Па, получим,
что предельно достижимому в настоящее время вакууму (~ 10-10 Па)
соответствует молекулярная концентрация примерно 2,5 ⋅ 1010 м-3.
Некоторые характерные молекулярные параметры воздуха в зависимости от давления представлены в табл.2.2.
Таблица 2.2
Характерные молекулярные параметры (воздух при температуре 293К)
Параметры
Давление, Па
105
10-2
10-5
10-7
10-10
Число соударений мо2,87⋅
2,87⋅
2,87⋅
2,87⋅
2,87⋅
лекул с поверхностью, 1027
1020
1017
1015
1012
2
площадью 1м , за 1с
Средняя длина свобод6,51⋅
6,51⋅
6,51⋅
6,51⋅
6,51⋅
ного пробега молекул,
10-1
102
104
107
10-8
м
Молекулярная
2,48⋅
2,48 ⋅
2,48 ⋅
2,48 ⋅
2,48 ⋅
концентрация, м-3
1025
1018
1015
1013
1010
Данные табл. 2.2 позволяют сделать вывод: даже при предельно
достижимом современными средствами откачки вакууме поверхность
площадью всего 1 см2 при комнатной температуре ежесекундно бомбардируют почти 300 миллионов молекул. Их средняя длина свободного пробега превышает диаметр Земли. При давлении в камере ниже
10-3Па число соударений молекул со стенками многократно превосходит количество межмолекулярных столкновений.
2.2. Уравнение состояния идеального газа
В простейшей форме уравнение состояния фиксированного количества (массы) газа имеет следующий вид
P1V1 P2 V2
(2.1)
=
= const ,
T1
T2
где P, V – давление и объём газа; Т – его абсолютная температура, К.
Подстрочные индексы характеризуют физические условия, в которых
находится газ. Выражение (2.1) часто называют основным газовым
28

законом, а величины P, V и Т – усреднёнными параметрами состояния
газа. Видно, что при постоянной температуре произведение PV остаётся неизменным. Если, к примеру, объём газа уменьшается наполовину,
его давление возрастает вдвое. Соотношение (2.1) несколько нарушается при очень низких и очень высоких температурах. Кроме того, оно
не даёт строгого описания поведения газов, имеющих сложную молекулярную структуру. По этим причинам его интерпретируют как
уравнение состояния идеального газа (уравнение МенделееваКлапейрона). Разреженный газ по своим свойствам очень близок к
идеальному. Поэтому в контексте настоящей книги формулой (2.1)
можно пользоваться безоговорочно.
Из уравнения состояния идеального газа также следует, что при
постоянном давлении или объёме остальные параметры состояния могут меняться только одновременно и только однозначным образом.
Так, если газ в герметичной камере, т.е. при постоянном объёме, нагревают, то его давление возрастает пропорционально температуре. На
практике этим обстоятельством, как правило, пренебрегают. Но в отдельных случаях, например при проектировании высокотемпературных вакуумных печей и криовакуумного оборудования, забывать о
нём нельзя.
Для фиксированной массы газа M , содержащегося в объеме,
уравнение (2.1) можно представить в форме
,
(2.2)
PV =МRTГ
где RГ – газовая постоянная конкретного газа.
Уравнение состояния можно также записать, используя молекулярную массу газа М Г . Тогда

PV = R

MT
,
MГ

(2.3)

где R – универсальная газовая постоянная. Для одного грамм-моля
газа ( М / М Г =1)

(2.4)
PV = R T .
Напомним, что один грамм-моль (далее – моль) – это масса газа в
граммах, численно равная его молекулярной массе. Масса одного моля
водорода равна двум граммам, водяных паров – 18 г, кислорода – 32 г
и т.д. При нормальных атмосферных условиях (Р = 1 атм, Т = 273 К)
один моль любого газа занимает объём 22,4 л. Подставляя приведён29

ные численные значения в соотношение (2.4), получим
(2.5)
R = 8,31 Дж/К × моль.
Будет полезным также помнить, что если в объёме находится
смесь химически не взаимодействующих газов, то давление смеси
равно сумме парциальных давлений отдельных газов. В свою очередь,
парциальное давление – давление, оказываемое химически индивидуальным газом, содержащимся в смеси, равное давлению, которое оказывал бы этот газ, если удалить из занимаемого смесью объёма остальные газы при условии сохранения первоначальных объёма и температуры.
2.3. Скорость молекул и температура газа
Молекулы газа находятся в непрерывном хаотическом движении
и обладают различными скоростями, которые могут принимать любые
значения между наибольшей и наименьшей. Их скорость зависит от
молекулярной массы и температуры. При фиксированной температуре
скорость тем меньше, чем больше молекулярная масса. Если газ является однородным, находится в стационарном состоянии, когда на него
не действуют внешние силы, то функция распределения молекул по
скоростям отвечает распределению Максвелла. Для абсолютного значения скорости она имеет вид

F (v) = 4π (

m 3/2 2
mv 2
) v exp(−
),
2π kT
2kT

(2.6)

где m - масса молекулы; k = 1,38 ⋅ 10−23 (Дж/К) – постоянная Больцмана; v - скорость молекулы.
Вид функции распределения показан на рис. 2.2. Здесь T1 < T2 .
Скорость, соответствующая максимуму функции распределения,
называется наиболее вероятной скоростью и определяется в виде
T
2kT
.
(2.7)
vН =
= 129
m
M
Естественно, что с ростом температуры скорость молекул возрастает,
причем возрастает пропорционально T2 /T1 . Соответственно увеличивается доля молекул с высокими скоростями, и функция распределения на рис. 2.2 при температуре T2 сдвигается вправо, в область
30

больших скоростей.

Рис. 2.2. Функция распределения молекул по скоростям

Функция распределения позволяет найти среднюю арифметическую скорость движения молекул
8kT
T
.
(2.8)
c=
= 145,5
πm
M
В некоторых случаях полезной оказывается средняя квадратическая скорость движения молекул
T
3kT
.
(2.9)
vкв =
= 158
m
M
Для быстрого перехода от одной скорости к другой можно использовать соотношение vкв = 1,086с = 1,225vн или с = 1,128vн .
Как видно, средняя скорость не зависит от давления, и для основных газов, содержащихся в атмосфере, она больше, чем скорость звука
в воздухе (330 м/с).
31

Понятие температуры легко воспринимается в нашей жизненной
практике. Однако в концептуальном плане это понятие применимо
лишь к множеству движущихся молекул. Количественная связь с температурой выявляется только при определении средних значений их
скорости и кинетической энергии. Люди и большинство животных могут существовать в воздушной среде со средними молекулярными
скоростями от 400 до 500 м/с. Вне этого диапазона или слишком холодно, или нестерпимо жарко.
Хаотично движущиеся молекулы претерпевают столкновения
друг с другом и со стенками камеры. Средняя длина свободного пути
(пробега) молекулы (λ) – средняя длина пути, пройденного молекулой
между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.. Эта длина зависит от размера молекул и их концентрации (давления). В соответствии с кинетической теорией
1
(м),
(2.10)
λ=
2
2 π dм n
где d м – характеристический размер молекул, м; n –молекулярная
концентрация, м-3. В воздухе при комнатной температуре средняя длина свободного пути равна
6,51 × 10−3
(м).
(2.11)
λв =
P
Учесть влияние температуры на среднюю длину свободного
пробега можно с помощью поправки, вводимой в (2.10)

λ=

1
T+
2 π d м Сn(1
2

/ )

,

(2.12)

где C - постоянная Сазерленда, которую также называют температурой
удвоения. При этой температуре площадь газокинетического эффективного сечения молекул в два раза больше, чем при T → ∞ .
Основные физические константы наиболее распространенных в
технике газов представлены в табл. 2.3, а газокинетические и термодинамические параметры тех же газов при температуре 298К и давлении 105 Па приведены в табл. 2.4. Значения теплопроводности и плотности газов даны при 273К. Средняя длина свободного пути молекул
определена по формуле (2.10).

32

Молекулярная
масса

Масса молекулы
mx1027,кг

Диаметр молекул
dм ⋅1010, м

Постоянная
Сазерленда, К

Газовая постоянная, дж/кг⋅град

Водород
Гелий
Аммиак
Вода
Неон
Азот
Окись углерода
Воздух
Кислород
Аргон
Ксенон
Криптон
Углекислый газ

Химическая
формула

Газ

Таблица 2.3
Основные физические константы некоторых газов

H2
He
NH3
H2O
Ne
N2
CO
O2
Ar
Xe
Kr
CO2

2,02
4
17
18
20
28
28
29
32
40
131
84
44

3,4
6,7
28,3
29,9
33,5
46,5
46,5
48,1
53,1
66,2
217
139
73,1

2,7
2,1
3
4,7
3,5
3,7
3,7
3,7
3,6
3,7
4,9
4,2
4,5

73
83
503
673
61
104
101
107
127
142
252
188
254

4157
2078
489
462
416
297
297
287
260
208
63,5
99
189

Явления, протекающие в газовой среде, в том числе в условиях
вакуума, сильно различаются в зависимости от того, преобладают ли
удары молекул о стенки или соударения молекул друг с другом. Как
отмечалось выше, для этого используется число Кнудсена, определяемое по формуле (1.1).
Если длина свободного пути молекул начинает превышать размеры сосуда, содержащего их ( Kn >> 1 ), то частота межмолекулярных
столкновений уменьшается и доминирующее значение приобретают
соударения молекул со стенками. Такой вакуум называется высоким.
При анализе процессов, протекающих в высоковакуумных установках,
влиянием межмолекулярных столкновений чаще всего пренебрегают.
Обычно это оправдано, но бывают случаи, когда даже относительно

33

редкие межмолекулярные соударения оказывают влияние на специфические вторичные эффекты в разреженных газах.

Средняя длина
свободного пути
молекул λ ⋅106, см

Теплопроводность,
Вт/(м К)

Плотность газа,
кг/м3

Удельная
теплоемкость Cp,
Дж/(моль К)

Водород
Гелий
Аммиак
Вода
Неон
Азот
Окись
углерода
Воздух
Кислород
Аргон
Ксенон
Криптон
Углекислый
газ

Средняя арифметическая скорость
молекул, м/с

Газ

Таблица 2.4
Газокинетические и термодинамические параметры некоторых газов

1770
1256
609
592
562
475
475

12,7
21
10,3
4,2
7,6
6,8
6,8

0,168
0,143
0,022
0,024
0,464
0,0243
0,215

0,09
0,179
0,77
0,80
0,9
1,25
1,25

28,8
20,8
35,5
33,6
20,8
29,12
29,2

466
444
397
219
274
378

6,8
7,2
6,8
3,9
5,3
4,6

0,0242
0,0245
0,0164
0,0052
0,0088
0,0145

1,29
1,43
1,78
5,89
3,74
1,98

29,3
29,4
20,8
20,8
20,8
37,1

Часто делают ошибку, забывая о том, что степень вакуума зависит
не только от давления, но и от характерного размера элемента. Например, при давлении порядка 100 Па в цилиндрической камере диаметром 1м режим течения будет вязкостным. При том же давлении в щелевых каналах бесконтактных насосов (зазоры примерно 0,1 мм) режим течения молекулярный.

34

2.4. Давление пара. Испарение в вакууме
В вакуумной технике приходится сталкиваться как с газами, так и
с парами. Отличие паров от газов состоит в том, что первые при некоторых давлениях и температурах могут насыщаться и переходить в
жидкое состояние.
Термин «пар» лишён однозначного смысла. При низкой температуре любой газ можно назвать паром. И, напротив, если температура
достаточно высока, к любому пару применимо название «газ». Пар –
это газ, верхний предел рабочих температур которого ниже критической температуры сжижения.
Термин «давление пара» очень часто используется при описании
вакуумных технологий, и его правильное истолкование имеет принципиальное значение. Над жидкостью, помещённой в замкнутый сосуд
при постоянной температуре, рано или поздно формируется «собственная» атмосфера, характеризующаяся некоторым давлением PН .
Его называют равновесным давлением или давлением насыщенного
пара (или упругостью пара). Все названия имеют одинаковый физический смысл. Они описывают динамическое равновесие двухфазной
системы, т.е. такое состояние, когда в каждый момент времени количество молекул, покидающих поверхность жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно. Давление насыщенного пара - давление пара, находящегося при данной температуре в термодинамическом равновесии с одной из его конденсированных фаз.
Равновесное давление определяется только родом жидкости и её
абсолютной температурой; оно не зависит от присутствия в сосуде
других газов. Каждой температуре жидкости соответствует определённое равновесное давление пара. Оно растёт с повышением температуры. Эта зависимость имеет вид
B
(2.13)
lg PН = A − ,
T
где А и В – константы, зависящие от рода жидкости. Как видно из
(2.13), в системе координат lg Pн – 1/Т эта зависимость линейна. Графики давления паров некоторых наиболее распространённых в вакуумной технике химических элементов в функции температуры приведены на рис. 2.3, 2.4.

35

а

б

Рис. 2.3. Давление насыщенных паров различных элементов:
а – газы и водяной пар; б - металлы
36

а

б

Рис. 2.4. Давление насыщенных паров различных элементов:
а - металлы; б – гелий, водород и неон
37

Давление пара зависит также от молекулярной массы вещества,
но эта зависимость не является однозначной. Вода при меньшей в
сравнении со спиртом молекулярной массе имеет более низкое давление пара. Как правило, однако, с ростом молекулярной массы давление пара падает. К примеру, равновесное давление водяного пара при
комнатной температуре составляет 2260 Па (17 мм рт ст), тогда как у
некоторых масел с молекулярной массой около 500 а.е.м., используемых в вакуумных насосах, оно близко к 10-9 Па. Давление пара большинства металлов при температуре плавления лежит в диапазоне десятых долей Па, но есть и исключения. Так, экстремально низки давления пара алюминия, галлия и индия.
Если в герметичном сосуде, содержащем жидкость, проделать отверстие (сопло) и начать её нагревать, давлением в полости можно
управлять, регулируя подводимую мощность и размеры сопла. Скорость истечения пара из сосуда зависит от скрытой теплоты испарения
жидкости и геометрии сопла. Определённое влияние оказывает также
внешнее давление. Подчеркнём, что температура жидкости будет соответствовать равновесному давлению пара, установившемуся в сосуде. Если мощность подогрева увеличить, температура жидкости возрастёт, но лишь в той степени, в какой повысится давление пара. Поскольку температурная зависимость давления пара выражена очень
сильно, рост температуры будет незначительным.
Интенсивность испаряющегося парового потока зависит от скорости удаления пара над поверхностью жидкости. Если воздух над жидкостью неподвижен, эта скорость лимитируется диффузией, а также
естественной либо принудительной конвекцией. В промышленных
условиях и в быту для интенсификации конвекционных потоков используют горячие воздуходувки и фены. Нагрев увеличивает скорость
испарения, а «ветер» уносит пар прочь. В некоторых случаях полезно
помнить следующее эмпирическое правило: для воды при комнатной
температуре изменение последней на 10°С приводит к двукратному
изменению давления пара. Такие же температурные вариации, но в
высоковакуумной области изменяют парциальное давление водяного
пара в 10 раз.
При достаточной мощности нагрева жидкость закипает. Подчеркнём, что физическая сущность процесса кипения проявляется отнюдь
не в его механическом действии. Кипение возникает, когда скорость
38

ввода тепла в жидкость велика, а площадь её поверхности слишком
мала для истечения образующегося пара. Если нагревать жидкость
«сверху», используя лучистый поток, для которого жидкость непрозрачна, кипения в его обычной форме не происходит. При заданном
давлении и адекватной температуре жидкости (точке кипения) скорость испарения будет зависеть от «избыточной» тепловой мощности,
т.е. от разности между мощностью, вводимой в жидкость, и мощностью, необходимой для поддержания поверхности жидкости при температуре кипения. Важно различать скорость испарения при кипении
жидкости и скорость испарения в условиях равновесной двухфазной
системы «жидкость – пар». Давление пара неизменно, если температура жидкости отвечает точке кипения или чуть ниже её. Температурные
зависимости давления пара не меняют наклон в точках фазового перехода (кипения или замерзания). В высоком вакууме температура кипения не зависит от давления.
Выше отмечалось, что равновесное давление в двухфазных системах не зависит от присутствия других газов над поверхностью жидкости. Однако на скорость испарения и время установления нового
равновесного состояния при вариациях температуры «собственный»
пар и примесные газы влияют. Молекула, покидающая поверхность
жидкости, в результате межмолекулярных соударений может вернуться обратно в жидкость. Таким образом, скорость испарения определяется параметрами диффузии пара в находящуюся над жидкостью парогазовую смесь.
С учётом отмеченного очевидно, что скорость испарения максимальна в условиях высокого вакуума, когда покидающие жидкость
молекулы сразу «уходят в бесконечность». В этом контексте очень
нагляден следующий опыт. Ледяной куб при температуре – 10°С помещают в криовакуумную камеру. При этом куб оказывается полностью окружён криопанелями, охлаждаемыми жидким азотом. Поскольку молекулы воды со стопроцентной вероятностью конденсируются на криопанелях (что соответствует «уходу молекул в бесконечность»), испарение льда идёт с максимально возможной скоростью,
соответствующей его температуре.
Теоретическое значение максимальной скорости испарения
0,5

М 
(2.14)
Qмакс = 0,058 PН   г/(см2× с).
Т 
При этом доминирующий количественный фактор привносится сюда,
39

как видно из формулы (2.13), логарифмической зависимостью давления пара PН от обратной температуры. При атмосферном давлении
скорость испарения в 105 – 106 раз меньше.
2.5. Адсорбция и десорбция
Одной из самых важных проблем в технике получения вакуума
(особенно высокого) является удаление газов и паров, присутствующих на внутренних стенках вакуумных камер и другого оборудования,
помещённого в вакуум. Без обезгаживания внутренних стенок практически невозможно получить высокий и особенно сверхвысокий, а иногда даже и средний вакуум.
Известно несколько механизмов поглощения газов и паров твёрдой поверхностью. Термины «испарение» и «конденсация» принято
ассоциировать с «объёмными» процессами, т.е. с процессами, захватывающими как минимум несколько молекулярных слоёв вещества.
Процесс поглощения газов независимо от того, происходит он на поверхности или в объёме твёрдого тела, называется сорбцией. Абсорбция – поглощение газа в объёме твёрдых тел. Если же физическое явление происходит в пределах одного молекулярного слоя (на поверхности), для его описания используют термин «адсорбция» (захват молекул газа или пара поверхностью твёрдого тела). Уход (выделение)
молекул газа или пара с поверхности называют десорбцией.
За терминологическими нюансами стоят качественные физические различия. Дело в том, что силы притяжения между молекулами
газа (или жидкости) и поверхностью твёрдого тела отличны (обычно
больше!) от сил притяжения между молекулами собственно газа. Совокупность газовых молекул, адсорбированных на поверхности твёрдого тела, можно рассматривать как мономолекулярный слой жидкости. На площадке в один квадратный сантиметр поверхности размещается примерно 1015 атомов. И если каждый атомный узел поверхности
занят адсорбированной молекулой газа, такую структуру можно считать «плёнкой», имеющей плотность (и свойства!) жидкости. Во многих случаях газ или пар могут находиться частично на поверхности,
частично в глубине твёрдой поверхности. Причем часто очень сложно
установить характер поглощения.
Зависимость давления пара над такой плёнкой от поверхностной
концентрации адсорбированных молекул обычно называют изотермой
40

адсорбции (рис. 2.5). Возможно, это не совсем точное определение,
поскольку в нем акцент делается только на постоянство температуры.
Поэтому вполне уместно сопоставить представленную графическую
зависимость с её аналогом, построенным для процесса конденсации. И
в том, и в другом случае вполне естественен рост давления пара по
мере того, как увеличивается доля поверхности, занятая слоем адсорбата (конденсата). Рост давления замедляется или полностью прекращается при завершении формирования монослоя, т.е. при поверхностной концентрации адсорбированных молекул порядка 1015 см-2. Однако «насыщение» отнюдь не всегда наступает именно при этой концентрации адсорбата. При поглощении лёгких газов, к примеру, оно наблюдается лишь после формирования нескольких монослоёв.

Рис. 2.5. Изотерма адсорбции аргона при 77К

Необходимо иметь в виду, что реальная поверхность материалов
никогда не является «гладкой». Физическая поверхность может многократно превышать «проективную» (геометрическую). Их отношение
колеблется от нескольких единиц до нескольких тысяч, а сорбционная
емкость очень сильно зависит от величины поверхности единицы мас41

сы вещества, или, как говорят, от его удельной поверхности. Так, для
отполированной алюминиевой фольги оно близко к пяти, тогда как
для анодированного алюминия – к тысяче. Для основных конструкционных материалов вакуумной техники это отношение ориентировочно
принимают равным 50.
Количество адсорбированного газа – один из важнейших параметров высоко- и сверхвысоковакуумного оборудования. Даже очень
малое количество адсорбата существенно влияет на поверхностные
свойства материалов, к примеру на сцепление, смачиваемость, каталитическую активность. Так, на работу выхода электронных эмиттеров
начинает влиять адсорбат толщиной от доли монослоя до нескольких
монослоёв; на адгезию – адсорбат толщиной от одного до 10 монослоёв; на стабильность разъёмных электрических контактов – адсорбат
толщиной от двух до 10 монослоёв; на различные оптические свойства
– адсорбат толщиной от одного до 200 монослоёв. Природные оксидные плёнки обычно имеют толщину 5 – 100 молекулярных слоёв.
Близкими цифрами оценивается глубина коррозии и поверхностной
обработки.
Для различных сочетаний систем «газ – твёрдое тело» адсорбция
обусловлена различными механизмами. Чаще всего наблюдается физическая сорбция. При этом газы адсорбируются под действием чисто
физических (слабых) сил и не образуется никаких химических соединений. Этот процесс имеет много общего с сжижением газов или паров.
Следует сказать несколько слов и о хемосорбции, т.е. о поглощении поверхностью чужеродных атомов газа или пара с образованием
химических связей. Сближаясь с поверхностью, чужеродная частица
испытывает вначале силу притяжения, а затем – отталкивания. В равновесном состоянии сила взаимодействия равна нулю, и находящаяся
вблизи поверхности частица занимает позицию, характеризующуюся
минимальной потенциальной энергией. Но она совершает также тепловые колебания – периодические отклонения от положения равновесия, имея некоторый меняющийся во времени запас кинетической
энергии. В результате она может полностью утратить связь с поверхностью, т.е. десорбироваться, либо сблизиться с поверхностью настолько, что при наличии химического сродства станет возможным
«обобществление» электронных оболочек и образование химического
соединения с очень высокой энергией связи. Иными словами, хемо42

сорбированный атом оказывается в глубокой потенциальной яме.
Энергия адсорбции (или теплота поглощения, если проводить
вполне правомерную аналогию с теплотой испарения) зависит от молекулярной массы адсорбированного вещества и температуры. При
комнатной температуре, в частности, она составляет (кДж/моль):
водород – 0,4; аргон на стекле -17; водяной пар - 33 – 42; масла с молекулярной массой 400 – 500 а.е.м. - 105.
К оценке прочности адсорбционной связи можно подойти и с другой позиции – учитывая продолжительность пребывания атома или
молекулы в адсорбированном состоянии. Это время зависит от вероятности вылета молекулы из потенциальной ямы у поверхности твердой поверхности, и его обычно выражают соотношением

 E 
,
 RT 

τ = τ 0 exp 

(2.15)

где τ 0 – период тепловых колебаний адсорбированной частицы (минимальное время пребывания молекулы в адсорбированном состоянии);
E – энергия (теплота) адсорбции, которая пропорциональна молекулярной массе газа. Величина τ 0 составляет 10-13 – 10-12 с. К примеру,
для водорода ( E = 0,4 кДж/моль) время τ составляет всего 10-13 с. А
для некоего вещества, имеющего теплоту адсорбции 125 кДж/моль,
время τ возрастает до 4 × 1019 с (почти столетие!). Вот почему след от
капли воды на полу высохнет за несколько часов, а масляное пятно
останется на долгие годы.
Наряду с возможностью покинуть поверхность, адсорбированная
частица способна перемещаться по ней, «перескакивая» из одной потенциальной ямы в другую. Энергозатраты, необходимые для подобных прыжков, составляют (0,25 – 0,75) энергии десорбции. Отсюда
можно оценить соответствующие времена τ .
Энергообмен между частицами и поверхностью иллюстрируется
графиками на рис. 2.6. Здесь выбраны три характерных для вакуумных
систем температурных уровня: температура криопанелей, охлаждаемых жидким азотом; комнатная температура; типичная температура
теплового обезгаживания вакуумных систем. Лёгкие газы – водород,
гелий – не остаются на поверхности сколько-нибудь значимое время
даже при температуре жидкого азота. Их взаимодействие с твёрдым
телом можно рассматривать как отскок после удара.
43

Рис. 2.6. Время пребывания газовых молекул на поверхности в
зависимости от энергии адсорбции и температуры

Параметры адсорбции непосредственно влияют на время формирования мономолекулярного слоя. При соударении с твёрдым телом
вероятность удержания молекул поверхностью зависит от их строения,
температуры, молекулярной массы, теплоты адсорбции и особенно от
температуры поверхности. Так, вероятность адсорбции молекул различных газов на стекле при 0 и 100°С соответственно составляет: гелий - 0,24 и 0,13; водород - 0,64 и 0,5; азот - 0,81 и 0,7; аргон - 0,9 и
0,81. При комнатной температуре мономолекулярный слой обычных
газов при давлении 10-4 Па формируется за несколько секунд, тогда
как при 10-6 Па время его формирования возрастает до нескольких часов. Именно этим обстоятельством вызвана необходимость обеспечивать в камере давление ниже 10-6 - 10-7 Па, если технологический процесс диктует необходимость поддерживать рабочую поверхность относительно свободной от адсорбированных газов.

44

2.6. Взаимодействие молекул с поверхностью
Следует отметить, что закономерности взаимодействия молекул
газа с поверхностью твёрдого тела на протяжении многих десятилетий
продолжают оставаться одной из ключевых проблем физики вакуума и
кинетической теории в целом. Недаром существует образное выражение, что Бог сотворил Землю, а поверхность создал дьявол.
Несмотря на обилие теоретических и экспериментальных работ и
вариативность излагаемых в них физических идей, наиболее простыми
и широко применяемыми в настоящее время остаются модели зеркального и диффузного отражения, предложенные Максвеллом ещё в
1879 г.
Зеркальным называют абсолютно упругое отражение падающих
молекул: касательная к поверхности составляющая их скорости остаётся неизменной, а нормальная меняет знак. Эта модель проста и
удобна при аналитическом изучении газокинетических процессов, но
не подтверждается в большинстве практических случаев.
Согласно диффузной модели скорости отражённых молекул не
зависят от скорости их падения на поверхность. Когда молекулы газа,
находящиеся первоначально при температуре TГ , сталкиваются с поверхностью, имеющей температуру TП , то полного обмена энергиями
не происходит. Полнота такого обмена будет зависеть от целого ряда
факторов, например от рода газа, состояния твёрдой поверхности и др.
Степень обмена энергиями молекулы и поверхности (степень соответствия температур газа до столкновения с поверхностью TГ и температуры отраженных от поверхности молекул TОТР ) определяют через
коэффициент аккомодации энергии
Е ПАД − Е ОТР
,
(2.16)
α=
Е ПАД − Е РАВН
где E ПАД , E ОТР – потоки энергии падающих и отражённых молекул
соответственно; E РАВН – поток энергии, который бы уносился диффузно отражающимися молекулами при равенстве температур TОТР и

TП .

Чаще для определения коэффициента аккомодации используется
формула
45

TГ − TОТР
.
(2.17)
TГ − TП
Коэффициент аккомодации может принимать значения от нуля (обмена энергиями между молекулами газа и поверхностью нет, и отражённые молекулы полностью сохраняют энергию, которую они имели при
падении на поверхность, т.е. TОТР = TГ ) до единицы (происходит пол-

α=

ный энергообмен падающих молекул с поверхностью, так что TОТР
= TП ). При этом для отражённых молекул сохраняется максвелловское
распределение скоростей.
Многочисленными экспериментами с образцами различных материалов при температурах, близких к комнатной, показано, что отражение молекул вполне удовлетворительно аппроксимируется диффузным законом с полной аккомодацией энергии. Этот факт легко объясним. Во-первых, как было отмечено выше, падающие молекулы в течение некоторого временнóго интервала удерживаются поверхностью
[см. формулу (2.15)]. Во-вторых, подавляющее большинство технических поверхностей имеют очень неоднородный неровный микрорельеф. По сравнению с размерами молекулы на поверхности присутствуют глубокие впадины и большие выступы. Поэтому частица, попадая
на поверхность, претерпевает не одно, а несколько соударений, прежде чем ей удастся снова вернуться в газ. Даже если в случае однократного столкновения не произойдет полного энергообмена молекулы с
поверхностью, то при многократных столкновениях температура молекулы газа придет в равновесие с температурой стенки.
Векторы скоростей падающих на поверхность и отраженных затем газовых молекул взаимно независимы: отражённые частицы «не
помнят», откуда и с какой скоростью они прилетели. Годограф скоростей отражающихся от поверхности молекул в первом приближении
подчинён закону косинуса; при этом угол отражения отсчитывается от
нормали к поверхности, бомбардируемой молекулами (рис. 2.7). Наиболее вероятно, таким образом, отражение перпендикулярно поверхности; вдвое меньше вероятность отражения под углом 60° и т.д.

46

Рис.2.7. Диффузный закон отражения молекул (закон косинуса):
а - годограф скоростей отражённых молекул;
б - расчётная схема, иллюстрирующая диффузный закон

Таким образом, если молекулы отражаются от малой площадки
в центре координат (рис. 2.7б), то при диффузном законе отражения
число молекул, попавших внутрь элементарного телесного угла, ориентированного под углом ϕ , будет пропорционально cos ϕ :
(2.18)
d ω = 2 π sin ϕ dϕ ,
В общем виде диффузный закон записывается в виде
(2.19)
N = N 0 cos ϕ ,
где N0 – поток молекул, отражённых по нормали к поверхности внутри
этого же элементарного телесного угла dω.
Суммируя отражённые молекулярные потоки в пределах телесного угла 0 – ϕ , легко получить относительный поток отражённых молекул ξ, векторы скоростей которых лежат внутри этого телесного угла:
ξ = sin 2ϕ .
(2.20)
В свою очередь, угол ϕ , в пределах которого находится заданная
доля отражённого молекулярного потока ξ, определяется соотношением
(2.21)
ϕ = arc sin ξ ,

47

где ξ - случайное число, равномерно распределенное в интервале от 0
до 1. Эта формула часто используется при математическом моделировании молекулярных потоков методом Монте-Карло в высоковакуумных системах.
Диффузная модель отражения молекул тождественна рассеянию
света поверхностью по закону Ламберта. Эта аналогия позволяет использовать хорошо известные в оптике соотношения, в частности закон косинуса при математическом моделировании тепло - и массообмена в вакууме.
Характер взаимодействия молекул газа со стенкой зависит от
энергии, структуры и массы падающих частиц, температуры поверхности, типа кристаллической структуры поверхности, характера и чистоты обработки поверхности и т.д. Следует также отметить, что чаще
всего на поверхности присутствует слой адсорбированных молекул
(например, воды). Характер взаимодействия молекул газа с поверхностью, покрытой адсорбированным слоем, является иным, чем в случае
чистой поверхности.
Опыты с тщательно обработанными и очищенными поверхностями показывают, что коэффициент аккомодации может быть существенно меньше единицы. В наибольшей степени это относится к молекулам лёгких газов при очень малых углах скольжения. Поэтому универсальной можно считать диффузно-зеркальную модель, предполагающую, что часть молекул отражается от поверхности зеркально, а
остальные – диффузно с максвелловским распределением скоростей.
Вместе с тем использование данной модели предполагает некую неопределенность в выборе доли молекул, отраженных зеркально.
2.7. Водяные пары
С рассматриваемых в этой главе позиций вода – очень специфическая субстанция. Скорость испарения воды намного меньше, чем
можно было бы ожидать исходя из её небольшой молекулярной массы.
Сравним, например, скорости испарения воды (М = 18 а.е.м.) и этилового спирта (М = 46 а.е.м.).
Как отмечалось выше, давление насыщенных паров не зависит от
присутствия над жидкостью инородных газов. В условиях высокого
вакуума этот факт воспринимается как само собой разумеющийся, поскольку в молекулярном режиме все молекулы ведут себя независимо.
48

Общеизвестно, что при атмосферном давлении вода закипает при
100°С независимо от влажности воздуха в помещении. Давление насыщенных паров воды при комнатной температуре составляет 24002700 Па (18 – 20 мм рт ст). Следовало бы ожидать, что парообразование будет проявляться в форме кипения, как только равновесное давление водяных паров превысит их парциальное давление в помещении. Но этого не происходит. Причина кажущегося парадокса – атмосферный воздух над водной поверхностью. Он заставляет испаряющиеся молекулы воды, с очень высокой частотой сталкивающиеся с
молекулами атмосферных газов, оставаться в непосредственной близости к поверхности жидкости. Поэтому там формируется воздушноводяной слой, «влажность» которого намного превышает равновесные
параметры.
Поведение большой массы жидкости не может быть подобным
поведению невидимых тонких плёнок водяных паров, «прилипших»
ко всем поверхностям высоковакуумной системы. Энергия десорбции
воды в подобном состоянии 30 – 40 кДж/моль. Но на «внутренней»
поверхности пористых кристаллов, таких как цеолиты, она может
быть намного бóльшей. На примере водяных паров хорошо видно, что
между физической сорбцией и хемосорбцией нет жёсткого барьера. То
же демонстрируют и некоторые рабочие жидкости пароструйных насосов, характеризующиеся энергией десорбции около 100 кДж/моль.
Известно, что вода не остаётся на поверхности многих материалов, а проникает в их внутренние слои. К таким материалам относятся
пластмассы, композиты, некоторые виды керамики. Оценим, к примеру, количество водяного пара, которое может содержаться на границах
зёрен металлов с поликристаллической структурой. Если средний размер зёрен около 0,025 мм и приповерхностными межзёренными границами захватывается мономолекулярный слой водяных паров, то дополнительное количество поглощённой воды будет эквивалентно монослою, покрывающему всю поверхность. Оксидные плёнки дадут
дополнительный вклад, оцениваемый ещё несколькими монослоями.
«Неконденсирующиеся» газы тоже проникают в подобные материалы
(как и в металлы!), но они, как правило, менее «липучи» в сравнении с
водой. Вот почему необходим высокотемпературный, до 400 – 450°С,
прогрев сверхвысоковакуумных систем. Прогрев, во-первых, привносит энергию, необходимую для удаления адсорбированных газовых
молекул, и, во-вторых, ускоряет диффузионный перенос газов из тол49

щи материала к его поверхности и их последующую десорбцию.
Десорбционные газовые потоки особо зн
áчимы при использов ании в вакуумных системах пористых материалов. Так, на предельное
остаточное давление существенно влияют эластомерные прокладки, в
особенности находящиеся при повышенных температурах. Как правило, доля воды, адсорбированной резиной или пластмассой, составляет
0,1%, но в отдельных случаях она может десятикратно возрастать.
Этого достаточно, чтобы скорость газовыделения только за счёт адсорбированных водяных паров достигла средних наблюдаемых величин. Удельная скорость газовыделения эластомерных материалов может тысячекратно превышать величины, характерные для металлов.
Эластомерная уплотнительная прокладка диаметром 15 см содержит
воду в количестве, достаточном для формирования нескольких мономолекулярных плёнок водяного пара на всей внутренней поверхности
вакуумной системы.
Представленные оценки с очевидностью демонстрируют необходимость сведения к минимуму применения материалов, сорбирующих
воду. Это особенно важно для вакуумного оборудования в зоне расположения манометрических преобразователей, масс-спектрометров,
специализированной аналитической аппаратуры.
Не менее важный аспект обсуждаемой проблемы – водопроницаемость полимеров. Относительные значения водопроницаемости
для различных материалов варьируются в пределах четырёх декад.
Некоторые полимерные материалы с микропористой структурой проницаемы для водяных паров больше, чем для гелия (например, кремнийорганический каучук, водопроницаемость которого по парам воды
в 100 раз превышает проницаемость по гелию). Сходные характеристики имеют и другие материалы, например растворители. Вот почему
высоковакуумные уплотнительные прокладки нельзя подвергать воздействию растворителей, очищать в ультразвуковых ваннах, проводить поиск течей с применением ацетона. Пудру для смазки прессформ, иногда остающуюся на уплотнительных прокладках, необходимо обязательно удалять. Для придания прокладкам сглаженной поверхности их можно покрывать тончайшим слоем высоковакуумной
смазки.
Вода – часть атмосферы. Тем не менее в литературе обычно приводятся состав и параметры сухого атмосферного воздуха. Это даёт
искажённую картину физической реальности. При умеренных темпе50

ратурах давление насыщенных водяных паров близко к 2500 Па, что
составляет около 2,5% атмосферного давления. Поэтому даже без учёта дождя и снега доля водяных паров в воздухе может в два – три раза
превышать долю аргона, а процентное содержание кислорода и азота в
сравнении с табличными данными должно быть уменьшено соответственно на одну и две единицы.
Ввиду высокой адсорбционной активности паров воды «жидкие»
водяные плёнки обычно покрывают все поверхности, экспонированные в атмосферном воздухе. На стадии начального вакуумирования
остаточная среда в вакуумной камере на 90 – 95% состоит из водяных
паров, а в процессе последующей откачки их содержание медленно
уменьшается. Сведения о параметрах атмосферы Земли приведены в
табл.2.5, 2.6. Парциальное давление индивидуального газа пропорционально его объёмному содержанию в воздухе. К примеру, для сухого
воздуха PN 2 = 7,8⋅104 Па.
Таблица 2.5
Параметры «стандартной» земной атмосферы
ГеометТемпеБарометПлотность,
Средняя длина
рическая ратура,
рическое
кг/м3
свободного
К
давление,
пробега молевысота,
Па
кул, 10-8 м
км
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
5,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0

288
285
283
278
275
269
256
223
217
230
258
274
253
219
185
185

101080
95223
89658
84362
79305
69955
53914
26427
5513,5
1180,7
295,1
84,38
24,1
5,82
1,11
0,184

1,23
1,17
1,11
1,06
1,01
0,909
0,737
0,414
0,089
0,018
4,0 ⋅10-3
1,08⋅10-3
3,32⋅10-4
9,27⋅10-5
2,1⋅10-5
3,47⋅10-6
51

6,37
6,67
6,98
7,31
7,66
8,42
10,2
17,5
80,5
407,9
1890
7159
22684
77433
322410
1947400

Таблица 2.6
Основные компоненты атмосферного воздуха на уровне моря
при T=298К и относительной влажности 50%
Газ (пар)
Доля, %
Парциальное
давление, Па
объемная
массовая
Азот
78,1
75,2
7,8⋅104
Кислород
21,0
23,2
2,1⋅104
Аргон
0,93
1,28
9,3⋅102
Диоксид
33
3,3⋅10-2
6⋅10-2
углерода
Неон
1,8
1,8⋅10-3
1,2⋅10-3
-4
-5
Гелий
5⋅10
6,8⋅10
5⋅10-1
-4
-4
Метан
2⋅10
1,8⋅10
2⋅10-1
Криптон
1,1⋅10-4
3,2⋅10-4
1,1⋅10-1
-5
-6
Водород
5⋅10
3,4⋅10
5⋅10-2
-6
-5
Ксенон
9⋅10
6,8⋅10
9⋅10-3
Озон
7⋅10-6
7⋅10-3
Водяной пар
1,6
1,6⋅103
Контрольные вопросы
1. Основные единицы измерения давления. Коэффициенты для
пересчёта основных единиц давления.
2. Средняя длина свободного пути молекулы. От чего она зависит?
3. Функция распределения молекул по скоростям. Как влияет на
функцию распределения увеличение температуры газа?
4. Наиболее вероятная, средняя арифметическая и среднеквадратическая скорости движения молекул. Каковы соотношения
между ними?
5. Сущность физической и химической сорбции.
6. Что такое изотерма адсорбции?
7. Что такое давление насыщенного пара? От чего зависит давление насыщения?
8. Что такое коэффициент аккомодации?

52

9. Различие зеркального и диффузного законов отражения молекул от поверхности твердого тела. Выражение для диффузного закона
отражения молекул и его смысл.
3. ТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ
3.1. Поток газа
При расчете течения газа в каналах вакуумных систем часто используется аналогия с течением жидкостей, изучаемым в курсе гидравлики. Основная особенность жидкостей – неспособность сохранять
свою форму. Даже относительно небольшие силы вызывают их переток. Исключая среды очень высокой вязкости (например, стекло при
повышенных температурах), можно считать, что фактором («движущей силой»), вызывающим перетекание жидкостей, является перепад
давления. При небольших перепадах типичные скорости течения жидкости близки к нескольким метрам в секунду.
Скорость течения газов, вязкость которых гораздо меньше, при
таких же перепадах давления составляет от десятков до сотен метров в
секунду. При простых инженерных расчётах воздействием на газы
«массовых» сил, таких как гравитационные или центробежные, можно
пренебречь и газовый поток можно сопоставить с потоком тепла или
током электрических зарядов в проводнике. Продолжая эту аналогию,
перепад давления можно уподобить разности электрических потенциалов, а газовый поток – электрическому току. Понятие «сопротивление» сохраняет свой смысл в обоих случаях. Таким образом, поток
пропорционален разности «потенциалов» и обратно пропорционален
сопротивлению.
Согласно закону Ома для электрической цепи сила тока равна
∆U
,
(3.1)
I=
R
где ∆U и R – разность электрических потенциалов и сопротивление
проводника между двумя рассматриваемыми сечениями соответственно.
Аналогично поток жидкости или газа удовлетворяет соотношению
P −P
∆P
,
(3.2)
Q= 1 2 =
W′
W′
53

где ∆P - перепад давления на концах рассматриваемого элемента; W ′
- сопротивление элемента; P1 и P2 - давление на входе и выходе элемента.
Вводя понятие проводимости U как величины, обратной сопротивлению, получим
Q = U (P1 − P2 ) .
(3.3)
В теплофизике хорошо известно сходное выражение для теплового
потока

E = F αТ

∆T

l

,

(3.4)

где F – площадь поперечного сечения проводника; α Т – его удельная
теплопроводность (Вт/(м K)); ∆T = T1 – T2 – разность температур на
длине l. Это выражение можно переписать в виде

E=k

F
(T1 − T2 ) ,
l

(3.5)

где α Т ( F / l ) – теплопроводность.
Следует отметить, что заманчивые наглядность и простота означенной аналогии течения разреженного газа и гидравлических и электрических цепей не должны затушёвывать принципиальное различие
природы рассматриваемых явлений. Если для жидкости такая пропорция адекватна физической сущности самого процесса как вязкостного
переноса массы под действием внешней силы, то для разреженного
газа, молекулы которого перемещаются в силу «естественного» теплового движения в разных направлениях, она представляет собой лишь
удобную символику.
При некоторых условиях газовый поток пропорционален разности
квадратов давлений. Это обусловлено особенностью течения газа при
низких давлениях, что отражается зависимостью проводимости от
давления. В простейшем случае эту зависимость выражают через
среднее давление (Р1+Р2)/2. Тогда в результирующем выражении для
потока появляется разность P12 − P22 .
Среда, движущаяся жидкость или газ, обладает некоторым запасом потенциальной и кинетической энергий. Потенциальная энергия
есть функция давления, а кинетическая – функция скорости потока. Из
закона сохранения энергии вытекает принцип Бернулли: в среде с пре54

небрежимо малой вязкостью сумма потенциальной и кинетической
энергий вдоль линии тока остаётся постоянной. Иначе говоря, ускорение потока сопровождается падением давления вдоль линии тока, и,
напротив, торможение среды приводит к его росту.
Рассмотрим движение вязкой среды в коленчатом канале (рис.
3.1). Каким образом частицы 1 – 6 преодолевают его? Остаются ли они
в одной поперечной плоскости или частица 1 отстаёт? Различаются ли
скорости W1 и W6 ?

Рис. 3.1 Линии тока вязкой среды в коленчатом канале

Легко понять, что поворот потока может рассматриваться как результат формирования области повышенного давления вблизи внешней стенки. Стало быть, давление P1 выше давления P6 , а скорость W1
меньше W6 . Иными словами, в любых криволинейных каналах имеют
место градиенты давления, обусловленные кривизной. Левый датчик
на рис. 3.2 будет регистрировать более высокое, а правый – более низкое давление по сравнению с тем, которое они должны были бы зафиксировать в гладкой трубе без отводов. Отметим, что это явление
наблюдается при молекулярном режиме течения газа.
Явления ускорения и замедления потоков газа при различных условиях важны для понимания механизмов откачки в струйных насосах, анализа потока в клапанах, трубопроводах и общей картины тече55

ния в камерах. В вакуумной технике газовые потоки характеризуются,
как правило, малыми абсолютными значениями массового расхода и
разности давления, тогда как объёмные расходы, отношения давлений
и скорости потоков довольно велики.

Рис. 3.2. Эффект кривизны линий тока вязкой среды
при измерении давления

Количественно поток можно характеризовать в единицах объёма
(«объёмный расход») или массы («массовый расход») движущейся
жидкости или газа, переносимых через трубопровод за единицу времени. Зная объёмный расход S и площадь поперечного сечения трубопровода F , нетрудно определить скорость переноса газа
(3.6)
WГ = S / F .
Величина объёмного расхода, однако, не даёт информации о массовом
расходе, т.е. о количестве вещества, протекающего через трубопровод
в единицу времени. Для определения массового расхода необходимо
дополнительно знать плотность (или давление и температуру) среды.
Для наглядного представления понятий объёмного и массового
расходов выделим некоторую плоскость A , движущуюся вместе со
средой вдоль трубопровода постоянного поперечного сечения площадью F со скоростью WГ (рис. 3.3). Пусть эта плоскость за время τ
56

достигнет положения В. Тогда выражение для объёмного расхода
можно записать в виде
S = WГ F
(3.7)
или
V
(3.8)
S= ,

τ

где V – объём среды, прошедшей за время τ через выделенное сечение
трубопровода. Массовый расход можно получить, умножая объёмный
расход на плотность среды ρ:
ρV
.
(3.9)
G = ρ WГ F =

τ

Рис. 3.3. К определению понятия «объёмный расход»

В высоковакуумных установках масса разреженного газа ничтожно мала в сравнении с массой трубопровода или камеры. Поэтому газ
очень быстро принимает температуру стенок. Если газ находится при
постоянной известной температуре, то расход можно измерять в единицах производительности откачки, например в м 3 × Па / c , л × Па / c
или в м3 × атм / c и т.д. Производительность, называемую чаще в вакуумной технике потоком газа, определяют как произведение давления Pi в каком-либо сечении на объёмный расход газа в этом же сечении S i :
(3.10)
Q = Pi Si .
Можно сказать, что поток газа - это расход, выраженный в P − S единицах (под S понимается объёмный расход газа).

57

Если температура и род газа известны, то эту единицу нетрудно
преобразовать в традиционные единицы массового расхода, например
в граммы или килограммы в секунду.
Производительность, или поток, имеет энергетический эквивалент. Когда некоторое количество вещества за определённое время
«поднимают» в область повышенного давления, его энергия возрастает. Поэтому производительность откачки, представляющая собой скорость изменения этой энергии, эквивалентна некоторой мощности. Это
соответствие вытекает из простого преобразования единиц:

м3 ⋅ ( Н / м 2 )
м3 ⋅ Па
Н⋅м
Дж
→
→
→
→ Вт .
с
с
с
с

Рис.3.4. Номограмма для перевода различных единиц измерения потока
58

Высказанные соображения с очевидностью показывают, что средства
откачки фиксированной мощности способны обеспечить лишь ограниченную производительность откачки. Для наиболее распространенных единиц потока справедливы соотношения:1 Вт = 1 м3⋅Па /с = 7,5 л
⋅мм рт.ст. /с= 9,87⋅10-3 л ×атм /с.
Переход от одних единиц потока к другим можно осуществить с
помощью номограммы, представленной на рис.3.4. Здесь численные
значения потока в различных единицах отвечают точкам пересечения
горизонтальной линии с соответствующими вертикалями. Чтобы оценить величину потока, здесь же представлено время, за которое происходит формирование воздушного пузырька фиксированного диаметра,
– 1 мм.
3.2. Режимы течения
Выделяют несколько характерных режимов течения (видов газовых потоков), существенно различающихся соотношениями основных
физических параметров (рис. 3.5). Типичными для вакуумной техники
являются турбулентный, ламинарный и молекулярный режимы течения. Чёткой границы между этими режимами нет, и они разделяются
промежуточными (переходными) областями.
Применительно к задачам данного пособия поведение газа удобнее всего рассмотреть, представив себе откачку некой системы от атмосферного давления до высокого вакуума.
В начальный момент откачки давление газа и скорость газа в трубопроводе велики. Здесь газ подчиняется законам сплошной среды, и
удобной количественной характеристикой потока является число Рейнольдса. Как известно, оно представляет собой отношение массовых
сил к силам внутреннего трения и выражается соотношением
ρ W Г D / µ , где D – характеристический поперечный размер канала
(для трубы кругового сечения, к примеру, это диаметр), µ – коэффициент динамической вязкости.
При числах Рейнольдса, больших 2500-3000, наблюдается турбулентное течение газа. Линии тока фрагментируются в вихри, имеющие
локальную кривизну, зоны ускорения и торможения. Скорость и давление в любой точке потока не постоянны во времени, а колеблются
вокруг своих средних значений.

59

Рис. 3.5. Траектории молекул при различных режимах течения

Соотношение поток – давление в этом режиме имеет вид
Q ~ P1 2 − P 22 0,5 .

(

)

(3.11)

При числах Рейнольдса в интервале 2000 – 3000 поток может
быть и турбулентным, и ламинарным в зависимости от шероховатости
60

стенок, степени однородности поперечного сечения канала, наличия
поворотов и других местных сопротивлений.
При ламинарном течении линии тока примерно параллельны.
Профиль скоростей в поперечном сечении имеет параболическое распределение (рис. 3.6). Скорость газа на стенках практически равна нулю, а в центре трубопровода она максимальна. Ламинарное течение
типично при числах Рейнольдса меньших 2000. Соотношение поток –
давление при ламинарном течении имеет вид
(3.12)
Q ~ P 12 − P 22 .
Для большинства газов поток обратно пропорционален вязкости.

Рис. 3.6. Профиль скоростей при ламинарном течении в трубе

Поскольку в условиях сплошной среды на поток оказывают решающее влияние силы внутреннего трения (силы вязкости), то турбулентное и ламинарное течения часто объединяют общим названием
«вязкостное течение». Согласно ГОСТ вязкостное течение – это течение газа в трубопроводе в условиях, когда средняя длина свободного
пути молекул очень мала по сравнению с наименьшим внутренним поперечным размером трубопровода, так что поток зависит от плотности газа. Отметим, что вязкостное ламинарное течение газа в цилиндрическом трубопроводе часто также называют пуазейлевским течением. Такое название течение получило благодаря тому, что наиболее известным выражением, описывающим ламинарное течение газа,
61

является уравнение Гагена - Пуазейля для прямой длинной трубы
круглого сечения, которое имеет вид
πD 4
(3.13)
Q=
PСР ( P1 − P2 ) ,
8ηl
где l - длина трубопровода; PСР - среднее арифметическое давлений на
входе ( P1 ) и выходе ( P2 ).
Данное уравнение очень широко используется в практике расчётов вакуумных систем. Поэтому отметим очень важные допущения,
заложенные при его выводе и соответственно ограничивающие его
применение. Первое: допущение о несжимаемости газа накладывает
серьезные ограничения на скорость потока газа. Считается, что для
закона Пуазейля в качестве верхнего предела следует принять число
Маха =1/3. Первое допущение практически аналогично предположению о том, что перепад давления на концах рассматриваемого канала
должен быть очень мал, т.е. отношение давлений τ = P2 / P1 → 1 . В реальных вакуумных системах (в отличие от гидравлических) это условие практически никогда не выполняется.
Второе допущение: течение полностью сформировано, т.е. распределение скоростей по сечению постоянно по всей длине трубы. Поэтому уравнение Пуазейля рекомендуется использовать для длинных
труб. Длина участка, на котором течение можно считать сформированным, оценивается эмпирической формулой
( 3.14)
lC = 0,227 D Re .
Третье допущение: турбулентное движение отсутствует.
В силу принятых допущений применять уравнение Пуазейля для
расчета вакуумных систем (причем даже длинных цилиндрических
трубопроводов) нужно с очень большой осторожностью. Так, даже
незначительное отклонение отношения давлений на входе и выходе от
единицы приводит к погрешностям расчета в десятки, а иногда и сотни процентов.
Специфическими свойствами характеризуются потоки истечения
в вакуум через отверстия и сопла. Такой поток возникает, если две камеры, заполненные газом при давлениях Р1 и Р2, соединены между
собой отверстием или соплом (рис. 3.7). Для вязкостного потока, истекающего в вакуум, характерны большие скорости, и его величина определяется в виде
62

Q = P1 Fτ

1/ k

2k RT
j −1 M


1 − τ


j −1
j


 ,


(3.15)

где j - показатель адиабаты; τ = P2 / P1 - отношение давлений с двух
сторон диафрагмы ( τ < 1 ).

Рис. 3.7. Истечение газа через малую диафрагму

По мере снижения давления во второй камере скорость истекающего в неё потока возрастает вплоть до звуковой. Как и объёмный
расход, она сохраняется неизменной при дальнейшем уменьшении P2.
Звуковая скорость устанавливается в горловине сопла при отношении
давлений P2 / P1 , называемом критическим, которое определяется
j

τ КР

 2  j −1
=
 .
 j +1

(3.16)

Для воздуха при T=293 K критическое отношение τ КР = 0,528. Если
давление Р1 поддерживается постоянным, в сопле устанавливается постоянный и максимально возможный для этого давления массовый
расход, не зависящий от Р2. В этом случае Q ~ Р1.
Следует отметить, что в зависимости от соотношений размеров d
и D различают малые и большие диафрагмы. Если d << D , то это малая диафрагма (рис. 3.7), если d и D соизмеримы – большая диафрагма (рис. 3.8).
63

Рис. 3.8. Большая диафрагма

Выражение (3.15) справедливо для малой диафрагмы. Поток газа
через большую диафрагму также можно найти по формуле (3.15), умножая результат на поправочный коэффициент FD /( FD − F ) , где F площадь поперечного сечения диафрагмы; FD - площадь поперечного
сечения сосуда, из которого происходит истечение газа.
Существует ещё три специфических вида массопереноса, имеющих непосредственное отношение к вакуумной технике. Это поверхностная диффузия, диффузный перенос газов через твёрдое тело (газопроницаемость) и взаимная диффузия газов.
Поверхностной диффузией называют самопроизвольное перемещение газовых молекул от одного адсорбционного центра к другому;
при этом молекулы сохраняют связь с поверхностью твёрдого тела.
Хорошо известный пример газопроницаемости – диффузный перенос гелия сквозь стекло. Поток газопроницаемости определяется
родом газа, материалом и температурой. Он зависит от градиента концентрации газа в материале, так что
(3.17)
Q ~ P 11 − P 21 ,
где P 11, P 21 – парциальные давления диффундирующего газа соответственно на «входной» и «выходной» сторонах.
Поток взаимодиффузии газов также определяется градиентом их
концентрации. По сравнению с течением газов в трубах это достаточно медленный процесс. Его скорость, однако, намного превышает скорость диффузии газов в твёрдом теле. Природа взаимодиффузии газов
подобна броуновскому движению. Простейший пример – распространение запахов. Если каплю ароматического вещества ввести в торец
64

трубки, заполненной неподвижным воздухом, его запах в конце концов можно ощутить в противоположном торце. Правда, для преодоления нескольких метров молекулам этого вещества может потребоваться несколько минут. Скорость взаимодиффузии определяется родом
газов, их давлением и температурой.
Рассмотренные явления составляют физическую основу водоструйных, эжекторных и пароструйных насосов (рис. 3.9). Рабочим
телом таких насосов может быть жидкость, пар или газ. Рабочее тело
подводится к соплу из области высокого давления с начальными параметрами PР и W Р . При движении газа в сопле давление уменьшается от PР до PР1 , а скорость увеличивается от W Р до W Р1 .

Рис. 3.9. Эффект струйной откачки: сплошные линии - рабочее тело, штриховые – откачиваемый газ

Рабочий газ, истекая в приёмную камеру, захватывает откачиваемый газ, имеющий начальные параметры PН и W Н , и откачивает его.
Естественно, испытывая сопротивление откачиваемого газа, струя за65

медляется, а давление в ней возрастает. При этом по мере удаления от
сопла давление и скорость рабочего и откачиваемого потоков выравниваются и на некотором расстоянии от сопла становятся одинаковыми и равными PК и W К . При отсутствии внутреннего трения и внешних сил, например противодавления, конечное давление рабочего тела
сравнялось бы с начальным.
Описанный процесс можно уподобить поведению шаров различной массы на наклонной плоскости (рис. 3.10). Большие шары «представляют собой» рабочее тело, малые – откачиваемый газ; а скатывание по наклонной плоскости отождествляется с процессами, протекающими в сопле. Малые шары способны перемещаться в любом направлении, включая движение навстречу скатывающимся большим
шарам. Высота, которой могут «достичь» большие шары на правой
части рисунка, падает с увеличением числа сталкивающихся с ними
малых шаров. Если последних достаточно много, большие шары могут
остановиться и даже начать движение вспять. Такая ситуация эквивалентна перегрузке насоса.

Рис. 3.10. Наклонная плоскость как «аналог» струйного насоса

Смешивание потока рабочего тела с откачиваемым газом может
быть результатом турбулентности в пограничном слое. Глубинная
66

природа этого процесса, однако, не столь уж и важна для формирования и измерения базовых характеристик эжекторных (струйных) насосов. Наглядное представление о нём даёт профиль скорости ламинарного потока в канале с плоско параллельными стенками (рис. 3.11).
Размеры молекул движущейся струи в сравнении с высотой микронеровностей стенок чрезвычайно малы. К тому же силы сцепления со
стенками могут существенно превышать силы взаимной связи молекул
друг с другом. Поэтому скорость слоя, непосредственно соприкасающегося с неподвижной стенкой, близка к нулю. Как уже отмечалось, в
канале с неподвижными стенками профиль скоростей, представленный на рис. 3.11а, отвечает ламинарному течению; его градиент зависит от вязкости. Если же заставить одну из стенок двигаться параллельно потоку со скоростью, равной или превышающей максимальную скорость последнего, профиль приобретает форму, показанную на
рис. 3.11б.

Рис. 3.11. Эпюра скоростей в ламинарном потоке в канале
с неподвижной (а) и движущейся стенкой (б)

Результат будет аналогичным, если этой «стенкой» окажется
другой высокоскоростной поток. Эволюция профиля иллюстрирует
механизм откачки, составляющий физическую основу струйных насосов. Сходные явления характерны и для высоковакуумных пароструйных насосов. Аналогичный принцип перемещения молекул газа под
67

действием быстродвижущейся поверхности используется в кинетических молекулярных насосах.
Эти простые аналогии призваны облегчить понимание физических принципов функционирования струйных насосов и способствовать восприятию ключевых понятий вакуумной техники, в частности
быстроты действия и наибольшего выпускного давления.
3.3. Молекулярный поток
По мере откачки вакуумной системы давление в ней уменьшается,
и длина свободного пробега молекул возрастает. Если она превышает
характеристический размер канала, преобладающими становятся соударения молекул со стенками. Характеристики потока в этом случае
определяются соударениями молекул со стенками и их тепловой скоростью. Такой поток называют молекулярным. Согласно ГОСТ молекулярное течение – течение газа в трубопроводе при условиях, когда
средняя длина свободного пути молекул значительно превышает
внутренний размер поперечного сечения трубопровода. Таким образом, в этом случае Kn >> 1 .
Между молекулярным и ламинарным режимами течения существует молекулярно-вязкостная, или, как ее чаще называют, переходная
область ( Kn >≈ 1) . Законы молекулярного режима радикально отличаются от вязкостного. Поскольку столкновения молекул друг с другом
отсутствуют, то количество молекул, переходящих из сечения с давлением P1 в сечение с давлением P2 , зависит только от размеров трубопровода, а не от давления P2 . Подобная аналогия наблюдается для
потока молекул в обратном направлении. То есть при молекулярном
режиме течения существуют два независимых, противоположно направленных потока. Результирующий поток
(3.18)
Q ~ P 1 − P2 .
В молекулярном потоке молекулы газа ведут себя независимо
друг от друга. При отсутствии межмолекулярных столкновений не
может быть градиента давлений как «движущей силы» потока, хотя у
стенок давление варьируется. Даже при экстремально низких давлениях, достигаемых в вакуумных установках, в пространстве остаётся огромное количество молекул. Поэтому всегда имеет место некоторое
68

пространственное распределение молекулярной концентрации, которым можно оперировать при анализе явлений переноса и их графическом отображении.
Рассмотрим процессы в заполненной газом камере, которая посредством клапана может быть соединена с «пустым» пространством
(рис. 3.12). При открывании клапана все молекулы в камере «почувствуют» внезапное падение давления. Скорость распространения этой
«информации» о давлении будет близка к скорости звука. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока течение остаётся вязкостным
(турбулентным или ламинарным). При этом линии тока направлены к
выходному отверстию.

Рис.3.12. Линии тока и траектории молекул в различных
режимах течения: а – вязкостный режим; б - молекулярный режим

Как только длина свободного пробега молекул превышает размер
камеры, постоянный межмолекулярный контакт утрачивается, линии
тока исчезают, и молекулы «забывают» о наличии выходного отверстия. Они начинают двигаться по прямолинейным траекториям, отражаясь от стенок со скоростью, определяемой только температурой.
Вылет отдельной молекулы из камеры носит чисто вероятностный характер. Такой режим течения и называют молекулярным.
В сравнении с газовыми потоками при давлениях, близких к атмосферному, молекулярный поток характеризуется очень малым массовым и высоким объёмным расходами, большими градиентами давле69

ния (молекулярной концентрации), чувствительностью к адсорбционным эффектам. В известном смысле при молекулярном режиме нарушаются даже общепринятые представления о движении «по потоку» и
«против». Отражаемая стенкой молекула «не знает», где находится
насос. С одинаковой вероятностью она может двигаться как по направлению к насосу, так и в обратную от него сторону. Поэтому следует с осторожностью говорить здесь о распределении давления остаточного газа. Как уже отмечалось выше, использование категории
«давление» в этом смысле – просто удобный способ обеспечить терминологическое единство расчётных процедур при различных режимах течения. Более корректным становится представление о распределении молекулярной концентрации, уменьшающейся по направлению
к насосу. Следует помнить, что на распределение молекулярной концентрации конденсирующихся газов доминирующее влияние может
оказать температурное поле.
Вместе с тем полное пренебрежение межмолекулярными столкновениями в условиях высокого вакуума (молекулярного режима течения) не всегда допустимо. Такие столкновения играют определяющую роль, к примеру, при пролёте отдельных молекул через вымораживающие ловушки и отражатели. В отдельных случаях напуск одного газа в вакуумную систему заметно влияет на характер течения другого газа. Например, в молекулярных высоковакуумных насосах,
принцип действия которых основан на передаче молекулам механического импульса в направлении откачки, увеличение степени сжатия
лёгких газов может быть достигнуто напуском в насос более тяжёлого
газа.
3.4. Термическая транспирация
Концептуальное различие между понятиями «давление» и «концентрация» проиллюстрируем на примере термической транспирации
(термомолекулярного течения).
Рассмотрим процесс перетекания газа из одного сосуда в другой
через соединяющую их трубку. Обозначим параметры газа в первом
сосуде P1 и T1 , а во втором - P2 и T2 . При высоких давлениях (вязкостный режим) давление в обоих сосудах будет одинаковым независимо от температуры заполняющего их газа. Поток через трубку отсутствует, поскольку действующие на газ с обоих торцов силы давления
70

уравновешены, и условие равновесия для этого случая записывается в
виде
ρ1 / ρ 2 = T2 / T1 ,
(3.19)

где ρ1 и ρ 2 – плотности газа в первом и втором сосудах.
В молекулярном режиме, напротив, условием стационарности является равенство потоков молекул, проходящих через трубку со стороны каждого из сосудов. Поэтому изменение температуры газа в одном из сосудов приводит к возникновению перепада давления между
ними. Действительно, плотность молекулярного потока, т.е. число молекул, падающих на единицу площади реальной или воображаемой
стенки за одну секунду, определяется в виде
nc
,
(3.20)
N=
4
где n – молекулярная концентрация. Соотношение (3.20) получают
путём суммирования потоков частиц, падающих на выбранную площадку из всех областей объема (рис. 3.13).

Рис. 3.13. К определению плотности потока
молекул, падающих на стенку

71

Поскольку в соответствии с кинетической теорией средняя скорость теплового движения молекул определяется по формуле (2.8), то
скорость истечения газа через трубку (отверстие) будет пропорциональна P T . Приравнивая плотности молекулярных потоков и учитывая взаимосвязи между давлением и концентрацией, получим условие равновесия для этого случая

P1
T
= 1 .
P2
T2

(3.21)

Этот результат очень важен при проектировании и эксплуатации
вакуумных печей и криовакуумных установок. Он должен приниматься во внимание и при использовании манометрических преобразователей, измеряющих именно давление (а не концентрацию!) в тех случаях, когда температуры газа и преобразователя различны. Например,
если в одном сосуде газ находится при температуре жидкого азота
( T1 =77К), а давление измеряется преобразователем при комнатной
температуре ( T2 =300К), то истинное давление
(3.22)
P1 = P2 T1 / T2 ≈ 0,5 P2 .
Следует еще раз подчеркнуть, что уравнение (3.21) справедливо
только в том случае, если средняя длина свободного пробега молекул
превышает характерный размер соединительного канала, т.е. если в
канале устанавливается молекулярный режим течения ( Kn >> 1 ).
Таким образом, существует интервал давлений, в котором отношение давлений меняется от значения, определяемого по формуле
(3.19), до значения, соответствующего (3.21). Естественно, что, чем
меньше диаметр соединительной трубки и давление в ней, тем выше
граница работоспособности формулы (3.21).
3.5. Молекулярный поток через отверстие в тонкой стенке
Число молекул, падающих в единицу времени на единицу площади стенки (плотность падающего потока), определяется формулой
(3.20). Для преобразования плотности потока в объёмные единицы величину N необходимо разделить на молекулярную концентрацию.
Тогда объём, падающий на единицу площади реальной или вообра72

жаемой стенки в единицу времени (иногда его называют «падающим»
объёмом), определится
c
T
, м3/(с⋅м2) .
(3.23)
V0 = = 36,4
4
M
Для воздуха при комнатной температуре (293К)
(3.24)
V0 = 116 , м3/(с⋅м2) .
Важно подчеркнуть, что при определении V0 учитывают полную молекулярную концентрацию, а не только ту её часть, которая ассоциируется с молекулами, движущимися по направлению к выбранной
стенке.
Ввиду принципиальной значимости понятия единичного объёмного потока V0 , вводимого формулой (3.23), обратимся к поясняющей
его схеме (рис. 3.14). Положим, что давление газа в верхнем сосуде P1
поддерживается постоянным, а давление в нижнем сосуде P2 пренебрежимо мало. За счёт этого в зоне отверстия нет молекул, пролетающих через отверстие из нижней камеры в верхнюю. Есть только «прямой» поток в нижнюю камеру, и величина этого потока для воздуха
составляет F ⋅116 (м3/c), где F – площадь поперечного сечения отверстия в м2. Этот поток определяется изотропным давлением P1 , характеризующим газ на большом расстоянии от отверстия. При этом
диаметр сосуда должен быть намного больше диаметра самого отверстия. Как уже отмечалось в п.3.2, этот случай называется течением
через малую диафрагму.
Изложенный подход принципиально отличен от положений механики сплошных сред, которые справедливы для вязкостного течения.
Для используемых в механике сплошных сред методов характерна
«привязка» всех характеристик потока (плотности, давления, температуры, скорости) к одной точке.
Молекулы, составляющие «прямой» поток в нижний сосуд, подлетают к отверстию со всех направлений. Тем не менее интересно
представить величину V0 как некую, в какой-то степени искусственную, «скорость переноса»

116 м3
= 116м/ с .
м2 ⋅ с

73

Как видно, для воздуха «скорость переноса» составляет одну треть
скорости звука.

Рис. 3.14. К определению объёмного
расхода через отверстие

Практически плотность объёмного потока для воздуха при 20°С
составляет 116 м3/(с⋅м2), если линейные размеры сосуда не менее чем в
20 раз превышают диаметр отверстия, а осевая протяжённость последнего во столько же раз меньше его диаметра (или иного наименьшего
характеристического размера). С другой стороны, размеры отверстия
должны быть намного больше размеров пролетающих молекул.
3.6. Молекулярно-вязкостный (переходный)
режим течения
Как уже отмечалось, между молекулярным и вязкостным режимами течения существует переходная, или молекулярно-вязкостная,
область, которая находится в диапазоне 0,01< Kn <1. Соответственно
область молекулярно-вязкостного течения, как правило, занимает чуть
74

меньше двух порядков давления. В соответствии с уравнением Пуазейля (3.13) проводимость трубопровода в вязкостном режиме течения
прямо пропорциональна среднему давлению на его концах. Тогда при
PСР → 0 проводимость должна обратиться в нуль. Однако этого не
происходит, и при PСР → 0 проводимость отлична от нуля. Данный
факт объясняется тем, что в реальности скорость газа на стенках не
равна нулю, и профиль скорости движения газа со скольжением имеет
вид, показанный на рис. 3.15. На стенке наблюдается скачок скорости,
и величина расхода за счёт этого скольжения может быть при расчете
добавлена в уравнение проводимости для вязкостного режима в виде
постоянного члена. При высоких давлениях эта величина мала по
сравнению с основным слагаемым, записанным для длинного трубопровода в виде (3.13). Однако при понижении давления она даёт основной вклад в проводимость.
При расчётах проводимости в молекулярно-вязкостном режиме в
настоящее время используются два подхода. Первый - применение
численных методов для решения микроскопических уравнений движения молекул на базе предположения законов их взаимодействия
между собой и со стенками. Здесь чаще всего переходная область условно разделяется на области вблизи молекулярного и вблизи вязкостного режимов течения. Вблизи вязкостного режима течения при числах Кнудсена 0,01< Kn <0,1 используются уравнения газовой динамики
сплошной среды, но в граничных условиях на стенках вводят поправку
на скольжение газа на стенках и на скачок температуры.
Для задания скорости скольжения обычно экстраполируется линейный участок изменения скорости до пересечения прямой с поверхностью (рис. 3.15). Скорость скольжения газа вдоль поверхности стенки может быть задана в следующем виде:
2 − α ∂W
,
(3.25)
λ
WS =
α
∂n
где α - коэффициент аккомодации; ∂W / ∂n - градиент скорости вдоль
оси, перпендикулярной поверхности стенки. Поскольку, как уже отмечалось, доля диффузно отражённых молекул для технических поверхностей близка к единице, то можно приближенно считать, что
W ≈ λ (∂W / ∂n) . Отметим, что действительная скорость скольжения
W1 будет меньше WS , полученной по формуле (3.25).

75

Рис. 3.15. Профиль скорости потока при течении газа
со скольжением

В связи с расширением возможностей вычислительной техники
для расчётов в околомолекулярной области (0,1< Kn <1) предпринимаются активные попытки применения статистических методов. Однако ряд неопределенностей, существующих при таком моделировании (в частности, задание механизма взаимодействия молекул между
собой и со стенками), существенно затрудняет широкое использование
данных подходов в инженерной практике.
Второй подход заключается в использовании полуэмпирических
уравнений, построенных на базе макроскопических параметров газа.
Чаще всего в инженерной практике используется эмпирическая зависимость, полученная Кнудсеном в результате обработки экспериментов на длинных цилиндрических трубопроводах. Зависимость представляет собой гладкую аппроксимацию между уравнениями для молекулярного и вязкостного режимов:
(3.26)
U П = U В + zU M ,
где U M – проводимость элемента в молекулярном режиме течения;
U В – проводимость элемента в вязкостном режиме при течении без

76

скольжения на стенках; z – эмпирический коэффициент, определяемый для трубопровода круглого сечения диаметра d по формуле
Pср D
M / RT
1+
η
.
(3.27)
z=
Pср D
M / RT
1 + 1,24

η

На границе вязкостного режима z ≈ 0,8, а на границе молекулярного
z ≈ 1.
Для трубопроводов с сечением, отличным от круга, можно использовать выражение (3.27), подставляя в него условный диаметр D ,
определяемый по формуле

D = 4F / π ,

(3.28)

где F - площадь поперечного сечения канала.
В практике инженерных расчетов наиболее широко используется
именно подход, основанный на использовании формул (3.26), (3.27).
3.7. Проводимость, быстрота откачки, быстрота действия
Рассмотрим откачку некоего сосуда с помощью вакуумного насоса. Насос соединяется с сосудом с помощью трубопровода через вентиль и гибкий трубопровод (рис. 3.16). Будем рассматривать стационарный процесс откачки данной вакуумной системы. Под стационарным будем понимать такой процесс, когда давление в любой точке
вакуумной системы остается неизменным во времени. При этом убыль
газа компенсируется, например, за счёт напуска воздуха из атмосферы
через натекатель VF . Выделим несколько произвольных сечений вакуумной системы и обозначим объёмный расход газа и давление в каждом сечении как S i и Pi .
Условие стационарности потока газа можно записать в виде
(3.29)
Q = S1P1 = S 2 P2 = .... = Si Pi .
Отметим, что S i и Pi изменяются от сечения к сечению. Причем
P1 < P2 < P3 , а S1 < S 2 < S3 . Такое изменение объёмного расхода и давления при переходе от сечения к сечению вызвано тем, что любой
элемент вакуумной системы (трубопровод, вентиль и т.д.) оказывает
сопротивление течению газа. Иначе говорят, любой элемент обладает
сопротивлением.
77

Рис. 3.16. Вакуумная схема к пояснению понятия «проводимость»

Чаще используется термин проводимость элемента вакуумной
системы – свойство, характеризуемое отношением потока газа, проходящего по каналу или через отверстие, к разности давлений в двух
указанных сечениях канала или по обеим сторонам отверстия. Таким
образом, проводимость определяется в виде
Q
(3.30)
U=
P1 − P 2
или в виде

PWГ F
,
(3.31)
∆P
где W Г – скорость газового потока; F – площадь поперечного сечения трубопровода; ∆P = P1 − P2 – перепад давлений на концах трубопровода.
По своему физическому содержанию символ P отражает здесь
скорее молекулярную концентрацию, чем давление как таковое, хотя
формально единицы давления содержатся и в числителе, и в знаменателе и могут быть сокращены. Единицей проводимости, таким образом, должен быть поток газа (Па⋅м3/с), отнесённый к единичному перепаду давления (1 Па). Иными словами, проводимость численно равна потоку газа при перепаде давления, равном единице. Эту же мысль
можно сформулировать в следующем виде: проводимость определяет
перепад давления на концах трубопровода при заданном массовом
расходе.
U=

78

Типичная зависимость проводимости от давления представлена на
рис.3.17. Как видно, в молекулярном режиме течения проводимость не
зависит от давления. Она является функцией только размеров и конфигурации трубопровода. При дальнейшем повышении давления режим течения изменяется с молекулярного на переходный и далее вязкостный, и проводимость возрастает.

Рис. 3.17. Типичная зависимость проводимости
элемента вакуумной системы от давления

Данный график наглядно демонстрирует, что проводимость в молекулярном режиме минимальна. Соответственно влияние проводимости (сопротивления) на течение газа в вакуумных системах (особенно
в высоковакуумных!) наибольшее. Это очень важный вывод, который
необходимо учитывать при проектировании вакуумных систем. Например, схема раздачи сжатого воздуха в несколько точек цеха от одного компрессора, установленного в отдельном помещении, является
почти общепринятой и оправданной. Однако вынос в соседнее помещение даже форвакуумного насоса (не говоря уже о высоковакуумном) чаще всего недопустим из-за потери производительности. Именно этим вызвана необходимость максимально сокращать протяженность высоковакуумных коммуникаций и количество арматуры, а также увеличивать диаметры их условного прохода.
79

Как уже отмечалось, стационарное течение газов в вакуумной
системе можно рассматривать как некий аналог течению электрического тока по проводнику. Это позволяет использовать законы, применяющиеся для электрических цепей, к вакуумным системам. Так,
суммарное сопротивление и суммарную проводимость вакуумной
коммуникации, состоящей из ряда последовательных элементов (рис.
3.18а), определяют в виде
n
n
1
1
′ = Wi′ ,
.
(3.32)
Wпосл
=
U
U
посл
i
i =1
i =1

∑

∑

При параллельном соединении (рис. 3.18б) данные параметры находятся как
n
n
1
1
, U парал = U i .
(3.33)
=
′
Wпарал
Wi′
i =1
i =1

∑

∑

а

б

Рис. 3.18. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение
элементов вакуумной системы

Следует отметить, что выражения (3.32) и (3.33) можно использовать только для очень грубых оценок проводимости. Более точные методики нахождения проводимости последовательно и параллельно соединенных элементов будут рассмотрены в последующих частях.
В первой части настоящего пособия также не рассматриваются
формулы для расчёта проводимости конкретных элементов вакуумных
80

систем. Отметим, однако, что приводимые в справочной литературе
выражения для проводимости трубопроводов различной конфигурации справедливы лишь в том случае, если своими торцами трубопровод присоединён к вакуумным камерам достаточно большого объёма
(рис. 3.19). В эти формулы, как и в соотношение (3.30), подставляют
давления Р1 и Р2, а отнюдь не Р3 и Р4. Если же таких камер нет, расчётные формулы должны корректироваться с учётом отличия Р1 от Р3
и Р2 от Р4.

Рис. 3.19. К определению понятия «проводимость»

Если газовый поток выражен в объёмных единицах, для вычисления массового расхода необходимо знать плотность газа. Такой переход основан на общеизвестных положениях молекулярнокинетической теории. Однако их истолкование утрачивает своё традиционное содержание, если анализируемый газ отличен от максвелловского, т.е. если в нём существенно нарушена изотропность пространственного распределения скоростей молекул. Такое нарушение может
быть вызвано, к примеру, молекулярным пучком, формирующимся в
области входного сечения высоковакуумного насоса. По этой причине
проектирование большинства высоковакуумных систем требует вдумчивости, внимательности и точности.
На практике часто более информативна мера газового потока, выраженная в массовых или молекулярных единицах, например в граммах в секунду или в молекулах в секунду. Следует подчеркнуть, что
81

выражение (3.29) справедливо только в случае, если температура газа
при переходе от сечения к сечению не изменяется. Более общим является условие сохранения массового расхода
SP
S P
S P
(3.34)
G = 1 1 = 2 2 = .... = i i .
R Г T1 R Г T2
R Г Ti
Однако поскольку численное значение расхода газа в условиях
вакуума в массовых единицах очень мало, его выражают обычно в
единицах производительности (потока) Q . Это возможно в предположении, что газ быстро приходит в тепловое равновесие со стенками,
принимая их температуру. При этом условии массовые единицы измерения тождественны единицам потока - Па⋅л/с. Нельзя, однако, абсолютизировать подобную тождественность. Важно помнить, что производительность (поток газа) Q есть всего лишь произведение давления
газа Р на его объёмный расход S в любом заданном сечении вакуумного тракта.
Вместе с тем если температура газа постоянна, то базовые вакуумные расчёты, включая математическую обработку экспериментальных данных при измерениях параметров вакуумных насосов, удобно
выполнять, используя объёмный расход S в качестве меры газового
потока. Взаимосвязь производительности (потока газа) Q и объёмного
расхода S выражается соотношением
Q
(3.35)
S= .
P
Объёмный расход газа в сечении вакуумного тракта S – быстрота откачки – величина, характеризующаяся объёмом газа, откачиваемым в единицу времени в определённом сечении при давлении, измеренном в этом же сечении. Тогда быстрота действия насоса – быстрота откачки, получаемая во входном сечении насоса при его работе.
При анализе молекулярного переноса авторы учебников по вакуумной технике обычно ограничиваются неконденсируемыми газами и
стационарным режимом. На практике это не совсем так. При обычных
температурах неконденсируемыми являются только гелий, водород и
неон, т.е. далеко не единственные компоненты остаточного газа в
большинстве вакуумно-технологических установок. Столь же необоснованно и пренебрежение нестационарными процессами, связанными
с изменением фазового состояния конденсируемых газов. Учитывать
82

эти процессы необходимо не только при работе с тяжёлыми газами.
При комнатной температуре столь же существенное влияние может
оказать конденсация водяных паров и даже таких летучих веществ, как
ацетон и спирт. К примеру, при измерении быстроты действия высоковакуумного насоса по водяным парам должны быть учтены и внимательно проанализированы такие факторы, как реальная площадь
зеркала испаряющейся жидкости, теплообмен, связанный с фазовым
переходом, температура паропроводов и т.п. И даже тогда нелегко
разделить потоки водяных паров, откачиваемые насосом и конденсирующиеся на холодных поверхностях вблизи его входного отверстия.
Может пройти неделя, прежде чем пары рабочей жидкости в прогретой вакуумной камере будут зафиксированы ионизационным манометрическим преобразователем, соединённым с камерой трубкой длиной 4 см и диаметром 2 см. А масс-спектрометр может 2 – 3 недели
устойчиво сохранять «память» об однажды напущенном в него ацетоне, если его ионизационная камера отстоит от насоса на 30 см и соединена с ним трубкой диаметром 2 см. В таких случаях незаменим
прогрев вакуумной системы.
3.8. Основное уравнение вакуумной техники
Значимость основного уравнения вакуумной техники (ОУВТ) для
практики подчёркивается его названием. Это уравнение устанавливает
связь быстроты действия насоса с быстротой откачки. Чтобы получить
ОУВТ, рассмотрим рис. 3.20.
Согласно определению сопротивления элемента вакуумной системы и условию стационарности потока запишем
PВХ
1 P − PВХ
1
1
P
. (3.36)
W′= =
=
−
= −
U
Q
SP S ВХ PВХ S S ВХ
Тогда быстрота откачки в сечении с давлением P определится
1
1
1
(3.37)
=
+
S S ВХ U
или
S ⋅U
S ВХ
U
.
(3.38)
S = ВХ
=
=
S ВХ + U 1 + S ВХ / U 1 + U / S ВХ

83

Рис. 3.20. К выводу основного уравнения вакуумной техники

Это выражение называется основным уравнением вакуумной техники
(ОУВТ) и позволяет, зная быстроту действия насоса и давление на его
входе, рассчитать быстроту откачки в любом сечении вакуумной системы, а совместно с условием стационарности потока - и давление в
любом сечении вакуумной системы ( P = S ВХ PВХ / S ). Формулы (3.37),
(3.38) показывают, что за счет сопротивления быстрота откачки (в любом сечении) всегда меньше быстроты действия насоса. Причем
S = S ВХ только при условии U = ∞ , что никогда не может быть достигнуто.
Наглядно увидеть, какая доля от быстроты действия используется
эффективно, позволяет график кратности. Для его построения уравнение (3.38) записываем в виде
U / S ВХ
S
1
.
(3.39)
=ηS =
=
S ВХ
1 + U / S ВХ 1 + S ВХ / U
Это отношение часто называется коэффициентом использования быстроты действия насоса или просто коэффициентом использования
насоса η S . Графическая интерпретация данного выражения представлена на рис. 3.21. Очевидно, что интервал U / S ВХ < 1 из-за колос84

сальных потерь быстроты откачки даже в молекулярном режиме не
является рабочим (если не брать случаи совершенно неверно спроектированных систем). Поэтому нагляднее использовать график кратности с линейной шкалой по оси абсцисс (рис. 3.22).

Рис. 3.21. Зависимость коэффициента использования насоса от
отношения проводимости к быстроте действия

Рис. 3.22. График кратности

Числовые значения отношения S / S ВХ представлены также в табл.
3.1.
85

Таблица 3.1
Коэффициент использования вакуумного насоса
1
2
3
4
5
6
8
10
100
1000
U / S ВХ

η=

S
S BX

1
2

2
3

3
4

4
5

5
6

6
7

8
9

10
11

100
101

1000
1001

Можно видеть, что, например, если U = S ВХ , то теряется 50% быстроты откачки. При U >> S ВХ влияние сопротивления трубопровода
незначительно и S → S ВХ . Поэтому при разработке вакуумных систем
следует руководствоваться следующим правилом: размеры соединительных трубопроводов и диаметры условного прохода арматуры следует выбирать таким образом, чтобы их проводимость была во много
раз больше быстроты действия насоса. Следует, однако, помнить, что
увеличение проводимости, как правило, достигается увеличением габаритов (диаметра условного прохода).
Как уже отмечалось, проводимость при молекулярном режиме
минимальна и соответственно влияние сопротивления элемента на быстроту откачки здесь сказывается наиболее сильно. С ростом давления
режим течения меняется на переходный и вязкостный, проводимость
возрастает (см. рис. 3.17), и снижение быстроты действия проявляется
не столь существенно. Отметим важный момент: параметры S и
U имеют одинаковую размерность объёмного расхода – л/с. Однако
термин «быстрота действия» относится к откачным средствам (активным элементам), а «проводимость» – к патрубкам, трубопроводам,
клапанам и т.д. (пассивным элементам).
Соотношение (3.35) справедливо как для течения газа через отверстия («кнудсеновская геометрия»), так и для газового потока в трубах. Однако в интерпретации давления в формуле (3.30) для этих двух
случаев есть принципиальные отличия. Для газового потока в трубах и
давление, и объёмный расход фиксируются в одном сечении. При истечении газа через отверстие, напротив, давление измеряют на большом расстоянии от него (рис. 3.14), там, где газ может считаться максвелловским.
Проводимость отверстия определяется соотношением (3.30). На
основании этого выражения можно записать
(3.40)
Q = S1P1 = S 2 P2 = U ( P1 − P2 ) ,
86

где S1 и S 2 - объёмный расход газа при давлениях P1 и P2 соответственно.
Тогда быстроту откачки в верхней камере с давлением P1 можно
определить
 P 
(3.41)
S1 = U 1 − 2  .
 P1 
Если P1 >> P2 , то объёмный расход истекающего газового потока
и проводимость отверстия почти уравниваются
Q
.
(3.42)
S ≅U ≅
P1
Реальные вакуумные системы представляют собой комбинацию
названных вариантов. Для протяжённых трубопроводов и последовательного соединения каналов и патрубков различной геометрии целесообразна «привязка» быстроты откачки к конкретному сечению. Камеру с коротким откачным патрубком малого диаметра удобнее отождествлять с «кнудсеновской геометрией».
Высказанные соображения составляют лишь физический фундамент понятия «быстрота откачки». В реальности же некоторые газовые характеристики в области входного сечения высоковакуумного
насоса отнюдь не одинаковы во всех направлениях. Поэтому определения плотности газа и объёмного расхода при заданном давлении нуждаются в дополнительных пояснениях.
При сильно выраженной анизотропии газовой среды теряет смысл
даже само понятие быстроты откачки. Рассмотрим, к примеру, пучок
молекул, движущихся без столкновений по параллельным траекториям. При этом пучок падает непосредственно на вход насоса. Манометрический преобразователь, установленный на стенке камеры вблизи
этого пучка, вообще не зафиксирует его. В подобных случаях, весьма
вероятных на практике, смысл соотношения Q = SP вовсе не очевиден.
Расход откачиваемого газа в сечении вакуумного тракта, выраженный в объёмных единицах, есть быстрота откачки. В других разделах механики подобную величину часто называют объёмной производительностью. В условиях молекулярного течения быстроту откачки
целесообразно рассматривать как некоторую характеристику вакуумной системы для каждого индивидуального газа, не зависящую от
87

присутствия других газов. Подобное истолкование тем более оправдано, что высоковакуумные насосы обладают селективностью: их быстрота действия зависит от рода откачиваемого газа. Поэтому быстроту
действия насоса по данному газу можно определить, разделив производительность насоса по этому газу на его парциальное давление во
входном сечении насоса. Таким же способом определяют быстроту
откачки в любом ином сечении вакуумного тракта.
3.9. Переходные процессы
Процессы в высоковакуумных технологических установках, как
правило, считают квазистационарными. Полагают также постоянной
быстроту действия насоса. В отдельных случаях, однако, существенны
переходные процессы, слабо или вообще не зависящие от быстроты
действия используемого насоса. Например, при открывании клапана
между двумя камерами, в которых поддерживалось различное давление, газ устремится в камеру с меньшим давлением. Скорость потока
будет определяться геометрией клапана и соединительного трубопровода и отношением давлений в камерах (или их разницей, если режим
течения молекулярный). Характерное время таких процессов полагают
обычно равным V / S , где V – объём камеры, содержащей газ при более высоком давлении; S – быстрота откачки этой камеры. Геометрической структурой канала и соотношением объёмов по обе стороны
клапана пренебрегают. Дело в том, что точные расчёты газодинамических процессов в таких системах настолько сложны, что куда более
надёжным и полезным для проектной разработки может оказаться их
экспериментальное определение.
Скорости газовых потоков, натекающих через быстродействующий клапан в предварительно вакуумированную камеру, могут быть
очень высокими, вплоть до сверхзвуковых, возникающих, например, в
клапанах для напуска воздуха. Возникновение высокоскоростных газовых потоков крайне нежелательно, если компоненты осуществляемого технологического процесса чувствительны к осаждению микрочастиц (пыли). Таковы, например, кремниевые пластины, используемые в производстве микросхем.
Аналогичные ситуации не исключены и при быстром открывании
шлюзов при подаче обрабатываемых деталей из загрузочной камеры в

88

рабочую. Обычно давление в загрузочных камерах 5-10 Па, тогда как в
рабочей камере может поддерживаться высокий вакуум.
Контрольные вопросы
1. Что такое поток газа? Единицы измерения. Переход от объёмного расхода к массовому.
2. В чём различие режимов течения газов?
3. В чём специфика пуазейлевского течения? При каких условиях
можно использовать формулу Пуазейля?
4. Что такое термическая транспирация?
5. Сопоставление понятий «проводимость», «быстрота откачки»,
«быстрота действия».
6. Правила определения проводимости последовательно и параллельно включенных элементов вакуумных систем.
7. Основное уравнение вакуумной техники.
8. Коэффициент использования насоса.
9. В чем специфика молекулярно-вязкостного режима течения?
10.Как зависит проводимость от давления в различных режимах
течения?

89

4. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В ВАКУУМЕ
Любые явления переноса возникают за счёт неравномерного распределения концентрации, энергии или количества движения. Теплопроводностью переносится кинетическая энергия молекул газа, вязкостью – количество движения. Диффузия «отвечает» за перенос массы
(плотности). С точки зрения кинетической теории абсолютно безразлично, что переносится молекулами газа от одного слоя к другому –
импульс или кинетическая энергия. Соответственно уравнения для
переноса вязкостью и теплопроводностью аналогичны.
4.1. Вязкость газов
Вязкость газов проявляется в виде силы трения, которая передается через газ от одного тела к другому в случае, когда тела перемещаются одно относительно другого. Эта передача происходит за счёт переноса молекулами газа импульса. Причина появления силы вязкостного трения заключается в том, что движущиеся слои газа имеют различную скорость. Благодаря этому между слоями происходит перенос
количества движения.
Механизм передачи количества движения иллюстрирует рис. 4.1.
Пусть между двумя параллельными пластинами а и b, находящимися
друг от друга на расстоянии h , находится газ. Причем пластина b
движется с некоторой скоростью W . В области низкого вакуума (вязкостный режим течения) газ можно разделить на слои, толщину каждого из которых можно считать равной средней длине свободного пути пробега молекул. В вязкостном режиме течения газ «прилипает» к
обеим пластинам, т.е. скорость газа непосредственно у одной пластины равна нулю, а у второй - W . По мере продвижения молекул от неподвижной пластины к подвижной их скорость увеличивается.
В пространстве между пластинами имеет место линейное распределение скоростей
y
(4.1)
Wx ( y ) = W .
h
Для существования такого состояния движения необходимо, чтобы к газу со стороны верхней пластины в направлении движения была
приложена касательная сила, которая уравновешивает силы трения.

90

Рис. 4.1. Схема передачи движения от подвижной пластины
к неподвижной через разреженный газ

Эта сила, отнесённая к единице площади пластины, пропорциональна
скорости W x и обратно пропорциональна расстоянию h . Таким образом,
y
(4.2.)
τ =µ
h
или в общем случае
dWx
.
(4.3)
τ =µ
dy
Выражение (4.3) называется законом трения Ньютона. В нём коэффициент пропорциональности µ является коэффициентом динамической
вязкости.
Для коэффициента вязкости справедливо выражение
ρcλ mncλ
,
(4.4)
µ=
=
3
3
позволяющее сделать интересный вывод. Поскольку произведение ρλ
не зависит от давления, то и вязкость в условиях низкого вакуума не
зависит от давления. Причем в отличие от жидкостей вязкость газов
растет с увеличением температуры, поскольку она прямопропорциональна T / M . В литературе часто рекомендуется использовать более
точное выражение
91

µ = 0,499 ρcλ .

(4.5)
Отметим, что при очень низких давлениях (молекулярный режим
течения газа) появляется зависимость вязкости от давления, поскольку
принципиально меняется картина переноса количества движения.
Причем скорость переноса количества движения от одной движущейся
поверхности к другой прямо пропорциональна давлению и скорости
движущейся поверхности. Эта закономерность начинает проявляться
уже в молекулярно-вязкостном режиме.
4.2. Перенос тепла в вакууме
Теплопередача в разреженном газе может происходить за счёт
конвекции, теплопроводности и излучения. Значимость того или иного
вида теплопередачи (рис. 4.2) определяется уровнем давления (средней длиной свободного пути молекул).

Рис. 4.2. Тепловой поток от нагретого тела к стенкам
в вакууме как функция давления

Конвективный теплообмен является основным способом передачи
тепла в условиях низкого вакуума. Естественная конвекция возникает
за счёт температурных градиентов и соответствующих градиентов
плотностей газа. Перенос тепла происходит в результате формирова92

ния в гравитационном поле восходящих потоков тёплого газа, вызванных его расширением.
Вынужденный конвективный теплообмен наблюдается за счёт
движущихся газовых потоков, возникающих, например, при откачке
или напуске газа. Количество тепла (Вт), передаваемого, например, от
стенки с площадью F , которая имеет температуру TСТ , к газу с температурой T, пропорционально площади поверхности теплообмена и
разности температур:
(4.6)
E = α (TСТ − T ) F ,
где α - коэффициент теплоотдачи.
Конвективный теплообмен - очень сложный процесс, который зависит от большого числа факторов. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией физических свойств газа, скорости его
движения, формы и размеров поверхностей и ряда других факторов.
Для определения α не существует общей формулы. Рекомендации по
расчету коэффициента теплоотдачи для каждого конкретного случая
можно найти в специальной литературе по теплообмену.
Интенсивность переноса тепла в газе теплопроводностью («горячими» молекулами) определяется двумя противоположно влияющими
факторами. Молекулы, сталкиваясь с нагретой поверхностью, приобретают бóльшую скорость и при соударении с холодной поверхностью
передают ей дополнительную энергию. Чем выше давление, тем
больший поток «горячих» молекул генерирует нагретая поверхность.
С другой стороны, при более высоком давлении возрастает вероятность межмолекулярных столкновений. Поэтому значительная доля
энергии «горячих» молекул передаётся не холодной поверхности, а
другим газовым молекулам, в результате чего повышается средняя
температура газа. В конечном итоге «молекулярная» составляющая
теплопроводности газа при повышенном давлении оказывается малочувствительной к его величине.
Для описания теплопроводности в низком вакууме рассмотрим
два слоя газа АВ и ВС одинаковой толщины λ , которые находятся
между двумя пластинами 1 и 2 с температурами T1 и T2 соответственно (рис. 4.3). Расстояние между пластинами h . Как уже отмечалось,
теплопроводность газа можно рассматривать по аналогии с вязкостью.
Только вместо количества движения переносится энергия молекул газа.
93

Рис. 4.3. Схема к определению передачи
тепла за счет теплопроводности

Изменение температуры между плоскостями АА1 и СС1 линейно и записывается в виде
2λ
(4.7)
(T1 − T2 ) .
h
Как и для случая вязкости, число молекул, траектории которых пересекают единицу площади за единицу времени в любом направлении
внутри газа, равно nc / 6 . Тогда количество тепла (Вт/ м2), переносимое газом через единицу поверхности, находится в виде
1
2λ
1 (T − T )
(4.8)
(T1 − T2 )cv = ρc 1 2 λcv ,
E = mnc
6
3
h
h
где cv - теплоёмкость газа при постоянном объёме. Отсюда коэффициент теплопроводности газа в низком вакууме находится как
1
(4.9)
λT = ρcλcv .
3
Сопоставление выражений (4.4) и (4.9) даёт
(4.10)
λT = µcv .
Коэффициент теплопроводности в зависимости от рода газа изменяется в широких пределах - от 0, 006 до 0,6 Вт/(м⋅К).

94

Учесть влияние конкретного газа позволяет введение поправочного коэффициента в формулу для коэффициента теплопроводности. Тогда
1
(4.11)
λT = iρcλcv ,
3
где i - безразмерная константа, которая определяется как
(4.12)
i = (9 j − 5) / 4 .
Здесь j = c p / cv - показатель адиабаты ( c p - теплоёмкость газа при постоянном давлении). Для одноатомного газа j =1,67, для двухатомного
газа j = 1,4, для трехатомных j = 1,3. Значения показателя адиабаты
для наиболее распространенных в технике газов приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Показатель адиабаты некоторых наиболее распространенных газов

Газы

Н2
j = c p / cv 1,4

Не
1,7

Н2O
1,3

Аr
1,67

Ne
1,67

N2
1,4

СО
1,4

О2
1,4

СО2
1,3

воздух
1,4

По аналогии с вязкостью из (4.11) следует вывод, что теплопроводность газов в условиях низкого вакуума не зависит от давления.
Еще раз подчеркнём, что данное утверждение справедливо в условиях
сплошной среды. При молекулярном режиме течения, когда средняя
длина свободного пути молекул превышает характерный размер элемента, теплообмен между поверхностями осуществляется молекулами
газа, летящими без столкновения от поверхности с температурой T1 к
поверхности с температурой T2 . То есть интенсивность теплообмена
оказывается зависящей только от потока носителей энергии – «горячих» молекул. Поэтому конвективным теплообменом в высоком вакууме обычно пренебрегают, считая его пренебрежимо малым по
сравнению с теплопроводностью и излучением (см. рис. 4.2). С этого
момента связь между теплопроводностью газа и давлением приобретает линейный характер.
Интенсивность молекулярного теплообмена в высоком вакууме
очень мала. При снижении давления разреженного газа от сотен Па до
десятых долей Па она уменьшается в 100 раз. В условиях среднего и
высокого вакуума коэффициент теплопроводности зависит от того,
95

насколько эффективен обмен энергиями между стенкой и падающей
на неё молекулой. Как уже отмечалось, этот обмен учитывается с помощью коэффициента аккомодации [см. формулы (2.16), (2.17)].
Количество тепла (Вт/ м2), переносимое от горячей поверхности с
температурой T1 к холодной поверхности с температурой T2 за счет
теплопроводности в условиях высокого вакуума, рассчитывается в виде

E=

nci
−T
2k (TiОТР
4

)=

α ПР Pci
2

i

Ti

(T П− T ) ,

(4.13)

где TОТР - температура газа, отражённого от горячей поверхности с
температурой T1 ; Ti - температура газа до столкновения с поверхностью с температурой T1 ; ci - средняя тепловая скорость молекул при
температуре Ti ; α ПР - параметр, зависящий от коэффициентов аккомодаций горячей и холодной поверхностей. α ПР определяется как

α ПР =

α 1α 2
α 1 + α 2 − α 1α 2

(4.14)

где α1 и α 2 - коэффициенты аккомодации каждой из поверхностей.
Данное выражение справедливо для одноатомных газов.
Если в вакуумной камере находится двух или многоатомный газ,
то количество тепла (Вт/ м2), передаваемого при молекулярном режиме за счет теплопроводности, определяется как

E=

α ПР Pci

 γ +1 
(TiП− T ) 
.
Ti
 γ −1 

(4.15)

8
Для одноатомного газа γ = 5 / 3 . В этом случае уравнения (4.13) и
(4.15) совпадают. Как видно, скорость переноса энергии в условиях
молекулярного течения пропорциональна величине давления и разности температур.
Зависимость теплопроводности и вязкости газа от давления можно использовать для косвенных измерений величины давления. С этой
целью достаточно контролировать интенсивность теплообмена в вакууме между нагретой проволочкой и стенками датчика, находящимися при температуре окружающей среды, либо измерять темп замедле-

96

ния раскрученного в вакууме ротора в результате его вязкостного торможения. Эти принципы широко используются в вакууметрии.
В условиях высокого вакуума основную роль начинает играть лучистый теплообмен. Природа теплообмена излучением отлична от переноса тепла конвекцией и теплопроводностью. Носители теплового
излучения – электромагнитные волны самой различной длины волны
(рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение, излучение видимой части спектра, γ - излучение). Природа всех этих излучений одна, разница заключается в длине волны.
Количество теплоты (Вт), передаваемое излучением, например
между двумя параллельно расположенными пластинами, можно определить как

 T1 4  T2 4 
E = ε ПР C0 
 −
 F ,
 100   100  

(4.16)

где T1 и T2 - температуры пластин в предположении, что T1 > T2 ; F площадь пластины; C 0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного
тела C0 = 5,67 Вт /( м 2 ⋅ K 4 ) ; ε ПР - приведённая степень черноты системы. ε ПР определяется в виде
1
,
(4.17)
ε ПР =
1 1
+ −1

ε1

ε2

где ε 1 и ε 2 - степени черноты первой и второй поверхностей соответственно.
Согласно (4.16) полный поток тепла, передаваемый излучением от
горячего тела к холодному, пропорционален площади поверхности
тела, приведённой степени черноты и разности четвёртых степеней
абсолютных температур тел.
На практике широко распространен случай, когда одно тело находится внутри другого. Причём поверхность внутреннего тела площадью F1 - выпуклая, а внутренняя поверхность внешнего тела площадью F2 - вогнутая. В этом случае лишь часть энергии с поверхности
F2 попадает на поверхность F1 . Часть энергии воспринимается самой
же поверхностью F2 . Приведённую степень черноты такой системы
можно найти по формуле
97

1
,
(4.18)

1 F1  1
+  − 1
ε1 F2  ε 2 
где ε 1 и F1 - степень черноты внутренней поверхности внешнего цилиндра и её площадь соответственно; ε 2 и F2 - степень черноты выпуклой поверхности внутреннего цилиндра и её площадь соответственно.
Отметим, что при молекулярном режиме течения на теплообмен
излучением давление не влияет.

ε ПР =

4.3. Диффузия газов
Диффузионный перенос молекул одного газа сквозь другой, «неподвижный», можно рассматривать как аналогию теплопереноса.
Концентрацию диффундирующего газа уподобляют теплосодержанию, коэффициент диффузии – коэффициенту теплопроводности, парциальное давление – температуре.
Согласно кинетической теории плотность диффузионного потока
J вдоль координаты x при постоянной температуре в одномерном
стационарном приближении является линейной функцией градиента
концентрации
(4.19)
J = − D (dn / dx) ,
где D – коэффициент диффузии (количество газа, проходящее в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации,
равном единице); n – концентрация диффундирующего газа, моль/м3;
dn / dx - градиент концентрации.
Выражая J в моль/(м2⋅с) и x – в м, из уравнения (4.19) после сокращения одноимённых единиц легко получить размерность коэффициента диффузии - м2/с. Именно её (или см2/с) используют в большинстве литературных баз данных. В частности, коэффициент диффузии
гелия в воздухе при комнатной температуре близок к 0,5 см2/с.
По своему физическому смыслу коэффициент D выражает диффузионный поток через единицу площади поперечного сечения при единичном градиенте концентрации. Так что наиболее информативной
для его понимания была бы, к примеру, размерность Па⋅м3/с на 1 м2
площади при градиенте 1 Па/м.
98

Коэффициент самодиффузии можно определить согласно выражению
1
(4.20)
D = cλ .
3
Видно, что при постоянной температуре коэффициент диффузии прямо пропорционален средней длине свободного пробега молекул и обратно пропорционален давлению. Поэтому в области высокого вакуума диффузионная «проводимость», как и длина свободного пробега,
очень велики.
Сопоставлением выражений (4.20) и (4.4) получаем следующую
формулу:
D = µ/ρ.
(4.21)
Можно использовать более точное соотношение
D = 1,342 µ / ρ .
(4.22)
Для «встречной» (взаимной) диффузии в случае смеси двух газов
с давлениями P1 и P2 при фиксированных значениях полного давления и температуры интегрирование (4.19) даёт

n

τ

=

F D ( P1 − P2 )
.
RT x

(4.23)

Здесь диффузионный поток n / τ выражен в моль/с; F - площадь поперечного сечения диффузионного канала – в м2; коэффициент диффузии D – в м2/с; давление P - в Па.
Диффузионные процессы существенны при многих технологических операциях, например при сушке и увлажнении различных веществ и материалов, сублимационном замораживании продуктов, сепарации газовых смесей. Интересно рассмотреть отдельные аспекты
массопереноса с позиций контроля герметичности вакуумируемых
объектов. Пробный газ (как правило, гелий) обычно вводят в высоковакуумную детектирующую систему через длинную гибкую трубку.
Как показано на рис. 4.4, возможно несколько схем его подачи. Если
трубка будет заполнена неподвижным атмосферным воздухом, из-за
чрезвычайно малой скорости диффузии пробного газа процесс контроля окажется неприемлемо долгим. Если же трубку откачивать как
часть вакуумной системы детектора, её стенки должны иметь достаточную толщину. Если к тому же она будет выполнена из пластика,
адсорбция его поверхностью пробного газа вызовет крайне нежела99

тельный эффект памяти. Кроме того, десорбционный поток со стенок
пластиковой трубки создаст дополнительную газовую нагрузку на
средства откачки детектирующей системы.

Рис. 4.4. Схемы подачи пробного газа при течеискании

Наилучших результатов в большинстве случаев достигают, подключая дополнительный («внешний») насос (нижняя схема на рис.
4.4). В этом случае пробный газ поступает в детектирующую систему
со скоростью, обеспечивающей время реакции не более нескольких
секунд. Детектор подсоединяют к трубке через капиллярный ограничитель газового потока либо через мембрану, обладающую повышенной проницаемостью по пробному газу.

100

4.4. Потоки в микроканалах. Диффузионный перенос газов
Этот параграф непосредственно затрагивает проблемы микротечей в вакуумных системах. Он посвящён характеристикам очень малых газовых потоков, натекающих в вакуумные камеры через трещины или в результате диффузии. Существующие математические модели этих процессов и количественные соотношения не всегда пригодны
для инженерной практики. Геометрия трещин и других микроканалов
обычно неизвестна, и её трудно определить. Поэтому натекающие потоки оцениваются, как правило, эмпирически.
Основная задача состоит в определении зависимости натекающего потока от внешних факторов. Поток может быть пропорционален
градиенту давления, разнице квадратов давлений, перепаду давлений в
сечении микроканала. Натекающий поток зависит также от рода газа,
что помогает выявлять механизмы натекания. Если микроканалы
очень малы, а натекающий газ может конденсироваться, особое значение приобретают поверхностные эффекты. Поэтому важной задачей
становится рассмотрение адсорбционных и поверхностных потоков.
Газовые потоки, выявляемые в процессе течеискания, лежат в интервале от 1 до 10-10 л⋅Па/с, а в отдельных случаях они ещё меньше. В
дополнение к трудностям, связанным с неопределённостью геометрической формы трещин, при контроле герметичности нелегко определить и режимы течения газа в микроканалах. Обычно полагают, что
поток масштаба 10 л⋅Па/с имеет турбулентный характер. В наиболее
интересной области – от 10 до 10-4 л⋅Па/с – потоки считают ламинарными, а при величинах менее 10-5 л⋅Па/с – молекулярными. Переход от
ламинарного к молекулярному режимам возможен в любой точке интервала 10-2 – 10-5 л⋅Па/с.
Практическую значимость достоверной оценки режима течения
можно показать, сравнивая потоки различных газов, натекающих в
камеру через микроканал заданной геометрии. В технике течеискания,
обосновывая выбор гелия как пробного газа, часто утверждают, что
при фиксированных условиях поток гелия через микроканал будет в
2,7 раза больше, чем поток воздуха ( M возд M He = 2,7 ). Это справедливо, однако, лишь в молекулярном режиме. В условиях ламинарного течения эти потоки будут практически одинаковы, поскольку в
этом режиме они зависят только от вязкости газов (при температуре
101

0°С отношение коэффициентов вязкости гелия и воздуха составляет
1,053).
Мельчайшие трещины могут быть перекрыты каплями жидкости
(маслом или водой). Эти капли блокируют потоки пробного газа. Для
их испарения при комнатной температуре требуется очень длительное
время. Процедура течеискания, как известно, сводится к откачке испытываемой камеры и индикации натекающего в неё из атмосферы
воздуха либо какого-либо пробного газа, например гелия. Однако из-за
капиллярных сил атмосферное давление может оказаться недостаточным для выдавливания капли из трещины. Напомним, что капиллярное давление пропорционально коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорционально диаметру капилляра. Для вытеснения водяной капли из капилляра диаметром 1× 10-4 см, к примеру, необходимо избыточное давление около 3 ати.
Проблема усложняется еще тем, что геометрия микроканалов непредсказуема. Не исключено наличие одиночных либо множественных пор – ловушек для пробного газа, которые он должен преодолеть
на пути из атмосферы в вакуумную камеру. Как видно из рис. 4.5, различие между диффузионным и молекулярным потоками в таких порах
может быть весьма значительным, как и разница между ламинарным и
молекулярным потоками в самом канале.

Рис. 4.5. Сопоставление массопереноса в ламинарном и
молекулярном режимах течения
102

4.5. Адсорбционная «задержка» потока
В очень узких микроканалах (капиллярах) из-за адсорбции молекул возможно замедление («задержка») потока. Усреднённая продолжительность движения переднего фронта потока молекул в капилляре
длиной l и диаметром d без учёта их поверхностной миграции в молекулярном режиме составляет
l2 τ
l2
τ =
+
,
(4.24)
2 vd
2d2
где τ – время жизни комплекса «адсорбированная молекула – поверхность»; v - скорость молекул. Первое слагаемое определяет «чистое»
время движения молекулы в капилляре в предположении, что её отражение стенками носит диффузный характер; второе – адсорбционную
задержку.
Затраты энергии, необходимые для поверхностной миграции, т.е.
для скачкообразного перемещения адсорбированных молекул по поверхности, меньше, чем для их десорбции. Чем ближе среда к состоянию пара, тем существеннее вклад молекулярных скачков. С их учётом поток молекул сквозь капилляры при низких температурах и повышенных давлениях может даже превысить величину, характерную
для ламинарного или молекулярного режимов. Усреднённая продолжительность движения переднего фронта молекулярного потока в капилляре с учётом поверхностной миграции составляет
l 2 /2 d v + l 2τ /2 d 2
,
(4.25)
τ′=
1 + 0,75 (τ /τ c ) a 2 / d 2

(

) (

(

)
)

где τ c – среднее время пребывания адсорбированных молекул в фиксированном состоянии (состоянии покоя); a – длина скачка.
Характерные параметры движения молекул в капиллярах сведены
в табл. 4.2. Символом vc обозначена усреднённая скорость перемещения переднего фронта потока без учёта поверхностной миграции. Как
видно из табл. 4.2, эффект поверхностной миграции проявляется только в очень узких микроканалах. Если характеристический диаметр капилляра близок к размерам пор в пористых материалах (~ 10-6 см), этот
эффект становится доминирующим. В этом случае

103

2
3

l
a

2

τ = τс  .

(4.26)

Таблица 4.2
Усреднённые параметры движения переднего фронта газовых потоков
в капиллярах различной геометрии
Размеры
Параметры
Газы
капилляра,
движения
Водород,
Азот,
Органическое
см
гелий
воздух
соединение
d
l
τ ,с
10-2
0,5
3⋅10-3
vc , м/с
33
5
0,2
10
0,1

10

10-2

10-3

10-4

10-6

10-7

τ ′, с
τ ,с
vc , м/с
τ ′, с
τ ,с
vc , м/с
τ ′, с
τ ,с
vc , м/с
τ ′, с

–
3⋅10-4

–
10-3

–
50

3,3

1

2⋅10-5

–
3⋅10-4

–
6⋅10-3 с

–
1,5 час

0,3

0,017

2⋅10-8

–
5⋅10-5

–
5⋅10-3

0,5 час
1,5 час

0,2

0,002

1⋅10-9

–

–

22

4.6. Поверхностная миграция
Некоторые жидкости способны мигрировать по твёрдой поверхности в виде сплошной тонкой пленки. Подробно это явление анализируется, к примеру, в литературе по смазке прецизионных механизмов. Оно проявляется как увлажнение шероховатой (подвергнутой
предварительной бомбардировке стеклянными шариками или пескоструйной обработке) поверхности. Скорость миграции определяется силами поверхностного натяжения. Плёнки жидкостей с низким давлением пара, имеющие коэффициент поверхностного натяжения больше
3⋅10-4 Н/м, не способны как целое перемещаться по собственным мо104

нослоям на поверхности металлов. Такие жидкости называют аутофобными. Возможность же диффузии молекул вдоль поверхности (поверхностной миграции молекул) сохраняется.
Роль поверхностной миграции в многофазных средах можно оценить, учитывая кинетические и энергетические характеристики процесса. Как отмечалось ранее, время жизни комплекса «адсорбированная молекула – поверхность» больше временного интервала между
последовательными молекулярными скачками. Отношение этих времён логично считать одним из критериев значимости массопереноса
по механизму поверхностной диффузии. Согласно оценкам, для трубки диаметром 1 см этот механизм можно считать существенным, если
указанное отношение превышает 1015.
Численные значения теплоты адсорбции, адекватной поверхностной миграции, или, что то же самое, энергии активации диффузионного переноса молекул вдоль поверхности E ДИФ. ПЕР , редко встречаются
в литературе. Обычно считают, что они находятся в пределах 55 –
100% от теплоты адсорбции E АДС одноимённых молекул.
Оценим, к примеру, возможные масштабы поверхностной миграции для пентафенил – триметил - трисилоксана, широко используемого в качестве рабочей жидкости высоковакуумных пароструйных насосов. Значения вышеназванных энергетических констант для этой
жидкости можно считать равными 67 и 117 кДж/моль соответственно.
Тогда отношение времён будет близким к 105; временнóй интервал
между последовательными молекулярными скачками при комнатной
температуре и длина скачка составят 0,1 с и 10 Ǻ соответственно. Положим, что зона возможной миграции имеет протяжённость 1 см. Двигаясь в одном направлении, молекула преодолеет эту дистанцию за 107
скачков. Для этого ей потребуется 0,1 с⋅107 = 106 с (около недели).
Высказанные соображения проиллюстрированы рис.4.6. Область
представленных на рисунке графических зависимостей τ / τ c отвечает
значимому вкладу поверхностной миграции в формирование молекулярного потока через капилляры разной геометрии. В качестве параметра выбрана абсолютная температура стенок капилляров.

105

а

б

Рис. 4.6. Временны́е диаграммы для оценки роли
поверхностной миграции: а -диаметр, б -- разность энергий адсорбции
и поверхностной диффузии

4.7. Газы в материалах. Газовыделение
Как отмечалось в п. 2.1, отношение атомной (молекулярной) концентрации газообразного вещества при атмосферном давлении и в
конденсированной (твёрдое тело, жидкость) фазе составляет примерно
1:1000. Этот факт даёт основание считать, что если один из тысячи
атомов в твёрдом теле является газовым включением, то такое тело
несёт в себе газ при атмосферном давлении. Подобное состояние можно уподобить «мыльным пузырям» в кристаллической структуре. Газовые включения обычно концентрируются на границах между зёрнами. Растворимость газов зависит от природы твёрдого тела, вида кристаллической решётки, химической активности, температуры, технологической предыстории. Только водород обладает значительной
106

диффузионной подвижностью в большинстве металлов. В некоторых
из них его концентрация намного превышает атмосферный эквивалент. Инертные газы нерастворимы в металлах; их диффузионная подвижность практически равна нулю.
Эластомеры (пластмасса, резина и т.п.) могут содержать до одного весового процента различных газов, причем среди них доминирует
водяной пар. Из-за пористой структуры пластмасса обладает значительной внутренней адсорбционной активностью.
Стекло также характеризуется определённой степенью пористости, по крайней мере для гелия. В большинстве видов стёкол содержится столько же гелия, как и в воздухе (~ 5⋅10-1 Па). Реальность такова, что твёрдые тела и жидкости в подавляющем большинстве насыщены газами в количестве, сопоставимом с их содержанием в воздухе.
Имеются в виду материалы, не подвергавшиеся для уменьшения газосодержания специальной технологической обработке, например вакуумному переплаву. Значительная доля этих газов сосредоточена в порах, оксидных плёнках, на границах зёрен и т.п. И даже после удаления адсорбированных газов путём прогрева либо иного энергетического воздействия на деталь в её толще остаётся некоторое количество
газа. Так что в высоковакуумную камеру со стенок всегда поступает
поток газовых молекул, и, например, при испытании насосов в принципе невозможно свести к нулю натекающий туда газовый поток. Поэтому минимальное давление, достигаемое в откачиваемом объёме,
наряду с предельным остаточным давлением самого насоса, которое
определяется его конструкцией и состоянием рабочих органов, всегда
включает компоненту, определяемую газовыделением конструкционных и функциональных материалов. Благодаря этому в процессе откачки вакуумных систем имеет место довольно интересное явление:
составы начальной откачиваемой среды и остаточного газа серьезно
разнятся. Основные составляющие откачиваемой среды – воздуха (кислород, азот) - в спектре остаточных газов практически отсутствуют, а
вот СО2 , СО, H2 , H2O – газы, содержание которых в воздухе мало, составляют ее основу.
Газовыделение – самопроизвольное выделение газа из материала в
вакуум. Газовыделение как физический процесс зависит от рода материала и выделяющихся газов (паров), температуры и продолжительности выдержки материала в вакууме. Удельная скорость газовыделения,
иначе говоря, газовый поток с единицы проективной площади поверх107

ности, сильно зависит от технологической предыстории и текущего
состояния поверхности, её шероховатости, степени загрязнённости,
структурных особенностей материала и других факторов. Применительно к эластомерам очень трудно различить десорбционное (т.е. выделение газов, адсорбированных поверхностью) и диффузионное газовыделение (т.е. выделение газов, диффундирующих к поверхности из
толщи материала).
Скорости газовыделения различных материалов различаются на
несколько порядков. Конденсируемые вещества, в частности вода,
сорбируясь, образуют плёнки толщиной 10 – 100 монослоёв. Поведение таких плёнок в значительной степени зависит от энергии связи и
температуры поверхности. Температурная зависимость скорости газовыделения для большинства материалов описывается экспонентой.
Кинетика газовыделения в зависимости от его физических механизмов описывается степенными функциями вида τ 0,5 , τ 1 , τ 2 . Здесь
τ – временнáя координата. В случае десорбционного газовыделения
металлов применима экстраполяция результатов измерений вида τ −1 .
Для временных промежутков длительностью несколько часов кинетическая кривая скорости газовыделения неплохо описывается функцией
q = q 0 exp (− aτ ) ,
(4.27)
где q 0 – начальная скорость газовыделения; a – экспериментальная
константа.
Аналитические зависимости для скорости газовыделения, на
практике гарантирующие приемлемую точность, отсутствуют. Между
тем знать скорость газовыделения и его кинетику крайне важно, поскольку именно газовыделение формирует газовую нагрузку на средства откачки и определяет выбор их проектных параметров. К сожалению, экспериментальные данные о скоростях газовыделения, опубликованные разными авторами, различаются в десятки (а иногда и в сотни!) раз. Тому есть несколько причин, наиболее важными из которых
являются: неопределённость технологической предыстории поверхности изучаемых материалов; отсутствие информации о стартовых условиях измерений; неконтролируемые различия физического состояния
поверхности образцов и методов их очистки и обработки; погрешности, связанные с методикой измерений и их проведением; отсутствие
во многих опубликованных работах данных о парциальном составе
продуктов газовыделения.
108

Зависимости удельной скорости газовыделения некоторых наиболее часто встречающихся в технике вакуума материалов от времени
выдержки образцов в вакууме представлены на рис. 4.7– 4.9.

Рис. 4.7. Удельная скорость газовыделения
различных материалов: 1, 2 – нержавеющая сталь; 3 – холоднокатаная
сталь; 4, 5 – эпоксидная смола; 6 – тефлон; 7 – неопрен;
8 – полимеризованный синтетический каучук

109

Рис. 4.8. Удельная скорость газовыделения меди

Рис.4.9. Удельная скорость газовыделения нержавеющей
стали при различных видах предварительной обработки:
1 – хонингование стеклянными шариками; 2– химическое полирование;
3 – ультразвуковая очистка; 4 – вакуумное обезгаживание при 300˚С в течение 2 часов; 5 –механическая полировка; 6 –электрическое
полирование; 7– химическая очистка; 8– без обработки
110

4.8. Газопроницаемость
Газопроницаемостью называют свойство твёрдого тела обладать
некоторой «прозрачностью» для газа. В зависимости от структуры материала и рода газа его поток через твёрдую стенку может быть достаточно большим даже при отсутствии пор, трещин, межзёренных границ. Известно, что стенки сосудов из кварца и стекла проницаемы для
гелия, водорода и ряда других газов.
Базовое выражение для потока газопроницаемости Q обычно записывают в форме
F
(4.28)
Q = k п (P1 − P2 ) ,

δ

где kп – коэффициент проницаемости для данной пары «газматериал» (табл. 4.3, 4.4); F и δ – площадь и толщина образца; P1 и
P2 – парциальные давления проникающего газа по обе стороны образца.
Коэффициент проницаемости представляет собой объем газа при
некотором давлении, проходящий за 1 с через единицу площади поверхности стенки толщиной 1 мм при заданных температуре и перепаде давлений. Коэффициент проницаемости возрастает с температурой
в соответствии с логарифмической зависимостью
B
(4.29)
lg k п = A − ,
T
где A , B – константы. Для пары «гелий–стекло» в интервале температур, близких к комнатной, температурная зависимость оказывается
почти линейной. Известны также материалы, газопроницаемость которых падает с ростом температуры скорее всего из-за структурной перестройки. Коэффициенты проницаемости для некоторых материалов
приведены в табл. 4.3, 4.4.

111

Таблица 4.3
Коэффициенты газопроницаемости некоторых материалов
Пробный газ
Материал
kп
Азот

Поливинилиденхлорид 7⋅10-9

1

Гелий

1
1

Гелий в стекле

Полиамид (нейлон 6)

8⋅10-8

Полиэтилен

(0,3 – 3,0) ⋅10-5

Натуральный каучук

7⋅10-5

Резина

9⋅10-5

Плавленый кварц

8⋅10-6

Викор

1⋅10-5

Пирекс

8⋅10-7

при 30°С

при 25°С

Стекла, поглощающие
рентгеновские лучи

4⋅10-12

Водород в ме-

Углеродистая сталь

10-7 – 10-8

25°С

2

Нержавеющая сталь

10-10 – 10-11

25°С

Углеродистая сталь

3⋅10-3

400°С

Нержавеющая сталь

9⋅10-5

400°С

Алюминий

7⋅10-9

25°С

Медь

3⋅10-12

25°С

Инконель, ковар

4⋅10-11

25°С

таллах

Никель

6⋅10-9

Палладий

1,7⋅10-6

25°С
25°С

Примечания: 1 - единица измерения: Па⋅л/с⋅ на 1 см2 площади образца
толщиной 1 мм при перепаде давлений в 1 атм; 2 - единица измерения:
Па⋅л/с на 1 см2 площади образца толщиной 1 мм при перепаде давлений в 0,5 атм
112

Водяные
пары

Гелий

Диоксид
углерода

Кислород

Фреон-12

6⋅10-5

1⋅10-4

1,3⋅10-5

4⋅10-5

Водород
7,3⋅10-5

1,3⋅10-2

Бензол
4,7

Па ⋅ л
с ⋅ см2

Азот

kп

3⋅10-6

Таблица 4.4
Коэффициенты проницаемости акрилонитрилполибутадиена
по различным газам и парам для образца толщиной
1 мм при перепаде давлений в 1 атм
Газ

Очень кратко данные о газопроницаемости различных материалов
можно обобщить следующим образом. Стёкла проницаемы для Не, Н2,
Ne, Ar и О2. Сквозь металлы проникает преимущественно Н2, особенно сквозь сталь (при коррозии, электролизе и т.д.) и палладий. Металлы непроницаемы для инертных газов, серебро проницаемо для О2.
Полупроводники германий и кремний проницаемы для Не и Н2. Полимеры проницаемы почти для всех газов, причём здесь наблюдаются
удивительные аномалии. Проницаемость ряда полимеров по тяжёлым
газам, к примеру больше, чем по гелию. Весьма велика и проницаемость полимеров по водяным парам, особенно для силиконового каучука.
Для некоторых технических приложений существенны не только
установившиеся значения потоков газопроницаемости, но и время установления стационарного режима. Например, в прокладке сечением
4×4 мм2 диффузионное равновесие устанавливается: за 10 мин (силиконовый каучук), 30 мин (натуральный каучук) и 45 мин (неопрен).
4.9. Электрические явления в вакууме
Как отмечалось в главе 1, вакуум находит широкое применение в
ускорителях, накопителях и столкновителях заряженных частиц, установках управляемого термоядерного синтеза, в другой электрофизиче113

ской аппаратуре, напылительных установках. Основу данных технологий составляют процессы, проходящие в разреженных газах, при приложении электрических и/или магнитных полей. «Качество» этих технологий напрямую зависит от концентрации и состава остаточного
газа, а также от состояния стенок камеры. Отличительной особенностью таких установок также являются: непосредственное взаимодействие заряженных частиц с остаточным газом и со стенками; постоянные, пульсирующие и переменные магнитные и электрические поля и,
как следствие, неоднородные и нестационарные температурные поля;
наличие локализованных и распределенных источников газовыделения и сорбирующих поверхностей.
Жёсткие требования предъявляются к парциальному давлению
остаточных газов. Спектр остаточных газов не должен содержать углеводородов и компонентов с атомным числом более 44. Для этого
необходимо, чтобы отсутствовали или были подавлены физические
механизмы, приводящие к появлению таких компонентов в результате
взаимодействия заряженных частиц со стенками камеры.
Очень важное влияние давление оказывает и на рассеивание пучка заряженных частиц из-за соударений с молекулами остаточного газа. Потери на рассеивание могут быть оценены как
(4.30)
I / I 0 = exp(−l / λ ) ,
где I - интенсивность пучка заряженных частиц, прошедших расстояние l ; I 0 - начальная интенсивность пучка.
Можно видеть, что на пути l = λ рассеяние испытывает 63% частиц. Отсюда следует, что в камерах, например, ускорителей и накопителей должен обязательно поддерживаться высокий или, лучше,
сверхвысокий вакуум и остаточное давление должно составлять не
более 10-9 - 10-7 Па. В напылительных установках требования к предельному остаточному давлению не такие жёсткие – не более 10-4 - 10-3
Па.
Рассмотрим для начала закономерности движения заряженных
частиц в газе. Как уже отмечалось, и заряженные, и нейтральные частицы находятся в состоянии непрерывного движения. В условиях отсутствия градиента концентраций частиц или приложенных к газу полей их движение будет совершено беспорядочным, и, следовательно,
все направления движения равновероятны. При наличии в газе электрического поля движение заряженных частиц перестает быть хаотическим и приобретает направление вдоль силовой линии поля. Таким
114

образом, появление направленного движения частиц в газе, т.е. электрического тока, может быть связано или с наличием электрического
и/или магнитного полей, или с неравномерностью распределения зарядов в пространстве.
При атмосферном давлении заряженная частица, как и нейтральный атом, имеет чрезвычайно малую среднюю длину свободного пробега. Например, при 273К средняя длина пробега собственных молекул составляет: для водорода – 0,11 мкм, для воздуха – 0,06 мкм, для
ксенона – 0,035 мкм. При одинаковых условиях средняя длина свободного пути электронов λ e = 5,66λ . Это связано с тем, что электрон
значительно меньше молекулы и может рассматриваться как частица с
радиусом, равным нулю. При этом скорость электрона всегда гораздо
больше скорости молекул газа. Для ионов λi = 1,42λ .
Результаты столкновения электронов с молекулами газа могут
различаться в зависимости от энергии электрона и условий столкновения. Так, при встрече медленного электрона имеет место упругое соударение. Обмен кинетическими энергиями в этом случае очень мал
из-за большой разницы их масс. Результатом взаимодействия в этом
случае является только передача доли кинетической энергии от электрона к молекуле остаточного газа. Доля передаваемой энергии определяется по формуле
(4.31)
k = 2m e / m ,
где me и m - массы электрона и молекулы соответственно. Значение

k изменяется от 2,78 ⋅ 10 −4 для гелия до 5,5 ⋅ 10 −6 для ртути.
По мере накопления энергии электроны приобретают возможность ионизировать молекулы. Это происходит в результате неупругих
столкновений. Максимальную кинетическую энергию, переходящую в
потенциальную при соударении электрона и молекулы, можно найти
исходя из закона сохранения полной энергии системы в виде
m
(4.32)
W1 ,
∆W =
m + me
где W1 - энергия электрона. Здесь предполагается, что частица массой

m находится в состоянии покоя. Поскольку m >> me , то ∆W ≈ W1 , т.е.
вся кинетическая энергия электрона тратится на возбуждение или ионизацию молекулы. Данные процессы возможны при W1 > U В или при
115

W1 > U И ( U В и U И - потенциалы возбуждения и ионизации). Причем
вероятность возбуждения или ионизации будет зависеть от того, насколько W1 будет превышать U В и U И . Потенциалы возбуждения и
ионизации для некоторых газов представлены в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Потенциалы возбуждения и ионизации различных газов
Потенциал
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Hg
H
21,2
16,9
11,6
10
8,5
4,9
10,2
U В , эВ

U И , эВ

24,6

21,6

15,8

14

12,1

10,4

13,6

Таким образом, электрический ток между электродами возникает,
когда к последним прикладывается разность потенциалов, способная
вызвать ионизацию газа и превратить его из диэлектрика в проводник.
При этом для осуществления газового разряда необходимо наличие в
газе некоторого, пусть и небольшого, количества ионов, т.е. необходима предварительная ионизация газа. Благодаря «внешним ионизирующим факторам» - космическому излучению и радиоактивному излучению Земли – начальная ионизация газа существует всегда. Первичная ионизация может вызываться и другими факторами. Например,
фотоэлектрическим эффектом при освещении катода ультрафиолетовыми лучами, нагревом или облучением. Возникающие заряженные
частицы или собираются на электродах, или, соударяясь с молекулами
газа, ионизируют их, вызывая появление новых пар ионов и электронов.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового пространства между двумя металлическими электродами (рис. 4.10). При
небольшой разности потенциалов между катодом и анодом ионизация
газа, а следовательно, и сила тока зависят только от начальной ионизации. Поэтому в данных условиях газовый промежуток является почти идеальным изолятором. При прекращении действия источника начальной ионизации сила тока сводится практически к нулю. Такой
разряд называется несамостоятельным.
Увеличение тока на участке АВ связано с более высокой концентрацией электронов и ионов на электродах. На участке ВС этот процесс завершается, и ток достигает почти постоянного значения. Между
точками А и D наблюдается несамостоятельный разряд. В случае ос116

лабления действия внешних ионизаторов ток разряда сразу уменьшается, и кривая сдвигается влево (штриховая кривая на рис. 4.10). При
повышении напряжения до 100÷ 200 В (в зависимости от р ода газа и
материала катода) электроны ускоряются в электрическом поле и на
длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для
того, чтобы возбуждать или ионизировать молекулы нейтрального газа. Ионы, двигаясь к катоду, вызывают эмиссию новых электронов. Те,
в свою очередь, ускоряясь на пути к аноду, возбуждают или ионизируют новые молекулы, и, таким образом, процесс продолжается. При
этом возникают вторичные электроны и ионы, и их число лавинно нарастает. Сила тока в этом случае практически не зависит от внешних
ионизирующих источников, и для горения разряда действие последних
не требуется, а две ветви ВАХ в точке D сливаются в одну. Такой разряд называется самостоятельным.

Рис. 4.10. Вольт-амперная характеристика
электрического разряда

Говоря о самостоятельном разряде, обычно различают тихий разряд и тлеющий разряд. Тихому самостоятельному разряду соответствуют малая сила тока и малая интенсивность свечения – участок DЕ
117

ВАХ. Дальнейшее увеличение разрядного тока приводит к тому, что
основная доля разности потенциалов смещается в зону катодной области. Как следствие, эффективность ионизации увеличивается, а напряжение, необходимое для поддержания разряда, падает (участок ЕF
ВАХ).
Далее следует плоский участок FG, характеризующийся постоянной плотностью тока и падением напряжения, а также возникновением
интенсивного свечения в прикатодной области. Этот участок соответствует нормальному тлеющему разряду. Дальнейшее увеличение тока
возможно лишь за счет увеличения его плотности. При этом тлеющий
разряд переходит в аномальную форму (участок GH). В режиме развитого аномального разряда (в окрестности точки H) происходит существенный нагрев катода и повышение плотности тока возле него. Под
воздействием этих факторов наблюдается резкий переход от тлеющего
к дуговому разряду (участок HK). Область существования дугового
разряда (KL) характеризуется локализацией разряда на небольшом
участке – катодном пятне.
Наибольший интерес с точки зрения использования в различных
технологических процессах представляет самостоятельный разряд.
Исследования показывают, что разность потенциалов, необходимая
для возникновения самостоятельного разряда, зависит от произведения давления в межэлектродном промежутке P0 на расстояние между
электродами d , а не от каждого из этих параметров в отдельности.
Данный факт иллюстрируют кривые, представленные на рис. 4.11. Для
каждого газа имеется свое минимальное значение напряжения. Наличие такого минимума объясняется тем, что при низком вакууме в связи
с малой длиной свободного пробега электроны не успевают приобрести энергию, необходимую для возбуждения или ионизации молекул
газа. В условиях высокого вакуума средняя длина свободного пробега
существенно больше, но мало количество самих заряженных частиц.
Поэтому наибольшее значение электропроводности наблюдается в условиях среднего вакуума, что приблизительно соответствует уровню
давлений 1 ÷ 10 Па. Напротив, в типичных установках, требующих
гарантированного поддержания электроизолирующих свойств межэлектродного промежутка, давление должно быть меньше 10-5 - 10-3Па.
Вместе с тем при конструировании и технологическом оформлении ускорительных трубок, высоковольтных вводов в вакуум, других
вакуумных электротехнических устройств особое внимание следует
118

уделять локальным участкам, например узким щелям между диэлектриком и электродами, с зазорами порядка нескольких мкм. В них изза газовыделения может формироваться локальная газовая атмосфера,
давление которой может на несколько порядков превышать среднее
давление в межэлектродном пространстве. Поэтому не исключена
возможность приближения показателя P0 d к области резкого падения
электрической прочности (рис. 4.11) и возникновения локального пробоя. Появляющиеся при этом свободные ионы и электроны могут инициировать пробой межэлектродного промежутка в целом.

Рис. 4.11. Зависимость напряжения, необходимого для
возникновения самостоятельного разряда, от произведения
давления на расстояние между электродами

В формирование десорбционного потока со стенок вносят вклад
сразу несколько механизмов: тепловая десорбция, связанная с лучистым нагревом стенок; прямая фотодесорбция; десорбция, стимулиро-

119

ванная электронами, эмитируемыми самими стенками. В состав продуктов десорбции в первую очередь входят СО, СО2 , С2H4, H2 , H2O.
Не менее сильное влияние на электрическую прочность электродных промежутков оказывает состояние поверхности граничных деталей, и прежде всего их микрорельеф, наличие жировых пленок и других диэлектрических вкраплений. Роль микрорельефа очевидна: вблизи микровыступов резко возрастают градиенты электрического поля и
соответственно автоэлектронные эмиссионные токи с поверхности.
Диэлектрические включения отрицательно влияют на электрическую прочность благодаря как минимум двум физическим процессам.
Во-первых, подвергаясь облучению заряженными частицами, они накапливают некоторый электрический потенциал относительно соседних участков электрода. В результате становится возможным электрический микропробой, инициирующий нарушение электрической прочности всего промежутка. Во-вторых, слой диэлектрика на поверхности
металла снижает работу выхода электронов, вследствие чего, возрастают токи автоэлектронной и ионно-стимулированной электронной
эмиссии либо формируются взрывоэмиссионные токи.
Наиболее значимым с практической точки зрения является тлеющий разряд, который находит применение в технологиях вакуумного
напыления (ионная очистка). Для тлеющего разряда характерно так
называемое катодное падение, т.е. изменение потенциала на несколько
сотен вольт вблизи катода. Следствием этого является поток быстрых
положительных ионов, бомбардирующих катод, и появление за счёт
этого большого количества электронов, достаточного для поддержания разряда.
Тлеющий разряд отличает своеобразная картина свечения. В области между электродами выделяется ряд тёмных и светящихся областей (рис. 4.12). Непосредственно у катода располагается тончайшая,
невидимая глазом, первая катодная тёмная область 1. За ней следует
тонкая светящаяся область первого катодного свечения 2, а затем вторая катодная тёмная область 3, называемая также круксовым темным
пространством. Далее по порядку следуют область катодного тлеющего свечения 4, фарадеево тёмное пространство 5, положительный
столб 6, занимающий наибольший участок межэлектродного пространства 6. Завершают картину анодная тёмная область 7 и область
анодного свечения 8.
2
120

Рис. 4.12. Зоны тлеющего разряда

Существование перечисленных областей непосредственно связано
с механизмом тлеющего разряда. Так, свечение в первой катодной области отсутствует из-за того, что электроны, вышедшие с катода,
имеют малые скорости. Достаточную для ионизации газа энергию они
приобретают, только достигнув области первого катодного свечения
(2). Поскольку в ходе ионизации электроны теряют свою скорость, то
возникает вторая катодная тёмная область (3). Здесь электроны снова
ускоряются и ионизация газа происходит в следующей светящейся
области – катодного свечения (4). Следующая тёмная область – фарадеева (5) во многом повторяет характер второй тёмной катодной области. Здесь электроны обладают энергией, недостаточной для ионизации, но, нарастив её, формируют положительное анодное свечение,
которое занимает весь оставшийся промежуток до анода.
Контрольные вопросы
1. Как на вязкость газа влияет давление в вязкостном и молекулярном режимах течения?
2. Способы передачи тепла в условиях вакуума. Как влияет на тепловой поток в газе давление в вакуумной камере?
3. Что такое коэффициент диффузии и как он зависит от давления
в низком и высоком вакууме?
4. Специфика течения газов в микроканалах.
5. Сущность адсорбционной «задержки» потока.
6. Что такое газовыделение? От чего зависит скорость газовыделения?

121

дов?

7. В чём различие самостоятельного и несамостоятельного разря-

8. Как зависит электропроводность газа от степени вакуума?
9. От чего зависит разность потенциалов, необходимая для возникновения самостоятельного разряда?
10. Какие Вы знаете зоны тлеющего разряда и в чём их специфика?

122

5. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМА
5.1. Типовая характеристика вакуумного насоса
Основным элементом любой вакуумной системы является вакуумный насос. Очевидно, что данный параграф следует начать с определения вакуумного насоса. Согласно ГОСТ 5197-85 вакуумный насос
– устройство, предназначенное для создания, повышения и поддержания вакуума.
Рабочая характеристика вакуумного насоса представляет собой
зависимость быстроты действия от давления на входе (рис. 5.1).
Практически любой насос имеет в некотором диапазоне входных
давлений постоянную быстроту действия, которая называется номинальной быстротой действия насоса S Н . Справа и слева этот участок
ограничивается наибольшим рабочим давлением PНАИБ . Р и наименьшим рабочим давлением PНАИМ . Р соответственно. Наибольшее
рабочее давление насоса – наибольшее давление во входном сечении
насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную
быстроту действия.

Рис. 5.1. Типовая рабочая характеристика высоковакуумного насоса
123

Наименьшее рабочее давление насоса – наименьшее давление во
входном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Рабочий диапазон давлений определяется принципом действия
насоса. В этом диапазоне обеспечивается наиболее эффективное использование насоса.
При работе любого насоса в его входном сечении имеется, пусть
и очень малый, обратный поток в сторону откачиваемого объёма. Этот
поток состоит из паров рабочей жидкости и газов, растворённых в ней
и выделяющихся в вакууме, газа, перетекающего со стороны выхода
на сторону входа через рабочий механизм насоса, и т.д. Соотношение
между прямым и обратным потоками определяет давление PВХ , устанавливающееся во впускном отверстии. По мере откачки (понижения
давления) прямой поток уменьшается, а обратный или увеличивается,
или остаётся практически неизменным. При выравнивании прямого и
обратного потоков быстрота действия насоса становится равной нулю.
Этому моменту соответствует достижение насосом предельного остаточного давления.
Предельное остаточное давление – давление, к которому
асимптотически стремится давление в стандартизованном испытательном объёме без напуска газа при нормально работающем насосе. Это один из ключевых параметров любого насоса,
который обязательно указывается в его паспорте.
Полное остаточное давление в системе складывается из парциальных давлений находящихся в ней индивидуальных газов. Насосы
объёмного действия, например, насосы с масляным уплотнением,
имеют примерно одинаковую быстроту действия по различным газам.
Однако для большинства высоковакуумных насосов при молекулярном режиме характерна селективность откачки: различные газы откачиваются ими с разной быстротой.
Необходимо чётко различать предельное остаточное давление
собственно насоса и предельно достижимое давление в вакуумной камере. Газовые нагрузки в камере часто на несколько порядков больше,
чем поток газа, выделяющегося внутри насоса. Источники газа могут
быть в вакуумной системе или в самом насосе. В дополнение к газовыделению конструкционных материалов источниками газовой нагрузки могут быть смазки, рабочие жидкости (в частности, в паро124

струйных насосах) и реэмиссия ранее поглощённых газов. Поэтому в
камере далеко не всегда можно достичь предельного давления, на которое способен насос. Обычно приводимые паспортные данные о параметрах насоса и, в частности, о предельном остаточном давлении
отвечают минимальным газовым нагрузкам на входе в насос. Именно
поэтому при испытаниях насосов, в том числе и на предельное остаточное давление, измерения проводят с установленным на вход насоса
стандартизованным испытательным объёмом.
Определить расчётным путем предельное остаточное давление
большинства насосов и систем (в первую очередь высоко - и средневакуумных) не представляется возможным в связи с целым рядом неустойчивых потоков, например, таких как: состояние чистоты и степень обезгаженности рабочей жидкости насоса и стенок откачиваемого объёма, время выдержки системы под вакуумом, род откачиваемого
ранее газа, температурные режимы и т.д.
В целом давление на входе в насос PВХ можно представить как
сумму ряда компонент, зависящих от внешних и внутренних газовых
нагрузок и обратных перетеканий газа в насосе. Расчётная формула
имеет вид
n
 n Qi 
 n Qi 
PВЫХi



,
(5.1)
+
+
PВХ = 



S
S
K
i
i
i
−
1
=
1
=
1
i
i
i

 внеш 
 внутр

∑

∑

∑

где Qi и S i – поток и быстрота откачки i-го газа; PВЫХi – парциальное
давление i-го газа на выходе из насоса; K i – степень сжатия (степень
повышения давления) насоса для i-го газа.
На практике доминирующим может быть любое из этих слагаемых. Первое слагаемое (внешние источники) – это влияние потоков, формируемых в откачиваемом объеме, в том числе, потоков технологического процесса (если таковые имеются). Оно включает течи,
десорбционные потоки с поверхности и потоки газопроницаемости,
например, натекание гелия из атмосферы через стеклянные стенки.
Второе слагаемое (внутренние источники) – влияние потоков самого
насоса, в первую очередь – потоков, связанных с рабочей жидкостью.
Третье слагаемое – влияние конструкции насоса.
Для газоулавливающих насосов третье слагаемое должно быть
заменено на давление, определяемое количеством поглощенных молекул.
125

Предельное остаточное давление самого насоса составляют два
последних слагаемых.
Источником газовыделения является и сама измерительная аппаратура. Для определения истинной величины предельного остаточного
давления насоса следует вычесть вклад всех внешних источников газа.
Обычно этого не делают из-за большой трудоёмкости необходимых
экспериментов.
Экспериментально же остаточное давление находят, проводя измерение по стандартизованной методике, при этом стремятся сделать
условия проведения испытаний максимально одинаковыми.
Для достижения давлений ниже 10-6 Па всё оборудование, включая измерительную аппаратуру, должно отвечать требованиям сверхвысоковакуумной технологии. Нередко то, что принимается за предельное остаточное давление насоса, на самом деле является характеристикой системы в целом. Например, применение стандартной эластомерной прокладки для герметичного подсоединения к камере ионизационного манометрического преобразователя фиксирует измеряемое
давление на уровне ~ 3⋅10-6 Па независимо от того, каким бы низким в
действительности это давление ни было.
Чтобы наглядно оценить значимость первого слагаемого в соотношении (5.1), можно воспользоваться хрестоматийным примером с
отпечатками пальцев. Для того чтобы отпечаток был виден невооружённым глазом, толщина слоя краски должна превышать
100 молекулярных слоёв. Допустим, что площадь отпечатка равна
1 см2. Тогда в нём содержится, по меньшей мере, 1017 молекул. Допустим, что вещество, образующее отпечаток, внесено в камеру, откачиваемую насосом с быстротой действия 100 л/с при давлении 10-6 Па.
При атмосферном давлении 1 л газа содержит около 1022 молекул. При
давлении 10-6 Па концентрация уменьшается до 1011 молекул на литр
(1013 молекул в 100 литрах). Тогда время, необходимое для «откачки»
отпечатка, составит 104 с (1017/1013), т.е. примерно 2,8 часа.
Следует отметить, что достижение предельного давления в системе редко является конечной самодостаточной задачей. Если после
вакуумирования камеры в ней требуется выполнить некоторую технологическую операцию, то появляется дополнительная газовая нагрузка. Поэтому, если технологический процесс или эксперимент требуется проводить при фиксированном давлении, то предельное остаточное
давление в системе должно быть ниже такового. Удобным, но лишь
126

ориентировочным, правилом является выбор предельного давления в
вакуумной камере на порядок меньшим рабочего давления.
5.2. Вакуумные насосы как своеобразные компрессоры
В принципе, в вакуумный насос можно превратить любой компрессор, подсоединив откачиваемую камеру к его входу. Однако для
достижения требуемых характеристик, особенно в области высокого
вакуума, компрессоры необходимо подвергнуть существенной конструктивной модификации.
Закономерности поведения газов, рассмотренные в предыдущих
главах, лежат в основе функционирования насосов для создания низкого и высокого вакуума. Фактически насос – это энергопотребляющее устройство для перемещения рабочего тела (жидкости или газа) из
области низкого в область высокого давления. Компрессор выполняет
аналогичные функции с той лишь разницей, что он предназначен
только для сжимаемых сред. Традиционно слово «насос» у большинства людей ассоциируется с транспортировкой жидкостей. Исключение составляет лишь вакуумная техника. Причина тому – чисто историческая. Три с половиной столетия назад для создания вакуума камеру заполняли водой, которую затем откачивали пожарными насосами.
Большинство механических объемных вакуумных насосов по существу не отличаются от обычных компрессоров. Их своеобразие состоит в
том, что рабочая камера присоединена к входному отверстию, а не к
выходному. Степень сжатия газа в вакуумных насосах гораздо выше,
чем в обычных компрессорах, хотя разность давления на входе и на
выходе не превышает одной атмосферы. Подводя итог, можно сказать,
что большинство механических вакуумных насосов – это компрессоры
для разреженных газов.
Высоковакуумные насосы имеют две дополнительные особенности. Одна из них – существование молекулярного потока, по крайней мере, на входе в насос. Другая – необходимость предварительного
вакуумирования для приведения насоса в рабочее состояние.
Таким образом, высоковакуумный насос, как и компрессор,
осуществляет сжатие газа. Правда, начальное давление газа может
быть сколь угодно меньше атмосферного. Максимальное давление в
выходном отверстии, как правило, близко к 10 – 500 Па, хотя насосы
некоторых модификаций способны функционировать и при выпуск127

ном давлении до 5000 Па. В принципе оно может достигать даже атмосферного, что, правда, непрактично.
По этой причине большинство высоковакуумных насосов, как
правило, работают последовательно с насосами, называемыми форвакуумными. Форвакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный
для поддержания давления в выходном сечении насоса более высокого
вакуума, при котором последний может обеспечивать заданные параметры откачки. Вакуумная схема работы такого агрегата представлена на рис. 5.2.
И высоковакуумный, и форвакуумный насосы имеют очень высокую степень сжатия, порядка 106. Форвакуумный насос, однако, создаёт гораздо бóльший абсолютный перепад давления, около 105 Па,
тогда как типичный высоковакуумный – не более 50-100 Па. Для некоторых современных турбомолекулярных насосов, впрочем, достижим
перепад и более 5000 Па.

Рис. 5.2. Вакуумная схема агрегата из диффузионного насоса
и форвакуумного механического вращательного насоса

Нередко вакуумные условия выходят за рамки обычных представлений о газовом континууме. К примеру, при давлениях ниже
10-1 Па в вакуумной системе может преобладать молекулярный режим
течения. Это приводит к различию важнейших параметров откачки
128

индивидуальных газов, составляющих откачиваемую смесь. Так,
вполне реально получить разные значения производительности и максимальной степени сжатия для газов различной молекулярной массы.
Ещё одна особенность вакуумных насосов связана с адсорбционно-десорбционными эффектами. При высоком вакууме, как правило, бóльшая часть молекул остаточного газа находится в адсорбированном состоянии. Адсорбционно-десорбционные процессы к тому же
сильно зависят от рода газа и температуры стенок. Осознание роли
сорбционных процессов на стенках привело к появлению насосов, которые не удаляют откачиваемый газ, а переводят его молекулы в связанное состояние. Часто такие устройства называются насосами поверхностного действия. В таком состоянии молекулы удерживаются
вплоть до замены или регенерации сорбирующих поверхностей.
Как уже говорилось, все насосы, независимо от конструкции,
размеров и откачиваемой среды, можно охарактеризовать двумя взаимосвязанными рабочими параметрами – производительностью (быстротой действия) и перепадом давлений между выходом и входом (отношением давлений). Качественно взаимосвязь этих параметров представлена на рис. 5.3. Точный характер кривой не имеет принципиального значения. В зависимости от решаемой задачи фиксируются давление на входе в насос, давление на его выходе либо разность этих
давлений. Вместо абсолютных величин может фиксироваться также
отношение давлений.
Как видно из рис. 5.3, возможны два предельных эксплуатационных режима насоса. Один из них – режим максимального потока,
когда клапаны на входе и на выходе полностью открыты. В этом режиме перекачиваемый поток (быстрота действия) максимален, а давления на входе и на выходе почти одинаковы. Отношение этих давлений близко к единице, а их разность ∆P близка к нулю.
Другой предельный режим отвечает ситуации, когда клапан на
входе в насос полностью закрыт. В этом режиме разность давлений и
их отношение максимальны, а перекачиваемый поток отсутствует. На
практике любой насос работает между предельными режимами. Характер кривой между двумя этими точками может быть различным.

129

Рис. 5.3. Рабочая диаграмма вакуумного насоса

При испытаниях насосов первая предельная точка характеристики реализуется при полном открытии натекателя VF1 , установленного
на входе в насос (см. рис. 5.2), а вторая – при его полном закрытии.
Производительность (быстроту действия) при снятии характеристики
насоса изменяют за счёт плавной регулировки степени открытия натекателя. При этом в соответствии с рабочей характеристикой насоса
меняются и давления на входе и выходе.
Повторим, что даже в «абсолютно» герметичной вакуумной системе всегда существует некоторый газовый поток, формируемый газовыделением со стенок и натеканием извне. При постоянном выходном
давлении, что характерно для механических объёмных насосов, этот
поток малосуществен. В этом случае важнейшей характеристикой
можно считать входное давление насоса, а не отношение или разность
выходного и входного давлений.
Максимально достижимое отношение и разность этих давлений
принципиально значимы для высоковакуумных насосов. Проиллюстрируем этот тезис на примере простейшего контура, включающего
гидравлический насос, фильтр и циркулирующую в контуре жидкость
(рис. 5.4). Аналогом насоса будет гальваническая батарея в электрической цепи; фильтр будет тождествен резистору. Предположим, что
насос поднимает давление от 1 до 10 атм, т.е. отношение давлений 10,
а их разница – 9 атм. Присоединив теперь к контуру через клапан со130

суд высокого давления, доведём давление до 100 атм и закроем клапан. Это будет аналогом ситуации, как если бы был поднят потенциал
«земли» электрической цепи. Новые значения давлений в контуре будут 101 и 110 атм, а их разница останется прежней. Сохранится и скорость потока, так как насос и плотность жидкости существенно не изменились. Однако новое отношение давлений составит 1,09 вместо 10,
имевшего место ранее.

Рис. 5.4. Схема замкнутого перекачивающего устройства

Рассмотрим теперь открытый контур, показанный на рис. 5.5.
Насос перекачивает жидкость из одного резервуара в другой, поднимая при этом поршень в правом резервуаре. Когда разница давлений
между выходным и входным сечениями насоса достигнет предельно
возможной для него величины, перемещение жидкости прекратится.
Представим далее, что мы повышаем давление в правом резервуаре,
устанавливая на поршень груз. Это будет аналогом ситуации, как если
бы в электрическую цепь была включена батарея обратной полярности, имеющая более высокую разность потенциалов: электрический
ток изменит направление. Такая же инверсия произойдёт и с потоком
жидкости в рассматриваемом контуре, а насос начнёт работать в «обратную сторону», если, разумеется, его конструкция это позволит.
Данный случай перекачки жидкости имеет прямую аналогию с
откачкой с помощью вакуумного агрегата, состоящего из пароструйного насоса высокого вакуума и форвакуумного механического насоса
(рис. 5.2).
131

Рис. 5.5. Схема перекачивающего устройства открытого типа

Допустим, на выходе из высоковакуумного насоса мы устанавливаем регулирующий вентиль VF 2 и начинаем плавно поднимать
давление, создавая подпор прямому потоку газа. Пароструйный насос
до какого-то момента (до некоторого выходного давления) продолжает
нормально работать, и давление на его входе практически не повышается (рис. 5.6). Однако при некотором давлении на выходе произойдёт
срыв его работы, что приведёт к резкому росту давления на входе за
счёт обратного потока с выхода. Давление, при котором происходит
такой процесс, называют давлением срыва работы насоса.
Очевидно, что доводить давление на выходе до давления срыва
крайне нежелательно, поскольку это приводит не только к резкому
росту давления на входе (а значит, и в вакуумной камере), но и к попаданию паров масла с обратным потоком из паромасляного насоса в
откачиваемый объём. Поэтому очень важным параметром насоса является наибольшее выпускное давление – наибольшее давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос ещё осуществляет
откачку. Очевидно, что выбор типа форвакуумного насоса можно
проводить только во взаимосвязи с насосом высокого вакуума, как по
производительности, так и по диапазону рабочих давлений. Более
подробно вопрос согласования насосов будет рассмотрен в последующих главах.
Приведенный пример показывает, что разница давлений на выходе и входе и их отношение являются важнейшими параметрами насоса.

132

Рис. 5.6. Зависимость давления на входе в насос
от давления на выходе (кривая противодавления)

Как уже отмечалось, рабочую характеристику вакуумного насоса удобно представлять в виде графической зависимости быстроты
действия от давления на входе (рис. 5.7). Эта зависимость к тому же
наглядно демонстрирует предельные параметры насоса. Высоковакуумные насосы имеют экстремально высокую степень сжатия. Отнюдь
не уникальны насосы со степенью сжатия 106 и выше. Эти насосы
весьма эффективны и по критерию быстроты действия. Она достигает
50% и даже, в отдельных случаях, 100% теоретически возможного
значения. Однако высоковакуумные насосы имеют крайне низкую
энергетическую эффективность. Лишь малая часть потребляемой
энергии преобразуется в работу сжатия откачиваемого газа. Её основная доля затрачивается на нагрев, охлаждение и фрикционные потери.
Для получения высокого вакуума необходимы средства откачки, обладающие одновременно большой быстротой действия и высокой степенью сжатия (компрессией). Быстрота действия лимитируется
размерами насоса. Поэтому при заданных размерах необходимо добиваться как можно большей компрессии. У объёмных механических
насосов с масляным уплотнением, диффузионных и турбомолекулярных насосов она составляет 106 и более. Для сравнения укажем, что у
серийных воздуходувок, авиационных компрессоров и автомобильных
133

двигателей компрессия не превышает 10. Это сопоставление убедительно демонстрирует специфичность технических решений современных вакуумных насосов. Поэтому важные составляющие успеха в
изготовлении и эффективном использовании высоковакуумного оборудования – профессионализм пользователя и его осведомлённость о
принципе действия, конструкции и эксплуатационных особенностях
этого оборудования.

Рис. 5.7. Рабочая диаграмма насоса

5.3. Основные разновидности вакуумных насосов
В данном разделе мы приведем определения основных видов насосов, кратко изложим принцип их действия и основные достоинства и
недостатки. Подробному описанию принципов действия, конструкций,
особенностей эксплуатации и основ расчёта откачных характеристик
будет посвящена вторая часть настоящего пособия.
Вакуум может быть получен несколькими принципиально разными способами. Понять, насколько разнообразны средства получения
вакуума, можно рассмотрев схему на рис. 5.8. При этом здесь представлены далеко не все существующие машины, а лишь наиболее распространённые, выпускаемые в промышленных масштабах. Да и то не
все, поскольку разновидностей, например, насосов объемного дейст134

вия существенно больше.
Взяв за классификационный критерий принцип действия и используя нормативную отечественную терминологию, существующие
средства откачки можно разбить на два класса: газоперекачивающие
(компримирующие) насосы и газоулавливающие насосы (насосы поверхностного действия). Газоперекачивающий насос – вакуумный насос, в котором перемещение газа от входа к выходу осуществляется
либо вследствие механического движения рабочих частей насоса, либо за счёт захвата газа или молекул газа струей рабочего вещества,
либо за счёт воздействия электрического и магнитного полей или одного электрического поля.
Газоперекачивающие насосы, в свою очередь, включают насосы
объёмного действия (механические насосы) и насосы кинетического
действия (струйные, молекулярные и турбомолекулярные).
Наиболее широкое распространение в качестве насосов низкого
и среднего вакуума находят вакуумные насосы объёмного действия –
механические вакуумные насосы, в которых объём, заполненный газом, периодически отсекается от входа и перемещается к выходу.
Типичными представителями объёмных машин являются поршневой,
мембранный, жидкостно-кольцевой насосы. Процесс откачки во всех
данных машинах происходит за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры насоса. При увеличении объёма рабочей камеры
происходит всасывание газа, а при уменьшении – сжатие и выхлоп.
Поршневой и мембранный насосы зарекомендовали себя как надежные средства получения низкого вакуума. С помощью поршневых
насосов можно получать предельные остаточные давления порядка
1000 – 2000 Па, а с помощью мембранных – от 1000 Па в одноступенчатом исполнении до 50 Па в четырехступенчатом. Поршневые насосы
в настоящее время используются достаточно редко, а мембранные, в
силу своей безмасляности и возможности изготовления всей рабочей
полости из материалов с высокой химической стойкостью, находят всё
более широкое применение в лабораторных исследованиях в качестве
насосов предварительного разрежения и форвакуумных насосов в безмасляных высоковакуумных системах. Быстрота действия мембранных насосов, как правило, не превышает 20 м3/ч, что существенно ограничивает их применение.
На рубеже XXI века становятся особенно популярными объёмные безмасляные насосы – кулачково-зубчатые, спиральные, винто135

вые. Это связано с острой потребностью в обеспечении безмасляной
вакуумной среды в микроэлектронике, нанотехнологиях, фармацевтике, термоядерной энергетике. Отсутствие масла в этих насосах достигается за счет бесконтактного вращения роторов и соответственно отсутствия трения и необходимости в смазке.
Кулачково-зубчатые вакуумные насосы (КЗВН), несмотря на некоторое сходство с ДВН типа Рутс, обеспечивают за счёт специфического профиля роторов внутреннее сжатие. Максимальная степень
сжатия таких машин при работе с выхлопом в атмосферу может достигать 50. Этого, безусловно, мало, поэтому в одноступенчатом исполнении КЗВН серийно не выпускаются, а промышленное применение находят 2 – 4 – ступенчатые агрегаты, способные обеспечить остаточное давление порядка 10-1Па ( в четырёхступенчатом исполнении)
и быстроту действия свыше 100 л/с. Фирма Edwards выпускает многоступенчатые агрегаты, в которых в первой (входной) ступени используются роторы ДВН типа Рутс, а в последующих – роторы КЗВН. Это
позволяет реализовать преимущества и ДВН – высокую быстроту действия, и КЗВН – высокую степень повышения давления. В четырёхступенчатом исполнении быстрота действия таких агрегатов может
достигать 150 л/с, а предельное остаточное давление – 6 Па.
Спиральные вакуумные насосы (СПВН), вероятно, самый новый
тип насосов, освоенный в промышленном объёме. Первые машины,
используемые для получения вакуума, появились лишь к концу XX
столетия. Основное достоинство СПВН – их безмасляность в сочетании с чрезвычайно высокой для бесконтактного насоса степенью сжатия (до 106). По диапазону рабочих давлений СПВН является безмасляной альтернативой ВНМУ. Очень важно, что благодаря орбитальному (а не вращательному, как в других насосах) движению спирали в
конструкции СПВН можно предусмотреть установку гибкого (сильфонного) элемента, отделяющего подшипниковый узел от рабочей камеры. Именно поэтому СПВН – фактически единственный абсолютно
безмасляный объёмный вакуумный насос. Недостатком СПВН, наряду
со сложностью изготовления, является невысокая быстрота действия,
лимитируемая габаритами спиралей. Быстрота действия СПВН не превышает 20 л/с.

136

137
Рис.5.8. Классификация вакуумных насосов

К их недостаткам, в первую очередь, можно причислить
значительную неуравновешенность в рабочих механизмах и соответственно низкие частоты вращения и невысокие удельные
откачные параметры.

Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ЖКВН) и их наиболее
распространенный вариант – водокольцевые насосы – находят широчайшее применение в процессах сушки, фармацевтической, металлургической, химической, машиностроительной, горнодобывающей промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, т.е. там, где необходимо получение низкого вакуума при высокой быстроте откачки в сочетании с чрезвычайно высокой надежностью. Жидкостно-кольцевая
машина, по сути, является единственной конструкцией, не предъявляющей жёстких требований к чистоте откачиваемой среды и позволяющей одинаково успешно откачивать среды, содержащие пары, капельную жидкость, твёрдые инородные включения, токсичные, химически активные и взрывоопасные газы. Существенными недостатками
являются высокое предельное остаточное давление (не ниже 2500 Па в
одноступенчатом исполнении), ограниченное давлением насыщения
паров рабочей жидкости, и высокая мощность, требуемая на вращение
жидкостного кольца.
В ряде случаев для откачки химически активных, токсичных или
ядовитых сред в ЖКВН в качестве рабочей жидкости могут использоваться самые различные жидкости. Например, в химической промышленности в процессах вакуумной ректификации или дистилляции в
качестве рабочей жидкости используются дистиллятные продукты самих ректификационных колонн. В этом случае конденсация дистиллятных компонентов из откачиваемой парогазовой смеси осуществляется в среде самого дистиллята, что, во-первых, способствует возврату
целевых компонентов в основное производство, а во-вторых, исключает или существенно снижает загрязнение окружающей среды.
Среди вакуумных машин объемного принципа действия особняком стоят двухроторные вакуумные насосы типа Рутс (ДВН). Это связано со спецификой рабочего процесса ДВН – это машина с внешним
сжатием, в которой в процессе переноса отсеченного объёма давление
в последнем не меняется, а выравнивание давлений в идеальном случае происходит мгновенно при соединении отсеченного объёма с линией нагнетания. Достоинства и недостатки данной конструкции определяются наличием гарантированных зазоров в роторном механиз138

ме. За счёт этого специально спрофилированные, взаимно обкатываемые роторы не касаются друг друга и корпуса. Насос работает с высокой частотой вращения роторов (как правило, 3000 об/мин), а в рабочем объёме отсутствует масло. Вместе с тем за счёт встречных перетеканий через зазоры с выхода на вход ДВН имеет низкую степень сжатия. Так, при работе с выхлопом в атмосферу ДВН снижает давление
всего в 1,5-2 раза. Поэтому практически всегда ДВН используются с
форвакуумными насосами, в качестве которых могут выступать насосы с масляным уплотнением (ВНМУ), жидкостно-кольцевые или другие механические насосы. При давлениях на выходе из ДВН ниже 10
Па данная машина может обеспечивать степень повышения давления
до 50-60. Парциальное предельное остаточное давление агрегата, состоящего из ДВН и ВНМУ, может составлять около 10-3 Па. Основным
достоинством ДВН типа Рутс является высокая быстрота действия.
Промышленные агрегаты имеют быстроту действия от 150 до 30000
м3/ч.
В последние годы стали применяться агрегаты, объединяющие в
одном корпусе несколько последовательно включенных ступеней. Такие машины обеспечивают получение безмасляного вакуума.
Нельзя не упомянуть об очень распространенных (особенно в
прошлом веке) насосах с масляным уплотнением (плунжерный, пластинчато-роторный, пластинчато-статорный). Следует отметить, что
пластинчато-статорные насосы в силу крайне низкой быстроты действия серийно уже не выпускаются, а плунжерные и пластинчатороторные насосы остаются одними из наиболее востребованных
средств форвакуумной откачки (особенно в агрегатах с диффузионными и бустерными паромасляными насосами). Уникальность данных
насосов состоит в том, что за счёт масляного уплотнения в двухступенчатом исполнении может быть достигнута степень сжатия до 107 и
выше. При этом быстрота действия плунжерных насосов может составлять 1500 м3/ч, пластинчато-роторных – почти 2000 м3/ч. Существенными недостатками всех ВНМУ можно считать обратный поток
паров рабочей жидкости и довольно жёсткие требования к чистоте откачиваемой среды (особенно для пластинчато-роторных насосов).
Винтовые вакуумные насосы также достаточно новый для вакуумной техники вид машин. Здесь за счёт двух винтов, вращающихся
навстречу друг другу, газ, сжимаясь, перемещается в осевом направлении. Окна всасывания и нагнетания расположены в противополож139

ных торцевых крышках. За счёт большой протяженности винтов и соответственно большого количества последовательно соединенных
парных полостей, равного количеству витков винта, обеспечивается
высокая степень сжатия (до 106). Быстрота действия винтовых вакуумных машин может достигать 3000 м3/ч.
Широкое применение находят кинетические насосы – механические насосы, в которых молекулам газа импульс движения передается
таким образом, что газ непрерывно перемещается от входа к выходу
насоса. Данные машины также называют машинами динамического
действия.
Следует различать два различных механизма передачи молекулам импульса. Во-первых, газ может перемещаться под действием высокоскоростной струи. Струйный вакуумный насос – газоперекачивающий насос, откачивающее действие которого основано на захвате удаляемого газа струёй жидкости, пара или газа. В зависимости
от того, какая струя используется для откачки, струйные насосы могут
быть низковакуумными (водоструйный, газоструйный), средневакуумными (бустерный паромасляный) и высоковакуумными (диффузионные паромасляные). Характер взаимодействия струи с газом в зависимости от величины вакуума также может быть различным: от турбулентно-вязкостного захвата газа струёй жидкости до диффузии газа
в струю пара. Механизм турбулентно-вязкостного захвата рассматривался в разделе 3.2.
С точки зрения вакуумщика наибольший интерес представляют диффузионные насосы. Определением «диффузионный» обозначают пароструйный насос для высоковакуумной откачки. Единственное основание для использования этого термина – подобие механизма
проникновения откачиваемых молекул в паровую струю процессу
взаимодиффузии газов. В дальнейшем изложении мы будем этого
термина избегать, предпочитая ему физически более точное название
«пароструйный». Упрощенно механизм откачки таким насосом можно
сформулировать так: пар рабочей жидкости, образующийся в кипятильнике, пройдя через зонтичное сопло, приобретает форму струи со
скоростью порядка 300 м/с. Эта струя «увлекает» за собой молекулы
откачиваемого газа. На холодных стенках насоса газ и пар разделяются: газ откачивается форвакуумным насосом, а конденсат рабочей
жидкости, стекая вниз, возвращается в кипятильник. Формирование
структурированной высокоскоростной струи рабочей жидкости воз140

можно только в вакууме. Поэтому пароструйные насосы непригодны
для эксплуатации с выхлопом в атмосферу и всегда работают в агрегатах с форвакуумными насосами. В качестве последних почти всегда
используются ВНМУ, поскольку применять для этой цели дорогие
безмасляные машины бессмысленно из-за «масляного» процесса в самих пароструйных насосах. В некоторых случаях для повышения стабильности работы пароструйных насосов в качестве форвакуума используются агрегаты из ДВН и ВНМУ.
Диапазон рабочих давлений пароструйных насосов может составлять 10-8 – 10 Па, полное предельное остаточное давление – около
10-6 Па, а парциальное предельное остаточное давление с прогревом
измерительной камеры достигает 10-8 Па. При работе насоса давление
пара в кипятильнике составляет 150-200 Па, т.е. максимальный перепад давлений, который может создать паромасляный насос, обычно не
превышает 200 Па. Именно это обстоятельство делает наличие форвакуумных насосов на выходе пароструйных обязательным условием
функционирования последних, и этим определяется наибольшее выпускное давление таких насосов.
Следует сказать несколько слов о бустерных паромасляных насосах. Они предназначены для откачки больших потоков газа при
бóльших, по сравнению с диффузионными, давлениях 10-2- 10 Па. При
таких давлениях режим течения газа в бустерном насосе может изменяться от молекулярного до вязкостного. Соответственно при молекулярном режиме увлечение газа струёй паров масла происходит в основном за счёт диффузии, а в вязкостном режиме – за счёт вязкостного
трения на границе газ-струя.
Второй механизм – передача молекулам газа импульса от быстродвижущейся твёрдой поверхности – реализуется в молекулярных и
турбомолекулярных насосах. Здесь, в свою очередь, также существуют
две схемы: молекулы могут перемещаться вдоль канала, одна из стенок которого (или обе) движется. За счёт соударения с быстродвижущейся поверхностью молекулы получают приращение импульса в направлении движения стенки (направление движения стенки и направление преимущественного движения молекул совпадают). При близком к атмосферному давлении газа и малой линейной скорости ротора
откачка в канале практически отсутствует. Возникающий у поверхности ротора «кинетический» градиент давления и сопутствующий ему
газовый поток в направлении откачки компенсируется встречным (об141

ратным) потоком газа на некотором удалении от поверхности. И напротив, в молекулярном режиме, если линейная скорость поверхности
соизмерима с тепловой скоростью молекул, каждое соударение с ротором придаёт молекулам «откачивающий» импульс. Данная схема
работает в молекулярных насосах.
Безусловно, характеристики молекулярных насосов сильно зависят от режима течения в откачном канале. В молекулярном режиме
обратный поток газа весьма незначителен, и насос способен поддерживать высокую степень сжатия. Следует, однако, отметить, что и
разность выпускного и впускного давлений в этом режиме крайне мала.
В вязкостном режиме картина обратная. Под действием градиента давлений в откачном канале формируется обратный поток, ограничивающий компрессию. Но разность давлений между выпускной и
впускной зонами существенно возрастает.
Степень сжатия современных молекулярных насосов по азоту
достигает 109, хотя по лёгким газам, например по водороду, она существенно меньше (около 103). Но, главное, наибольшее выпускное давление молекулярных насосов может составлять 103– 5 103 Па.
Другая схема откачки реализуется в турбомолекулярных насосах
(ТМН). Здесь для откачки используется различие проводимости канала (ротора), движущегося перпендикулярно газовому потоку, в зависимости от направления течения газа. Движение канала приводит к
тому, что для молекул, летящих с входа на выход, канал «раскрывается» и проводимость увеличивается. Для молекул, перемещающихся с
выхода на вход, проводимость, напротив, снижается. Разница в проводимостях и составляет механизм откачки.
Типичные величины максимальной степени сжатия для промышленных турбонасосов: 103 (Н2); 104 (Не); 108 – 109 (N2). Для отдельных модификаций насосов степень сжатия по водороду может
быть даже меньше 300. Однако по сравнению с молекулярными ступенями быстрота действия ТМН существенно выше. Быстрота действия выпускаемых промышленностью серий ТМН лежит в диапазоне
50 – 10000 л/с. Самые крупные в мире турбомолекулярные насосы
ТМНГ-10000 и ТМНГ-20000 разработаны в Советском Союзе в рамках
международного проекта экспериментального термоядерного реактора-токамака. Быстрота действия насосов по азоту – 10000 и 19500 л/с
соответственно.
142

Повышение выпускного давления турбонасосов крайне важно,
поскольку позволяет использовать безмасляные форвакуумные насосы
и избавиться, тем самым, от обратного потока углеводородных загрязнений, который неизбежно сопутствовал традиционным для ТМН
форвакуумным насосам – ВНМУ.
Решающим шагом на этом пути стала идея комбинированного
применения в едином устройстве турбомолекулярных и молекулярных
ступеней, которая позволила реализовать в одной машине и преимущества молекулярных ступеней – высокую степень сжатия, и турбомолекулярных – высокую быстроту действия. Комбинированные насосы имеют быстроту действия от 30 до 2000 л/c и наибольшее выпускное давление до 2500 Па. В принципе, существуют конструкции турбонасосов с выхлопом непосредственно в атмосферу. Например, фирма Edwards по специальным заказам выпускает комбинированные
турбомолекулярные насосы с быстротой действия 50 и 100 л/с, имеющие выхлоп непосредственно в атмосферу.
Частота вращения ротора современных турбомашин достигает
100000 об/мин.
Главным достоинством ТМН можно считать практически полное
отсутствие обратного потока углеводородных загрязнений. Благодаря
этому, турбонасосы в отличие от пароструйных как правило, не нуждаются в криогенных ловушках. В системах с турбонасосами давление
ниже 1 × 10-6 Па несложно получить, не прибегая к прогреву и установке азотных ловушек.
Следует также отметить их быстрый запуск и останов, так как
турбонасос функционирует без какого-либо нагрева или охлаждения.
Роторы насосов малой и средней производительности разгоняются до
номинальных оборотов всего за несколько минут. Кроме того, турбонасосы почти не обладают селективностью, характерной, например,
для криогенных насосов по отношению к гелию и водороду. Правда,
предельный вакуум, достигаемый ими при откачке водорода, существенно хуже.
Недостатками ТМН, пожалуй, являются лишь высокая стоимость
и названные ограничения при откачке лёгких газов. Тем не менее для
наиболее распространенных видов применения высокого и сверхвысокого вакуума выбор турбонасосов в качестве средства откачки является наилучшим.
Физическую основу принципа действия газоулавливающих на143

сосов составляет перевод откачиваемого газа в нелетучее (связанное
или конденсированное) состояние (адсорбция, хемосорбция, конденсация, имплантация и др.). Газоулавливающий вакуумный насос – насос, в котором используется принцип сорбции или конденсации на
внутренних поверхностях насоса.
Наибольшее распространение получили сорбционные насосы –
газоулавливающие вакуумные насосы, в которых откачка происходит
вследствие сорбции газа.
Для получения вакуума с помощью физической сорбции обычно
применяют адсорбенты – поверхностно-активные вещества, обладающие высокой пористостью и сильно развитой внутренней поверхностью. К ним относятся активированный уголь, оксид алюминия, цеолиты, силикагели, другие минералы и композиции с губчатой структурой. Типичный насос может содержать такое количество адсорбента,
что площадь его поверхности будет равна нескольким сотням гектаров.
Поскольку сорбционная ёмкость зависит от температуры, то в
большинстве случаев рабочее вещество адсорбционных насосов охлаждают до температуры жидкого азота и даже более низких температур
(криосорбционная откачка). В качестве криосорбентов используют
также плёнки конденсатов водяных паров, аргона, углекислого и других тяжёлых газов. Адсорбционный вакуумный насос – сорбционный
вакуумный насос, в котором откачка происходит вследствие физической сорбции газа пористым сорбентом при низкой температуре. Поскольку сорбция – обратимый процесс, то адсорбент регенерируют
простым нагреванием до температуры окружающей среды либо более
высокой температуры. Следует помнить, что гелий, водород и неон не
подвержены эффективной физической сорбции.
Один из способов улавливания газа – конденсация газа, содержащегося в откачиваемой камере (конденсационная откачка). Конденсационный вакуумный насос – газоулавливающий насос, в котором
откачку производят путем конденсации газа на охлаждаемых поверхностях. Этот процесс реализуют, как правило, при криогенных
температурах в вакуумном крионасосе – конденсационном или сорбционном насосе с рабочими поверхностями, охлаждаемыми до сверхнизких температур.
Крионасосы работают в очень широком диапазоне давлений от
10-1 до 10-9Па. В качестве их достоинств следует также отметить, что
144

крионасосы могут работать практически при любой ориентации и,
главное, не создают никакого обратного потока паров масла в откачиваемый объём.
Вместе с тем крионасосы требуют периодической регенерации
и, кроме того, их нежелательно использовать для откачки камер, в которых процессы идут при повышенных температурах. В системах,
требующих откачки больших потоков водорода или гелия, крионасосы
также лучше не применять.
Для поглощения газов с помощью хемосорбции применяются
геттеры – активные металлы, сплавы и полиметаллические композиции, поглощающие водород, азот, кислород, другие газы с образованием твёрдофазных химических соединений либо твёрдых растворов.
Геттерный насос - сорбционный вакуумный насос, в котором откачка происходит преимущественно вследствие хемосорбции газа геттером. Геттерирование осуществляют, распыляя или испаряя рабочее
вещество, либо заранее формируя плёнки с губчатой структурой (нераспыляемые геттеры). Основным фактором, влияющим на выбор геттерных материалов, является сорбционная активность их паров и плёнок. Наибольшее распространение для хемосорбционной откачки получили Ti, W, Mo, Zr, Ta, Hf. Таким образом, для геттерной откачки
необходимы источник геттера и средство нанесения его свежей плёнки
на панель возможно большей площади. Для нанесения плёнки путём
испарения или сублимации можно использовать разные способы нагрева.
Испарительный геттерный вакуумный насос – геттерный насос, в котором поглощающая поверхность обновляется путём конденсации на ней термически испаряемого геттера.
Конструкция испарительного насоса в первую очередь зависит
от механизма нагрева геттера. Наибольшее распространение находят
резистивные испарители двух модификаций: прямонакальный и косвенного накала. Чаще всего в качестве геттера используется титан, который переходит непосредственно из твердой фазы в парообразную.
Геттер может также разогреваться с помощью электронного луча или
дугового разряда.
В насосах испарительного типа предельное остаточное давление
обычно не ниже 10-7 Па. Охлаждение осаждаемой плёнки геттера снижает это давление до 10-10, а иногда и до 10-11 Па.
Малое значение теплоты сорбции для пары инертный газ – гет145

терный материал приводит к тому, что благородные газы, а также углеводороды напыляемыми плёнками металла практически не поглощаются. Для их удаления приходится предусматривать дополнительную откачку, например, с помощью пароструйных насосов.
Более универсальными являются испарительные геттерноионные насосы, в которых одновременно с испарением геттера происходит ионизация газов (в первую очередь инертных) и их внедрение в
осаждаемую пленку. Испарительно-ионный вакуумный насос – геттерно-ионный насос, в котором ионизированный газ направляется к
поверхности геттера, получаемой в результате непрерывного или
периодического испарения. В данных насосах в результате возникновения электрического тока электроны, сталкиваясь с молекулами остаточного газа, приводят к возбуждению последних и их ионизации с
образованием положительных ионов. Образовавшиеся положительные
ионы, ускоряясь в электрическом поле, внедряются в покрывающий
стенки насоса слой напыляемого геттера и «замуровываются» вновь
напыляемыми слоями. Этот механизм позволяет откачивать и инертные газы.
Предельное остаточное давление отечественных насосов серии
ГИН составляет около 10-7 Па, быстрота действия по азоту достигает
5000 л/с, а по водороду – 20000 л/с.
Приготовление геттера путем распыления используют в магнитном электроразрядном насосе. Это геттерно-ионный насос, в котором для распыления геттера используют газовый разряд в магнитном поле. В этих насосах при подаче постоянного напряжения между
катодом и анодом электроны, сталкиваясь с молекулами газа, также
вызывают их возбуждение и ионизацию. Одновременное воздействие
скрещенных электрического и магнитного полей приводит к тому, что
электроны совершают сложное колебательное движение между электродами, и эффективность ионизации молекул увеличивается. Образовавшиеся положительные ионы ускоряются электрическим полем и
бомбардируют катод, изготовленный из геттера, вызывая его интенсивное распыление.
Очевидно, что откачка газов в магнитном электроразрядном насосе происходит, во первых, за счёт хемосорбции газов геттером и, во
вторых, за счёт растворения газов в напыляемой пленке и последующем «замуровывании». Практически все химически активные газы, за
исключением водорода, поглощаются за счет хемосорбции. Отдельные
146

компоненты газа не взаимодействуют с геттером (пары воды, углеводороды и т.д.), но они диссоциируют в разряде на более простые компоненты, которые затем ионизируются и поглощаются.
Путём геттерирования практически не могут откачиваться
инертные газы и метан. Именно для их откачки и используется ионизация газовых молекул. Приобретаемая при этом скорость оказывается
достаточной для формирования направленного движения положительных ионов в сторону катодных пластин и их имплантации в приповерхностную зону на глубину в несколько атомных слоёв.
Разрядные насосы рассматриваются обычно как сверхвысоковакуумные. Между тем они могут успешно использоваться и в условиях
высокого вакуума. Важнейшее достоинство разрядных насосов, наряду с чистотой создаваемой ими остаточной газовой среды, – их полная
«изолированность» от атмосферы. Подобно крионасосам, они не требуют форвакуумной откачки, поскольку поглощаемый газ накапливается внутри насоса. Однако в отличие от крионасосов они не нуждаются в периодической регенерации. Их работоспособность лимитируется, главным образом, физической целостностью катодных пластин.
При низких давлениях предпочтителен режим периодического
напыления геттерного слоя. Этим достигается более эффективное использование геттера и, следовательно, бóльшая экономичность отка чки. Поскольку запас геттера в насосе ограничен, режим периодического напыления позволяет существенно увеличить его ресурс.
При росте давления и, следовательно, увеличении плотности потока газовых молекул, падающих на геттерную плёнку, быстрота действия уменьшается; она начинает зависеть от скорости испарения геттера. Падающие на плёнку газовые частицы связываются атомами титана практически одновременно с их осаждением.
Существует класс геттерных насосов, в которых рабочее вещество представляет собой пористый интерметаллический сплав, причём
в процессе работы он не подвержен испарению либо распылению (нераспыляемые геттерные насосы). Их откачивающее действие основано
на адсорбции газовых молекул с последующим диффузионным переносом в глубь рабочего вещества. Водород поглощается обратимо и
может быть реэмитирован из геттерного слоя путём его нагрева. Другие газы, обычно присутствующие в вакуумируемых системах, образуют с компонентами геттерных сплавов устойчивые химические соединения и сорбируются практически необратимо.
147

Активный элемент в нераспыляемых геттерных насосах представляет собой сравнительно толстый слой нераспыляемого геттера,
нанесённый на пластинчатую либо ленточную подложку из константана, нихрома или нержавеющей стали. Геттерный слой имеет пористость 50–70 %; физическая площадь его внутренней поверхности, доступной газовым молекулам, доходит до 103 м2/кг, что примерно в сто
раз превышает проективную поверхность.
Инертные газы и метан таким геттером практически не поглощаются. Для откачки смесей, содержащих эти газы, в дополнение необходим небольшой разрядный насос. Насосы с нераспыляемым геттером выпускаются в виде встраиваемых картриджей, активных элементов, заключенных в стеклянную оболочку, и автономных насосов
различных типоразмеров с фланцевым подсоединением к откачиваемой вакуумной системе.
5.4. Технико-экономические характеристики промышленных
вакуумных насосов
Ранее уже отмечалось, что вакуумные технологии охватывают
очень широкий диапазон рабочих давлений. Независимо от предельного остаточного давления, в высоковакуумной камере откачку всегда
начинают с атмосферы и продолжают до достижения требуемого остаточного давления, которое часто лежит в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. Из-за громадного интервала перекрываемых давлений вакуумирование невозможно осуществить насосом одного типа, и
ни одно откачное устройство не может одинаково эффективно работать в этих условиях. К тому же физические механизмы функционирования конкретного откачного устройства при атмосферном давлении и
в высоком вакууме, как правило, различны. Поэтому, даже если выбранное средство вакуумирования и было бы работоспособно во всём
диапазоне давлений, попытка его универсального применения не привела бы к успеху из-за весовых, габаритных или стоимостных факторов. Обычно в процессе высоковакуумной откачки поочерёдно используют насосы двух и более типов. Чаще всего начальную откачку
производят механическими либо криосорбционными насосами. Для
перехода на следующий уровень вакуума используют пароструйные,
турбомолекулярные или криосорбционные насосы. Наконец, на заключительном этапе включаются геттерно-ионные насосы.
148

Необходимо отметить, что и измерительные приборы для определения уровня вакуума (вакуумметры) должны перекрывать столь же
широкий интервал плотности (давления) газа. В большинстве вакуумных систем устанавливают вакуумметры как минимум двух типов. В
области низкого и среднего вакуума применяют силоизмерительные
приборы, в частности, жидкостные манометры и мембранные вакуумметры различных модификаций. При переходе к высокому вакууму
абсолютные значения действующих механических сил и их разности
при вариациях давления столь незначительны, что их прямые измерения невозможны. В этом случае переходят к косвенным методам измерений. Один из наиболее распространённых косвенных методов заключается в ионизации остаточного газа и измерении ионного тока,
зависящего от молекулярной концентрации. Вакуумметры, основанные на этом принципе, называют ионизационными; они работоспособны до давлений порядка 10-10 Па.
Подчеркнём необходимость продуманного отношения к выбору
откачных средств для каждой конкретной ситуации с целью полной
реализации их эксплуатационных возможностей. При этом во взаимосвязи должен рассматриваться целый комплекс эксплуатационных и
конструктивных факторов, а именно: диапазон рабочих давлений, величины потоков и характер откачиваемой среды (в первую очередь,
агрессивность, токсичность, наличие твёрдых включений), требуемое
предельное остаточное давление и время его достижения, длительность непрерывной работы, стоимость, габариты, уровень шума и вибрации, эксплуатационные расходы, удельная потребляемая мощность,
простота в обслуживании, надежность. Кроме того, часто необходимо
решать вопрос: должен ли насос обеспечивать постоянную быстроту
действия и если да, то в каком диапазоне давлений?
И это далеко не полный перечень вопросов, на которые приходится отвечать проектировщику вакуумных систем. Например, выбирая конкретный насос предварительного разрежения и/или его предпочтительного изготовителя, полезно принимать во внимание и другие
технические параметры и эксплуатационные особенности. Не претендуя на исчерпывающую полноту, к их числу можно отнести:
– наличие газобалластного устройства, эффективность откачки водяных паров;
– входное давление при работающем газобалластном устройстве;

149

– длительность периода восстановления начальных вакуумных параметров после откачки специфических газов;
– стабильность входного давления и быстроты действия (производительности) работающего насоса;
– возможность сохранения вакуума при остановке насоса;
– показатели, характеризующие процедуру смены масла (температура,
объём масляного резервуара, расход масла);
– коррозионную стойкость;
– особенности монтажа, ресурс, себестоимость;
– обратный поток паров рабочей жидкости;
– наличие/отсутствие масла в рабочей полости насоса.
Рабочие характеристики основных типов насосов представлены
на рис. 5.9. Видно, что каждый насос имеет рабочий диапазон давлений, в котором его быстрота действия максимальна, и именно в этом
диапазоне обеспечивается наиболее эффективное и экономичное применение насоса. Вне этого диапазона насосы чаще всего работоспособны, но не столь эффективны.

Рис. 5.9. Характеристики насосов различных типов

Оценить диапазоны давлений, в которых могут работать насосы
различных типов, позволяет рис. 5.10. Следует отметить, что пред150

ставленные диапазоны нельзя абсолютизировать. Существуют насосы
(в основном опытные образцы), работающие в более широких диапазонах. Например, уже отмечалось, что турбомолекулярные насосы могут работать и при атмосферном давлении на выходе.

Рис. 5.10. Диапазоны рабочих давлений вакуумных насосов

На рис. 5.11 насосы различных типов сопоставлены с точки зрения стоимости удельной быстроты действия в функции давления.
Представленные зависимости помогают сделать осознанный выбор
средств вакуумирования исходя из минимизации затрат на откачку.
Интересно сопоставление с разных аспектов высоко - и сверхвысоковакуумных насосов. С точки зрения эффективности по отношению к теоретически возможной быстроте действия наилучшим образом выглядят криогенные насосы. При откачке водяного пара эффективность крионасосов составляет почти 100 %, в случае аргона, кислорода, азота – приблизительно 40 %, по водороду – 18-25 %. Этим они
выгодно отличаются от турбонасосов, которые дают 8 – 13 % от теоретического максимума для всех газов, и диффузионных насосов с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом, обеспечивающих 20-25 % для
всех газов, кроме водяного пара. Ионные насосы также не являются
151

идеалом. Их эффективность составляет около 20 % для всех активных
газов, а для аргона и других инертных газов не превышает 5%.

Рис. 5.11. Удельная стоимость быстроты действия
насосов различного типа

Выбор средства высоковакуумной откачки для решения конкретных технологических задач существенно сложнее. Эта задача требует детального сравнительного анализа обширного набора характеристик. Очень часто фактические совокупные затраты (покупная цена,
эксплуатационные расходы, стоимость сервисного обслуживания) не
совпадают с предварительными оценками.
Особо показательны в этом отношении сорбционные насосы.
При оценке их технико-экономических характеристик нельзя ориентироваться лишь на стоимость, приходящуюся на единицу быстроты
действия. Необходимо также учитывать издержки, связанные с изменением сорбционной емкости насоса по мере «старения» адсорбента и
соответственно возможным увеличением продолжительности цикла
откачки. Также обязательно следует учитывать стоимость затрат, связанных с необходимостью периодической регенерации сорбента. В то
же время при сорбционно-геттерной откачке поглощённый газ в свя152

занном состоянии остаётся в насосе. Это позволяет полностью изолировать внутрикамерное оборудование от воздушной среды, что является очевидным достоинством. Какой из показателей окажется весомее – решать в каждом конкретном случае проектанту.
На рис. 5.12 приведены зависимости, построенные для криогенных и магниторазрядных насосов приблизительно одинакового размера. Кроме того, представлены аналогичные зависимости для пароструйного насоса. Очевидно, что с ростом откачиваемого потока продолжительность нормальной работы газоулавливающих насосов резко
снижается и требуется более частая регенерация или очистка, что приведет к росту стоимости удельной быстроты действия.

Рис. 5.12. Предельная продолжительность стационарной фазы откачки
в зависимости от производительности для насосов различных типов:
1 – магниторазрядный насос; 2 – крионасос; 3, 4 – пароструйный насос
(50 % и 100 % мощности кипятильника)

Естественно, что продолжительность нормальной работы пароструйного насоса в штатных режимах не ограничена (не считая случая
с уменьшением количества рабочей жидкости). Однако здесь прихо153

дится учитывать другие факторы, например, затраты на водяное охлаждение, прогрев насоса и т.д. Следует помнить, что если откачная система на основе пароструйного насоса содержит азотную ловушку
и/или отражатель, то стоимость такой системы фактически удваивается.
С точки зрения удельного энергопотребления турбомолекулярные и диффузионные насосы выглядят предпочтительнее криогенных
(рис.5.12). Заслуживает внимания тот факт, что при интенсивных газовых нагрузках и соответственно малой продолжительности рабочего
цикла (периода между последовательными циклами регенерации) для
откачки предпочтительнее использовать не один, а два независимых
крионасоса: пока один работает, второй подвергают регенерации. Естественно, что такая система стóит дороже. Но если доминируют тр ебования безупречности технологической среды (вакуума) и отсутствия
загрязнений, привносимых рабочей жидкостью, дополнительные издержки становятся вполне приемлемой платой за совершенство производимой продукции.

Рис. 5.13. Энергопотребление на единицу производительности
различных откачных средств откачки в зависимости от
продолжительности рабочего цикла
154

Следует также учитывать, что эксплуатация насосов поверхностного действия в режиме перегрузки имеет существенные особенности. Рассмотрим их на примере криогенных и магниторазрядных насосов.
Наряду с ограничением максимального потока откачиваемого
газа (наибольшего рабочего давления насоса) в квазистационарных
условиях, характерного для газоперекачивающих насосов, лимитирующим фактором для криогенных и разрядных насосов является количество уже поглощённого ими газа (см. рис. 5.12). Реакция крионасоса на газовый импульс, превышающий его максимальную стационарную производительность, зависит от его сорбционной ёмкости и
теплоёмкости криопанелей. Если количество газа в импульсе достаточно велико, возможен нагрев панелей, сопровождающийся высвобождением ранее поглощённого газа. В сравнении с пароструйными
криогенные насосы менее чувствительны к броскам давления. Однако
в квазистационарном режиме по величине приемлемой производительности пароструйные насосы предпочтительнее (см. рис. 5.14).
Расширенные зоны приемлемой перегрузки для насосов поверхностного действия (на рис. 5.14 эти зоны выделены штриховкой) отражают зависимость Qмакс от условий эксплуатации: для криогенных насосов – от временнóго промежутка между последовательными циклами
регенерации, а для разрядных – от частоты замены катодных пластин.
Необходимость замены катодных пластин в разрядных насосах на
практике обычно увязывают с общим ухудшением откачных характеристик, затруднённым запуском или внезапным отказом из-за короткого замыкания в электродной системе, вызванного её механическим
разрушением. Перегрузку, обусловленную «запредельным» количеством ранее поглощённого газа, выявляют, наблюдая за эволюцией откачной характеристики для водорода.
Аналогичным образом насосы разных типов можно сопоставить
по удельным значениям массы, габаритов, потребляемой мощности и
т.п. Для некоторых типов насосов такой анализ можно сделать, например, по данным табл. 5.1- 5.7.

155

Рис. 5.14. Допустимые области перегрузок для насосов различных
типов: 1 – геттерно-ионные; 2 – криогенные; 3 – пароструйные;
4 –турбомолекулярные; 5 – турбонасосы с молекулярной ступенью

Не следует забывать, что в современной вакуумнотехнологической практике определяющим фактором при выборе типа
насоса всё чаще становится уровень загрязнений, вносимых насосом в
откачиваемую систему. В этом контексте абсолютным преимуществом
обладают безмасляные насосы, и высокие затраты на приобретение
таких машин могут легко окупиться снижением издержек на эксплуатацию установок и повышением качества выпускаемой продукции.

156

157

Таблица 5.1

158

Таблица 5.2

159

Таблица 5.3

160

Таблица 5.4

161

Таблица 5.5

162

*- по аргону

Таблица 5.6

163

Таблица 5.7

5.5. Сопряжение высоковакуумных и форвакуумных насосов
Вопросы физически обоснованного сопряжения вакуумных насосов, функционирующих в единой откачной системе, в той или иной
степени уже затрагивались в предыдущих главах. Здесь мы обсудим
эту тему более обстоятельно.
Критическими параметрами высоковакуумных и некоторых
средневакуумных насосов являются максимальный перепад давлений
(степень сжатия) и объёмный (массовый) расход. Для последовательно
работающих насосов должны правильно сочетаться выпускное давление высоковакуумного насоса и впускное форвакуумного. Столь же
важно согласование производительности высоковакуумного насоса и
системы предварительной откачки.
В этом контексте принципиально ошибочна традиционная практика жёсткой фиксации точки перехода от предварительной к высоковакуумной откачке по абсолютному давлению. Назовём её концепцией
«жёсткого» перехода. Её физическая несостоятельность кроется в том,
что в ней не находит отражения возможное превышение массового
расхода газа, истекающего из откачиваемой камеры, над предельной
производительностью высоковакуумного насоса. Подобный дисбаланс
неизбежно приводит к газовой перегрузке насоса, чреватой негативными последствиями. Столь же безосновательна априорная «связка»
других характерных точек вакуумного цикла. Несмотря на это, при
проектировании и эксплуатации высоковакуумных систем нередко
продолжают прибегать к когда-то выработанным и в определённых
условиях успешно действовавшим правилам. Например, осуществляют переход с предварительной на высоковакуумную откачку при достижении давления ~10 Па или уравнивают длительность этапов предварительной и высоковакуумной откачки; или, наконец, реализуют
фиксированный алгоритм коммутационных операций: вначале перекрывают байпасный клапан и лишь затем открывают высоковакуумный.
Условность перечисленных «традиций» лежит на поверхности.
Физически обоснованная точка (давление) перехода зависит от массового расхода, а не от давления. Более того, условия такого перехода
индивидуальны для каждой вакуумной системы, поскольку они определяются соотношением быстрот действия каждого из насосов и предельным массовым расходом высоковакуумного насоса. Даже для од164

ной и той же вакуумной системы давление перехода может варьироваться при смене рабочей газовой смеси либо эксплуатационном
дрейфе характеристик насосов.
Перечисленные факторы могут показаться второстепенными.
Однако именно этими факторами зачастую обусловлены производственный успех или технологический провал.
Абсолютным для эксплуатационника и проектанта вакуумной
системы должно стать «золотое» правило перехода: к высоковакуумной откачке следует переходить лишь после того, как массовый расход
газа из рабочей камеры станет меньше предельной (максимально возможной) производительности высоковакуумного насоса. Это правило
универсально. Оно должно выполняться при работе с высоковакуумными насосами любого типа. Но особенно важно соблюдать его при
операциях с пароструйными насосами, поскольку их неправильная
эксплуатация часто приводит к таким серьёзным авариям и сбоям, как
потеря рабочей жидкости или рост её обратного потока.
На финишной стадии предварительной откачки знáчимы две
компоненты газовой нагрузки: остаточный атмосферный либо технологический газ в рабочей камере и квазистационарный десорбционный
поток с её стенок. Перегрузку высоковакуумного насоса потоком остаточного газа предотвращают медленным открыванием высоковакуумного клапана либо продолжением предварительной откачки через байпасный вакуумпровод малой проводимости. Перегрузки термодесорбционным потоком можно избежать единственным «приёмом»: следуя
«золотому» правилу перехода.
Наибольшей производительностью, позволяющей оптимальным
образом реализовать «золотое» правило, криогенные насосы и средства откачки на основе нераспыляемых геттеров обладают непосредственно после регенерации, а магниторазрядные насосы – после замены
катодных электродов.
Достойная сожаления устойчивость ложной концепции «жёсткого» перехода объясняется как техническими, так и исторически сложившимися причинами. В их числе:
- почти исключительное использование при определении и анализе эксплуатационных характеристик вакуумных насосов категории
объёмного (а не массового!) газового потока;
- инверсия зависимых и независимых переменных в координатной системе быстрота действия (откачки) – впускное давление насоса;
165

- традиция графического отображения быстроты действия (откачки) высоковакуумного насоса и насоса предварительного разрежения в пределах единого координатного пространства;
- широкое применение на практике параллельного включения
нескольких насосов, которые затем, по регламенту технологического
цикла, переключаются последовательно;
- тот факт, что высоковакуумные насосы часто представляют собой многоступенчатые устройства, причём одна из ступеней может
находиться в состоянии перегрузки, а другие – нет.
Вдумаемся в сказанное. Разве из очевидных физических соображений не следует, что давление, устанавливающееся на входе в насос,
есть однозначная функция независимого аргумента – массового потока
газа, откачиваемого этим насосом? Между тем уже несколько поколений специалистов, включая даже профессиональных физиков, при построении математической модели насоса вместо этой «естественной»
функции строят некую «искусственную» зависимость его быстроты
действия от впускного давления. Эта традиция, повторяем, не имеет
под собой никакого физического обоснования. Она лишь затрудняет
осознание предельных эксплуатационных возможностей высоковакуумных насосов и насосов предварительного разрежения в их взаимодействии, выбор их производительности для достижения требуемых
параметров вакуумной системы в целом, выявление газовой перегрузки высоковакуумного насоса. В её рамках невозможно определить
наиболее рациональную точку перехода, рассчитать ожидаемую продолжительность технологического цикла откачки, идентифицировать
стационарные и переходные процессы.
Сформулируем исходные требования, которые должны быть заданы для правильного выбора производительности высоковакуумного
насоса и построения оптимизированной вакуумной системы. Это продолжительность откачки для достижения требуемой концентрации
(давления) остаточного газа; кинетика давления рабочей газовой смеси
в ходе вакуумно-технологического процесса и его длительность; состав и максимально возможный расход рабочего газа. При проектировании сложных многоступенчатых систем, откачиваемых пароструйными, двухроторными и механическими насосами, должны быть проанализированы переходные процессы, вызванные скачкообразными
изменениями текущего значения быстроты откачки.

166

Рабочая диаграмма насоса традиционно представляется в форме
зависимости быстроты действия от впускного давления (см. рис. 5.1).
Факторы, лимитирующие работоспособность высоковакуумного насоса, представлены графически на рис. 5.7. Если график повернуть на
90°, чтобы сделать наглядной зависимость впускного давления от быстроты действия, полученная «двузначная» кривая будет разительно
отличаться от тех, что обычно приводят в книгах по гидромеханике и
пневматическим машинам. Участок диаграммы, где лимитирующим
фактором становится мощность, в этих книгах обычно опускают, поскольку он выходит за пределы максимальной стационарной производительности насоса. Стремление использовать насос в «запредельной»
области аналогично попытке эксплуатировать перегруженный и теряющий скорость автомобильный двигатель или электромотор. Тем не
менее, операторы высоковакуумных систем нередко пытаются «заставить» насос работать в таких условиях. Возможно потому, что не видят искр и дыма и не слышат скрежета!
Для ясного понимания физических причинно-следственных связей намного целесообразнее представлять рабочую диаграмму насоса
в форме, показанной рис. 5.15. Здесь хорошо видны характеристики
высоковакуумного насоса и насоса предварительного разрежения, а
также предельное значение массового расхода Q МАКС . А ширина резервной зоны эксплуатационной безопасности (на рис. 5.15 эта зона
заштрихована) отражает «чувствительность» высоковакуумного насоса к перегрузке и вероятность возникновения значительных колебаний
давления при его работе вблизи предельного массового расхода.
В неудачно спроектированных насосах эта зона узка, и участок
рабочей диаграммы после достижения максимальной производительности близок к вертикали. В таких насосах при работе в области
Q МАКС может внезапно наступить полный срыв откачки. К тому же
при их эксплуатации в этой области практически невозможно контролировать газовый поток для поддержания выпускного давления в
обычно рекомендуемом интервале 0,5 – 5 Па. При попытке сделать это
неизбежны резкие крупномасштабные колебания давления, поскольку
любое, даже незначительное изменение газового потока «переключает» откачку с высоковакуумного на насос предварительного разрежения и обратно.

167

Рис. 5.15. Впускное давление в функции производительности
(откачиваемого газового потока) пароструйного насоса

Каждая ступень правильно спроектированного насоса должна
иметь достаточно широкую резервную зону безопасности. Поэтому
при чрезмерной газовой нагрузке в принципе возможна ситуация, когда, к примеру, входная ступень пароструйного насоса работает с перегрузкой, а последующие ступени функционируют в штатном режиме. Однако такой возможностью нельзя злоупотреблять. Во-первых,
неоправданно ранний переход от предварительной к высоковакуумной
откачке отнюдь не сокращает общую продолжительность процесса
вакуумирования. Во-вторых, эксплуатация в форсированном режиме
вакуумной, как и любой другой системы, снижает её надёжность и
уменьшает ресурс.
Учитывая значимость пароструйных насосов для современной
вакуумно-технологической практики, укажем их некоторые особенности. При установке на входе в насос отражателя или ловушки его быстрота действия и производительность падают. Степень падения зависит от рода газа: для лёгких газов она меньше. Этот вопрос уже обсуждался в разделе 3.8. Согласно основному уравнению вакуумной тех168

ники (3.38), например, если проводимость отражателя U равна паспортной быстроте действия насоса без отражателя S ВХ , то быстрота
действия на входе в насос с установленным отражателем составит 0,5
S ВХ (все величины в этом примере указаны по воздуху). А для гелия
она будет равна 0,83 S ВХ , поскольку проводимость отражателя по
этому газу в 2,7 раза больше, чем по воздуху. Для газов тяжелее воздуха эффект противоположный.
На величину максимальной производительности (потока) отражатели и ловушки не влияют.
Остановимся на определении максимальной производительности чуть подробнее. Её паспортное значение для конкретного насоса
Q МАКС указывают обычно только по воздуху; для других газов оно
иное. При фиксированном массовом потоке (г/с) максимальная производительность
(5.1)
Q МАКС 2 = Q МАКС1 ⋅ M 1 / M 2 ,
где M 1 , M 2 – молекулярные массы соответствующих газов. Эта
формула не универсальна, но она даёт приемлемую по точности оценку для современных мощных пароструйных насосов.
Для устойчивой работы пароструйных насосов важно не превышать максимальную производительность первой ступени, которая
обычно близка к 70 % от паспортной.
При больших газовых нагрузках на быстроту действия (производительность) пароструйного насоса начинают влиять параметры
форвакуумного насоса. По существу, оценка производительности высоковакуумного насоса при впускном давлении 10 Па – упражнение,
касающееся скорее форвакуумного насоса. При таком впускном давлении лишь эжекторная ступень высоковакуумного насоса, расположенная в форвакуумном патрубке, совершает хотя бы какое-то откачивающее действие. Остальные ступени сильно перегружены: пары
рабочей жидкости конденсируются в пространстве, не достигнув стенок, и выносятся в форвакуумный насос. Это приводит к быстрой потере рабочей жидкости.
В заключение отметим, что при выборе высоковакуумных насосов в ходе проектирования технологического оборудования расчётное
значение быстроты действия (производительности) необходимо увеличивать на 20-30 %. Этот «запас» призван компенсировать погреш169

ность вакуумметров и всегда существующую неопределённость в
оценке скорости газовыделения. Проектируя оборудование, для которого типичны большие газовые нагрузки (установки для металлизации
пластмасс, высоковакуумные печи и т.п.), расчётную быстроту действия следует удваивать.
5.6.

Давление перехода от предварительной
к высоковакуумной откачке

Используя традиционную форму рабочей диаграммы, удобно
раздельно представлять характеристики насоса предварительного разрежения и высоковакуумного насоса (рис. 5.16). Зависимость
S ВХ = f ( PВХ ) для насоса предварительного разрежения простирается
от атмосферы до предельного остаточного давления (здесь поток равен нулю, а компрессия максимальна).

Рис. 5.16. Быстрота действия в функции впускного давления
для пароструйного и механического форвакуумного насосов
(штрихами обозначена линия постоянной газовой нагрузки)

Аналогичная кривая для высоковакуумного насоса также начинается при максимальном массовом расходе (максимальной произво170

дительности) и заканчивается при предельном для данных условий
вакууме (откачиваемый насосом газовый поток равен нулю). Соединение этих двух кривых на рис. 5.16 сплошной плавной линией фиксирует возможность совместной работы обоих насосов в нестационарном
переходном режиме.
Как уже отмечалось, «золотое» правило перехода заключается в
следующем: подходящий момент для перехода от предварительной к
высоковакуумной откачке наступает, когда газовый поток из камеры
становится меньше предельной производительности высоковакуумного насоса. Существуют простые способы их количественного сопоставления по результатам вакуумметрических измерений. Давление,
отвечающее точке пересечения линии постоянной производительности
(на рис. 5.16 она показана штрихами) с графической зависимостью
S ВХ = f ( PВХ ) для насоса предварительного разрежения, и есть давление перехода. А для определения газового потока, истекающего из рабочей камеры, необходимо быстроту откачки насоса предварительного
разрежения в сечении его подсоединения к камере умножить на давление в ней. Некоторую трудность может представлять при этом неопределённость парциального состава откачиваемого газа. Если в нём
велика доля водяных паров, то характеристика насоса предварительного разрежения смещается в сторону более высоких давлений и быстрота откачки насоса предварительного разрежения в зафиксированном диапазоне давлений может уменьшиться в сравнении с расчётной.
Рабочая камера может иметь сложную геометрическую форму; в ней
часто размещены локализованные источники газовых нагрузок. Это
чревато возникновением значительных перепадов внутреннего давления. В таких случаях манометрический преобразователь устанавливают как можно ближе к месту подсоединения к камере насоса предварительного разрежения.
Потоки остаточного атмосферного (технологического) газа и тепловой десорбции со стенок в ходе вакуумирования рабочей камеры
логично аппроксимировать убывающими функциями с сильно различающимися постоянными времени. Эти потоки непосредственно до и
после перехода остаются примерно одинаковыми ( Q ≈ Q ′ на рис.
5.17).

171

Рис. 5.17. Распределение газовых потоков до и после
перехода от предварительной к высоковакуумной откачке

В точке перехода при закрывании байпасного и открывании высоковакуумного клапанов неизбежен скачок давления в камере, обусловленный резким увеличением быстроты её откачки. Постоянная
времени этого кратковременного переходного процесса
(5.2)
τ = V / S 0′ ,
где V – объём камеры, а S 0′ – быстрота откачки камеры высоковакуумным насосом. Для промышленного оборудования эта постоянная,
как правило, меньше одной секунды.
Функция, описывающая кинетику теплового газовыделения со
стенок камеры, характеризуется гораздо большей постоянной времени:
обычно это десятки минут и даже часы. Поэтому в контексте нашего
обсуждения скорость газовыделения можно считать постоянной.
Таким образом, баланс газовых потоков при переходе можно
представить в виде (см. рис. 5.17) условия стационарности:
172

(5.3)
Q = PS 0 = Q ′ = P ′S 0′ ,
где P и P ′ – давление в камере до и после перехода. Отсюда максимально допустимое давление перехода
(5.4.)
PПЕР = Q МАКС / S 0 ,
где Q МАКС – максимальная производительность высоковакуумного
насоса.
Как следует из формулы (5.4) и наглядно показано на рис. 5.18,
при увеличении производительности (точнее, быстроты откачки в сечении подсоединения к рабочей камере насоса предварительного разрежения) давление перехода падает.

Рис. 5.18. Давление перехода в зависимости от производительности
насоса предварительного разрежения

К сожалению, стандартизованная методика определения максимального массового расхода высоковакуумных насосов пока не разработана. Некоторые насосы обладают повышенной эксплуатационной
устойчивостью при кратковременной перегрузке. К тому же зачастую
бывает трудно определить быстроту откачки камеры насосом предва173

рительного разрежения в требуемом сечении, а относительно дешёвые
вакуумметры низкого и среднего вакуума имеют значительную погрешность. Поэтому на практике для контроля правильности выбранного давления перехода используют эмпирическое правило: если после перехода не наблюдается быстрое падение давления в камере, высоковакуумный насос работает в режиме перегрузки. Скачкообразное
падение давления должно происходить сразу после перехода, и количественно степень падения должна как минимум отвечать соотношению быстрот откачки высоковакуумного насоса и насоса предварительного разрежения.
Термодесорбционный поток со стенок легко определить, измеряя скорость нарастания давления в изолированной рабочей камере
(рис. 5.19). Камера должна быть полностью оснащена штатными технологическими приспособлениями и заполнена обрабатываемыми материалами. Её откачивают до намеченного давления перехода и закрывают байпасный клапан.

Рис. 5.19. Определение термодесорбционного
потока методом натекания

174

Определённый по результатам измерений поток
(5.5)
QЭКС = V∆P / ∆t
сопоставляют с максимальной производительностью высоковакуумного насоса. Если QЭКС > Q МАКС , эксперимент повторяют, выбрав более
низкое давление перехода. Процедуру выполняют до тех пор, пока не
будет достигнуто условие QЭКС ≈ Q МАКС .
В ходе проведения технологических процессов, требующих после перехода введения в камеру дополнительной тепловой энергии,
скорость термостимулированного газовыделения может вновь превысить допустимый максимум. Такую ситуацию необходимо предотвращать, контролируя скорость ввода тепла. Это особенно важно при эксплуатации высоковакуумных систем на основе пароструйных насосов,
поскольку каждая их ступень имеет собственный предел массового
расхода (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Максимальная производительность
различных ступеней пароструйного насоса

Не исключено, к примеру, что входная ступень сильно перегружена, и поэтому резко интенсифицируется обратный поток паров ра175

бочей жидкости. В то же время остальные ступени функционируют в
штатном режиме. В турбомолекулярных насосах ситуация не столь
опасна, поскольку роторы всех ступеней установлены на общем валу.
В насосах поверхностного действия предельный массовый расход необходимо увязывать с желаемым периодом регенерации (крионасосы
и средства откачки на основе нераспыляемых геттеров) либо с приемлемой частотой замены катодных пластин (разрядные насосы).
Давление перехода в конкретной вакуумной системе зависит
также от концентрации водяных паров. Особо важную роль в процессе
перехода играет содержание водяных паров в насосе предварительного разрежения. Если оно сравнительно велико, быстрота откачки падает, и зависимость S 0 = f ( PВХ ) сдвигается вправо, что смещает и давление перехода (см. рис. 5.18).
Подключение высоковакуумного насоса увеличивает не только
быстроту откачки камеры, но и степень сжатия откачиваемого газа.
Этим объясняется быстрое, в течение нескольких секунд после перехода, падение давления в камере в тысячи раз (а не пропорционально
соотношению быстрот откачки высоковакуумного насоса и насоса
предварительного разрежения). В нестационарных условиях (режим
перехода) продолжительность вакуумирования камеры в заданном интервале давлений не подчинена обратной зависимости от быстроты
откачки. Причина этого, казалось бы, странного обстоятельства проста: в этой фазе доминирующим фактором в процессе откачки является нестационарный десорбционный поток со стенок камеры, а не эвакуация с постоянной скоростью находящегося в ней остаточного газа.
Корме того, скорость нестационарного газового потока, истекающего
из камеры после открывания высоковакуумного клапана, гораздо
больше той, которая соответствует данной быстроте откачки в стационарном режиме.
5.7. Интеграция вакуумного тракта электрофизических установок
Специфичную и очень обширную область эффективного применения вакуумных технологий составляет электрофизическое аппаратостроение. Стенки вакуумных камер ускорителей заряженных частиц,
источников синхротронного излучения, коллайдеров, плазменных установок испытывают воздействие мощных корпускулярных и электромагнитных потоков. Оно вызывает интенсивное стимулированное
176

газовыделение, что может привести к лавинообразному росту концентрации газа и даже полному срыву функционирования электрофизического комплекса. К тому же вакуумные камеры современных ускорителей и накопителей для фундаментальных физических исследований
имеют малое, порядка 50 см2, поперечное сечение при очень большой
протяжённости. Так, периметр адронного коллайдера в европейском
центре ядерных исследований близок к 30 км. Между тем давление в
протяжённых вакуумных камерах длиной l возрастает как ( l / f ) 2 в
системах с распределённой газовой нагрузкой и l / f 3 в системах с
сосредоточенной нагрузкой. Здесь f – характеристический поперечный
размер камеры. Это обстоятельство резко ограничивает возможности
получения сверхнизких давлений в протяжённых камерах, откачиваемых по традиционной схеме – дискретно размещёнными вдоль камеры
сверхвысоковакуумными насосами.
Указанные ограничения носят принципиальный характер не
только для накопителей, синхротронов и других циклических ускорителей, в которых сечение камеры и шаг установки насосов жёстко регламентируются магнитной структурой. Аналогичные трудности неизбежны при создании электростатических ускорителей многозарядных
ионов, тяжелоионных циклотронов, генераторов гамма-квантов для
геофизических исследований, сверхпроводящих линейных ускорителей, перезарядных мишеней и ионных источников, находящихся под
высоким электрическим потенциалом или в средах с особыми свойствами. Эффективное разрешение перечисленных трудностей возможно
в рамках пространственно- энергетической и функциональной интеграции вакуумного тракта. Её реализуют следующими конструктивнофизическими приёмами:
- размещением средств откачки непосредственно в камере в тех
её зонах, где происходит наиболее интенсивное газовыделение (пространственная интеграция);
- использованием для питания вакуумных насосов и формирования необходимых для их работы электрических и магнитных полей
электромагнитного поля, присущего откачиваемой установке, а также
энергии циркулирующих в ней пучков и генерируемого излучения
(энергетическая интеграция) ;
- приданием элементам вакуумной камеры дополнительных
функций по организации процесса высоковакуумной откачки либо поглощения газовых ионов (функциональная интеграция).
177

Интеграция вакуумного тракта, исключая лимитирующее влияние газокинетической проводимости, позволяет на несколько декад
снизить давление остаточного газа в протяжённых малоапертурных
камерах. Удаётся исключить или существенно уменьшить потребление
энергии вакуумными насосами от внешних источников, что имеет
принципиальное значение при их размещении в труднодоступных
местах. Резко снижаются также габариты и вес элементов вакуумного
тракта.
Яркий пример эффективности интегрированных вакуумных систем – ускорители с постоянным и пульсирующим магнитными полями: циклотроны, микротроны, ускорительно-накопительные комплексы. Для их откачки непосредственно в вакуумной камере в межполюсном пространстве электромагнита размещают электродные блоки разрядных насосов (рис. 5.21). Встроенный насос, показанный на этом
рисунке, работает в магнитном поле накопителя с индукцией 0,3 Тл;
он имеет быстроту действия 0,11 м3/с на 1 м длины. Вдвое большую
производительность имеет встроенный разрядный насос электронпозитронного накопителя, работающий в магнитном поле 0,7 Тл. Предельное остаточное давление в камере этого накопителя – менее
3⋅10-8 Па, что более чем на порядок ниже давления в камере с внешней
откачкой при тех же газовых нагрузках; время жизни пучка при малом
токе – около 100 ч. Вакуумный тракт аналогичной конструкции нашёл
применение на отечественных и зарубежных электрон-позитронных
накопительных кольцах и микротронах.
Другой пример – интегрированный вакуумный тракт высоковольтных и индукционных ускорителей. Главные трудности состоят
здесь в необходимости подачи электропитания к насосам, находящимся под высоким потенциалом, а также в габаритных ограничениях.
Использование встроенных разрядных насосов, распределённых по
длине ускорительной трубки, с подачей на них электропитания от источников, автоматически приобретающих тот же электрический потенциал, что и один из электродов встроенных насосов, устраняет указанные трудности. С этой целью в высоковольтных ускорителях используют резистивные делители, включаемые параллельно трубке для
выравнивания потенциала (рис. 5.22). В индукционных ускорителях
делители аналогичного назначения формируют с помощью дополнительных диэлектрических вставок.

178

Рис. 5.21. Конструктивная схема интегрированного вакуумного тракта электрон-позитронного накопителя: 1 – встроенный нагреватель для
обезгаживания камеры: 2 – канал охлаждения, 3 – вакуумная камера, 4 – полюсные наконечники электромагнита, 5, 6 – катоды и анод встроенного
магниторазрядного насоса, 7 – радиационные экраны

Рис. 5.22. Функциональная схема высоковольтного ускорителя с интегрированным вакуумным трактом: 1,4 – отрицательный и положительный электроды источника ускоряющего напряжения, 2 – резисторы высоковольтного
делителя; 3 – электростатический экран; 5 – постоянные магниты; 6, 7 –
анодный и катодные электроды встроенного разрядного насоса;
8, 9 – электроды и изоляционные кольца ускорительной трубки;
10 – блок внешней откачки ускорителя
179

Еще одно возможное решение интегрированного вакуумного
тракта ускорителя – использование ёмкостного накопителя, заряжаемого ускоряемым пучком. Когда потенциал коллектора становится
достаточным для зажигания пеннинговского разряда, происходит «самовключение» встроенного магниторазрядного насоса. При работе
ускорителя с высокой скважностью ёмкостной накопитель шунтируется дополнительным RС- контуром. При отсутствии пучка десорбционные потоки откачиваются нераспыляемым геттером.
Типичный пример функциональной интеграции вакуумного
тракта - использование стенок вакуумной камеры в качестве поверхности осаждения геттерных плёнок.
Интересные возможности интеграции вакуумного тракта и радикального изменения самих принципов его построения для электрофизических установок сулит использование имплантационного способа откачки. Его основу составляет способность металлов удерживать
внедрённые частицы газа, пока их концентрация не достигнет критической величины. Количественно это свойство характеризуется коэффициентом внедрения, то есть долей удерживаемых мишенью частиц
из числа падающих на её поверхность. Вероятность удержания достаточно велика, если энергия имплантируемых частиц существенно превышает тепловую. Минимальная энергия, отвечающая этому условию,
- 50–100 эВ. Для большинства металлов коэффициент внедрения ионов и атомов водорода близок к 0,7 вплоть до концентрации внедрённых частиц 5⋅1015 см-2, затем он резко падает. Но для титана, циркония,
лития и других гидридообразующих металлов коэффициент внедрения
близок к 0.9 при значительно большей критической концентрации. Её
абсолютная величина сильно зависит от температуры мишени. Оптимальная область температур 300 – 400 К (Nb); 300 – 450 К (Ti); 300 –
500 К (Zr); 480 – 650 К (Li).
В области оптимальных температур критическая концентрация
внедрённых атомов водорода для большинства гидридообразующих
металлов несколько превышает 1018 см-2; для титана и лития она на
декаду больше. Для ионов инертных газов, бомбардирующих твёрдофазные мишени, она близка к 1017 см-2. Чтобы повторно использовать
насыщенную мишень, её достаточно реактивировать прогревом до
1000 – 1300 К.
Имплантационный насос, таким образом, должен содержать ионизатор откачиваемого газа, устройство для ускорения ионов и приём180

ные пластины-мишени с системой их тепловой реактивации. Главная
техническая трудность, препятствующая практическому использованию таких насосов на основе твёрдофазных приёмных пластин, – их
ограниченный ресурс из-за насыщения и ионного распыления. Особый
интерес в этой связи представляют непрерывно возобновляемые жидкометаллические приёмники ионных пучков и плазмы. Для формирования плёнок можно использовать литий, галлий, эвтектический сплав
алюминий-кремний, некоторые другие металлы.
Коэффициент внедрения водородных ионов в жидкофазные литиевые мишени очень высок: превышая 0,85 при энергии ионов около
50 эВ, он возрастает до 0,95 при энергиях свыше 1 кэВ; критическая
концентрация – около 5⋅1019 см-2. Литий имеет сравнительно низкую
температуру плавления – 453 К; давление насыщенных паров в точке
плавления всего 4⋅10-9 Па. Лишь при 600 К давление паров превышает
10-3 Па. Вязкость лития при рабочей температуре близка к вязкости
воды; он способен образовывать тонкие плёнки, смачивающие металлические подложки. Низкие скорость испарения и атомный номер
( Z = 3 ) делают возможным его использование в термоядерных установках в непосредственной близости от плазменного шнура. Попутно
решается ещё одна важная задача – поглощение теплового потока, излучаемого плазмой. Теплоаккумулирующая способность особенно велика у галлия.
Для поглощения ионов гелия жидкометаллические приёмники
непригодны из-за очень малого времени удержания имплантированных частиц (десятки микросекунд).
С использованием жидкометаллических имплантационных приёмников частиц возможно создание основных компонентов вакуумного тракта электрофизических комплексов. Жидкометаллическая диафрагма располагается непосредственно в разрядной камере реактора,
она формирует плазменный шнур и поглощает основную долю корпускулярных и тепловых потоков, излучаемых плазмой. Наибольший
интерес описанная технология представляет пока для установок
управляемого термоядерного синтеза. Это объясняется, во-первых,
исключительным значением тяжёлых изотопов водорода как топлива
термоядерных реакторов и, во– вторых, естественным выполнением в
плазменных установках условий, необходимых для работы имплантационных насосов: плазменный шнур окружён высокотемпературным
частично ионизованным водородом.
181

5.8. Измерение быстроты действия вакуумных насосов
Обязательный заключительный этап промышленного производства сложных приборов и технологического оборудования, в том
числе вакуумного, – их технический контроль (аттестация). Этим термином обозначают измерения по стандартизованным методикам одной
или нескольких базовых характеристик изготовленного изделия и их
сопоставление с проектными (паспортными). В случае несоответствия,
опять же в стандартизованных пределах, изделие отбраковывают. Нередко, а в ответственных случаях всегда, такой же процедуре изделие
периодически подвергают и в процессе эксплуатации.
Тенденция последних десятилетий, особенно в связи с вступлением России в ВТО, – последовательный переход от национальной
нормативной документации (чаще всего действующей еще со времен
СССР) на стандарты, методики и рекомендации ISO – Международной
организации по стандартизации. Такой переход неизбежно связан с
немалыми материальными и психологическими издержками. Поэтому
его стремятся осуществлять постепенно, начиная со сферы активной
международной торговли и быстро развивающихся двусторонних экспортно-импортных операций.
Подобный период переживает ныне и отечественная вакуумная
техника. Здесь пока сосуществуют российские национальные стандарты и нормативные документы ISO. Так, испытания вакуумных механических насосов долгие годы проводились согласно ГОСТ 25663-83,
а для испытаний диффузионных насосов использовался ГОСТ 2566283. Уже несколько лет ведется разработка стандартов, полностью соответствующих международным требованиям, заложенным в стандартах ISO.
Стратегический исход этого «дуализма» очевиден. Совсем недавно вышел ГОСТ Р 54807-2011 (ISO 21360:2007) «Вакуумная технология. Стандартные методы измерения характеристик вакуумных насосов. Общие положения». Этот стандарт является основополагающим
в комплексе национальных стандартов на вакуумное оборудование.
Однако полный переход на новые ГОСТы может оказаться довольно продолжительным, поскольку, во-первых, в России бóльшая, а
возможно, и доминирующая часть производимого в стране вакуумного
оборудования ориентирована на внутренний рынок. Во- вторых, все
сведения, не представленные в ГОСТ Р 54807-2011, берутся из соот182

ветствующих российских стандартов, поскольку нормативные документы, отвечающие требованиям ISO, пока отсутствуют. Поэтому в
настоящем пособии кратко представлены обе версии стандартизованной методики измерения быстроты действия как основного параметра
любого насоса – действующая долгие годы в России (версия 1) и ISO
(версия 2). По своему существу эти версии несколько различаются, так
как покоятся на альтернативных истолкованиях фундаментального
понятия «вакуумный насос». Остановимся на этом подробнее.
Российские стандарты исходили из представления, что с физической точки зрения высоковакуумный насос представляет собой
«идеальный сток» («абсолютно черное тело» в терминах термодинамики) для газового потока, поступающего из откачиваемой камеры.
Основными откачными параметрами, измеряемыми для насосов,
являются быстрота действия и предельное остаточное давление. Причём для большинства насосов важно знать не только предельное остаточное давление, а ещё интервал рабочих давлений: от наименьшего
PНАИМ .РАБ до наибольшего PНАИБ .РАБ рабочего давления. Вне этого интервала насос практически неработоспособен.
Второй параметр – быстрота действия S ВХ , зависящая от давления PВХ в зоне впускного отверстия насоса. При давлении PОСТ она
падает до нуля, при PВХ > PНАИБ .РАБ или резко снижается, или также
становится равной нулю. Внутри интервала PОСТ – PНАИБ .РАБ быстрота
действия сложным образом зависит от давления PВХ . Как уже отмечалось, произведение PВХ S ВХ количественно определяет натекающий из
камеры и откачиваемый насосом газовый поток Q .
Если трактуемую таким образом физическую модель высоковакуумного насоса внести в абсолютно свободную от газа полость очень
большого объёма, никакой локальной эволюции в этой полости не
произойдет. Таким образом, в рамках версии 1 быстроту действия вакуумного насоса в интервале PОСТ < PВХ < PНАИБ .РАБ при его аттестации
следует определять по формуле (3.35), конкретизированной в виде
Q
,
(5.6)
S ВХ =
PВХ
где Q и PВХ – экспериментально полученные величины потока и давления.
183

Версия 2 исходит из представления, что с физической точки
зрения высоковакуумный насос, являясь абсолютным стоком для натекающего из вакуумной камеры газового потока Q′ , одновременно
служит источником квазипостоянного газового потока Q′′ , натекающего в камеру из самого насоса. Последний равен произведению предельного остаточного давления высоковакуумного насоса на проводимость его впускного отверстия. Фактически откачиваемый газовый
поток (условно говоря, «полезный» поток) Q , который может быть
экспериментально измерен, будет в этом случае разностью прямого
(из камеры в насос) и обратного (из насоса в камеру) потоков, то есть
(5.7)
Q = Q′ − Q′′ .
По мере понижения давления полезный поток уменьшается, а
обратный практически не изменяется. В точке PОСТ потоки Q′ и Q′′
уравниваются, и измеряемый поток Q (а стало быть, и быстрота действия S ВХ ) становятся равными нулю.
По второй версии любой высоковакуумный насос также характеризуется интервалом рабочих давлений PОСТ – PНАИБ .РАБ , вне которого насос неработоспособен, и быстротой действия S ВХ , которая монотонно меняется от нуля в точке PОСТ до некоторой фиксированной
величины в точке PНАИБ .РАБ .
Однако, если модель высоковакуумного насоса по версии 2
внести в абсолютно свободную от газа полость очень большого объёма, она претерпит существенную локальную эволюцию: в зоне впускного отверстия насоса в полости сформируется квазистационарное газовое облако с давлением PОСТ . Манометрический преобразователь,
установленный в этой зоне реальной испытательной установки, зафиксирует сумму двух давлений: давления, создаваемого потоком Q , откачиваемым аттестуемым насосом с искомой быстротой S ВХ , и давления PОСТ .
Таким образом, в рамках версии 2 быстрота действия высоковакуумного насоса в интервале PОСТ < PВХ < PНАИБ .РАБ при его аттестации определяется по формуле
Q
.
(5.8)
S ВХ =
PВХ − PОСТ
184

Величина PОСТ в формуле (5.8) в стандартах ISO называется
базовым давлением и определяется экспериментально. Однако по своей сути это и есть предельное остаточное давление высоковакуумного
насоса.
Фактически формула (5.8) отсекает влияние на быстроту действия малых и неустойчивых потоков остаточного газовыделения со
стенок камеры и насоса, а также потока натекания.
Физическая модель вакуумного насоса по версии 1 положена в
основу действовавшего долгие годы российского регламента испытаний (ГОСТ 25663-83 и ГОСТ 25662-83), а по версии 2 – стандарта ISO
21360:2007 и ныне действующего ГОСТ Р 54807-2011.
Завершая этот комментарий, подчеркнём несколько важных
обстоятельств. Во-первых, выше изложена предельно упрощенная физическая модель высоковакуумного насоса. Реальная картина процесса
откачки, особенно вблизи точки PОСТ , намного богаче и разнообразнее, ибо «чистая» физическая идея и её техническое воплощение никогда не бывают вполне адекватными.
Во-вторых, высоковакуумные средства откачки, в особенности
криогенные, сорбционные и электрофизические, в подавляющем
большинстве случаев и при давлениях, меньших PОСТ , сохраняют некую «скрытую» быстроту действия, которую нетрудно сделать «явной». С этой целью, используя многообразные физикотехнологические приёмы высоко– и сверхвысоковакуумной техники,
достаточно снизить предельное остаточное давление высоковакуумного насоса.
В-третьих, при аттестации вакуумных насосов испытателей не
должно смущать кажущееся существенным различие между нормами
действовавшего долгие годы российского регламента (формула 5.6) и
стандартами ISO (формула 5.8). С практической точки зрения, это различие только кажущееся. Дело в том, что эксплуатационный режим
вакуумных технологических и исследовательских установок и оборудования на практике выбирают таким, чтобы рабочее давление, как
минимум, в 50–100 раз превышало предельное остаточное давление
высоковакуумного насоса. При выполнении этого требования выход
установки в штатный режим непродолжителен, и процесс откачки устойчив. Поэтому и измерения быстроты действия высоковакуумных
насосов целесообразно проводить, начиная с давления, которое повышено (за счет напуска газа через натекатель) в 50 – 100 раз по сравне185

нию с предельным остаточным (базовым). В этом случае различие результатов, даваемых формулами (5.6) и (5.8), не превысит 1–2 %, что
вполне приемлемо и в промышленной, и в лабораторной практике.
Согласно ГОСТ Р 54807-2011 (ISO 21360:2007) поправки на величину базового давления вносятся также при измерении степени повышения давления насосов, работающих в агрегате с форвакуумными
насосами, и измерении быстроты действия методом диафрагмы, то
есть по версии 1 степень повышения давления находится как
P
(5.9)
ε = ВЫХ ,
PВХ
где PВЫХ = PФ – давление на выходе из испытуемого насоса, равное
входному давлению форвакуумного насоса.
По версии 2 степень повышения давления определяется как
PВЫХ − PОСТ
,
(5.10)
ε=
PВХ − PОСТ .ФВН
где PОСТ .ФВН – предельное остаточное (базовое) давление форвакуумного насоса.
Вместе с тем использование формулы (5.8) для определения экспериментальной быстроты действия средне– и особенно низковакуумных насосов далеко не всегда допустимо. Рассмотрим это на примере
измерения быстроты действия бесконтактного роторного насоса типа
Claw, который имеет предельное остаточное давление около 5000 Па.
Для подобных насосов остаточное давление, в первую очередь, определяется уже не малыми неустойчивыми потоками газовыделения и
натекания, как для высоковакуумных насосов, а обратным потоком,
перетекающим через зазоры роторного механизма с выхода на вход.
Измерение быстроты действия таких насосов обычно проводят, повышая давление на входе всего в 1,5–2 раза. В этом случае различие в
быстротах действия, определяемых по формулам (5.6) и (5.8), может
составлять сотни процентов. Вызывает удивление тот факт, что в ISO
21360:2007 не приводится ограничений по диапазону рабочих давлений и рекомендаций, во сколько раз следует повышать давление в рабочей камере по сравнению с базовым для начала измерений. В остальном методики измерения быстроты действия по версиям 1 и 2
практически идентичны.

186

Контрольные вопросы
1. Классификация вакуумных насосов. Определения газоперекачивающих и газоулавливающих насосов.
2. Типичная характеристика вакуумного насоса. Характерные
точки характеристики.
3. Определение наибольшего выпускного давления насоса. Физический смысл. Способ экспериментального измерения.
4. Что такое предельное остаточное давление вакуумного насоса? От чего оно зависит?
5. Диапазоны рабочих давлений основных типов вакуумных насосов.
6. В чем основное различие в методиках измерения быстроты
действия ГОСТ и ИСО?
7. Каким правилом нужно руководствоваться при переходе от
предварительной откачки к высоковакуумной?
8. Суть интеграции вакуумного тракта электрофизических установок.
9. Как найти давление перехода от предварительной к высоковакуумной откачке?
10. Два предельных эксплуатационных режима насоса.

187

Приложение 1
П1. Становление вакуумной техники и технологий
П1.1. Эволюция представлений о вакууме
Вакуумные технологии относятся к сравнительно новым техническим дисциплинам, хотя о строении нашего мира и существовании
пустоты (вакуума) люди размышляют уже более двух тысячелетий.
Начало положили древнегреческие философы. Вселенная состоит
из пустого пространства и бесчисленного множества мельчайших неделимых частиц – атомов, различающихся по форме и размерам, – такова концепция мироздания, сформулированная античными мыслителями Левкиппом (Leukippos) (ок. 500 г. до н.э.) и Демокритом
(Demokritos) (ок. 460-370 гг. до н.э.). «Начала – атомы и пустота, всё
же остальное существует лишь во мнении…» Атомы «носятся в бесконечном пустом пространстве, в котором нет ни верха, ни низа, ни
середины, ни конца, ни края». В философской поэме «О природе вещей» Лукреций (Lucretius) (ок. 99–55 гг. до н.э.) так аргументирует
существование пустоты: «Если ж пространства или места, что мы пустотой называем, не было б вовсе, тела не могли бы нигде находиться и
не могли б никуда и двигаться также различно».
Противоположная концепция отрицает существование пустоты.
Мир состоит из сплошной материи – считали приверженцы ионийской
философской школы – «Natura abhorret vacua (Природа боится пустоты)». Эмпедокл (Empedokles) (ок. 490–430 гг. до н.э.) утверждал, что
«корни» всего сущего не допускают пустого пространства. «Нет во
вселенной нигде пустоты и откуда ей взяться».
Аристотель (Aristotle) (384–322 гг. до н. э.) также подвергал критике и даже полностью отвергал существование вакуума. Он считал,
что неизбежным следствием признания вакуума, т.е. «пустого пространства», не оказывающего никакого сопротивления движению,
должен стать вывод о возможности перемещения тел с неограниченной скоростью. Это мнение разделяли многие выдающиеся учёные,
включая Р. Бэкона (R. Bacon) (1214–1299) и Декарта (Descartes) (1596–
1650).
Г. Галилей (Galileo Galilei) (1564–1642) одним из первых пытался

188

экспериментально измерить усилия, необходимые для создания вакуума с помощью поршневых устройств. Его исследования в значитель-

189

ной степени были связаны с решением практической задачи – откачкой воды из затопленных шахт.
Торричелли (Torricelli) (1608–1647), ученик Галилея, в своих опытах применял ртуть вместо воды, что резко уменьшило размеры аппаратуры. Он создавал вакуум, погружая трубку с ртутью, запаянную с
противоположного торца, в резервуар с ртутью. Торричелли показал,
что столбик ртути в трубке независимо от её размеров, формы поперечного сечения и угла наклона всегда на 76 см выше уровня ртути в
резервуаре. Он дал убедительное объяснение этому факту: ртутный
столбик удерживается давлением атмосферного воздуха на поверхность ртути в резервуаре. В честь Торричелли величина «миллиметр
ртутного столба» (мм Hg), использующаяся как внесистемная единица
измерения давления/вакуума, названа Торр.
Крупный вклад в развитие физики вакуума, её экспериментальное
обоснование и общественное признание внёс Блез Паскаль (B. Pascal)
(1623-1662), один из изобретателей барометра. В его честь единица
измерения давления в международной системе СИ названа Паскаль.
Считается, что история средств получения вакуума берет свое начало со знаменитого опыта Отто фон Герике (Otto von Guericke) (16021686) с магдебургскими полушариями в 1654 г. Для получения вакуума он использовал обычный пожарный водяной насос, герметичность
которого обеспечивалась за счет помещения в водяную ванну. Этот
опыт стал прямым доказательством существования вакуума и атмосферного давления. Использовавшиеся медные полусферы диаметром
около 50 см, уплотненные кожаной прокладкой, как и гравюра, запечатлевшая эксперимент, до сих пор экспонируются в музее вакуума
города Магдебурга.
Многие эксперименты с разреженными газами были проделаны
Бойлем (Robert Boyle) (1627-1691). Им же создан усовершенствованный вакуумный насос.
Родоначальником российской вакуумной техники по праву можно
считать М.В. Ломоносова (1711- 1765), который большое внимание
уделял исследованиям в безвоздушном пространстве. Именно ему
принадлежат слова: «После того, как сделалось известным применение
воздушного насоса, естественные науки получили огромное развитие…».

189

Осознание сущности вакуумных процессов стимулировало развитие многих направлений науки и техники – гидравлики, гидростатики,
пневматики, физики разреженных газов. Совершенствование вакуумной техники в XIX веке прямо ассоциируется с важными достижениями в физике – открытием рентгеновских лучей (1895), экспериментальным подтверждением существования электрона (1897), построением качественной картины электрического разряда в газах.
В ХХ веке быстрый прогресс физики и техники вакуума был вызван потребностями электровакуумного производства, ядерной физики
и физики высоких энергий, разделения изотопов, нанесения покрытий
в микроэлектронике и оптическом приборостроении, вакуумной металлургии, биомедицины. Важнейшие вакуумно-технологические достижения последних десятилетий явились ответом на запросы СВЧтехники, физики элементарных частиц, управляемого термоядерного
синтеза, нанотехнологий. Они выразились в создании электрофизических насосов и отработке технологии получения сверхвысокого вакуума.
П1.2. Развитие средств получения вакуума
Большинство историков отдают пальму первенства в изобретении
вакуумных насосов Отто фон Герике (1654 г.), другие ссылаются на
Галилея и его эксперименты по измерению усилий, необходимых для
получения вакуума, с помощью прототипа поршневого насоса и грузиков (1640 г.). Небезынтересно отметить, что воздушные насосы для
медицинских целей (своеобразные шприцы) были известны ещё эллинам.
Первые попытки получения вакуума заключались в откачивании
воды из заполненных ею сосудов с помощью хорошо известных ещё в
древности (Александрия, Рим) водяных насосов. Возможно, горные
инженеры XVII века, даже не подозревая об этом, получали вакуум
0,3 атм, пытаясь с земной поверхности откачивать воду из шахт. Насосы при этом устанавливались на уровне 20 футов (6,1 м). Галилей в
своей книге, опубликованной в 1638 г., писал, что о предельной высоте подъёма воды в 33–34 фута (10,1 – 10,4 м), он впервые услышал от
горнорабочего.

190

Это открытие должно было состояться еще до 1630 г. Именно в
этом году Баллиани (G. B. Baliani) писал Галилею о поломке водяного
сифона на холме в Генуе, где, несмотря на отсутствие течей, вода не
достигала заданной высоты. На это Галилей ответил, что он уже давно
обнаружил неработоспособность водяных сифонов высотой более 34
футов (10,4 м). Он полагал, что это связано с разрушением «водяного
каната», отождествляя данный феномен с результатами его же экспериментов по разрыву растягиваемых проволок и канатов. Баллиани, не
соглашаясь с этим, высказывал мысль, что вакуум может превышать
уровень поднимаемого водяного столба.
В своих опытах Галилей пытался измерить усилие, необходимое
для создания разрежения над поршнем в цилиндре, открытом с нижнего торца. С этой целью он подвешивал к поршню грузики или ведро с
песком. Аппарат Галилея был сделан из дерева и, несмотря на увлажнение, его было трудно герметизировать.
Мысль о том, что функционирование водяных насосов как-то связано с атмосферным давлением, была высказана в 1615 г. в записях
Бикмана (Isaac Beekman) (1588-1637). Некоторые историки считают
его гением, но он не публиковался, и поэтому почти неизвестен. В
своих тезисах (Каннский университет, 1618) он провозгласил: «Aqua
suctu sublata non attrahitur vi vacui sed ab aere incumbente in locum
vacuum impellitur», что в свободном переводе означает «вода всасывается не действием вакуума, а перемещается в пустое пространство атмосферным воздухом». Трудно сказать, оригинальна ли эта мысль, так
как в те времена не всегда давались ссылки на первоисточник.
Тезис античных авторов о «боязни вакуума» начали подвергать
сомнению предположительно на рубеже XVI и XVII веков.
В 1603 г. Кеплер (J. Kepler) ввёл представление об ограниченной
высоте атмосферы, оценив её на основе астрономических наблюдений
примерно в 4 км.
Примечательно, что в античных источниках не обсуждается вопрос о степени вакуума. По-видимому, считалось, что воздух есть некая фиксированная субстанция, плотность которой не может изменяться. Напомним, что кинетическая теория газов была разработана
только в XVIII веке и долгие годы была (и до сих пор называется) теорией.

191

Идея непосредственной откачки воздуха принадлежит Отто фон
Герике. По-видимому, он первым понял, что воздух, как и воду, можно
непосредственно откачивать специально спроектированными насосами. И создал насос, по своей функциональной схеме подобный водяному. Этот насос был конструктивно продуман и тщательно изготовлен. Он имел герметичные уплотнения цилиндрического корпуса и
ручных клапанов. В принципе, единственное отличие этого устройства
от насоса для сжатия воздуха (или подъёма воды) состоит в том, что во
время рабочего хода поршня происходит всасывание газа, а не его
сжатие (нагнетание).
П1.2.1. Механические насосы
Из-за специфического концептуального подхода античных и
средневековых учёных к вакууму и незнания ими свойств разреженного газа создание вакуумных насосов нередко отступало от естественной логики – адаптации методов, применяемых для иных сред, к откачке разреженных газов.
Исторически развитие вакуумных насосов прошло несколько этапов. Вначале это было совершенствование и модифицирование поршневых водяных насосов с клапанным управлением, продолжавшееся
до конца XIX века. Затем последовал возврат к механически более
примитивным конструкциям, в которых роль поршня играла ртуть.
Далее создаются роторные и, чуть позже, пароструйные насосы. За
ними следуют турбомашины и насосы, основу которых составляет геттерирование, криосорбция и ионизация остаточного газа.
В течение длительного времени вакуумные насосы даже не имели
собственного названия. Отто фон Герике называл их помпами, Бойль –
пневмомашинами, позднее появилось определение «воздушные насосы». В Указателе инженерных терминов оно сохранялось вплоть до
1920 г., когда, наконец, его сменило словосочетание «вакуумные насосы». Употребление термина «насос» вместо сочетания «компрессор
разреженного газа», каким по сути и является любое газоперекачивающее устройство, отражает его историческое происхождение от водяных насосов.
Опубликование книг Шота (G.P.Schott) (1657 и 1664) и Герике

192

(1672) привлекло внимание европейских учёных к новой проблематике, и вскоре были созданы более совершенные насосы.
Бойль, узнавший об экспериментах Герике, в 1660 г. опубликовал
результаты собственных разработок. В принципе, его насос походил
на насос Герике, но он был дополнен шестерёнчато-реечным приводом.
Усовершенствования, внесённые Гуком (Hooke) и Хауксби
(Hauksbee), продлили жизнь этой конструкции почти до ХХ века и позволили получить давление порядка 2500 Па.
В конце XIX столетия англичанин Флейсс (H. A. Fleuss), обобщив
накопленный предшественниками опыт, предложил промышленный
вариант поршневого насоса, который использовался вплоть до практического освоения электрических ламп накаливания и обеспечивал предельный вакуум, близкий к 2 Па. Следует отметить, что насосы, применявшиеся в физических лабораториях в XIX веке, часто создавались
самими экспериментаторами.
Важными вехами были создание насоса Гейсслера (H. Geissler),
его усовершенствованного варианта - насоса Гейсслера-Теплера
(Toepler) (1862) и насоса Шпренгеля (H.J. Sprengel) (1865), которые по
физической идее воплощали подход Торричелли. Конденсируя пары
ртути, с помощью этих насосов можно было достигнуть остаточного
давления около 10-3 Па. Оригинальную конструкцию ртутнопоршневого насоса разработал Д.И. Менделеев (1874).
Усовершенствованный вариант насоса в 1879–1896 г г. использовал Эдисон (T.A. Edison) для вакуумирования ламп накаливания. Начальной ступенью откачного устройства был насос Гейсслера, конечной – насос Шпренгеля. Для захвата и выброса в атмосферу порции
воздуха оператор систематически поднимал и опускал баллончики с
ртутью, соединённые с насосом гибкими шлангами. О «хорошем» вакууме свидетельствовало сжатие захваченных порций воздуха до объёма маленьких пузырьков. Индикатором высокого вакуума служил
сплошной ртутный столб, в котором пузырьки из-за своей малости
становились невидимыми.
Первый насос с электромеханическим приводом в 1905 г. предложил Кауфман (W. Kaufman). Насос состоял из «трубки Торричелли»,
свитой в спираль, и обратного трубопровода для ртути. Он походил на

193

трубчатый архимедов винт, в котором захваченные между ртутными
поршеньками порции воздуха транспортировались от входа в насос к
его выходу.
В том же году Геде (W. Gaede) продемонстрировал гораздо более
удачную конструкцию – роторный ртутный насос, позволявший получать высокий вакуум с помощью только механических устройств. Последовательно с водоструйными насосами он позволял достичь остаточного давления в 8×10-3 Па. При скорости вращения 20 об/мин быстрота действия насоса Геде была в 10 раз больше, чем насоса Шпренгеля. Эти насосы были популярны около пяти лет вплоть до появления
роторных механических насосов с масляным уплотнением.
В 1908 г. Геде завершил разработку и передал в производство
первый пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением. Двухступенчатый вариант насоса имел предельное остаточное давление
около 10-1 Па при быстроте действия 0,15 л/с. Модификации данного
насоса до сих пор принадлежат к числу самых распространенных
средств предварительной откачки.
Интересно отметить, что во времена Эдисона упругость паров масел, применявшихся для уплотнения механических насосов, была выше давления насыщенных паров ртути. Тем не менее к 1910 г. были
разработаны механические вакуумные насосы, достаточно близкие к
современным моделям.
Следует заметить, что успешное промышленное внедрение либо
введение в научную практику новых технических устройств требует
выполнения ряда обязательных условий. Это общественная (социально-экономическая) потребность, плодотворная идея, понимание базовых физических принципов, наличие адекватной технологии. Отсутствие одного из этих условий может надолго задержать практическое
использование даже очень полезных изобретений. Один из таких технологических барьеров для вакуумного оборудования – надёжное уплотнение подвижных контактных деталей. Так, Герике и Галилей в
своих опытах упорно боролись за герметичность контактной зоны между цилиндром и перемещающимся в нём поршнем. Спустя столетие
Джеймс Уатт (J. Watt) решал ту же задачу для своей паровой машины.
Аналогично Геде опередил своё «технологическое время», создав молекулярный насос.

194

Обращает на себя внимание ещё один аспект исторической эволюции средств откачки. В течение многих лет изобретатели, стремясь
получить более высокий вакуум, почти не заботились о быстроте действия своих насосов. К началу ХХ века быстрота действия большинства существовавших насосов не достигала даже 1 л/с. В 1922 г. Дёнер
(Dunoyer) опубликовал результаты её измерений. Насосы Гейсслера –
Теплера, которые Эдисон применял в 1880 г. для вакуумирования
ламп накаливания, обладали быстротой действия 4 см3/с (!). Одна из
моделей роторного механического насоса имела быстроту действия
2 л/с; другая – 0,12 л/с; роторный ртутный насос Геде – 0,15 л/с (максимум); первый молекулярный насос Геде – 1,4 л/с; молекулярный насос Хольвека (Holweck) – 2,5 л/с; первый диффузионный насос Геде –
0,08 л/с (максимум); диффузионный насос Ленгмюра – менее 4 л/с;
диффузионный насос Кроуфорда (W. W. Crawford) – 1,3 л/с. Только в
1930 г. появились крупные насосы с быстротой действия сотни литров
в секунду.
Характерный пример тех лет – описанная в 1929 г. установка с 12
стеклянными и 3 металлическими «конденсационными» насосами
Ленгмюра (Irving Langmuir), включёнными параллельно, с суммарной
быстротой действия 40 л/с при давлении 6⋅10-1 Па.
П1.2.2. Пароструйные (диффузионные) насосы
Преимущество пароструйных насосов по сравнению с механическими при высоковакуумной откачке состоит в большей быстроте
действия при тех же размерах, массе и стоимости. На начальном этапе
их развития это преимущество реализовано не было.
Первое сообщение о возможности вакуумирования с помощью
ртутного пара было сделано П.Н. Лебедевым в 1901 г., а первый пароструйный насос был предложен в 1913 г. Геде. Исходя из кинетической теории, он сделал правильный вывод о том, что откачка может
быть вызвана захватом газовых молекул паровой струёй, причём препятствуют этому только механические ограничения. Геде полагал, что
откачивающее действие пароструйных насосов объясняется классической диффузией воздуха в «облако» ртутных паров. В действительности, если паровое облако неподвижно, никакого откачивающего дей-

195

ствия не будет. Из-за этого заблуждения потенциальные возможности
пароструйных насосов не были реализованы в течение
20-25 лет, и их быстрота действия оставалась очень низкой.
В 1916 г. Ленгмюр предложил улучшенную конструкцию, но он
переоценил «конденсационную» составляющую механизма откачки.
По существу, конденсация паров рабочей жидкости необходима только для их отделения от откачиваемого газа.
Корректный с позиций механики жидкости и газа конструктивный
вариант насоса разработал Кроуфорд в 1917 г. Но быстрота действия
его насоса диаметром 7 см составляла лишь 2 л/с (приблизительно в 50
раз меньше, чем у современных насосов аналогичных габаритов).
В течение последующих 20 лет пароструйные насосы постоянно
совершенствовались. Так, существенный вклад внёс в 1915 г. русский
физик С.А. Боровик (Петроградский университет). Его серийный насос заводского изготовления имел предельное остаточное давление
около 10-2 Па и мог работать при выпускном давлении до 400 Па.
В 1928 г. Бёрч (C. R. Burch) предложил масла с пониженным давлением паров, а в 1937 г. Ван Атта (C. A. Van Atta) спроектировал насос диаметром 18 см с расчётной быстротой действия 200 л/с (почти в
пять раз меньше, чем у современных насосов того же размера). В начале 1940-х гг. были разработаны большие насосы для крупномасштабных сепараторов изотопов, чуть позднее – для вакуумных металлургических и напылительных установок и имитационных камер. Современные пароструйные насосы промышленных серий спроектированы уже в 1960-е годы.
П1.2.3. Молекулярные насосы
Первое упоминание о молекулярном насосе Геде датируется 1912
годом. Успеха он не имел из-за отсутствия в тот период технологии
изготовления высокооборотных роторов. Понадобилось 45-50 лет,
чтобы молекулярные насосы обрели статус надёжных промышленных
устройств.
Попытки создания подобных насосов Хольвеком (Holweck) и Зигбаном (Siegbahn) были не более успешными. В качестве поверхности,
формирующей прямой молекулярный поток и оказывающий динами-

196

ческое сопротивление обратному потоку, они использовали соответственно цилиндр и диск.
Мысль придать функцию вакуумного насоса многоступенчатой
осевой турбине пришла одновременно двум инженерам – Штайнхерцу
(H. A. Steinherz) и Беккеру (W. Becker). Одно из преимуществ такой
машины состоит в том, что каждый её диск находится в области фиксированного вакуума, тогда как рабочая поверхность насосов с цилиндрическим ротором попеременно попадает в зоны высокого и низкого
вакуума.
В 1958 г. Беккер описал конструкцию турбонасоса с замкнутыми
по внешнему контуру дисками. Турбонасос, описанный Беккером в
1961 г., имел быстроту действия по воздуху 4250 л/с.
Шапиро с коллегами показали, что более эффективны и технологичны диски с консольным закреплением лопаток. Позднее французская компания SNECMA разработала промышленные варианты именно таких насосов. В настоящее время большинство фирм изготавливает насосы с консольным закреплением лопаток.
Самым высокопроизводительным остаётся отечественный турбонасос, разработанный под руководством Н.А. Одинцова (ЦКБМ,
Санкт-Петербург) в конце 80-х гг. и находящийся в постоянной эксплуатации по сей день. Его быстрота действия по воздуху превышает
18000 л/с.
П1.2.4. Геттерно-ионные и магниторазрядные насосы
Многие физические явления и процессы, применяемые ныне для
высоко- и сверхвысоковакуумной откачки, были давно известны и
сравнительно хорошо изучены. К ним относятся обезгаживание, геттерирование, распыление, конденсация и криосорбция. Ранее эти процессы не использовались в вакуумной технике из-за отсутствия соответствующих технологий и практической необходимости.
Потребность в откачке до давлений ниже 10-5 Па появилась при
освоении производства первых электрических ламп накаливания. Эдисону для достижения такого вакуума в 1881 г. потребовалось пять часов. Для удаления водяного пара в процессе вакуумирования лампы
прогревали до 300°С. Осуществляли также геттерирование с помощью

197

фосфорного ангидрида. Замена насосов Шпренгеля на более производительные уменьшила продолжительность вакуумирования до получаса.
В 1896 г. Малиньяни (Malignani) применил технологию химического вакуумирования (адсорбция + хемосорбция), разместив в колбе
штабик красного фосфора, который при нагреве нити накаливания начинал распыляться. Продолжительность откачки сократилась до минуты.
Эффект очистки газов в электрическом разряде был замечен более
ста лет назад. Не менее долгую историю имеет и геттерирование при
изготовлении электрических ламп. Не позднее 1939 г. о распылении
как о методе снижения давления упоминал Пеннинг. Концепция ионной откачки появилась ещё в 1953 г. на начальном этапе разработок
сверхвысоковакуумных технологий.
В начале 1950-х гг. Херб (R. Herb) предпринял попытку радикально уменьшить содержание масляных паров в вакуумных системах.
Один из его коллег предложил применить для этого титановый геттер.
Для вакуумирования камеры использовали только форвакуумный насос и титановый испаритель. «Эксперимент был успешным, но остаточное давление оказалось слишком высоким. Причиной мы заподозрили аргон. Затем было включено устройство для ионизации остаточного газа и имплантации ионов в слой напылённого титана. Это сработало, и я убедился, что мы имеем дело с первым, реально действующим, геттерно-ионным насосом». Подобные испарительно-ионные
насосы были довольно капризны в эксплуатации. Распылительноионные (в последующем тексте – магниторазрядные) насосы, разработанные спустя несколько лет группой Холла (L.D. Hall, VARIAN), были проще и быстро получили широкое признание.
Первые магниторазрядные насосы были созданы для поддержания
высокого вакуума в мощных СВЧ-лампах, в корпуса которых они
встраивались. Насосы имели одну анодную ячейку и очень походили
на манометрические преобразователи Пеннинга, в которых катодные
электроды из нержавеющей стали были заменены на титановые. Вскоре были предложены насосы с многоячеистыми анодами и триодные
насосы с повышенной быстротой действия по аргону. Всплеск популярности орбитронных насосов, разработанных группой Херба, был

198

сравнительно непродолжительным: от их промышленного производства отказались из-за недостаточной надёжности.
Прототип одной из модификаций насоса, в котором использован
эффект имплантации ускоренных газовых ионов, впервые был разработан в 1956 г. проф. Э.М. Рейхруделем (МГУ им. М.В. Ломоносова).
Магниторазрядные насосы являются обязательной компонентой
большинства современных сверхвысоковакуумных приборов и аппаратов. Значительный вклад в создание и промышленное освоение этих
насосов внесли специалисты фирмы VARIAN. Отметим, что в отечественной литературе применительно к геттерным и геттерно-ионным
средствам откачки часто применяют обобщающий термин «электрофизические насосы».
П1.2.5. Криогенная откачка
Процессы конденсационной и криосорбционной откачки были открыты и изучены более века назад. В начале ХХ столетия активированный уголь, охлаждаемый жидким воздухом, был одним из средств
получения вакуума. С изобретением пароструйных насосов широкое
распространение получили ловушки, охлаждаемые жидким азотом.
Хотя изначально они предназначались для защиты реципиентов от паров ртути, не менее полезной была их функция конденсировать пары
воды, оставшейся в камере после начального вакуумирования.
В течение 1950-1960 гг. криогенные экраны часто устанавливались в камерах для имитации космического пространства. Иногда для
снижения предельного остаточного давления в сверхвысоковакуумных
камерах монтировались панели, охлаждаемые жидким гелием. В последние десятилетия арсенал криогенных средств откачки пополнился
криосорбционными насосами на базе рефрижераторов с замкнутым
циклом.

199

Приложение 2
П2. Вакуумная гигиена
П2.1. Классификация чистых помещений
Как уже отмечалось, что вакуумное оборудование служит средством для функционирования самых высокотехнологичных отраслей
промышленного производства, среди которых медицина, фармакология, микроэлектронная, аэрокосмическая и пищевая промышленность.
Требования к уровню чистоты здесь являются наиболее жесткими.
Надёжность сложнейших электровакуумных приборов, установок, а
также изделий и материалов, получаемых с их помощью, в значительной мере определяется чистотой помещений и технологической среды,
в которых проводятся процессы. Это привело к появлению качественно новых подходов к созданию чистых сред, суть которых заключается в создании изолирующих технологий, т.е. в физическом отделении
определенного объёма с чистым воздухом от окружающей среды. Поэтому во многих случаях специалистам, непосредственно связанным с
вакуумной техникой, приходится работать в так называемых чистых
помещениях. И все требования, предъявляемые к подобным помещениям, переносятся на вакуумные системы, установки и персонал, эксплуатирующий их. В XXI веке изучение основных требований вакуумной гигиены – неотъемлемая часть подготовки высококвалифицированного вакуумщика.
Согласно ГОСТ ИСО 14-644-1-2002 чистое помещение - помещение, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе
частиц, построенное и используемое так, чтобы свести к минимуму
поступление, выделение и удержание частиц внутри помещения, и
позволяющее, по мере необходимости, контролировать другие параметры, например, температуру, влажность и давление. Этот же
ГОСТ дает определение классу чистоты помещения - уровень чистоты по взвешенным в воздухе частицам, применимый к чистому помещению или чистой зоне, выраженный в терминах «Класс N ИСО»,
который определяет максимально допустимые концентрации (частиц/м3) для заданных диапазонов размеров частиц.

200

Максимально допустимая концентрация частиц C П с размерами,
равными или большими заданного размера D, для данного класса чистоты определяется по формуле

 0,1 
СП = 10 

 Д 
N

2,08

(П3.1)

,

где N – классификационное число ИСО, которое не должно превышать
значения 9. Промежуточные числа классификации ИСО могут быть
определены с наименьшим допустимым приращением N, равным 0,1;
0,1 – константа с размерностью мкм; D – размер частиц, мкм.
Значение C П округляется до целого числа, при этом используется
не более трёх значащих цифр.
Таблица П2.1
Классификация чистых помещений и чистых зон по ISO 14644-1
Класс
по
ИСО
Класс
ИСО 1
Класс
ИСО 2
Класс
ИСО 3
Класс
ИСО 4
Класс
ИСО 5
Класс
ИСО 6
Класс
ИСО 7
Класс
ИСО 8
Класс
ИСО 9

Максимально допустимые концентрации частиц
(частиц/м3) с размерами, равными или большими
следующих значений, мкм
≥ 0,1
≥ 0,2
≥ 0,3
≥ 0,5
≥ 1,0
≥ 5,0
мкм
мкм
мкм
мкм
мкм
мкм
10
2
100

24

10

4

-

-

1000

237

102

35

8

-

10000

2370

1020

352

83

-

100000

23700

10200

3520

832

29

1000000

237000

102000

35200

8320

293

-

-

-

352000

83200

2930

-

-

-

3520000

832000

29300

-

-

-

35200000

8320000

293000

201

В табл. П2.1 приведены классы чистоты и соответствующие концентрации частиц с размерами, равными или большими заданных размеров. Основные источники загрязнения чистых помещений и характерные размеры частиц даны в табл. П2.2.
Таблица П 2.2
Источники возможных загрязнений чистых помещений
Фактор
загрязнения
Динамические
факторы

Категория
загрязнения

Источник
загрязнения

Технический
и обслуживающий персонал

Выделение
бактерий и
вирусов
Испарение тела и жировые
выделения
Использование косметики
Шелушение кожи
Выпадение волос
Проникновение табачного
дыма
Использование технологической одежды из пылевыделяющих тканей
Выделение частиц при
передвижении
Использование пылевыделяющих материалов
Выделение пыли из вакуумных устройств
Масляный туман из вакуумного насоса
Использование неочищенных инструментов и приспособлений
Использование непротертого технологического оборудования

Технологическое оборудование и
материалы

202

Размеры частиц загрязнения, мкм
От 0,01 до 10
От 0,01 до 1
От 0,1 до 1
От 0,1 до 100
100
От 0,1 до 1
От 1 до 10
От 1 до 5
До 100
От 0,1 до 0,5
От 0,01 до 1
От 1 до 100
От 1 до 100

Статические
факторы

Технологическая среда

Химические
реагенты

Техническая
вода и газы

Окончание табл. П 2.2

Малоэффективная очистка
подаваемого в ЧПП воздуха
Попадание в технологический воздух
посторонних частиц
Посторонние включения в
исходных реагентах, реактивах
Коррозия аппаратов, трубопроводов,
сосудов, фильтров
Неочищенные газы и деионизованная вода

От 0,5
От 0,5
От 0,5
От 1,0

От 0,05

П2.2. Принципы организации чистых помещений
Рассмотрим мероприятия, необходимые для разделения помещения в зависимости от класса чистоты.
В чистом помещении применяются однонаправленные и неоднонаправленные потоки воздуха. Комбинация двух потоков дает смешанный поток. В чистых помещениях классов 1-5 ИСО, как правило,
применяются однонаправленные потоки воздуха, а для помещений
классов 6-9 ИСО – неоднонаправленные.
Наилучшими показателями чистоты обладают рабочие зоны, расположенные непосредственно после притока чистого воздуха. Рабочие
зоны, расположенные дальше по ходу потока воздуха, могут быть загрязнены частицами, выделенными предметами, находящимися в начале движения потока. В связи с этим персонал не должен находиться
между притоком воздуха и рабочей зоной.
В силу экономических, технических и эксплуатационных факторов технологическое ядро во многих случаях окружают зоны с меньшим классом чистоты. Это позволяет уменьшить до минимума размер
зоны с высоким классом чистоты.
Разделение чистых помещений может осуществляться по различным принципам. Принцип вытесняющего потока (малый перепад давления, высокая скорость потока воздуха) – разделение чистой и менее

203

чистой соседних зон за счёт низкотурбулентного вытесняющего потока воздуха. Скорость вытесняющего потока должна быть, как правило,
более 0,2 м/с в направлении от более чистой зоны к менее чистой.
Принцип перепада давления (большой перепад давления, низкая
скорость потока) – между зонами с различными классами чистоты
создается перепад давления. Для предотвращения возникновения обратного потока воздуха перепад давления должен быть стабильным и
достаточным по значению. Для беспрепятственного открывания дверей и исключения непредусмотренного встречного потока воздуха изза турбулентности, как правило, перепад давления между чистыми
помещениями или чистыми зонами с различными классами чистоты
должен быть от 5 до 20 Па. Таким образом, для защиты чистых помещений от загрязнений, вносимых из менее чистых зон, необходимо:
поддерживать в чистых помещениях более высокое статическое давление по сравнению с соседними зонами; поддерживать достаточную
скорость потока воздуха в месте разграничения чистой и менее чистой
зоны. Обратное движение воздуха может представлять риск загрязнений.
Принцип физического барьера состоит в использовании непроницаемого барьера для предотвращения переноса загрязнений из менее
чистой зоны в более чистую. При выполнении разных операций в одном помещении класс его чистоты устанавливается по наиболее критичному процессу. Не допускается выполнение технологических операций, требующих высшего класса чистоты, в помещении низшего
класса. Разделение чистых помещений позволяет исключить влияние
одного из самых интенсивных источников загрязнений – человека.
Применение изолирующих технологий влечет за собой широкое внедрение автоматизации и роботизации.
Все три принципа разделения помещений могут применяться в
медицинской, микроэлектронной, пищевой и других отраслях промышленности, непосредственно связанных с вакуумной техникой.
В микроэлектронной промышленности требуемый уровень контроля загрязнений и соответствующий класс чистоты помещений определяется минимальным размером топологического элемента или
толщины пленки. Класс чистоты с минимальной концентрацией частиц обычно выбирается исходя из критического размера частиц. Кри-

204

тический размер частиц (как правило, принимаемый равным 1/10 минимального размера топологического элемента) используется для выбора требуемого класса чистоты чистого помещения. Определение
класса чистоты для различных рабочих зон основывается на вероятности загрязнения и потенциального отказа устройства. Например, в
процессе фотолитографии пластины находятся в открытой окружающей среде, и опасность загрязнения высока. Это обусловливает высокую вероятность отказа устройства в случае загрязнения. В таких случаях могут использоваться физические барьеры, которые защищают
технологическое ядро от загрязнений или колебаний параметров
внешней среды (например, температуры, влажности, давления).
При проектировании чистых помещений важно правильно осуществить разделение на зоны.
Рабочие зоны – зоны, в которых вручную или на автоматическом
оборудовании выполняются технологические операции с пластинами,
матрицами и др., в которых вероятность загрязнения высока, если
процесс открыт непосредственно в окружающую среду. К наиболее
распространённым средствам защиты продукта внутри рабочих зон
относятся однонаправленный поток, минимизация занимаемого пространства и концентрация используемых материалов и продукции,
разделение персонала и открытого продукта, включая использование
барьерной технологии. Рабочие зоны, как правило, отделяются от соседних, менее критических, зон физическими барьерами или потоками
воздуха.
Зоны обслуживания – зоны, в которых расположены части технологического оборудования, не выходящие в рабочую зону. В зонах
обслуживания рабочий процесс закрыт по отношению к окружающей
среде. Зоны обслуживания обычно располагаются рядом с соответствующей рабочей зоной.
Вспомогательные зоны – зоны, находящиеся вблизи рабочих зон,
зон обслуживания и способствующие разделению более чистых и менее чистых зон. В этих зонах не располагаются ни продукт, ни оборудование.
Интересно рассмотреть, к каким классам чистоты согласно ГОСТ
Р ИСО 14644-4-2002 относятся различные зоны в микроэлектронике,

205

поскольку именно здесь очень широко используется вакуумная техника (табл. П2.3).
Таблица П2.3
Примеры применения чистых помещений для микроэлектроники
Класс
чистоты
помещения в эксплуатируемом
состоянии
2 ИСО

Тип
потока
воздуха

Средняя
скорость
потока
воздуха,
м/с

О

0,3-0,5

3 ИСО

О

0,3-0,5

4 ИСО

О

0,3-0,5

5 ИСО

О

0,2-0,5

Не применяется

6 ИСО

Н или
С
Н или
С
Н или
С

Не применяется
Не применяется
Не применяется

70-160

7 ИСО
8 ИСО

Объем подаваемого
воздуха, м3,
на 1 м2
площади
помещения
в1ч
Не применяется
Не применяется
Не применяется

20-70
10-20

Примеры применения

Фотолитография и другие критические зоны
Рабочие зоны
Рабочие зоны
Производство масок с
несколькими подложками, производство
компактных дисков,
зоны обслуживания и
вспомогательные зоны
Рабочие зоны
Производство масок с
несколькими подложками, производство
компактных дисков,
зоны обслуживания и
вспомогательные зоны
Зоны обслуживания,
вспомогательные зоны
Зоны обслуживания,
вспомогательные зоны
Зоны обслуживания,
вспомогательные зоны

Обозначения потоков воздуха: О - однонаправленный, Н - неоднонаправленный, С - смешанный.

206

При организации электровакуумного производства следует также
учитывать основные рекомендации, представленные ниже.
Рабочие места в чистых помещениях с горизонтальным потоком
воздуха располагают так, чтобы на чистый воздух, поступающий в
чистую зону, не оказывали влияние нарушения или загрязнения от передвижений персонала или выполняемой вблизи работы. Если технологические операции в зоне горизонтального однонаправленного потока требуют различных уровней чистоты, то менее чистые операции
должны быть расположены дальше по направлению потока, чем более
чистые.
Следует свести к минимуму наличие открытых трубопроводов и
кабелей в чистых помещениях, поскольку они могут затруднить проведение очистки и привести к повреждениям одежды, салфеток и т.д.
В системе встроенной вакуумной очистки вентилятор и выхлопная труба должны быть размещены вне чистого помещения. Поток
воздуха, образующийся при вакуумной очистке, не должен нарушать
перепад давления или форму потоков воздуха в чистом помещении.
Переносные средства вакуумной очистки (пылесосы) должны иметь
вытяжной фильтр (НЕРА или ULPA), эффективность которого должна
быть не меньше эффективности фильтра на притоке воздуха.
При проектировании и установке наружных окон следует избегать
потерь тепла, влияния солнца и конденсации. Окна в стенах чистых
помещений должны быть герметичными и обеспечивать обзор действий внутри помещения, не входя в него. Окна не должны открываться.
Может использоваться двойное остекление для того, чтобы поверхности стены и стекла были в одной плоскости. Внутри такого остекления
могут быть жалюзи или шторы. Установка жалюзи и штор внутри чистого помещения не допускается.
Число проёмов, соединяющих чистое помещение с наружной средой или примыкающими помещениями, должно быть минимальным.
Загрязнения, вызываемые входом-выходом персонала, перемещением
материала или движением воздуха, должны быть минимальными.
Нормально действующие (неаварийные) входы и выходы персонала и
материалов из чистого помещения должны быть организованы через
воздушные шлюзы отдельно для персонала и материалов.

207

Для поддержания перепада давления и герметичности контролируемого пространства во время входа и выхода используются воздушные шлюзы или передаточные камеры. Входная и выходная двери
шлюза не должны быть одновременно открытыми.
Комнаты переодевания персонала представляют собой специализированные воздушные шлюзы для выхода и входа персонала в чистое
помещение. В них может быть установлено оборудование для мытья и
дезинфекции рук. В местах выхода и входа в чистое помещение могут
быть установлены специальные устройства, средства для очистки обуви и липкие коврики. Должно быть обеспечено разделение персонала,
входящего в чистое помещение через комнату переодевания и выходящего из него.
Классы чистоты комнат переодевания и параметры микроклимата
в них должны быть такими, чтобы уровень чистоты чистого помещения, в которое они ведут, не нарушался. Для обеспечения необходимой защиты в комнатах переодевания должны быть три функциональные зоны:
– зона входа в комнату для переодевания из вспомогательной зоны
(непосредственно или через воздушный шлюз); в ней предусматривается все необходимое для снятия, хранения, переодевания и/или удаления одежды, не допускаемой в чистое помещение;
– переходная зона, где одежда или экипировка персонала, предназначенная для чистого помещения, хранится, надевается или снимается в
соответствии с инструкцией;
– зона инспектирования и выхода – для проверки, правильно ли надета
одежда, и для выхода непосредственно в чистое помещение или через
воздушный шлюз. Эти зоны могут быть разделены физическим барьером (воздушным шлюзом или скамьей, через которую нужно переступить). В зоне, прилегающей к чистому помещению, должен быть высокий уровень чистоты.
Материалы, используемые при строительстве чистых помещений,
следует выбирать с учётом: классов чистоты; износостойкости и сопротивления ударным нагрузкам; методов уборки, дезинфекции и их
периодичности; воздействия химических и микробиологических факторов и коррозии. Материалы, которые могут повреждаться или выде-

208

лять частицы, допускается использовать только при использовании
надлежащих покрытий и защиты.
Все открытые материалы должны допускать частую и эффективную очистку и дезинфекцию, не иметь шероховатостей и пористости,
на которых может произойти удержание частиц и химических загрязнений или развитие микробиологических загрязнений. Стены, полы и
потолки чистых помещений и чистых зон должны быть спроектированы и построены так, чтобы доступ для очистки поверхностей был свободным. Это обычно относится к стенам, полам, потолкам и дверям,
вводным частям воздушных диффузоров, стокам в полу и т.д.
Аккумулирование электростатических зарядов и последующие
разряды могут привести к опасному риску (например, к взрыву в присутствии порошков и газов), повреждению оборудования (например,
электронных или оптических элементов) или повышенному осаждению частиц на поверхностях, приводящих к физическому, химическому и микробиологическому загрязнению. Поэтому используемые материалы не должны ни генерировать, ни удерживать существенный
электростатический заряд.
В чистом помещении все внутренние поверхности должны быть
гладкими, непористыми, без изломов, раковин, ступенек и выступов.
При проектировании и строительстве нужно стремиться, чтобы число
ступенек, выступов, углов (особенно внутренних) и других подобных
элементов, где могут скапливаться загрязнения, было минимальным.
Для обеспечения эффективной очистки углы и соединения могут быть
закругленными, особенно в местах пол – стена и стена – стена. На дверях должно быть как можно меньше горизонтальных поверхностей и
выступов.
Чтобы избежать чрезмерной нагрузки на фильтры, должно быть
сведено к минимуму выделение, удержание и сбрасывание загрязнений в системе подготовки воздуха и во всех элементах и системах,
имеющих контакт с воздухом.
Одежда для чистых помещений предназначена для защиты окружающей среды и продукта от загрязнений, выделяемых персоналом и
его личной одеждой. Защита обеспечивается выбором ткани с барьерными свойствами, конструкцией одежды и степенью укрытия частей
тела одеждой. Одежда изготовляется из тканей и материалов с мини-

209

мальным ворсоотделением, не выделяющих загрязнений и устойчивых
к разрушению. Не допускается выносить одежду (упакованную или
использованную) за пределы зоны хранения и чистого помещения, за
исключением случаев передачи её для обработки, ремонта или замены.

210

Приложение 3
П3. Условные графические изображения и буквенные коды
элементов вакуумных схем

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

ЛИТЕРАТУРА
1. Демихов, К. Е Вакуумная техника: справочник / К. Е. Демихов, Ю. В. Панфилов, Н. К. Никулин; под ред. К. Е. Демихова,
Ю. В. Панфилова. – 3 – е изд. – М.: Машиностроение, 2009. 590 с.
2. Дэшман, С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман.
- М.: Изд–во «Мир», 1964. – 715 с.
3. Глазков, А.А. Вакуум электрофизических установок и комплексов / А.А. Глазков, Г.Л. Саксаганский. – М.: Энергоатомиздат,
1985. – 184 с.
4. ГОСТ 5197-85. Вакуумная техника. Термины и определения.
5. ГОСТ Р 54807-2011 (ISO 21360:2007) Вакуумная технология.
Стандартные методы измерения характеристик вакуумных насосов.
Общие положения.
6. Розанов, Л.Н. Вакуумная техника: учебник для вузов /
Л.Н. Розанов. – М.: Высшая школа, 2007. –391с.
7. Хоффман, Д. Справочник по вакуумной технике и технологиям / Д. Хоффман, Б. Сингх, Дж. Томас III. – М.: Техносфера, 2011. –
736 с.
Дополнительная литература
1. Борисов, В. П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного
насоса / В. П. Борисов. – М.: НПК «Интелвак»; 2001. – 142 с.
2. ГОСТ ИСО 14-644-1-2002 Чистые помещения и связанные с
ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха.
3. ГОСТ Р ИСО 14644-5-2005 Чистые помещения и связанные с
ними контролируемые среды. Часть 5. Эксплуатация.
4. ГОСТ 2.797-81 Правила выполнения вакуумных схем.
5. ГОСТ 2.796 -95 Обозначения условные графические в схемах.
Элементы вакуумных систем.
6. ГОСТ 2.784-96 Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов.
7. Гуртовник, А. Г. Электровакуумные приборы и основы их
конструирования / А.Г. Гуртовник, Е.Г. Точинский, Ф.М. Яблонский. –
М.: Энергоатомиздат, 1988. – 424 с.

231

8. Данилина, Т.И. Технология СБИС: учебное пособие / Т.И. Данилина, В.А. Кагадей; Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. – Томск, 2007. – 287с.
9. Нусинов, М.Д. Имитационные установки / М.Д. Нусинов. –
М.: Машиностроение, 1980. – 24 с.

Редакторы:
Л.Г. Шевчук, Л.И. Жадан
Лицензия № 020404 от 6.03.97 г.
Подписано в печать 18.09.2013
Бумага офсетная
Печать Riso
14,5 уч.-изд. л.
Тираж 150 экз.

Формат 60×84/16
13,48 усл. печ. л.
Заказ
«С» 131

Издательство Казанского национального исследовательского
технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского национального
исследовательского технологического университета
420015, Казань, К.Маркса, 68

232