/
Автор: Королев Б.И.
Теги: электроника электротехника государственное энергетическое издательство основы вакуумной техники
Год: 1957
Текст
Б. И. КОРОЛЕВ
ОСНОВЫ
ВАКУУМНОЙ
ТЕХНИКИ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ
Допущено
Управлением средних специальных учебных заведений
Министерства высшего образования СССР
в качестве учебника для радиотехнических техникумов
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА
1957
ЛЕНИНГРАД
ЭС-4-2
Основное содержание книги посвящено
технике получения высокого вакуума и его
измерения, методам нахождения мест нате-
кания, устройству вакуумных систем и их
расчету. Предварительно сообщаются необхо-
димые сведения по физике газов и в заключе-
ние даны основные сведения по вакуумной ги-
гиене.
Материал излагается в основном примени-
тельно к технике откачки и вакуумной об-
работке электровакуумных приборов и сопро-
вождается задачами и практическими приме-
рами. Приводится также ряд сведений по
вакуумтехническим вопросам, не связанным
непосредственно с производством электрова-
куумных приборов.
Книга рассчитана на студентов техни-
кумов, а также может служить пособием
для работников, имеющих дело с вакуумной
техникой.
Автор Королев Борис Иванович.
ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Редактор В. И. Шамшур
Сдано в пр-во 19/VII 1957 г.
Бумага 84X108,/sa
Т-08181 Тираж 20 000
Техн, редактор Г. Е. Ларионов
Подписано к печати 10/Х 1957 г.
20,5 п. л. Уч.-изд. л. 24,3
Цена 9 р. 50 к. Зак. № 402
Типография Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая паб., 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Бурное развитие отечественной электровакуумной про-
мышленности неразрывно связано с успехами в области тех-
ники получения и измерения вакуума, устройства и расчета
вакуумных систем и с разрешением ряда других задач ва-
куумной техники. Достижения вакуумной техники нашли
себе также весьма полезное применение во многих областях
отечественной промышленности (химической, металлурги-
ческой, витаминной и др.). Успехи физики последних деся-
тилетий в немалой степени базируются на развитии вакуум-
ной техники. В связи со всем этим вакуумная техника раз-
вилась в крупную специальную дисциплину.
Настоящий курс «Основы вакуумной техники» предназна-
чен для электровакуумных техникумов в качестве учебника.
До настоящего времени учебника по этой дисциплине для
техникумов не имелось, что осложняло работу преподава-
теля и учащихся. Приходилось пользоваться пособиями, из
которых наибольшее распространение имели книги проф.
Н. А. Капцова («Физические явления в вакууме и в разре-
женных газах», ОНТИ, 1937) и А. А. Иванова («Электрова-
куумная технология», Госэнергоиздат, 1944), предназначен-
ные для вузов, в силу чего многие изложенные в них вопро-
сы в применении к учащимся техникумов требовали пере-
работки.
По такому важному разделу, как расчет вакуумных си-
стем, лишь недавно вышла книга Г. А. Тягунова («Основы
расчета вакуумных систем», Госэнергоиздат, 1948). Эта
книга внесла ясность в решение многих вопросов, неправиль-
ное понимание которых ранее при решении практических за-
дач вакуумной техники часто приводило к грубым ошибкам.
Мы сочли поэтому необходимым использовать некоторые
материалы этой книги в главе «Элементы расчета вакуум-
ных систем». При изложении этой главы ряд формул можно
приводить без выводов.
По двум вопросам расчета вакуумных систем сделаны
небольшие добавления, а именно по вычислению диаметров
з
ограничителей для наполнения газом откачанных объектов
и по расчету разбавления остаточного газа промывочным
газом.
Новыми в настоящем учебнике являются также главы,
касающиеся течеискателей и вакуумной гигиены. Последняя
изложена весьма кратко, в основном лишь с целью подчер-
кнуть значение этого вопроса; при составлении этой главы
было использовано «Положение о вакуумной гигиене», раз-
работанное А. Г. Александровым.
Настоящий учебник является первым опытом работы по
составлению систематического курса «Основ .вакуумной тех-
ники»; поэтому указания читателей о всех недостатках и
упущениях будут весьма ценными.
Во второе издание книги был внесен ряд дополнений по-
чти во все основные разделы книги. Глава «Элементы расче-
та вакуумных систем» была переработана в сторону облег-
чения изложения.
В третьем издании, помимо некоторой переработки мате-
риала книги, внесены дополнения в виде описаний конкрет-
ных образцов насосов, манометров, течеискателей и других
приборов, выпускаемых нашей промышленностью, а также
дополнения, относящиеся к последним достижениям техни-
ки высокого вакуума.
В связи с этим пришлось несколько увеличить объем кни-
ги, что в некоторых случаях выходит за пределы программы
для электровакуумных техникумов, однако все вопросы
программы в книге нашли свое освещение.
В заключение приношу благодарность проф. Р. А. Нилен-
деру за большую помощь, оказанную им при написании кни-
ги, и за ряд ценных замечаний; приношу благодарность так-
же доценту Б. С. Данилину и сотрудникам НИВИ
М. И. Меньшикову, К. А. Савинскому и В. И. Кузнецову
за ценные советы по некоторым разделам книги.
Автор
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ................................................ 3
Введение ................................................... 9
Глава первая. Газовые законы................................ 12
1-1. Уравнение состояния идеальных газов................ 12
1-2. Газовые законы..................................... 14
Задачи.................................................. 16
1-3. Понятия „газ“ и „пар".............................. 16
1-4. Испарение и конденсация............................ 17
1-5. О применимости газовых законов к парам............. 18
1-6. Давление насыщенных паров в вакуумной системе, тем-
пература отдельных участков которой неодинакова ... 19
Задачи..................................................... 22
Глава вторая. Элементы кинетической теории газов . . 23
2-1. Тепловое движение молекул (атомов)................ 23
2-2. Давление и уравнение состояния газов с точки зрения
кинетической теории .............................. 24
2-3. Средние скорости теплового движения............... 26
2-4. Зависимость между средней кинетической энергией теп-
лового движения молекул газа и его аблсолютной темпе-
ратурой ............................................ 27
2-5. Закон распределения скоростей ......... . ........ 28
2-6. Количество и объем молекул газа, ударяющихся в 1 см2
стенки за 1 сек..................................... 29
Задачи............................................... 30
Глава третья. Понятие о высоком вакууме и важнейшие
свойства газов в зависимости от степени вакуума 30
3-1. Средняя длина свободного пути..................... 30
3-2. Значение соотношения между средней длиной свободно-
го пути и линейными размерами сосуда, содержащего
газ................................................. 33
3-3. Высокий вакуум.................................... 34
3-4. Путь молекул газа при тепловом движении в условиях
низкого и высокого вакуума .................... 35
3-5. Скорость испарения и поток пара в условиях низкого и
высокого вакуума.........................:......... 36
3-6. Взаимная диффузия газов в условиях низкого и высо-
кого вакуума....................................... 38
3-7. Теплопроводность газов в условиях низкого и высокого
вакуума............................................ 39
3-8. Внутреннее трение или вязкость газов в условиях низ-
кого и высокого вакуума............................ 43
Задачи.................................................... 46
Глава четвертая. Теоретические основы процесса
откачки................................................... 46
4-1. Понятие о процессе откачки вакуумной системы .... 46
4-2. Быстрота откачки объекта и быстрота действия насоса . 47
4-3. Поток газа........................................... 48
4-4. Сопротивление и пропускная способность трубопровода 49
4-5. Основное уравнение вакуумной техники................. 51
Гл^ва пятая. Техника получения вакуума....................... 52
5-1. Значение техники получения вакуума ................. 52
5-2. Современные способы получения высокого вакуума . . 54
5-3. Параметры вакуумных насосов......................... 56
5-4. Механические насосы................................. 60
5-5. Пароструйные насосы . .............................. 94
5-6. Водоструйные насосы.................................138
5-7. Ионные насосы.......................................139
5-8. Ловушки.............................................144
5-9. Поглощение и выделение газов твердыми телами . . . 149
5-10. Адсорбция и абсорбция газов........................ 150
5-11. Факторы, способствующие поглощению газов твердыми
телами.............................................155
5-12. Взаимодействие между важнейшими газообразными веще-
ствами и материалами, применяемыми в вакуумной тех-
нике ..............................................157
5-13. Поглотители ........................................160
5-14. Необходимость удаления газов из деталей электроваку-
умных приборов.....................................183
5-15. Газы, выделяемые стеклом, и методы обезгаживания
стекла.............................................184
5-16. Газы, выделяемые металлами, и методы обезгаживания
металлов......................................... 189
Глава ш е с т а я. Техника измерения вакуума.................195
6-1. Характеристика манометров...........................195
6-2. U-образные манометры................................196
6-3. Стрелочный деформационный манометр . ...............201
6
6-4. Компрессионный манометр.......................7 . 202
6-5. Тепловые манометры................................ 215
6-6. Ионивационный манометр..............................230
6-7. Получение и измерение сверхвысокого вакуума при по-
мощи ионизационного манометра . ....................... 237
6-8. Измерение вакуума в готовых электровакуумных при-
борах .............................................240
6-9. Магнитный электроразрядный манометр ............... 241
6-10. Радиоактивный ионизационный манометр...............247
6-11. Метод грубой оценки вакуума по свечению при элек-
трическом разряде в газе............................«... 249
Глава седьмая. Методы обнаружения мест натекания
вакуумных систем...........................................251
7-1. Количественная оценка герметичности вакуумной систе-
мы .................................................251
7-2. Методы обнаружения мест натекания. Течеискатели . . 255
Глава восьмая. Устройство вакуумных систем...................271
8-1. Основные требования к вакуумным системам............271
8-2. Основные материалы для вакуумных систем и способы
их сочленения.......................................272
8-3. Детали вакуумных систем.............................293
8-4. Вакуумные уплотнители...............................296
8-5. Основные виды вакуумных систем......................300
Глава девятая. Элементы расчета вакуумных систем 326
9-1. Условие возможности расчета вакуумных систем . . . 326
9-2. Практическое применение основного уравнения вакуум-
ной техники для определения быстроты откачки объ-
екта ..............................................327
9-3. Режимы течения газа по трубке......................331
9-4. Пропускные способности трубок в зависимости от ре-
жима течения газа.................................333
9-5. Критерии выбора формулы для вычисления пропускной
способности трубки................................336
9-6. Пропускная способность отверстия ................. 341
9-7. Расчет сложного трубопровода.......................344
9-8. Пропускные способности коротких трубок.............345
9-9. Примеры расчета пропускных способностей трубки при
различных давлениях...............................346
9-10. Влияние размеров трубопровода на его пропускную
способность.........................................350
9-11. Расчет длительности откачки........................354
9-12. Расчет ограничителей наполнения....................360
7
9-13. Расчет ограничителей натекания..................362
9-14. Расчет разбавления остаточного газа промывочным га-
зом ..............................................365
Глава д е с я т а я. Вакуумная гигиена....................366
10-1. Предмет вакуумной гигиены и ее значение ........366
10-2. Основные требования вакуумной гигиены...........367
Приложения................................................372
Литература................................................389
Алфавитный указатель......................................393
ВВЕДЕНИЕ
Слово «вакуум» буквально (в переводе с латинского)
значит пустота. В науке и технике под вакуумом понимается
состояние газа, характеризующееся давлением ниже атмо-
сферного.
Техника получения и измерения вакуума, устройство и
расчет вакуумных систем составляют главное содержание
специальной дисциплины, носящей название «Вакуумная
техника». В специальную дисциплину вакуумная техника
развилась в тесной связи с развитием производства электро-
вакуумных приборов.
Первый электровакуумный прибор — электрическая лам-
па накаливания (с угольным стержнем) была создана рус-
ским ученым А. Н. Лодыгиным (1873 г.).
Явления, связанные с изучением физических свойств ва-
куумных ламп накаливания, привели к открытию термо-
электронной эмиссии из накаленных проводников (Т. А. Эди-
сон, 1883 г.), фотоэлектрического эффекта (А. Г. Столетов
и Г. Герц, 1887 г.). Эти открытия, в свою очередь, послужи-
ли толчком к исследованиям электронных и ионных явлений
в разреженных газах и в вакууме. В результате этих ис-
следований появились сложные электронные и ионные при-
боры, количество типов которых к настоящему времени ис-
числяется тысячами и без которых невозможно было бы
бурное развитие современной радиотехники, не было бы за-
мечательных достижений электроники и весьма многих успе-
хов в других областях науки и техники.
Все эти достижения стали возможны благодаря тем
усовершенствованиям, которые своевременно вносились в
вакуумную технику. Так были усовершенствованы механи-
ческие насосы, изобретены насосы, работающие на новых
принципах (пароструйные и другие), изучены явления,
связанные с взаимодействием твердых тел с окружающими
их газами, разработаны более совершенные способы уда-
ления газов, манометры, позволяющие измерять крайне низ-
9
кие давления газов, изучены законы течения газов по труб-
кам и разработаны основы расчета вакуумных систем.
В нашей стране вакуумная техника начала по-настояще-
му развиваться и достигла весьма больших успехов лишь
после Великой Октябрьской социалистической революции.
В царской России производство электровакуумных прибо-
ров было сосредоточено на трех небольших фабриках осве-
тительных ламп в Москве и одной в Петрограде, целиком
зависевших от иностранного оборудования и сырья. Изго-
товление приемно-усилительных ламп было начато в 1914 г.
в Петрограде благодаря трудам Н. Д. Папалекси, а затем
в 1915 г. в Твери под руководством М. А. Бонч-Бруевича.
Уже в 1918 г. В. И. Ленин дал указание об организации
Нижегородской радиолаборатории, в которой под руковод-
ством М. А. Бонч-Бруевича началось массовое производ-
ство вновь разработанных приемно-усилительных ламп. Там
же были разработаны и выпущены мощные генераторные
лампы с водяным охлаждением, впоследствии перенятым
иностранными электровакуумными фирмами.
В 1919 г. началась подготовка к массовому изготовлению
электронных ламп в Петрограде под руководством А. А. Чер-
нышева; на базе его работ был организован ленинградский
электровакуумный завод «Светлана». Под руководством
С. А. Векшинского развернулась плодотворная производ-
ственно-исследовательская работа лаборатории этого за-
вода.
В 20-х годах в Москве несколько небольших фабрик бы-
ли объединены в один ламповый завод, развившийся вскоре
в мощное электровакуумное предприятие с разветвленной
сетью производственно-исследовательских лабораторий.
В годы Великой Отечественной войны работа всех элек-
тровакуумных предприятий, частично переброшенных в бо-
лее отдаленные районы страны, интенсивно продолжалась
и развивалась, что позволило сделать огромный шаг вперед
как в деле разработки всевозможных новых типов электро-
вакуумных приборов, так и в области специальной вакуум-
ной техники: разработаны новые, более совершенные типы
вакуумных насосов, манометров, течеискателей, создано
теоретическое обоснование расчета вакуумных систем.
В настоящее время сеть электровакуумных предприятий
и научно-исследовательских институтов развита на всей
территории нашей страны.
Под руководством Героя Социалистического Труда
С. А. Векшинского создан и успешно работает специальный
10
Научно-исследовательский вакуумный институт (НИВИ),
являющийся центром вакуумтехнической мысли нашей
страны.
Наша электровакуумная промышленность и, в частности,
вакуумная техника занимают одно из первых мест в мире,
и есть все основания быть уверенным, что задачи, постав-
ленные XX съездом КПСС по увеличению в 2,6 раза выпу-
ска электровакуумных приборов и по другим отраслям на-
уки и промышленности, связанным с успехами вакуумной
техники, будут успешно выполнены.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
1-1. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Состояние газа определяется тремя параметрами: давле-
нием, объемом и температурой. Для решения весьма много-
численных задач, возникающих при изучении газов, удобно
пользоваться понятием об идеальном газе и уравнением,
связывающим все три параметра состояния и массу газа.
Идеальными принято считать такие газы, у которых:
1) молекулы можно представлять себе как упругие ма-
териальные частицы; 2) взаимодействие между молекулами
ограничивается упругими столкновениями; 3) пространство,
занимаемое молекулами, исчезающе мало по сравнению с
пространством, свободным от молекул.
Реальные газы по своим свойствам тем сильнее отли-
чаются от идеальных, чем больше их плотность, и, наоборот,
разреженные газы, с которыми в основном и имеет дело ва-
куумная техника, по своим свойствам весьма мало отли-
чаются от идеальных. Поэтому для изучения свойств раз-
реженных газов можно без каких-либо поправок пользо-
ваться уравнением состояния идеальных газов, которое име-
ет вид:
pV=^RT, (1-1)
где р — давление газа;
V — объем газа;
Т — абсолютная температура газа;
N— количество молекул газа;
m — масса одной молекулы;
М — масса одной грамм-молекулы (моля) газа;
R — газовая постоянная.
К уравнению (1-1) необходимо сделать следующие за-
мечания:
1. Грамм-молекула (моль) —это такое количество веще-
ства, которое, будучи выражено в граммах, численно равно
12
молекулярному весу этого вещества. Так, например, грамм-
молекула кислорода составляет 32 г (молекулярный вес 32),
грамм-молекула водорода составляет 2 г (молекулярный
вес 2).
В дальнейшем мы часто будем пользоваться численным
тождеством между массой грамм-молекулы (в граммах) и
молекулярным весом и, если потребуется, обозначению М
в отдельных случаях будем придавать смысл молекуляр-
ного веса газа.
2. Произведение Nm выражает собой массу всего газа.
Следовательно, отношение ~~ показывает, сколько взято
грамм-молекул газа.
Например, если азот (молекулярный вес 28) взят в коли-
r-r Nm 56 ~
честве 56 г, то -^- = ^ = 2 грамм-молекулы; если тот же
< л 1,4 п „г.
газ взят в количестве 1,4 г, то -^ = -^- = 0,05 грамм-мо-
• ГЛ Zo 1
лекулы ит. п.
3. Если газ взят в количестве одной грамм-молекулы, то
^- = 1 и уравнение (1-1) принимает более простой вид:
pV = RT.
Число молекул в одной грамм-молекуле, очевидно, равно
N = N А; оно называется числом Авогадро, который
нашел, что это число постоянно для любого вещества и
равно 6,02 • 1023. Постоянство значения N 4 следует хотя бы
из тех соображений, что М численно равно молекулярному
весу вещества, т. е. массе одной молекулы в единицах
атомного веса (за единицу принят атомный вес водорода),
а т есть масса той же молекулы, но только в других еди-
ницах—граммах.
Пользуясь числом Авогадро, уравнение (1-1) можно
представить в виде:
pV^NkT, (1-2)
где k = -^— называется молекулярной газовой постоянной.
4. Если в уравнениях (1-1) или (1-2) все величины выра-
жены в абсолютных единицах (сантиметр, грамм, секунда),
то газовые постоянные независимо от рода газа имеют зна-
чения:
R = 8,314-107 эрг] моль-град;
k = 1,38-10“16 эрг]моль-град.
13
Отметим, что в случае применения абсолютных единиц
давление выражается в барах; так как давление измеряется
силой, действующей на единицу поверхности, то абсолют-
ная единица давления (бар) может быть выражена как
дина]см2.
Практической единицей давления является миллиметр
ртутного столба или в тысячу раз меньшая единица—•
микрон ртутного столба.
1 мм рт. ст. — 1 333 бар = 1000 мк рт. ст.-,
1 бар — 0,00075 мм рт. ст.
Среднее для Москвы атмосферное давление равно
750 мм рт. ст., что составляет 750 -1 333 106 бар.
5. Из уравнения состояния идеальных газов можно вы-
вести все известные из опытной физики газовые законы.
1-2. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
Закон Бойля—Мариотта. При постоянной массе и
температуре газа произведение давления газа на его объем
есть величина постоянная.
Действительно, из уравнения (J-1) мы видим, что если
масса взятого газа Nm и его абсолютная температура Т
постоянны, то, учитывая неизменность М, можно написать:
pV — const. (1-3)
В более общем случае, когда постоянной остается
только температура, а количество газа меняется, можно
написать:
рУ — const‘Nm, (1-4)
т. е. произведение давления газа на его объем при неиз-
менной температуре прямо пропорционально массе газа.
Отсюда следует, что величиною рУ вполне определяется
количество газа, если его температура остается неизменной.
При решении многих практических задач вакуумной техники
бывает удобно количество газа выражать именно через
произведение рУ.
В зависимости от единиц, в которых выражено давление р
или объем У, единица рУ может выражаться как бар-см3,
{мм рт. ст.)-см3, {мк рт. ст.) л и т. п.
Из (1-4) следует: р — const --р- = const -р, гдер = -р- —
плотность газа; таким образом, при постоянной темпера-
туре давление газа пропорционально его плотности.
14
Кроме понятия о плотности газа р как о массе в еди-
нице объема, полезно ввести понятие о так называемой
молекулярной концентрации газа N1=-p- как о количестве
молекул газа в единице объема. Очевидно, N1m = p; сле-
довательно, при постоянной температуре давление пропор-
ционально также и молекулярной концентрации газа.
Закон Гей-Люссака. При постоянной массе и давлении
газа объем газа прямо пропорционален его абсолютной
температуре.
Действительно, из уравнения (1-1) мы видим, что если
Nm и р постоянны, то, учитывая неизменность М, можно
написать:
V = const-Т. (1-5)
Воспользовавшись уравнением (1-1), можно получить
другое выражение закона Гей-Люссака: при постоянной
массе и объеме газа давление газа прямо пропорционально
его абсолютной температуре. Действительно, из уравнения
(1-1) при постоянных Nm и V следует:
р = const -Т. (1-6)
Соотношение (1-6) носит также название закона Шарля.
Закон Дальтона. Полное давление смеси химически
невзаимодействующих газов равно сумме парциальных дав-
лений отдельных газов.
Парциальным давлением газа, входящего в смесь, назы-
вается то давление, которое этот газ имел бы, если бы в
объеме смеси он был только один.
Этот закон можно представить следующим образом:
Pc„ = Pl+P2-t- ••+/’„> (1-7)
где рсм — полное давление смеси;
Р\, Ръ • • •» Рп — парциальные давления газов, составляющих
смесь.
Вывод этого закона очень прост: если выразить коли-
чества каждого входящего в смесь газа в единицах pV,
то, очевидно,
рУс„+Ж.+• • +p„vc„=pcmvsm.
где Усм — объем смеси газов.
Далее после сокращения на VCM получаем уравнение (1-7).
15
ЗАДАЧИ
1. Баллон, содержащий газ при 750 мм рт. ст., имеет объем 5 л.
Как изменится давление газа в баллоне, если его сообщить с другим
баллоном, практически не содержащим газа и имеющим объем 10 л
(температуру газа предполагаем постоянной).
Отв. Снизится на 500 мм рт. ст.
2. В вертикальный цилиндр вставлен герметичный поршень. Высо-
та его нижней поверхности над дном цилиндра составляет 12 см, а
газ в цилиндре (под поршнем) имеет давление 8 мм рт. ст.
Какое будет давление газа, если:
1) опустить поршень до высоты 3 см?
2й поднять поршень до высоты 24 см?
Отв. 1) 32 мм рт. ст.; 2) 4 мм рт. ст.
3. Газонаполненная лампа накаливания в холодном состоянии
(27° С) содержит газ под давлением 600 мм рт. ст. Какое давление
газа будет во включенной лампе, если тело накала нагреет газ до
средней температуры 177° С?
Отв. 900 мм рт. ст.
4. Определить молекулярную концентрацию любого газа при дав-
лениях 750; 1; 0,001; 1О43 и 10-9 мм рт. ст. и температуре 27° С.
Отв. При 750 мм рт. ст.—2,43- 101J мол[см*
1 „ в я -3,24.1016 ,,
„ 0,001 , „ „ -3,24-1013 „
„ Ю-6 я п в —32 млрд.
„ Ю~9 „ „ „ —32 млн.
5. Определить объем грамм-молекулы газа при 750 мм рт. ст. и
27° С.
Отв. 24,945 л.
6. Определить давление смеси азота, кислорода и аргона, если
парциальные давления этих газов соответственно равны 400; 100 и
5 мм рт. ст.
Отв. 505 мм рт. ст.
7. Смесь азота и кислорода занимает объем 0,5 л. Определить
парциальные давления этих газов, если давление смеси составляет
100 мм рт. ст., причем при давлении 100 мм рт. ст. азот займет объем
0,4 л, а кислород 0,1 л.
Отв. 80 мм рт. ст. и 20 мм рт. ст.
1-3. ПОНЯТИЯ «ГАЗ» ’И «ПАР»
В вакуумной технике приходится иметь дело не только
с газами, но и с парами весьма многих веществ.
Можно ли и в какой мере газовые законы применять к
парам? Чтобы ответить на этот вопрос, надо точно разгра-
ничить понятия «газ» и «пар» и .знать главные отличия пара
от газа.
Критерием, которым можно руководствоваться, чтобы
определить, является ли то или иное газообразное вещество
газом или паром, может служить его критическая темпера-
тура. Критической температурой данного вещества назы-
1G
вается такая его температура, выше которой оно может на-
ходиться только в газообразном состоянии: никаким сжа-
тием сконденсировать его невозможно. Г а з о о б р а з н о е
в е щ е с т в о н а з ы ,в а е т с я газом, если е г о т е м пе-
ра т у р а в ы ш е к р и т и 'ч е с к о й; паром, — если его
температура ниже критической.
В табл. 1-1 указаны критические температуры некоторых
веществ.
Таблица 1-1
Вещество Критическая температура, °C Вещество Критическая температура, °C
Гелий —267,8 Аргон — 122,4
Водород —241 Криптон —62,5
Неон —228 Ксенон + 14,7
Азот -. —147 Двуокись углерода . +31,0
Кислород —118 Вода 365
Воздух —140 Ртуть 1 450
Железо 3 700
Мы видим, что комнатная температура, колеблющаяся
обычно в пределах 15-н 25° С, намного превышает критиче-
скую температуру таких веществ, как гелий, водород, неон,
азот, кислород, аргон, криптон, которые в обычных темпера-
турных условиях являются «постоянными» газами. Такие
газообразные вещества, как ксенон и двуокись углерода, к
постоянным газам отнести уже нельзя, так как их критиче-
ские температуры близки к комнатной. Далее мы говорим
о водяном паре, о ртутном паре, о парах различных масел,
применяемых в вакуумной технике, так как критические тем-
пературы этих веществ намного выше комнатной. Наконец,
поскольку все металлы имеют критическую температуру по-
рядка многих тысяч градусов, мы говорим о парах метал-
лов.
1-4. ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ
Из физики известно, что если испарение какого-либо ве-
щества происходит в замкнутом пространстве, то по исте-
чении достаточного промежутка времени наступает состоя-
ние насыщения, т. е. устанавливается постоянное, равнове-
сное давление пара, несмотря на продолжающееся испаре-
ние. Насыщение наступает, по той причине, что в процессе
испарения с возрастанием ’плотности пара возрастает и ко-
личество молекул (атомов) пара, конденсирующихся обрат-
2 Б. И Королев. 17
но на стенках сосуда и на поверхности испаряющегося
вещества; в момент, когда количество молекул, конденси-
рующихся в единицу времени, сравняется с количеством
молекул, испаряющихся за то же время, устанавливается
постоянная плотность, а при неизменной температуре —
постоянное давление насыщенного пара.
В вакуумной технике для различных целей применяется
ряд жидкостей; они неизбежно являются источниками паров
в вакуумной системе; так, например, широко применяется
ртуть, служащая рабочей жидкостью для некоторых типов
манометров и для ртутных пароструйных насосов; сущест-
вуют масляные пароструйные и масляные вращательные
насосы, работающие на специальных маслах; существуют
насосы, в которых рабочей жидкостью является вода (водо-
струйные насосы). Источником паров в вакуумных систе-
мах могут служить и многие твердые вещества, применя-
емые в качестве смазок, уплотнителей, поглотителей, покры-
тий и т. п. Все эти жидкости и твердые вещества имеют
определенные давления насыщенных паров, с которыми не-
обходимо считаться в процессе откачки любого электрова-
куумного прибора.
Табл. 1-2 дает представление о давлении насыщенных
паров некоторых веществ, применяемых в вакуумной тех-
нике.
Таблица 1-2
Вещество
или материал
Давление насыщен-
ного пара при
20° С, мм рт. ст
Вода.........................
Масла для вращательных насо-
сов ..........................
Ртуть .......................
Смазка, уплотнители..........
Масла для пароструйных насо-
сов ..........................
17,5
10-2_г-10-5
1,2.10-3
10-3-4-10-7
10-54-10-7
1-5. О ПРИМЕНИМОСТИ ГАЗОВЫХ ЗАКОНОВ К ПАРАМ
Если пар не находится в состоянии насыщения, то к
нему, как и к любому газу, можно применять законы, выве-
денные для идеальных газов, с тем большим правом, чем
меньше его плотность. В частности, для паров веществ, при-
веденных в табл. 1-2, поскольку при нормальных условиях
давления этих паров невелики, газовые законы остаются
справедливыми до самого момента насыщения.
18
Но для насыщенных паров справедливость законов, свя-
занных с изменением параметров состояния (давления, объ-
ема, температуры) пара, нарушается. Например, закон
Бойля — Мариотта становится несправедливым, потому что
при сжатии или расширении насыщенного пара (без измене-
ния его температуры) давление сохраняется неизменным:
соответственно происходит или конденсация части пара, или
дополнительное испарение.
В отличие от газа давление насыщенного пара можно
изменить только путем изменения температуры. С повыше-
нием температуры пара и его источника давление будет ра-
сти быстрее, чем это следует по закону Гей-Люссака (фор-
мула 1-6); это происходит потому, что мы можем сохранять
постоянным только объем пара, но не массу его,- она будет
увеличиваться за счет возросшей скорости испарения источ-
ника и замедления конденсации пара.
Может случиться, что при повышении температуры ис-
точник пара полностью испарится; тогда пар перестает быть
насыщенным и при дальнейшем нагревании ведет себя по
закону Гей-Люссака.
Нетрудно себе представить и обратный ход явлений, со-
ответствующий понижению температуры насыщенного пара:
в этом случае также можно удержать постоянным только
объем пара, а масса его станет убывать, так как с пониже-
нием температуры пар конденсируется быстрее, а испарение
источника, наоборот, замедляется.
Опыт показывает, что давление насыщенных паров нахо-
дится в степенной зависимости от температуры.
Что касается закона Дальтона, то, поскольку описывае-
мое им явление не связано с изменением параметров газа,
этот закон одинаково справедлив и для газов и для паров в
любом (насыщенном или ненасыщенном) состоянии послед-
них.
1-6. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ В ВАКУУМНОЙ
СИСТЕМЕ, ТЕМПЕРАТУРА ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ КОТОРОЙ
НЕОДИНАКОВА
Вакуумная система (рис. 1-1) состоит обычно из насо-
сов с рабочими жидкостями, трубопровода, соединяющего
откачиваемые объекты с насосами, манометров, кранов и
других деталей, в которых может находиться какой-либо ис-
точник пара. Как правило, все эти элементы вакуумной си-
стемы имеют в рабочем состоянии различные температуры:
например, масло во вращательном насосе может нагреться
о* 19
Рис. 1-1. Примерный вид вакуумной системы в разрезе
(масштабы деталей не соблюдены).
1 — электровакуумный прибор, припаянный к вакуумной системе (в печи для про-
грева стекла); 2— откачная трубка (штенгель); 3 — стеклянная ловушка для «вымо-
раживания» паров, охлаждаемая жидким азотом; 4—металлический пароструйный
насос; 5 — пришлифованное соединение стеклянного трубопровода с впускным пат-
рубком пароструйного насоса (конический «шлиф» с уплотняющей смазкой); 6 —
стеклянный кран (с уплотняющей смазкой); 7 — вращательный масляный насос; 8 —
ревиновые соединения; 9 — ртутный компрессионный манометр (ат — атмосфера;
ц. в. п. — централизованная вакуумная подводка).
до 50° С, рабочая жидкость пароструйного насоса — до тем-
пературы порядка 100—200° С; в то же время, например,
в пароструйных насосах имеется холодильник, температура
стенок которого соответствует примерно температуре про-
точной воды, т. е. может быть на несколько градусов ниже
комнатной; температура трубопровода в основном соответ-
ствует комнатной температуре; откачиваемые объекты обыч-
но подвергаются прогреву до температуры в несколько сот
градусов. В определенном участке трубопровода часто по-
мещается так называемая «ловушка» для вымораживания
паров, стенки которой (после предварительной откачки и
прогрева откачиваемых объектов в печи) могут быть охлаж-
дены до температуры — 185 -е-—196° С. Какой же темпера-
турой определяется давление паров тех жидкостей и твер-
дых веществ, которые находятся внутри вакуумной системы?
Чтобы правильно ориентироваться в тех практических слу-
чаях, с которыми приходится иметь дело в вакуумной тех-
нике, нужно иметь в виду следующее: если вакуумная
система содержит источник пара, причем в различных ее
участках имеется разная температура, то давление насы-
щенного пара определяется наиболее низкой температурой;
при этом в пространстве, отделенном от источника пара наи-
более холодной стенкой, давление насыщенного пара источ-
ника устанавливается в полном соответствии именно с тем-
пературой этой холодной стенки; в пространстве же между
наиболее холодной стенкой и источником пара, пока послед-
ний не испарился полностью, происходит перегонка источ-
ника пара из более нагретого в наиболее охлажденный уча-
сток системы.
Удобно проследить за изменением давления ртутного
пара на примере типовой вакуумной системы (рис. 1-1).
Пока не включена проточная вода в пароструйном насосе и
не охлаждаются стенки ловушки во всей системе, давление
насыщенного пара ртути соответствует комнатной темпера-
туре и, например, при 20° С равняется 1,2* 10~3 мм рт. ст.
После включения проточной воды самая низкая темпе-
ратура (10° С) устанавливается на стенках холодильника
пароструйного насоса; в соответствии с этим понижением
температуры падает и давление насыщенйых паров ртути.
Наконец, самое низкое давление ртутного пара устанав-
ливается ' после охлаждения стенок ловушки, например,
жидким азотом (до —196°С).
В полном соответствии с самой низкой температурой дав-
ление ртутного пара устанавливается практически только
21
в откачиваемой лампе и части трубопровода над ловушкой,
для этого обычно не требуется длительного времени, так
как в этом участке вакуумной системы ртутный пар имеется
лишь в небольшом количестве (в объеме и на стенках).
В нижней же части системы, где размещены источники
ртутного пара (пароструйный насос и компрессионный ма-
нометр), равновесное давление в короткий промежуток вре-
мени установиться не может, так как для этого необходимо,
чтобы вся ртуть сконденсировалась на охлажденных стен-
ках ловушки.
Если жидкий азот из ловушки удалить, то по мере на-
гревания ее стенок давление ртутного пара снова возрастет
.во всей системе (в соответствии с температурой самого хо-
'лодного участка вакуумной системы).
ЗАДАЧИ
1. Некоторое количество водяного пара при температуре 20° С
занимает объем 300 см3, создавая при этом давление 5 мм рт. ст.
Какое давление это же количество водяного пара будет иметь при
той же температуре, если занимаемый им объем уменьшить: 1) до
100 см3; 2) до 10 см3; 3) до 1 см3 (использовать табл. 1-2)?
Отв. 1) 15 мм рт. ст.; 2) 17,5 мм рт. ст. 3) 17,5 мм рт. ст.
2. В вакуумной системе имеются газы (N2, Ог) и пары (Н2О, Hg)
с парциальными давлениями:
N2 — 8- 10~ 5 мм рт. ст.; О2— 2-10~5 мм рт. ст.;
Н2О—1-10-2 мм рт. ст и Hg—1-Ю-3 мм рт. ст.
Определить полное давление в вакуумной системе.
Отв. 1,11 • 10~2 мм рт. ст.
3. Как изменится полное давление смеси в предыдущем примере,
если указанные газы и пары собрать в объеме, составляющем 0,0001
долю от объема вакуумной системы (использовать табл. 1-2)?
Отв. Давление станет равным 18,5012 мм рт. ст. "-18,5 мм рт. ст.
4- Рассчитать давление ртутного пара, создаваемого полностью
испарившейся каплей ртути в 1 а в замкнутом баллоне 100 см3 при
температуре 557°С.
Отв. "3,4 ат.
5. Какое минимальное количество ртути надо поместить в замкну-
тый объем 100 см3 при температуре 557° С, чтобы при полном испаре-
нии ртути достигалось насыщение баллона ртутными парами (давле-
ние насыщенных паров ртути при температуре 557° С равно
1 • 104 мм рт. ст.у.
Отв. 3,87 г.
22
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
2-1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ (АТОМОВ)
Наблюдение за поведением любого вещества, а также
специальные эксперименты показывают, что молекулы (ато-
мы) вещества находятся в постоянном беспорядочном дви-
жении независимо от того, имеем ли мы дело с твердым,
жидким или газообразным состоянием вещества. Это движе-
ние обусловливает собой наличие в любом веществе внут-
ренней кинетической энергии, которая, как мы увидим ниже,
связана с температурой вещества. Поэтому то беспорядочное
движение, в котором всегда находятся молекулы (атомы),
называется тепловым, а теория, изучающая тепловое движе-
ние молекул (атомов), называется кинетической теорией
материи.
Впервые представления о внутреннем, тепловом движе-
нии частиц вещества развил Михайло Васильевич Ломо-
носов (1744 г.).
Тепловое движение частиц твердого тела носит колеба-
тельный характер: частицы колеблются около среднего по-
ложения с различными амплитудами и в разных плоскостях.
Такой характер теплового движения частиц твердого тела
обусловливается тем, что между ними имеются прочные
связи, делающие твердое тело способным самостоятельно
сохранять свой объем и форму.
Тепловое движение молекул жидкости носит в основном
уже поступательный характер с различными скоростями,
в разных направлениях; это объясняется меньшей проч-
ностью связей между молекулами жидкости; жидкость спо-
собна сохранять самостоятельно только объем’ но не форму.
Наконец, тепловое движение молекул газообразного ве-
щества имеет только поступательный характер с очень сла-
бым взаимодействием между молекулами, особенно при
низких давлениях. Благодаря тепловому движению при на-
личии лишь слабой связи между молекулами газообразное
вещество неспособно самостоятельно сохранять ни формы,
ни объема, а всегда занимает весь предоставленный ему
объем.
Имея в виду постоянное хаотическое тепловое движение
молекул газа, мы легко объясняем все явления, с которыми
нам приходится сталкиваться при изучении вакуумной тех-
ники. Приведем несколько примеров.
23
1. Свойством газообразных веществ занимать весь пре-
доставленный им объем пользуются для извлечения их из
какого-либо сосуда, например для откачки любого электро-
вакуумного прибора при помощи механических насосов.
2. Свойство газообразных веществ проникать друг в дру-
га (взаимная диффузия) использовано для разработки так
называемых диффузионных насосов, позволяющих с боль-
шой скоростью получать предельно низкие давления.
3. Тепловым движениехМ частиц воздуха объясняется «на-
текание» вакуумных систем, т. е. проникновение атмосфер-
ного воздуха внутрь вакуумной системы через неуплотненное
(«негерметичное») место.
4. Тепловым движением объясняются такие важные
свойства газообразных веществ, как теплопроводность, т. е.
перенос (молекулами) тепла от более нагретого к менее на-
гретому телу в газовой среде, как внутреннее трение или
вязкость газа, т. е. передача количества движения от одного
слоя газа к другому, и многие другие.
2-2. ДАВЛЕНИЕ И УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ГАЗОВ
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
С точки зрения кинетической теории давление газа есть
сумма импульсов, которые вследствие теплового движения
сообщаются ударами молекул газа в течение 1 сек одному
квадратному сантиметру стенки сосуда, содержащего газ.
На основе этого представления о давлении газа непосред-
ственная связь давления с тепловым движением молекул вы-
ражается следующим уравнением:
Nmv* 2 AAww2 ,о . ч
(2-')
где все обозначения, кроме v, известны, a v — средняя ско-
рость теплового движения молекул газа.
Приведем упрощенный вывод формулы (2-1). Предста-
вим себе газ в кубе объемом 1 см3. Двигаясь в направлении
одной из граней куба, частица газа (молекула, атом) обла-
дает количеством движения mv2; после упругого отражения
от стенки частица газа обладает обратным по направлению,
но по абсолютной величине тем же количеством движения
— mv. Следовательно, изменение количества движения при
одном ударе одной частицы газа равно:
mv — (— mv) = 2mvr
24
Если бы в течение 1 сек о поверхность грани (1 см2) на-
шего куба ударилась всего одна молекула и только 1 раз,
то величиной 2тс, как импульсом, определилось бы давле-
ние газа на эту грань, т. е. в этом случае мы могли бы на-
писать:
р = 2mv.
На самом деле, даже если бы в нашем кубе была толь-
ко одна молекула, движущаяся к одной из граней, то она,
обладая скоростью v, в течение 1 сек ударится о нашу
грань, очевидно, не один, а раз (и столько же раз — о
противоположную грань).
Следовательно, от одной молекулы наша грань будет ис-
пытывать давление
р — 2mr ~ = mv2
(такое же давление будет испытывать и противоположная
грань).
Если в кубе будет не одна, a N\ молекул, то можно уп-
рощенно все N\ молекул представлять себе разделенными
по направлениям на три равные части, движущиеся каждая
между одной из трех пар противоположных граней куба.
В этом случае каждая грань будет испытывать давление
N^mv^
2 ’
9 N-i Nimv* 2
р =
ООО
А это 'и есть формула (2-1).
Отметим, что более строгий вывод формулы (2-1), при
котором учитывается действительно происходящее хаотиче-
ское тепловое движение молекул, приводит точно к такой же
формуле.
Таким образом, давление измеряется кинетической энер-
гией теплового движения молекул газа, а именно: давление
численно равно двум третям кинетической энергии молекул
N, mv2
—^2---, содержащихся в единице объема газа.
Уравнение (2-1) можно преобразовать:
. (2-2)
Сопоставив с уравнением (1-1), мы видим, что уравнение
(2-2) является уравнением состояния идеальных газов, но
роль температуры здесь играет средняя скорость теплового
движения.
25
2-3. СРЕДНИЕ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ
Аналогия между уравнениями (2-2) и (1-1) позволяет
вывести аналитическое выражение для средней скорости;
для этого приравняем правые части (поскольку левые оди-
наковы) :
Nmv2 Nm
Решая относительно v, имеем:
, = =15 800 |/~[см1сек], (2-3)
т. е. средняя скорость теплового движения молекул газа
прямо пропорциональна квадратному корню из абсолютной
температуры и обратно пропорциональна квадратному кор-
ню из молекулярного веса газа.
Под средней скоростью теплового движения молекул в
только что рассмотренном нами случае разумеется вели-
чина, определяемая как квадратный корень из суммы квад-
ратов скоростей отдельных молекул, деленной на общее чи-
сло молекул:
vf-Ь
N
где индексы относятся к отдельным молекулам, a N — чи-
сло молекул.
Такая средняя скорость называется средней квадратич-
ной скоростью теплового движения молекул. Ею удобно
пользоваться, когда средняя скорость входит в выражение
для кинетической энергии молекул газа, или вообще в тех
случаях, когда основную роль играет не первая степень, а
квадрат скоростей.
В том случае, когда основную роль играет первая сте-
пень скорости теплового движения, берется так называемая
средняя арифметическая скорость, которая подсчитывается
по формуле
У1 + v2 + • • •
V =--------77--------
a N
и в отличие от средней квадратной скорости ее можно обо-
значить индексом а.
Значение va несколько меньше v, а именно:
4 D. = V^f = 14 551 / 1Л ["/“«) (2-4>
26
Полезно иметь представление об абсолютных значениях
скоростей теплового движения. Табл. 2Л иллюстрирует зна-
чение средних квадратичных скоростей молекул некоторых
газообразных веществ при двух различных температурах.
Таблица 2-1
Газ или пар Химиче- ский знак Молеку- лярный вес Средняя квадратичная скорость, м/сек
при 0° С при 20° С
Водород . н2 2 1 838 1 904
Азот n2 28 493 511
Кислород О2 32 461 478
Ртутный пар Hg 200 184 191
2-4. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ СРЕДНЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИЕЙ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ ГАЗА
И ЕГО АБСОЛЮТНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
Сопоставление уравнений (2-2) и (1-2) приводит еще к
одному важному соотношению, а именно:
или
(2-5)
т. е. средняя кинетическая энергия теплового движения мо-
лекул газа пропорциональна его абсолютной температуре.
Полученное соотношение позволяет сделать следующий
вывод. Возьмем любые п газов и составим для них выраже-
2 2
m2^9
ния средней кинетической энергии молекул: -у- , —
9
т v
..., п. Если температура всех газов одинакова, то, посколь-
з
ку каждое из выражений в отдельности равно kT, имеем:
__ m2v\ __ __ mnv2n
2 “ 2 — • • • 2 ’
т. е. при одинаковой температуре средняя кинетическая
энергия теплового движения молекул любого газа одина-
кова.
27
2-5. ЗАКОН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ
Говоря о среднем значении скорости теплового движе-
ния молекул газа, мы предполагаем, что отдельные молеку-
лы обладают различными скоростями; как мы уже говори-
ли выше, скорости теплового движения отличаются не
только по величине, но и по направлению, а тепловое дви-
жение молекул хаотично, беспорядочно. Как же можно при
этих условиях говорить об определенной средней скорости,
находящейся в определенной зависимости от температуры
и молекулярного веса газа?
Оказывается, что газ, предоставленный самому себе
(т. е. не подвергающийся какому-либо постороннему, меха-
ническому или температурному воздействию), всегда при-,
ходит в такое состояние, что различные скорости теплового
движения распределяются между молекулами по вполне
определенному закону. В частности, на основе этого закона
можно подсчитать значение наиболее вероятной, т. е. отно-
сительно наиболее часто встречающейся у молекул, скоро-
сти теплового движения, которая равна:
&а = 1 290'j/'[см/сек]. (2-6)
Сущность закона распределения скоростей между моле-
кулами можно понять из рассмотрения табл. 2-2. В левом
столбце таблицы указаны пределы относительных значений
скоростей, причем значение наиболее вероятной скорости
принято за единицу. В правом столбце приведены соответ-
ствующие данным пределам относительные количества мо-
лекул (в процентах), причем все количество молекул газа
принято за 100%.
Таблица 2-2
Пределы относи- Относительные (%) Пределы относи- Относительные
тельных значений количества молекул тельных значений (%) количества
скоростей (7.-1) (А/=100%) скоростей (а— 1) молекул (А7=100%)
0-0,1 0,1 1,3—1,5 Н,2
0,1—0,3 2,1 1,5—1,7 7,8
0,3—0,5 6,3 1.7—1,9 5,8
0,5—0,7 Н,2 1,9—2,! 3,4
0,7—0,9 14,9 2,1-2,5 з,о
0,9—1,1 16,1 2,5-3,0 0,8
1,1—1,3 15,0 >з,о о,з
Табл, 2-2 иллюстрирует закон распределения скоро-
стей в том смысле, что при любой данной температуре су-
28
Шествуют определенные доли (проценты) всего количества
молекул, обладающие весьма малыми скоростями, но и до-
ли эти очень невелики; по мере того, как мы будем отби-
рать молекулы, обладающие все большими скоростями, со-
ответствующие доли таких молекул также возрастают;
наибольшая (относительно) доля молекул (16,1%) обла-
дает скоростями, близкими к наиболее вероятной скорости
(пределы скоростей 0,9а—1,1а), но по мере дальнейшего
отбора молекул все с большими и большими скоростями
доли становятся уже меньшими, и, наконец, хотя и суще-
ствует некоторая доля молекул, обладающая очень боль-
шими скоростями, >3а, 'но она очень мала (0,3%).
Такое закономерное распределение скоростей позволяет
пользоваться понятием о вполне определенном значении
средней квадратичной или средней арифметической скоро-
сти теплового движения молекул газа с определенной зави-
симостью от температуры и молекулярного веса газа.
2-6. КОЛИЧЕСТВО И ОБЪЕМ МОЛЕКУЛ ГАЗА,
УДАРЯЮЩИХСЯ В 1 см2 СТЕНКИ ЗА 1 сек
Закон распределения скоростей, обусловливающий воз-
можность оперировать с определенными значениями сред-
них скоростей теплового движения молекул, позволяет так-
же вычислить очень важную величину, играющую большую
роль во многих вопросах вакуумной техники. Этой величи-
ной является количество молекул газа, ударяющихся в
1 см2 стенки сосуда, содержащего газ, за 1 сек. Обозначим
ее через Nq. Подсчет, основанный на законе распределения
скоростей, приводит к следующему простому выражению
ДЛЯ :
= [мол 1см2’сек].
Представляя вместо са ее выражение из (2-4), получаем:
= 3 638У У [мол]см2 сек]. (2-7)
Отсюда следует, что величина N пропорциональна моле-
кулярной кэнцентрации газа, пропорциональна квадратному
корню из температуры и обратно пропорциональна квадрат-
ному корню из молекулярного веса газа.
Для практических целей часто бывает важно знать не
количество молекул , а объем газа Vq, приходящегося
29
на это количество молекул. Для определения этого объема
достаточно обе части уравнения (2-7) разделить на коли-
чество молекул, содержащихся в 1 см3, т. е. на Тогда
vt = 3 638 [См3/см2-сек].
Если вместо 1 см2 взять поверхность А [см2], то
УА —3 638А ~ [см3/сек] ===3,638A [л/сек]. (2-8)
Поскольку в формулу (2-8) молекулярная концентрация
не входит, величина VA не зависит от давления газа.
В дальнейшем изложении мы неоднократно будем встре-
чаться с практическим применением формулы (2-8); она нам
понадобится при определении быстроты действия паро-
струйных насосов, ловушек для вымораживания паров, по-
глотителей, а также при вычислении пропускной способ-
ности отверстий при высоком вакууме и т. д.
ЗАДАЧИ
1. Определить внутреннюю кинетическую энергию газа, находяще-
гося в замкнутом сосуде объемом 200 см3, если давление газа равно
750 мм рт. ст.
Отв. 30 дж.
2. Определить среднюю арифметическую скорость атомов ртутно-
го пара при температуре —73° С.
Отв. 145,51 м/сек.
3. Определить среднюю квадратичную скорость молекул водорода
при температуре —73° С.
Отв. 1 580 м/сек.
4. Вычислить объем, занимаемый молекулами воздуха, ударяю-
щимися в 1 сж2 стенки сосуда за 1 сек при температуре 27° С (моле-
кулярный вес воздуха можно считать равным в среднем 29)'.
Отв. 11,7 л/сек -см2.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПОНЯТИЕ О ВЫСОКОМ ВАКУУМЕ
И ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ГАЗОВ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТЕПЕНИ ВАКУУМА
. 3-1. СРЕДНЯЯ ДЛИНА СВОБОДНОГО ПУТИ
Тепловое движение молекул газа сопровождается не
только ударами молекул о стенки сосуда, в котором заклю-
чен газ, но и их взаимными столкновениями. Вследствие
этого путь, описываемый молекулой газа при тепловом
30
Рис. 3-1. Тепловое
движение молекулы
газа.
1, 2, 3 и т. д. — места
столкновений с другими
молекулами.
движении, представляет собой, вообще говоря, простран-
ственную ломаную линию, прямолинейные участки которой
соответствуют свободному передвижению молекулы (без
столкновений) (рис. 3-1); точки, где молекула меняет свое
направление, соответствуют моментам столкновения данной
молекулы с какой-либо другой. По-
скольку тепловое движение беспоря-
дочно, прямолинейные пути молекул
между двумя столкновениями не могут
быть одинаковыми; тем не менее бла-
годаря существованию определенного
закона их распределения мы и здесь
можем аналогично понятию о средней
скорости теплового движения ввести
понятие о среднем расстоянии!, прохо-
димом молекулами между дву-
мя столкновениями, или, короче, о средней длине свобод-
ного пути молекул газа (обозначается через л).
Между средней длиной свободного пути (X) и средним
числом столкновений молекулы в 1 сек (z) существует
определенное соотношение. Легко сообразить, что Х= -р
т. е. при неизменной температуре газа (y0 = const) средняя
длина свободного пути обратно пропорциональна среднему
числу столкновений молекулы в 1 сек.
Кинетическая теория показывает, что средняя длина
свободного пути молекул X обратно пропорциональна мо-
лекулярной концентрации газа Nf, следовательно, при не-
изменной температуре средняя длина свободного пути мо-
лекул обратно пропорциональна давлению газа:
А
р
или
Лр = k,
(3-1)
где k —- постоянный коэффициент, зависящий только от рода
газа и температуры.
Для средней длины свободного пути имеет место вы-
ражение
Z = ——---------(3-2)
/2.^2/1 + у)
31
где Nj — молекулярная концентрация газа;
о—-диаметр молекулы;
Т — абсолютная температура газа;
С — постоянная, зависящая от рода газа.
В этой формуле, помимо обратной пропорциональности
между Я и Л/\, следует обратить внимание на зависимость
Я от величины поперечного сечения молекулы газа, характе-
ризуемого произведением таз2.
(С \
является экспериментальной по-
правкой, показывающей, что Я зависит от температуры газа
(прямая зависимость).
Если через Я273 обозначить среднюю длину свободного
пути при 0° С, а через Яг при Т° абс., то нетрудно под-
считать, что
2 — 2 (273 +С) Г
Аг — Л273 (7 + С) 273 • I’5’’5/
По формуле (3-3) можно определять длины свободных
путей молекул газа при данной температуре, если длина
свободного пути известна для другой температуры.
Примеры вычисленных значений X приведены в табл. 3-1.
Таблица 3-1
Газ X, см, при 0° С и 760 мм рт. ст С
n2 5,99-10-6 102,7
Аг 6,35-10-6 147,8
н2 11,23-10-6 82,8
о2 6,47-10-6 136
Воздух 6,08-10-6 124
Для представления о величине Z, при различных давле-
ниях целесообразно рассмотреть табл. 3-2, где в качестве
примера указаны длины свободного пути молекул воздуха
при различных давлениях и температуре 20° С.
По формуле (3-3)
Я20=6,08. =6,21 10-е см.
32
Таблица 3-2
Давление воздуха, мм рт. ст. Средняя длина свободного пути молекулы воздуха при 20‘ С
760 = 7,6.102 6,21.10-6 см 0,06 мк
1 - 1-100 4,72-10~3 см 47 мк
0,1 = МО-’ 4,72.10-2 см 472 мк ^=0.5 мм
0;01 = 1 -ЙО-2 4,72.10-1 см 4,7 мм
0,001 = 1.10-3 4,72 см 47 мм
0,0001 = 1-10-4 4,72-101 см 472 мм 0,5 м
0,00001 = ЫО-5 4,72-102 см 4,7 м
0,000001 = 1 10-6 4,72-103 см 47 м
0,0000001 = 1-10'7 4,72-104 см 472 М =Ь: 0,5 км
0,00000001 = 1.10-8 4,72 • 105 см 4,7 км
0,000000001 1 -10-» 4,72-106 см 47 км
На основании формулы (3-1) и по данным табл. 3-2 для
воздуха при 20° С можно определить произведение длины
свободного пути молекулы и давления:
= 4,72 • 10 3 5 • 10 3 см • мм рт. ст.
Пользуясь этим соотношением, можно легко подсчитать
значение Z для воздуха при любом давлении, выраженном
в мм рт. ст.-.
(3-4)
Если давление выражено в микронах' ртутного столба, то
(3-5)
3-2. ЗНАЧЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ СРЕДНЕЙ ДЛИНОЙ
СВОБОДНОГО ПУТИ И ЛИНЕЙНЫМИ РАЗМЕРАМИ СОСУДА,
СОДЕРЖАЩЕГО ГАЗ
Так как при неизменной температуре средняя длина
свободного пути обратно пропорциональна давлению газа,
то, очевидно, по мере удаления газа 'из сосуда и, следова-
тельно, по мере увеличения средней длины свободного пути
может наступить такой момент, когда взаимные столкнове-
ния между молекулами газа практически прекращаются и
молекулы без столкновений по прямой линии перелетают
с одного участка стенки сосуда на другой.
3 Б. И. Королев. 33
Как показали исследования свойств газа при различных
давлениях, многие весьма важные свойства газа и явления,
происходящие в газовой среде, сильно различаются в зави-
симости от того, преобладают ли удары молекул о стенки
или взаимные столкновения между молекулами. На основа-
нии этого можно заранее предсказать поведение газа. Но
каждый раз подсчитывать и сравнивать между собой коли-
чество ударов молекул о стенку и количество взаимных
столкновений было бы затруднительно. Несложные вычис-
ления показывают, что вместо этого достаточно провести
сравнение между средней длиной свободного пути и тем ха-
рактерным линейным размером d (внутри сосуда, содержа-
щего газ), который играет главную роль в рассматривае-
мом случае.
Итак, многие свойства газа и явления, происходящие в
газовой среде, изменяются в зависимости от соотношения
между средней длиной свободного пути п размером сосуда,
содержащего газ.
3-3. высокий вакуум
Наиболее важные для вакуумной техники явления и
свойства газа, резко меняющие свой характер в зависимо-
сти от соотношения между X и d, мы рассмотрим в после-
дующих параграфах. Сейчас же отметим, что в вакуумной
технике состояние газа, характеризующееся тем, что X > d,
принято называть «высоким вакуумом».
Из этого определения следует, что высокий вакуум есть
понятие относительное, зависящее от соотношения между
X и d. Например, если воздух проникает в пространство,
линейные размеры которого значительно меньше 0,06 мк
(см. табл. 3-2), то в этом пространстве будет высокий ва-
куум и <при атмосферном давлении (примером сказанному
выше может служить состояние газа в порах какого-либо
твердого тела).
В отличие от высокого вакуума состояние газа, при ко-
тором X, <С d, носит название «низкий вакуум».
Промежуточное состояние, когда X d, т. е. когда X не
очень резко отличается от d в ту или другую сторону, мож-
но назвать «средним вакуумом».
Перейдем к рассмотрению ряда важных явлений и
свойств газа в условиях низкого и высокого вакуума.
34
3-4. ПУТЬ МОЛЕКУЛ ГАЗА ПРИ ТЕПЛОВОМ ДВИЖЕНИИ
В УСЛОВИЯХ НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ВАКУУМА
А. Низкий вакуум (l^d)
d — линейные размеры сосуда.
В случае низкого вакуума путь, описываемый любой мо-
лекулой газа (рис. 3-1 и 3-2), представляет собой про-
странственную ломаную линию, обусловленную столкнове-
ниями со встречными молекулами. При взаимных столкно-
Рис. 3-2. Путь молекулы газа в
условиях низкого вакуума (X <^d).
1, 2, 3 и т. д. — места столкновений с
другими молекулами; А — место удара
молекулы о стенку сосуда.
Рис. 3-3. Путь молекулы газа в
условиях высокого вакуума (X^>d).
1 — исходное положение молекулы;
2, 3 и т. д. — места неупругих ударов
молекулы о стенки сосуда (точки взяты
преднамеренно только в плоскости чер-
тежа); столкновений с другими молеку-
лами нет.
вениях молекулы меняют скорости по закону упругого
удара.
Стенки сосуда полностью покрыты слоем адсорбирован-
ных молекул газа, т. е. молекул, которые, ударившись о
стенку сосуда, остаются на ней как бы в сконденсирован-
ном состоянии. Хотя эти молекулы удерживаются на по-
верхности лишь очень недолгое время и непрерывно испа-
ряются, тем не менее они вследствие малой длины свобод-
ного пути, отлетев от стенки, практически немедленно стал-
киваются с другими молекулами газа; благодаря этим стол-
кновениям на месте 'испарившихся молекул газа снова
адсорбируются или те же, или новые молекулы, получив-
3* 35
шие направление на стенку. Таким образом, в условиях
низкого вакуума на стенках сосуда постоянно поддержи-
вается адсорбированный слой газа.
Б. Высокий вакуум (1 d)
В случае высокого вакуума путь каждой молекулы
(рис. 3-3) представляет собой прямую линию между двумя
точками на стенках сосуда, в которые последовательно уда-
ряется молекула. Отдельные молекулы движутся совершен-
но независимо друг от друга, без взаимных столкновений.
Благодаря тому, что при испарении адсорбированной
молекулы движению последней не препятствуют столкно-
вения с другими молекулами, вся стенка или значительная
ее часть освобождается от адсорбированного слоя.
Отметим, что удар молекулы об участки поверхности,
свободные от адсорбированного газа, неупругий: при ударе
молекула на некоторое (хотя бы очень короткое) время за-
держивается на стенке, а затем слетает в случайном на-
правлении (независимо от угла падения).
3-5. СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ И ПОТОК ПАРА В УСЛОВИЯХ
НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Если в сосуд помещен источник пара, например в виде
небольшого кусочка твердого вещества, испаряющегося при
его нагревании, то атомы вещества, покидая его поверх-
ность, рано или поздно в результате теплового движения
достигают холодных стенок сосуда и конденсируются на
них в виде налета.
А. Низкий вакуум (Я < d)
В случае низкого вакуума испаряющиеся атомы, сталки-
ваясь со встречными молекулами газа, частично снова воз-
вращаются на поверхность источника пара. Скорость испа-
рения тем меньше, чем меньше 'К.
Молекулярный (т. е. определенно направленный) поток
пара неосуществим, так как столкновения испарившихся
атомов с молекулами газа полностью уничтожают их опре-
деленную начальную ориентировку (рис. 3-4).
Любой атом пара может сконденсироваться в любом ме-
сте стенки сосуда и на любой стороне экрана; наличие или
отсутствие экрана внутри сосуда практически не сказывает-
ся на характере движения молекул, никакой «молекуляр-
ной тени» на'стенке сосуда за экраном не получается.
36
Б. Высокий вакуум (X > d)
В случае высокого вакуума скорость испарения дости-
гает возможного для данной температуры максимума, так
как возврат испарившихся атомов (из-за отсутствия стол-
кновений с молекулами газа) невозможен.
Молекулярный поток резко выражен: атом пара, ото-
рвавшись в каком-либо направлении ют кусочка нагретого
вещества, не меняет своего направления вплоть до удара
Рис. 3-5. Прямолинейные пути мо-
лекул '(атомов) пара в условиях
высокого вакуума
(1 > d).
1, 2, 3, 4, 5 и 6 — места конденсации
молекул (атомов) пара на стенках со-
суда (взяты только в плоскости чертежа);
пунктир — граница молекулярной тени
от экрана; Р—экран.
Рис. 3-4. Примерный путь одной
из молекул (атомов) пара в
условиях низкого вакуума
(X < d).
1 — исходное положение молекулы (ато-
ма) на поверхности твердого тела;
2 , 3, 4 и т. д. — места столкновений мо-
лекулы (атома) пара с молекулами газа;
А—точка на стенке сосуда, в которой
произошла конденсация молекулы (ато-
ма) пара; 1' — экран.
о стенку сосуда или экран, где он и конденсируется
(рис. 3-5). Экран дает молекулярную тень, т. е. резко очер-
ченный непокрытый участок стенки сосуда, воспроизводя-
щий изображение экрана. Налет от сконденсированного
пара может получиться только на стороне экрана, обращен-
ной к источнику пара.
Аналогично световой тени молекулярная тень имеет тем
большую резкость, чем меньше размеры источника пара.
На принципе молекулярного потока, т. е. испарения веще-
ства в высоком вакууме, основаны способы покрытия по-
верхностей металлическими и неметаллическими пленками
(например, получение пленки поглотителя в баллоне элек-
тровакуумного прибора, алюминирование экранов электрон-
но-лучевых трубок, зеркализацпя отражателей в осветитель-
ных приборах и т. п.).
3-6. ВЗАИМНАЯ ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ В УСЛОВИЯХ
НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Представим себе два различных газа, помещенных в
замкнутый сосуд с непроницаемой перегородкой и имею-
щих одно и то же давление. Если перегородку убрать, то
оба газа независимо от того, будет ли более легкий газ над
или под перегородкой, вследствие теплового движения рано
или поздно' распространятся по всему объему сосуда; газы
проникают друг в друга, образуя смесь с одинаковой моле-
кулярной концентрацией обоих газов во- .всем объеме. Явле-
ние проникновения одного газа в другой называется взаим-
ной диффузией газов.
А. Низкий вакуум (l<^d)
В случае низкого вакуума после удаления перегородки
(рис. 3-6) газы начинают медленно диффундировать друг
в друга. Скорость диффузии мала вследствие взаимных
столкновений молекул обоих газов.
Б. Высокий вакуум (X > d)
В случае высокого вакуума взаимная диффузия
(рис. 3-7) происходит практически мгновенно, тотчас же
после удаления перегородки, разделявшей газы. В предо-
Рис. 3-7. Прямолинейные, незави-
симые (без столкновений) пути
отдельных молекул Н2 и N2 в ус-
ловиях высокого вакуума (X > d).
аб — путь молекулы Н2; вг — путь мо-
лекулы N2; пунктир — место, где была
перегородка.
Рис. 3-6. Примерный путь моле-
кулы Н2, диффундирующей в N2
после снятия перегородки в усло-
виях низкого вакуума (Х<^Д).
1 — исходное положение молекулы Н2;
2 , 3, 4 и т. д. — места ее столкновений
с другими молекулами; пунктир —место,
где была перегородка. Такого же харак-
тера путь, только в обратном направ-
лении, проходит молекула N2, диффун-
дирующая в Н2.
38
ставленном для обоих газов общем объеме сосуда газы ве-
дут себя совершенно независимо один от другого. Как мы
увидим ниже, на принципе диффузии газа, поступающего
из откачиваемого объекта в пар рабочей жидкости диффу-
зионного насоса, осуществляется быстрая откачка электро-
вакуумных приборов до весьма высокого вакуума.
3-7. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ В УСЛОВИЯХ
НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Представим себе в газовой среде две параллельные пла-
стины, имеющие различные температуры 7\ и Т2, причем
Ti>T2 (рис. 3-8). Расстояние между пластинами обозна-
чим через d. Тепло- от нагретой пластины передается к хо-
лодной следующим образом. Молекулы газа, ударившись
при своем тепловом движении о на-
гретую пластину, отлетают от нее с
большей кинетической энергией, чем
до удара. Двигаясь в обратном на-
правлении, эти молекулы передают
избыток кинетической энергии хо-
лодной пластине путем столкновения
с другими молекулами или непосред-
ственно в зависимости от соотноше-
ния между X и d. Очевидно, что чем
выше давление газа, тем больше пе-
реносчиков тепла (молекул) напра-
вится от нагретой пластины в сторо-
ну холодной; обратно, понижение
давления повлечет за собой умень-
шение количества переносчиков теп-
ла. Однако в зависимости от того,
находится ли газ в состоянии низко-
го или высокого вакуума, наблюда-
ются резкие различия в отношении
влияния давления на теплопровод-
ность газа.
Рис. 3-8. Передача тепла
через газ.
Пространственная ломаная
линия 1—путь молекулы газа
в условиях низкого вакуума
(Г < d); прямая 2 — путь мо-
лекулы газа в условиях высо-
кого вакуума (X > d).
А. Низкий вакуум (2. < d)
В случае низкого вакуума, несмотря на то, что коли-
чество переносчиков тепла изменяется пропорционально
давлению, Теплопроводность газа от давления не зависит.
Причиной этого являются взаимные столкновения моле-
кул в пространстве между пластинами. ЧеМ выше давление,
39
тем, с одной стороны, больше переносчиков тепла, но, с
другой — тем больше тепла, переносимого каждой отдель-
ной молекулой, теряется вследствие более частых столкно-
вений со встречными молекулами. Наоборот, с понижением
давления количество переносчиков тепла уменьшается, но
одновременно уменьшаются и потери тепла при столкнове-
ниях, так как последние становятся реже.
Кинетическая теория для теплопроводности газа между
параллельными пластинами в условиях низкого вакуума
дает следующее выражение:
Q = k- Ty~~~-T.2-.F [кал/сек], (3-6)
где F — поверхность пластины, см2;
величина k называется коэффициентом теплопро-
водности и равна:
k = 0,499ср2уа су кал/сек • см • г рад;
су — теплоемкость единицы массы газа при постоянном
объеме, [кал/град -г];
е — поправочный множитель, который для одноатомных
газов равен 2,5, для двухатомных 1,9, для трехатомных 1,75.
Остальные обозначения известны.
Так как при постоянной температуре р прямо, а X об-
ратно пропорциональны давлению, то теплопроводность га-
за от давления зависеть не должна, что находится в согла-
сии с вышеприведенными рассуждениями, а также подтвер-
ждается экспериментально для газов в состоянии низкого
вакуума.
Попутно отметим, что теплопроводность газа, будучи
прямо пропорциональной скорости теплового- движения мо-
лекул газа, обратно пропорциональна / Л1, т. е. квадрат-
ному корню из молекулярного веса газа. Из этих соображе-
ний, например, газонаполненные лампы накаливания для
уменьшения тепловых потерь накаленной спирали стремят-
ся наполнять, по возможности, более тяжелыми (по моле-
кулярному весу) инертными газами.
Б. Высокий вакуум (I > d)
В случае высокого вакуума ввиду отсутствия взаимных
столкновений молекул и связанных с ними потерь тепла
теплопроводность газа, очевидно, должна находиться в пря-
мой зависимости от количества переносчиков тепла, т. е. от
давления газа,
40
Действительно, опыт показывает, что в условиях высо-
кого вакуума теплопроводность газа прямо пропорциональ-
на давлению.
Кинетическая теория для теплопроводности газа между
параллельными пластинами в условиях высокого вакуума
дает следующее выражение:
Q = 'j.p у (Тг Т2) Г [кал! сек],
(3-7)
где Т — средняя температура газа;
F — поверхность пластины;
а ----- так называемый коэффициент аккомодации, выра-
жающий собой поправку, необходимость которой
вызвана следующим обстоятельством.
Если бы при ударах о пластины молекулы газа отле-
тали от них со скоростями, вполне соответствующими тем-
пературам (пластин, то поправка не требо-
валась бы; но, как показал опыт, молекулы
газа, ударяясь о нагретую или холодную
поверхность, как бы не успевают пппобре-
сти скорости, соответствующие температу-
рам пластин, и отлетают с их поверхности
со скоростями, не соответствующими их
температурам. В связи с этим, очевидно, ве-
личина а является правильной дробью. Ко-
эффициент аккомодации зависит от рода
газа, от материала и состояния поверхности
тех твердых тел, с которыми соприкасается
газ, и может колебаться в широких преде-
лах (0,2-?-0,95).
На (малой теплопроводности газа при
высоком вакууме основано пользование со-
судами (Дьюара) с двойными стенками
(рис. 3-9), в пространстве между которыми
создан высокий вакуум; благодаря очень
Рис. 3-9. Сосуд
для хранения
сжиженных
газов.
1 — носик [место
отпайки сосуда
после его откачки
до высокого ва-
куума (X > d)].
малой теплопроводности газа в пространст-
ве между стенками сосуда сжиженные газы, наливаемые
в такие сосуды, могут сохраняться длительное время.
В. Средний вакуум (l^d)
В условиях среднего вакуума, когда средняя длина сво-
бодного пути молекул газа не слишком сильно отличается
от расстояния между пластинами, теплопроводность газа
в некоторой степени зависит от давления. Очевидно, чем
41
состояние газа ближе к низкому вакууму, тем эта зависи-
мость слабее; обратно, с приближением состояния газа
Рис. 3-10.
1 — нагретая про-
волока (радиус rt,
длина I, темпера-
тура Г,); 2—хо-
лодная колба (ра-
диус г2, темпера-
тура Г2).
к высокому вакууму зависимость теплопроводности газа от
давления усиливается, приближаясь к пря-
мой пропорциональности.
Рассмотренные нами параллельные пла-
стины являются удобным примером, при
помощи которого наглядно выявляется раз-
личное поведение газа в отношении тепло-
проводности в зависимости от степени ва-
куума.
Однако в вакуумной темнике значитель-
но чаще приходится иметь дело не с нагре-
той и холодной пластинами, а с нагретой
тонкой металлической проволокой, натяну-
той по оси внутри относительно холодной
цилиндрической колбы (или с расположением, близким к ци-
линдрическому) .
В случае соосно расположенных цилиндрических поверх-
ностей (рис. 3-10) теплопроводность газа в условиях низ-
кого вакуума выражается формулой
т __т
Q — 2itlk ^~~1Г - [кал}сек].
(3-8)
Если откачку колбы продолжать, то, как показывает
опыт, при цилиндрическом расположении для прямой про-
порциональности между давлением и теплопроводностью
газа оказывается достаточным, чтобы длина свободного
пути была больше не расстояния между нитью и колбой
(г2 — И), а лишь радиуса нити п; иначе говоря, зависи-
мость теплопроводности газа от давления наступает значи-
тельно ранее, чем при плоском расположении (нагретой и
холодной пластин), причем теплопроводность газа можно
вычислить по формуле (3-7), подставив в нее (по-
верхность проволоки), после чего формула (3-7) принимает
вид:
Q = ар У(Г, - Т2) /',/ [кал^ек]. (3-9)
Зависимость теплопроводности газов от давления ис-
пользована при разработке так называемых тепловых мано-
метров для 'измерения низких давлений. Эти манометры
описаны в § 6-5.
42
3-8. ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ ИЛИ ВЯЗКОСТЬ ГАЗОВ
В УСЛОВИЯХ НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Представим себе в газовой среде две пластины, из ко-
торых одна неподвижна, а другая движется параллельно
первой со скоростью v0 (рис. 3-11). Расстояние между пла-
стинами обозначим через d. От движущейся пластины ко-
личество движения будет передаваться к неподвижной пла-
стине через газ следующим
образом. Молекулы газа,
ударившись при своем теп-
ловом движении о движу-
щуюся пластину, отлетают
от нее с добавочной скоро-
стью, направленной в сторо-
ну движения пластины.
Отлетая таким образом,
молекулы передают направ-
ленную добавочную скорость
v=o
Рис. 3-11. Передача количества
движения от подвижной пласти-
ны к неподвижной путем вну-
треннего трения газа (X d).
неподвижной пластине или
через столкновения с други-
ми молекулами, или непо-
средственно, в зависимости от соотношения между X и d. При
этом очевидно, что чем (выше давление газа, тем больше пере-
носчиков количества движения (молекул) направится после
удара о движущуюся пластину в сторону неподвижной пла-
стины; наоборот, понижение давления влечет за собой
уменьшение числа переносчиков количества движения. Од-
нако в зависимости от того, находится ли газ в состоянии
низкого или высокого вакуума, влияние давления на меха-
низм передачи количества движения от движущейся пла-
стины к неподвижной претерпевает резкие изменения.
А. Низкий вакуум (1 < d)
В случае низкого вакуума механизм передачи количе-
ства движения через газ упрощенно, но принципиально вер-
но, можно представить себе следующим образом. Мы знаем
(§ 3-4), что в условиях низкого вакуума на поверхности
твердого тела, соприкасающегося с газом, имеется адсорби-
рованный слой молекул газа. Следовательно, мы можем
считать, что два крайних слоя газа связаны с поверхностя-
ми пластин, обращенными в пространство между ними.
Остальные слои газа мы можем представлять себе, очевид-
но, расположенными на расстоянии друг от друга, равном
средней длине свободного пути, так как именно на этом
13
расстоянии молекула, выйдя из пределов одного слоя, стол-
кнется с молекулами предыдущего или последующего слоя.
Вследствие взаимных столкновений между молекулами
соседних слоев газа количество движения будет передавать-
ся от движущейся пластины ближайшему слою газа, кото-
рый также придет в движение; через него движение пере-
дается следующему слою газа и т. д.
После достаточно длительного времени все слои газа
придут в движение с определенными скоростями, причем
значения Скоростей будут равномерно убывать от слоя
к слою, так как каждый последующий слой газа, отнимая
некоторую часть количества движения от предыдущего, тор-
мозит движение последнего.
Явление передачи количества движения и его обмена
между слоями какой-либо среды носит название вязкости
или внутреннего трения этой среды.
Поскольку механизмы передачи через газ количества
движения от движущейся пластины к неподвижной и пере-
дачи тепла от нагретой пластины к холодной весьма сход-
ны, внутреннее трение газа должно зависеть в основном
от тех же величин, что и теплопроводность.
Кинетическая теория дает следующее выражение для
коэффициента внутреннего трения:
-q = 0,499 (3-10)
Аналогично’ теплопроводности коэффициент внутреннего
трения при низком вакууме не зависит от давления, так как
при любом давлении, пока А, << d, произведение р2 остается
постоянным.
Физическое истолкование ' независимости коэффициента
внутреннего трения от давления при А < d основано на яв-
лении взаимных столкновений молекул газа в пространстве
между пластинами. Чем выше давление, тем, с одной сто-
роны, больше становится переносчиков количества движе-
ния, но, с другой — тем больше количества движения те-
ряется при столкновениях молекул соседних слоев, число
которых возрастает. Обратно, с понижением давления чи-
сло переносчиков количества движения уменьшается, но
одновременно уменьшаются и потери при столкновениях,
поскольку число слоев становится меньше.
Б. Высокий вакуум (Л > d)
Если А > d, то, очевидно, внутреннего трения в виде пе-
редачи количества движения от одного слоя газа к другому
44
существовать не может, так как нет отдельных слоев газа
и столкновений между молекулами. Точно так же в усло-
виях высокого вакуума, как мы знаем, нет прочно связан-
ного с поверхностью твердого тела (пластины) слоя газа.
Таким образом, передача количества движения от движу-
щейся пластины к неподвижной происходит непосредствен-
но отдельными молекулами, отлетающими с добавочной
скоростью от движущейся пластины; наоборот, молекулы
газа, отлетающие от неподвижной пластины, непосредствен-
но попадая на движущуюся пластину, оказывают на нее
тормозящее действие.
Такую передачу количества движения от движущейся
пластины к неподвижной посредством отдельных, независи-
мо (без взаимных столкновений) перелетающих между
пластинами молекул иногда называют «молекулярной» вяз-
костью. Очевидно, ввиду отсутствия потерь на взаимные
столкновения молекулярная вязкость должна быть прямо
пропорциональной числу переносчиков количества движе-
ния и, следовательно, давлению газа. На этой зависимости
построен так называемый вязкостный манометр для изме-
рения низких давлений, правда, не получивший большого
распространения (действие манометра основано на зависи-
мости скорости затухания колебаний закрепленной с одного
конца кварцевой нити от давления газа). Поскольку, как
уже указывалось, при высоком вакууме удары молекул га-
за происходят только непосредственно о материал пластин,
молекулярную вязкость газа следует отождествлять не с
внутренним, а с внешним трением.
В. Средний вакуум (l^d)
В условиях среднего вакуума, когда средняя длина сво-
бодного пути молекул газа не слишком сильно отличается
от расстояния между пластинами, передача количества дви-
жения происходит как непосредственно отдельными моле-
кулами, так и через взаимные столкновения, т. е. одновре-
менно имеет место и внешнее и внутреннее трение; таким
образом, передача количества движения должна в изве-
стной мере зависеть от давления, но тем меньше, чем со-
стояние газа ближе к низкому вакууму, и, обратно, тем
больше, чем состояние газа ближе к высокому вакууму.
Рассмотренные нами различия в поведении газа с точ-
ки зрения проявления его внутреннего трения или вязкости
играют важную роль в процессе течения газа по трубопро-
воду, соединяющему откачиваемый объем с насосом. Одна-
45
ко этот процесс связан также с рядом других свойств газа,
и влияние степени вакуума на течение газа по трубке целе-
сообразно рассмотреть в главе, посвященной расчету ва-
куумных систем.
ЗАДАЧИ
1. Расстояние между нагретой и холодной поверхностями 10 мм,
давление газа 750 мм рт. ст. Как изменится коэффициент теплопро-
водности газа, если давление снизится до 375 мм рт. ст.? Газ —
воздух.
Отв. Не изменится.
2. Расстояние между нагретой и холодной поверхностями 10 мм,
давление газа 1 10~3 мм рт. ст. Как изменится коэффициент теплопро-
водности газа, если давление возрастет до 3-10~3 мм рт. ст. Газ —
воздух.
Отв. Увеличится в 3 раза.
3. Расстояние между подвижной и неподвижной пластинами
10 мм. Сколько (приблизительно) слоев азота уложится между пла-
стинами, если давление равно 0,1 мм рт. ст., температура 0°С?
Отв. 22 слоя.
4. До какого давления необходимо довести воздух в баллоне для
алюминирования его поверхности, если кусок алюминия располагается
на расстоянии 50 мм от наиболее удаленной точки поверхности бал-
лона?
Отв. 1 10~3 мм рт. ст.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ
4-1. ПОНЯТИЕ О ПРОЦЕССЕ ОТКАЧКИ
ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ
На рис. 4-1 изображены откачиваемый объект 1, насос 2
и трубка 3, соединяющая объект с входным отверстием на-
соса. Будем полагать, что вакуумная система не натекает и
внутри нее нет газовыделения.
До начала работы насоса давление во всей системе
(объект, трубка, насос) одинаково, и газ в целом остается
неподвижным. При включении насоса начинается переме-
щение газа из объекта по трубке в насос. Это перемещение
обусловлено тем, что работающий насос обладает способ-
ностью непрерывно выбрасывать находящийся в нем газ,
на место которого вследствие теплового движения непре-
рывно поступают новые порции газа из вакуумной системы.
Таким образом, в процессе откачки количество газа в
вакуумной системе непрерывно уменьшается, а так как
объем системы и температура газа остаются неизменными,
4G
то уменьшение количества газа сопровождается пониже-
нием его давления в вакуумной системе.
Понижение давления газа при откачке происходит во
всей вакуумной системе, но, как показывает опыт, у конца
трубки, обращенного к насосу, давление
падает быстрее, чем у конца трубки, об-
ращенного к откачиваемому объекту.
Следовательно, при откачке 'вакуумной
системы на концах трубки создается (раз-
ность давлений pi —р2, где р\ —давление
в объекте, р2 — давление у входа в на-
сос, причем pi>p2.
Разность р\ — р2 можно назвать дви-
жущей разностью давлений.
4-2. БЫСТРОТА ОТКАЧКИ ОБЪЕКТА
И БЫСТРОТА ДЕЙСТВИЯ НАСОСА
В связи с различием в быстроте сни-
жения давления в откачиваемом объекте
и у входа в насос следует различать поня-
тия о быстроте откачки объекта й быстро-
те откачивающего' действия насоса.
Быстротой откачки объекта называет-
ся объем газа, поступающий в единицу
времени из объекта в трубопровод при
давлении рх в откачиваемом объекте.
Так как быстрота откачки объекта
с изменением давления, вообще говоря,
изменяется, то ее значение приходится
относить к определенному (моменту време-
. ни; в следующий момент в связи с изме-
нением давления в объекте быстрота его
откачки может принять другое значение.
Поэтому для определения быстроты от-
качки объекта (надо брать бесконечно
малый промежуток времени dt, в течение
которого из откачиваемого объекта в тру-
бопровод входит бесконечно (малый объем
газа dV0 (рис. 4-1).
Следовательно, если быстроту откачки
чить через So, то по определению
е
dt
Рис. 4-1. Простей-
шая вакуумная си-
стема.
1 — откачиваемый
объект; 2—насос;
3 — трубка (трубопро-
вод); 4—впускной па-
трубок насоса; 5— вы-
пускной патрубок на-
соса; pt — давление в
откачиваемом объек-
те; рг — давление у
входа в насос; dV0—
объем газа, вошедший
из объекта в трубку
за промежуток вре-
мени dt и приведенный
к давлению р{; dVK —
объем газа, вышедший
из трубки в насос за
тот же промежуток
времени и приведен-
ный к давлению р2.
Стрелки указывают
направление течения
газа.
объекта обозна-
(4-1)
при данном давлении в объекте (pi).
47
Быстротой откачивающего действия или, короче, быстро-
той действия вакуумного насоса называется объем газа, по-
ступающий в единицу времени из трубопровода в насос при
давлении у входа в насос.
Так как быстрота действия насоса с изменением давле-
ния, вообще говоря, изменяется, то для выражения быстро-
ты действия насоса также надо брать бесконечно малый
промежуток времени dt, в течение которого из трубопрово-
да в насос входит бесконечно малый объем dVH (рис. 4-1).
Следовательно, обозначив быстроту действия насоса че-
рез SH, можем по определению написать:
бЛЛ
S =—
« dt
(4-2)
при данном давлении у входа в насос (р2).
По аналогии с величинами So и SK можно говорить,
что быстрота действия вакуумной системы в любом данном
с dV
сечении трубопровода равна 8 = -^- при давлении р в этом
сечении, причем dV является объемом газа, проходящим через
сечение трубопровода за промежуток времени dt.
Величины So, Sh и S можно выражать в см3]сек, л]сек,
м3]ч и т. п.
4-3. ПОТОК ГАЗА
Количество газа, проходящее в единицу времени через
поперечное сечение трубопровода, принято называть пото-
ком газа (в данном сечении).
Для вакуумтехнических расчетов удобно выражать поток
«I/ т-т
газа в единицах Поэтому, если давление в данном
месте трубопровода равно р, а быстрота действия вакуум-
ной системы в том же месте равна 5, то произведение pS
выразит собой поток газа в рассматриваемом месте трубо-
провода.
Величину „поток газа" можно обозначить одной буквой,
например Q, т. е.
pS = Q. (4-3)
Поток газа в данном месте трубопровода иногда назы-
вают производительностью вакуумной системы, относящейся
к этому месту трубопровода.
48
Например, если р\ есть давление в откачиваемом объ-
екте, a So — быстрота откачки объекта, то произведение
P\Sq является потоком газа у входа в трубопровод или про-
изводительностью вакуумной системы в том же месте.
Точно так же, если р2 есть давление у входа в насос,
aSH—быстрота действия насоса, то произведение p2SH вы-
ражает собой поток газа или производительность вакуумной
системы у входа в насос.
4-4. СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
ТРУБОПРОВОДА
Как показали специальные исследования процессов те-
чения газа по трубкам, падение давления вдоль трубки,
т. е. движущая разность давлений р\ — р2, возникает из-за
того, что трубка оказывает сопротивление потоку газа. Это
сопротивление можно уподобить сопротивлению проводника
электрическому току и аналогично закону Ома написать
соотношение •
= (4-4)
где W—сопротивление трубки потоку газа;
(7 = -^-— пропускная способность трубки — величина, ана-
логичная проводимости электрического провод-
ника; при расчетах, связанных с откачкой вакуум-
ных систем, удобнее пользоваться именно вели-
чиной U.
Представив одно из равенств (4-4) в виде:
мы убеждаемся в том, что пропускную способность трубки
можно' рассматривать как поток газа через трубку при дви-
жущей разности давлений по ее концам, равной единице.
Следовательно, размерностью величины U является объем
газа в единицу времени.
Однако аналогия закону Ома справедлива лишь при
условии, что подобно электрическому току в проводнике по-
ток газа Q имеет постоянное значение для любого сечения
трубки, включая и ее концы, т. е. если
Mo = и (р, — р2) = p2SH = Q. (4-6)
•1 Б. И. Королев.
40
В вакуумной системе поток газа, имеющий постоянное зна-
чение на протяжении всей трубки, устанавливается, напри-
мер, при условии, что в откачиваемый объект натекает
извне такое же количество газа, какое за то же время вы-
брасывается насосом из вакуумной системы; в этом случае
поток газа сохраняет постоянство не только по длине труб-
ки, но и во времени: несмотря на непрерывную работу на-
соса, все величины, входящие в равенства (4-6), сохраняют
постоянное значение. Такой поток газа называется стацио-
нарным (установившимся во времени).
। Практически такой поток осуществляется лишь в част-
ных случаях; вообще же откачка сопровождается, как мы
уже говорили, падением как давления р[ в откачиваемом
объекте, так и давления р2 У входа в насос; в связи с этим
уменьшается и движущая разность давлений р\ — р2 и
среднее давление в трубке —1 одновременно с умень-
шением давлений может уменьшиться и пропускная способ-
ность трубки.
Таким образом, поток газа по трубопроводу вакуумной
системы обычно является нестационарным. Тем не менее
и в случае нестационарного потока можно допустить, что
при непрерывно изменяющихся р2 и пропускной способ-
ности все же в каждый данный момент поток газа удовле-
творяет условию (4-6). Такой нестационарный поток газа
принято называть квазистационарным, т. е. сходным со
стационарным; сходство заключается в том, что поток газа,
не будучи постоянным во времени, все -же в любой момент
остается одинаковым для любого сечения трубки.
В вакуумных системах, как правило, осуществляется
квазистационарный поток газа по трубопроводу; стационар-
ный поток газа устанавливается в вакуумной системе в кон-
це процесса откачки, когда давление в системе, несмотря
на работу насоса, продолжает сохраняться постоянным.
Из условий (4-6) следует, что если известен поток газа
Q, то мы всегда можем определить быстроту откачиваю-
щего действия в любом сечении трубки; например, быстрота
откачки объекта (начало трубки) равна:
(4-7)
быстрота действия насоса (конец трубки) равна:
(4.8)
50
И вообще быстрота действия в любом сечении неразвет-
вленного трубопровода (между откачиваемым объектом и
насосом) равна:
$ = -у. (4-9)
Далее из тех же условий (4-6) следует, что при наличии
сопротивления трубки, т. е. при быстрота откачки
объекта So всегда меньше быстроты действия насоса SH ;
равенство S0 = SK может осуществляться, когда =
т. е. когда откачиваемый объект присоединен к насосу
непосредственно, без трубопровода и, следовательно, дав-
ление в объекте совпадает с впускным давлением насоса.
4-5. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Уравнения (4-6) можно объединить в одно уравнение,
связывающее быстроту откачки объекта So с быстротой
действия насоса SH и пропускной способностью трубопро-
вода U. Это уравнение можно вывести следующим образом.
Представим уравнения (4-6) в виде:
S0 = U-p}~p2 ,
0 Pi
S —U-p^~~p2 .
« р2
Далее
1 __ 1 1 __ 1 Р2
So и ' Р1 — р2 ’ SH и ’ р^—рг
Вычитая из первого уравнения второе, получим:
1 1 1
So SK ~~ U ’
откуда
или
S1/
' (441)
Поскольку уравнением вида (4-10) [или (4-11)] связы-
ваются основные параметры вакуумной системы: быстрота
4* 51
откачки объекта, быстрота действия насоса и пропускная
способность трубопровода, это уравнение называется основ-
ным уравнением вакуумной техники.
Оно позволяет правильно ориентироваться при конструи-
ровании и расчете вакуумных систем, о чем речь будет идти
в гл. 9.
ГЛАВА ПЯТАЯ ’
ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМА
75-1. ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМА
Выше (во введении) было отмечено, что вакуумная тех-
ника свое основное развитие получила на базе совершен-
ствования производства электровакуумных приборов. В свя-
зи с этим, приступая к изучению техники получения вакуу-
ма, мы должны в первую очередь выяснить ее значение для
электровакуумных приборов всех видов.
Мы знаем, что во многих электровакуумных приборах
используются нагретые до высокой температуры детали;
так, в лампах накаливания спираль, накаленная до высо-
кой температуры, используется в качестве источника света;
в электронных лампах, электронно-лучевых трубках, во
многих типах газоразрядных приборов используется элек-
тронная эмиссия накаленных катодов. Сказанного уже
достаточно, чтобы стала ясной необходимость удаления
атмосферного воздуха из указанных приборов, иначе спи-
раль или катод сгорят в кислороде воздуха.
Однако если прибор откачан недостаточно хорошо, если
при откачке не удалены из его деталей заключенные в них
газы, то в приборе будет происходить целый ряд явлений,
из которых каждое может быть причиной плохого качества
или даже гибели прибора. Например, при плохой откачке
лампы накаливания (вакуумной или газонаполненной —
безразлично) химическое взаимодействие между остаточны-
ми газами (водяным паром, кислородом и другими газооб-
разными веществами), с одной стороны, и накаленной
вольфрамовой спиралью — с другой, приводит к быстрой
потере прозрачности колбы, и лампа становится негодной
как источник света. Наличие химически активных остаточ-
ных газов и паров в приборах с накаленным катодом при-
водит к так называемому отравлению катода, в результате
которого последний теряет свои эмиссионные свойства, и
прибор становится непригодным для работы.
52
Но недостаточно и одного освобождения электровакуум-
ного прибора от химически активных газов или паров. Не-
зависимо от химического состава остаточных газов послед-
ние могут привести в негодность электровакуумный прибор
по другим причинам. Например, в вакуумной лампе нака-
ливания при достаточном напряжении на концах спирали
и при давлении порядка 10~3 мм рт. ст. и выше происходит
электрический пробой через остаточные газы, в результате
которого концы спирали и токоподводящйх электродов мо-
гут сильно разогреться и даже расплавиться и лампа выбы-
вает из строя. Аналогичный пробой и примерно при тех же
давлениях происходит и в электронных лампах, если к по-
ложительно заряженному электроду подвести достаточно
высокое напряжение по отношению к катоду. Причина про-
боя заключается в том, что вследствие ионизации остаточ-
ных газов электронами, эмитируемыми накаленной спи-
ралью или катодом, газы становятся проводником электри-
ческого тока.
Если даже давление в вакуумном приборе и недоста-
точно для пробоя, выводящего прибор из строя немедленно,
то тем не менее образующиеся при ионизации остаточных
газов положительные ионы, обладая скоростями, значи-
тельно превосходящими скорости теплового движения, и
устремляясь к катоду или к концу спирали, находящемуся
под отрицательным потенциалом, производят, хотя и отно-
сительно медленное, но все же разрушительное действие
вследствие ионной бомбардировки этих деталей.
При недостаточно хорошем вакууме становятся неустой-
чивыми важнейшие электрические параметры электронного
прибора, а наличие малейших посторонних газообразных
примесей к основному газу-наполнителю в газоразрядных
приборах может' сильно изменить установленный потенциал
зажигания.
Обращаясь к электровакуумным приборам с холодными
катодами, нетрудно убедиться в том, что и эти приборы
нуждаются в тщательной откачке. Действительно, если
прибор рассчитан на работу только электронов, то в нем
не должны присутствовать положительные ионы в количе-
стве, способном заметно исказить работу прибора, а это
значит, что в приборе должен быть достигнут высокий ва-
куум. Работа газоразрядных приборов с холодными
катодами будет нормальной, если в приборе будут присут-
ствовать только определенные газы (без посторонних при-
месей) и при определенном давлении, наконец, для нор-
53
мальной работы приборов с холодными катодами весьма
большое значение имеет состояние поверхности катодов, не-
обходимая обработка которых может быть проведена лишь
в вакууме.
Опыт показывает, что в готовой вакуумной лампе нака-
ливания давление должно быть не выше 10“4-н 10“5 мм
рт.ст., в готовой электронной лампе — не выше 10-6 мм
рт. ст., электронно-лучевые трубки требуют еще более вы-
сокого вакуума. Примерно тех же порядков (не выше)
должны быть парциальные давления посторонних примесей
в газовой среде, которая вводится в различные газоразряд-
ные приборы.
Сказанного достаточно, чтобы уяснить значение техники
получения вакуума в производстве электровакуумных при-
боров и, следовательно, в производстве всей той многочис-
ленной и разнообразной по применению аппаратуры, в ко-
торой используются электровакуумные приборы.
Однако если современная техника получения высокого
вакуума зародилась и получила свое основное развитие на
базе производства электровакуумных приборов, то в на-
стоящее время с получением вакуума связаны весьма мно-
гие другие области науки и техники. Достаточно упомянуть
вакуумную плавку металлов, спекание порошков ряда ме-
таллов в вакууме, нанесение тонких пленок на твердых
поверхностях, сушку под вакуумом, вакуумную разгонку
жидких и твёрдых веществ, пропитку различных материа-
лов в вакууме. Укажем, наконец, что исследования строе-
ния атома и атомного ядра, столь успешно завершившиеся
практическим использованием атомной энергии, широко ис-
пользовали успехи техники получения высокого вакуума.
Можно сказать, что дальнейший технический прогресс,
находится в тесной связи с усовершенствованием техники
получения высокого вакуума.
“ 5-2. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Вакуумная техника имеет дело с давлениями в пределах
примерно от 103 до 10~и мм рт. ст. и ниже, что составляет
более 15 порядков давления (по степени десяти). Такой
широкий диапазон не позволяет осуществлять получение
высокого вакуума по какому-либо одному способу.
В настоящее время существуют два основных способа
получения вакуума: а) при помощи вакуумных насосов и
б) при помощи специальных поглотителей газа. Необходи-
54
мо упомянуть и третий, правда вспомогательный, способ —
применение вымораживающих ловушек, снижающих давле-
ние паров, присутствующих в вакуумной системе.
Области давлений, в которых наиболее рационально
применяются вакуумные насосы принятых в настоящее вре-
мя типов, а также поглотители и ловушки, показаны на
диаграмме рис. 5-1.
Приведенные на рис. 5-1 названия типов насосов харак-
теризуют принцип их действия. Помимо этих типов, было
разработано в свое время довольно большое количество
Рис. 5-1. Области давлений, охватываемые насосами, поглотителями и
ловушками.
насосов других типов,, но все они теперь устарели и не
представляют интереса; вращательные же и пароструйные
насосы получили всеобщее распространение.
На диаграмме рис. 5-1 не нашли себе места так называе-
мые «ионные» насосы, так как они только еще начинают
выходить из стен лабораторий и 'их параметры нельзя счи-
тать установившимися. Ионные насосы могут работать в
более ограниченной (со стороны верхнего предела) области
давлений, чем пароструйные насосы, но со стороны нижнего
предела они, вероятно, превзойдут пароструйные. Описание
этих насосов приведено ниже.
Поглотители, как правило, вносят в тот же объем, в ко-
тором требуется получить высокий вакуум или понизить
парциальное давление активных газов и паров; такое ис-
пользование поглотителей весьма рационально, так как кон-
такт между поверхностью поглотителя и связываемым га-
зом не затрудняется сопротивлением откачных трубок. Не
исключена возможность использования и поглотителей, рас-
55
полагаемых вне откачиваемого объема, такой способ ис-
пользования поглотителя применен, например, в одной из
описанных ниже моделей ионного насоса.
Ло(вушки снижают давление паров в электровакуумном
приборе в-процессе его откачки, но с той же целью ловуш-
ки можно применять и к отпаянным приборам. Парциаль-
ное давление паров многих веществ, как мы увидим ниже,
при применении ловушек можно снизить до исчезающе ма-
лых значений, значительно меньших 10-11 мм рт. ст.
Наконец, на диаграмме рис. 5-1 не указан способ полу-
чения сверхвысокого вакуума (выше 10“7 мм рт. ст.) в не-
больших вакуумных системах путем использования способ-
ности ионизационных манометров поглощать газы до дав-
лений порядка по крайней мере 10~н мм рт. ст.’, этот
способ, по-видимому, ограничится применением в лабора-
торных условиях.
5-3. ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
Переходя к изучению вакуумных насосов, прежде всего
ознакомимся с их параметрами, так как знание их является
необходимым условием правильности выбора и эксплуата-
ции вакуумных насосов.
К основным параметрам вакуумных насосов относятся:
1) начальное давление; 2) максимальное (критическое)
выпускное давление; 3) предельное давление; 4) быстрота
действия.
Начальное давление. Начальным называется давление,
с которого насос начинает нормально работать.
По этому параметру насосы различных типов могут
резко отличаться друг от друга. В то время как, напри-
мер, вращательные масляные насосы начинают нормально
работать с атмосферного давления, пароструйные и некото-
рые другие виды насосов нуждаются в предварительном
разрежении всей вакуумной системы, включая и сам насос.
Такое предварительное разрежение осуществляется при по-
мощи другого, дополнительного насоса, который в этом
случае называется насосом предварительного разрежения
или предварительного вакуума. В качестве насосов предва-
рительного вакуума применяются главным образом враща-
тельные масляные насосы, присоединяемые своим впускным
патрубком к выпускному патрубку насоса, нуждающегося
в предварительном разрежении (рис. 5-2).
Максимальное (критическое) выпускное давление. Ма-
ксимальным выпускным давлением насоса называется такое
давление на выпускной его стороне, при превышении ко-
56
торого насос прекращает свою работу. Это давление иначе
можно назвать критическим выпускным или просто крити-
ческим давлением, и в дальнейшем мы будем пользоваться
обоими этими названиями. Максимальное выпускное дав-
ление имеет очень важное практическое значение для ха-
рактеристики главным образом пароструйных насосов.
Нетрудно себе представить связь между максимальным
выпускным давлением пароструйного насоса и его началь-
ным давлением: начальное давление
с которого начинает свою работу паро-
струйный насос, это, по сути дела, и
есть то 'максимальное выпускное давле-
ние, которое насос начинает преодоле-
вать по мере снижения давления в ва-
куумной системе. Поэтому во всех спра-
вочниках по пароструйным насосам
указывается только их максимальное
выпускное давление.
Предельное давление — минималь-
ное, предельно достигаемое данным на-
сосом при достаточно длительной от-
качке давление в вакуумной системе,
не имеющей натекания извне или газо-
выделения с внутренних стенок. Пре-
дельное давление можно называть так-
же предельным вакуумом.
Наличие нижнего предела давле-
ния, достигаемого насосом, объясняется
тем, что невозможно построить насос,
который сам не был бы хотя бы очень
слабым поставщиком газов в вакуумную систему. Причинами
обратного поступления газа из насоса в вакуумную систему
могут быть: выделение газов, растворившихся в рабочих
жидкостях, несовершенная герметичность стенок самого на-
соса или выделение с них газов. В механических насосах
сказывается также влияние так называемого вредного про-
странства, пригонки и возможности непрерывной смазки тру-
щихся деталей и т. д. Таким образом, в процессе работы
насоса по мере снижения давления в вакуумной системе рано
или поздно наступает момент, когда поток газа, поступаю-
щий из откачиваемого объема в насос, становится равным
обратному потоку газа, поступающего из насоса в откачи-
ваемый объем. Этим равновесным состоянием и определяется
предельное давление, достигаемое насосом.
Рис. 5-2. Схема при-
соединения паро-
струйного насоса.
1—откачиваемой объект;
2— трубопровод; 3 паро-
струйный насос; 4—па-
трубок прелгарительного
вакуума; 5 — » езиновые
соединения; 6—насос пред-
варительного вакуума.
57
По поводу предельного давления необходимо отметить
еще следующее. Мы знаем (§ 1-4, табл. 1-2), что рабочие
жидкости насосов являются источниками паров, поступаю-
щих из насоса в вакуумную систему; очевидно, что в связи
с этим равновесное давление в вакуумной системе являет-
ся суммой парциальных давлений не только остаточных
газов, но и паров рабочей жидкости; однако ввиду того, что
рабочие жидкости могут быть различного качества, не свя-
Рис. 5-3. Кривые откачки.
I— работает только вращательный
маслкн лй насос; II — работает паро-
струйный насос; III — продолжение
участка I, если б .1 не б лл включен
пароструйный насос.
качеством самого насоса, пре-
дельный вакуум как параметр
для |всех насосов, кроме масля-
ных пароструйных, оценивается
только по парциальному давле-
нию остаточных газов без уче-
та давления паров рабочих
жидкостей.
Для исключения влияния
этих паров при определении
предельного давления как па-
раметра насоса давление паров
снижают при помощи специаль-
ных ловушек (§ 5-8) или же
давление измеряется компрес-
сионным манометром, не отзы-
вающимся, как мы увидим ни-
же (§ 6-4), на наличие в ва-
куумной системе конденсирую-
щихся паров, в том числе и па-
ров рабочих жидкостей вакум-
ных насосов.
В отношении же пароструйных насосов, в которых в ка-
честве рабочей жидкости применяются специальные масла
с весьма низкими давлениями насыщенных паров и кото-
рые поэтому, как правило, не нуждаются в лойушках, пре-
дельное давление как параметр принято определять с уче-
том давления паров масла.
О параметрах вакуумного насоса удобно судить по так
называемой кривой откачки, графически изображающей
изменение давления в откачиваемом объеме с течением
времени. На рис. 5-3 сплошной линией изображена кривая
откачки при одновременном использовании вращательного
масляного, и пароструйного насосов. Начиная с атмосфер-
ного давления, откачка идет только за счет работы враща-
тельного масляного насоса (участок /); когда давление в
системе становится достаточно низким, плавный ход кривой
нарушается и участок I переходит в участок II, получаю-
щийся за счет работы пароструйного насоса; вращательный
масляный насос должен в это время на выпускной стороне
пароструйного насоса поддерживать давление, не превы-
шающее критическое для данного пароструйного насоса.
Если бы пароструйный насос не включался, то кривая
откачки имела бы плавное продолжение участка / в виде
участка III (изображенного пунктиром). Сравнивая участки
II и III, мы замечаем, что оба они по мере откачки прини-
мают в конце концов направления, параллельные оси вре-
мени, указывающие, что насосы начали работать вхолостую:
давления приняли постоянные значения, не зависящие от
дальнейшей работы насосов.
Участками II и III определяются, очевидно, предельные
давления, достигаемые соответственно вращательными ма-
сляным и пароструйным насосами.
Быстрота действия насоса. В гл. 4 было определено по-
нятие «быстрота откачивающего действия» или просто «бы-
строта действия» вакуумного насоса как объем газа, по-
ступающий в единицу времени из трубопровода в насос при
данном давлении у входа в насос. Также было указано, что
если известны поток газа по трубопроводу Q и давление
у входа в насос р2, то быстроту действия насоса SH можно
определить из соотношения S ==_2..
Р2
Обращаясь к кривым откачки на рис. 5-3, мы можем от-
метить, что если откачиваемый объем присоединен к насосу
непосредственно без промежуточного трубопровода, то по
этим кривым можно судить и о быстроте действия насосов.
Последняя, изменяясь с давлением, характеризуется, оче-
видно, крутизной наклона кривой откачки. Большей крутиз-
не соответствует и большая быстрота действия насоса; на
участках, параллельных оси времени, действительная бы-
строта действия насоса равна нулю (достигнуто предельное
давление).
Экспериментальные методы определения быстроты дей-
ствия вакуумных насосов различных конструкций описаны
ниже.
Нужно заметить, что в справочной литературе по насо-
сам часто указывают только одно значение быстроты дей-
ствия; это значение относится <к такому впускному давлению
насоса (или области давлений), при котором его быстрота
действия является максимальной. Для полной характери-
59
стики работы насоса с точки зрения его быстроты действия
этих данных, конечно, недостаточно, так как при практиче-
ском использовании насосов важно знать, при каких дав-
лениях насос той или иной конструкции имеет также и
малые значения быстроты действия. Наиболее полное пред-
ставление об изменении быстроты действия насоса SH
в зависимости от впускного давления р2 можно получить
из рассмотрения соответствующей этому насосу кривой
=f(p2); примеры таких кривых мы рассмотрим при
ознакомлении с принципами работы и конструкциями ва-
куумных насосов.
Кроме перечисленных выше основных параметров, су-
ществуют дополнительные параметры вакуумных насосов;
потребляемая мощность двигателя или подогревателя, чи-
сло оборотов поршня в минуту (у вращательпых насосов),
кдлйЧеетв^-^йТшваемой рабочей жидкости (если она исполь-
зуется в насосе), расход охлаждающей воды (если насос
требует принудительного охлаждения), размеры насоса,
число ступеней откачки и т. п.
Некоторые из этих дополнительных параметров мы бо-
лее подробно рассмотрим при описании принципов работы
и конструкций вакуумных насосов; кроме того, они указаны
в таблицах параметров вакуумных насосов (см. приложения).
5-4. МЕХАНИЧЕСКИЕ НАСОСЫ
А. Вращательные масляные насосы
Вращательные масляные насосы являются механически-
ми насосами с вращающимся поршнем (ротором) и масля-
ным уплотнением, откуда и происходит их название.
J Пластинчато-роторные насосы. Примером такого насоса
может служить конструкция, изображенная на рис. 5-4
(разрез перпендикулярно оси поршня). Камера 1 насоса по-
гружена в прямоугольный чугунный бак 2, наполненный
маслом. Впускной патрубок 3, проходя через крышку на-
соса и продолжаясь далее, проходит через камеру насоса
в так называемое откачное пространство 4, где происходит
вращение поршня (по стрелке). Вращающийся поршень со-
стоит из барабана 5 и двух пластин 6, расположенных в
прорезях барабана; отсюда и название насоса («пластин-
чато-роторный»). Между пластинами расположены сталь-
ные пружины, прижимающие пластины к цилиндрической
стенке камеры насоса, ограничивающей откачное простран-
ство. Ось вращения поршня совпадает с его геометрической
осью, но смещена кверху по отношению к оси камеры так,
60
чтобы барабан при своем вращении постоянно соприкасался
со стенкой камеры. В связи с таким расположением бара-
бана пластины при работе насоса постоянно скользят вдоль
прорезей, то сближаясь, то отдаляясь друг от друга. В баке
имеются по бокам два отверстия: для установки правиль-
ного уровня масла в баке (верхнее отверстие) и для спуска
масла из бака (нижнее отверстие). Масло при работе на-
Рис. 5-4. Одноступенный пластинчато-роторный насос.
1 — камера; 2—бак; 3 — впускной патрубок; 4—откачное простран-
ство; 5 — барабан; 6—пластина; 7 — клапан (шарик с пружиной);
8 — выпускной патрубок; 9—вредное пространство (между выпуск-
ным патрубком и местом соприкосновения барабана со стенкой ка-
меры).
coca должно находиться на определенном уровне над кла-
паном 7; назначение клапана — пропускать газ, выбрасы-
ваемый из насоса, но не допускать его обратного проник-
новения внутрь насоса; слой масла над клапаном предохра-
няет последний от непосредственного соприкосновения с ат-
мосферным воздухом.
Чтобы уяснить механизм работы насоса, обратимся
к рис. 5-5, на котором схематически изображена камера на-
соса с поршнем и отверстиями: впускным и выпускным
(указаны стрелками). Римскими цифрами указаны четыре
61
Характерных положения поршня, которые он занимает по-
следовательно в течение одного полуоборота. Стрелка ука-
зывает направление вращения поршня. Положение I при-
мем за начальное.
В положении II пластина А, продвинувшись вниз, со-
здала расширение со стороны отверстия; в это расширение
входит газ из вакуумной системы; пластина Б, продвинув-
шись вверх, произвела сжатие газа в сторону выпускного
отверстия. В положении III пластина А произвела еще
дальнейшее всасывание газа, тогда как пластина Б выбро-
сила сжатый газ через клапан выпускного отверстия (кла-
пан не показан). Положение IV совпадает с начальным по-
Рис. 5-5. Схема работы пластинчато-роторного насоса.
1 — камера; 2 —барабан; 3 — впускной патрубок; 4 — выпускной патрубок;
5 — пружина; А и Б — пластины.
ложением I с той лишь разницей, что пластины поменялись
местами. Далее работа насоса продолжается в описанном
выше порядке. Таким образом, каждая пластина выполняет
двойную роль: с одной своей стороны она тянет за собой
газ, поступающий от впускного отверстия, с другой — сжи-
мает поступивший газ для его выбрасывания за пределы
насоса через выпускное отверстие. При непрерывном вра-
щении поршня всасывание и выбрасывание газа произво-
дятся поочередно обеими пластинами, благодаря чему и
происходит откачка вакуумной системы, к которой присо-
единяется насос впускным патрубком.
Отметим попутно наиболее ответственные места в насо-
се, от состояния которых зависит предельный вакуум, соз-
даваемый насосом. Такими местами являются все участки,
в которых происходит трение подвижных деталей насоса;
первоочередным требованием для достижения надлежаще-
го предельного вакуума является обильная смазка этих
мест маслом, непрерывно поддерживаемая в процессе рабо-
ты насоса.
62
Рассмотрим место соприкосновения барабана с внут-
ренней стенкой камеры насоса (рис. 5-4). Со стороны вы-
пускного отверстия газ сжимается пластиной до давления,
которое должно превышать сумму давлений, создаваемых
атмосферой, весом клапана и силой его пружины. Со сто-
роны впускного отверстия должно создаваться и поддержи-
ваться давление порядка малой доли миллиметра ртутного
Рис. 5-6. Двухступенный пластинчато-роторный насос.
1 — бак; 2— впускной патрубок; 3 — барабан первой ступени насоса;
4 - соединительная трубка (между двумя ступенями); 5 — барабан
второй ступени насоса; 6 — выпускной патрубок; 7 — сальники; 8—
шкив; стрелки указывают направление течения газа через насос.
столба. Отсюда ясна важность соблюдения всех требова-
ний, необходимых для того, чтобы через место соприкосно-
вения барабана с камерой насоса в сторону впускного
отверстия не прорвался воздух, сжатый со стороны вы-
пускного отверстия. Из-за наличия в насосе вредного про-
странства (рис. 5-4) полное устранение такого прорыва
невозможно; его можно только свести к минимуму; чем на-
дежнее смазка и меньше вредное пространство, чем обиль-
нее его заполнение маслом, тем более высокий предельный
вакуум может дать насос.
Для уменьшения количества прорывающихся газов в не-
которых насосах в стенке корпуса сделана выточка такого
углубления, чтобы радиус кривизны его был одинаков с ра-
63
диусом кривизны барабана; благодаря этому соприкосно-
вение барабана со стенкой корпуса происходит не по линии,
а по поверхности углубления: трение увеличивается, но
предельный вакуум насоса улучшается.
Эффективным способом уменьшения количества проры-
вающихся газов является сдваивание насосов, т. е. их по-
следовательное соединение в две ступени. С этой целью
применяются или два отдельных насоса, причем выпускной
патрубок одного из них (ближайшего к откачиваемому
Рис. 5-7. Кривые откачки вращательных насосов.
1 — одноступенный вращательн лй насос с относительно боль-
шой б ..стротой действия; 2—двухступенный вращательн яй
насос с той же быстротой действия; 3— одноступенный вра-
щательный насос с относительно меньшей б остротой дей-
ствия; 4 — двухступенный вращательный насос с той же бы-
стротой действия.
объекту) присоединяется к впускному патрубку другого;
лучшие результаты достигаются специальными двухступен-
ными насосами (рис. 5-6), имеющими один впускной патру-
бок и одно выпускное отверстие, но состоящими из двух
камер, последовательное соединение которых выполнено
под уровнем масла в баке, в который и помещаются обе
камеры. Очевидно, последовательное соединение обеспечи-
вает значительное снижение выпускного давления для на-
соса или камеры двухступенного насоса, ближайших к отка-
чиваемому объекту, и количество прорывающихся газов
становится значительно меньшим; при последовательном
соединении двух насосов клапан сохраняется только у на-
соса или камеры двухступенного насоса, работающих на
атмосферное давление.
64
Эффект, достигаемый применением двухступенных вра-
щательных насосов, хорошо показан кривыми рис. 5-7 или
5-8. Например, насосы 1 и 2 имеют одинаковую быстроту
действия лишь до давления в несколько миллиметров ртут-
ного столба, а далее кривые расходятся, так как двухсту-
пенным насосом 2 достигается более низкое предельное дав-
ление. Аналогично ведут себя и насосы 3 и 4, имеющие
меньшую быстроту действия.
Обильная смазка подвижных деталей насоса, необходи-
мая для их вакуумного уплотнения, осуществляется мас-
лом, непрерывно поступающим в насос через клапан, через
быстрота действия,jr/cex
у входа в массе, мм рт.ет
Рис. 5-8. Зависимость быстроты
действия вращательных насосов
от давления у входа в насос и
от конструкции насоса.
Кривые 1, 2, 3 и 4 относятся соответ-
ственно к тем же (.вращательным насо-
сам, что и кривые 1, 2, 3 и 4 на рис. 5-7.
Рис. 5-9. Клапан.
1 — шарик; 2 — пружина; стрелка ука-
зывает направление течения газа, вы-
брасываемого насосом.
сальник и места соединения (болтами) средней (цилиндри-
ческой) части корпуса насоса с боковыми крышками или,
наконец, через специально проточенный узкий канал в стен-
ке камеры (вблизи выпускного отверстия или в других ме-
стах). Большое значение в этом отношении имеет клапан,
поэтому необходимо иметь возможность производить его
регулировку.
На рис. 5-9 дан пример конструкции шарикового клапа-
на в разрезе; устройство и принцип регулировки ясны из
рисунка: выталкиваемый из насоса воздух приподнимает
шарик и обтекает его, после чего шарик снова падает на
свое место. Практика работы с насосами, имеющими кла-
пан описанного типа, показывает, что по стуку шарика
можно качественно судить о давлении в рабочем простран-
стве насоса: чем оно ниже, тем резче удар шарика. Клапан
может быть сконструирован и с несколькими шариками,
5 Б. И. Королев. 65
располагающимися каждый над одним из окошек, на кото-
рые делится выпускное отверстие, причем вместо пружин
можно регулировать подскок шариков общей пластиной,
располагаемой на некоторой высоте над шариками, причем
высоту расположения пластины можно изменять.
Вращательный насос в зависимости от размера и дру-
гих конструктивных особенностей требует для своей работы
двигатель определенной мощности. Последняя рассчитыва-
ется на максимальную мощность, требуемую насосом в наи-
Mtрт.сгъ
Рис. 5-10. Зависимость мощ-
ности, потребляемой насосом,
от давления у входа в насос.
мой мощности при
более неблагоприятных для не-
го условиях работы; как видно
из кривой рис. 5-10, мощность,
потребляемая насосом, зависит
от давления у входа в насос.
При больших давлениях
(начиная с атмосферного) на-
сосу не приходится затрачивать
большой работы на сжатие воз-
духа: последний легко вытес-
няется из насоса через выпуск-
ное отверстие, но по мере паде-
ния давления в процессе откач-
ки работа, необходимая для
достаточного сжатия выбрасы-
ваемого воздуха, быстро воз-
растает, достигает максимума
(при давлении около 200 мм
рт. ст.), после чего снова умень-
шается; уменьшение потребляе-
низких давлениях объясняется уменьше-
нием количества оставшегося таза.
Трение подвижных деталей насоса, а также сжатие, не-
обходимое для выбрасывания газа, приводит к нагреванию
насоса в процессе работы. Из кривой рис. 5-10 следует, что
наибольшее нагревание насоса происходит при давлении в
интервале десятков и сотен миллиметров ртутного столба;
поэтому при продолжительной работе вращательного мас-
ляного насоса при этих повышенных давлениях насос мо-
жет перегреться. Такой перегрев вреден главным образом
тем, что сильно нагретое масло испаряется значительно бы-
стрее и вакуумная система сильно загрязняется не только
парами самого масла, но и парами других веществ, могу-
щих быть в масле; наибольший вред в этом отношении при-
носят водяные пары.
66
Из этих соображений следует, что перегрева масла ни
в коем случае допускать нельзя. Практика показывает, что
Рис. 5-11. Схема
пластинчато-ста-
торного насоса.
/ — камера; 2 — бара-
бан; 3 — впускной па-
трубок; 4 —выпускное
отверстие; 5 - пласти-
на; 6—рычаг, прижи-
мающий пластину;
клапан не изображен.
нагревание масла допустимо до температуры не выше
50° С при условии, что само масло доста-
точно чистое и сухое и имеет низкое дав-
ление пара.
Пластинчато-статорные насосы. Схема-
тическое изображение насоса приведено
на рис. 5-11. Основные отличия от пла-
стинчато-роторных насосов заключаются
в следующем. Барабан 2 расположен экс-
аксиально по отношению к камере, но
вращается по оси, совпадающей с геомет-
рической осью камеры 1 (для смещения
центра тяжести к оси вращения в бараба-
не высверливаются соответствующие по-
лости). Одной из своих образующих бара-
бан при вращении все время скользит
по цилиндру камеры и тем самым описы-
вает в откачном пространстве объемы,
аналогичные описываемым пластинами в насосах предыду-
щей констр|укции. Разделение впускной 3 и выпускной 4
сторон осуществляется пластиной 5, которая все время при-
жимается к барабану пружиной 6, скользя вдоль прорези
Рис. 5-12. Схема работы пластинчато-статорного насоса.
/.— камера; 2 — барабан; 3 — пластина; 4 — впускной патрубок;
5 — выпускное отверстие; 6 — рычаг, прижимающий пластину.
в стенке камеры. Механизм всасывания и выбрасывания газа
насосом поясняется схематическим изображением (рис. 5-12)
четырех характерных последовательных положений поршня.
Основным преимуществом насосов рассматриваемого
типа является уменьшение количества ответственных мест
внутри насоса, представляющих опасность прорыва газа в
вакуумную сторону; в пластинчато-статорном насосе таки-
ми местами являются только места соприкосновения бара-
5* 67
бана с камерой и пластиной. Отсутствие прорезей в бара-
бане устраняет лишнюю возможность просачивания воздуха
в сторону впускного патрубка. Вредное пространство в пла-
стинчато-статорных насосах имеет меньшие размеры по
сравнению с пластинчато-роторными насосами.
В обычном оформлении пластинчато-статорные насосы
делаются двухступенными. Схема устройства двухступенного
Рис. 5-13. Устройство двухступенного пластинчато-
статорного насоса.
1 — барабан и пластина первой ступени; 2—барабан и пла-
стина второй ступени; 3 — впускной патрубок; 4 —предохрани-
тельная полость; 5 — соединение полости с камерой первой
ступени; 6 — соединение камер первой и второй ступеней;
7 — выпускное отверстие (клапан не показан).
насоса этой конструкции показана на рис. 5-13. Оба бара-
бана вращаются на одном валу, причем предусмотрено такое
их расположение, чтобы первый барабан, ближайший к
впускному патрубку, выбрасывал газ в то время, когда вто-
рой барабан производит всасывание.
Золотниковые насосы. Примером насосов этой конструк-
ции служит насос, изображенный на рис. 5-14. На валу при
помощи шпонки насажен эксцентрик /, расположенный и
вращающийся аналогично барабану в пластинчато-статор-
ных насосах. Однако он не касается стенок откачной каме-
68
ры, а заключен в обойму 2. Обойма, охватывающая эксцен-
трик, представляет собой сплошной цилиндр, от которого
кверху идет дополнительная 'плоская часть в виде полого
и открытого сверху параллелепипеда, снабженного отвер-
стиями 4 в одной из широких боковых сторон. Обойма с
плоской частью представляет собой собственно поршень, ко-
торый отдельно, в другой проекции, изображен на рис. 5-15.
69
При вращении эксцентрика поршень, все время прижатый
к стенкам камеры, совершает колебательные движения,
складывающиеся из качания из стороны в сторону и сколь-
жения в золотнике 5 сверху вниз и обратно; обойма сколь-
зит при этом вдоль стенки камеры, но место ее соприкосно-
вения непрерывно перемещается, так что обойма одновре-
менно и скользит и как бы катится по стенке камеры. Бла-
годаря такому движению поршень производит двойную ра-
боту — всасывание газа через патрубок 6 и выбрасывание
его через патрубок 7 с клапаном.
По четырем характерным положени-
ям поршня (рис. 5-14, I, II, III, IV),
которые он последовательно занима-
ет при непрерывном вращении экс-
центрика, можно проследить за ра-
ботой насоса.
Рис. 5-15. Поршень
золотникового насоса.
Верхнее положение поршня
примем за начальное. В этом поло-
жении впускной патрубок с откач-
ной камерой не 'Сообщается, таи
как отверстия 4 перекрыты вкладышем. В положении
II поршень опустился несколько вниз, благодаря чему
некоторое количество газа уже поступило из вакуум-
ной системы в полость плоской части поршня и далее через
отверстие 4 в откачную камеру. В самом нижнем положе-
нии поршня III газ, поступающий из вакуумной системы,
заполняет объем, освободившийся в части камеры справа
от поршня. К положению IV благодаря продвижению порш-
ня произошло дальнейшее увеличение объема справа
от поршня, и, следовательно, в насос вошло еще большее
количество газа из вакуумной системы. Нетрудно видеть,
что одновременно с непрерывным увеличением объема части
камеры справа от поршня объем части камеры слева от
поршня постепенно уменьшается; благодаря этому газ, по-
ступивший перед тем в насос, сжимаясь до давления, до-
статочного, чтобы преодолеть атмосферное давление и со-
противление клапана, выбрасывается из насоса через
патрубок 7.
Золотниковые насосы обладают рядом преимуществ пе-
ред ранее рассмотренными конструкциями вращательных
насосов. Одним из основных преимуществ является умень-
шение ответственных по герметичности мест внутри насоса
еще на один порядок по сравнению с пластинчато-статор-
ными насосами: всасывающая сторона отделяется от выбра-
70
сывающей не пластинкой, скользящей по барабану, как в
пластинчато-статорном насосе, а жестко скрепленной с обой-
мой плоской частью поршня, скользящей только по вкла-
дышу; кроме того, вредное пространство, как нетрудно видеть,
сведено к относительно еще меньшему объему. Благодаря
меньшему трению между подвижными частями золотнико-
вые насосы требуют значительно меньшего охлаждения, что
устраняет необходимость погружения корпуса насоса в бак
с маслом. В некоторых видах золотниковых насосов неболь-
шое количество масла, необходимое для смазки и уплотне-
ния, непрерывно возобновляется в насосе благодаря его
циркуляции из выпускного патрубка в так называемый се-
паратор, куда масло поступает в виде очень мелких брызг
и откуда по мере накопления на поверхностях тарелочек в
охлажденном виде масло поступает обратно в насос, причем
подача масла в определенные участки насоса (внутрь рабо-
чего пространства, к сальнику и т. п.) регулируется отдель-
ными вентилями в трубках, идущих от сепаратора.
Помимо циркуляции и охлаждения масла, сепаратор осу-
ществляет отделение от масла влаги, которая может посту-
пать в насос при откачке того или иного объекта. Общий
вид насоса с сепаратором дан на рис. 5-16.
Золотниковые насосы можно делать с очень большой бы-
стротой действия; в таких насосах применяется дополнитель-
ное охлаждение проточной водой, омывающей корпус насоса.
Примером может служить насос, изображенный на рис. 5-17
и расположенный по отношению к наблюдателю так, что
вращение эксцентрика происходит против часовой стрелки.
Сравнительная характеристика вращательных масляных
насосов. Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные на-
сосы могут достигать предельного давления (без учета пар-
циального давления паров масла) 0,001 мм рт. ст. и могут
обладать быстротой действия от долей литра до нескольких
десятков литров в секунду. Их удобно применять при ваку-
умных установках как лабораторного, так и производствен-
ного типа. В частности, насосы с быстротой действия поряд-
ка 1 -ч- 1,5 л!сек широко применяются при откачных авто-
матах, причем они часто конструируются в виде так назы-
ваемых многократных насосов, когда в одном баке (для
масла) монтируется два, три и более (до 12) отдельных
насосов (секций); последние можно соединять друг с дру-
гом в любых комбинациях; обычно же отдельные секции
используются как самостоятельные насосы, присоединяемые
к позициям откачного автомата; они имеют только общий
71
привод для работы от одного двигателя. Примером кон-
струкций многократных насосов могут служить: тройной
насос, изображенный на рис. 5-18, и 12-кратный насос, изо-
браженный в общем виде на рис. 5-19. Пластинчато-ротор-
ные и пластинчато-статорные насосы применяются также в
качестве насосов предварительного вакуума для пароструй-
Рис. 5-16. Общий вид золотникового насоса с сепаратором.
1 — цилиндрический бак сепаратора; 2 — тарелки (три пары) для разделения масла и
влаги; 3 — двойной выпускной патрубок; 4 — уровень масла, стекающего с тарелок
сепаратора; 5 — основной запорный вентиль циркуляционного трубопровода; 6 и 7 —
вентили, регулирующие подачу масла в различные участки насоса.
ных насосов (§ 5-5), имеющих относительно небольшую
быстроту действия (от единиц до сотен литров в секунду).
Золотниковые насосы, как более производительные, при-
меняются в качестве насосов предварительного вакуума
при больших пароструйных насосах (до 1 000 л/сек), для
быстрой откачки больших объемов, а также для поддержа-
ния определенной степени вакуума в коллекторах и цен-
трализованных вакуумных подводках к откачным автоматам
72
и другим вакуумным установкам. Их предельный вакуум
может достигать тысячных долей миллиметра ртутного стол-
ба, быстрота действия — сотен литров в секунду.
В приложении III приведены характеристики некоторых
наиболее распространенных конструкций вращательных ма-
сляных насосов, выпускаемых промышленностью СССР, а
также кривые зависимости быстроты действия этих насосов
от впускного давления.
Рис. 5-17. Золотниковый насос с водяным охлаждением.
1 и 2 — патрубки с нарезкой для вставления подводки проточной воды и стока; I и
II— два положения поршня в процессе откачки.
Масло для заливки вращательных насосов. Масло, зали-
ваемое во вращательные масляные насосы, должно удовле-
творять определенным требованиям. К числу основных тре-
бований относится низкое давление насыщенных паров;
только при этом условии в вакуумной системе достижимы
достаточно низкие давления.
Для точного определения давления насыщенных паров
масла существуют специальные методы, рассмотрение ко-
торых не входит в нашу задачу. Чтобы масло удовлетворя-
ло требованию малого давления насыщенных паров, оно
должно быть свободно от легколетучих фракций (состав-
ных частей). В настоящее время для заливки вращательных
насосов изготовляется специальное вакуумное масло ВМ-4,
73
Рис. 5-18. Тройной вращательный
масляный насос.
/впускной патрубок; 2 — барабан; 3 — приводной вал; 4 — пластина- 5 — коан для
подачи масла в камеру насоса; 6- бак; 7- выпускной патрубок; !- цеп?двига-
теля.
Рис. 5-19. Общий вид 12-кратного вращательного двухступенного
масляного насоса (без крышки).
бак; 2 — впускной патрубок первой ступени; 3 — выпускное отверстие второй
ступени; 4 — трубка, соединяющая выпускную сторону первой ступени с впускной
стороной второй ступени откачки.
имеющее давление насыщенных паров порядка
10~5 мм рт. ст., что для вращательных насосов является
вполне удовлетворительным. С течением времени работы
вращательного насоса масло в нем постепенно меняет свой
состав за счет образования более летучих фракций и за счет
загрязнения масла сконденсировавшимися парами посторон-
них жидкостей. Особенно вредной примесью, накапливаю-
щейся в процессе работы насоса, является влага. Поэтому
периодически в зависимости от рабочей нагрузки насоса ма-
сло в нем необходимо заменять свежим, чистым и сухим.
При замене масла соблюдают следующие правила. Насос,
по возможности, полностью освобождается от отработан-
ного масла, для чего используются сливные отверстия; далее
через впускное отверстие (патрубок) насоса вливается (че-
рез воронку) некоторое количество свежего масла, одновре-
менно поршень насоса медленно, от руки, проворачивается
в направлении откачки (при помощи шкива и вала). Благо-
даря этому вращению поршня внутренние детали насоса про-
мываются свежим маслом. Для лучшей промывки внутрен-
них деталей поршень должен сделать несколько оборотов,
после чего масло, служившее для промывки, удаляется из
насоса; далее через впускное отверстие снова наливается не-
которое количество свежего масла с одновременным враще-
нием от руки поршня, и осуществляется повторная промывка
внутренних поверхностей насоса. После удаления и этой пор-
ции масла насос окончательно заливается требуемым (по
инструкции для данного насоса) количеством масла.
В технических условиях наряду с давлением насыщенных
паров иногда указывают так называемую температуру
вспышки, т. е. ту температуру масла, при которой происхо-
дит воспламенение паров, накапливающихся над маслом;
чем выше температура вспышки, тем, очевидно; меньше ис-
паряемость масла и, следовательно, ниже давление насы-
щенных паров.
Очень важным требованием является также наличие
определенной вязкости масла; при слишком малой вязкости
его будет создаваться ненадежное уплотнение в ответствен-
ных местах насоса, а при слишком большой вязкости вра-
щение поршня будет затруднено и масло может перегреться.
Температура 50° С, являющаяся верхним допустимым пре-
делом нагревания масла (с точки зрения его испаряемости),
не должна также приводить к опасному уменьшению вяз-
кости масла. От вязкости масла зависит степень трудности
пуска насоса в работу; при слишком вязком масле насос
75
после длительного перерыва в работе приходится «провора-
чивать» сначала от руки, чтобы освободить насос от запол-
нившего его за время перерыва масла, так как мощность дви-
гателя недостаточна, чтобы привести поршень во вращение.
В этом отношении не безразлично, какой вязкости масло
применять в летнее и зимнее время, если температура рабо-
чего помещения сильно зависит от наружной температуры.
Помимо смены масла, не требующей разборки насоса,
вращательные насосы нуждаются в тщательной периодиче-
ской очистке, к которой приходится прибегать потому, что
в процессе работы масло в насосе постепенно разрушается,
в 'результате чего на внутренних стенках насоса постепенно
осаждаются смолистые слои, накопление которых («осма-
ливание») может привести к полному прекращению работы
насоса вследствие «заедания» движущихся деталей. Призна-
ками осмаливания являются перегрев насоса и двигателя, а
также скольжение ременного привода.
Практические указания по работе
с вращательными масляными насосами
К каждому вращательному насосу прилагается общее
описание его, где указываются значения его параметров и
излагаются правила эксплуатации. Некоторые особенности
вращательных масляных насосов полезно отметить более
подробно:
а) При установке вращательного масляного насоса не-
обходимо’ прочно закрепить его на массивном основании,
обеспечивая при этом удобный подход для наблюдения за
работой насоса, смены масла и т. п.
б) Пуск насоса в работу осуществляется включением
электродвигателя; перед этим часто бывает необходимо
предварительно от руки 2—3 раза провернуть поршень на-
соса, иначе вошедшее в насос (за время его остановки)
масло не позволит двигателю привести вал насоса во вра-
щение или может даже вызвать поломку насоса.
в) Остановка насоса осуществляется путем выключения
электродвигателя. Если насос выключен, то под действием
атмосферного давления масло начнет просачиваться через
клапан, заполнять камеру, просачиваться через места сопри-
косновения подвижных деталей насоса; далее масло попа-
дает во впускной патрубок, по которому поднимается вверх,
по направлению к вакуумной системе; последняя, если не
были приняты специальные меры предосторожности, может
полностью или частично заполнится маслом и вследствие
76
этого выйдет из строя (столб масла, уравновешивающий
атмосферное давление, должен быть выше столба ртути при-
мерно в 15 раз, так как ртуть приблизительно в 15 раз тяже-
лее масла). Во избежание такой аварии часто прибегают
к специальному приему, показанному на рис. 5-20. На этом
рисунке изображен вращательный масляный насос 2, впуск-
ной патрубок которого снабжен так называемым трехходо-
вым краном 1. Поворотом пробки крана отверстием в
сторону вакуумной системы осуществляется ее сообщение
с насосом; поворотом пробки крана в противоположную
Рис. 5-20. Трехходовой кран 1
при впускном патрубке 3 враща-
тельного масляного насоса 2.
Кран изображен в закрытом положе-
нии; 4 — отверстие в пробке крана; 5 —
ручка крана; 6 — стеклянная трубка;
7 — резиновая соединительная трубка.
К вакуумной
системе
Квращательному
масляному насосу
Рис. 5-21. Предохра-
нительный сборник.
сторону осуществляется сообщение насоса с атмосферой.
Если по окончании работы насоса его сообщить с атмосфе-
рой, то давления со стороны впускного патрубка и выпуск-
ного отверстия будут уравновешены и масло в вакуумную
систему проникнуть не сможет; так как пробка крана снаб-
жена лишь одним отверстием, то, очевидно, в вакуумную
систему атмосферный воздух при этом не попадает. Вместо
трехходового крана применяется также надежный зажим,
которым перекрывается резиновая трубка, надетая на впу-
скной патрубок.
Можно указать еще одно полезное устройство, примени-
мое к любому вращательному масляному насосу, если спо-
соба предохранения вакуумной системы от попадания в нее
масла из остановленного- насоса в самой конструкции не
77
предусмотрено. Это устройство изображено на рис. 5-21; оно
представляет собою сборник, присоединяемый к впускному
патрубку насоса и имеющий объем, достаточный для задер-
жания масла, поднимающегося из насоса в сторону вакуум-
ной системы; когда атмосферным давлением в этот сборник
будет (выдавлено все масло, в вакуумную систему станет
проникать лишь воздух, просачивающийся в виде пузырей
через масло в сборнике.
В некоторых типах пластинчато-статорных насосов (рис.
5-13) опасность обратного попадания масла в вакуумную
систему предотвращается наличием камеры под впускным
патрубком, объем которой достаточен, чтобы вместить все
масло, проникающее под действием атмосферного давления
из бака, в который погружен насос; конечно, и для этого
насоса требуется заливка строго определенного количества-
масла.
В некоторых конструкциях пластинчато-роторных насо-
сов имеется приспособление, устраняющее необходимость в
кране или сборнике. Оно представляет собой так называе-
мый вытеснитель, выполненный в виде пластины с фигурны-
ми вырезами, позволяющими погружать эту пластину в масло
над камерой насоса так, что- уровень масла над клапаном
остается достаточным, но в то же время нужное для дости-
жения этого уровня количество масла, заливаемого в насос
(бак), становится недостаточным для его проникновения
далеко во впускной патрубок после остановки насоса. По-
нятно, что вытеснитель только в том случае предохранит
вакуумную систему от попадания в нее масла после оста-
новки насоса, если количество залитого масла не превыша-
ет положенной нормы, например, если уровень масла не
поднимается выше верхнего бокового отверстия насоса, изо-
браженного на рис. 5-4.
Существует еще ряд способов предохранения вакуумных
систем от проникновения масла из вращательного насоса
после остановки последнего. Необходимо помнить, что не-
зависимо от наличия или отсутствия предохранительных
приспособлений всегда надо заливать в насос только то ко-
личество масла, которое указано в описании, и поддержи-
вать это количество, наблюдая за уровнем масла в смотро-
вое окошко, которое имеется у многих вращательных масля-
ных насосов.
г) Для правильной эксплуатации насоса необходимо под-
держивать ту скорость вращения поршня, которая рекомен-
дована для данного насоса заводом-изготовителем. Скорость
78
сраспыленным маслом)
Рис. 5-22. Маслоотбойник.
вращения поршня вращательных масляных насосов в
зависимости от конструкции составляет 200 -ь 600 об/мин.
При большем числе оборотов насоса достигается нецелесо-
образное увеличение быстроты действия насоса, так как из-
лишний перегрев насоса приводит к усиленному испарению
масла и, следовательно, к ухудшению предельного вакуума,
достигаемого насосом; наоборот, при работе насоса с мень-
шим, чем указано, числом оборотов в минуту можно полу-
чить лучший предельный вакуум, но за счет потери в бы-
строте действия.
д) При работе с вращательными
насосами любой конструкции нельзя
допускать попадания посторонних
предметов, в особенности твердых
(например, металлических или стек-
лянных). Посторонние предметы мо-
гут вызвать царапины на ответствен-
ных по уплотнению деталях насоса
и тем ухудшить предельный вакуум,
создаваемый насосом; кроме того,
посторонние предметы могут попасть
в прорези барабана или камеры, где
происходит скольжение пластин, в
результате чего работа насоса пре-
кратится. Если в насосе имеются де-
тали, изготовленные из цветных ме-
таллов (медь, бронза и т. п.), то следует иметь в виду, что
для работы насоса весьма вредно попадание ртути, которая
амальгамирует эти детали.
Способы предохранения вращательных масляных насосов
от попадания посторонних твердых предметов или ртути ука-
заны в гл. 8.
е) У вращательных масляных насосов иногда наблюдается
постепенная убыль масла вследствие его выбрасывания из
выпускного патрубка насоса в распыленном виде. Выбрасы-
вание масляного тумана становится особенно значительным,
когда насосу приходится пропускать большие массы возду-
ха при высоких впускных давлениях. Во избежание быстрой
потери масла и загрязнения воздуха в помещении некоторые
насосы снабжаются так называемым маслоотбойником, ко-
торый пропускает из насоса в окружающее пространство
только воздух и полностью задерживает масло. На рис.
5-22 показана принципиальная схема конструкции такого
м аслоотбойника.
79
Эксперимента ль iii ое определение
быстроты действия вращательных
.масляных насосов
Быстроту действия вращательных масляных насосов
удобно определять методом постоянного объема (рис. 5-23).
Объект откачки, обычно стеклянный баллон достаточно боль-
шого объема, присоединяется к впускному патрубку насоса
непосредственно без каких-либо промежуточных соедини-
Рис. 5-23. Схема присо-
единения откачиваемого
объекта к насосу для
снятия кривой откачки.
1 — откачиваемый объект; 2—
насос; 3 — впускной патрубок;
4 — выпускной патрубок; р —
давление в объекте (совпадает
с давлением у входа в насос);
5 — приспособление для при-
соединения объекта непосред-
ственно к впускному патруб-
ку насоса.
тельных трубок. Насос включается, и ведется наблюдение
за изменением давления в баллоне с течением времени. Вы-
бирают баллон больших размеров из тех соображений, что
при достаточно медленном (в большом объеме) падении
давления улучшается точность отсчетов; промежуточных же
соединительных трубок не должно быть, иначе вследствие
их сопротивления протекающему газу быстрота откачки
объекта не совпадет с быстротой действия насоса (§ 4-4).
К баллону 1 присоединяются манометры, могущие измерять
давления, создаваемые вращательным насосом (от атмо-
сферного до порядка 10~3 мм рт. ст.); по манометрам на-
блюдают за ходом откачки. Результаты наблюдения пред-
ставляются в виде кривой, примером которой может слу-
80
жить кривая 1 на рис. 5-3. Эта кривая позволяет опреде-
лить быстроту действия вращательного насоса SH при лю-
бом впускном давлении, пользуясь формулами (5-2) или
(5-3), к которым и обратимся.
Обозначим объем баллона через V, давление в нем —
через р. Так как баллон присоединен к насосу без проме-
жуточных соединительных трубок, то давление в баллоне
совпадает с давление.м у входа в насос (р} = р2 =р).
Поэтому можно написать, что за время dt в насос посту-
пает количество газа, равное pSHdt', за тот же промежуток
времени в объекте произойдет убыль газа, равная Vdp.
Эти количества газа, очевидно, равны, но противоположны
по знаку, следовательно,
или
pSH dt = — Vdpy
S dt = ~V^~.
н P
(5-1)
Для определения Sn надо проинтегрировать полученное
уравнение. Так как величина S* является функцией давле-
ния, то при интегрировании мы можем вынести эту вели-
чину за знак интеграла лишь при условии, если интегриро-
вание производится в достаточно узких пределах. В этом
случае быстрота действия насоса будет определена как
средняя для интервала давлений за взятый короткий про-
межуток времени.
Интегрирование производим в следующих пределах:
по времени — от начального момента, который примем рав-
ным нулю, до конечного момента t\ соответственно на-
чальное давление примем равным р'; давление в момент t
обозначим через р”. Тогда
$ [й=—vf &-
“J J ₽
ИЛИ о
s Z = Vln<-.
« V
Переходя от натуральных логарифмов к десятичным
(модуль перехода равен 2,3) и разделив обе части уравне-
ния на t, получаем следующее выражение для быстроты
действия насоса:
S, = 2,3-K ig-fl (5-2)
6 В. И. Королев.
21
при давлении у входа в насос в пределах между р' и р'‘
(V, р' и р" можно брать в любых единицах).
Рассмотрим численные примеры.
Пример 1. Вычислить быстроту действия вращательного насоса
по следующим данным: объем баллона 10 л, начальное давление
р' — 760 мм рт. ст., конечное р" = 460 мм рт. ст., длительность
откачки 5 сек.
Решение. Средняя быстрота действия в интервале давлений
между 760 и 460 мм рт. ст. равна:
10 760
Sh = 2,3 Т Ig 460 = 1 л'сек-
Если определение быстроты действия произвести при значительно
более низких давлениях, то, как нетрудно убедиться по кривым
рис. 5-3, 5-7 или 5-8, значение SH получается меньшим.
Пример 2. Вычислить быстроту действия вращательного насоса
в интервале давлений 2ч-3 мм рт. ст., имея следующие данные:
объем баллона 25 л, длительность откачки 14,5 сек.
25 3
Решение. SH = 2,3 $ 1g — 0,7 л)сек (среднее значение при
давлениях в пределах от 2 до 3 мм рт. ст.).
Если давления р' и р", в пределах которых определяет-
ся SH, достаточно близки к предельному вакууму, то, обо-
значив последний через р0, мы должны несколько видоизме-
нить формулу (5-2):
«= 2,3 4-1g 4=^. (5-3)
к t b р" — \ /
В пределе (когда достигается предельный вакуум) дробь
стремится к единице; следовательно, SK = 0.
По кривой откачки, полученной методом постоянного
объзма, быстроту действия можно определить графическим
путем. Этот способ определения основан на том, что
уравнение (5-1) можно представить в виде:
или после перехода от натуральных логарифмов к десятичным
S= 2,3V Г—4^-1. (5-4)
« ’ L dt j ' '
Так как ординаты кривых откачки имеют логарифмиче-
. - d(lgp)
ский масштаб, производную —можно определить по
82
тангенсу угла наклона касательной к кривой в точке, соот-
ветствующей любому давлению. Например (рис. 5-24), если
угол наклона касательной равен а, то —~~ = tg а и SH =
= — 2,3V tg а. Помимо метода постоянного объема, суще-
ствуют и другие методы определения быстроты действия
вакуумных насосов, которые рассмотрим при изучении паро-
струйных насосов.
Расчетная быстрота действия
вращательного насоса
Зная конструкцию насоса, быстроту действия его можно
рассчитать по объему, описываемому поршнем за один
оборот внутри откачной камеры, и по числу оборотов поршня
в единицу времени.
Рис. 5-24. Кривая откачки для опре-
деления быстроты действия враща-
тельного масляного насоса.
пластинчато-
(для расчета
Рис. 5-25. Схема
роторного насоса
быстроты действия).
Пусть за один оборот пластина описывает объем V, а
число оборотов поршня в единицу времени равно п\ тогда,
очевидно, быстрота действия вращательного насоса будет
равна (в объемных единицах за единицу времени):
= (5-5)
Для примера возьмем пластинчато-роторный насос, схе-
матически изображенный на рис. 5-25. Как нетрудно видеть,
описываемый пластиной за один оборот поршня объем V
равен двойному объему, описываемому каждой пластиной
за пол-оборота. Одна пластина за пол-оборота описывает
объем, равный разности объемов двух цилиндров, имеющих
6* 83
общую высоту, равную ширине пластины I, и основания:
одно, равное плэщади Q сегмента АВС, другое, равное
площади Q' полукруга А'В1 С. Следовательно,
V = 2(Q — Q')/,
на основании формулы (5-5)
SHP = 2(Q~Q')ln.
Расчетная быстрота действия SHp должна численно сов-
падать с экспериментально определенной быстротой дейст-
вия SH; однако вследствие наличия у каждого насоса
впускного патрубка или впускного отверстия, обладающего
определенным сопротивлением потоку газа, поступающему
в насос, это совпадение возможно только при достаточно
высоких давлениях (например, при атмосферном), когда
впускной патрубок или отверстие насоса обладают большой
пропускной способностью; по мере же снижения давления
эта пропускная способность падает, вследствие чего отно-
SH
шение ~— становится все меньше и меньше; при давлениях,
^нр
. SH
близких к предельному для данного насоса, отношение —
^нр
стремится к нулю.
Отношение экспериментального значения быстроты дей-
ствия насоса SH к расчетному S является показателем
качества конструкции насоса; последняя тем совершеннее,
чем ближе к единице отношение -х—• и чем ниже давление
^нр
у входа в насос, до которого эта близость к единице
Сохраняется.
Б, Газобалластные насосы
Описанные выше вращательные насосы были разрабо-
таны для производства электровакуумных приборов, при от-
качке которых не приходится иметь дела с удалением боль-
ших количеств водяных или других конденсирующихся
паров. Когда же по мере применения вакуумной техники
в других технологических процессах (сушка, дистилляция
ит. п.) появилась необходимость откачки объемов, содержа-
щих большие количества конденсирующихся паров, то обыч-
84
ные вращательные масляные насосы оказались непригодны-
ми. Причина этого становится понятной из рассмотрения
следующего примера (рис. 5-26, а).
Пусть требуется откачать объем 1, в котором имеется или
выделяется большое количество водяного пара. Проследим
за движением пластин А и Б при вращении ротора 2 и за
захватываемым ими объемом смеси воздуха с водяным па-
ром.
В положении 1 откачная камера насоса сообщается с
откачиваемым объемом, газопаровая смесь занимает часть
Рис. 5-26. Схема работы вращательного масляного
(пластинчато-роторного) насоса.
а — без напуска балластного газа; б —с напуском балластного газа;
... — воздух; О О О — вода.
камеры до пластины Б. В момент II поступившее в насос
количество газопаровой смеси, сохраняя в последний мо-
мент давление» равное давлению в откачиваемом объеме,
оказывается изолированным как от откачиваемого объема,
так и от выпускного отверстия насоса и занимает определен-
ный объем Vi, ограниченный пластинами А и Б. В положе-
нии III обе пластины повернулись по отношению к положе-
нию II больше, чем на пол-оборота, в результате чего газо-
паровая смесь, ранее занимавшая объем Vi, оказывается
85
сжатой между пластиной А и выпускным клапаном насоса
до объема У2- Как мы знаем, сжатие необходимо для пре-
одоления давления атмосферного воздуха и клапана, чтобы
газопаровая смесь была выброшена за пределы насоса; при
этом нормальный выброс газопаровой смеси возможен, оче-
видно, только в том случае, если сжатие сопровождается
соответственным повышением давления (по закону Бойля—
Мариотта). Если же пар при сжатии достигает давления
насыщения еще до открывания клапана, то, как мы знаем
(§ 1-5), при дальнейшем сжатии закон Бойля — Мариотта
соблюдаться не будет, так как часть пара станет конденси-
роваться в жидкость.
У обычных вращательных масляных насосов отношение
объемов рг- к моменту открывания клапана, т. е. так на-
зываемый коэффициент сжатия, достигает значения 700;
поэтому водяной пар даже при относительно невысоком его
парциальном давлении в откачиваемом объеме конденси-
руется в воду; за пределы насоса может быть выброшен
только влажный воздух, а водяной пар почти весь остается
в объеме V2 в виде воды. Последняя, смешиваясь с маслом,
циркулирующим в откачной камере, образует с ним эмуль-
сию, проникает на сторону впускного патрубка и, испаряясь,
снова попадает в откачиваемый объем. Такова причина не-
пригодности обычных вращательных насосов для эффектив-
ного понижения давления в объеме, содержащем значитель-
ное количество конденсирующихся паров.
Простой прием и связанное с ним несложное, так назы-
ваемое газобалластное устройство сразу меняет картину, и
вращательные масляные насосы, имеющие это устройство,
становятся эффективными для удаления не только' воздуха,
ню .и конденсирующихся паров. Такие насосы получили на-
звание «газобалластных».
Рассмотрим схему работы газобалластного пластинчато-
роторного насоса, представленную на рис. 5-26, б и относя-
щуюся к откачке точно такого же объема, как и в случае
рис. 5-26, а.
В момент, когда пластины занимают положение I (рис.
5-26, б), последнее еще ничем не отличается от положения
I в обычном насосе (рис. 5-26, а), но в положении II в ог-
раничиваемый пластинами А и Б объем газопаровой смеси
(через отверстие О) вводится такое количество воздуха (га-
зовый балласт), чтобы его парциальное давление в доста-
точное число раз превышало парциальное давление водяного
86
пара в этом объеме; тогда при дальнейшем перемещении
пластин открывание клапана произойдет при значительно
меньшем коэффициенте сжатия, так что парциальное давле-
ние водяного пара останется ниже давления насыщения
до самого момента открывания клапана, и водяной пар вме-
сте с воздушным балластом будет выброшен за пределы
насоса (положение III).
Таким образом, при помощи, газобалластных насосов
откачка объемов с большим содержанием или выделением
конденсирующихся паров происходит быстро, и до достаточ-
но низкого давления.
На рис. 5-26, а и б действие газобалластного устройства
рассмотрено на пластинчато-роторном насосе. На рис. 5-27
Рис. 5-27. Схема работы газобалластного пластинчато-
статорного насоса.
показана схема действия газобалластного пластинчато-ста-
торного насоса; на рис. 5-28 изображен насос типа ВН461М,
снабженный газобалластным устройством, которое, смотря
по надобности, может быть включено или выключено. Та-
кие вращательные масляные насосы с газобалластным ус-
тройством находят себе в настоящее время большое рас-
пространение.
Заканчивая описание работы газобалластных насосов,
необходимо отметить, что при откачке ими объемов, содер-
жащих конденсирующиеся пары, предельное давление, во-
обще говоря, получается более высоким, чем при обычной
откачке постоянных газов. Причиной ухудшения предельного
вакуума является способность паров некоторых веществ
растворяться в масле. Однако если пары имеют относитель-
но высокие давления насыщения, то когда в процессе откач-
ки источники этих паров в откачиваемом объеме истощат-
ся, насосное масло благодаря продолжающейся продувке
насосов балластным воздухом быстро освобождается от
этих паров. К этому случаю можно отнести пары органиче-
ских веществ, например бензина, бензола, этилового спирта
87
и т. п. Если пары имеют относительно низкие давления на-
сыщения, то их продувка газовым балластом ввиду малой
скорости их выделения из масла не будет иметь такого же
эффекта, и давление в откачиваемом объеме, несмотря на
Рис. 5-28. Насос ВН-461М с газобалластным устройством.
1 — дозирующий вентиль; 2 — трубка для подачи газового балласта.
длительную работу насоса, будет понижаться очень медлен-
но. Сюда относятся, например, фракции нефти, имеющие
низкие давления насыщенного пара.
Газобалластные насосы нельзя применять для откачки
паров веществ, химически вредно действующих на металл,
из которого сделаны детали насоса.
В. Вращательные многопластинчатые насосы
Для грубой откачки больших объемов, а также для под-
держания вакуума в централизованных вакуумных подвод-
ках, обслуживающих различные технологические процессы,
связанные с использованием грубого разрежения, иногда
применяют так называемые многопластинчатые вращатель-
ные насосы (рис. 5-29). В цилиндрическом .корпусе насоса
расположен ротор, вращающийся по своей геометрической
оси, смещенной относительно оси статора; таким образом,
между цилиндрическими поверхностями ротора и статора,
так же как в пластинчато-роторном насосе, образуется сер-
88
повидное пространство. В роторе имеются пазы, в которых
свободно вставлены стальные пластины.
При вращении поршня пластины под действием центро-
бежной силы прижимаются к внутренней поверхности ста-
тора. Камеры, получающиеся между соседними пластина-
ми, проходя мимо впускного отверстия, заполняются газом,
поступающим из откачиваемого объема; вместе с пласти-
нами газ переходит на
Разобщение камер
с захваченным пласти-
нами газом от впускно-
го патрубка происходит
в крайнем верхнем по-
ложении, пройдя через
которое, захваченные
порции газа начинают
подвергаться сжатию.
Выпуск газа произво-
дится через выпускной
патрубок, причем во
избежание возникнове-
ния опасно больших
давлений предусмотре-
ны клапаны 1, 2 и 3.
Ввиду того, что ра-
бочая камера много-
сторону выпускного отверстия.
Рис.’ 5-29. Устройство вращательного
многопластинчатого насоса.
пластинчатых насосов не заполняется маслом, достигаемое
ими предельное давление не может быть ниже 15 мм рт. ст.,
но, допуская большую скорость вращения ротора, эти насо-
сы имеют то преимущество, что обладают большой быстро-
той действия (до 1 000 л'сек при атмосферном давлении).
Отечественная промышленность выпускает несколько
марок многопластинчатых насосов для газов и неконденси-
рующихся паров.
Смазка трущихся частей осуществляется компрессор-
ным маслом (марки М); в процессе работы насос охлаж-
дается проточной водой; число оборотов ротора достигает
'1 500 в минуту, мощность электродвигателя доходит до
100 кет. Характеристики многопластинчатых насосов при-
ведены в приложении IV.
Г. Вращательные молекулярные насосы
В § 3-4 указывалось, что молекулы газов при ударе о по-
верхность твердого тела удерживаются на этой поверх^
89
Рис. 5-30. Принцип
работы молекуляр-
ного насоса.
ности очень недолгое /время, после чего 'Испаряются в слу-
чайном направлении независимо от угла, под которым моле-
кула встретила эту поверхность.
После этого нетрудно представить, что если поверхность
твердого тела, окруженного газом, начнет двигаться в ка-
ком-либо определенном направлении, все слетающие с нее
после удара молекулы газа будут иметь составляющую ско-
рости, равную скорости твердого тела и
по величине и по направлению; это зна-
чит, что молекулы газа будут иметь пре-
имущественное направление в сторону
движения твердого тела и доля таких
молекул будет тем большей, чем больше
скорость последнего. Это явление исполь-
зовано для работы вращательного моле-
кулярного насоса.
Рассмотрим схему работы молекуляр-
ного насоса (рис. 5-30). В статоре А с
большой скоростью в направлении, ука-
занном стрелкой, вращается цилиндр Б.
Между отверстиями т и п в статоре сверху сделан канал,
а по всей остальной поверхности статор отстоит от вращаю-
щегося цилиндра на очень небольшом расстоянии, оставляя
лишь узкий зазор.
Ввиду того, что канал имеет значительно большую про-
пускную способность (по сравнению с узким зазором), пе-
ремещение молекул газа вследствие их увлечения в сторо-
ну вращения цилиндра Б практически происходит лишь
в канале.
О превышении давления, возникающем со стороны т,
можно судить по разнице уровней жидкости в трубке М,
измеряющей разность давлений —рп. Величина этой
разности зависит от скорости вращения цилиндра, от раз*
меров канала и вязкости газа. Если через трубку, присо-
единенную к какому-либо дополнительному, например
к вращательному, масляному насосу, начать отсасывать газ,
то давление будет падать с обеих сторон насоса, но соотно-
шение между давлениями рт и рп будет различно
в зависимости от степени вакуума. Пока давления с обеих
сторон канала еще относительно высоки, так что средняя
длина свободного пути молекул газа в канале остается зна-
чительно меньшей глубины канала, вязкость газа, как мы
знаем (§ 3-8), не зависит от давления; следовательно, если
цилиндр Б будет вращаться с постоянной скоростью, то
90
.разность давлений рт —рп будет оставаться также посто-
янной, несмотря на снижение давлений с обеих сторон
канала.
Как только по мере дальнейшей работы вращательного
масляного насоса средняя длина свободного пути молекул
газа в канале станет превосходить глубину канала и со-
стояние газа начнет приближаться к высокому вакууму,
вязкость газа перестает, как мы знаем (§ 3-8), играть роль,
и разность рт — Рп начнет уменьшаться; предельное да-
вление, достигаемое молекулярным насосом при этих усло-
виях, тем ниже, чем меньше давление, создаваемое враща-
тельным масляным насосом, причем на этот раз сохраняет-
«. Р П гх
ся постоянным отношение давлении — • Это отношение
Рт
становится тем меньше, чем больше скорость вращения ци-
линдра; помимо этого, оно зависит от рода газа: чем боль-
ше молекулярный вес газа, тем меньше и, следователь-
Рт
но, тем ниже предельное давление.
Молекулярный насос, как мы видим, самостоятельно ра-
ботать не может, а нуждается в применении насоса пред-
варительного вакуума.
По описанной схеме были разработаны молекулярные
насосы, при помощи которых достигались весьма низкие
предельные давления (порядка 10~6 мм рт. ст.)-, однако
большого распространения эти насосы не получили вслед-
ствие трудностей их изготовления и эксплуатации; основ-
ной неприятностью, с которой приходится встречаться при
работе с этими насосами, является заедание цилиндра в ста-
торе вследствие узости зазора между ними (0,01—0,03 мм)
при высокой скорости вращения цилиндра (несколько тысяч
оборотов в минуту). Широкому распространению молеку-
лярных насосов помешало также быстрое усовершенствова-
ние описываемых ниже пароструйных насосов. Последние
дали возможность получать весьма низкие давления с боль-
шой скоростью и при эксплуатации не создают особых за-
труднений.
Двухроторный объемн о-м о л е к у л я р н ы й
насос
В последние годы нашли применение новые вращатель-
ные насосы, в которых, кроме объемно-поршневого действия
91
Рис. 5-31. Двухроторный
объемно-молекулярный
насос.
1 — корпус; 2 — ротор; 3 —впуск-
ное отверстие; 4 — выпускное
отверстие.
роторов, в известной мере используется также принцип дей-
ствия молекулярных насосов
Работу этих насосов поясняет схема, изображенная на
рис. 5-31. Два ротора-лопасти вращаются внутри камеры
в направлении, указанном стрелками; форма и синхронное
вращение лопастей подобраны таким образом, чтобы между
самими лопастями, а также между лопастями и стенками
камеры постоянно сохранялся небольшой зазор (0,1—
0,15 мм), не уплотняемый маслом. Такое устройство допу-
скает большую скорость враще-
ния поршней (до 3 000 об/мин)
без опасности заедания.
При высоких давлениях, когда
длина свободного пути еще мала
по сравнению с шириной зазора
(<0,1—0,15 мм), насос не мо-
жет работать эффективно, так как
одновременно с захватом газа и
выталкиванием его в сторону вы-
пускного отверстия вращающими-
ся лопастями через зазоры, имею-
щие при таких давлениях относи-
тельно большую пропускную спо-
собность, в откачиваемый объем
успевает проходить обратно большое количество газа. По-
этому насосы рассматриваемой конструкции для нормальной
работы нуждаются в предварительном разрежении. В каче-
стве насоса предварительного вакуума применяется обыч-
ный вращательный масляный насос.
Работа насоса становится эффективной, когда (при по-
мощи насоса предварительного вакуума) впускное давление
снижается до нескольких миллиметров ртутного столба;
однако наибольшая быстрота действия получается при
впускном давлении порядка сотых долей миллиметра ртут-
ного столба, так как при этом давлении длина свободного
пути становится равной нескольким миллиметрам, т. е. зна-
чительно превышает ширину зазоров. При этих условиях,
во-первых, сильно возрастает сопротивление зазоров
обратному потоку газа (от выпускного отверстия к впуск-
ному); во-вторых, облегчается «молекулярное» действие на-
соса, и его впускное давление оказывается в прямой зави-
симости от того давления, которое создает у выпускного
отверстия молекулярного насоса насос предварительного
вакуума.
92
Насосы рассматриваемой конструкции имеют быстроту
действия от 40 до 5 500 л/сек при давлении порядка сотых
долей миллиметра ртутного столба. При достаточно низкогл
выпускном давлении достигается предельное давление по-
рядка 10~4-г- 10-5 мм рт. ст.
На рис. 5-32 изображен внешний вид описанного насоса.
Из конструктивных особенностей насоса следует отме-
тить, что рабочая камера, в которой вращаются лопасти,
герметичной наружной ка-
предварительного вакуума.
в свою очередь, расположена в
мере, присоединяемой к насосу
В этой непрерывно откачивае-
мой наружной камере, кроме
внутренней рабочей камеры,
находятся также передаточные
шестерни, приводящие во вра-
щение лопасти, электродвига-
тель и небольшой насос, пода-
ющий смазочное масло к под-
шипникам и передаточному ме-
ханизму (но не внутрь насо-
са). Все это очень облегчает
решение вопросов, связанных
с уплотнением рабочей камеры.
Опасность пробоя между по-
Рис. 5-32. Внешний вид двух-
роторного объемно-молекуляр-
ного насоса (450 л/сек, длийа
975 мм, вес 185 кг, мощность
электродвигателя 1 кет).
люсами электродвигателя (по-
скольку он помещен в откачиваемую камеру) устраняется
тем, что рабочее напряжение равно всего 42 в.
Главное значение двухроторных объемно-молекулярных
насосов заключается в том, что они обладают указанными
выше весьма большими значениями быстроты действия (до
5 500 л!сек) в такой области давлений (порядка сотых мил-
лиметра ртутного столба), когда вращательные масляные
насосы уже неэффективны, а пароструйные диффузионные
насосы по большей части только еще начинают работать.
Как мы увидим ниже, указанный разрыв в значениях
быстроты действия между вращательными масляными на-
сосами и пароструйными диффузионными насосами до сих
пор заполнялся так называемыми пароструйными эжектор-
ными или вспомогательными насосами. Эти насосы рассмот-
рены ниже, однако такой большой быстроты действия при
давлении порядка сотых долей миллиметра ртутного столба
не обладает пока ни один эжекторный или вспомогатель-
ный насос. Значение этого вопроса будет выяснено более
подробно при изучении пароструйных насосов.
93
Кроме указанной особенности, быстродействующие вра-
щательные объемно-молекулярные насосы имеют еще то
преимущество, что они достигают высокого вакуума без
применения масляного уплотнения.
5-5. ПАРОСТРУЙНЫЕ НАСОСЫ
'Принцип работы пароструйных насосов. Как показы-
вает название, работа пароструйных насосов основана на
использовании откачивающего действия струи пара рабочей
жидкости. Газ, поступающий в насос из вакуумной системы,
попадает в сферу действия струи пара и выталкивается
последней в сторону выпускного патрубка.
При ознакомлении с описываемыми ниже конструкциями
пароструйных насосов, нужно иметь в виду, что пароструйный
насос не может работать самостоятельно, а всегда состав-
ляет единый агрегат с насосом предварительного ва-
куума.
В качестве насосов предварительного вакуума приме-
няются главным оС разом вращательные масляные насосы
(рис. 5-2); для присоединения обычно берутся достаточно
широкие и короткие трубки, так чтобы выпускное давление
пароструйного насоса было впускным давлением для вра-
щательного масляного.
Параметры насоса предварительного вакуума должны
соответствовать параметрам пароструйного насоса; пусть,
например, пароструйный насос должен работать при впуск-
ном давлении р2 с быстротой действия SH, причем его ма-
ксимальное выпускное давление равно рк\ тогда насос пред-
варительного вакуума должен быть в состоянии создавать
давление р2, не превышающее рк, и обладать при этом
давлении такой быстротой действия S*, чтобы удовлетво-
рялось равенство потоков газа, проходящих через оба
насоса:
P'iSH=P2S'n’ <5'6)
где р'^<рк.
Рассмотрение примеров конструкций пароструйных на-
сосов проведем в порядке, примерно соответствующем той
последовательности, в которой развивались эти конструкции.
94
Стеклянный парортутный диффузионный
насос
Рис. 5-33. Стеклянный ртут-
ный диффузионный насос.
1 — испаритель с ртутью, 2 — по-
догреватель; 3 — паропровод; 4 —
сопло; 5 — холодильник; 6 — во-
дяная рубашка; 7 — трубка для
стока сконденсировавшейся рту-
ти в испаритель; 8 — впускной
патрубок; 9— патрубок предва-
рительного вакуума; пунктир —
асбестовая обкладка для тепло-
изоляции.
Одним из первых образцов пароструйных насосов был
стеклянный парортутный диффузионный насос. Такое на-
звание первых пароструйных насосов было связано с тем,
что для изготовления их было применено стекло как один из
самых распространенных вакуумных материалов, обеспечи-
вающий полную герметичность
насоса; в качестве рабочей жидко-
сти была взята ртуть, позволяю-
щая легко создавать эффектив-
ную паровую струю и в то же
время обладавшая нужной хими-
ческой и термической устойчи-
востью. Диффузионными эти на-
сосы называются потому, что мо-
лекулы газа попадают в сферу
действия струи пара путем диф-
фузии в нее газа из вакуумной
системы.
Стеклянным парортутным диф-
фузионным насосам можно при-
давать различные размеры и фор-
му; в качестве примера рассмот-
рим насос, изображенный на рис.
5-33. Ртуть в испарителе 1 подо-
гревателем 2 поддерживается при
температуре кипения (предпола-
гается, что необходимое предва-
рительное разрежение уже созда-
но, поэтому температура кипящей
ртути не превышает 120°С).
Ртутный пар поступает в трубку 3, называемую паро-
проводом; после того как паропровод прогреется так, что
на его поверхности не происходит конденсации, пар непре-
рывно подается через сопло 4, которым в данном насосе
является просто конец паропровода 3. Из сопла пар попа-
дает в холодильник 5, стенки которого непрерывно охлаж-
даются проточной водой, поступающей в водяную рубаш-
ку 6 через нижнюю и выходящей через верхнюю трубку
(указано стрелками); поступление воды именно через ниж-
нюю трубку гарантирует полное омывание стенок холодиль-
ника даже при малом напоре воды. Попадая на холодные
стенки, ртутный пар конденсируется, и ртуть стекает вниз
95
через изогнутую' трубку 7 обратно в испаритель. Таким пу-
тем осуществляются циркуляция рабочей жидкости и непре-
рывная подача струи пара из сопла. Трубка 7 осуществ-
ляет ртутный затвор, благодаря которому ртутный пар из
испарителя направляется только вверх по паропроводу 3
и не может попасть непосредственно в выпускной патру-
бок 9-, точно так же захваченный струей пара газ из холо-
дильника поступает только в выпускной патрубок и не мо-
жет попасть в испаритель. Затвор того же 'Назначения в том
или ином конструктивном выполнении необходим в паро-
струйном насосе любой конструкции.
Благодаря изогнутой форме трубка 7 хорошо пружинит
и предохраняет насос от деформаций, возникающих вслед-
ствие разницы в температурах испарителя и холодильника.
Ртуть как рабочая жидкость должна быть чистой, не
должна содержать влаги, воздуха и других газообразных
примесей. При этом условии ртутный пар, выходящий из
сопла, является средой с парциальным давлением газооб-
разных примесей более низким, чем давление газа в вакуум-
ной системе.
Вследствие ‘теплового движения газ из откачиваемого
объекта по трубопроводу поступает в пароструйный насос
(через впускной патрубок 8). Достигнув конца сопла, газ
под разностью парциальных давлений (плотностей) диф-
фундирует в струю и далее частицами пара, вылетающего
из сопла, уносится по направлению струи.
Диффузия газа происходит тем легче, чем меньше имеет-
ся встречных частиц пара, которыми поступающие к соплу
молекулы газа могут отталкиваться обратно в сторону ва-
куумной системы.
Количество встречных частиц пара, затрудняющих диф-
фузию газа в струю, сводится к минимуму благодаря до-
статочно быстрой конденсации выходящего из сопла па-
ра на стенках холодильника. Для той же цели выходящие
из сопла частицы пара должны иметь преимущественное
направление вниз; в то же время скорость их должна быть
столь большой, чтобы попавшие в струю пара молекулы га-
за немедленно начали двигаться вниз со скоростями, пре-
вышающими скорости их теплового движения до попадания
в струю. Эти условия необходимы для поддержания
в струе пара вблизи сопла минимального парциального да-
вления или плотности газа.
Представление о направлении линий потока ртутного
пара из прямого цилиндрического сопла и о характере рас-
96
пределения плотности пара дает рис. 5-34. Пар рабочей
жидкости, несмотря на преобладающее направление его
частиц вниз, все же выходит из сопла расходящейся струей;
поэтому, чем дальше от сопла, тем плотность пара меньше,
в связи с чем уменьшается и увлекающее действие струи
пара, а это, в свою очередь, ведет к постепенному возраста-
нию плотности газа, которая у стенок холодильника боль-
ше, чем около сопла, а наибольшего значения достигает
Рис. 5-34. Струя ртутного пара, выходящая из
цилиндрического сопла диффузионного насоса (рас-
стояние между соседними линиями обратно пропор-
ционально плотности пара).
в нижней части холодильника. Однако если насос предва-
рительного вакуума удовлетворяет условию (5-6), то нор-
мальная работа диффузионного насоса будет непрерывно
продолжаться, так как вблизи сопла будет непрерывно под-
держиваться парциальное давление газа меньшее, чем в ва-
куумной системе.
Специальные исследования влияния формы сопла на
скорость и направление струи ртутного пара показали, что
лучшие в этом отношении результаты дает сопло, имеющее
сужение, за которым трубка сопла расширяется в конус
(рис. 5-35).
7 Б И. Королев. 97
Итак, нормальная работа диффузионного насоса зависит
от соблюдения следующих условий:
1) чистоты рабочей жидкости, обеспечивающей мини-
мальное парциальное давление газообразных примесей
в струе пара, выходящей из сопла;
2) достаточно большого динамического давления струи
пара, создаваемого главным образом за счет скорости ча-
стиц его, чтобы создавалась струя пара с основным направ-
лением вниз и с достаточной плот-
ностью пара не только в пространст-
ве вблизи сопла, и у стенок хо-
лодильника, а также в нижней части
последнего;
Рис. 5-35.
1 — коническое расходящееся сопло;
2 — холодильник; 3— водяная рубашка;
4 — трубка для присоединения к вакуум-
ной системе; стрелкой указан вход струи
пара из паропровода в сопло.
Рис. 5-36. Расположение ловуш-
ки между откачиваемым объек-
том и пароструйным насосом.
/ — откачиваемый объект; 2 — трубо-
провод; 3 — ловушка; 4 — сосуд для
сжиженного газа; 5 — трубка для при-
соединения к пароструйному насосу.
3) достаточно низкого выпускного давления (ниже кри-
тического); ?.i J.Cf
4) достаточно интенсивного охлаждения стенок холо-
дильника.
При работе пароструйных насосов любой конструкции
одновременно с желательным явлением — проникновением'
газа из вакуумной системы в струю пара рабочей жидко-
сти — происходит и нежелательное явление — диффузия
пара в вакуумную систему (в основном со стенок холодиль-
ника). Давление воздуха, а также других газов и пароВ'
в вакуумной системе благодаря работе насоса может быть
снижено до 10“6 мм рт. ст. и ниже, в то же время пар
рабочей жидкости распространяется по всей вакуумной си-
стеме с давлением насыщения, соответствующим темпе--
чз
ратуре стенок холодильника. Последняя обычно 'близка
к комнатной температуре (20°С); поэтому в случае паро-
ртутного насоса в вакуумной системе устанавливается да-
вление насыщенного пара ртути порядка 10“3 мм рт. ст.
(табл. 1-2).
Забегая вперед, отметим, что давление ртутного пара
при необходимости можно снизить путем дополнительной
конденсации при помощи «вымораживающей» ловушки меж-
ду диффузионным насосом и откачиваемым объектом
(рис. 5-36). О работе ловушки говорится в § 5-8.
Характеристика стеклянных ртутных
диффузионных насосов
Поскольку стеклянные диффузионные насосы до сих пор
применяются довольно широко, рассмотрим особенности,
присущие именно этим насосам.
Достоинствами стеклянных ртутных диффузионных на-
сосов являются: относительная простота изготовления (стек-
лодувная работа) и надежная герметичность как самого
насоса, так и места присоединения его к стеклянной ва-
куумной системе (спайка). Однако стеклянные насосы
имеют и много недостатков, связанных главным образом
с непрочностью стекла в отношении механических и терми-
ческих воздействий. В связи с этим они требуют осторожно-
го обращения, что затрудняет их использование в производ-
ственных условиях. В частности, нельзя держать включенным
подогреватель, если давление в насосе может повышаться
до атмосферного или хотя бы до нескольких сот миллимет-
ров ртутного столба. При высоких давлениях температура
ртути повышается, и если давление снова быстро понизит-
ся, то ртуть бурно вскипает, и горячие брызги ртути, попа-
дающие на более холодные стенки насоса, разрушают их.
Малая термическая устойчивость стекла не позволяет при-
менять мощный подогрев, и, следовательно, в стеклянных
насосах нельзя достигать больших динамических давлений
при выходе пара из сопла; малая теплопроводность стекла
снижает эффект охлаждения стенок холодильника проточ-
ной водой. В связи с этими недостатками стеклянные диф-
фузионные ртутные насосы применяются главным образом
в лабораторных условиях; при соблюдении мер предосто-
рожности их можно применять и в производственных цехах,
однако именно неудобства применения стеклянных насосов
7* 99
в производственных условиях и заставили обратиться к раз-
работке металлических диффузионных насосов.
Параметры стеклянных ртутных диффузионных насосов
в зависимости от конструкции колеблются в следующих пре-
делах: предельное давление (с вымораживанием паров) —
до 10~6 мм рт. ст., критическое давление — от нескольких
сотых до десятых долей миллиметра ртутного столба, бы-
строта действия — от 0,5 до нескольких литров в секунду
(при давлении 1 • 10-3 мм рт. ст. у входа в насос).
Металлические парортутные
диффузионные насосы
Металлические диффузионные насосы более прочны, что
особо ценно в производственных условиях; кроме того, эти
насосы могут иметь значительно большие размеры и, сле-
Рис. 5-37. Схема металличе-
ского парортутного диффузион-
ного насоса.
1 — испаритель; 2 — паропровод; 3 —
зонтичное сопло; 4—впускное отвер-
стие насоса; 5 — патрубок предвари-
тельного вакуума; 6 — водяная ру-
бащка; 7 — подогреватель.
Рис. 5-38. Зонтичное сопло ме-
таллического диффузионного
пароструйного насоса.
довательно, большую быстроту действия; далее именно ме-
таллические насосы позволяют использовать подогреватели
больших мощностей и тем создавать большие динамические
давления пара рабочей жидкости при выходе из сопла; бла-
годаря большим мощностям подогревателей металлические
100
ртутные диффузионные насосы могут нормально рабо-
тать при значительно более грубом предварительном раз-
режении.
На рис. 5-37 дана схема работы металлического паро-
ртутного диффузионного насоса. Она принципиально не
отличается от схемы р,ис. 5-33; стрелками обозначены процесс
циркуляции ртути, вход и выход газа при его перемещении
через насос и, наконец, движение проточной воды через во-
дяную рубашку. Отличие этой схемы по сравнению со схе-
мой рис. 5-33 заключается только в устройстве сопла, имею-
щего у металлических диффузионных насосов форму зон-
тика, осуществляющего выход ртутного пара из сопла вниз.
На рис. 5-38 показана наиболее .часто применяемая кон-
струкция зонтичного сопла для металлических парортутных
диффузионных насосов; сечение этого сопла принципиально
подобно сечению сопла на рис. 5-34: после сужения при вхо-
де в коническую часть пар проходит через постепенно рас-
ширяющийся зазор между стенками зонтика.
Металлический одноступенный
парортутный диффузионный насос
На рис. 5-39 изображен стальной одноступенный диффу-
зионный насос — одна из первых конструкций. В качестве
материала выбрана сталь, на которую ртуть химически не
действует. В нижней части корпус имеет утолщенные стен-
ки, ограничивающие испаритель /; средняя часть (холо-
дильник) окружена водяной рубашкой 2, которая отделяет-
ся от испарителя для уменьшения теплопроводности уча-
стком корпуса с более тонкими стенками 3; верхняя часть
корпуса 4 имеет снаружи коническую форму и предназна-
чена для присоединения к вакуумной системе при помощи
так называемого шлифа (§ 8-2); сбоку к нижней части хо-
лодильника приварен патрубок предварительного вакуу-
ма 5, проходящий через стенки водяной рубашки до внут-
ренней стенки холодильника. Внутри насоса имеется не-
сколько деталей, назначение которых ясно из рассмотрения
процесса циркуляции ртути. Подогреваемая до- кипения
ртуть в испарителе является источником пара, который
имеет выход только в паропровод 6 через отверстие
в центре скошенного цилиндра 7; последний своей боковой
поверхностью плотно прижат к стенкам верхней части испа-
рителя, чтобы не давать возможности пару проникнуть в хо-
лодильник помимо паропровода. На верхнем конце паро-
101
провода сбоку имеется отверстие 8 для выхода пара в хо-
лодильник. Конец паропровода с отверстием 8 и зонти-
ком 9 представляет собой диффузионное сопло, из которого
ртутный пар попадает на
стенки холодильника. Стекая
вниз, капли ртути попадают
на верхнюю поверхность ско-
шенного цилиндра 7, имею-
щую наклон, по которому
ртуть скатывается в самую
нижнюю часть этой поверх-
ности; здесь, сбоку от паро-
Рис. 5-39. Металлический одно-
ступенный парортутный насос.
/ — испаритель; 2 — водяная рубашка;
3 — переход от испарителя к холодиль-
нику; 4— конус для присоединения шли-
фа; 5 — патрубок предварительного ва-
куума; 6— паропровод; 7 -скошенней
цилиндр; 8 — отверстие в паропроводе;
9— сопло; 10— трубка для стока скон-
денсировавшейся ртути; 11—усики.
провода, имеется отверстие,
через которое ртуть попадает
в тонкую трубку 10 и далее
по этой трубке — в испари-
тель; конец трубки 10 дохо-
дит до дна испарителя, так
что нижняя ее часть погру-
жена в ртуть, и этим устра-
няется возможность попада-
ния в нее ртутного пара; вы-
ход ртути из трубки 10 в ис-
паритель облегчается благо-
даря косому срезу ее.
Во избежание поднима-
ния внутренних частей насо-
са под напором ртутного па-
ра сверху имеются усики 11,
упирающиеся в выемки внут-
ренней поверхности конуса.
Параметры насосов описанной конструкции таковы: пре-
дельный вакуум (с вымораживанием паров) Ю"6 мм рт. ст.,
критическое давление — около 1 мм рт. ст., быстрота дей-
ствия 1 л!сек при давлении 1 • 10~3 мм рт. ст.
Металлический двухступенный
парортутный диффузионный насос
На рис. 5-40 изображен стальной двухступенный ртут-
ный диффузионный насос. Благодаря наличию двух сопел
конструкцию этого насоса следует считать более совер-
шенной.
Корпус А состоит из цилиндра 1, имеющего внизу уши-
рение для испарителя со ртутью; фланца 2, приваренного
102
к цилиндру 1, для присоединения к трубопроводу вакуумной
системы и водяной рубашки 4 с патрубками 5 (нижним для
впуска, верхним для выпуска проточной воды). Через всю
водяную рубашку, огибая цилиндр 1, проходит выпускной
-138
Ф80-
Ф1ОБ
Рис. 5-40. Металлический двухступенный пароструйный
диффузионный насос Н-5Р.
патрубок 6. Такое расположение выпускного патрубка на
большой длине в проточной воде способствует лучшей кон-
денсации ртутного пара, неизбежно попадающего в этот
патрубок, и стеканию ртути обратно в испаритель; тем
самым обеспечивается и лучшая защита- насоса предвари-
тельного вакуума от попадания в него ртути.
юз
Нижняя часть цилиндра, включая испаритель, окружена
кожухом 7 с теплоизоляционным слоем асбеста 8, благо-
даря которому ртутный пар лучше сохраняет тепло, полу-
ченное в испарителе.
Паропровод имеет два сопла: верхнее 9 и нижнее 10;
нижняя часть паропровода носит название юбки 11; паро-
провод покоится на съемном кольце 3, которое обеспечи-
вает правильное положение паропровода (окончательная
центровка паропровода производится двумя специальными
штифтами); над кольцом создается ртутный затвор, предот-
вращающий проникновение ртутного пара из испарителя
в насос помимо паропровода. Сток ртути обратно в ис-
паритель происходит через отверстия в нижней части
юбки 11.
Обратим внимание на следующую конструктивную осо-
бенность рассматриваемого насоса, общую для двухступен-
ных насосов. Как нетрудно видеть из рис. 5-40, кольпевой
зазор между соплом и стенками холодильника, через кото-
рый удаляемый из вакуумной системы газ диффундирует
в струю ртутного пара, у верхнего сопла значительно шире,
чем у нижнего. Благодаря увеличенному кольцевому зазору
насос имеет относительно большую быстроту действия SH
при низких впускных давлениях р2; но в то же время при
большем зазоре, как мы знаем, динамическое давление струи
вблизи стенок холодильника ослабляется и, следовательно,
верхнее сопло требует более низкого критического давле-
ния р . Однако здесь на помощь ’ приходит нижнее сопло.
При меньшем кольцевом зазоре нижнее сопло обладает
меньшей быстротой действия S", и, следовательно, его впу-
скное давление р2 выше впускного давления р2 для верх-
него сопла; но при этом давление /^'должно оставаться мень-
шим критического давления р для верхнего сопла; иначе
говоря, нижнее сопло должно удовлетворять условию вида
(5-6):
где Р2^РК> в т0 же время критическое давление р* ниж-
него сопла, а следовательно, и всего насоса будет выше
Л-
Если требуется подобрать насос предварительного ваку-
ума, то он должен удовлетворять условию вида (5-6) по от-
.104
ношению не к верхнему, а к нижнему соплу, а именно его
быстрота действия S* и впускное давление р2 должны быть
такими, чтобы
р2
Рис. 5-41. Зависимость быстроты дей-
ствия насоса Н-5Р от мощности подо-
гревателя.
насос
нашей
Мощность подогрева, Вт
Рис. 5-42. Зависимость
критического давления
насоса Н-5Р от мощности
подогрева.
где р'"<р"к.
Таким образом, двухступенная конструкция пароструй-
ного насоса имеет то преимущество перед одноступенной,
что позволяет получить насос с большой быстротой дей-
ствия при относительно высоких критических давлениях.
Описанный выше
двухступенный ртутный
диффузионный
выпускается
промышленностью под
маркой Н-5Р. Он имеет
предельное давление
порядка 10“7 мм рт. ст.
(при вымораживании
паров), быстроту дей-
ствия 8—10 л/сек при
давлении 10-4 мм рт. ст.
и критическое давление около 1 мм рт. ст. Остальные пара-
метры этого насоса, а также параметры других выпускае-
мых нашей промышленностью металлических ртутных диф-
фузионных насосов приведены в при-
ложении V.
На примере насоса Н-5Р рас-
смотрим влияние мощности подогре-
вателя на быстроту действия и на
величину критического давления.
Из рИС. 5-41 ВИДНО; что с точки
зрения быстроты действия сущест-
вует оптимальная мощность подо-
гревателя, ниже которой быстрота
действия снижается ввиду все более
возрастающего влияния выпускного
давления, которое стремится про-
рвать паровую завесу и, наконец,
полностью парализует работу насо-
са; с увеличением мощности подо-
гревателя выше ее оптимального значения наблюдающееся
снижение быстроты действия объясняется меньшей быстро-
той диффузии газа в более плотную струю.
105
Рис. 5-42 показывает, что с возрастанием мощности по-
догревателя критическое давление насоса быстро увеличи-
вается. Однако не следует забывать, что сильное повыше-
ние мощности подогревателя связано с падением быстроты
действия. Поэтому мощность подогревателя, вообще гово-
ря, устанавливается с учетом назначения данного насоса
(требуется ли большая быстрота действия или же высокое
критическое давление).
Парортутные эжекторные сопла и насосы
При дальнейшем развитии многоступенной откачки вы-
явилась целесообразность применения так называемых
эжекторных сопел; последние по сравнению с рассмотрен-
Рис. 5-44. Нормальное эжектор-
ное сопло.
1 — входное отверстие для пара из па-
ропровода; 2- рабочее сопло; 3—ка-
мера; 4 — впускное отверстие для газа
из вакуумной системь; 5 — диффузор;
6—выпускное отверстие для пара и
газа в холодильник.
Рис. 5-43. Струя ртутного пара,
выходящая из цилиндрического
сопла при повышенном давлении
газа.
ными выше соплами, кото-
рые мы можем назвать диф-
фузионными, имеют иной
механизм действия и более
сложное устройство.
На рис. 5-34 мы видели,
какой характер имеет струя
пара рабочей жидкости из диффузионного сопла при доста-
точно низких рабочих давлениях. Основной особенностью
этой струи являются расходящаяся (к стенкам холодиль-
юс
ника) форма и возможность проникновения в нее газа пу-
тем диффузии под разностью парциальных давлений газа
над соплом и в струе пара.
Если, не меняя конструкции сопла, заставить струю
ртутного пара выходить при более высоком давлении газа
над соплом, когда это давление 'превышает полное давле-
ние (пара и газа) под соплом, то струя пара примет вид,
изображенный на рис. 5-43. Она перестает рассеиваться и
принимает более определенное направление; линии пото-
ка пара уже не доходят до стенок, окружающих струю. На
границе соприкосновения газа со струей пара образуются за-
вихрения, состоящие из смеси газа с паром, перемещаю-
щиеся вниз с большой скоростью; на место удаляемого та-
ким путем газа в пространство, окружающее струю, посту-
пают новые порции газа из вакуумной системы. В этом, соб-
ственно говоря, и заключается эжекторное действие струи
ртутного пара, если конструкцию диффузионного сопла
оставить неизмененной.
Однако работа сопла на эжекторном принципе достаточ-
но эффективна только при условии, что сопло имеет более
приспособленную для эжекторного действия конструкцию.
На рис. 5-44 изображена схема нормального эжекторного
сопла, в которое пар рабочей жидкости поступает через
входное отверстие 1. Цифрой 2 обозначено так называемое
рабочее сопло, форма которого совпадает с формой., сопла,
указанного на рис. 5-35.
Мы уже указывали, что благодаря такой форме пар вы-
ходит из сопла с весьма большой скоростью. Это увеличе-
ние скорости происходит в согласии с законом сохранения
энергии: до сужения пар имеет меньшую скорость, но боль-
шее давление (большую потенциальную энергию), после су-
жения, попадая в коническую часть сопла, пар расширяет-
ся, его давление падает, но зато возрастает кинетическая
энергия, т. е. пар выходит из сопла с сильно возросшей ско-
ростью и потому направленной струей. Войдя в камере 3
в соприкосновение с газом, поступающим через впускное
отверстие 4, струя пара захватывает газ, теряет при этом
часть своей кинетической энергии и вместе с газом входит
в так называемый диффузор 5 уже с уменьшившейся ско-
ростью.
Диффузор представляет собой трубку, постепенно сужи-
вающуюся на большой своей длине, благодаря чему кине-
тическая энергия пара продолжает падать за счет повы-
шения давления. Из выпускного отверстия 6 диффузора
107
пар вместе с газом выходит при давлении, значительно пре-
вышающем давление в камере 3. Вышедший из диффузора
пар попадает на стенки холодильника насоса, а неконден-
сирующиеся газы и пары удаляются насосом предваритель-
ного вакуума или следующим эжекторным соплом. Такова
принципиальная схема работы эжекторных сопел; разли-
чия между ними могут быть лишь в несущественных де-
талях.
Из рассмотрения принципа действия эжекторных сопел
следует, что они, вообще говоря, не предназначены для при-
соединения непосредственно к высоковакуумной системе и
могут служить лишь в качестве вспомогательных, т. е. про-
межуточных сопел, располагаемых между высоковакуумным
(диффузионным) соплом и насосом предварительного ва-
куума. Существуют и специальные эжекторные насосы,
в конструкцию которых входят только эжекторные сопла.
Такие насосы рационально использовать также в качестве
вспомогательных насосов, располагаемых между диффу-
зионными и вращательными масляными насосами. Приме-
нение их в качестве самостоятельных насосов, непосред-
ственно присоединяемых к вакуумной системе, оправды-
вается лишь в тех случаях, когда требуется быстрое разре-
жение до не очень высокого вакуума, чего нельзя получить
от вращательных масляных насосов.
Занимая промежуточное место между диффузионными и
вращательными масляными насосами, эжекторные сопла и
насосы обладают тем особенно ценным свойством, что их
быстрота действия имеет максимальное значение как раз
в той области давлений, где быстрот действия вращатель-
ных масляных насосов становится недостаточной (вслед-
ствие близости к предельному давлению). Таким образом,
благодаря применению эжекторных насосов или сопел
облегчается полное использование того эффекта, который
должны давать высокоскоростные диффузионные насосы
(сопла) с большой шириной кольцевого зазора между соп-
лом и стенками холодильника.
Отметим, что при достаточно низком давлении газа на
входе и выходе эжекторное сопло может работать как диф-
фузионное, но, очевидно, с сильно пониженной быстротой
действия (вследствие малого зазора между рабочим соп-
лом и диффузором).
В качестве примера парортутного насоса, в котором при-
менены эжекторные сопла, рассмотрим металлический
трехступенный пароструйный насос (рис. 5-45); в нем,
J08
кроме зонтичного (диффузионного) сопла 3, имеется еще
два эжекторных сопла 4 и 5, представляющих собой на-
правленные вниз трубки, отходящие от паропровода, в ко-
тором для выхода пара к этим соплам имеются специаль-
ные отверстия; через диффузор
сопла ртутный пар попадает в хо-
лодильник, а газ, втягиваемый
струей пара в пространство под
диффузором, захватывается отсю-
да струей пара, выходящей из соп-
ла 5, после которого удаляется
•насосом предварительного вакуу-
ма (через патрубок 8). Из рис.
5-45 видно, что патрубок предва-
рительного вакуума S, беря нача-
ло из пространства-под соплом 5,
делает целый виток, проходя
вверх по водяной рубашке и вы-
ходя наружу из верхней части
корпуса. Этим, как мы уже отме-
чали, достигается лучшая защита
от попадания конденсирующейся
(жидкой) ртути в насос предвари-
тельного вакуума.' Сопло 4 обыч-
но работает как эжекторное толь-
ко в начале откачки; по мере сни-
жения давления оно может начать
работать как диффузионное, но
с малой быстротой действия.
Параметры насоса: предель-
ный вакуум (при вымораживании
паров) 10~6 мм рт. ст., критиче-
ское давление — до 40 мм рт. ст.,
быстрота действия 15—20 л]сек
при давлении ГО-3 мм рт. ст.
На рис. 5-46 изображен трех-
ступенный парортутный насос
Н-1ТР, выпускаемый нашей про-
мышленностью и являющийся
примером парортутных насосов
с большой быстротой действия
(\ = 1 500 л/сек при впускных
Рис. 5-45. Металлический
трехступенный парортут-
ный насос.
1 — испаритель; 2 — паропровод;
3 — диффузионное сопло; 4— пер-
вое эжекторное сопло; 5—вто-
рое эжекторное сопло; 6— труб-
ка для стока ртути; 7 — впускной
конический патрубок; 8— патру-
бок предварительного вакуума;
9— водяная рубашка; 10 — вход
проточной воды; 11 — выход про-
точной воды.
109
давлениях «в пределах 5 • 10~4н-10-5 мм рт. ст.).
Насос Н-1ТР рационально применять для откачки боль-
ших объемов, соединяемых с насосом, по возможности, ши-
роким и коротким трубопроводом или еще лучше совсем
без трубопровода. Благодаря тому, что в качестве третьей
Рис. 5-46. Металлический трехступенный
парортутный насос Н-1ТР.
ступени откачки применены два параллельно работающих
эжекторных сопла, насос работает при относительно высо-
ком выпускном давлении (/4=0,3 мм рт. ст.).
Рассмотрим вкратце устройство насоса Н-1ТР (рис. 5-46).
Здесь А, Б и В — корпус, паропровод и подогреватель на-
соса соответственно. Корпусом служит стальной цилиндр 1
с приваренным к нему днищем 2 (испарителя) и флан-
110
цем 3 (на впускной стороне). К корпусу приварен вы-
пускной патрубок 4 с ловушкой 5 для конденсации ртути
на стенках, охлаждаемых проточной водой. В выпускном
•патрубке расположен держатель 6 с двумя диффузорами 7;
последние изображены отдельно в сечении по /—/, захваты-
вающем также часть паропровода с отходящими от него
двумя параллельными эжекторными соплами. К нижней
части выпускного патрубка приварена пластина 8, благо-
даря которой при работе насоса поддерживается ртутный
затвор, разделяющий впускную сторону эжекторных сопел
от выпускной их стороны. Держатель 6 фиксирован в па-
трубке штифтом 9 и уплотняется тефлоновой прокладкой 10.
Патрубок для стока ртути охлаждается водяной рубашкой
11. Здесь же расположен пароотражатель 12, предохраняю-
щий от разогрева резиновую прокладку заглушенного флан-
ца /5; последний служит для установки держателя с эжек-
торными соплами при сборке насоса. Корпус охлаждается
водяной рубашкой 14.
Паропровод направляет пар из общего испарителя
к двум диффузионным и к двум эжекторным соплам. Верх-
нее диффузионное сопло (зонт 15 и подсопельник 16) и ниж-
нее диффузионное сопло (зонт 17, подсопельник 18 и
юбка 20) скрепляется между собою при помощи винта 19.
Эжекторные сопла 22 ввинчены в соплодержатель 21, при-
варенный к боковой поверхности юбки- В гнездо подсопель-
ника 23 укладывается набор шайб, при помощи которых
регулируется величина зазора между зонтом и подседель-
ником в верхнем сопле. Тот же зазор в нижнем сопле осу-
ществляется при помощи ограничителей 24.
Паропровод можно вытащить из корпуса скобой 25, на-
винчивающейся на крепежный винт. Нихромовая спираль 26
подогревателя укладывается в канавки керамической пли-
ты 27. 28 — щиток с клеммами; 29—корпус электронагре-
вателя с теплоизоляционной асбестовой набивкой 30.
Кривые рис. 5-4-7 и 5-48 характеризуют соответственно
зависимость быстроты действия насоса Н-1ТР от впускного
давления и от мощности подогревателя. Кривая на рис. 5-49
характеризует рост критического давления от мощности по-
догревателя.
Отметим основные преимущества и недостатки парортут-
ных насосов. Главным преимуществом их является очень
большая долговечность. Далее применение ртути обеспе-
чивает определенное, постоянное (для данной температу-
ры) давление насыщенного пара, постоянную (для дан-
111
кого давления) температуру кипения; ртуть в условиях ра-
боты пароструйного насоса остается химически неактивной,
не боится перегрева и соприкосновения с воздухом в горя-
чем состоянии.
Рис. 5-47. Зависимость быстроты действия парортутного
насоса Н-1ТР от впускного давления.
Наряду с указанными достоинствами приходится, одна-
ко, отмечать и наличие весьма существенных недостатков
ртути как рабочей жидкости: даже при температуре проточ-
ной воды ртуть имеет давление насыщенного пара порядка
0,001 мм рт. ст., следова-
тельно, для достижения
надлежащего предельного
вакуума необходимо вы-
мораживать пары ловуш-
*1700
1300
see
Рис. 5-49. Зависимость критиче-
ского давления парортутного на-
соса Н-1ТР от мощности подо-
гревателя.
я»
«4 0.6 0.8 1,0 1.2 /,4 1.6 1.8 2.0
Мощность подогрева, к8т
Рис. 5-48. Зависимость быстроты
действия парортутного насоса
Н-1ТР от мощности подогрева-
теля.
ками; помимо этого, пары ртути, распространяющиеся
через насос предварительного вакуума в окружающее про-
странство, хотя бы и в очень небольшом количестве, явля-
ются вредными для человеческого организма; поэтому при
работе с ртутными насосами должны соблюдаться профи-
112
лактические мероприятия (специальное оборудование поме-
щения, выдача работающим нейтрализующего питания
и т. д.). Эти два главных недостатка ртути заставили обра-
титься к изысканию заменителей.
Рис. 5-50. Аппарат
для фракционной пе-
регонки масла.
/ — колба с маслом; 2 —
подогреватель; 3 — паро-
провод; 4—масляная ба-
ня; 5—нагреватель масля-
ной бани; 6 — сборник
фракций; 7 — трубка для
присоединения к насосу.
Паромасляные насосы
После длительных поисков первые удовлетворительные
результаты были получены с не очень легкими очищенны-
ми нефтяными маслами и эфирами, например с медицин-
ским вазелиновым маслом.
Вазелиновое масло является не од-
нородным веществом, а смесью боль-
шого числа фракций, представляющих
собой высшие углеводороды с различ-
ными температурами кипения, с раз-
личными давлениями насыщенного па-
ра, не говоря уже о различии в других
свойствах. Поэтому, прежде чем при-
менять масло в качестве рабочей жид-
кости, его необходимо предварительно
подвергнуть фракционной перегонке
при помощи постепенного нагревания
в вакууме (рис. 5-50). В процессе пере-
гонки наиболее легкие фракции начи-
нают заметно испаряться уже при
80° С; одновременно из масла удаля-
ются растворенные в нем воздух и вла-
га; когда температура масла достигнет
порядка 150° С, сосуд, в котором соби-
раются эти фракции (сборник), заме-
няется другим. В процессе дальнейше-
го нагревания оставшегося масла его
температура по мере испарения сле-
дующих более тяжелых фракций по-
степенно повышается и доходит до
220—230° С. Эти фракции и служат
для заливки масляных диффузионных
насосов. Остаток масла после перегонки представляет смесь
еще более тяжелых фракций, но в качестве рабочей жидко-
сти, она непригодна, так как температура кипения ее захо-
дит за допустимый предел, выше которого начинается раз-
ложение масла с образованием легких примесей.
Получаемое путем описанной перегонки масло Д-1 име-
ет широкое распространение. Основные требования, предъ-
8 Б. И. Королев. ' 113
являемые к этому маслу, приведены в выписке из ГОСТ
7404-56 (см. приложение 1Ха).
Максимальное давление насыщенных паров рабочих
фракций хорошего масла должно быть порядка 10~8—
10“9 мм рт. ст.
Из сказанного можно сделать вывод, что из нефтяных
масел, в частности из медицинского вазелинового масла,
можно получить рабочую жидкость, не имеющую недостат-
ков, свойственных ртути: давление насыщенного пара масла
настолько низко, что применение вымораживания паров ло-
вушками становится ненужным (за редкими исключения-
ми); точно так же с заменой ртути маслом устраняется
вредность паров рабочей жидкости для здоровья работаю-
щих.
К сожалению, масло не обладает достоинствами, свой-
ственными ртути; будучи неоднородным по составу, масло
не обладает определенной точкой кипения; давление насы-
щенного пара масла не остается постоянным, так как с те-
чением времени работы насоса постепенно образуются бо-
лее легкие фракции, обладающие большим давлением на-
сыщенных паров; в отличие от ртути масло боится перегре-
ва и соприкосновения в горячем состоянии с атмосферным
воздухом, в результате которых происходит окисление масла
и быстрое разложение тяжелых фракций ла более легколе-
тучие, а давление насыщенных паров масла в целом повы-
шается до недопустимо высокого значения.
Помимо этого, легколетучие фракции могут в большом
количестве перейти в насос предварительного вакуума. Ес-
ли в качестве последнего взят, как обычно, вращательный
масляный насос, то попавшие в него легкие фракции сме-
шиваются с маслом ВМ-4, вследствие чего насос перестает
обеспечивать требуемое для паромасляного насоса выпуск-
ное давление. Наконец, необходимо отметить большую спо-
собность масел растворять в своем составе газы и пары;
после соприкосновения с воздухом масло, залитое в насос,
при нагревании выделяет большое количество растворив-
шихся в нем газообразных продуктов. В связи с этим вскоре
после включения насоса давление в вакуумной системе на-
чинает заметно^ повышаться; пройдя через максимум, давле-
ние по мере удаления выделяющихся из нагреваемого масла
газообразных продуктов опять начинает падать и затем па-
ромасляный насос начинает нормально работать.
Несмотря на относительно быстрое удаление из масла
растворившихся в нем газообразных продуктов, все же
1 14
Рис. 5-51. Сте-
клянный паро-
масляный диф-
фузионный на-
сос.
1—впускной патру-
бок; 2—выпускной
патрубок; 3—испа-
ритель; 4 — паро-
провод; 5 — сопло;
6—водяная рубаш-
ка; 7 —трубка для
стока масла.
большая способность растворять газы является определен-
ным недостатком масел как рабочих жидкостей, так как при
каждом новом разогреве масла в присутствии выделяюще-
гося из него воздуха образуется некоторое, хотя бы и не-
значительное, количество более летучих фракций.
Все эти недостатки масел, применяемых в качестве ра-
бочих жидкостей в пароструйных насосах, заставляют про-
должать изыскания более совершенных рабочих жидкостей
и разрабатывать способы их более рационального исполь-
зования в пароструйном насосе.
В этом отношении в настоящее время достигнуты зна-
чительные успехи: разработаны новые, так называемые си-
ликоновые или полисилоксановые масла, обладающие боль-
шой устойчивостью, выдерживающие длительное соприкос-
новение с атмосферным воздухом в горячем состоянии, а
также допускающие значительно больший перегрев по срав-
нению с маслом Д-1.
Силиконовые масла представляют собой углеводороды,
в состав молекул которых входит окись кремния; поэтому их
можно называть также кремнийорганичеоки-
ми жидкостями. Из отечественных марок
силиконовых масел наибольшее распростра-
нение получила так называемая «вакуумная
кремнийорганическая жидкость» ВКЖ-94.
Последними разработками являются «поли-
фенилметилсилоксановые» смеси ПФМС-1,
ПФМС-2 и ПФМС-3, применяющиеся в па-
ромасляных насосах различного назначения
(см. приложение 1X6).
Простые парома с лян ы е
диффузионные насосы
Стеклянный паромасляный диффузион-
ный насос. Рассмотрение конструкций паро-
масляных насосов начнем со стеклянного
насоса (рис. 5-51). Отличительная особен-
ность именно этой конструкции заключается
в том, что сопло направлено вверх, благо-
даря этому вход в насос 1 оказывается
снизу, а выпускной патрубок 2 сверху; такое
сопло принято называть прямым или «не-
обращенным» в отличие от знакомых уже
нам «обращенных» сопел, подающих струю
пара в направлении книзу. Отметим, что
115
с необращенными соплами -можно делать пароструйные на-
сосы с любой рабочей жидкостью.
Стеклянные паромасляные насосы описанной конструк-
ции могут иметь различную быстроту действия, зависящую
от ширины кольцевого зазора сопла, но не превышающую
нескольких литров в секунду. Критическое давление — до
5-10~2 мм рт. ст. Предельный вакуум зависит от качества
масла.
Со свежим маслом марки Д-1 можно получить ва-
куум порядка 10~7 мм рт. ст.; однако если в масле увели-
чилось содержание более летучих фракций, то предельное
давление, создаваемое насосом, повышается.
Металлический двухступенный паромасляный диффу-
зионный насос. Примером конструкции такого насоса слу-
жит насос, изображенный на рис. 5-52. К стальному кор-
пусу 1 приварено дно в виде обращенного книзу стакана 2,
в который вставляется электрический подогреватель 3. Кор-
пус окружен водяной рубашкой 4. Отверстие 5—впускное;
патрубок 6 служит для присоединения к насосу предвари-
тельного вакуума. Детали паропровода удерживаются и
центруются по оси корпуса при помощи стержня 7 и спе-
циальной гайки 8 с направляющими шпильками; гайка на-
винчивается на верхний конец стержня. Пары масла из ис-
парителя 9 поступают в медный паропровод 10 и далее
через сопла 11 и 12 попадают в холодильник. Конденсиро-
ванное на стенках холодильника масло стекает вниз и по-
падает в узкий зазор между испарителем и стенками кор-
пуса; в испаритель масло попадает из этого зазора через
имеющиеся в нем отверстия 13. Так как в зазоре вне испа-
рителя постоянно имеется масло, дающее встречный поток
пара помимо паропровода, то для задержания потока преду-
смотрены три козырька 14, укрепленных на паропроводе.
Присоединение насосов к стеклянным системам осу-
ществляется при помощи так называемых переходов
(металл — стекло), которые описаны в § 8-2. Металлическая
(нижняя) часть такого перехода частично изображена на
рис. 5-52. Вместо- подобного перехода можно применять
простую стеклянную трубку. Присоединение к насосу пере-
хода (его металлической частью) или же стеклянной труб-
ки осуществляется при обязательном применении надежного
уплотнителя, обладающего низким давлением насыщенного
пара (например, битума).
Параметры насоса: предельный вакуум (без выморажи-
вания) — до 10~6 мм рт. ст. (зависит от качества масла),
116
критическое давление — не выше 0,05 мм рт. ст., быстрота
действия 8 л/сек при давлении 10~4 мм рт. ст.
Описанная 1коииструкци1я прин-
ципиально не отличается от двух-
ступенного парортутного насо-
са, изображенного, например, на
рис. 5-40, но имеет ряд особенно-
стей, присущих металлическим
паромасляным насосам вообще.
Так, например, то обстоятельство,
что масло (в отличие от ртути)
смачивает металлические поверх-
ности, не* позволяет делать такие
же узкие зазоры между соплом и
стенками холодильника, как во
второй ступени откачки двухсту-
пенного йарортутного насоса; в
результате второе сопло парома-
сляного насоса требует более низ-
кого критического давления.
Потребность в более низком
критическом давлении вызывает-
ся также и тем, что из-за опасно-
сти перегрева масла в паромасля-
ных насосах вообще нельзя при-
менять подогреватели повышен-
ных мощностей и, следовательно,
нельзя получать таких же боль-
ших динамических давлений при
выходе пара из сопла, как в слу-
чае ртути; в связи с опасностью
перегрева масла в паромасляных
насосах эжекторные сопла не ра-
ботают с такими же высокими
критическими давлениями, как
парортутные эжекторы. В кон-
струкции паромасляного насоса
всегда предусматривается равно-
мерное нагревание масла подо-
гревателем.
Ряд деталей насоса, в частно-
сти паропровод, можно делать из
красной меди, из алюминия и дру-
гих металлов, обладающих хоро-
Рис. 5-52. Простой метал-
лический двухступенный па-
ромасляный насос.
1 — корпус; 2 — дно в виде ста-
кана; 3— подогреватель; 4—водя-
ная рубашка; 5 -впускное отвер-
стие; 6 —патрубок предваритель-
ного вакуума; 7—стержень; 8 —
гайка с направляющими шпиль-
ками; 9— испаритель; 10 — паро-
провод; 11 — верхнее сопло; 12 —
нижнее сопло; 13 — отверстия в
испарителе; 14 — козырьки; 15 —
центрирующие крестш ин ; 16—
уплотнение; 17 — металлическая
часть перехода «металл-стекло».
117
шеи теплопроводностью, так как в отличие от ртути масло
химически с этими металлами не реагирует.
В дополнение к насосу, изображенному на рис. 5-52,
рассмотрим схему простого металлического двухступенного
насоса, отличающегося тем, что в нем применены обра-
щенное и необращенное сопла, благодаря чему сокращается
Рис. 5-53. Металлический паромасля-
ный насос с диффузионным соплом
на стороне высокого вакуума и эжек-
торным соплом на стороне предва-
рительного вакуума.
высота насоса. Выпускное сопло этого насоса является
эжекторным.
Работа насоса понятна из рассмотрения рис. 5-53.
Описанные выше двухступенные паромасляные насосы
мы назвали простыми; основанием для этого' является та их
особенность, что оба сопла работают на м'асле одинакового
фракционного состава. Если насос залит маслом, обогащен-
ным легкими фракциями, или это обогащение произошло
в процессе работы насоса, например вследствие соприкосно-
вения горячего масла с воздухом, то легкие фракции будут
попадать из испарителя в одинаковом количестве в оба
сопла; таким образом, в простом паромасляном насосе на-
личие в масле даже небольшого количества летучих фрак-
ций непосредственно сказывается на работе насоса в виде
повышения предельного давления, достигаемого насосом.
Недостаток простых паромасляных насосов — сильная
'зависимость предельного давления от качества масла —
в некоторой мере устраняется в так называемых разгоноч-
ных паромасляных насосах.
118
Разгоночные насосы
Разгонка в жидкой фазе. Разгоночные паромасляные на-
сосы отличаются тем, что в них самих происходит автомати-
ческое разделение фракций масла (разгонка). В таком на-
сосе через некоторое время после начала его работы в паро-
проводе, связанном с высоковакуумным соплом, концентри-
руются тяжелые фракции масла. Благодаря автоматической
разгонке достигается устойчивый предельный вакуум поряд-
ка 10-6 мм рт. ст. и выше.
Разгоночные насосы изготовляются на различную бы-
строту действия — от нескольких литров до нескольких
тысяч литров в секунду. В зависимости от конструкции на-
соса (^ширины зазора и количества сопел) разгоночные
насосы обладают критическим давлением от нескольких
тысячных до нескольких сотых миллиметров ртутного стол-
ба. В последнее время в связи с разработкой температуро-
устойчивых рабочих жидкостей критическое давление ока-
залось возможным повысить до 3 мм рт. ст. и более.
Принципиальная схема насоса, <в котором разгонка про-
исходит в жидкой фазе, изображена на рис. 5-54. Испари-
Рис. 5-54. Схема паромаслянного
насоса с разгонкой в жидкой фазе.
1,2, 3 и 4—испарители; 5—трубка
для присоединения к вакуумной системе;
6—трубка для стока сконденсировав-
шегося масла; 7 — трубка к насосу пред-
варительного вакуума.
тели 1, 2; 3 и 4 сообщаются между собой узкими утеплен-
ными трубками, причем каждый испаритель подает пары
масла в отдельное сопло. По расположению сопел нетруд-
но догадаться, что к откачиваемой системе насос должен
присоединяться трубкой 5, служащей холодильником, и к на-
сосу предварительного вакуума — трубкой 7. Если во всех
испарителях налито масло одного и того же состава, то
в процессе работы насоса этот состав не может сохраняться
одинаковым для всех испарителей, так как будет происхо-
дить постепенная разгонка масла.
Очевидно, что' в первое время в испаритель 1 по трубке 6
стекает из всех сопел масло1 примерно одинакового состава,
119
но далее из испарителя 1 в первую очередь под влиянием
нагрева испаряются легкие фракции; следовательно, в сле-
дующий испаритель 2 по соединительной трубке попадает
масло, освободившееся от самых легких фракций. Из испа-
рителя 2 также в первую очередь испарятся самые легкие
из оставшихся фракций, следова-
тельно, в испаритель 3 попадет мас-
ло с еще более тяжелыми фракция-
ми и т. д. В испаритель 4 попадут,
таким образом, самые тяжелые
фракции.
В результате такой разгонки вы-
с оков аку умное сопло, ближайшее
к откачиваемому объекту, работает
только на масле, имеющем наимень-
Рис. 5-55. Схемы просто- шее. давле1НИе насыщенного пара,
го (а) и разгоночного (б) г ’
насоса. благодаря чему и повышается пре-
дельный вакуум в объекте; сопло,
ближайшее к насосу предварительного вакуума, работает
на самых легких фракциях.
В основу описанного способа автоматического разделе-
ния фракций масла в насосе положена разгонка в жидкой
фазе.
Этот способ получил широкое распространение .и в том
или ином конструктивном оформлении применяется во
многих паромасляных насосах. Для пояснения процесса
разгонки фракций масла в жидкой фазе в паромасляных
насосах обычной конструкции сопоставим схемы просто-
го и разгоночного двухступепных паромасляных насосов
(рис. 5-55).
Простой насос (а) становится разгоночным (б), если
паропровод, идущий от верхнего сопла, не переходит в зон-
тик нижнего, как у простого насоса (а), а продолжен до
испарителя, как в разгоночном насосе (б). Это продолжение
создает отдельный, внутренний паропровод для верхнего
сопла; одновременно получается отдельный концентриче-
ский внешний паропровод, по которому пар рабочей жидко-
сти может попадать только в нижнее сопло.
Нетрудно видеть, что таким расположением паропрово-
дов воспроизводится принцип разгоночного устройства
(рис. 5-54) и это расположение оказывается достаточным
для того, чтобы в процессе работы насоса осуществлялась
автоматическая разгонка фракций масла в жидкой фазе:
тяжелых — в верхнее высоковакуумное сопло и легких —
120
в нижнее сопло, связанное с насосом предварительного ва-
куума. Действительно, конденсирующееся холодное масло,
стекая обратно в испаритель, может попадать в него только
со стороны наружного паропровода; пока масло доберется
до центра испарителя, имеющиеся в нем легкие фракции на-
греются и испарятся уже па участке внешнего паропрово-
да и потому попадут в нижнее сопло, а тяжелые фракции,
требуя для интенсивного испарения более длительного на-
грева (до более высокой температуры), дойдут до центра
испарителя и при испарении отсюда попадут в верхнее
сопло.
Если разгоночный насос имеет три диффузионных сопла,
то аналогично только что сказанному в насосе делается три
концентрических паропровода.
Таким образом, в основе конструкции разгоночных
паромасляных насосов лежит осуществление такой цирку-
ляции масла, при которой масло, конденсирующееся на
стенках холодильника, стекая в испаритель, попадает сна-
чала в его участок, связанный с последним (выпускным)
соплом, и лишь в последнюю очередь — в участок, связан-
ный с наиболее ответственным, внутренним паропроводом,
подающим пар в высоковакуумное сопло.
Металлический двухступенный
разгоночный насос ММ40А
На рис. 5-56 изображен (в разрезе) выпускаемый нашей
промышленностью разгоночный насос ММ40А, в конструк-
ции которого применена рассмотренная выше схема с кон-
центрическими паропроводами. Конструктивные детали на-
соса указаны цифрами на рис. 5-56. И в этом насосе в верх-
нее сопло пары масла подаются по внутреннему паропрово-
ду, в нижнее’—по внешнему паропроводу, охватывающему
внутренний.
По выходе из сопел пары конденсируются на стенках
холодильника и стекают, попадая в камеру 4. Обратное
испарение масла из этой камеры затруднено вследствие
непрерывного поступления свежего масла, охлажденного
в холодильнике; кроме того, молекулы пара, вылетающие
из этой камеры вверх, задерживаются козырьками, распо-
ложенными аналогично козырькам в насосе простой кон-
струкции на внешнем паропроводе. Попадая в камеру 3
и далее через отверстие разделительного цилиндрика в ка-
меру 2, легкие фракции уже успевают нагреться до темпе-
ратуры, достаточной для их испарения, которое и происхо-
121
дит раньше, чем эти фракции попадут в центральную ка-
меру 1, связанную с высоковакуумным (верхним) соплом;
разделительный цилиндрик, а также редкие и смещенные
Рис. 5-56. Металлический двухступенный разгоночный насос.
1 — центральная камера испарителя; 2 — камера между внут-
ренним паропроводом и распределительным цилиндриком;
3 — камера между разделительным цилиндриком и внешним
паропроводом; 4 — камера между внешним паропроводом и
стенкой корпуса; 5 — верхнее сопло; 6 — нижнее сопло; 7 —
впускное отверстие (высверливается до требуемого диамет-
ра); 8 — патрубок предварительного вакуума; 9— корпус на-
соса; 10 — водяная рубашка; И и 12—вход и выход проточ-
ной воды; 13—пластина для крепления насоса; 14 — подогре-
ватель; 15 — разделительный цилиндрик:
друг относительно друга отверстия в паропроводах и раз-
делительном цилиндрике способствуют задержке легких
фракций в камерах 2 и 3.
122
Рис. 5-57. Схема паромасля-
ного насоса А338-03; при-
крепленные к дну перего-
родки (три в камере II и
две в камере /) замедляют
перемещение масла.
не доходя до его
Таким образом, нижнее сопло начинает и продолжает
работать именно на этих легких фракциях масла. В цен-
тральной же камере 1 масло постепенно освобождается от
легких фракций и в верхнее, высоковакуумное сопло по-
падают пары только тяжелых фракций, на которых оно и
работает. В результате насос может создавать устойчивое
предельное давление 1 • 10 6 мм
рт. ст. и ниже. Остальные пара-
метры насоса: критическое дав-
ление 0,05 мм рт. ст., быстрота
действия 40 л! сек при давлении
10-4 мм рт. ст.
В качестве второго примера
разгоночного насоса .рассмотрим
металлический четырехступенный
паромасляный насос А338-03, в
котором принцип разгонки масла
в жидкой фазе осуществлен при
ином (не концентрическом) рас-
положении паропроводов (рис.
5-57). Мы видим, что сопла 1 и 2
являются зонтичными (обращен-
ными) , сопла 3 и 4 — .прямыми
(необращенными); резервуар ис-
парителя для всех сопел' являет-
ся общим, ио он разделен на две
камеры I и II перегородкой, про-
ходящей в середине испарителя
по всей его ширине, несколько
Охлаждение масла по выходе из сопел осуществляется при
помощи змеевиков, припаянных к стенкам холодильников
4 и 5.
Сток охлажденного масла происходит по стенкам обоих
холодильников, после чего масло продолжает стекать
в зазоре между цилиндрическими поверхностями, занимаю-
щими крайнее положение в испарителе. Однако в рабочую
часть испарителя масло1 может попасть только через един-
ственное отверстие в стенке камеры II, в месте (стрелка на
рис. 5-57), наиболее удаленном от перегородки. Следова-
тельно, при своей циркуляции масло обязательно должно
сначала пройти через это отверстие, далее через камеру II
под выпускным соплом, отдать здесь наиболее легкокипя-
щие фракции и только после этого масло, обогащенное тя-
желыми фракциями, может попасть через узкую щель меж-
123
ду перегородкой и дном, испарителя в камеру 1, связанную
с высоковакуумным соплом.
Насосы описанной выше конструкции имеют весьма ма-
лые размеры и потому удобны для работы на откачных
полуавтоматах. Быстрота действия насосов 5 л/сек при
10~4 мм рт. ст., максимальное выпускное давление около
Рис. 5-58. Паромасляный насос Н-8Т.
/ — впускной фланец; 2 — выпускной патрубок; 3 - заглушенный фла-
нец (для установки эжекторных сопел); 4 — штуцер для выхода воды;
5—штуцер для входа вод ; 6—шть рь для крепления подогревателя;
7 — паропровод для верхнего сопла; 8 — крепежный стержень; 9 — па-
ропровод для нижнего сопла; 10 и 11 — детали диффузионных сопел;
12, 13 и 14 — детали эжекторного сопла; 15 — паропровод к эжек-
торному соплу.
7 • 10~2 мм рт. ст., предельный вакуум на масле Д-1 без вы-
мораживания паров около 2 • 10-6 мм рт. ст. Остальные па-
раметры насоса указаны в приложении VI.
В качестве последнего примера разгоночного насоса,
действующего на основе разгонки в жидкой фазе, рассмот-
рим металлический трехступенный насос (рис. 5-58) Н-8Т
с большой быстротой действия (до 8 000 л/сек) при впускных
124
давлениях в пределах 1СГ4 -ь 10~5 мм рт. ст. и с довольно
высоким для высокоскоростных паромасляных насосов кри-
тическим давлением [рк~ 0,1 мм рт. ст.); большая быстро-
та действия достигается благодаря 175-миллиметровой ши-
рине кольцевого зазора между верхним соплом и стенкой
холодильника, а работа насоса при относительно высоком
критическом давлении возможна благодаря применению
в качестве третьей ступени откачки эжекторного сопла, по-
мещенного в выпускном патрубке (см. таблицу в приложе-
нии VII).
-По своему устройству, которое понятно из рис. 5-57, на-
сос напоминает уже описанный выше трехступенный паро-
ртутный насос Н-1ТР.
Разгонка в газообразной фазе
Разгоночные насосы могут работать на принципе разгон-
ки и в газообразной фазе. Для этого им придается другая
конструкция, простейшим примером которой может служить
стеклянный паромасляный насос на рис. 5-59.
Из испарителя / пары масла поступают через сопло 2
в верхнюю часть насоса по направлению к патрубку 3, ве-
дущему к насосу предварительного вакуума. Откачка ва-
куумной системы происходит через трубку 4. Проходя от
сопла вверх, пары масла, постепенно охлаждаясь при со-
прикосновении со стенками насоса, конденсируются в от-
дельных колбочках (расширениях в трубке). Очевидно, что
температуры стенок этих колбочек различны: самая верх-
няя колбочка, как наиболее удаленная от испарителя, имеет
наименьшую температуру, самая нижняя — наибольшую.
Благодаря этому на стенках разных колбочек конденси-
руются парщ различных фракций масла: более тяжелые
накапливаются в нижних колбочках и по мере накопления
стекают обратно в кипятильник, самые легкие фракции на-
капливаются в верхней колбочке, причем от нее отходит
трубка, при помощи которой периодически (по мере накоп-
ления) самые легкие фракции масла можно •сливать. Насос,
как мы видим, работает с естественным воздушным охлаж-
дением.
Принцип разгонки, использованный в только что рас-
смотренной конструкции, позволяет усовершенствовать про-
стые диффузионные масляные насосы. Для того чтобы
в простом насосе любой конструкции осуществить условия
для разгонки (в газообразной фазе), необходимо патрубку
125
предварительного вакуума придать вид, аналогичный труб-
ке с колбочками, как показано на рис. 5-60, кроме того,
имеет существенное значение и утепление части патрубка,
ближайшей к корпусу насоса: утепление не препятствует
конденсации тяжелых фракций масла, которые должны сте-
кать отсюда в испаритель, и в то же время это утепление
Рис. 5-60. Двухступенный паро-
масляный насос с разгонкой в га-
зообразной фазе.
1 — испаритель; 2 — верхнее сопло; 3 —
нижнее сопло; 4—воздушное охлажде-
ние; 5 — впускное отверстие; 6—патру-
бок предварительного вакуума; 7 — кол-
бочки; 8 — утепление.
Рис. 5-59. Стеклянный односту-
пенный паромасляный насос с раз-
гонкой в газообразной фазе.
1 — испаритель; 2 — сопло; 3 — патрубок
предварительного вакуума; 4 — впускная
трубка; 5 — колбочки; 6 — трубка для
слнва сконденсировавшихся фракций
масла.
не позволяет конденсироваться здесь легким фракциям, ко-
торые, свободно проходя через слабо охлаждаемый холо-
дильник и через утепленную часть патрубка, конденсируют-
ся в колбочках и в испаритель не попадают. Таким обра-
зом, в процессе работы насоса масло постепенно освобож-
дается от легких фракций, что способствует повышению и
устойчивости предельного вакуума в откачиваемом объекте.
Описание разгоночных насосов . мы ограничиваем рас-
смотренными выше примерами. В настоящее время суще-
126
ствует большое разнообразие конструкций разгоночных на-
сосов, но основные их особенности уже выяснены на рас-
смотренных выше примерах.
Специальные вспомогательные насосы. При рассмотре-
нии устройств и принципов работы йсех описанных выше
пароструйных насосов была отмечена положительная роль
многоступенной откачки, заключающаяся в том, что много-
ступенные пароструйные насосы могут иметь большую
быстроту действия при относительно высоком выпускном
давлении. В частности, большой эффект, как мы видели,
получается от применения эжекторных сопел.
Однако задача непосредственного присоединения высоко-
скоростного пароструйного насоса к вращательному масля-
ному насосу легко решается только для парортутных насо-
сов; что касается паромасляных насосов, то, поскольку они
требуют более низкого выпускного давления (по крайней
мере на порядок), с ними дело обстоит труднее; высокоско-
ростные паромасляные насосы требуют применения насоса
предварительного вакуума с достаточно большой быстротой
действия при давлении порядка сотых долей миллиметра
ртутного столба и ниже; этому требованию не могут удовле-
творить вращательные масляные насосы, почему большое
применение получили специальные вспомогательные или,
как их иногда называют, бустерные паромасляные насосы,
имеющие достаточную быстроту действия при давлениях
порядка 10~2 мм рт. ст. и ниже; в них обычно имеется два
диффузионных сопла, из которых верхнее выполняет роль
насоса предварительного вакуума для последнего сопла
высокоскоростного паромасляного насоса, а вращательный
насос служит насосом предварительного вакуума для ниж-
него сопла вспомогательного насоса.
Оба сопла вспомогательного паромасляного насоса
имеют Относительно узкие кольцевые зазоры, благодаря
чему осуществляется достаточно большой перепад между
впускным и выпускным давлениями; возникновению боль-
шого перепада давлений у сопел вспомогательных насосов
способствует также повышенный подогрев масла в испари-
теле. В связи с этим состав масла как рабочей жидкости
для вспомогательного насоса должен быть, очевидно, иной,
так как, во-первых, не всякое масло может постоянно рабо-
тать при повышенном нагреве, во-вторых, оно должно обес-
печивать достаточную быстроту действия вспомогательного
насоса при высоких впускных давлениях (порядка
Т0“2 мм рт. ст.).
127
На рис. 5-61 изображен вспомогательный паромасляный
насос БН-3, выпускаемый нашей промышленностью. Кор-
пус насоса 1 представляет собой стальной цилиндр с рас-
ширением 2 в нижней части, переходящим в испаритель 3
с днищем 6. Впускным фланцем 5 насос присоединяется
к выпускному патрубку высоковакуумного (диффузионного)
насоса или, если требуется, непосредственно к вакуумной
системе. Выпускной патрубок 4 имеет расширение 10 для
улавливания масла и фланец 9 для присоединения к насо-
су предварительного вакуума. Масло со стенок холодильни-
128
ка стекает по трубке 7. Охлаждение осуществляется змееви-
ком 15. Алюминиевый паропровод 13 имеет два сопла: зон-
ты 11 и 12 с подсоп ельника ми 16 и 17. Пары масла из ис-
парителя поступают: в верхнее сопло по внутреннему паро-
проводу 13, в нижнее — по цилиндрическому зазору между
трубой 13 и раструбом 14. Паропровод крепится к корпусу
насоса при помощи стержня с крестовиной 19 и бортика 8.
В качестве рабочей жидкости в этом насосе применяется
масло Г нефтяного происхождения с низкой температурой
Рис. 5-62. Зависимость быстроты действия вспомогатель-
ного насоса БН-3 от давления при различных мощностях
подогревателя.
кипения (70—90° С в вакууме) и с относительно высоким
давлением насыщенных паров при 20;О С (5 • 10~5 -ь-
1 • 10~6 мм рт. ст.).
В отличие от обычных диффузионных насосов, быстрота
действия которых почти постоянна в широкой области дав-
лений, кривая зависимости быстроты действия от впускного
давления у вспомогательных насосов имеет резкий макси-
мум (рис. 5-62), причем при мощности подогрева 3,5—4 кет
максимальная быстрота действия приходится на впускное
давление 4—6 • 10“2 мм рт. ст.
' В связи с необходимостью в разработке и использовании
вспомогательных насосов, благодаря которым становится
возможной эффективная работа высокоскоростных паромас-
ляных насосов, можно высказать предположение, что значи-
9 Б. И. Королев. 129
тельную роль, в недалеком будущем станут играть рассмо-
тренные нами выше объемно-молекулярные насосы, обладаю-
щие, как мы видели, при давлении порядка IO-2 мм рт. ст.
исключительно большой быстротой действия (см. рис. 5-31).
Параметры пароструйных насосов. О параметрах паро-
струйных насосов уже говорилось в § 5-3, а также при рас-
смотрении отдельных конструкций пароструйных насосов.
Подытожим все сказанное об этих параметрах ранее.
Предельное давление. Из самого принципа работы диф-
фузионного насоса следует, что его предельное давление
теоретически должно достигать нуля, так как принципиаль-
но ничто не препятствует всем молекулам газа до послед-
ней про диффундировать в конце концов в пар рабочей
Жидкости. То же можно сказать и о предельном давлении
эжекторных насосов, так как после достаточного понижения
давления у входа в эжекторное сопло последнее продолжает
работать как диффузионное. Однако практически, как мы
знаем, пароструйные насосы любой конструкции все же
имеют предельное давление, отличное от нуля. Полнота
диффузии газа из вакуумной системы в пароструйный на-
сос зависит, очевидно, от того, в какой мере рабочая
жидкость очищена от газообразных примесей и какое пар-
циальное давление этих примесей удается поддерживать
в струе пара вблизи сопла во время работы насоса.
С другой стороны, несмотря на разработку всякого рода
мер по улавливанию паров рабочей жидкости, чтобы вос-
препятствовать их диффузии из насоса в вакуумную систе-
му, все же какое-то минимальное давление этих паров в ва-
куумной системе имеется; если не пользоваться выморажи-
ванием паров, то предельное давление устанавливается
в соответствии с давлением пара рабочей жидкости при
температуре стенок холодильника.
Наконец, величина предельного давления пароструйного
насоса зависит от чистоты его стенок и связанным с нею
количеством газов, выделяющихся со стенок в процессе ра-
боты, а также от герметичности насоса.
Практически достижимым предельным давлением газов
при откачке пароструйными насосами можно считать дав-
ление порядка 1СГ6н- 10~7 мм рт. ст. (более подробные дан-
ные приведены в приложениях V, VI, VII и VIII).
Максимальное выпускное (критическое) давление. Из,
описания механизма работы диффузионного' насоса сле-
дует, что величина критического' давления связана в основ-
ном с |расстоянием от сопла до стенок холодильника и
130
с мощностью подогревателя, от которой зависит динами-
ческое давление (скорость) струи пара, выходящей из
сопла.
При одном и том же динамическом давлении струи
пара, чем меньше расстояние от сопла до стенок холодиль-
ника, тем больше его критическое давление; точно- так же
при одной и той же конструкции насоса, чем больше дина-
мическое давление
струи пара, тем боль-
шее критическое давле-
ние может быть сдер-
жано завесой, созда-
ваемой выходящим из
сопла паром.
Кроме этих двух
основных -факторов, ве-
личина критического
давления зависит от
конструкции сопла, так
как с ней связаны ско-
рость и распределение
частиц пара, выходяще-
го из сопла, по направ-
лениям. Конструкция
сопла тем лучше, чем
больше скорость частиц
пара, выходящих из
сопла, при данной мощ-
Предварительное разрежение, ммрт. ст.
Рис. 5-63. Давление, создаваемое паро-
струйным насосом, в зависимости от
давления, создаваемого насосом предва-
рительного вакуума.
Рк — критическое давление для данногоМаро-
струйного насоса.
нести подогревателя
и чем меньше частиц направляется навстречу поступающему
в насос газу.
Зависимость давления в вакуумной системе, создаваемо-
го диффузионным насосом, от давления со стороны насоса
предварительного разрежения можно изобразить кривой
(рис. 5-63), имеющей общий характер для всех пароструй-
ных насосов. Мы видим, что пока это давление ниже кри-
тического Рк> в системе поддерживается низкое давление,
но если оно превышает критическое, то давление в системе
быстро- повышается и насос практически прекращает ра-
боту.
Быстрота действия. Выше уже было отмечено, что бы-
строта действия пароструйного диффузионного насоса тем
больше, чем больше площадь кольцевого- зазора между соп-
лом и стенками холодильника. Из механизма -работы паро-
9* 131
струйных насосов следует, что нет принципиальных затруд-
нений для разработки насосов с быстротой действия любой
величины. . 1 ’
В настоящее время наибольшей 'быстротой действия
обладает паромасляпый насос Н-20Т ООО л/сек, ши-
рина кольцевого зазора около 300 мм).
Для вычисления быстроты действия по размерам коль-
цевого зазора можно воспользоваться уже известной фор-
мулой (2-8), по которой вычисляется объем молекул газа,
ударяющихся в 1 сек о поверхность А стенки; в нашем слу-
чае А представляет собой площадь кольцевого зазора, че-
рез который пролетают все «ударяющиеся» в него молеку-
лы газа:
Sh = 3,638Л У ~ [л!сек]. (5-7)
Таким образом, ‘быстрота действия пароструйного насо-
са пропорциональна площади за“ора, квадратному корню
из абсолютной температуры газа Т и обратно пропорцио-
нальна квадратному корню из молекулярного веса М газа.
Так, например, если поступающим в насос газом являет-
ся воздух при температуре 27° С (Г=300° абс., Мсредя =28,8),
а площадь зазора А равна 1 см2, то нетрудно подсчитать,
что SH = 11,7 л/сек.
Однако формула (5-7) справедлива лишь при следую-
щих условиях:
1. Быстрота действия насоса определяется только про-
пускной способностью кольцевого зазора у самого конца
сопла; сопротивлением же остальных участков насоса, по
которым входящий в него газ подходит к указанному месту
зазора, можно пренебречь.
2. Все молекулы газа, попадающие в зазор, захваты-
ваются струей пара рабочей жидкости и обратно в вакуум-
ную систему не возвращается ни одна молекула.
Фактически же входящий в насос газ испытывает боль-
шее сопротивление, чем только сопротивление зазора у вы-
хода пара из сопла, и тем большее, чем менее совершенна
в этом отношении конструкция насоса. Кроме того, диффу-
зия молекул в ртутный пар фактически не совершенна;
только часть молекул газа захватывается струей пара. По-
этому в формулу (5-7) для быстроты действия пароструйно-
го насоса вносится поправка в виде множителя, меньшего
единицы, точное значение которого определяется экспери-
ментальным путем. Значение поправочного множителя ко-
132
леблется в зависимости от совершенства конструкции насо-
са и редко превышает 0,3.
Формула (5-7) показывает, что в отличие от вращатель-
ных масляных насосов пароструйные насосы имеют быстро-
ту действия, не зависящую от давления удаляемого' газа;
это свойство пароструйных насосов объясняется независи-
Рис. 5-64. Зависимость быстроты действия паромасляных
насосов от впускного давления.
мостью объема молекул газа, ударяющихся в 1 сек в 1 см2
о стенки сосуда, от давления газа [см. § 2-6].
Результаты экспериментального определения быстроты
действия пароструйных насосов подтверждают этот вывод
для широкой области давлений; кривые рис. 5-64 показы-
вают, что падает только с приближением впускного дав-
ления к предельному и к критическому.
В гл. 9 показано, что формула (5-7) выражает про-
пускную способность отверстия при высоком вакууме; по-
этому расчетным путем можно определить быстроту дей-
133
ствия только тех пароструйных насосов, у которых первое
сопло является диффузионным.
Экспериментальное определение быстроты действия
пароструйных .насосов. Быстрота действия вакуумных насо-
сов вообще определяется следующими наиболее употреби-
тельными методами: 1) постоянного объема .и 2) постоян-
ного давления.
Метод постоянного объема был описан
при рассмотрении параметров вращательных масляных на-
сосов; он применим к насосам с малой быстротой действия,
когда давление в объеме изменяется достаточно медленно.
Для пароструйных насосов, особенно для высокоскоростных,
более удобен метод постоянного давления.
Метод постоянного давления
Схема на рис. 5-65 помогает понять принцип этого ме-
тода. К впускному отверстию насоса, быстроту действия
которого требуется определить, присоединяется трубка 1,
имеющая ответвление 2 для присоединения манометра.
К входу в трубку 1 присоединен регулируемый натекатель
3, способный создавать такое сопротивление протекающему
Рис. 5-65. Определение быстроты действия насоса
методом постоянного давления (1-й вариант).
через него атмосферному воздуху, чтобы у входа в насос
установилось постоянное давление р, к которому будет от-
носиться определяемая быстрота действия насоса SH (о ре-
гулируемых натекателях см. § 8-3). Сообщение входного
конца натекателя с атмосферным воздухом осуществляется
через трубку с открытым краном 4. В трубку 5 вливается
капля ртути. Когда при помощи натекателя будет установ-
лено требуемое давление р у входа в насос, кран 4 закры-
вается; с этого момента капля ртути начинает медленно
перемещаться внутри откалиброванного по диаметру участка
трубки 5. Зная диаметр трубки 5 и расстояние, которое
134
капля пройдет за время t2— tx, мы можем вычислить объем
газа, вошедшего в трубку 5 (при атмосферном давлении).
Если этот объем обозначить через , то на основании
А щПМ7
атм 'Ратм\
^2— ^1 /
впускному патрубку или
Рис. 5-66. Определение бы-
строты действия насоса ме-
тодом постоянного давле-
ния (2-й вариант).
равенства потоков газа, протекающих по трубке 5
и по трубке 1 в месте расположения манометра (SHp), можно
определить быстроту действия насоса:
___ V атм Ратм (5 8)
и ^2 — р '
Удобным вариантом метода постоянного давления яв-
ляется следующий (рис. 5-66). К
отверстию насоса присоединяется
прибор, состоящий из нижнего ре-
зервуара, которым прибор присо-
единяется к насосу, и верхнего
резервуара, к которому присоеди-
нен кран для постоянного впуска
атмосферного воздуха (указан
стрелкой). Нижний резервуар снаб-
жен манометром для измерения
давления р2, верхний — маномет-
ром для измерения давления
Между резервуарами имеется
соединительная трубка, пропуск-
ная способность которой U из-
вестна. Через регулируемый на-
' текатель в прибор впускается
атмосферный воздух, причем поток
воздуха подбирается таким, чтобы
у входа в насос создавалось и под-
держивалось требуемое давление
р2; одновременно в верхнем резер-
вуаре установится какое-то более
высокое давление Когда поток
ным, его можно вычислить. Поток газа через трубку ра-
вен, очевидно, U (р}—р2).
С другой стороны, поток газа у входа в насос равен
SHp2. Для стационарного потока имеем:
SKP2 = U(Pi — Р2),
из этого уравнения определяется быстрота действия насоса
S (5-9)
н Р2 ' '
газа станет стационар-
135
В формулах (5-8) и (5-9) давление, очевидно, можно
выражать в любых единицах, а величина S* выра-
V
жается в тех же единицах, что и величины или
г2 —
U (л]сек, см31сек и т. и.).
Метод постоянного давления можно было бы с тем же
правом назвать методом постоянного потока, так как опре-
деление сводится в конечном счете к использованию ра-
венства потоков в различных участках .трубопровода, веду-
щего к насосу. Одним из главных преимуществ этого мето-
да является то, что он дает возможность определять быстро-
ту действия насоса не только у входа в насос, но и внутри
самого- насоса, например в пространстве вблизи любого из
сопел пароструйного насоса, лишь бы удалось измерить
имеющееся там давление. Этот же метод позволяет опре-
делять быстроту откачки вакуумной системы (S) в любой
ее точке.
Практические замечания по работе
с пароструйными насосами
При эксплуатации пароструйных насосов необходимо
учитывать некоторые рассмотренные ниже особенности.
Установка пароструйных насосов. Перед установкой
внутренние стенки корпуса и детали насоса должны быть
промыты чистым бензолом. Для этого насос нужно предва-
рительно разобрать. Порядок разборки и сборки насоса
указывается в инструкции, прилагаемой заводом-изготови-
телем.
К вакуумной системе многие пароструйные насосы при-
соединяются при помощи фланцев. Если во фланцевых со-
единениях имеются резиновые прокладки, то сильно затя-
гивать их нельзя, так как иначе резиновая прокладка будет
выдавлена.
Некоторые насосы присоединяются к вакуумным систе-
мам при помощи фланцевых соединений со свинцовыми про-
кладками (примеры фланцевых соединений приведены
в § 8-2).
Впускные патрубки насосов иногда выполняются в фор-
ме конуса, присоединяемого к системе при помощи кониче-
ского шлифа (§ 8-2).
Присоединение патрубка предварительного вакуума
к трубопроводу, ведущему к впускному патрубку враща-
136
тельного насоса, производится при помощи резинового
шланга (§ 8-2).
Количество заливаемой в насос рабочей жидкости
(ртути или масла) должно соответствовать указанному
в инструкции.
Присоединение проточной воды для охлаждения насоса
всегда выполняется так, чтобы обеспечить полное омывание
стенок холодильника, для чего впускной трубкой водяной
рубашки всегда должна быть нижняя.
Пуск, и работа пароструйного насоса. Прежде всего
включается насос предварительного вакуума; вакуумная си-
стема откачивается до давления, достаточного для того, что-
бы можно' было проверить систему на герметичность. Если
система в порядке, включается водяное охлаждение и лишь
после этого включается подогреватель.
В первые несколько минут после включения подогрева-
теля вакуум в системе может испортиться вследствие выде-
ления газов, растворенных в рабочей жидкости. Особенно
сильное газовыделение происходит в только что включен-
ном масляном насосе, если последний длительное время был
сообщен с атмосферой, так как масло в холодном состоянии
способно' растворить достаточно большое количество газон
(воздуха).
Если предварительный вакуум достаточен и к подогрева-
телю подводится требуемая мощность, то пароструйный на-
сос начинает работать через определенный промежуток вре-
мени (для пароструйных насосов, применяемых на обычных
вакуумных системах, предназначенных для откачки электро-
вакуумных приборов, разогрев масла до рабочей темпера-
туры занимает 20—30 мин в зависимости от размеров на-
соса) .
Остановка насоса. Прежде всего выключается подогре-
ватель. Далее в случае парортутных насосов или паромас-
ляных с температуроустойчивой рабочей жидкостью можно
выключить и вращательный насос. Если трубопровод на
стороне предварительного вакуума достаточно герметичен,
то вращательный насос можно сейчас же выключить после
выключения паромасляного насоса и с обычным маслом. Но
если есть опасность, что после выключения вращательного
насоса в трубопровод и паромасляный насос быстро натечет
воздух, то следует некоторое время выждать, чтобы темпе-
ратура масла снизилась до 60—70° С. Воду следует выклю-
чать не ранее как через 3—5 мин после выключения паро-
масляного насоса.
137
Для быстрого остывания рабочей жидкости можно при-
менить обдувание испарителя воздухом или, если подогре-
ватель легко снимается, опрыснуть испаритель холодной
водой.
5-6. ВОДОСТРУЙНЫЕ НАСОСЫ
Насосы, рассматриваемые в настоящем параграфе, по
принципу действия напоминают пароструйные эжекторные
насосы. Однако они не вышли за рамки лабораторного при-
менения, так как имеют лишь весьма небольшие значения
быстроты действия и могут создавать лишь грубое разреже-
ние. Речь будет идти о водоструйных насосах.
Как показывает назва-
ние, работа водоструйных
насосов основана на ис-
пользовании откачиваю-
щего действия струи воды.
Газ, поступающий в насос
из откачиваемого объема,
попадает в сферу дейст-
вия струи и выталкивает-
ся последней в сторону
выпускного отверстия на-
соса.
На рис. 5-67,а и б изо-
бражены два ' варианта
конструкции водоструйно-
го насоса.
Вар и амт а. Вода
входит в верхнюю трубку,
струя воды выходит ИЗ ООП-
а — вода входит через внутреннюю трубку;
б —вода входит через наружную трубку;
с достаточно сильным напором
заканчивающуюся соплом. Если
ла с достаточной скоростью, она имеет устойчивую форму
несколько расходящегося конуса. Нижней трубке придаются
такие размеры и форма, чтобы входящая в нее струя воды
легко захватывала и увлекала за собой газ, поступающий
в насос из откачиваемого объема через боковую трубку.
На рис. 5-68 изображен водоструйный насос той же кон-
струкции в металлическом оформлении. Металлические во-
доструйные насосы по сравнению со стеклянными имеют
большую прочность, позволяют пользоваться большим напо-
ром воды и получать большую скорость струи, благодаря
чему повышается устойчивость работы насоса.
Вариант б. Он отличается от предыдущего варианта
лишь тем, что трубки для входа воды и газа поменялись
138
местами. Водоструйный насос при нормальной работе сни-
жает давление в
воЗа
Выход
Воды и газа
откачиваемом объеме до величины, практи-
чески не отличающейся от давления на-
сыщенного водяного пара, соответствую-
щего температуре воды в насосе. Это
значит, что при 20° С должно достигаться
давление, близкое к 17,5 лш рт. ст.
(табл. 1-2). Однако такое предельное дав-
Рис. 5-68. Металли-
ческий водоструйный
насос.
Рис. 5-69. Зависимость предельного давления
водоструйного насоса от давления воды.
ление достигается лишь при достаточном напоре воды
(рис. 5-69).
5-7. ИОННЫЕ НАСОСЫ
Рассмотрим в заключение ионные насосы,- находящиеся
в стадии разработки и совершенствования, но являющиеся
перспективными. В основе работы ионных насосов лежит
ударная ионизация газа, поступающего в насос из откачи-
ваемого объема, и придание образующимся положительным
ионам направленного движения в сторону выпускного' от-
верстия.
Аналогично пароструйным ионные насосы также тре-
буют создания предварительного вакуума (при помощи ме-
ханических или пароструйных насосов).
Одна из отличительных особенностей ионных насосов,
из-за которой и началась их разработка, заключается в том,
что они для своей работы не требуют применения какой-
139
либо рабочей жидкости; их работа не сопровождается воз-
никновением пленки ©конденсировавшегося пара рабочей
жидкости на внутренних поверхностях откачиваемого
объема, что при некоторых работах, связанных с использо-
ванием высокого вакуума, является очень важным.
Для первого ознакомления с работой ионного насоса
рассмотрим его простейшую конструкцию, которой может
служить цилиндрическая стеклянная трубка (рис. 5-70)
с двумя кольцевыми электродами, между которыми соз-
дается электрическое поле.
Катод расположен в конце трубки, присоединяемом
к насосу предварительного вакуума, анод — со стороны
впускного отверстия.
Рис. 5-70. Схема простейшего ионного насоса.
После снижения давления (при помощи насоса предва-
рительного вакуума) между электродами трубки вследствие
ударной ионизации электронами, ускоряемыми электриче-
ским полем в направлении к аноду, возникают положитель-
ные ионы, направляющиеся к катоду; отдавая последнему
свой заряд, ионы превращаются в нейтральные молекулы,
продолжающие свое движение за катодом в насос предвари-
тельного вакуума, которым они и удаляются окончательно
за пределы вакуумной системы.
Благодаря непрерывному перемещению ионов газа в сто-
рону катода в трубке Поддерживается давление, более низ-
кое по сравнению с давлением в откачиваемом объеме, и
газ из вакуумной системы непрерывно поступает в разряд-
ную трубку.
Описанное устройство действует как «ионный» насос,
работа которого прекращается лишь с прекращением газо-
вого разряда.
Эффективность описанного простейшего ионного насоса
чрезвычайно мала, так как число образующихся при та-
ком устройстве положительных ионов (в единицу времени)
очень мало. Поэтому разработка более совершенных ион-
ных насосов идет в основном по пути создания достаточно
мощного и устойчивого эмитера электронов (катода) и воз-
140
можно большего удлинения пути электронов (от катода
к аноду), приводящего к достаточно большому числу их
столкновений с молекулами газа, чтобы происходила интен-
сивная ионизация газа без необходимости в удлинении
трубки насоса.
Кроме того, требовалась разработка способов борьбы
с явлениями, мешающими направленному (в сторону вы-
пускного отверстия) движению положительных ионов; эти
помехи возникают в стеклянном ионном насосе вследствие
того, что стенки его, как непроводника, заряжаются отрица-
Впускной фланец
Эмитер <=
/ Боковой соленоид
Выпускной
патрубок
-ЗЦОВс
Боковой соленоид
^-300В
разряда
I ш4Внутренний \ Отражатель
соленоид Сужение
Рис. 5-71. Металлический ионный насос.
тельпо и, следовательно, некоторая часть положительных
ионов отклоняется ими от направления к катоду.
В качестве примера одной из усовершенствованных кон-
струкций ионных насосов рассмотрим насос, изображенный
на рис. 5-71.
Вместо' стеклянной здесь используется металлическая
трубка, которая одновременно служит и корпусом насоса
и анодом. Благодаря этому отпадают упомянутые выше по-
мехи, связанные с возникновением отрицательных зарядов
на стенках насоса, и между электродами можно устанавли-
вать относительно невысокие напряжения (300—400 в),
благоприятные в отношении вероятности ионизации.
Насос имеет два полых вольфрамовых катода, из кото-
рых один, расположенный у выпускного патрубка, является
горячим (подогревным), другой — холодным и 'служит не
эмитером, а отражателем электронов. Расстояние между ка-
тодами 2,75 м.
Вход в насос расположен в середине трубки насоса; газ
из откачиваемого объема входит сначала в так называемую
центральную зону насоса, а потом распространяется в обе
боковые зоны. Последние окружены боковыми соленоидами;
141
В центральной зоне имеется отдельный.. внутренний соле-
ноид.
Если электрический ток не пропускать через соленоиды,
то электроны, эмитируемые горячим катодом, будут пере-
двигаться сначала в ускоряющем электрическом, поле,
а затем, пройдя центральную зону, электроны попадают
в 'тормозящее поле, обусловленное наличием отражателя;
потеряв здесь скорость, электроны начинают двигаться
в обратном направлении, причем после прохождения цен-
тральной зоны они снова попадают в тормозящее поле
(эмитера) и т. д. При таком перемещении электронов часть
их раньше или позже, но непрерывно попадает на стенку
трубки насоса, являющуюся анодом; однако эта убыль элек-
тронов непрерывно пополняется эмиссией горячего катода.
Такое колебательное движение электронов в поле трубки
насоса уже в известной мере способствует ионизации, так
как благодаря удлинению их пути увеличивается вероят
ность встречи с молекулами газа. Если же теперь включить
ток через соленоиды, то благодаря создающемуся осевому
магнитному полю электроны, эмитируемые катодом, не пре-
кращая своего колебательного движения между эмитером
и отражателем, начинают в то же время двигаться по вин-
товым линиям, что ведет к огромному удлинению пути
электронов, а 'Следовательно, и к сильному повышению ве-
роятности ионизации газа.
Напряжения электрического и магнитного полей подби-
раются так, чтобы колеблющиеся и движущиеся по винто-
вым траекториям электроны концентрировались главным
образом в центральной зоне и именно здесь отдавали свою
энергию, ионизуя нейтральные молекулы газа. Получающие-
ся здесь ионы газа в вакуумную систему обратно не по-
падают, так как они под действием электрического поля
могут перемещаться только' к катодам; ©ни отдают катодам
свой положительны}! заряд и далее продолжают двигаться
в насос предварительного вакуума; последний, очевидно,
должен поддерживать свое впускное давление более низким
по сравнению с давлением нейтральных молекул газа вбли-
зи катодов.
Обратной диффузии нейтральных молекул газа в сторо-
ну впускного отверстия насоса препятствуют специальные
сужения в трубке насоса с обеих сторон до диаметра, лишь
очень не намного превышающего диаметр столба разряда;
при наличии этих сужений доля нейтральных молекул газа,
проходящая обратно через эти сужения, не может быть
142
большой; все проходящие молекулы ионизуются вновь и
уже в виде положительных ионов направляются снова к ка-
тодам.
Приведенного описания достаточно для пояснения основ-
ных явлений, лежащих в основе работы ионного насоса.
Из интересных особенностей этого насоса следует отметить
следующую. По мере падения давления количество газа,
всасываемого насосом, может оказаться недостаточным для
поддержания плотности ионов ©.близи катода на оптималь-
ном уровне, чтобы сохранялся достаточный электронный
ток разряда. В этом случае в ионном насосе предусматри-
вается возможность впуска газа в область катода; впуск
газа необходим, если давление вблизи катода становится
ниже 3-Ю-4 мм рт. ст.\ эта добавка газа в насосе не
должна, конечно, ухудшать вакуум у впускного отверстия
насоса; полезную роль в этом отношении играют упоминав-
шиеся выше сужения трубки.
Описанным насосом достигается быстрота действия до
7 000 л/сек при весьма низких давлениях. Если насосом
предварительного вакуума вблизи катода поддерживается
давление 3-10~4н-5« 10~4 мм рт. ст., то насос может соз-
дать в вакуумной системе давление 0,8 • 10“6
6 • ГО”6 мм рт. ст.
Насос по сравнению с аналогичным ему по параметрам
паромасляным насосом требует в несколько раз большую
мощность (около 40 кет), главным образом на поддержание
электрического' и магнитного полей.
Из отрицательных сторон описанного ионного насоса
следует упомянуть также довольно' быстрое разрушение ка-
тода вследствие непрерывного испарения вольфрама. Прав-
да, это' способствует дополнительному снижению давления
за счет поглощения газов испаряющимся вольфрамом, но
эта же причина заставляет довольно часто менять катод
(1—2 раза в месяц).
Дальнейшее усовершенствование ионных насосов идет
в направлении одновременного использования как иониза-
ции, так и поглощения газов, поступающих в насос; если
в только что' описанном ионном насосе поглощение газов
происходит в результате как бы случайного фактора, свя-
занного с износом (испарением) катода, то в новых кон-
струкциях уже вводится специальный поглотитель газа.
В качестве последнего применяется, например, титановая
проволока при температуре, соответствующей определенной
скорости испарения титана. Как мы увидим ниже (при
изучении работы различных поглотителей), металлы в па-
рообразном состоянии обладают большой поглотительной
способностью. Очевидно, ионные насосы, в которых исполь-
зуется явление поглощения (сорбции) газов специальными
поглотителями, можно уже называть ионно-испарительными
или ионно-сорбционными.
5-8. ЛОВУШКИ
Холодные ловушки. Вакуумные насосы, являясь прекрас-
ным средством удаления газов из вакуумной системы, не
только не обладают достаточной эффективностью для уда-
ления паров, но, как мы уже неоднократно отмечали, сами
являются источниками паров рабочих жидкостей, распро-
страняющихся по всей вакуумной системе. Из этих сообра-
жений в вакуумной технике необходимо' применение вспо-
могательного способа получения высокого вакуума путем
интенсивной конденсации (вымораживания) паров, имею-
щихся в вакуумной системе, при помощи ловушек с охлаж-
дающими средствами (холодных ловушек).
Холодные ловушки, помещаемые в соответствующий уча-
сток вакуумной системы, не только не пропускают пары
рабочих жидкостей из насосов и манометров в откачивае-
мый объект, но и улавливают пары, имеющиеся в откачи-
ваемом объекте, с быстротой действия, часто во много раз
превышающей быстроту действия пароструйных и тем более
вращательных насосов.
Охлаждающие средства. В качестве охлаждающих
средств для ловушек наибольшее распространение получи-
ли твердая углекислота, размешанная в виде кашицы в аце-
тоне, спирте или эфире, и ожиженные тазы, главным обра-
зом жидкий воздух и жидкий азот (жидкий кислород не
применяется из-за опасности взрыва в присутствии масла).
Холодильные смеси с твердой углекислотой способны
создавать охлаждение примерно до —80° С, жидкий воздух
и жидкий азот — до— 183—196° С. Табл. 5-1 показывает,
до какого- значения можно при помощи ловушек снизить
давление насыщенных паров воды и ртути, с которыми ча-
сто приходится иметь дело в вакуумной технике. Давление
насыщенных паров масел для пароструйных насосов сни-
жается примерно на один порядок.
Конструкции холодных ловушек. Ловушки могут иметь
различные конструкции, отличаясь как размерами холод-
ных поверхностей, так и формой. На рис. 5-72 показаны
наиболее распространенные виды ловушек. Исходным ма-
144
Таблица 5-1
°C Давление насыщенного пара, мм рт. ст.
Водяной пар Ртутный пар
100 750
20 17,5 1,2-Ю-з
0 4,6 2-10-4
—80 4*10-4 10-ю
—183 10-ю 10-27
Рис. 5-72. Виды холодных лову-
шек.
Трубки: 1 — для присоединения к тру-
бопроводу откачиваемого объекта; 2—
для присоединения к пароструйному на-
сосу или вообще к участку вакуумной
системы, в котором имеется источник
паров.
териалом обычно служит стекло того же состава, что и со-
единительные трубки, куда должна быть впаяна ловушка..
Основными требованиями, которым должна удовлетворять
конструкция ловушки, являются наличие холодной поверх-
ности достаточных размеров и такая канализация посту-
пающего в ловушку газа и пара, чтобы они могли попасть
к выходу из ловушки только
после соприкосновения, по
возможности, со всей ее хо-
лодной поверхностью.
Кроме того, ловушка
должна иметь достаточную
пропускную способность,
которая, как мы знаем,
сильно снижается, если про-
ход через ловушку сделан
слишком узким; проходя ло-
вушку, газ, во-первых, силь-
но охлаждается и, следова-
тельно, уменьшается сред-
няя скорость теплового дви-
жения газа (пропорциональ-
но квадратному корню из температуры); во-вторых, дли-
тельность пребывания молекул газа на холодных стенках
ловушки значительно больше, чем на стенках при комнат-
ной температуре. В результате пропускная способность ло-
вушки в рабочем состоянии по сравнению с пропускной спо-
собностью при комнатной температуре снижается примерно
в 2 раза.
Из рис. 5-72 видно, что некоторые виды ловушек (а, б)
имеют двойные стенки и, следовательно, сами _ могут слу-
жить резервуаром для охлаждающего средства; другие (в)
нуждаются в отдельном сосуде, в который погружают их
для работы и который, как мы знаем (§ 3-7, рис. 3-9), так-
10 Б. И. Королев. 145
же имеет двойные стенки. Двойные стенки, в пространстве
между которыми должен поддерживаться весьма высо-
кий вакуум (для уменьшения теплопроводности), пред-
охраняют от притока тепла в ловущку и связанного с этим
быстрого расхода охлаждающего средства. Однако требо-
ванию возможно более длительного сохранения охлаждаю-
щего средства нельзя удовлетворить только наличием вы-
сокого вакуума между двойными стенками. Необходима
также защита и от теплообмена с окружающей средой пу-
тем излучения; для этого стенки ловушек (если они двой-
ные) и сосудов покрываются зеркальным слоем какого-либо
металла (алюминия или серебра), благодаря чему они поч-
ти полностью отражают падающее на них от окружающих
предметов излучение. Зеркализация экономит расход
охлаждающих средств по крайней мере в 2 раза.
Быстрота действия холодных ловушек SA определяется
объемом пара, конденсирующегося на холодных стенках за
1 сек и измеренного при давлении пара в ловушке. Анало-
гично быстроте действия пароструйного насоса величину $л
можно определить по формуле (2-8):
8л = 3,638Ау - [Alcek],
где А— площадь холодных стенок ловушки;
Т — температура пара, поступающего в ловушку;
7И — молекулярный вес пара.
При пользовании этой формулой не следует забывать,
что она справедлива для высокого вакуума и полученное
значение совпадает с быстротой удаления пара из объекта
лишь в том случае, если холодная поверхность ловушки со-
общается с откачиваемым объектом непосредственно, без
каких-либо промежуточных соединительных трубок; посколь-
ку каждый объект имеет откачную трубку, которой он при-
соединяется, в свою очередь, к трубопроводу, ведущему
к ловушке, фактическая быстрота удаления ловушкой па-
ра из объекта зависит от пропускной способности трубок
в той же мере, как это имеет место при удалении газов на-
сосами [см. уравнение (4-10) или (4-11)].
Мы видим, что прямо пропорциональна площади хо-
лодной поверхности ловушки, обратно пропорциональна
квадратному корню из молекулярного веса пара и прямо
пропорциональна квадратному корню из абсолютной темпе-
ратуры пара в ловушке.
146
Например, если вымораживается водяной пар, то, при-
нимая температуру пара в ловушке равной 20° С, имеем:
5л = 3,638А]/^=14,7Л [л/сек].
В формулу быстроты действия ловушки совершенно не
входит давление; это показывает, что величина от дав-
ления не зависит; однако это условие является справедли-
вым лишь до тех пор, пока давление пара в ловушке вели-
ко по сравнению с окончательным равновесным давлением;
поскольку же давление пара по мере конденсации стремится
не к нулю, а к определенному конечному давлению (насы-
щенного пара), соответствующему температуре холодных
стенок, величина SA должна вблизи этого давления замет-
но снижаться, приняв значение *Ь\ = 0 при достижении рав-
новесного давления.
Практическая работа с холодными ловушками. При
практической работе с холодными ловушками необходимо
придерживаться следующего основного правила.
Прежде чем ловушку подвергнуть охлаждению, необхо-
димо провести основную откачку данного прибора, т. е. уда-
ление основной массы воздуха, прогрев стекла в печи для
удаления водяного пара и, наконец, откачку до достаточно
низкого давления, при котором уже начинается заметная диф-
фузия пара рабочей жидкости из насоса и манометра в ва-
куумную систему. В случае применения ртутных насосов и
манометров таким давлением является давление порядка
10~2 мм рт. ст. По достижении этого давления следует на-
чать постепенное охлаждение ловушки. Охлаждению под-
вергается сначала нижний конец ловушки, что продолжает-
ся до тех пор, пока давление паров в вакуумной системе не
снизится до предельного; после этого вся ловушка погру-
жается в сосуд Дьюара.
Такой порядок работы необходим по следующим сооб-
ражениям. Положим, что мы охладили ловушку с самого
начала откачки, когда в вакуумной системе было еще атмо-
сферное давление. Тогда на ее поверхности начнут конден-
сироваться не-только пары, например влага, но и газы, вхо-
дящие в состав воздуха. В связи с этим по мере понижения
давления газов в вакуумной системе в процессе откачки,
когда оно станет ниже давления насыщения для сконден-
сировавшихся газов, соответствующего температуре ловуш-
ки, со стенок последней начинается обратное газовыделе-
ние, что, конечно, замедляет откачку.
Ю* 147
Особенно неблагоприятное положение создается в связи
с конденсацией водяного пара, который в вакуумной систе-
ме всегда присутствует в начале откачки в качестве состав-,
ной части воздуха и в качестве пара, выделяющегося со сте-
нок прогреваемого стекла. Если ловушка преждевременно
охлаждается смесью с твердой углекислотой (температура
около —80°С), то значительная часть водяного пара кон-
денсируется на холодных стенках ловушки, и в системе дол-
гое время поддерживается давление 4 • 10“4 мм рт. ст. (на-
сыщенных паров воды при —80° С). Вся откачка будет
в связи с этим сводиться лишь к медленному удалению во-
дяного пара, выделяющегося со стенок ловушки.
Рис. 5-73. ЛАеханический щиток с
водяным охлаждением.
1 — алюминиевые кольца для улавлива-
ния молекул пара масла, стремящихся
в вакуумную систему; 2— фланец для
присоединения к трубопроводу от отка-
чиваемого объекта; 3 — сопло парома-
сляного насоса; 4 — сторона предвари-
тельного вакуума; d—диаметр впуск-
ного отверстия насоса фланца.
Выделение водяного пара, конденсировавшегося на стен-
ках ловушки, будет наблюдаться и в том случае, если ло-
вушка преждевременно охлаждена жидким азотом или
жидким воздухом погружением сразу на всю глубину. По
мере Испарения охлаждающей жидкости и понижения ее
уровня верхние участки стенок ловушки становятся менее
холодными и начинают снова выделять скоиденсирювавший-
ся на них водяной пар.
Аналогично ведут себя и другие пары, если их прежде-
временно конденсировать на стенках ловушки или если
ловушку сразу охладить на всю глубину.
Механические ловушки. Помимо холодных ловушек, спе-
циально' для паромасляных насосов разработаны ловушки,
работающие не при помощи охлаждающих средств, а пу-
тем механического улавливания паров масла, стремящихся
диффундировать в вакуумную систему; правда, и механи-
ческие ловушки часто охлаждаются проточной водой.
148
Механические ловушки, конечно, менее эффективны по
сравнению с холодными, но обладают тем преимуществом,
что благодаря отсутствию охлаждающих средств и в связи
с этим большой свободе в их конструктивном оформлении
механическим ловушкам можно придавать размеры, почти
не сказывающиеся на быстроте откачки объекта, что осо-
бенно важно для насосов, обладающих большой быстротой
действия.
На рис. 5-73 схематически изображен так называемый
механический щиток, действие которого заключается в сле-
дующем. Молекулы пара, диффундирующие из холодильни-
ка насоса, летят благодаря высокому вакууму по прямоли-
нейным путям непосредственно на охлаждаемые проточной
водой стенки щитка; молекулы пара, стремящиеся попасть
Рис. 5-74; Стеклянная механичес-
кая ловушка с водяным охлажде-
нием.
1 — трубка для присоединения к трубо-
проводу от откачиваемого объекта; 2 —
трубка для присоединения к паромас-
ляному насосу; стрелки указывают на-
правление проточной воды.
отсюда непосредственно' в вакуумную систему, встречают
систему плоских алюминиевых колец, которыми они также
задерживаются.
При насосах, обычно применяемых для откачки электро-
вакуумных приборов, удобно пользоваться стеклянной меха-
нической ловушкой, изображенной на рис. 5-74 и работаю-
щей аналогично щитку с кольцами. Пропускной способности
трубопровода эта ловушка практически не снижает.
5-9. ПОГЛОЩЕНИЕ И ВЫДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ
ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ
При описании особенностей поведения газа в условиях
низкого и высокого вакуума (§ 3-4 н- 3-8) уже неоднократ-
но отмечалось, что1 поверхность твердого тела при сопри-
косновении с газом способна удерживать на себе слой газа
при низком вакууме и частично или полностью освобож-
149
дается от него в условиях высокого вакуума. Такое пред-
ставление помогало нам объяснять поведение газов при раз-
личных степенях вакуума.
Так как явления, происходящие при соприкосновении
газов с твердыми телами, имеют непосредственное отноше-
ние к технике получения и сохранения высокого вакуума,
нам нужно познакомиться с ними более подробно, чтобы
уметь управлять этими явлениями. Важное практическое
значение такого управления заключается, с одной стороны,
в умении использовать свойство твердых тел поглощать га-
зы в качестве эффективного средства получения высокого
вакуума (при помощи поглотителей); с другой стороны,
в умении вовремя и надежно удалять газы из твердых тел,
чтобы стенки стекла, металлические детали и другие твер-
дые тела, находящиеся в готовом вакуумном приборе, не
могли при его эксплуатации служить источниками газов и
портить вакуум.
I 5-10. АДСОРБЦИЯ И АБСОРБЦИЯ ГАЗОВ
Изучение процессов поглощения газов твердыми тела-
ми привело' к выводу, что следует различать два вида по-
глощения: адсорбцию, т. е. поглощение газа путем
удерживания его поверхностью твердого тела, и абсорб-
,ц и ю, т. е. поглощение газа вследствие проникновения его
внутрь твердого тела.
Физическая адсорбция. Обратимся к рассмотрению фи-
зической адсорбции газа. Какие силы заставляют ударив-
шуюся о поверхность твердого тела молекулу газа удержи-
ваться на этой поверхности? Вспомним, что атом любого
вещества имеет положительные заряды (в ядре) и от-
рицательные заряды (в виде электронной оболочки
атома).
С приближением к поверхности твердого тела на расстоя-
ние одного порядка с атомными размерами (~10-8 см)
молекула газа попадает в электрическое поле поверхностных
ионов твердого тела; под действием электрического' поля
происходит так называемая поляризация молекулы. Поля-
ризация заключается в таком перемещении зарядов моле-
кулы, что разноименные с ближайшим ионом заряды ока-
зываются смещенными к этому иону, а одноименные в про-
тивоположную сторону (по закону Кулона).
150
На рис. 5-75 схематически показано; как можно пред-
ставлять себе расположение поляризованных молекул газа
вблизи поверхности твердого тела. Молекулы изображены
в виде овалов с двумя знаками зарядов; кружки с чередую-
щимися знаками изображают находящиеся на поверхности
твердого тела разноименные ионы кристаллической решет-
ки; заметим, что ионы твердого тела могут быть и одно-
именными, например только- положительными (у метал-
лов). Поляризованные молекулы газа, удерживаемые по-
верхностными ионами твердого тела, и составляют адсор-
бированный слой газа. Таким образом, адсорбция газа
твердым телом является следствием электрического притя-
жения приблизившихся на атомное расстояние молекул
газа ионами твердого тела.
Из только что сказанного следует, что количество газа,
адсорбируемого- данным твердым телом, зависит от коли-
чества поверхностных ионов, способных своим электриче-
, ским полем удерживать вблизи себя молекулы газа. Для
краткости будем в дальнейшем называть эти ионы актив-
ными точками. Так как чем больше поверхность, тем боль-
ше на ней активных точек, то можно уже сделать практи-
ческий вывод: при данной массе твердое тело обладает
тем большей адсорбционной способностью, чем больше его
поверхность; поэтому, например, высоко
способностью обладают твердые тела с ше-
роховатой поверхостью, особенно с боль-
шим количеством узких пор, или в по-
рошкообразном виде.
Далее адсорбированные в активных
точках молекулы газа принимают участие
в тепловом (колебательном) движении
атомов твердого тела и, следовательно,
так же как и последние, при достаточно
большой амплитуде колебательного теп-
лового движения испаряются с поверхно-
сти твердого тела. Таким образом, про-
цесс адсорбции газа всегда сопровожда-
ется его- обратным испарением, количество
же адсорбированного при данных (усло-
виях газа определяется равновесием между адсорбцией и
испарением. Отсюда вытекает новый практический вывод:
чтобы равновесное -состояние соответствовало возможно
большему количеству адсорбированного газа, необходимо,
чтобы скорость испарения была, по возможности, меньшей,
151
адсороционнои
Рис. 5-75. Схема
адсорбции молекул
газа на поверхно-
сти твердого тела.
а это значит, что для повышения адсорбционной способно-
сти твердого тела мы должны понижать его температуру;
наоборот, если мы хотим удалить адсорбированную пленку
газа, мы должны повышать температуру твердого тела.
Наконец, необходимо разобрать, как происходит адсорб-
ция в зависимости от давления газа, окружающего твердое
тело.
Эта зависимость характеризуется кривыми, аналогичны-
ми изображенным на рис. 5-76. Участок кривой ab соответ-
ствует низким давлениям, когда не все активные точки за-
няты молекулами газа, чем и объясняется близкое для низ-
Рис. 5-76. Кривые зависимости количе-
ства адсорбированного газа от его дав-
ления при постоянной температуре
(«изотермы адсорбции») (Т2> ТР).
ких давлений к .пропорциональности увеличение количества
адсорбированного газа с повышением давления; участок же
кривой Ьс соответствует более высоким давлениям, при ко-
торых все активные точки являются занятыми, почему, не-
смотря на возрастание давления от pi до р2, количество
адсорбированного газа остается постоянным. Таким обра-
зом, слой газа, адсорбированного твердым телом в пределах
давлений от нуля до р2, является одномолекулярным, т. е.
толщина его не превышает размеров одной молекулы газа.
При давлениях, превышающих р2, снова начинается воз-
растание количества адсорбированного газа с давлением,
когда на первый молекулярный слой накладываются новые
и адсорбированный газ может образовать пленку, состоя-
щую из большого количества молекулярных слоев.
Однако условия, при которых начинают получаться
многомолекулярные пленки, можно осуществить только при
достаточно больших давлениях газа и при условии, если газ
152
при соприкосновении с твердым телом охлаждается до тем-
пературы ниже критической, так чтобы состояние газа было
близко' к сжижению. При нормальных же условиях много-
слойная адсорбция не происходит и, следовательно', макси-
мальное количество газа, которое можно' поглотить путем
физической адсорбции по крайней мере на поверхностях
нормальной шероховатости (непористых), не может превы-
шать того количества, которое соответствует одномолеку-
лярному слою.
Если для адсорбции газа пользоваться веществами типа"-
угля, силикагеля и т. п., обладающими огромным количе-
ством очень узких пор, то и при низких давлениях может
происходит многослойная адсорбция; последней благоприят-
ствуют проявляющиеся здесь капиллярные силы; правда, и
эта так называемая капиллярная адсорбция удается лишь
при достаточно низких температурах твердого тела.
На рис. 5-76 нижняя кривая также выражает зависи-
мость количества адсорбированного газа от давления, но
уже при другой температуре Го, которая значительно вы-
ше Гь
Мы видим, что при более высокой температуре адсорб-
ция также возрастает с давлением, но количество адсор-
бированного газа при том же давлении значительно
меньше.
Химическая адсорбция. Химическая адсорбция аналогич-
но физической также является следствием попадания моле-
кул газа в сферу действия электрического поля поверхно-
стных ионов твердого тела. Однако химическая адсорбция
обусловливается более глубокими изменениями адсорби-
руемых молекул газа, в результате которых они становятся
более активными. К таким измёнениям относятся, напри-
мер, диссоциация молекулы на атомы, перераспределение
электронов, входящих в состав молекулы, и т. п.
В связи с необходимостью для химической адсорбции
приведения молекул газа в более активное состояние
в большинстве случаев для поглощения газа этим путем
приходится повышать температуру твердого тела; однако
если твердое тело с химически адсорбированным газом под-
вергать нагреванию до температуры, более высокой, чем это
требуется для устойчивости адсорбированного слоя, то газ
можно снова согнать с поверхности или в прежнем виде,
или в виде химического соединения с твердым телом.
Отметим, что часто трудно определить вид происходящей
(химической или физической) адсорбции.
153
Абсорбция. Следует различать два вида абсорбции:
образование твердого раствора и химическую реакцию
между твердым телом и соприкасающимся с ним газом.
Твердый раствор получается путем проникнове-
ния газа внутрь 'кристаллической решетки твердого' тела,
при котором молекулы газа располагаются между ионами
решетки.
Количество поглощаемого таким путем газа зависит от
давления, причем, если молекулы газа при растворении не
диссоциируют на атомы, то растворимость газа при постоян-
ной температуре прямо пропорциональна давлению; если
же молекулы газа при растворении претерпевают диссо-
циацию, то наблюдается пропорциональность растворимости
квадратному корню из давления.
Количество газа, поглощаемого твердым телом путем
образования твердого раствора, зависит также от темпера-
туры, но общей закономерности не существует: раствори-
мость одного и того1 же газа в зависимости от рода погло-
тителя и от начальной температуры может с повышением
температуры и уменьшаться и увеличиваться.
Абсорбция газа вследствие химической реакции
между твердым телом и окружающим его газом приводит
к образованию нового химического соединения в твердом
виде.
Количество поглощаемого таким путем газа зависит от
его давления и температуры твердого тела, причем реак-
ция и, 'Следовательно, поглощение газа химическим путем
заканчиваются, когда наступает равновесие между количе-
ством газа, вступающим в реакцию, и количеством газа,
выделяющимся обратно вследствие диссоциации того хими-
ческого соединения, которое дает газ с твердым телом;
остаточное равновесное давление газа называется давлением •
диссоциации.
Химическое соединение газа с твердым телом, образую-
щееся в результате абсорбции, входит в состав последнего,
или растворяясь в нем, или в виде слоя преимущественно
на поверхности твердого тела.
Необходимо отметить особый вид поглощения газа, ко-
торое приводит к проникновению его также внутрь твер-
дого тела, но которое все же следует рассматривать как
адсорбцию. Такое поглощение происходит путем диффузии
адсорбируемого газа с поверхности внутрь твердого тела по
граням кристаллов, причем диффундирующий газ не захо-
дит внутрь кристаллической решетки, а образует лишь на
154
гранях кристаллов одномолекулярную пленку. Такого рода
поглощение таза аналогично адсорбции пористыми телами.
Оценивая оба вида абсорбции газа с точки зрения по-
лучения высокого вакуума, мы не можем прийти к таким
же определенным общим закономерностям, как это имеет
место в случае адсорбции. Можно только отметить, что
с точки зрения прочности удерживания газа в абсорбирован-
ном состоянии в твердом теле преимуществом обладает
абсорбция путем химической реакции. Однако в качестве
средства получения и сохранения вакуума в электровакуум-
ном приборе широко применяются оба вида абсорбции.
Обратно удалить газ, абсорбированный твердым телом,
удается лишь его нагреванием до достаточно высокой тем-
пературы и при достаточно низком давлении окружающего
газа. -
5-11. ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ПОГЛОЩЕНИЮ ГАЗОВ
ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ
Помимо тех общих соображений, которые в предыдущем
параграфе высказаны относительно влияния на все виды
поглощения газов таких факторов, как состояние поверх-
ности твердого' тела, температура и давление, необходимо
отметить ряд особых факторов, которые также используют-
ся для ускорения поглощения. К ним относятся: испарение
твердого тела в вакууме и осаждение его в виде налета на
стенках электровакуумного прибора, ионизация газа и пре-
бывание газа в диссоциированном состоянии.
Если какое-либо твердое вещество, специально введенное
в электровакуумный прибор для поглощения остаточных
газов и паров (§.5-13), подвергается испарению в процессе
изготовления прибора, то, будучи в парообразном состоянии,
это вещество является весьма эффективным поглотителем;
образующийся на стеклянных стенках свежий чистый слой
или налет из осадившихся паров также может быть актив-
ным поглотителем газов, но уже гораздо менее эффектив-
ным, чем в парообразном состоянии.
Металлическая деталь в электровакуумном приборе мо-
жет в процессе его работы нагреваться до температуры, до-
статочной для медленного, но заметного испарения металла.
В этом случае пары металла на своем пути к ближайшей
-более холодной поверхности конденсации также поглощают
остаточные газы и пары и улучшают первоначально достиг-
нутый вакуум в приборе или снижают парциальное давле-
ние газообразных примесей к основному (обычно инертно-
му) газу наполнения.
155
Например, в электронных лампах с вольфрамовым като-
дом или в вакуумных лампах накаливания с вольфрамовой
спиралью наблюдается постепенное снижение давления
вследствие поглощения остаточных газов парами вольфра-
ма. В газонаполненных лампах накаливания пары вольфра-
ма постепенно поглощают азот, входящий в состав напол-
няющего газа (аргона с примесью азота).
Другим важным фактором, способствующим поглоще-
нию газа, является его ионизация. Ионизация молекул газа
приводит их в более активное состояние; если нейтральная
молекула способна поляризоваться и удерживается элек-
трическим полем поверхностных ионов твердого тела, то
тем более легко должна адсорбироваться заряженная,
ионизованная молекула газа. Помимо этого, в ионизован-
ном состоянии молекулы газа или пара способны вступать.
в такие химические соединения, которые не могут иметь ме-
ста при нейтральном состоянии молекулы; в связи с этим
способ поглощения газа при помощи его ионизации можно
назвать электрохимическим.
Явление активного поглощения ионизованного' газа
использовано, как мы видели, в так называемых ионных
насосах (§ 5-7).
Постепенное понижение давления газа, вводимого в га-
зоразрядные приборы, является следствием электрохимиче-
ского' поглощения; газ особенно быстро поглощается, если
ионизация сопровождается 'испарением материала какого-
либо из электродов; в этом случае поглощение газа являет-
ся отрицательным фактором, для борьбы с которым прихо-
дится принимать специальные меры, иначе газоразрядный
прибор существенно изменит своп параметры или прежде-
временно выйдет из строя.
То же явление — активное поглощение газа путем его
ионизации с одновременным испарением какого-либо веще-
ства использовано в так нарываемых ионно-испарительных
насосах (§ 5-7).
О влиянии диссоциации газа и о повышении в связи
с этим активности молекул мы уже упоминали выше, при-
чем мы имели в виду диссоциацию, происходящую непо-
средственно' на поверхности поглотителя. Однако необхо-
димо отметить, что большая активность диссоциированных
молекул способствует их более легкому поглощению вооб-
ще, независимо от того, происходит ли диссоциация под
влиянием самого поглотителя или к поверхности твердого’
тела подошла молекула газа, уже диссоциировавшая под
156
влиянием каких-либо других факторов. Например, атомный
водород (Н), получающийся в результате соприкосновения
нормального двухатомного водорода (Н2) с поверхностью
металла, нагретого до достаточно высокой температуры,
легко адсорбируется стеклянными стенками электровакуум-
ного прибора, что' является неблагоприятным фактором, по-
скольку водород может впоследствии при работе прибора
вновь выделиться и ухудшить вакуум.
5-12. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ВАЖНЕЙШИМИ
ГАЗООБРАЗНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ И МАТЕРИАЛАМИ,
ПРИМЕНЯЕМЫМИ В ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКЕ
После всего сказанного выше о поглощении газов твер-
дыми телами необходимо получить более конкретное пред-
ставление о взаимодействии между важнейшими газообраз-
ными веществами и материалами, применяемыми в вакуум-
ной технике. Без знания этого взаимодействия техника
откачки электровакуумных приборов не может быть рацио-
нально поставлена ни с точки зрения получения высокого
вакуума, ни с точки зрения его сохранения в 'готовом при-
боре.
Ниже приводится сводка сведений, являющихся весьма
важными с обеих высказанных точек зрения. Для лучшей
ориентировки и запоминания эти сведения частично приво-
дятся в виде таблицы.
Поглощение газов углем. Как пористые и весьма мелко-
кристаллические вещества уголь и сажа обладают большой
адсорбционной способностью (капиллярная адсорбция).
Особенно' большой эффект дает так называемый активиро-
ванный древесный уголь. Активировка производится путем
прокаливания угля в вакууме при температуре 400 450° С
для освобождения его от поглощенных в нем газов и жидких
углеводородов, забивающих поры. Обработанный таким
образом уголь способен уже при нормальной температуре
поглощать газы и пары различных веществ; а при темпера-
туре жидкого воздуха активированный уголь настолько хо-
рошо поглощает постоянные газы, что если это поглощение
использовать в каком-либо замкнутом объеме, то после
хотя бы грубого' разрежения насосом давление газа можно
снизить до весьма высокого вакуума. В настоящее время,
когда найдены более удобные пути получения высокого ва-
куума, поглощение газов и паров активированным углем
применяется редко.
157
Поглощение газов металлами
Металлы Вид поглощения и особенности
Na, К, Cs (щелочные металлы) Са, Sr, Ва (щелочно- земельные металлы) Водород и металлы Химическая реакция с образованием устойчивых гидридов типа МН для щелочных металлов и МН2 для щелочноземельных метал- лов (М заменяет собой химический знак отдель- ных металлов). Большей устойчивостью обла- дают гидриды щелочноземельных металлов
Та, Nb, Ti, Zr, Pd Твердый раствор и частично хими- ческая реакция (с образованием гидридов ТаН, ZrH2 и т. п.). Растворение сопровождается диссоциацией водорода, поэтому растворимость пропорциональна V р (р — давление газа) Объем поглощенного водорода, приведенный к атмосферному давлению, может в сотни раз превышать объем металла, в особенности у Pd Поглощение водорода приводит к резкому изменению многих физических свойств метал- лов, в частности, в большой степени возра- стает хрупкость металлов
Fe, Ni, Co, Cr, Mg, Mo, Cu, Pt Твердый раствор. Растворимость зна- чительно меньше, чем у металлов предыдущей группы, она пропорциональна 7 р . Поглоще- ние водорода на физические свойства металлов влияет слабо; Си при нагревании в водороде становится рыхлой и теряет герметичность («водородная болезнь»)
W Na, K, Cs, Ca, Sr, Ba Адсорбция и диффузия внутрь металла, но лишь по поверхности граней кри- сталлов с образованием одномолекулярной пленки на гранях Кислород и металлы Химическая реакция с образованием, окислов типа М2О для щелочных металлов и МО для щелочноземельных. Окисление энергично происходит даже при нормальной температуре
Ta, Al, Mg, Zr, Ti Химическая реакция с образованием весьма прочных окислов при нагревании ме- талла
W, Mo Химическая реакция с образованием окислов при нагревании металлов; окислы — непрочные, испаряются с поверхности металла при нагревании до температуры около 1 000° С
158
Продолжение
Металлы Вид поглощения и особенности
Pt Не взаимодействует. Растворение в расплавленном состоянии с обратным выделе- нием при остывании
— Водяной пар и металлы Адсорбция (физическая) на поверхности большинства металлов
Na, К, Cs, Са, Sr, Ba Химическая реакция (при нагрева- нии) отдельно с водородом и кислородом
Остальные металлы, кроме благородных Химическая реакция при нагревании с образованием окислов и выделением водо- рода Окись углерода и металлы Адсорбция и химическая реак- ция с большинством металлов
W Способен реагировать в парообраз- ном состоянии в атмосфере СО, образуя WCO
— Азот и металлы Химическая реакция с многими ме- таллами с образованием нитридов
W Способен реагировать в парообразном со- стоянии в атмосфере N2, образуя WN2 (нит- рид)
Поглощение газов слюдой и керамическими материала-
ми. Слюда и керамика отличаются хорошей адсорбционной
способностью (физическая адсорбция); это необходимо
иметь в виду при пользовании ими в качестве деталей
в электровакуумных приборах: имея на своих поверхностях
адсорбированную пленку газов и паров, эти детали, если их
не подвергнуть хорошему обезгаживанию предварительно
или в процессе откачки, могут портить вакуум.
С точки зрения газоотдачи слюды необходимо иметь
в виду, что пригодной в этом отношении является только
прозрачная слюда (без посторонних включений или пятен).
Важно отметить также, что если слюду подвергнуть про-
159
греву при слишком высокой температуре (500 -е60.0° С), то
она теряет воду, входящую в состав кристаллов, мутнеет и
становится непрочной.
Поглощение газов стеклом. Стекло является одним из
основных материалов вакуумной техники, поэтому свойства
стекла как поглотителя газов и паров должны быть хорошо
известны. По отношению к газам стекло обладает довольно
слабой адсорбционной способностью (физическая адсорб-
ция). Важнейшей особенностью стекла является его гигро-
скопичность, т. е. способность поглощать на поверхности
относительно большое количество водяного пара. Гигроско-
пичность стекла обусловливается тем, что физически адсор-
бированная вначале пленка водяного пара вступает в хими-
ческую реакцию с некоторыми компонентами стекла и при-
водит к образованию на поверхности стекла продуктов,
способных поглощать еще 'некоторое количество влаги.
Одним из гигроскопичных веществ, получающихся на по-
верхности стекла под воздействием адсорбированного водя-
ного пара, является щелочной раствор, способный, в свою
очередь, поглощать углекислоту (химически).
Кроме того, в стекле содержатся также растворенные
газы: водород, азот и кислород. Растворение газов внутри
стекла является следствием соприкосновения стекла с газа-
ми в процессе его варки. Гигроскопическая пленка полу-
чается в процессе хранения готового стекла на воздухе.
5-13. ПОГЛОТИТЕЛИ
Назначение
Как мы видели в § 5-10—15-12 способностью поглощать
газы обладают очень .многие вещества; в связи с этим, есте-
ственно, возникает мысль об использовании наиболее под-
ходящих из этих веществ в качестве средства для получения
высокого вакуума. Так были разработаны поглотители для
электровакуумных приборов, т. е. вещества, специально вво-
димые в баллоны электровакуумных приборов для погло-
щения газов и паров, нарушающих их нормальную работу.
В вакуумных приборах при помощи поглотителей соз-
дается, а во время работы прибора поддерживается высокий
вакуум; однако поглотители с успехом применяются и в га-
зонаполненных приборах; в последнем случае роль погло-
тителя сводится к очистке наполняющего газа от посторон-
них примесей: до минимума доводится не полное, давление
160
газа в целом, как в вакуумных приборах, а лишь парциаль-
ное давление активных примесей к основному, обычно
инертному, газу.
Основные требования
Назначением вводимых в электровакуумный прибор по-
глотителей определяются и основные требования к ним,
а именно:
1) поглотитель должен обладать высокой поглотитель-
ной способностью и прочно удерживать поглощенные им
газы и пары; под поглотительной способностью понимается
количество' газа в единицах pV, которое способен связать
1 мг поглотителя в рабочих условиях; поглотительная спо-
собность выражается обычно в см3 • мм рт. ст.1мг, или, что
то же,- л • мк/мг;
2) при температуре, которую поглотитель принимает
в работающем электровакуумном приборе, давление его па-
ров должно быть достаточно низким (обычно не выше
1СГ8 мм рт. ст.), иначе, поглощая газы, сам поглотитель
своими парами будет или ухудшать вакуум (в вакуумном
приборе), или загрязнять наполняющий газ (в газонапол-
ненном приборе);
3) из тех же соображений, если действие поглотителя
сопровождается химической реакцией с находящимися
в электровакуумном приборе газами или парами, продукты
этой реакции должны в работающем приборе иметь доста-
точно низкое давление пара (обычно не выше 10“8 мм
рт. СТ.);
4) наконец, наличие поглотителя не должно сказывать-
ся на параметрах электровакуумного прибора.
Конечно, идеальных поглотителей не существует; при
выборе наиболее подходящего из них для данного1 электро-
вакуумного прибора приходится мириться с тем или иным
недостатком поглотителя и в связи с этим принимать соот-
ветствующие меры, устраняющие или в достаточной степени
сглаживающие этот недостаток.
Классификация
Все поглотители принято классифицировать на так на-
зываемые «испаряющиеся» и «неиспаряющиеся».
К испаряющимся относятся такие поглотители, которые
в процессе откачки электровакуумного прибора или уже
11 Б. И. Королев. 161
в отпаянном приборе подвергаются специальному нагрева-
нию до температуры, достаточной для быстрого их испаре-
ния; при этом испаряющийся поглотитель осаждается в ви-
де налета на относительно более холодных стенках внутри
прибора (обычно' на ближайших стенках колбы).
На производственном языке эта операция называется
«распылением» поглотителя; соответствующая температу-
ра — температурой распыления, а конденсировавшийся
на стенках прибора налет носит название «зеркала» погло-
тителя.
В парообразном состоянии испаряющийся поглотитель
обладает наибольшей поглотительной способностью; погло-
тительная способность зеркала значительно ниже.
Распыленный поглотитель, ©садившийся в виде зерка-
ла на стенках внутри электровакуумного прибора, в даль-
нейшем никакому специальному нагреванию более не под-
вергается; наоборот, для зеркала поглотителя всегда отво-
дится такой участок, внутри электровакуумного прибора,
который при его работе остается холодным или нагревает-
ся относительно слабо, так, чтобы не происходило замет-
ного испарения осадившегося поглотителя.
Рабочая температура или так называемая «температура
поглощения» распыленного поглотителя не должна превы-
шать 200° С (табл. 5-3).
Отдельные виды испаряющихся поглотителей рассмотре-
ны ниже, а теперь дадим такую же общую характеристику
неиспаряющихся поглотителей. Последние отличаются тем,
что используются в том же виде и в том же месте, в каком
они введены в электровакуумный прибор при его изготов-
лении.
Отличительной особенностью неиспаряющихся поглоти-
телей является то, что интенсивное поглощение ими газов
может происходить только в том случае, если при работе
электровакуумного прибора они нагреваются до достаточно
высокой температуры (обычно до нескольких сот градусов),
чтобы могла происходить химическая реакция поглотителя
с остаточными газами или растворение, последних. С этой
целью неиспаряющийся поглотитель всегда помещают
в таком месте электровакуумного прибора, где при работе
последнего поглотитель приобретает нужную для поглоще-
ния газов температуру.
Рабочая температура неиспаряющихся поглотителей
указана в табл. 5-4.
162
О'безгаживание поглотителей
В заключение общей характеристики поглотителей необ-
ходимо- указать на необходимость предварительного прока-
ливания почти всех видов поглотителей с целью их обезга-
живания.
Если введенный внутрь электровакуумного прибора испа-
ряющийся поглотитель сразу же подвергнуть распылению,
то в первые минуты повышения температуры из него может
выделиться большое количество- газов; эти газы в значи-
тельной мере снова поглощаются самим поглотителем (па-
рами и зеркалом); -следовательно, часть поглотителя будет
израсходована совершенно непроизводительно на поглоще-
ние бывших в нем ранее газов, которые можно было бы
удалить насосом. Поэтому, если испаряющийся поглотитель
при его нагревании для распыления способен выделить
много газа, он в процессе откачки прибора подвергается
предварительному о-безгаживанию. Температура обезгажи-
вания распыляющегося поглотителя выбирается такой, что-
бы из него выделилось, по возможности, большее количе-
ство газа, но в то же время чтобы эта температура еще не
была достаточной для заметного распыления поглотителя.
Точно так же и многие неиспаряющиеся поглотители
требуют хорошего обезгаживания (при откачке электро-
вакуумного прибора), иначе поглотитель будет работать
плохо.
Температуры обезгаживания для ряда поглотителей ука-
заны в табл. 5-3 и 5-4.
Испаряющиеся поглотители
Фосфор. Из испаряющихся поглотителей в первую оче-
редь рассмотрим фосфор, являвшийся поглотителем перво-
го электровакуумного прибора — вакуумной .лампы накали-
вания (1894 -г.).
Несмотря на относительно давнюю историю, фосфорный
поглотитель применяется и в настоящее время, но область
его применения ограничивается лишь лампами накалива-
ния. Для электронных ламп фосфорный поглотитель оказал-
ся неподходящим вследствие большого давления паров
фосфора при рабочих температурах в этих приборах; на-
пример, при 200° С давление насыщенного пара фосфора
достигает сотых долей миллиметра ртутного столба. В лам-
пах же накаливания (главным образом вакуумных) приме-
11* 163
нение фосфора оказалось целесообразным, потому что фос-
форное «зеркало» (слабожелтый налет на внутренних стен-
ках стеклянной колбы) является прозрачным; кроме того,
слой фосфора, разбавляя в своей среде темный налет, по-
лучающийся от естественного' в процессе работы лампы
'испарения вольфрамовой спирали, придает этому налету
большую прозрачность. Такое свойство поглотителя имеет
очень существенное значение для источника света. В тех же
целях в вакуумных лампах в состав фосфорного поглоти-
теля добавляются специальные соли (например, криолит
Na3AlF6), усиливающие разбавляющее действие в отношении
темного' вольфрамового налета.
Основным назначением фосфорного поглотителя являет-
ся поглощение газов. С этой целью порошок красного фос-
фора в виде суспензии в какой-либо жидкой (связующей)
среде, например в спирте или нитролаке (растворе нитро-
клетчатки в амилацетате), наносится на нить накала лампы
и при первом ее включении после откачки и отпайки под-
вергается распылению. При испарении фосфора происходит
целый комплекс явлений, приводящих к быстрому погло-
щению газов в лампе. Красный фосфор представляет собой
относительно мало активное вещество, благодаря чему при
хранении он не нуждается в особых мерах защиты от
влияния атмосферного' воздуха и влаги. Переходя в паро-
образное состояние, красный фосфор переходит в другую
модификацию, которая носит название желтого фосфора и
отличается значительно большей активностью.
Если при распылении фосфора (в вакуумной лампе)
к лампе подводится достаточно высокое напряжение (не ме-
нее 40 в) и температура накала нити достаточна для замет-
ной эмиссии электронов, то под действием электрического
поля одновременно с испарением фосфора происходит иони-
зация как остаточного’ газа, так и паров фосфора. При этом
происходит поглощение газа следующими путями: хими-
чески, так как желтый фосфор (в парообразном состоя-
нии) активно' реагирует с кислородом, а получающийся
в результате этой реакции фосфорный ангидрид (Р2О5)
является самым активным поглотителем водяного пара;
электрохимически, поскольку ионизация приводит
к возникновению таких реакций, которые при нейтральном
состоянии молекул быть не могут; наконец, путем физиче-
ской адсорбции фосфорным налетом, поверхность которо-
го', пока продолжается испарение фосфора, поддерживает-
ся в свежем виде (с большим числом активных центров).
164
По мере исчезновения газа и осаждения фосфора, испа-
рившегося с накаленной вольфрамовой нити, электрический
разряд в газообразной среде прекращается. Так как этот
разряд сопровождается характерным голубым свечением
газа внутри лампы, то момент прекращения разряда мож-
но практически отождествить с моментом исчезновения го-
лубого свечения. К этому моменту в вакуумной лампе нака-
ливания, отпаиваемой с откачной установки обычно с давле-
нием 1 • 10-2-ЬЗ • 10-2 мм рт. ст., давление снижается до
1 • 1'0_4 -г- 1 • 10~5 мм рт. ст., что вполне достаточно для нор-
мальной работы вакуумной лампы накаливания.
Если лампа рассчитана на низкое напряжение, при кото-
ром ионизации в атмосфере газа и паров фосфора не про-
исходит, то1 понижение давления остаточных газов идет
медленнее и только за счет химической реакции с парами
фосфора (поглощение О2 и Н2О) и физической адсорбции
газов фосфором, осадившимся на колбе.
В некоторых типах газонаполненных ламп накаливания
для снижения парциального давления вредных примесей
также применяется красный фосфор. Вредными в газона-
полненной лампе считаются такие примеси, которые, хими-
чески реагируя с накаленной вольфрамовой нитью, создают
вследствие этого преждевременный непрозрачный («чер-
ный») налет на колбе. Наиболее вредной .примесью являет-
ся водяной пар или кислород и водород, одновременно при-
сутствующие в лампе. Очень малая примесь этих газообраз-
ных веществ приводит к быстрому «почернению» лампы
вследствие осаждения чистого- вольфрама на стенках колбы.
Механизм вредного действия водяного пара заключает-
ся в следующем. Водяной пар при соприкосновении с нака-
ленной вольфрамовой нитью диссоциирует по уравнению
2Н2О^О24-4//
с образованием атомнрго водорода (Н), обладающего боль-
шой химической активностью; кислород реагирует с воль-
фрамом, образуя окислы вольфрама, например WO2, кото-
рые не могут удерживаться на накаленном вольфраме и
испаряются; на поверхности же стекла и токоподводящих
электродов, куда устремляются испаряющиеся окислы, по-
лучается налет, состоящий не из окислов, а из чистого
вольфрама, так как окислы вольфрама восстанавливаются
атомным водородом:
WO2+4H^2H2O-|-W,
. 165
причем снова получается водяной пар, продолжающий свое
разрушительное действие.
Таким образом, реакция водяного пара с накаленным
вольфрамом является, как говорят, «круговой» и, следова-
тельно, достаточно лишь небольшой примеси водяного пара
(или одновременно кислорода и водорода), чтобы баллон
лампы почернел; чтобы своевременно прекратить это почер-
нение, надо прервать круговую реакцию в самом начале ее
возникновения. Для этого достаточно связать поглотителем
хотя бы только кислород или водород и водяной пар (в не-
большом количестве) становится безвредным.
Фосфор как поглотитель кислорода успешно прерывает
круговую реакцию водяного пара с накаленным вольфра-
мом лишь при относительно малом парциальном давлении
кислорода или водяного пара. В связи с этим в настоящее
время во многих типах газонаполненных ламп накаливания,
работающих в более тяжелом температурном режиме,
с большим успехом применяются другие виды поглотите-
лей, о которых сказано ниже, так как они относятся к не-
испаряющимся поглотителям (Al, Zr, Ti).
Поглотители для электронных и ионных приборов по
сравнению с фосфором должны удовлетворять более стро-
гим требованиям во всех отношениях, поэтому для этих при-
боров пришлось искать другие испаряющиеся поглотители.
Поскольку прозрачность зеркала поглотителя в этих при-
борах не необходима, целесообразно применение ряда хи-
мически активных металлов. Наибольшее распространение
в качестве поглотителей для электронных и ионных прибо-
ров получили щелочноземельные металлы.
Магний. Первым из щелочноземельных металлов в каче-
стве испаряющегося поглотителя был применен магний.
Магниевая полоска, привариваемая обычно к аноду элек-
тровакуумного прибора, сначала обезгаживается при тем-
пературе около 400° С, а затем подвергается распылению,
для чего температура магния повышается до 500° С.
В парообразном состоянии магний интенсивно погло-
щает главным образом кислород, в меньшей степени азот,
двуокись углерода и углеводороды. Осадившись в виде зер-
кала, магний становится слабым поглотителем, так как со-
храняет способность лишь физически адсорбировать оста-
точные газы. Поэтому как самостоятельный поглотитель
магний сохранился только в некоторых электровакуумных
приборах старых конструкций, а также, например, в ртут-
ных выпрямителях, так как поглощенные магнием газы не
166
вытесняются атомами ртути, как это происходит в случае
применения в приборах с ртутными парами других погло-
тителей.
Бариевые поглотители. При описании свойств щелочно-
земельных металлов указывалось, что такие металлы, как
барий, стронций и кальций, способны активно реагировать
с кислородом даже при комнатной температуре. Особенно
это относится к самому активному из этих металлов — ба-
рию. Поэтому барий занял одно из первых мест среди по-
глотителей всех видов.
В отличие от магния барий способен активно погло-
щать газы, не только находясь в парообразном состоянии,
но и в виде зеркала. Своей эффективностью осадившийся
на стенках в виде зеркала барий обязан тем, что получаю-
щаяся в результате реакции с кислородом окись бария
имеет объем, меньший объема прореагировавшего бария;
благодаря этому окись бария обладает рыхлостью, пори-
стостью и не препятствует соприкосновению остаточных га-
зов с чистым металлическим барием, находящимся под
окисью.
Однако высокая активность бария, будучи самым цен-
ным его свойством, в то же время не позволяет сохранять
металлический барий и пользоваться им в чистом виде, без
специальных мер защиты его от воздействия атмосферного
воздуха. Реагируя с кислородом воздуха и находящейся
в атмосферном воздухе влагой, барий теряет свою актив-
ность и для введения его в электровакуумный прибор в ка-
честве поглотителя становится непригодным. Такая горя-
чая операция, как заварка ножки электровакуумного при-
бора в колбу, для поглотителя из чистого металлического
бария является гибельной.
В связи с этим разработка бариевого поглотителя заклю-
чалась главным образом в изыскании способов защиты ба-
рия от воздействия атмосферного воздуха (кислорода и
влаги), так, чтобы после его введения в электровакуумный
прибор в последнем легко получались пар и зеркало чисто-
го- металлического бария. Рассмотрим наиболее распростра-
ненные виды бариевых поглотителей.
Барий в защитной оболочке. Один из способов защиты
бария от атмосферного влияния заключается в заполнении
барием железных, никелевых или медных трубок, которые
служат для бария защитной оболочкой. Заполненные ба-
рием трубки после соответствующей механической обработ-
ки имеют вид проволок.
167
Приготовленные таким путем бариевые поглотители
в зависимости от рода защитной оболочки иногда сокра-
щенно называют: «феба» (барин в железной оболочке), «ни-
ба» (барий в никелевой оболочке) и «куба» (барий в мед-
ной оболочке).
Для введения в электровакуумный прибор проволоку
режут на короткие отрезки; последние монтируются на ни-
келевых держателях так, чтобы можно было' производить
нагревание токами высокой частоты.
После обезгаживания отрезков производится распыле-
ние при температурах 900 -г-1 100° С, причем испаряется
только барий, так как железо, никель или медь обладают
значительно меньшей по сравнению с барием скоростью
испарения; таким образом, получающееся в результате
распыления зеркало поглотителя независимо от защитной
оболочки состоит только из чистого бария.
Сплавы бария с защитными металлами. Большое рас-
пространение получил другой способ защиты бариевого по-
глотителя от атмосферного влияния, заключающийся в при-
менении сплавов бария с другими металлами. Для сплава
с барием выбирается такой металл, который, создавая
требуемую защиту для бария, в то же время не препятст-
вует получению зеркала, состоящего из чистого металличе-
ского бария.
Поглотитель «алъба». Из довольно большого числа раз-
личных сплавов наиболее широкое применение получили
бариевоалюминиевые таблетки, имеющие, например, состав
65% Ва + 35% А1 («альба»). Как известно, алюминий обла-
дает свойством, покрывшись весьма тонкой пленкой окиси,
далее оставаться в чистом виде; пленка окиси не позволяет
реакции кислорода воздуха с алюминием распространяться
в глубь металла. Составляя значительную часть бариево-
алюминиевого сплава, алюминий свое свойство преграждать
тонкой окисной пленкой путь реакции с кислородом возду-
ха в большой мере распространяет и на сплав, который по
сравнению с чистым барием обладает гораздо большей
устойчивостью в атмосфере.
При распылении бариевоалюминиевые таблетки ведут
себя аналогично бариевым поглотителям в защитных обо-
лочках: испаряется только барий, а алюминий, обладаю-
щий по сравнению с барием значительно меньшей ско-
ростью испарения, остается в месте закрепления таблетки
(правда, при некотором перегреве таблетки может, кроме
168
бария, испариться и некоторое количество алюминия, что
снижает активность зеркала).
Бариевоалюминиевые таблетки вводятся в электрова-
куумные приборы закрепленными в никелевых полочках на
Рис. 5-77. Крепление таблеток поглотителя.
1 — полочка; 2 — крышка; 3 — ячейка с таблеткой поглотителя;
4 — держатель полочки; стрелки указывают границы распростране-
ния потока пара поглотителя.
держателях (рис. 5-77) и для обезгаживания и окончатель-
ного распыления прокаливаются токами высокой частоты
(рис. 5-78).
Несмотря на относительную устойчивость бариевоалю-
миниевых таблеток в атмосфере, все же приходится при-
бегать к определенным
мероприятиям для лучшей
сохранности таблеток пе-
ред использованием их в
качестве поглотителя в
электровакуумном прибо-
ре. Так, например, хране-
ние б а риевоа л том ии ги ев ык
таблеток производится в
запаянных стеклянных ам-
пулках, наполненных дву-
окисью углерода, Не дей-
ствующей вредно на таб-
летки. Смонтированные на
ножки полочки с бариево-
алюминиевыми та блетка-
ми во время заварки
должны быть защищены
ного воздействия газового
вения с воздухом при
Рис. 5-78. Прогрев и рпспыление по-
глотителя плоской катушкой высокой
частоты.
1—полочка с поглотителем; 2 — плоская
катушка.
не только1 от непосредствен-
пламени, но и от соприкосно-
высокой температуре. С этой
169
целью через завариваемый прибор продувается азот, вытес-
няющий атмосферный воздух; полочки с таблетками иног-
да покрываются защитной алюминиевой фольгой и т. п.
Заваренный прибор, по возможности, без задержки пере-
дается на следующую операцию — откачку, иначе более .или
менее длительное соприкосновение смонтированных в при-
боре таблеток поглотителя с воздухом значительно ослаб-
ляет их эффективность при поглощении тазов в самом при-
боре. Если заваренные приборы перед откачкой хранятся
более суток, то такие приборы необходимо подвергать так
называемой предварительной откачке (без обработки дета-
лей), чтобы таблетки поглотителя при хранении прибора не
соприкасались с воздухом.
Поглотитель «бати». Поглотитель «альба» постепенно
вытесняется поглотителем «бати», который отличается от
«альба» только добавкой титана. Из смеси 60 г порошка
«альба» и 40 а титанового порошка прессуют таблетки или
приготовляют пасту. После предварительного обезгажива-
ния поглотитель «бати» доводится до температуры распыле-
ния, причем, так же как и в случае поглотителя «альба»,
испаряется только барий; что касается алюминия, то
в отличие от «альба» в данном случае его испарение более
затруднено, поскольку он прочно связывается титаном и об-
разует с ним сплав, скорость испарения которого значитель-
но меньше, чем чистого алюминия. В этом свойстве погло-
тителя «бати» заключается его преимущество перед погло-
тителем «альба».
Поглотитель «бато». Интересен механизм образования
бариевого зеркала поглотителем «бато». Этот поглотитель
приготовляют из смеси трех порошков: бариевоалюминие-
вого сплава, окиси железа и тория. Из этой смеси прес-
суются таблетки, заделываемые в никелевые полочки; по-
следние на держателях прикрепляются в соответствующем
месте прибора.
При нагревании таблетки металлический торий реаги-
рует с окисью железа, выделяя относительно большое ко-
личество тепла в таблетке. Температура таблетки быстро
повышается, а никелевая полочка еще имеет относительно
низкую температуру и, следовательно, не выделяет боль-
шого количества газов. В остальном таблетки «бато» ана-
логичны бариевоалюминиевым таблеткам: из бариевоалю-
минпевого сплава, нагретого одновременным воздействием
токов высокой частоты и реакции тория с окисью железа,
испаряется только барий.
170
«тантал»; он состоит из карбонатов бария
3
Рис. 5-79. Лодочка с поглоти-
телем (в увеличенном виде,
разрезана пополам).
/—лодочка; 2—место приварки ло-
дочки к рамке; 3 — поглотитель;
стрелки указывают крайние направ-
ления потока пара.
на танталовую про-
помещенных в тан-
Барий как составная часть химического соединения. Тре-
тий способ защиты бариевого поглотителя от вредного влия-
ния кислорода воздуха и влаги заключается в том, что
барий в составе поглотителя находится в химически связан-
ном состоянии, в виде соединения, обладающего устойчи-
востью против воздействия атмосферного воздуха. Приме-
рами такого вида бариевых поглотителей могут служить
так называемый «баталовый» поглотитель и поглотитель
«бериллат бария».
Баталовый поглотитель получил свое название от слов
«барий» и
(ВаСОз) и стронция (БгСОз),
нанесенных
волоку или
таловой лодочке (рис. 5-79).
Карбонат стронция добавляет-
ся для предотвращения преж-
девременного расплавления
карбоната бария при нагрева-
нии. Оба карбоната устойчивы
при хранении на воздухе.
Нагретые до достаточно- вы-
сокой температуры (800° С для
ВаСОз и 1 100° С для SrCO3)
карбонаты превращаются в со-
ответствующие окислы (ВаО
углерода (СО2), которая удаляется насосом, в то же вре-
мя накаленный тантал (проволока или лодочка) восста-
навливает из получившихся окислов металлический барий
и стронций, которые при температуре 1 200—1 300° С ис-
паряются и образуют зеркало. Поглощение газов происхо-
дит как при испарении, так и после конденсации бария и
стронция в виде зеркала, причем поглотительная способность
стронция несколько уступает поглотительной способности
бария.
«Баталовым» поглотителем часто называют такой барие-
вый поглотитель, для которого исходным химическим со-
единением, содержащим барий, является не только карбо-
нат бария. Так, например, можно в танталовую лодочку
поместить так называемый бериллат бария (ВаВеО2) или
какое-либо другое подходящее химическое соединение, кото-
рое при нагревании дает окись бария (ВаО), восстанавли-
ваемую танталом и, следовательно, дающую зеркало, со-
стоящее из чистого бария.
и
БхО>}, выделяя двуокись
171
Вместо тантала восстановителем могут служить и дру-
гие металлы, например молибден', вольфрам, титан, 'Цир-
коний и т. in.; такой поглотитель нельзя уже, конечно, на-
зывать «Баталовым».
Поглотитель «бериллат бария». Большое распростране-
ние получил бариевый поглотитель, исходным материалом
для которого является порошок бериллата бария, смешан-
ный с порошком титана и помещаемый в молибденовую
лодочку. В таком виде поглотитель обладает удовлетвори-
тельной устойчивостью против атмосферных влияний.
Рис. 5-80. Крепле-
ние лодочки с по-
глотителем.
Введенный в электровакуумный при-
бор бериллат бария подвергается темпе-
ратурному воздействию, аналогичному
принятому для «баталовюго» поглотителя,
а именно, после обезгаживания при тем-
пературе 900° С, которое (проводится в про-
цессе откачки, бериллат бария подверга-
ется нагреванию до 1 300° С, причем про-
исходит следующий процесс: бериллат
бария разлагается на ВаО и ВеО; окись
1 — лодочка с погло-
тителем; 2 — рамка;
3 — держатель для
приварки к какой-ли-
бо металлической де-
тали электровакуум-
ного прибора.
бария восстанавливается титаном и ча-
стично молибденом, а получающийся чи-
стый барий испаряется из лодочки и дает
бариевое зеркало; окись бериллия, буду-
чи устойчивой при температуре 1 300° С,
Прокаливание
остается в лодочке.
бариевых поглотителей типа «батало-
вого» и «бериллата бария» для обезгаживания и распыле-
ния можно проводить двояким способом. Например, если
лодочку с поглотителем приварить к никелевой рамке, а по-
следнюю через дополнительный отрезок проволоки прива-
рить к какой-либо детали внутри электровакуумного при-
бора (рис. 5-80), то прокаливание лодочки производится
токами высокой частоты; последние возбуждаются легко,
так как рамка с лодочкой, как нетрудно видеть, представ-
ляет собой замкнутый проводник, который надо только со-
ответствующим образом ориентировать по отношению к ка-
тушке высокой частоты.
Если проволочные держатели с одного- конца замкнуты
приваренной к ним лодочкой с поглотителем, а противопо-
ложные концы держателей приварены к свободным выво-
дам электровакуумного прибора, то прокаливание погло-
тителя производится пропусканием через него тока. Такой
способ прокаливания имеет то преимущество, что он позво-
172
ляет проводить как обезгаживание, так и распыление по-
глотителя в более строгом температурном режиме, с кон-
тролем величины тока, проходящего через лодочку. При
высокочастотном способе прокаливания такого постоянства
режима получить нельзя, так как температура лодочки за-
висит не только от работы катушки высокой частоты, но
и от ориентировки рамки по отношению к катушке, от рас-
стояния между рамкой и катушкой и от площади рамки.
Недостатком этого способа прокаливания является необхо-
димость дополнительных выводов через стекло.
Большим преимуществом бариевых поглотителей типа
«бериллат бария» является также то, что, не требуя мас-
сивных полечек, они легко обезгаживаются, так как, поми-
мо самого поглотителя, газы выделяются в основном только
из небольшой молибденовой лодочки.
Влияние условий распыления и работы
поглотителя
Распыление поглотителя можно проводить или в про-
цессе откачки (на одной из последних позиций откачного
автомата), или в отпаянном электровакуумном приборе.
Выбор момента распыления зависит от количества содер-
жащихся в поглотителе (вместе с держателями) газов. Если
поглотитель обезгаживается с трудом и к моменту его ис-
парения он еще продолжает содержать большое количе-
ство газов, то распыление следует выполнять как заключи-
тельную операцию1 процесса откачки электровакуумного
прибора перед его отпайкой с вакуумной системы; этим
преследуется цель удалить насосом хотя бы часть выде-
ляющихся при испарении газов из прибора до того, как
начнется обратное поглощение их парами и зеркалом по-
глотителя.
iB случае же применения поглотителя с малым газовыде-
лением его распыление, очевидно, можно проводить уже
в отпаянном приборе; при таком распылении поглотителя
создаются лучшие условия для поглощения остатков газа,
так как они находятся в ограниченном объеме отпаянного
электр овакуумного прибор а.
Применяя бариевый поглотитель любого вида, можно по
внешнему виду зеркала бария судить об условиях, в кото-
рых происходило распыление поглотителя. Если барий ис-
парялся в хорошем вакууме и не очень быстро (с более или
менее постепенным повышением температуры поглотителя),
то зеркало получается блестящим, что указывает на его
173
плотность. Если барий испарялся в хорошем вакууме, но
испарение происходило бурно (с быстрым повышением тем-
пературы поглотителя), то зеркало получается менее бле-
стящее, имеет темный оттенок, что указывает на его рых-
лость,
Рыхлое (темное) зеркало бария, имея относительно
большую поверхность поглощения (при той же занимаемой
поверхности стенки колбы), обладает и большей актив-
ностью в отношении поглощения газов, оставшихся в элек-
тровакуумном приборе после откачки или выделяющихся
в процессе его работы.
При .испарении же бария в плохом вакууме бариевое
зеркало получается неоднородным по внешнему виду; тем-
ные участки перемежаются с радужными цветами побежа-
лости, получающимися вследствие окисления бария и по-
глощения им относительно большого количества газов.
При очень плохом вакууме вследствие повышенной теп-
лопроводности газа распыление поглотителя затрудняется
и для его возникновения требуется большая мощность разо-
грева; зеркало получается радужное.
При распылении бариевого поглотителя в атмосфере
инертного газа при низких давлениях (до 3 мм рт. ст.) рас-
пыление затрудняется, но получается рыхлое черное зерка-
ло, обладающее по сравнению с блестящим бариевым зер-
калом значительно большей поглотительной способностью
(табл. 5-2).
Таблица 5-2
Поглотительная способность блестящего и
диффузного (черного) бариевого зеркала по
отношенью к различным газам
Газ Поглотительная способность бариевого зеркала (см1>мм pm. ст/мг) '
блестящего диффузного
Кислород 15,2 45
Азот 9,5 36,1
Двуокись углерода . . . 5,21 59,5
Водород ...... . 87,2 73
Если работа электровакуумного прибора, в котором был
распылен бариевый поглотитель, сопровождается выделе-
нием большого количества О2 и Н2О, то это также отра-
жается на характере бариевого зеркала. Последнее посте-
пенно принимает резкие очертания, поверхность зеркала
174
уменьшается; не очень толстое зеркало может 'Постепенно
исчезнуть полностью, оставив вместо себя прозрачный, от-
носительно мало заметный налет; более толстое зеркало
становится белым. Все эти изменения происходят вслед-
ствие постепенного окисления бария и превращения в связи
с этим металлического зеркала в налет окиси бария. При
натекании в электровакуумный прибор атмосферного воз-
духа бариевое зеркало претерпевает те же изменения.
Выше уже было указано, что испаряющийся поглоти-
тель должен осаждаться на таком участке поверхности вну-
три электровакуумного прибора, температура которого при
работе прибора не превышает 200° С. При выборе места для
распыляющихся и, в частности, бариевых, поглотителей
нужно иметь в виду следующие важные замечания:
1. Так как металлический барий является проводником
и очень хорошим эмитером электронов, то молекулярный
пучок испаряющегося бария необходимо направлять так,
чтобы он осаждался только на отведенном ему месте. Обыч-
но наиболее удобным местом для бариевого зеркала явля-
ются боковые стенки -колбы или самая верхняя часть колбы
(купол).
Неправильный выбор направления для потока испаряю-
щегося бария и места для зеркала может привести к сле-
дующим отрицательным последствиям. Если барий попа-
дает на ножку между вводами или на крепления из изоля-
ционных материалов (стекла, керамики, слюды и т. п.), то
возможно нарушение изоляции; для восстановления изо-
лирующих свойств проводящую пленку приходится «про-
жигать», например, при помощи искрового течеискателя
или другими способами.
Если барий попадает на поверхность сетки электронной
лампы, сетка может настолько активироваться, что при
отрицательном сеточном напряжении будет наблюдаться
заметная термоэлектронная эмиссия сетки даже при отно-
сительно низких температурах последней, что нарушает
Нормальную работу лампы.
2. Бариевое зеркало, представляя собой металлическую
поверхность, может привести к увеличению междуэлектрэд-
ных емкостей, что недопустимо в электронных лампах, пред-
назначенных для работы на сверхвысоких частотах.
3. Будучи непрозрачным, зеркало металлического погло-
тителя может повлиять на режим охлаждения, так как за-
держивает излучение электродов, нагревающихся при ра-
боте электровакуумного прибора.
175
Таблица 5-3
Бариевые поглотители
Поглоти- тели Фосфор Магний Барий в защитной оболочке « Бариевые сплавы Бариевые соединения
железной («феба») никелевой («ни ба») медной («куба») «Альба» «Бати» «Бато» Баталовы# поглоти- тель Бериллат бария
Вид при- менения Суспензия порошка в нитролаке Кусочки ленты или проволоки Таблетки Таблетки или паста Таблетки Суспензия порошка в нитролаке
Способ крепления Способ нагревания Т емпература обезгаживания Температура распыления Рабочая температура Нанесение на нить накала Пропусканием тока через нить накала Предваритель- но не обезга- живается Выше 200° С 100—200° С Приварка к аноду или другой детали Токами высо- кой частоты, электронной бомбардиров- кой 400° С 500° С Работает в основном в процессе распыления В никелевых полочках Токами выс 750—800° С 900—1 000° С В никелевых полочках или на никелевых или молибде- новых подложках окой частоты 800-900° С 1 000-1 100° С Не выс В никелевых полочках Предваритель- но не' обез- гаживается 750—800° С де 200° С Нанесение на внутри лодо щей никел или ДВ£ Токами выс (рамка), П] тока ( 800—1 100° С 1 200-1 300° с проволоку или тки, замыкаю- евую рамку вывода окой частоты допусканием выводы) 900-1 000° С 1 300-1 350° С
Область пре- имуществен- ного применения Лампы накаливания В разрядных приборах с ртутными парами Стеклянные приемно-усилительные лампы, генераторные лампы малой и средней мощности, электронно-лучевые трубки
В табл. 5-3 приведены данные, характеризующие от-
дельные испаряющиеся поглотители.
На рис. 5-81 графически представлена зависимость дав-
ления насыщенных паров от температуры для различных
Рис. 5-81. Давление насыщенных паров различных веществ.
веществ, (применяемых в качестве испаряющихся поглоти-
телей, и некоторых других веществ, встречающихся в ва-
куумной технике.
Н е и с п а р я ю щ и е с я поглотители
Основные особенности неиопаряющихся поглотителей
отмечены выше. Дополнительно укажем, что в отличие от
бариевых поглотителей ни один из неиопаряющихся погло-
тителей не нуждается в специальных мерах защиты от атмо-
сферных влияний перед введением их внутрь электрова-
куумного прибора.
Рассмотрим важнейшие неиспаряющиеся поглотители.
Тантал. Хорошо обезгаженная в высоком вакууме (при
температуре 1 600-н 2 000° С) танталовая лонга становится
способной поглощать (при температуре ниже 1 500° С)
в большом количестве газы, даже благородные. Связывание
газов танталом осуществляется двумя путями: например,
водород и азот растворяются в тантале, тогда как кислород
образует с танталом очень прочные окислы.
12 Б. И. Королев. 177
Наибольшей поглотительной способностью тантал обла-
дает в интервале температур от 600 до 1 000° С, когда объ-
ем поглощенных газов, отнесенный к атмосферному давле-
нию, может превысить объем самой жести в несколько сот
раз. Это свойство тантала особенно успешно используется
для поглощения газов в генераторных лампах, в которых
танталовые аноды при нормальной работе прибора нагре-
ваются до температуры 700 ч- 1 000° С.
Так как тантал является сравнительно дорогим метал-
лом, то из экономических соображений вместо танталовой
жести, являющейся одновременно и конструктивным мате-
риалом, иногда .применяется тонко размельченный танта-
ловый порошок, наносимый на молибденовую жесть и за-
крепляемый на ней нитролаком с тем, чтобы при обезга-
живании произошло спекание порошка с поверхностью мо-
либдена.
Тантал как поглотитель остаточных газов нуждается
в тщательном обезгаживании; последнее часто проводится
предварительно, до монтажа лампы (в вакууме, под стек-
лянным колпаком, токами высокой частоты, рис. 5-86);
окончательному обезгаживанию танталовый анод подвер-
гается в процессе откачки лампы, причем для этой ноли
применяется обычно прокаливание как токами высокой ча-
стоты, так и электронной бомбардировкой.
Сказанное о тантале полностью относится и к сплаву
тантала с родственным ему металлом ниобием; этот сплав
также применяется в качестве конструктивного материала
для генераторных ламп (главным образом для анодов).
Цирконий. Цирконий аналогично танталу является весь-
ма эффективным неиспаряющимся поглотителем. Он вво-
дится в электровакуумный прибор' в виде кусочков жести
или проволоки; большое распространение в вакуумной про-
мышленности'получило также применение циркониевого по*
рошка, наносимого, ^например, на анод или другую деталь
электровакуумного прибора.
Введенный в электровакуумный прибор цирконий стано-
вится хорошим поглотителем после предварительного обез-
гаживания. Наилучшее обезгаживание достигается при тем-
пературе в пределах 1 000 ч- 1 700° С; нижний температур-
ный предел для обезгаживания лежит около 700° С.
Обезгаженный цирконий способен надежно поглощать
кислород, азот, окись углерода, двуокись углерода, образуя
с ними твердые растворы или химические соединения; по-
глощение становится заметным уже при 400° С; с повыше-
178
нием температуры активность циркониевого поглотителя по
отношению к указанным газам возрастает.
Водород растворяется в цирконии в очень больших ко-
личествах*. объем растворенного водорода, отнесенный
к атмосферному давлению, может превышать объем самого
циркония в тысячу и более раз. Поглощение водорода на-
чинается при температуре 300° С; при дальнейшем повы-
шении температуры растворимость сначала возрастает, но
после 500° С цирконий снова начинает выделять водород.
Неполное совпадение температурных условий, необходи-
мых для интенсивного поглощения водорода, с одной сто-
роны, и остальных газов — с другой, является недостатком
циркониевого поглотителя; этот недостаток сводится к ми-
нимуму, если расположить циркониевый поглотитель в элек-
тровакуумном приборе так, чтобы часть его при работе при-
бора нагревалась до 300—400° С (для активного поглоще-
ния водорода), а часть — до 800° С (для поглощения кисло-
рода и других газов).
Циркониевый поглотитель вводится в электровакуум-
ные приборы также химически связанным в виде гидрида '
циркония (ZrH4), нанесенного в виде порошка на молибде-
новые, никелевые, железные или графитовые аноды, а так-
же на сетки; при первом же достаточном нагревании
(800° С) гидрид превращается в чистый цирконий с описан-
ными выше свойствами.
Применение циркониевого поглотителя, находящегося пер-
воначально в связанном (в виде гидрида циркония) со-
стоянии, имеет то преимущество, что гидрид циркония более
стойко выдерживает воздействие со стороны окружающих
газов при такой операции, как заварка электровакуумного
прибора; благодаря этому цирконий сохраняется для рабо-
ты в качестве поглотителя.
При работе с поглотителем из циркониевого порошка
необходимо помнить, что циркониевый порошок в сухом
виде очень легко воспламеняется. Его нужно хранить и
транспортировать во влажном состоянии.
Цирконий в качестве поглотителя может применяться
во многих типах электр©вакуумных приборов: генератор-
ных лампах, ионных приборах, рентгеновских трубках и т. Д.
(табл. 5-4).
Большое применение циркониевый поглотитель в виде
порошка получил в газонаполненных лампах накаливания;
он наносится на держатели и вводы лампы в месте их
нагрева до достаточно высокой температуры.
12* 179
Титан. Обладая примерно такой же активностью по от-
ношению к различным .газам, как и цирконий, титан в отли-
чие от циркония взрывобезопасен.
То обстоятельство, что в качестве поглотителя титан
получил вплоть до последнего времени меньшее распрост-
ранение, объясняется более поздним по сравнению с цирко-
нием изучением его поглотительной способности при раз-
личных условиях применения. В настоящее время установ-
лено, что при температуре выше 700° С титан хорошо погло-
щает кислород, азот и двуокись углерода. Водород абсор-
бируется титаном при значительно более низких температу-
рах, начиная от комнатной до 400° С. Титан является хоро-
шим поглотителем также водяного пара.
Для того чтобы титановый поглотитель мог одновремен-
но' поглощать все упомянутые выше газы, он должен иметь
различные температуры (до 400° С для поглощения водоро-
да и 800° С для остальных газов); для этого иногда тре-
буется использование двух и белее отдельных поглотите-
лей, расположенных в соответствующих местах; в частно-
сти, только при этих условиях может происходить поглоще-
ние водяного пара.
Из поглощенных титаном газов только водород можно
более или менее легко снова выделить обратно путем нагре-
ва до температуры, в достаточной мере превышающей
область интенсивного поглощения водорода. Такие же газы,
как кислород, азот и двуокись углерода, однажды погло-
щенные титаном, выделить обратно не удается.
Титан, поглотивший большое количество газов, стано-
вится хрупким.
Торий. Нанесенный в .виде пасты на деталь электрова-
куумного прибора торий после тщательного обезгаживания
(.при температуре 800-s- 1 200° С) обладает способностью
интенсивно поглощать газы в широких температурных пре-
делах (наибольшей поглотительной способностью торий
обладает при 400—500° С).
При работе с ториевым порошком необходимо соблю-
дать крайнюю осторожность, так как он еще более взрыво-
опасен, чем циркониевый порошок.
Цето. Ториевый порошок применяется не только как
самостоятельный поглотитель, но и .в виде специальной
смеси, носящей название «цето».
В состав цето-погло-тителя входят две весовые части так
называемого цермишметалла (т. е. сплава редкоземельных
металлов, в основном церия и лантана) и одна часть алю-
180
миния, которые нагреваются в вакууме при 700—800° С;
благодаря возникающей при этом буйной химической реак-
ции температура повышается до 1 500° С и одновременно
происходит обезгаживание сплава. Из полученного сплава
приготовляют мелкий порошок, одна часть которого пере-
мешивается с четырьмя частями порошка тория; из смеси
этих порошков прессуются штабики, которые затем спека-
ются в вакууме в течение 2 ч при 1 000° С. После охлаж-
дения и размола порошок просеивается через тонкое сито
и из него готовится паста в нитролаке или метаноле; паста
цето наносится на металлические детали электровакуумного
прибора, температура которых соответствует наибольшей
поглотительной способности цето (табл. 5-4).
Алюминий. Отметим довольно широкое применение в ка-
честве поглотителя для газонаполненных ламп накалива-
ния алюминиевого порошка, наносимого на нагоеваюшиеся
до достаточно высокой температуры (600—800° С) метал-
лические детали, смонтированные внутри лампы. В послед-
нее время стали применять также алюминированный молиб-
ден для изготовления держателей нитей накала и другие
алюминированные металлы.
Алюминий значительно менее активен по сравнению
с цирконием или титаном, но для многих типов газонапол-
ненных ламп накаливания он вполне достаточен, так как
хорошо связывает кислород, что прерывает круговую реак-
цию между накаленным вольфрамом, с одной стороны, и
остатками водяного пара или одновременно присутствую-
щими кислородом и водородом — с другой.
Важнейшие характеристики неиспаряющихся поглотите-
лей приведены в табл. 5-4.
Быстрота действия поглотителя. Применение поглотите-
лей в вакуумной технике является чрезвычайно эффектив-
ным средством получения высокого вакуума (а также
чистоты газов в приборах с газовым наполнением); поми-
мо возможности снижения давления до весьма низких зна-
чений, поглотитель обеспечивает это снижение с быстротой,
не доступной для других способов получения высокого
вакуума (насосы, ловушки); действительно, поверхность
поглотителя всегда находится в непосредственном контакте
с поглощаемым газом без каких-либо. промежуточных тру-
бопроводов, которые неизбежны при работе с насосами или
ловмшками.
Таким образом, быстрота действия поглотителя всегда
используется полностью, пока он сохраняет свою активность.
181
Таблица 5-4
Поглотитель Тантал Цирконий Титан Торий Цето Алюминий
Вид применения Жесть, проволока, порошок (паста) Порошок (паста)
Способ крепления Является конструктивной деталью, приваривается, наносится в качестве покрытия Наносится в качестве покрытия
Способы нагрева- ния Электронная бомбардировка, излучение от нагретой детали, отвод тепла от нагретой детали путем теплопроводности Излучение, тепло - проводность
Температура обез- гаживания 1 600-2 000° С 1 000—1 700° С (удаляется главным образом водород) 900-1 000° С (удаляется только водород) 800-1 000° С 800-900° С Не обезгажи- вается
Рабочая темпера- тура 600—1 000° С 250-350° С (для поглощения водяного пэра и водорода) и Ю0° С для других газов 300-400° С (для поглощения водяного пара и водорода) и 800° С (для остальных газов) 400-500° С 200-500° С 600—800° С
Область преиму- щественного применения Генераторные лампы средней и большой мощности Генераторные лампы средней и боль- шой мощности, газоразрядные при- боры, рентгеновские трубки, газо- наполненные лампы накаливания Ультракоротко- волновые ламды, мощные генера- торные лампы Металлокерами- ческие лампы, приборы с очень малыми расстоя- ниями между электродами Газонаполненные лампы накали- вания
Поскольку действие поглотителя связано с ударами
молекул газа о его .поверхность, быстрота действия погло-
тителя по формуле (2-8) должна быть равной:
S„ = 3,638/1 [л/сек],
где А — поглощающая поверхность (зеркала, покрытия или
детали прибора, выполняющей роль поглотителя);
Т и М — абсолютная температура и молекулярный вес
поглощаемого газа.
Как в случае пароструйного насоса или ловушки, быст-
рота действия поглотителя пропорциональна действующей
поверхности (Л), пропорциональна скорости теплового дви-
жения молекул газа ^0 и не зависит от давления по-
глощаемого газа (пока оно еще достаточно далеко от пре-
дельного) .
Однако формула (2-8) справедлива лишь при условии,
что частицы газа, ударившись о поверхность поглотителя,
остаются в связанном состоянии и обратно не испаряются,
а также если поверхность поглотителя остается все время
одинаково активной.
На самом же деле, как показывают экспериментальные
исследования, быстрота действия поглотителя имеет мень-
шее значение, причем она сильно колеблется в зависимости
от химической природы как газа, так и самого погло-
тителя.
Техника получения высокого вакуума еще не достигла
своего предела. Работы по изысканию еще более совершен-
ных поглотителей продолжаются и от успехов в этой об-
ласти в большой мере зависит дальнейший прогресс в по-
вышении качества существующих и в разработке новых
типов электровакуумных приборов.
5-14. НЕОБХОДИМОСТЬ УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ ИЗ ДЕТАЛЕЙ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Если при откачке электровакуумного прибора ограни-
читься простым удалением из него воздуха, то после отпай-
ки прибора в нем будет наблюдаться довольно быстрое
повышение давления. Причиной этого является выделение
газов, или, как говорят, газоотдача С поверхности и изнутри
183
деталей электровакуумного прибора. Детали в зависимости
от назначения изготовляются из стекла (баллоны, ножки,
откачные трубки и т.п.), металлов (нити накала, катоды,
сетки, аноды, выводы, держатели и т.п.), керамики и слю-
ды (для крепления смонтированных деталей). Все эти мате-
риалы в процессе их варки (стекло) или плавки (металлы),
а также при дальнейшей обработке, хранении и изготовле-
нии из них деталей находятся в соприкосновении с атмо-
сферным воздухом и другими газами. Собранный и подготов-
ленный для откачки электровакуумный прибор всегда
состоит из деталей, поглотивших то или иное количество
газа.
Эти газы в процессе откачки прибора непрерывно
выделяются из деталей, стремясь создать давление в при-
боре, при котором осуществляется равновесие между выде-
лением и обратным поглощением. Однако если не прибегать
к эффективным методам обезгаживания деталей, то про-
цесс выделения газов происходит чрезвычайно медленно, и
в течение нормального, времени, которое практически мож-
но .затратить на откачку, откачать прибор до требуемого
вакуума и сохранить последний невозможно.
Из сказанного ранее мы знаем, что каким бы путем газ
ни был поглощен, почти всегда можно нагреванием твердо-
го тела до достаточно высокой температуры освободить его
от поглощенных газов. Кроме того, если во время нагрева-
ния твердого тела для его обезгаживания поддерживать при
помощи насосов, по возможности, более низкое давление
окружающих его газов, процесс газовыделения в значитель-
ной мере облегчается. Отсюда следует, что прогрев деталей
электровакуумного прибора в вакууме и является тем
эффективным метолом их обезгаживания, без применения
которого нельзя добиться хорошего и притом устойчивого
вакуума.
5-15. ГАЗЫ, ВЫДЕЛЯЕМЫЕ СТЕКЛОМ,
1И МЕТОДЫ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ СТЕКЛА
Газоотдача стекла зависит от его состава и состояния
его поверхности. Мы знаем (§ 5-12), что стекло обладает
гигроскопичностью; следовательно, если его подвергать
прогреву, то оно должно выделять главным образом водя-
ной пар; кроме того, из стекла пои прогреве выделяются
и доугие газы: с поверхности — СО2, изнутри—Н2, N2 и О2.
На рис. 5-82 приведена типичная кривая, показывающая
количество газов, выделяемых стеклом при различных тем-
184
перату,pax в процессе откачки. Как показывает химический
анализ, основная доля выделяющихся из стекла газообраз-
ных веществ у большей части сортов стекла приходится на
водяной пар. Кривая имеет своеобразный ход, позволяющий
объяснить процесс выделения газов при прогреве стекла.
При повышении температуры прежде всего выделяются
водяной пар и СО2, адсорбированные на поверхности стек-
ла; с дальнейшим повышением температуры газоотдача
вначале растет, но при некоторой температуре Ть кривая
газоотдачи проходит через максимум, после которого, ве-
при прогреве.
различных составов.
I — стекло № 2; II —стекло БД-1; III—
стекло № 72 (3C-4); IV — стекло С-88-8.
смотря на дальнейший рост температуры, газоотдача умень-
шается, что объясняется постепенным истощением адсор-
бированной пленки водяного пара и СО2, которое при неко-
торой температуре (около 300° С для легкоплавких стекол
и около 400° С для тугоплавких стекол) приводит кривую
газоотдачи к минимуму. При температуре, соответствующей
минимуму кривой, можно считать адсорбированный слой
полностью испарившимся и в то же время выделение газов,
растворенных внутри стекла, пока относительно невелико.
С дальнейшим же повышением температуры кривая снова
резко поднимается отчасти за счет выделения растворенных
в стекле газов, но главным образом за счет тех газообраз-
ных продуктов (в основном водяного' пара), которые полу-
чаются вследствие разложения стекла при высокой темпе-
ратуре.
185
На рис. 5-83 приведены кривые газоотдачи некоторых
стекол, применяемых в электровакуумной промышленности.
Пользуясь кривыми газоотдачи, снятыми для стекол раз-
личного состава, можно всегда правильно разработать
режим прогрева стекла (главным образом колбы) при
откачке того или иного электровакуумного прибора.
. Для этого надо знать температуру Тм, соответствующую
минимуму кривой газоотдачи для данного стекла. Темпера-
тура Т„ важна, во-первых, потому, что при ее достижении
поверхность стекла освобождается от адсорбированного
водяного пара и других газов; во-вторых, температура 7\,
всегда значительно превышает ту температуру, которую
колба принимает при работе прибора.
Таким образом, если при откачке электровакуумного
прибора его подвергнуть достаточно длительному прогреву
при температуре Т„, то тем самым будет очищена поверх-
ность стекла и в то же время выполнено основное правило
прогрева любой детали: проводить обезгаживание при тем-
пературе, в достаточной мере превышающей температуру,
которую прогреваемая деталь принимает при работе
прибора.
При практической работе для более быстрого и основа-
тельного удаления со стекла адсорбированной пленки тем-
пературу прогрева устанавливают несколько (на 50°) выше
Т*, выдерживают колбу при этой температуре в течение
некоторого времени, < затем температуру снова снижают до
Т„, при которой производится повторная выдержка. После
этого печь прогрева выключается. Время выдержки колбы
при определенной температуре зависит от размеров (мас-
сы) прогреваемой колбы.
Такое ступенчатое снижение температуры прогретой
колбы и выдерживание ее перед выключением печи именно
при температуре Тм необходимо для того, чтобы выделив-
шийся при более высокой температуре водяной пар не мог
адсорбироваться на стеклянных стенках и, следовательно,
был удален насосом.
Длительный же прогрев колбы только' при температу-
рах, превышающих температуру совершенно бесполе-
зен; по кривой газоотдачи мы всегда можем убедиться, что
как бы мы ни старались прогреть стекло при этих темпера-
турах. выделение газообразных продуктов (главным обра-
зом Н2О) будет продолжиться вследствие происходящего
при этих температурах разложения стекла.
186
Описанный режим прогрева стекла относится к случаю
откачки электровакуумных приборов на так называемых
откачных постах (§ 8-5), которыми пользуются для откачки
электровакуумных приборов, наиболее чувствительных
к степени вакуума. В случае же откачных автоматов, на
которых обычно откачиваются те электровакуумные при-
боры, окончательное доведение которых до необходимого
вакуума осуществляется за счет поглотителя, прогрев стек-
ла из-за экономии времени не производится с такой тща-
тельностью.
Тем не менее основное правило—при разработке режи-
ма прогрева брать за основу температуру Тм остается
в силе и в этом случае и в печи прогрева откачного авто-
мата стремятся осуществить такое распределение темпера-
туры, чтобы откачиваемый прибор обязательно- проходил
через зону, где колба принимает температуру, несколько
превышающую Тм, а далее должны быть зоны с постепен-
но снижающейся температурой.
Чем сложнее прибор, откачиваемый на автомате, тем
точнее приходится придерживаться указанного распределе-
ния температуры в печи прогрева; сюда можно отнести,
например, электронно-лучевые трубки, генераторные, при-
емно-усилительные лампы и т. п.
Для ламп накаливания, откачиваемых на автоматах с
прогревом стекла, достаточно, если лампа, пройдя через
печь (в течение примерно 1 мин), достигнет температуры
350° С. На современных 'быстроходных заварочно-откачных
автоматах на откачку лампы накаливания затрачивается не
более 35 сек, причем прогрев стеклянных деталей лампы
осуществляется газовыми горелками при операции завар-
ки, производимой на том же автомате: такой пгогрев при-
водит к тому, что главная масса адсорбированного водяного
пара удаляется с поверхности стекла при атмосферном
давлении (во время заварки), а для того, чтобы водяной
пар не мог в большом количестве снова адсообироваться
на колбе, только что заваренная лампа в горячем виде
немедленно вставляется в откачное гнездо, причем смесь из
атмосферного воздуха и выделившихся при заварке водя-
ных паров быстро удаляется насосами.
Сказанное выше по поводу режима прогрева стекла
электров>акуумных приборов, откачиваемых на автоматах,
необходимо- дополнить следующим указанием. Если при
прогреве откачиваемого прибора при данной температуре
имеется опасение, что выделившийся водяной пар не будет
187
вовремя удален из прибора, температуру прогрева необхо-
димо снизить, иначе остаточный водяной лар приведет к тем
отрицательным последствиям, о которых говорилось выше
(круговая реакция с накаленным вольфрамом, отравление
активных катодов и т.п.).
Печи для прогрева стекла при откачке могут иметь раз-
личные конструкции в зависимости от типа электровакуум-
ного прибора и откачной установки. Нагрев создается или
электрическим
Рис. 5-84.
Отпайка элек-
тровакуумного
прибора.
а—откачная труб-
ка с перетяжкой
до отпайки; б—уд-
линение и суже-
ние перетяжки;
в — отпайка.
током, пропускаемым через хромоникелевую
обмотку печи, или газом. Электрические пе-
чи значительно медленнее нагреваются, но
они безвредны для работающих, так как не
грозят .выделением газов и не потребляют
кислорода из помещения.
Говоря об обезгажива'нии стекла при
откачке, необходимо упомянуть об операции
отпайки электровакуумного прибора после
его откачки. Чтобы отпаять откачанный при-
бор, приходится разогревать откачную трубку
до размягчения; в связи с этим из размяг-
ченного стекла при отпайке прибора всегда
выделяется некоторое количество газообраз-
ных продуктов разложения стекла (главным
образом Н2О), которые портят вакуум. Не-
обходимо это неизбежное ухудшение вакуу-
ма при отпайке сводить к возможному мини-
муму.
По этим соображениям отпайку откачан-
ного прибора производят следующим обра-
. Участок откачной трубки, где должна про-
изойти отпайка, тщательно прогревается паяльной газовой
горелкой; доведенный до умеренного' размягчения этот уча-
сток оттягивается в более длинный и узкий; выждав некото-
рое время, необходимое для отсоса выделившихся из стекла
газообразных продуктов (в основном паров Н2О), разогре-
вают оттянутый участок со стороны откачиваемого объекта
так, чтобы произошло, по возможности, быстрое смыкание
стеклянных стенок и откачанный прибор отделяется от ва-
куумной системы; при этом надо стараться, чтобы носик
(запаянный конец откачной трубки) имел правильную фор-
му, был хороню оплавлен, не имел наплывов и вмятин;
исправление формы носика после отпайки прибора грозит
опасностью газовыделения и ухудшения вакуума в отпаян-
ном приборе.
зом (рис. 5-84)
188
5-16. ГАЗЫ, ВЫДЕЛЯЕМЫЕ МЕТАЛЛАМИ,
И МЕТОДЫ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
В состав металлов газы попадают главным образом
вследствие растворения или химических реакций, происхо-
дящих при плавке металлов, а также при последующем их
хранении на воздухе. Все расплавленные металлы жадно
поглощают газы, главным образом окись углерода и водо-
род, и также в зависимости от условий плавки и хране-
ния—кислород и азот. Таким образом, если необходимо
получить металл, который в еще необработанном виде
содержал бы в себе, по возможности, меньшее количество
газов, необходимо плавку и разливку металла производить
в вакууме.
Вакуумная плавка все же применяется лишь в специ-
альных случаях; вообще же говоря, металлы, из которых
изготовляют детали для электровакуумных приборов, про-
ходят плавку при нормальном давлении. Если присоеди-
нить сюда неизбежность поглощения некоторого количества
газов при хранении, то становится очевидным, что обезга-
живанию металлов необходимо уделять самое серьезное
внимание, тем более, что металлические детали электро-
вакуумного прибора работают, как правило, при высоких
рабочих температурах. 1
Обезгаживание металлов производится путем их про-
каливания при высоких температурах. Температура прока-
ливания, естественно., выбирается наиболее подходящей для
каждого данного металла. При разработке режима прока-
ливания необходимо учитывать также формоустойчивость
самих деталей, которые при значительном повышении тем-
пературы могут деформироваться. Некоторые детали,
в особенности аноды и сетки электронных ламп или заго-
товки для них, подвергаются .предварительному прокалива-
нию незадолго до их монтажа и заварки в баллон; заварен-
ный прибор также, по возможности, без задержек поступает
на откачку; если же это невозможно, то, чтобы заварен-
ный прибор не хранился длительно на воздухе, его подвер-
гают предварительной откачке, при которой из баллона
удаляется только, атмосферный воздух. Окончательное же
обезгаживание металлических деталей производится в про-
цессе откачки собранного и заваренного электровакуумного
прибора.
Предварительное обезгаживание производится или
в вакууме, или в атмосфере газа, не реагирующего с метал-
лом (обычно в водороде или смеси водорода с азотом).
189
Для предварительного обезгаживания в вакууме при-
меняется прокаливание в вакуумных печах и прокаливание
токами высокой частоты.
Вакуумная печь (рис. 5-85) должна обладать достаточ-
ной герметичностью, чтобы при ее работе в ней поддержи-
вался необходимый вакуум. В зависимости от требований
к вакууму печь имеет только вращательный масляный
насос или, кроме того, пароструйный. Так как откачка
вакуумной печи не связана с необходимостью применения
Рис. 5-85. Вакуумная печь.
1 — корпус печи; 2 — держатель печи; 3 — холодильник (стрелки по-
казывают направление проточной воды); 4 — крышка, закрывающая
отверстие для загрузки и выгрузки; 5—подвижная часть печи (с на-
гревательной обмоткой и теплоизоляцией); 6—вращательный насос;
7 — паромасляный насос; 8 — вакуумн ><е вентили; 9—патрубок для
присоединения манометра.
тонких откачных трубок, которые применяют для облегче-
ния отпайки откачиваемых электровакуумных приборов, то
трубопровод для присоединения вакуумной печи к насосу
необходимо делать, по возможности, широким и коротким,
чтобы наилучшим образом использовать быстроту действия
насоса; точно так же, если требуется разобщить печь от
насоса, необходимо пользоваться .вентилями специальной
конструкции (рис. 8-12), не дающими заметного снижения
пропускной способности трубопровода. Вакуумные печи
должны быть снабжены манометрами для -низких давлений
(гл. 6).
Помимо вакуумных печей, для предварительного обез-
гаживания металлических деталей широко применяется
прокаливание под колпаком-токами высокой частоты. Уста-
190
стойка 4 с деталью,
новка для такого прокаливания схематически изображена
на рис. 5-86. На диске 1, .имеющем широкое откачное
отверстие и присоединенном к па ромаединому насосу 2
широкой трубкой 3, устанавливается
подлежащей прокаливанию; послед-
няя покрывается цилиндрическим
стеклянным или кварцевым балло-
ном (колпаком), который герметич-
но соединяется с поверхностью дис-
ка (§ 8-2). После откачки баллона
до необходимого вакуума на баллон
надвигается катушка (соленоид) 5,
изготовленная из медной трубки, че-
рез которую для ее охлаждения про-
пускается проточная вода. Катушка
питается током от генератора коле-
баний высокой частоты (104-г- 106)
и индуцирует в обезгаживаемых де-
талях высокочастотные токи, кото-
рыми детали и доводятся до требуе-
мой температуры. После выдержива-
ния нагретых таким путем деталей
в вакууме в течение установленного
времени (обычно нескольких минут
или десятков минут) генератор
выключается и деталям дают остыть
в вакууме до достаточно низкой тем-
пературы; после этого в колпак впу-
скается атмосферный воздух, произ-
водится его разъединение с диском
и прокаленные детали передают на
монтаж.
Заметим, что при одинаковом
размере и мощности катушки нагре-
вание тем более сильно, чем выше
частота, чем больше магнитная про-
ницаемость и удельное электри-
ческое сопротивление обезгаживаемюго материала, однако
повышение частоты уменьшает глубину проникновения
высокочастотного поля в прокаливаемую деталь. Точно так
же необходимо иметь в виду, что удовлетворительное про-
каливание достигается только в случае, если деталь имеет
надлежащую форму и наивыгоднейшее положение. Деталь
в виде замкнутого, цилиндра, расположенного по оси ка-
191
Рис. 5-86. Прокаливание
металлической детали
(цилиндра) токами высо-
кой частоты.
1 — металлический плоский
диск; 2 — паромаслянь й на-
сос; 3—трубопровод; 4—
стойка с прокаливаемой де-
талью; 5—катушка высокой
частоты; 6 — стеклянн . й или
кварцевой баллон; 7—уплот-
нитель для герметичного при-
соединения баллона к диску;
8— патрубок для присоедине-
ния паромасляного насоса к
насосу предварительного ва-
куума.
тушки, представляет собой наиболее удобный объект для
прокаливания.
Помимо вакуумных печей и генератора колебаний высо-
кой частоты, для предварительного обезгаживания металлов
применяются также печи, в которых детали или заготовки
прокаливаются в токе водорода или смеси водорода с азо-
том. Это—менее эффективный способ обезгаживания по
сравнению с вакуумными печами, однако водородные печи
(рис. 5-87) значительно проще и дешевле и в то же время
об л егч а ю щи й окон ч а тел ьно е
в процессе откачки прибора.
При прокаливании в атмо-
сфере водорода имеющиеся
дают определенный эффект,
прокаливание многих деталей
в металле газы выделяются
в атмосферу водорода, а на
их место в металл, и то лишь
частично, проникает водород;
Рис. 5-87. Печь для прокаливания
металлических деталей в водо-
роде.
1 — отверстие для загрузки печи; 2—
отверстие для встаскивания прокален-
ных деталей; 3 — патрубок для подачи
водорода; 4—патрубок для выхода
водорода; 5 — камера печи; 6 — метал-
лическая труба; 7— . одочка с прокали-
ваемыми деталями; 8—камера холо-
дильника; 9—выход проточной воды;
10 — вход проточной воды; II — кожух
у электрической печи с теплоизоляциет;
12— подача водорода для предохранения
обмотки печи от воздействия атмосфер-
ного воздуха.
таким образом, окснчатель-
ное обезгаживание прокален-
ной в водороде детали в про-
цессе откачки прибора сво-
дится к удалению некоторо-
го количества водорода, ко-
торый к тому же диффунди-
рует из металла очень легко.
Из-за взаимодействия между
различными металлами и во-
дородом некоторые металлы,
например Та, Zr, Си, при
прокаливании в водороде
резко меняют свои свойства,
почему предварительно обезгаживать такие металлы в во-
дородных печах нельзя.
Как уже было отмечено, окончательное обезгаживание
металлических деталей электровакуумных приборов проис-
ходит при операции откачки. При этом пользуются тремя
основными методами: 1) пропусканием тока через деталь;
2) (нагревом токами высокой частоты; 3) электронной бом-
бардировкой. Кроме того, при прогреве стекла в печи одно-
временно прогреваются и металлические детали, при этом
из них выделяется некоторое количество газов; в частности,
прогревом в печи ограничивается обезгаживание вспомога-
тельных металлических деталей, которые в готовом приборе
при его работе не нагреваются до высокой температуры.
192
Прогрев или прокаливание непосредственным пропуска-
нием электрического тока удобно применять к таким дета-
лям, как катоды, нити накаливания и т.п. В частности,
режим прокаливания катода для его обезгаживания всегда
должен удовлетворять также и требованиям его температур-
ной обработки для получения надлежащих эмиссионных
свойств. Во ©сяком случае в процессе откачки катод должен
хотя бы некоторое время
выдерживаться при тем-
пературе более высокой
по сравнению с его рабо-
чей.
Прокаливанию тока-
ми высокой частоты (рис.
5-88) в процессе откачки
подвергаются наиболее
ответственные металличе-
ские детали электроваку-
умного прибора. Режим
прокаливания обычно раз-
рабатывается для анода,
внутри которого располо-
жены и другие электроды.
Последние при этом так-
же прогреваются, но1 >уже
не токами высокой часто-
Рис. 5-88. Прокаливание анода в от-
качиваемой лампе.
1 — анод; "2 — цилиндрическая катушка;
стрелки указывают направление проточной
воды.
ты, которые в них инду-
цировать нельзя (вслед-
ствие экранирования ано-
дом), а путем излучения
со стороны накаленного
анода. Принципиально способ прокаливания токами
высокой частоты при откачке электровакуумного1 прибора
ничем не отличается от способа предварительного обезга-
ж'ивания (под колпаком).
При прокаливании электронной бомбардировкой исполь-
зуется кинетическая энергия электронов, эмитируемых нака-
ленным катодом и устремляющихся под действием электри-
ческого поля к положительно заряженному (по отношению
к катоду) электроду. При достижении электронами поверх-
ности положительного электрода их кинетическая энергия
превращается в теплоту, которая и повышает температуру
электрода. Очевидно, температура прокаливания, достигае-
мая методом электронной бомбардировки, тем выше, чем
13 Б. И. Королев.
193
выше (положительный потенциал 'прокаливаемого электро-
да и чем 'больше электронный ток катода.
Электронная бомбардировка является единственным
эффективным методом обезгаживания внутренних электро-
дов (например, сеток); достоинство его заключается также
в том, что при электронной бомбардировке воспроизводится
в усиленном виде относительное распределение температур
в отдельных участках прокаливаемого электрода, близкое
к рабочему.
При пользовании методом электронной бомбардировки
необходимо соблюдать такой режим, чтобы насос успевал
откачивать выделяющиеся газы, иначе давление в приборе
может возрасти до величины, достаточной для образования
дугового разряда через газы (между катодом и прокали-
ваемым электродом); даже, если нет опасности возникнове-
ния дуги, то все же нельзя допускать такого повышения
давления, при котором может происходить заметная ионная
бомбардировка катода, приводящая к его распылению или
к снижению эмиссии.
Так же как и при прокаливании непосредственным про-
пусканием электрического тока, при прокаливании токами
высокой частоты и электронной бомбардировкой необходи-
мо придерживаться следующих общих правил: температуру
прокаливаемой детали повышать постепенно; максимальную
температуру прокаливания устанавливать, по возможности,
более высокой, сообразуясь со свойствами данного металла
в отношении 'скорости испарения и точки плавления, а так-
же учитывая близость к стеклу; при прокаливании делать
кратковременные перерывы для удаления выделяющихся
газов, которые не только опасны с точки зрения возникно-
вения дугового разряда в откачиваемом приборе, но и силь-
но снижают скорость обезгаживания. При электронной
бомбаридировке, в частности, часто применяют способ рыв-
ков, заключающийся в чередовании кратковременных вклю-
чений и выключений напряжения, прикладываемого к про-
кашиваемому электроду; этим методом можно, хотя и на
короткое время, накал электрода доводить до. весьма высо-
кой температуры без большого риска расплавить его.
В дополнение к изложенному о методах прокаливания
металлических деталей необходимо отметить метод обезга-
живания 'ионной бомбардировкой. С этой целью в откачан-
ный до высокого вакуума прибор впускается некоторое
количество' газа, не действующего' химически на накаленный
катод и являющегося для ионной бомбардировки достаточ-
194
но удовлетворительным; например, можно пользоваться
смесью водорода с аргоном при давлении 10—20 мм рт. ст.
В атмосфере впущенного в откачанный прибор газа воз-
буждается разряд, и образующимися при этом ионами
газа, ударяющимися под действием электрического поля
об электроды прибора, .последние доводятся до высокой
температуры. Получающийся при соприкосновении -с нака-
ленным катодом активный (одноатомный) водород являет-
ся весьма эффективным восстановителем и, воздействуя на
нагретые ионной бомбардировкой электроды, очищает их
поверхность от окислов. Ударами ионов выбиваются также
молекулы других газов, адсорбированные на поверхности
бомбардируемых электродов и со стенок стекла.
Использованные для ионной бомбардировки газы уда-
ляются насосом: при этом необходимо иметь в виду, что
если для ионной бомбардировки были использованы только
инертные газы, то они почти не адсорбируются электродами
при ионной бомбардировке; водород же может оказаться
сам поглощенным в некотором количестве; поэтому при
откачке прибора после ионной бомбардировки необходимо
подвергать электроды некоторому дополнительному прока-
ливанию, но уже в вакууме. Способ обезгаживания ионной
бомбардировкой применяется при откачке больших электро-
вакуумных приборов (мощных генераторных ламп, рентге-
новских трубок и т. п.), в которых для электронной бомбар-
дировки необходимо прикладывать к электродам весьма
высокие напряжения; ионная же бомбардировка требует
сравнительно низких напряжений.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
6-1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАНОМЕТРОВ
Как мы уже отмечали, в вакуумной технике приходится
иметь дело с давлениями в пределах от 103 до 10-11 ммрт. ст.
и ниже. Такой широкий диапазон давлений невозможно
охватить каким-либо одним манометром универсального
типа.
К настоящему времени разработано большое количе-
ство различных типов манометров, принцип работы которых
основан на зависимости того или иного физического явле-
ния от давления газа..
13* 195
Мы рассмотрим семь типов манометров, получивших
наибольшее распространение, а именно манометры: U-об-
разные, стрелочный, компрессионный, тепловые, ионизаци-
онный, радиоактивный и магнитный электроразрядный
манометр.
Рис. 6-1. Области давлений, охватываемые манометрами
различных типов.
Каждому из этих типов манометров соответствует опре-
деленный интервал давлений (рис. 6-1), а вместе взятые
они охватывают всю область давлений, с которыми прихо-
дится встречаться в вакуумной технике.
6-2. U-ОБРАЗНЫЕ МАНОМЕТРЫ
Принцип работы U-образных манометров хорошо извес-
тен из курса физики. Они обычно делаются из стеклянной
трубки, изогнутой в виде латинской буквы U и частично-
заполненной какой-либо рабочей жидкостью. Их работа
основана на перемещении уровней рабочей жидкости
в обоих коленах трубки в зависимости от разности давле-
ний над этими уровнями. Одним концом манометр при-
соединяется к вакуумной установке, давление в которой
требуется Смерить, другой конец или закрыт (запаян),или
остается открытым (т. е. постоянно сообщенным с атмо-
сферным воздухом).
196
Закрыты е U-o бр азн ы е м ав ометр ы (рис. 6-2).
В качестве рабочей жидкости обычно применяется ртуть,
которую наливают в трубку, предварительно откачанную до
давления не выше 10~3 мм рт. ст. Благодаря этому давление
над уровнем ртути в закрытом колене можно полагать
практически равным нулю независимо от высоты уровня
(«торичеллиева пустота»).
Пусть такой манометр присоединен к вакуумной уста-
новке. До начала откачки, пока давление в установке
равно атмосферному, например 750 мм рт. ст., ртуть зани-
Рис. 6-2. Закрытый U-образный мано-
метр.
/ — закрытое колено; 2 — трубка для присоеди-
нения к вакуумной системе. Положение уровней
ртути:
/ — до начала откачки; II— в один из моментов
откачки; III — по окончании откачки.
Рис. 6-3. Укороченный
U-образный манометр.
I — трубка для присоединения
к вакуумной системе.
мает положение Ль в закрытом колене и Вх со’ стороны
установки. Очевидно, разность уровней Л1—В\ должна по
вертикальному направлению составлять как раз 750 мм,
так как только таким образом уравновесится различие
в давлениях со стороны обоих уровней ртути.
По мере откачки вакуумной установки давление в ней
будет падать и для уравновешивания разницы давлений
над уровнем ртути понадобится уже меньшая разность
уровней, например (Л2—В2).
Наконец, когда установка откачана достаточно хорошо,
уровни ртути будут находиться в обоих коленах на одина-
ковой высоте (Л3—Вз = 0), так как со стороны вакуумной
установки достигнуто давление, практически (для маномет-
197
ров данного типа) равное давлению над уровнем ртути
в закрытом колене.
Таким образом, при помощи закрытого U-образного
манометра давление р в вакуумной установке измеряется
путем непосредственного отсчета разности уровней ртути:
р = А — В.
(6-D
Закрытый U-образный манометр иногда бывает укоро-
ченной конструкции (рис. 6-3). Отсчет давления произво-
дится так же, как и в случае закрытого манометра нор-
мальной длины; но начало отсчета возможно лишь с момен-
Рис. 6-4. Открытый U-образный ртутный манометр.
1 — открытое колено; 2 — трубка для присоединения к ва-
куумной системе. Положения уровней ртути:
I— до начала откачки; II — в один из моментов откачки;
III — по окончании откачки; 0—при измерении давления, пре-
вышающего атмосферное.
та, когда давление в вакуумной установке понизится до
(Л—В) мм рт. ст., так как до этого момента ртуть в закры-
том колене остается прижатой к запаянному концу.
Для предохранения от резкого удара ртутью о запаян-
ный конец при впуске воздуха в откачанный манометр
участок трубки в месте изгиба на некотором протяжении
представляет собой узкий капилляр, создающий сопротив-
ление движению ртути.
Открытые U-o бразные манометры (рис. 6-4).
Рабочей жидкостью служит ртуть. Поскольку до начала от-
качки над уровнями в обоих коленах давление одинаково
198
(равно атмосферному), оба уровня и В{ должны быть на
одинаковой высоте (положение I):
— в/=0.
Если начать откачку вакуумной системы, то уровни
ртути .начнут перемещаться. Это перемещение должно при-
водить к равновесию между давлением, которое со стороны
открытого’ конца всегда остается равным атмосферному ра,
и давлением над уровнем ртути со стороны вакуумной уста-
новки р, которое по мере откачки становится меньше
атмосферного. Очевидно, что в связи с этим (положение II)
уровень ртути А2 со стороны вакуумной установки должен
быть на столько миллиметров выше уровня В2 со стороны
открытого конца, чтобы
(Л2 —B2) + p = pfl.
Следовательно, искомое давление открытый манометр
непосредственно измерить не может; оно вычисляется из
предыдущего соотношения:
р = ^-(Л2-В2), (6-2)
т. е. для того, чтобы измерить давление в вакуумной уста-
новке открытым манометром, необходимо знать атмосфер-
ное давление (в момент измерения) и из него вычесть раз-
ность уровней ртути.
Если разность уровней (Л3—В3) полностью уравновесит
атмосферное давление со стороны открытого конца (поло-
жение 777), Т. е. если можно считать Л3—В3 = ра, то ваку-
умную установку можно считать практически (для маномет-
ров данного типа) откачанной полностью:
Р=РО —Мз-вз) = Р„-Р„=0.
Открытым манометром можно измерять давления, пре-
вышающие атмосферное (положение 0). В этом случае
разность уровней (Л—В) отрицательна, и, очевидно, чтобы
вычислить давление, надо к атмосферному давлению в дан-
ный момент прибавить абсолютную величину разности
(Л-В):
р = р„ + (В-Л) (6-3)
Если в качестве рабочей жидкости вместо ртути (удель-
ный вес 13,56) взята другая жидкость (удельный вес 6), то
199
для приведения показаний манометра к миллиметрам ртут-
ного столба надо разность отсчетов (Л—В) умножить на
отношение jg-g так как величина (Л—В) обратно пропор-
циональна удельному весу рабочей жидкости.
Замена ртути другой, более легкой жидкостью целесооб-
разна только для пониженных давлений, не превышающих
нескольких десятков миллиметров ртутного столба; напри-
мер, нетрудно подсчитать, что для уравновешивания атмо-
сферного давления столбом масла, имеющего примерно
в 15 раз меньший удельный вес по сравнению со ртутью,
потребовался бы столб высотой в 760x15 мм=11,4 м. В слу-
чае же достаточно низких давлений с применением более
легкой рабочей жидкости получается выигрыш в точности
отсчета, так что нижний предел измерений можно довести
до десятой доли миллиметра ртутного столба.
Однако необходимо помнить, что ртуть можно заменить
только жидкостью, .удовлетворяющей следующим двум
основным требованиям: 1) давление насыщенного пара
жидкости должно быть столь малым, чтобы его присут-
ствие в «торичеллиевой пустоте» не искажало положения
уровней жидкости заметно на глаз; 2) жидкость не должна
в большом количестве растворять воздух и другие газы
или пары, с которыми она соприкасается, так как иначе
они будут выделяться в «торичеллиевую пустоту» и искажать
показания манометра.
Иногда в U-юбразных манометрах применяют вместо
ртути масла для пароструйных насосов; они, как мы уже
знаем, отличаются весьма малой упругостью пара; однако
при пользовании маслом в качестве рабочей жидкости
в U-образном манометре последний можно, сообщать
с вакуумной системой лишь после того, как давление в пей
понизится настолько', что его уже трудно измерять ртутным
манометром; иначе масло будет поглощать газы и манометр
быстро придет в негодность (появление газа в «торичеллие-
вой пустоте», вспенивание масла при откачке).
Для наполнения U-образных манометров практически
интересно пользование борвольфрамовокислым кадмием —
жидкостью, не поглощающей газов в заметном количестве;
правда удельный вес ее равен 3,28, т. е. примерно в 3,5 ра-
за больший, чем удельный вес масла.
200
6-3. СТРЕЛОЧНЫЙ ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР
Для измерения не очень низких давлений (например,
для контроля давления тазов, которыми наполняются лам-
пы накаливания на откачных автоматах) вместо открытого
U-об разног о манометра применяется металлический стре-
лочный манометр (рис. 6-5), который, исходя из принципа,
вложенного в его работу, следует назвать деформационным.
Хотя этот манометр менее точен по сравнению с U-об-
разным, тем не менее в производственных условиях его пред-
почитают за прочность и небольшие размеры. Основной де-
талью такого манометра является полая пружина /, при-
соединяемая с помощью
трубки 2 к вакуумной уста-
новке или трубопроводу.
Н а ружн а я поверхность
этой пружины всегда подвер-
жена действию атмосферно-
го давления. Пока в пружи-
не сохраняется также атмо-
сферное давление, стрелка
стоит на нуле шкалы. Если
давление в системе, к кото-
рой присоединен манометр
(пружина), начнет изменять-
Рис.^6-5/Металлический стрелоч-
ный манометр.
си, пружина под действием
разности давлений вне и
внутри пружины станет де-
формироваться.
С понижением давления в
1 — полая пружина; 2 — трубка для при-
соединения к вакуумной системе; 3 —
.;т подвижной конец пружины.
установке, к которой присо-
единена пружина, внутренняя поверхность пружины испы-
тывает воздействие меньшего давления и пружина начинает
сжиматься. Вследствие сжатия подвижной конец пружины
3 перемещается ближе к неподвижному ее концу. Система
передачи, устройство которой ясно из рисунка, заставляет
указатель передвигаться в направлении против часовой
стрелки. Деление шкалы п, против которого останавливает-
ся указатель, показывает, очевидно, разность между атмо-
сферным давлением рп и давлением р внутри пружины.
Следовательно, давление в вакуумной установке или трубо-
проводе, к которому присоединен манометр, равно:
Р = Ра~ п-
(6-4)
Как мы видим, формула (6-4) вполне аналогична форму-
ле (6-2).
201
6-4. компрессионный манометр
Принцип работы. В 'компрессионном манометре исполь-
зуется закон Бойля—Мариотта. Манометр (рис. 6-6) состоит
из стеклянного баллона 1 с измерительным капилляром 2,
верхний конец которого запаян. От баллона вниз идет при-
паянная к нему стеклянная трубка 5, имеющая ответвле-
ние 4, сообщающее измерительную часть манометра с ва-
куумной установкой. В свою очередь, трубка 4 развегвляет-
Рис. 6-6. Компрессионный манометр.
1 — стеклянный баллон; 2—измерительный капилляр; 8—стек-
лянная трубка; 4—ответвление; 5—сравнительный капилляр;
6—груша; 7 — резиновый шланг; 8—трубка для присоедине-
ния к вакуумной системе.
ся в виде капилляра 5, по внутреннему диаметру одинако-
вого с 2\ капилляр 5 называется сравнительным.
К нижнему концу трубки 3 присоединяется приспособле-
ние, содержащее ртуть и позволяющее для измерения дав-
ления в вакуумной установке производить поднятие ртути
до нужной высоты. На рис. 6-6 изображен один из вариан-
тов этого приспособления в виде так называемой груши 6,
присоединяемой к трубке 3 резиновым шлангом. Груша
сверху открыта и, следовательно, над уровнем ртути в гру-
ше давление всегда равно атмосферному.
202
Разберем работу манометра.
Положение I. В вакуумной системе, к которой
присоединен манометр, давление равно атмосферному (от-
качка не начата). Очевидно, при этих условиях уровни
ртути в груше и в резиновом шланге будут одинаковы.
Положение II. Начинается откачка вакуумной
системы. По мере уменьшения давления в вакуумной систе-
ме уровень ртути в резиновом шланге и далее в трубке 3
будет подниматься (в груше несколько понизится). Когда
разность уровней достигнет соответствия атмосферному да-
влению (например, 750 мм), дальнейшее перемещение рту-
ти прекратится, и манометр готов к измерению давления.
Положение груши и измерительной части манометра
должно быть заранее предусмотрено так, чтобы до измере-
ния поднимающаяся под действием атмосферного давления
ртуть не могла дойти до ответвления 4. Это необходимо для
того, чтобы сообщение между измерительной частью мано-
метра и вакуумной системой не было, перекрыто ртутью и,
следовательно-, чтобы до измерения в измерительной части
было такое же давление, как и в вакуумной системе.
Положение III. Начинаем измерение давления
в вакуумной системе. Для этого поднимаем грушу с ртутью;
очевидно, вместе с этим будет подниматься и уровень ртути
в трубке 3, и в некоторый момент, который мы отметим как
положение III, ртуть перекроет сообщение измерительной
части манометра с вакуумной системой. Начиная с этого
момента, в измерительной' части остается определенное
количество- газа, занимающее в момент перекрытия объем
Vi, складывающийся из объемов: измерительного капилля-
ра, баллона и небольшого отрезка трубки между баллоном
и ответвлением; давление же в этот момент, очевидно, сов-
падает с измеряемым давлением в вакуумной системе. Про-
изведение давления на объем равно pV\.
Положение IV. При дальнейшем поднимании груши
как объем, так и давление газа в измерительной части
манометра изменяются: объем становится меньше, а да-
вление (по закону Бойля — Мариотта) во столько же раз
больше. Положим, мы прекратили поднимание груши в мо-
мент, когда уровень ртути в измерительном капилляре
занял положение 4', на расстоянии h' от внутреннего верх-
него конца измерительного капилляра. Очевидно, посколь-
ку над уровнем ртути 4" в сравнительном капилляре будет
оставаться весьма малое давление, он будет выше уровня
ртути в измерительном капилляре как раз на величину,
203
соответствующую давлению, до которого таз сжат в изме-
рительном 'капилляре. Если расстояние (по вертикали)
уровня ртути в сравнительном капилляре от внутреннего
верхнего конца измерительного капилляра обозначить через
h", то давление сжатого в измерительном капилляре газа
будет измеряться- разностью уровней (h'—h"). Обозначим
объем сжатого газа через V2; тогда произведение давления
на объем газа в положении IV будет равно (К—h") V2.
Теперь можно определить давление р в вакуумной си-
стеме. Так как количество газа, перекрытого в момент, соот-
ветствующий положению III в измерительной части мано-
метра, оставалось неизменным, температура практически
также не изменилась, то можно применить закон Бойля—
Мариотта и написать:
pV1 = (h'— h")V2.
Отсюда искомое давление
p=^(h' — h")
(6-5)
Таким образом, все измерение давления в вакуумной
системе компрессионным манометром сводится к такому
уменьшению первоначального объема газа Vi до объема
V2, чтобы первоначальное весьма малое давление р, кото-
рое нужно измерить, было увеличено до давления (А'—h"),
измеряемого непосредственно глазом по разности уровней
ртути в измерительном и сравнительном капиллярах. Заме-
тим, что достаточно правильное измерение давления
(А'—h") возможно лишь при условии, если будет исключе-
но влияние так называемой капиллярной депрессии ртути;
для этого сравнительный капилляр, как уже указывалось,
должен иметь внутренний диаметр такой же, как и у изме-
рительного капилляра; в частности, вследствие влияния
капиллярной депрессии уровни ртути в широкой ветви
трубки 4 (рис. 6-6) и в сравнительном капилляре никогда
не будут одинаковы: в капилляре он будет тем ниже, чем
тоньше капилляр.
Если давление (hT — h") мы отсчитываемгнепосредственно
V,
глазом, то отношение у мы непосредственно измерить не
тт - 1 V2
можем. Чтобы знать, чему равно отношение ~ , мы должны
пользоваться теми данными, которые дает предварительная
градуировка манометра. В зависимости от способа градуи-
ровки существует два метода измерения давления компрес-
204
Рис. 6-7. .Компрессионный манометр.
Измерение давления методом линей-
ной шкалы.
Примеры меток на* измерительном капил-
ляре: С=2.10‘3—для относительно больших
давлений; С=2-10"4 — для меньших давлений.
сионным манометром: метод линейной шкалы и метод квад-
ратичной шкалы.
Метод линейной шкалы (рис. 6-7). Градуировка сво-
дится к измерению объема Vb измерению поперечного се-
tz d
чения капилляра (d — внутренний диаметр капилляра) и
определению такого расстояния h', чтобы объем V2 = ^- h'
составлял определенную (очень малую) долю от объема УР
Если теперь на наруж-
ной стороне измеритель-
ного капилляра на уровне,
соответствующем этому
расстоянию h', нанести
метку с обозначением чис-
v2 г
ленного значения —= С,
то можно написать:
p — C(h' — h"). (6-6)
Пусть, например, С=
=2-10~4, а соответствую-
щая этой метке отсчитан-
ная разность уровней (hr —
— /г") = 3 мм, тогда иско-
мое давление равно р =
= 2-10~4-3 = 6 • 10"4 мм
рт. ст.
Так как С для данной
метки постоянно, то изме-
ряемое давление р прямо пропорционально разности (Л'—/г");
отсюда и название метода „линейной шкалы". При градуиров-
ке манометра на измерительном капилляре можно нанести не
одну, а несколько меток на разных расстояниях /г' от верхнего
внутреннего конца капилляра. Очевидно, чем меньше /г', т. е.
чем выше нанесена метка, тем большее сжатие претер-
певает газ при измерении и, следовательно, тем меньшие
давления можно измерить. Наоборот, для измерения боль-
ших давлений приходится пользоваться более низкими мет-
ками.
тт п Г2 nd2h'
Нетрудно видеть, что С = р- = ; следовательно,
чтобы манометр сделать более чувствительным к низким
давлениям, т. е. чтобы можно было делать метки с возможно
205
меньшими значениями С, надо брать баллон, по возможно-
сти, большего объема, а капилляр, по возможности, мень-
шего диаметра. Наоборот, чтобы компрессионный манометр
позволял измерять более грубые давления, берут малый
баллон и широкий капилляр. Для расширения пределов из-
мерения можно пользоваться капилляром, имеющим два или
три участка с разными диаметрами (самым узким сверху и
самым широким снизу) (рис. 6-8).
Рис. 6-8. Компрессион-
ный манометр с тремя
капиллярами.
Рис. 6-9. Компрессионный мано-
метр. Измерение давления ме-
тодом квадратичной шкалы.
Метод квадратичной шкалы (рис. 6-9). Градуировка
манометра сводится к измерению объема Vj и измерению
поперечного сечения капилляра . В этом случае давле-
ние в вакуумной системе равно:
Р = F, (/1'- h"'>=h' ~h"^
Величина — , как зависящая
только от размеров мано-
метра, является для данного экземпляра манометра постоян-
ной. Обозначая эту постоянную через С, можем написать:
р = Ch' (W — h"). (6-7)
Удобнее всего производить отсчет, если при измерении
останавливать ртуть так, чтобы /г" = 0, т. е. чтобы в срав-
нительном капилляре уровень ртути при измерении был на
206
высоте внутреннего верхнего конца измерительного капил-
ляра. Тогда можно положить — h") — h и написать
окончательно:
р=С№. (6-8)
Поскольку С является постоянной величиной, то при
измерении этим методом искомое давление пропорционально
квадрату разности уровней в измерительном и сравнитель-
ном капиллярах; отсюда и название метода „квадратичной
шкалы". Для определения р этим методом, поскольку по-
стоянная С определена заранее (при градуировке манометра),
удобно пользоваться таблицей, позволяющей значения h
переводить непосредственно в значения давления р. На-
пример, если при градуировке манометра постоянная С
оказалась равной 3-10-5, то таблица имеет следующий вид
(табл. 6-1):
Таблица 6-1
С=х 3-10-5
Л, мм Р’ мм рт. ст. h, мм р, мм рт. ст. h. мм р> мм рт. ст. h, мм Р- мм рт. ст.
1 3-10-5 6 1,08-Ю-з 11 3,62-Ю-з 16 7,70-Ю-з
2 1,2-10-4 7 1,47-Ю-з 12 4,32-Ю-з 17 8,67-Ю-з
3 2,7-10-4 8 1,92-Ю-з 13 5,07-Ю-з 18 9,72-Ю-з
4 4,8-10-4 9 2,43-Ю-з 14 5,87-Ю-з 19 1,08-10-2
5 7,5-10-4 10 3,0 -Ю-з 15 6,75-Ю-з 20 1,2 -10-2 и т. д.
Относительно чувствительности манометра к различным
давлениям можно судить по постоянной С = ^ . Так же
как и в случае метода линейной шкалы, чем больше баллон
и тоньше капилляр, тем манометр более приспособлен к из-
мерению низких давлений; наоборот, манометром с малым
баллоном и широким капилляром можно пользоваться для
измерения более высоких.давлений.
Капилляры берутся не уже 0,8 мм, иначе столбик ртути
в капилляре может разорваться; объем баллона приходится
также ограничив'ать (обычно до 250 cms), так как при боль-
ших объемах возникает опасность поломки манометра под
тяжестью ртути. •
Особенности компрессионного манометра. ‘Чтобы при
измерении давления компрессионными манометрами не де-
лать грубых ошибок, необходимо хорошо представлять себе
следующие его особенности:
207
1. В измерительной части манометра над ртутью, вошед-
шей ири измерении давления в баллон и далее в капилляр,
всегда имеется парциальное давление насыщенных паров
ртути, которое при комнатной температуре равно приблизи-
тельно 1 • 10~3 мм рт. ст. Но так как влияния такого давле-
ния на разность уровней h'—h" заметить нельзя, то с нали-
чием ларов ртути в измерительной части можно совершенно
не считаться.
2. Наличие же ртутных паров, а также паров других
веществ в вакуумной системе искажает показания маномет-
ра. Искажение происходит по той причине, что в этом
случае (по закону Дальтона) полное давление в вакуумной
системе равно:
Рполн =Рг^Рп,
где р -т- парциальное давление газов, которые подчиняются
закону Бойля—Мариотта;
р — парциальное давление паров, которые в состоянии
насыщения не подчиняются закону Бойля—Мари-
' отта.
3. Точные показания компрессионный манометр даст
лишь в том случае, если применить вымораживание паров
в вакуумной системе при помощи ловушки и тем самым
свести парциальное давление паров к исчезающе малой
величине. Тогда можно- положить рп = 0, и, поскольку в ва-
куумной системе остаются только газы, давление будет
измерено точно: р=рг.
Из формулы (6-7) нетрудно видеть, что- в этом случае
для определенного давления р, на каком бы уровне мы ни
остановили ртуть, т. е. каковы бы ни были h' и h", произве-
дение h' (h'—h") должно оставаться постоянным, так как
h' (h'—h")=*.
4. Если вымораживания паров не применять, то- надо
различать два случая:
А. В вакуумной системе присутствуют только такие
пары, давление которых даже при сильном сжатии (в из-
мерительной части манометра), когда они достигают насы-
щения, остается на глаз незаметным (например, не превы-
шает 0,2 ’мм рт. ст.). В этом случае влияния давления
паров в измерительной части манометра на разность уров-
ней h'—h" практически заметить нельзя и, следовательно,
значение h'—h" будет зависеть только- от парциального
208
давления газов ру очевидно, и в этом случае произведение
h' (h'—h") независимо от того, на какую высоту мы подня-
ли .при измерении ртуть, будет оставаться постоянным [по
формуле (6-7)]. Но это' означает, что манометр правильно
показывает лишь парциальное давление газов, фактическое
же давление в вакуумной системе равно. рполн ==рг~}~Рп- По-
ложим, что, согласно показаниям манометра, давление
в вакуумной системе равно всего 2 • ГО-5 мм рт. ст. Но’ если
вымораживания паров мы не применили, то не нужно забы-
вать, что 2 • 10**5 мм рт. ст. — это. только парциальное да-
вление остаточных газов и что в вакуумной системе, кроме
этих газов, присутствуют: пары ртути, распространившиеся
в вакуумную систему из того же компрессионного мано-
метра, лары рабочей жидкости из насосов (ртути или
масел), а возможно, и пары других веществ, например
вакуумных уплотнителей. Давление насыщенных паров всех
этих веществ невелико, в сумме оно, может быть, составит
всего 1 • КУ*1 ммрт.ст., так что компрессионный манометр
это давление не учтет, но фактическое давление в вакуум-
ной системе все же будет равно не 2- 10~5 ммрт.ст., как
покажет манометр, а сумме (2• 10-5+1 • 1О1) ммрт.ст.,
т. е. будет примерно, в 5 000 раз больше измеренного.
Б. В вакуумной системе присутствуют пары, давление
которых при сжатии в измерительном капилляре, т. е. в со-
стоянии насыщения, уже настолько велико, что оно заметно
влияет на разность уровней h'—h”.
В этом случае при определенном давлении произведение
h'(h'—h") уже не останется постоянным, а будет зависеть
от высоты, до которой поднята ртуть при измерении; в пре-
дельном случае, когда в вакуумной системе газов совер-
шенно нет, а есть только пары, при измерении давления,
т. е. по мере поднятия ртути, постоянное значение будет,
очевидно, сохранять не произведение h' (h'—h"), а разность
h'—h", измеряющая давление насыщенных паров.
Например, если в вакуумной системе имеется только
водяной пар, а газов нет, то при измерении., когда ртуть
войдет в измерительный капилляр, мы будем наблюдать
постоянную разность h'—/г"— 20 мм, на каком бы уровне,
h' или h", мы ни останавливали ртуть. Эта разность изме-
ряет давление насыщенных паров воды при комнатной тем-
пературе.
Таковы особенности компрессионного манометра, связан-
ные с наличием или отсутствием паров в вакуумной систе-
ме. Кроме этих особенностей, отметим следующие:
14 Б. И. Королев. 209
5. Верхний предел давлений, которые можно измерять
компрессионным манометром, зависит, как уже отмечалось,
от размеров измер.ительной части. При достаточно малом
баллоне и широком капилляре верхний предел может дости-
гать нескольких миллиметров ртутного столба.
6. Нижним пределом, который можно еще достаточно
точно измерить компрессионным манометром, можно счи-
тать давление 1 • ГО-5 мм рт. ст. Более низкие- давления
измеряются
Рис. 6-10.
Компресси-
онный мано-
метр. При-
липание
ртути.
неточно, так как искажение цилиндрической
формы, которое вносит закругленный конец из-
мерительного капилляра, сказывается тем силь-
нее, чем ниже давление (меньше h' или h").
7. При очень низких давлениях (1 • 10~6 и
ниже) может быть достигнуто такое положе-
ние, что1 разность между уровнями ртути в за-
крытом и открытом капиллярах остается рав-
ной нулю при поднятии ртути даже до самого
конца измерительного капилляра. В этом слу-
чае в зависимости от чистоты 'внутренних сте-
нок капилляра и ртути может наблюдаться
прилипание ртути к вершине измерительного
капилляра; это прилипание может удерживать-
ся, даже если при опускании груши ртуть
в сравнительном капилляре опустится на не-
сколько' миллиметров (рис. 6-10). В этом слу-
чае часто говорят, что достигнут «вакуум при-
липания», т. е. дается лишь качественная оцен-
ка достигнутого вакуума.
8. Компрессионный манометр является абсолютным ма-
нометром, т. е. его можно рассчитать и проградуировать
независимо,, без сравнения с показаниями какого-либо дру-
гого манометра.
9. Большим достоинством компрессионного манометра
является легкость его изготовления (стеклодувная работа).
10. К числу недостатков следует отнести: 1) невозмож-
ность компрессионным манометром вести непрерывное
наблюдение за изменением давлений в вакуумной системе,
так как каждое измерение относится лишь к давлению
в момент перекрытия сообщения между вакуумной систе-
мой и измерительной частью (в положении 777); 2) доволь-
но большая длительность каждого измерения; 3) вредность
ртутных паров для работающих; компрессионные маномет-
ры, в которых вместо ртути применяется масло с низким
давлением насыщенного пара, в настоящее время разрабо-
210
таны в Советском Союзе, но ввиду лепкой растворимости
газов в масле манометр нельзя сообщать с атмосферой;
этот недостаток манометра ограничивает его практическое
применение.
Способы поднятия ртути. Способ поднятия ртути при
помощи груши не является единственным; он обладает
тем недостатком, что из груши вредные
пары ртути всегда 'распространяются
в окружающее помещение. Кроме того,
ртуть быстро загрязняется в резиновом
шланге. Поэтому разработаны также сле-
дующие способы.
Способ тройного крана (рис. 6-11).
Грушу заменяет неподвижный стеклянный
баллон 1, стеклянная трубка 2 сообщает
балдон с манометром. Трубка имеет про-
должение внутрь баллона, заканчиваясь
на некотором расстоянии (3-4-5 мм) от
дна. От баллона отходит вторая труба 3,
ведущая к тройному крану, снабженному
одним боковым отверстием -и двумя труб-
ками 4 и 5. Пусть трубка 4 сообщена
с атмосферой, а трубка 5 — с вакуумной
подводкой. Тогда при повороте крана от-
верстием в сторону трубки 4 над поверх-
ностью ртути в баллоне будет атмосфер-
ное давление. Уровень ртути в трубке,
сообщенной с манометром и, следователь-
но; со всей вакуумной системой, может
при этом занимать различное положение
в зависимости от того, какое давление
в вакуумной системе. Если в вакуумной
системе также атмосферное давление, то,
очевидно, уровни ртути <в баллоне и в
трубке 2 будут одинаковы (если исклю-
чить небольшое влияние капиллярной
Рис. 6-11. Подни-
мание и опускание
ртути в компрес-
сионном маномет-
ре при помощи
трехходового кра-
на.
1 — неподвижный ре-
зервуар для ртути
(стеклянный баллон);
2 и 3 — стеклянные
трубки; 4—трубка,
сообщающая кран с
атмосферным возду-
хом; 5—трубка, сооб-
щающая кран с ва-
куумной подводкой
или с подводкой сжа-
того воздуха.
депрессии); если
же вакуумная система откачана, то по мере проникно-
вения атмосферного воздуха через трубку 4 в баллон уро-
вень ртути в трубке 2 будет перемещаться вверх, уровень
ртути в баллоне—вниз. Это перемещение прекратится лишь
тогда, когда превышение уровня ртути в трубке 2 достиг-
нет соответствия атмосферному давлению или ранее, если
мы закроем кран (т. е. повернем его пробку так, чтобы
боковое отверстие пришлось на участок между трубками 4
14*
211
и 5). Таким образом, поворотом крана в сторону трубки 4
осуществляется поднятие ртути для измерения давления.
Очевидно, длина трубки 2 должна быть рассчитана так,
чтобы атмосферного давления было достаточно для подъе-
ма ртути при измерении.
После измерения мы должны опустить ртуть, чтобы
снова сообщить измерительную часть манометра с вакуум-
ной системой; для этого кран поворачивается в положение,
при котором боковое отверстие пробки приходится против
трубки 5, сообщенной с вакуумной подводкой. При таком
положении крана давление над ртутью в баллоне будет
падать, уровень ртути в трубке 2 будет перемещаться вниз,
в баллоне — соответственно вверх; перемещение прекратит-
ся лишь тогда, когда превышение уровня ртути в трубке
2 достигнет соответствия давлению, поддерживаемому
в трубке 5, или когда тройной кран будет закрыт. Очевид-
но, что в трубке 5 достаточно иметь лишь грубый вакуум,
позволяющий опустить ртуть в трубке 2 хотя бы до уровня
лишь немного ниже разветвления, так чтобы восстанови-
лось сообщение между измерительной частью манометра и
вакуумной системой.
Способ тройного крана, для поднятия ртути в компрес-
сионном манометре, свободен от недостатков, связанных
с применением груши, но предъявляет дополнительные тре-
бования. Необходимо создание вакуума со стороны трубки
5, для чего1 лучше всего пользоваться или отдельным, хотя
бы грубым, насосом, или же присоединить трубку 5 к цент-
рализованной вакуумной подводке. Требуется большая
осторожность при поворотах тройного крапа: атмосферный
воздух должен входить через трубку 4 медленно, для чего
конец трубки обязательно' оттягивается так, чтобы она
оканчивалась достаточно, узким отверстием; нельзя остав-
лять тройной кран открытым на .вакуум, так как в случае
аварии ртуть может переброситься в трубку 3 и далее
через кран в трубку 5; не надо забывать, что при пуске
вакуумной системы на откачку необходимо следить за
подъемом ртути в трубке 2, так как нельзя допускать, что-
бы ртуть проникла в измерительную часть манометра; для
этого, по мере откачки и связанного с ней перемещения
ртути по трубке 2 надо периодически осторожно открывать
тройной кран на вакуум; когда со стороны трубки 3 давле-
ние станет достаточно низким и можно уже не опасаться,
что ртуть в трубке 2 войдет в измерительную часть мано-
метра, тройной кран можно закрыть. Существует способ
212
такого присоединения тройного крана, при котором опас-
ность, связанная с перемещением ртути вверх по трубке 2, в
начале откачки полностью устраняется: его мы разберем при
изучении вакуумных схем для откачных постов (рис. 8-28).
Вариантом способа тройного крана является присоеди-
нение трубки 5 не к вакуумной подводке, а к централизо-
ванной подводке сжатого воздуха (для поднятия ртути при
измерении); трубка 4, соединенная с атмосферой, служит
в ютом случае для опускания ртути после измерения. Длина
трубки 2 должна быть настолько большой, чтобы при от-
крывании тройного крана на атмосферу (в сторону трубки
4) ртуть даже при откачанной системе оставалась ниже из-
мерительной части манометра (как и в случае груши). Это
создает известное неудобство, так как связано с необходи-
мостью более высокого расположения измерительной части.
Однако это неудобство компенсируется устранением опас-
ности с перебрасыванием ртути и с ее попаданием в изме-
рительную часть манометра в начале откачки. Кроме того,
этот вариант способа тройного крана1 требует наличия сжа-
того воздуха с избыточным давлением в несколько1 сот
миллиметров ртутного столба..
Способ гофрированного резервуара (рис. 6-12). Подня-
тие ртути осуществляется путем сжатия резервуара 1, изго-
товляемого из гофрированного стального цилиндра (сталь
не реагирует с ртутью). Ртуть опустится, если резервуару
придать первоначальные размеры.
Каким путем можно изменить объем резервуара, ясно
из фигуры.
Описанный способ хорош во всех отношениях, но пока
не получил большого распространения.
При всех способах поднятия ртути для измерения давле-
ния компрессионным манометром существует опасность
перебрасывания ртути в вакуумную систему, если ртуть
поднимется слишком высоко по трубке, ведущей к вакуум-
ной системе. Для устранения этой опасности рекомендуется
применение несложного устройства, называемого клапаном
с «чортиком» (рис. 6-13), вставляемого в гаком месте труб-
ки, выше которого поднятие ртути допускать не следует.
При попадании столба ртути в клапан «чортик» всплывает,
прижимается к верхнему сужению клапана и не пропускает
ртуть.
Ртуть для компрессионного манометра должна, быть
хорошо предварительно очищена и осушена. Точно так же
внутренние стенки стеклянных частей манометра необходи-
213
мо промывать раствором H2SO4 + CrO3 (хромовой смесью)
и дистиллированной водой, после чего подвергать тщатель-
ной сушке. Если применяются резиновые шланги, то их
также необходимо предварительно прокипятить в слабом
(5%) щелочном растворе, промыть дистиллированной водой
и тщательно высушить.
Градуировка компрессионного манометра. Сущность
градуировки компрессионного манометра была уже выяс-
нена при рассмотрении методов линейной и квадратичной
Рис. 6-12. Поднимание и опускание
ртути в компрессионном мано-
метре при помощи гофрирован-
ного резервуара (/).
Рис. 6-13. Клапан
с „портиком“.
шкал. Здесь мы рассмотрим,, каким образом следует изме-
рять объем измерительной части Vi и поперечное сечение
капилляра -4-, а также сделаем ряд дополнительных за-
мечаний.
Измерение объема Vi удобно совместить с промывкой
манометра дистиллированной водой до присоединения его
к приспособлению для поднятия ртути. Для этого мано-
метр опрокидывается в положение капилляром вниз и в не-
го из мерного стакана наливается дистиллированная вода
точно до начала разветвления к сравнительной части; по
убыли воды из мерного стакана определяется объем
После промывки и просушки манометра можно прово--
r.d2 „
дить измерение поперечного сечения капилляра Для
этого в измерительный капилляр вводится заранее взве-
214
шенная капля чистой ртути так, чтобы она вошла в капил-
ляр целиком, но в то же время не заняла всей длины
капилляра; особенно важно, чтобы столбик загнанной в ка-
пилляр ртути не заходил в участок капилляра, где он на-
чинает расширяться при переходе к измерительному шару.
Если вес загнанного столбика ртути равен Р, а длина его
равна I, то нетрудно сообразить, что поперечное сечение
равно:
ле/2_ р
/13,6 ’
где 13,6 — удельный вес ртути.
В случае работы по методу линейной шкалы величину
можно рассматривать как объем капилляра на единицу
его длины; следовательно, расстояние /г' от вершины за-
крытого капилляра до метки, соответствующей заданному
отношению С=у2, можно вычислить из уравнения
h>== V2 СУА ,
откуда
р_____izd2h'
С “ "4V7 •
В случае работы по методу квадратичной шкалы значе-
ние постоянной манометра С определяется из соотношения
р __
° 4У-, ‘
Очевидно, поскольку величины h', h" или h всегда изме-
ряются в миллиметрах, остальные величины, как V2 d
и I, надо измерять также соответственно в кубических или
линейных миллиметрах, а вес капли ртути—©миллиграммах.
При работе с ртутью необходимо соблюдать осторож-
ность, не допуская ее потерь, чтобы не загрязнять рабочее
место.
6-5. ТЕПЛОВЫЕ МАНОМЕТРЫ
Принцип работы. В работе тепловых манометров исполь-
зуется зависимость теплопроводности газа от давления, ко-
торая начинает, как мы знаем (§ 3-7), проявляться в обла-
сти среднего вакуума, постепенно переходя в прямую про-
порциональность в области высокого вакуума.
215
ции. В ней имеется две
Рис. 6-14. Схема манометра
сопротивления.
ЛМ — манометрическая лампа;
г, — сопротивление нити (нитей)
наш етрической лампы; г2 — пе-
ременное (штепсельное) сопро-
тивление; г3 = г4 — постояннее
сопротивления; 1 и 2 — милли-
амперметр j; 3 — выключатель;
4— батарея; 5— реостат; 6 —
трубка для присоединения к ва-
куумной системе.
В настоящее время получили распространение два типа
тепловых манометров: манометр сопротивления и термопар-
ный манометр.
Млнометр сопротивления. На рис. 6-14 схематически
изображена одна из наиболее употребительных конструк-
части: манометрическая лампа ЛМ
(датчик) и измерительная часть.
Манометрическая лампа пред-
ставляет собой стеклянный бал-
лон с трубкой для in рисоедин енмя
к вакуумной системе. В баллоне
на двух вводах смонтирована одна
или несколько (параллельно) ме-
таллических нитей, которые можно
нагревать электрическим током.
Измерительная часть представ-
ляет собой мостик для измерения
сопротивлений:
г\ — сопротивление нити мано-
метрической лампы, обладающее
большим температурным коэффи-
циентом, чтобы изменение темпе-
ратуры нити достаточно! резко
сказывалось на (величине сопро-
тивления г г, этим требованиям
удовлетворяют такие материалы,
как вольфрам, никель, платина и
т. п.;
г2 — переменное сопротивле-
ние из материала с весьма малым
темпер атурным коэффициентом,
чтобы изменение температуры
практически не сказывалось на
значении сопротивления;
сопротивления, также с весьма ма-
лым температурным коэффициентом, причем Гз = г4.
Из материалов, обладающих малым температурным
коэффициентом, можно указать манганин и константан.
Питание мостика подводится к точкам М и N от бата-
реи постоянного тока 4 и регулируется реостатом 5; 3— вы-
ключатель.
Ток через нить манометрической лампы измеряется мил-
лиамперметром 1, ток между точками А и В цепи мости-
ка — миллиамперметром 2.
216
б и ^4 — постоянные
Порядок работы по измерению давления мостиковым
манометром рассматриваемой конструкции заключается
в следующем:
1. Устанавливается величина сопротивления г2, значение
которого для определенных пределов комнатной темпера-
туры указывается в паспорте манометрической лампы.
2. Включается цепь мостика и по прибору 1 при помо-
щи реостата устанавливается ток нагрева нити 1Н, значение
которого также указывается в паспорте. Указанный ток
поддерживается при всех измерениях давления постоянным.
3. Если откачка вакуумной системы еще не начата, то
при правильно установленных г2 и 1Н мостик должен быть
в равновесии (стрелка прибора 2 должна стоять на нуле).
Это значит, что при атмосферном давлении поддерживается
такая температура нити, что ее сопротивление ri = r2. Если
обозначить среднее расстояние нити до стенок баллона че-
рез d, а среднюю длину свободного пути молекул газа
через X, то степень вакуума в манометрической лампе, оче-
видно, будет определяться соотношением между X и d\
равновесие мостика не нарушается, пока в манометриче-
ской лампе будет низкий вакуум так как при низ-
ком вакууме теплопроводность таза от давления не зависит.
4. По мере откачки вакуумной системы, пока .в мано-
метрической лампе давление еще высоко' (АЧ d), мостик
продолжает оставаться в равновесии. Но при достаточном
понижении давления (увеличении X) теплопроводность газа
начинает заметно уменьшаться, в связи с этим отвод тепла
от нити газом уменьшается, температура, а с нею и сопро-
тивление нити манометрической лампы увеличиваются и,
следовательно, стрелка прибора 2 смещается с нулевого
положения и начинает перемещаться вправо тем дальше,
чем ниже давление.
В случае применения манометрической лампы обычных
размеров стрелка начинает заметно отклоняться, начиная
с давлений 0,1 0,2 мм рт. ст., что и является верхним
пределом давлений, измеряемых манометром сопротивле-
ния обычной конструкции; чтобы по положению стрелки на
шкале прибора 2 можно было судить о давлении в вакуум-
ной системе, к манометру прилагается градуировочная кри-
вая, по которой показания прибора 2 можно перевести
в миллиметры ртутного столба (рис. 6-15 и 6-16).
Начало градуировочной кривой соответствует нулевому
положению стрелки прибора 2 только при правильно уста-
новленном сопротивлении г2. Если г2 при измерении уста-
217
новлено неправильно, то при атмосферном давлении стрел-
ка прибора 2 не встанет на нуль шкалы; вся градуировоч-
ная кривая окажется как бы сдвинутой влево или вправо
Рис. 6-15. Градуировочная кривая тепло-
вого манометра (при /к = const); шкала
давлений — линейная.
Рис. 6-16. Градуировочная кривая тепло-
вого манометра (/к= const). Шкала
давлений — логарифмическая.
в зависимости от того,
установлено ли г2 соот-
ветственно больше или
меньше требуемого. Со-
ответственное искаже-
ние градуировки прои-
зойдет, если температу-
ра помещения или вер-
нее баллона манометри-
ческой лампы 'изменит-
ся настолько, что необ-
ходимо внести поправ-
ку в значение г2; причи-
ной сдвига градуиро-
вочной кривой при из-
менении температуры
баллона является одно-
временное изменение
температуры нити с из-
менением температуры
баллона, а вследствие
изменения температуры
нити ее сопротивление
изменится и стрелка
прибора 2 сдвинется
независимо от измене-
ния давления в вакуум-
ной системе. Поэтому
рекомендуется измере-
ние давления маномет-
ром сопротивления про-
водить, по возможности,
при неизменной темпе-
ратуре баллона, поме-
щая его, если возмож-
но, в водяную баню с требуемой температурой или хотя
бы защищая его от воздушных потоков и излучения со сто-
роны нагретых предметов.
Манометр сопротивления с компенсатором. Интересен
вариант конструкции манометра (рис. 6-17), при котором
практически исключается влияние изменения температуры
218
баллона, что достигается заменой переменного сопротивле-
ния г2 так называемым компенсатором. Последний является
точным воспроизведением манометрической лампы и отли-
чается от нее только тем, что он применяется в запаянном
виде, предварительно откачанным до давления, не превы-
шающего 1 • 10~4 мм рт. ст.
При наличии компенсатора изменения температуры по-
мещения одинаково влияют как на манометрическую лам-
пу, так и на компенсатор, и сдвига градуировочной кривой
не происходит.. Так как со-
противление компенс атор а
г2 не поддается регули-
ровке, то сопротивления
Г3 и Г4 ВЫПОЛНЯЮТСЯ IB ВИ-
де потенциометра с движ-
ком, положение которого
выбирается таким, чтобы
при атмосферном давле-
нии мостик был в равно-
весии. В остальном поря-
док работы не отличается
от описанного выше.
Приведем краткие дан-
ные, характеризующие
важнейшие элементы ма-
нометрической лампы и
измерительной части ма-
нометр а сопротивления,
получившего большое рас-
пространение в производ-
Рис. 6-17. Схема манометра сопро-
тивления с компенсатором.
ЛМ — манометрическая лампа; г, — сопро-
тивление нити (нитей) манометрической
лампы; К — компенсатор; г2 — сопротивле-
ние нити (нитей) компенсатора; г3+г4—со-
противление потенциометра с движком; 1 и
2 — миллиамперметры; 3 — выключатель;
4 — батарея; 5 — реостат.
ственных условиях.
Манометрическая лампа изображена на рис. 6-18. Она
может вставляться в гнездо откачного автомата (откачной
трубкой) в целях проверки работы последнего. Баллон бе-
рется того' же объема, что и лампы, откачиваемые на про-
веряемом автомате. На никелевых держателях приварены
четыре параллельные вольфрамовые спирали из тонкой
вольфрамовой проволоки.
Измерительная часть манометра монтируется в одном
ящике, что делает его переносным; манометрическая лампа
присоединяется к соответствующим зажимам мостика длин-
ным гибким шнуром, позволяющим проводить откачку ма-
нометра на автомате при нормальном вращении карусели
последнего. Сопротивления в плечах мостика 15 20 ом;
21?
Рис. 6-18. Манометри-
ческая лампа для из-
мерения давления на
откачных автоматах
манометром сопро-
тивления.
1 — выводы, присоединя-
емые к длинному шнуру;
2— откачная трубка для
вставления в гнездо авто-
мата; 3 — откачное отвер-
стие.
миллиамперметры: 1—до 100 ма, 2—до 15 ма; = —
65 ма.
Градуировка манометра сопротивления. Тепловые мано-
метры нельзя рассчитывать, так как явления, связанные
с соприкосновением газовых молекул с поверхностью твер-
дых тел, изучены еще недостаточно хорошо. Большую не-
определенность вносит коэффициент
аккомодации, связанный, как мы знаем,
с условиями теплообмена между мо-
лекулами газа и твердой поверхностью
(нити и колбы). Поэтому манометр
сопротивления приходится градуиро-
вать путем сравнения показаний при-
бора 2 с показаниями манометра
другого типа. Обычно градуировка вы-
полняется по компрессионному мано-
метру, причем для исключения влияния
конденсирующихся паров, искажающие
показания компрессионного манометра,
необходимо градуировку выполнять
с применением вымораживания паров.
Процесс градуировки сводится к
следующему. При атмосферном давле-
нии подбирается сопротивление г2 для
данного экземпляра манометрической
лампы или в случае применения ком-
пенсатора подбирается положение
движка потенциометра так, чтобы яри
атмосферном давлении мостик был
уравновешен. При этом ток нагрева
1Н устанавливается пбка приближен-
но, исходя из среднего его значения,
принятого для манометров данной кон-
струкции. Далее манометрическая лам-
давления не выше 1 - 10 4 мм рт. ст., и
если при установленном среднем значении 1Н стрелка при-
бора 2 устанавливается не на делении шкалы этого прибора,
принятом в качестве предельного, а на каком-то другом,
то значение /к корректируется реостатом так, чтобы поло-
жение стрелки прибора 2 совпало с предельным делением.
Если манометрическая лампа выполнена с достаточной
тщательностью, то скорректированное значение тока нагре-
ва мало отличается от среднего установленного первона-
чально при атмосферном давлении; обычно повторной про-
220
па откачивается до
Рис. 6-19.
Манометри-
ческая лам-
па в виде
капилляра
(диаметр ка-
пилляра
2 мм; воль-
фрамовая
нить
25 мкн).
’ нагретой
•feeip-К’И .нулевого положения при новом значении тока нагре-
ва не требуется и первоначально 'установленное значение
переменного сопротивления менять не приходится. После
этого при скорректированном значении 1Н и установленном
г2, зачения которых записываются в паспорт манометриче-
ской лампы, в последней создаются давления последователь-
ными ступенями в пределах от 0,1 е 0,2 мм
рт. ст. до полной остановки стрелки на пре-
дельном делении шкалы прибора 2; произво-
дится параллельная запись показаний компрес-
сионного манометра и показаний прибора 2.
При этом каждая точка снимается после вы-
держки, достаточной для установления ста-
бильных значений температуры нити и давле-
ния газа. Полученные цифры позволяют вычер-
тить градуировочную кривую, имеющую для
манометра сопротивления вид, приведенный на
рис. 6-15 и 6-16.
Вместо традуировки и работы манометра
сопротивления при постоянном токе нагрева
1К можно тот же манометр использовать при
постоянном напряжении, подаваемом к точкам
М и N, для чего, конечно, требуется специаль-
ная градуировка манометра. Однако если при
работе манометра поддерживать постоянным
именно ток нагрева, а не напряжение в точках
М и N, то манометр выигрывает в чувствитель-
ности.
Манометр сопротивления с манометрической
лампой в виде капилляра. Манометром сопро-
тивления можно охватить диапазон давлений
до нескольких миллиметров ртутного столба,
если применить манометрическую лампу в виде
капилляра с очень малым расстоянием меж.
нитью и стенками колбы.
•Конструкция манометрической лампы такого манометра
показана на рис. 6-19. При измерении давления нить под-
держивается при постоянной температуре (около 70° С); это
значит, что сопротивление нити лампы остается также
постоянным и мостик при любом давлении сохраняет рав-
новесие. Давление же измеряется миллиамперметром, вклю-
ченным в цепь питания мостика. Описываемый манометр
может работать в диапазоне 1 • 10~2—15 мм рт. ст.; его
следует считать весьма полезным, так как им можно поль-
221
зоваться взамен U-образных манометров повышенной чув-
ствительности (с различными жидкостями). В отличие от
U-образных манометров «капиллярный» манометр не явля-
ется источником паров и газов, неизбежно' выделяющихся
из рабочих жидкостей U-образных манометров, что являет-
ся существенным преимуществом рассматриваемого мано-
метра.
Чувствительность манометра сопротивления. Составим
уравнение энергетического баланса нити манометрической
лампы. Представим себе, что в вакуумной системе и, следо-
вательно, манометрической лампе поддерживается опреде-
ленное постоянное давление. При неизменном давлении
температура нити Т и ее сопротивление примут определен-
ные, установившиеся значения, когда между мощностями,
получаемой нитью от батареи и теряемой ею при нагреве,
устанавливается равновесие. На основе этого равновесия
можно составить следующее уравнение:
+ (6-9)
где г1Т — сопротивление нити при температуре Т;
г 2
1нг1Т — мощность, получаемая нитью от источника пита-
ния;
р{ — мощность, отводимая теплопроводностью газа,
окружающего нить, к стенкам баллона;
р2 — мощность, отводимая теплопроводностью мате-
риала нити к более холодным вводам;
ps — мощность, рассеиваемая излучением нити.
Таким образом, потеря тепла нагретой нитью манометри-
ческой лампы происходит не только путем теплопроводно-
сти газа, но дополнительно еще двумя путями. Так как в
основе работы манометра* лежит потеря тепла нитью через
теплопроводность газа, которая зависит от его давления, то
для чувствительности манометра весьма важно, чтобы дру-
гие два слагаемых р2 и рз, не связанные с изменением дав-
ления газа, играли, по возможности, меньшую роль; они
являются только помехой для чувствительности манометра.
Слагаемое р% можно сделать относительно очень малым,
если пользоваться достаточно тонкими нитями из металла
с малой теплопроводнЛтью. Что касается рз, то дело обстоит
сложнее. Вспомним, что по закону Стефана — Больцмана,
если отбросить относительно слабое влияние температуры
стенок колбы, излучаемая мощность пропорциональна чет-
222
вертой степени абсолютной температуры нити (Г4). В связи
с этим для чувствительности теплового манометра не без-
различно, до какой температуры нагревается нить маноме-
трической лампы при измерении давления.
Если требуется, чтобы тепловой манометр обладал вы-
сокой чувствительностью при низких давлениях, когда тепло-
проводность газа становится очень малой, то, очевидно, не-
обходимо, чтобы температура нити была достаточно низка
(для снижения Г4); по этой причине у всех описанных вы-
ше манометров сопротивления температура нити лампы не
превышает 150° С.
Чувствительность теплового манометра можно продви-
нуть далее в сторону более низких давлений, если, сохра-
няя температуру нити достаточно низкой, увеличить тепло-
проводность газа путем увеличения разности температур
нити и колбы, применяя специальное охлаждение последней.
Обратно, чтобы поднять верхний (по давлению) предел
применимости теплового' манометра обычных размеров, вы-
годно измерение проводить при более высокой температуре
нити, так как и без того большая при больших давлениях
теплопроводность газа увеличивается за счет увеличения
разности температур нити и колбы.
Манометр сопротивления с нитью манометрической лам-
пы, нагреваемой до высокой температуры. Рассмотрим кон-
струкцию манометра сопротивления, верхний предел чув-
ствительности которого благодаря высокой температуре
нити повышается до 50 60 мм рт. ст. (без применения ка-
пиллярной манометрической лампы).
На рис. 6-20 и 6-21 изображены соответственно мано-
метрическая лампа и измерительная схема такого мано-
метра. Лампа манометра включается прямо в цепь бата-
реи £1 (мостик отсутствует); ток через нить можно регули-
ровать реостатом R\. Если бы не было дополнительной
батареи Е2, ток, проходящий через нить, проходил бы и че-
рез миллиамперметр (ма), но благодаря наличию бата-
реи Е2 и реостата R2 показания миллиамперметра частично
или полностью компенсируются, и он показывает лишь раз-
ность идущих через него токов от батарей Ех и Е2.
Температура нити поддерживается при измерении посто-
янной и равной 450° С, что соответствует едва заметному
на глаз калению нити. Очевидно, если давление в лампе из-
менится, например понизится, то соответствующим образом
должен быть изменен (уменьшен) и ток через нить, чтобы
ее температура сохранялась неизменной, а это уменьшение
223
тока через нить тотчас же отразится на разности токов,
иоказываемой миллиамперметром.
На рис. 6-22 приведена градуировочная кривая описы-
ваемого манометра. Нагрев нить до едва заметного на глаз
Накал
Платина
<рО,ООлип
1 = 70лик
Откачка
Рис. 6-21. Манометр сопротивле-
ния для измерения давлений до
50—60 мм рт. ст. Измеритель-
ная часть.
Рис. 6-20. Манометр сопротивле-
ния для измерения давлений до
50—60 мм рт. ст. Манометричес-
кая лампа.
каления (450° С) и скомпенсировав (до нуля) показания
миллиамперметра при давлении в вакуумной системе, рав-
ном 200 мм рт. ст., мы получим первую (исходную) точку
градуировочной кривой; далее, поддерживая температуру
Рис. 6-22. Градуировочная кривая манометра
сопротивления для измерения давлений до
50—60 мм рт. ст.
нити (450°С), снижаем давление, и, записывая разность
токов, показываемую миллиамперметром, при разных дав-
лениях, мы, очевидно, получим остальные точки, необходи-
мые для построения градуировочной кривой. Последняя по-
224
называет, что манометр обладает достаточной чувствитель-
ностью в пределах 7- 10~2-н60 мм рт. ст.
J Термопарный манометр. Большое распространение полу-
чил второй вид теплового манометра — термопарный.
Манометрическая лампа представляет собой стеклян-
ный баллон с трубкой для присоединения к
теме (рис. 6-23). В баллоне на двух
вводах смонтирован подогреватель 3,
к двум другим вводам приварена тер-
мопара 4, спай которой, в свою оче-
редь, приварен к подогревателю (в точ-
ке Д). Измерительная часть манометра
состоит из источника переменного или
постоянного тока 5, реостата 6 и двух
электроизмерительных приборов. Подо-
греватель нагревается током, который
можно* регулировать реостатом и изме-
рять миллиамперметром 1. Спай термо-
пары, нагреваемый от .подогревателя,
является источником термо-э. д. с., зна-
чение которой показывает милливольт-
метр 2.
Порядок работы с манометром сле-
дующий. Манометрическая лампа по-
ступает обычно от заводз-изготовителя
сис-
вакуумнои
4
J1M
Рис. 6-23. Термопар-
ный манометр.
ЯМ — манометрическая
лампа; 7 — миллиампер-
метр для измерения тока
нагрева подогревателя;
2 — милливольтметр для
измерения давления по
термо-э. д. с. термопары;
3— подогреватель; 4—тер-
мопара (спай в точке А
приварен к подогревате-
лю); 5—питание подогре-
гателя; 6—реостат; 7—
выключатель; 8—трубка
для присоединения к ва-
куумной системе.
в запаянном виде и откачанной до дав-
ления не выше 10~4 мм рт. ст. Прежде
чем вскрывать лампу, ее необходимо
присоединить к измерительной части
манометра и подобрать ток нагрева,
при котором стрелка 'Милливольтметра
останавливается на делении, соответ-
ствующем термо-э. д. с. термопары
(в милливольтах), указанной в паспор-
те манометрической лампы. Этадермо-
э. д. с., очевидно, соответствует ниж-
нему-пределу давления,.. измеряемому
данным'"манометром. Так как манометр обладает тепловой
инерцией, необходимо, прежде чем записывать получившееся
значение тока нагрева для данной лампы, дать манометру по-
греться при этом токе в течение времени не менее 2 мин..Тем-
пература баллона не должна сильно отличаться от 20° С.
Записав значение тока нагрева, можно вскрыть трубку ма-
нометрической лампы и припаять ее к вакуумной системе.
15 Б. И. Королев.
225
До откачки вакуумной системы, т. е. пока давление
в ней равно атмосферному, стрелка милливольтметра стоит
вблизи нуля.
Далее совершенно* аналогично тому, как это происходит
в случае манометра сопротивления, стрелка милливольт-
метра по мере откачки системы при среднем вакууме начи-
нает передвигаться по шкале; передвижение продолжается
и при высоком вакууме, но когда давление понизится на-
столько, что теплопроводность газа станет очень малой,
стрелка милливольтметра остановится на предельном дав-
лении; в этот момент потеря тепла подогревателем и тер-
мопарой обусловливается практически только теплопровод-
ностью и излучением самих проволок.
Так же как и в случае манометра сопротивления, при
всех измерениях поддерживается установленный ток нагре-
ва; причем, если величина его подобрана правильно, то пе-
редвижение стрелки милливольтметра прекращается на
делении шкалы, соответствующем термо-э. д. с., указанной
для невскрытой манометрической лампы в ее паспорте, на-
пример, 10 мв.
Градуировка термопарного манометра. Порядок градуи-
ровки термопарного* манометра аналогичен порядку градуи-
ровки манометра сопротивления. При давлении не выше
1 • Ю 4 мм рт. ст. (с вымораживанием паров ловушкой)
подбирается ток нагрева, при котором милливольтметр по-
казывает предельную термо-э. д. с, установленную для
манометрической лампы данной конструкции; далее пока-
зания милливольтметра сравниваются с показаниями ком-
прессионного манометра и строится градуировочная кривая,
имеющая вид, совершенно аналогичный приведенному
выше на рис. 6-15 или 6-16.
Потребителям термопарных манометров градуировкой их
заниматься не приходится, так как к каждому экземпляру
манометрической лампы завод-изготовитель прилагает
усредненную (общую для всех манометрических ламп дан-
ного типа) градуировочную кривую, снятую для сухого воз-
духа. Пользование усредненной градуировочной кривой
возможно благодаря тщательному соблюдению технологии
при изготовлении манометрических ламп; что касается при- •
менения градуировочной кривой, снятой для воздуха, к из-.,'
мерению давления газов, отличающихся от воздуха, то полу-.'-
чающиеся при этом ошибки при обычной практической ра-‘
боте не имеют большого значения.
226
На долю потребителя остается лишь подбор тока нагре-
ва подогревателя.
Подбор тока нагрева подогревателя. Выше отмечалось,
что операция подбора тока нагрева подогревателя маномет-
рической лампы термопарного манометра проводится до ее
вскрытия и присоединения к вакуумной системе. Поскольку
эта операция лежит на ответственности потребителя и в то
же время имеет очень важное значение для правильного
измерения давления, необходимо рассмотреть ее более по-
дробно.
Возможность определения тока нагрева до вскрытия
манометрической лампы предоставляет то большое удоб-
ство, что позволяет приступить к использованию новой ма-
нометрической лампы непосредственно после ее присоеди-
нения к вакуумной системе, не прибегая к предварительной
градуировке.
Однако если вакуумная система, к которой присоеди-
няется новая манометрическая лампа, позволяет получать
вакуум не хуже 1 • 10~4 мм рт. ст., то определение тока на-
грева лучше проводить после припайки лампы на самом
рабочем месте. Как показывает опыт работы а термопар-
ными манометрами, ток нагрева, подобранный по' еще не
вскрытой лампе, может иногда оказаться несколько боль-
шим по сравнению с током нагрева той же лампы, опреде-
ленным при давлении в вакуумной системе, не превышаю-
щем 1 • 10~4 мм рт. ст. Такое расхождение получается при
недостаточно хорошем, вакууме, который может оказаться
в запаянной манометрической лампе и который заставляет
для нагрева термопары до требуемой термо-э. д. с. (10 мв)
пропускать через нее соответственно больший ток.
При практической работе с термопарными манометрами
необходимо также периодически проверять определенный
в начале работы ток нагрева манометрической лампы, ко-
торый, к сожалению, может меняться с течением времени;
причина неустойчивости тока нагрева кроется в загрязне-
нии поверхности подогревателя, вследствие чего нарушается
его теплообмен с окружающими газами (то* же происходит
и с поверхностью нити манометра сопротивления).
Определение термопарным манометром давлений различ-
ных газов и их смесей известного состава по градуировоч-
ной кривой для воздуха. Когда требуется более точное
определение давления с учетом состава газов в вакуумной
системе, градуировочная кривая, снятая для воздуха, может
оказаться неудовлетворительной. Однако и для этого слу-
15* 287
чая, если состав газов известен, можно пользоваться кривой
для воздуха, но с соответствующим пересчетом.
Возможность такого пересчета основана на том, что
градуировочные кривые для различных газов подобны друг
другу. Если определенным значениям термо-э. д. с. в слу-
чае воздуха соответствуют давления р , рв и т. д., то для
любого другого газа этим же значениям термо-э. д. с. соответ-
ствуют пропорциональные значения давлений рг, р” и т. д.,
так что
р'г Рг
— = —п = . . . = q .
Ре Ре
Таким образом, определив по кривой для воздуха значение
давления, равное рв, можно определить давление для дан-
ного газа рг, если известен соответствующий этому газу
коэффициент qp
Рг^ЧгР,- (б"10)
Наиболее вероятные значения пересчетных коэффициентов
qs для некоторых газов и паров, давления которых опре-
деляются термопарным манометром с датчиком ЛТ2, при-
ведены в табл. 6-2.
Таблица 6-2
Газ н, Не сн4 Ne СО Воз- дух Аг со2 Кг
<7г 0,07 1,12 0,61 1,31 0,97 1 1,56 0,94 2,30
Молекулярный вес 2 « 4 16 20,2 28 29 40 44 83,7
Коэффициент 7г характеризует собой по существу теп-
лопроводность газа, поэтому, как видно из табл. 6-2, значения
q^, относящиеся к газам (парам) с одинаковым числом атомов
в молекуле, возрастают с возрастанием молекулярного веса.
В случае смеси газов с известным объемно-процентным
содержанием /<г отдельных составляющих (г = 1, 2 ..., п) пе-
ресчетный коэффициент qcM можно подсчитать из соотно-
шения
100__К?
яГм ~~ L ’
г-1
228
(6-П)
откуда
_____ 100
У см_п
у
г = 1
Промышленные типы термопарных манометров. Наша
промышленность выпускает термопарные манометры отдель-
но или © комбинации с рассматриваемыми ниже иониза-
ционными манометрами. В качестве отдельного термопар-
ного манометра можно указать манометр ВТ-2, общий вид
которого1 показам на рис. 6-30,а.
В качестве датчиков служат манометрические лампы ти-
па ЛТ-2 (стеклянная) и ЛТ-4М (металлическая). Измери-
тельная часть позволяет измерять термо-э. д. с. в двух под-
диапазонах давлений: 1) 10“3 -е-2 • 10-1 мм рт. ст. и
2) 2 • 10~! мм рт. ст. -г- 1 мм рт. ст.
Второй поддиапазон осуществляется путем переключе-
ния подогревателя на больший ток нагрева (на более высо-
кую температуру).
Единственный электроизмерительный прибор можно пе-
реключать на измерение термо-э. д. с. (до 10 мв) и на изме-
рение тока нагрева подогревателя. Этим прибор ВТ-2 отли-
чается от ранее выпускавшихся термопарных манометров
УТВ-46 п УТВ-49, имевших отдельные милливольтметр и
миллиамперметр.
Особенности тепловых манометров. Достоинством тепло-
вых манометров является их. применимость ко всем газам и
парам, возможность непрерывного наблюдения за измене-
нием давления в вакуумной системе, простота изготов-
ления.
К числу недостатков следует отнести зависимость их по-
казаний от рода газа, а также наличие тепловой инерции,
вследствие которой при быстром изменении давления нить
манометра сопротивления или подогреватель термопарного
манометра не успевают менять свою температуру до значе-
ния, соответствующего градуировке, и манометр со своими
показаниями запаздывает. Для уменьшения тепловой инер-
ции выгодно’ брать тонкие проволоки как для нитей, так и
для подогревателей, что совпадает с требованием их малой
теплопроводности.
229
6-6. ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР
Рис. 6-24. Манометри-
ческая лампа для
ионизационного мано-
метра.
1 — катод; 2 - сетка; 3 —
коллектор ионов; 4 вы-
воды катода; 5—выводы
сетки; 6 — вывод коллек-
тора ионов; 7 — стеклян-
ный баллон; 8—трубка
для присоединения к ва-
куумной системе.
Принцип работы. Чтобы хорошо представить себе прин-
цип действия ионизационного' манометра, необходимо разо-
браться в явлениях, происходящих в манометрической лам-
пе, откачанной до высокого вакуума. Манометрическая лам-
па (рис. 6-24), представляет собой стек-
лянный баллон, имеющий трубку для
присоединения к вакуумной системе
и три электрода, впаянных внутрь бал-
лона: катод 1, обычно изготовляемый
из вольфрамовой проволоки, сетку 2,
имеющую по отношению к.катоду по-
ложительный потенциал, и следова-
тельно, являющуюся анодом, и элек-
трод 5, имеющий по' отношению к като-
ду отрицательный потенциал. Эмити-
руемые накаленным катодом электро-
ны под действием электрического поля
устремляются по направлению к сетке,
создавая электронный ток в цепи сетки.
Если потенциал сетки выше .потенциа-
ла ионизации остаточного газа, то при
столкновениях электронов с газовыми
молекулами в манометрической лампе
будет происходить ионизация газа. Об-
разующиеся в процессе ионизации
положительные ионы под действием
электрического поля отрицательного
электрода устремляются к последнему
и, отдавая ему свой положительный за-
ряд, создают в его цепи так называе-
мый ионный ток. В связи с этим притя-
гивающий положительные ионы отри-
цательный .электрод носит название
коллектора ионов.
Обратимся к рис. 6-25, на котором в схематическом виде
изображены основные элементы манометрической лампы и
измерительной части манометра:
а) цепь катода 1, состоящая из источника постоянного
тока и реостата; катод обычно располагается внутпи сетки
(на рис. 6-25 манометрическая лампа изображена схемати-
чески, как это принято для изображения электронных ламп);
б) цепь сетки 2, состоящая из источника постоянного
тока и электроизмерительного прибора 4\ сетка служит ано-
230
дом и изготовляется обычно из вольфрамовой проволоки
в виде спирали, окружающей катод;
в) цепь коллектора ионов 3, состоящая из источника
постоянного тока и электроизмерительного прибора 5; кол-
лектор изготавливается обычно из никеля в виде цилиндра,
окружающего катод и сетку.
Обозначим электронный ток через 1е, ионный ток—через
I Как показал опыт, при достаточно низких давлениях
(ниже 1 • 10“3 мм рт. ст.) от-
h /
ношение у- (ионного тока к
* е
Рис. 6-25. Схема включения иони-
зационного манометра.
/—катод; 2—сетка; 3— коллектор ионов;
4—прибор для измерения электронного
тока; 5—прибор для измерения ионного
тока; 6—реостат в цепи катода для под-
держания постоянного значения элек-
тронного тока.
электронному) прямо пропор-
ционально давлению остаточ-
ного газа, т. е.
^ = kp. (6-12)
‘е
Эта зависимость между
отношением 7]/7, и давлением
р остаточного газа и лежит
в основе работы ионизацион-
ного манометра.
Из соотношения (6-12) мы
видим, что, не измеряя само-
го давления, можно оцени-
только значением отношения ЦЩ,
вать последнее одним
которое поэтому часто называют вакуумным фактором.
Так как при измерении давления ионизационным мано-
метром электронный ток I поддерживается постоянным,
то соотношение (6-12) можно написать в виде:
Ц = Ср,
(6-13)
где множитель С — Iek называется постоянной иониза-
ционного манометра (данной конструкции). Величина k —
С Г 1 ~1
— — ----------- называется чувствительностью манометра.
1е [ мм рт. cm J J
На основании (6-13) давление определяется соотноше-
нием
р = ~’1.\мм рт. ст]. (6-14)
231
Таким образом для измерения давления достаточно при
заданном электронном токе измерить ионный ток и разде-
лить на постоянную манометра, значение которой опреде-
ляется при градуировке манометра (см. ниже).
Ионизационные манометры практически имеют вид не-
большого ящика, включающего в себя измерительную часть,
и отдельной манометрической лампы-датчика, присоединяе-
мой к измерительной части при помощи специального экра-
нированного кабеля.
Основные элементы манометрической лампы описаны
выше (рис. 6-25); дополнительно отметим, что сетка, так же
как и катод, имеет два вывода, назначение которых — дать
возможность пропускать через сетку ток для обезгаживания
ее прокаливанием; вывод цилиндрического коллектора
ионов расположен отдельно, на соединительной трубке; этим
расположением вывода коллектора ионов на достаточном
удалении от выводов катода и сетки гарантируется отсут-
ствие искажений в показаниях манометра, связанных с то-
ками утечки по стеклу или цоколю манометрической лампы
В измерительной части имеется выпрямительное устрой-
ство, поэтому включение манометра производится от сети
переменного тока. Поскольку ионные токи чрезвычайно сла-
бы и для их непосредственного измерения требуется при-
бор весьма высокой чувствительности, в схему измеритель-
ной части вводится усилитель ионных токов, позволяющий
использовать в цепи коллектора ионов значительно менее
чувствительный прибор.
Постоянная манометра С зависит от схемы включения,
конструкции как лампы, так и измерительной -части, от под-
водимых к сетке и коллектору напряжений, а также от рода
остаточного газа. Чтобы манометр был более чувствитель-
ным, постоянная С должна, очевидно, быть, по возможно-
сти, больше.
Описанная выше схема включения, при которой анодом
служит сетка, а коллектором является цилиндр, занимаю-
щий внешнее положение по отношению к двум остальным
электродам, является более чувствительной, чем другая воз-
можная схема включения. Последняя отличается от преды-
дущей тем, что в качестве коллектора ионов используется
сетка, на которую подается отрицательный потенциал по
отношению к катоду, а анодом служит внешний, цилиндри-
ческий, электрод.
Большая чувствительность первой схемы объясняется
тем, что электроны, эмитируемые катодом и направляющие-
232
ся на положительно заряженную сетку, частично пролетают
между ее витками далее по направлению к коллектору;
попав в тормозящее электрическое поле отрицательно заря-
женного коллектора, электроны, пролетевшие сквозь сетку,
поворачивают обратно к сетке, опять частично пролетают
между ее витками и снова попадают в пространство между
катодом и сеткой и т. д.; благодаря таким колебаниям элек-
тронов около сетки они проходят значительно больший путь,
чем это возможно в случае второй схемы включения; боль-
ший же путь, проходимый электронами, делает более ве-
роятным их столкновение с молекулами остаточного газа;
благодаря увеличению числа столкновений количество обра-
зующихся положительных .ионов, а следовательно, и ион-
ный ток получаются в несколько раз большими.
С той же целью — увеличить путь электронов, пролетев-
ших по направлению к коллектору без опасности их по-
падания на коллектор, расстояние между сеткой и коллек-
тором делается достаточно большим.
В отношении напряжений, подводимых к сетке и кол-
лектору, учитываются следующие соображения: чтобы
повысить вероятность ионизации, следует устанавливать по-
тенциал сетки, значительно' превышающий потенциал иони-
зации остаточных газов, но это повышение ограничивается
тем, что вероятность ионизации и, следовательно, ионный
ток с повышением потенциала сетки сначала возрастают,
а затем по мере дальнейшего возрастания скорости электро-
нов ионный ток, пройдя через максимум, уменьшается. При
практической-работе на анод подается напряжение, не пре-
вышающее 200 250 в. Что касается отрицательного потен-
циала коллектора, то он не превышает нескольких десятков
вольт (20 -г- 30 в) в первой схеме и нескольких вольт
(1н-2 в) —во второй, что вполне достаточно для улавли-
вания всех образующихся положительных ионов.
Наконец, зависимость значения С от рода остаточных
газов обусловлена тем, что потенциал ионизации является
константой, имеющей различные значения для различных
газов. В практической работе с этой зависимостью трудно
считаться, так как часто остаточные газы представляют со-
бой смесь многих газов, точный состав которой неизвестен;
поэтому в обычной производственной работе пользуются
значением постоянной С, полученной при градуировке ма-
нометра по воздуху. Если требуются более точные измере-
ния, необходимо знать значение С для каждого газа от-
дельно.
233
Особенности ионизационного манометра. Из рассмотрен-
ной работы манометра вытекают следующие особенности
stofq прибора:
1) применимость как для газов, так и для паров;
2) возможность получения непрерывных показаний да-
вления;
3) зависимость показаний от рода газов;
4) большая чувствительность при измерении весьма низ-
ких давлений; верхний предел давлений 1 • 10-3 мм рт. ст.,
нижний: теоретически — нуль, практически же — легко осу-
ществимый (0,5—1) • 10~7 мм рт. ст.
Очевидно, ионизационный манометр может служить до-
полнением к тепловым манометрам, так как он начинает
работать при таких давлениях, когда кончается чувствитель-
ность тепловых манометров.
Кроме, того, в связи с применимостью ионизационного
манометра к весьма низким давлениям необходимо знать
следующую его особенность, не учитывая которой, можно
при работе с манометром впасть в грубые ошибки.
Дело в том, что баллон и все три электрода манометри-
ческой лампы, если их не подвергнуть предварительному
обезгаживанию, будут в высоком вакууме выделять погло-
щенные в них газы и тем искажать показания манометра
в большую сторону. Поскольку катод имеет сравнительно
небольшую массу, он легко обезгаживается путем кратко-
временного прокаливания при температуре немного выше
рабочей. Сетка прокаливается также пропусканием тока,
достаточного для придания ей светло-красного каления;
хотя при работе сетка имеет значительно меньшую темпе-
ратуру, но она обладает относительно большой массой и
при светло-красном калении её приходится прокаливать не
менее чем 15 мин. Коллектор ионов прокаливается токами
высокой частоты в течение 2—5 мин при темно-красном ка-
лении. Наконец, баллон прогревается или пламенем газовой
горелки, или, если манометрическая лампа не имеет цоко-
ля, она может быть прогрета в печи.
Необходимость предварительного прогрева деталей
является существенным недостатком ионизационного мано-
метра. Этот недостаток углубляется тем, что хорошо обез-
гаженные электроды манометра поглощают остаточные
газы, особенно в ионизованном состоянии, и тем искажают
показания манометра в сторону меньших давлений. Эта
ошибка становится особенно заметной, если объем вакуум-
ной системы невелик.
234
Другим существенным недостатком манометра является
наличие в нем накаленного катода, высокая температура
которого может также служить источником искажений: при
соприкосновении с накаленным катодом такие газы, как во-
дород, диссоциируют на атомы; пары многих веществ, в част-
ности углеводородов, также под воздействием высокой
температуры разлагаются на более легкие молекулы. На-
конец, третьим недостатком ионизационного манометра
является порча включенной манометрической лампы при
внезапном повышении давления в установке. Повышение
давления выше 1 • ЙО-3 мм рт. ст. может привести к возник-
новению разряда между катодом и анодом лампы, веду-
щего к расплавлению катода; если в работающую маномет-
рическую лампу попадает воздух, то вследствие взаимодей-
ствия с кислородом катод или перегорает окончательно,
или, если произошло лишь небольшое окисление, выбывает
из строя на некоторое время, необходимое для восстановле-
ния его поверхности (путем прокаливания при повышенной
температуре до восстановления первоначальной эмиссион-
ной способности).
Несмотря на указанные существенные недостатки иони-
зационного манометра, он остается до последнего времени
единственным, практически легко осуществимым маномет-
ром, обладающим достаточной чувствительностью в области
весьма низких давлений.
Разработка манометров, использующих ионизацию газа,
в которых накаленный катод заменен холодными катодами
(магнитный электроразрядный манометр) или кусочком
радия, излучающего альфа-частицы, не привела к маномет-
рам равноценной чувствительности.
Градуировка ионизационного манометра. Градуировка
ионизационного манометра состоит в сравнении его показа-
ний с показаниями компрессионного манометра, причем не-
обходимо пользоваться ловушками для вымораживания па-
ров, искажающих показания компрессионного манометра.
При градуировке необходимо соблюдать все условия, предо-
храняющие от ошибок, связанных с режимом прогрева
электродов и колбы манометра. Ввиду прямой пропорцио-
нальности между давлением и ионным током (при неизмен-
ном электронном токе) градуировочный график имеет вид
прямой линии (рис. 6-26). Благодаря этому градуировку
манометра при очень низких давлениях можно не прово-
дить. Достаточно снять необходимое количество точек
235
в области давлений порядка 10 4 и 10 5 мм рт. ст. и по ним
построить прямую, идущую к началу координат.
Так как постоянная ионизационного манометра на осно-
вании (6-13) равна С= то, очевидно, ее можно опреде-
лить из градуировочной кривой, вернее прямой, как котан-
гене угла наклона этой пря-
мой к оси Ц.
Для манометров, выпу-
скаемых нашей промышлен-
ностью (с манометрической
лампой ЛМ-2, имеющей кон-
струкцию, подобную пока -
занной на рис. 6-25), посто-
янная С= 105 мка/мм рт. ст.
Таким образом, если при
измерении давления получа-
ется ионный ток /, = 1 мка,
то на основании (6-14) р=
= 1 • 10-5мм рт. ст., при I i =
= 0,005 мка р = 0,5-10~7 мм
Рис. 6-26. Градуировочный график
ионизационного манометра.
рт. ст. Как уже указывалось выше, это— нижний предел
давления, измеряемого обычными ионизационными маномет-
рами (с манометрическими лампами конструкции ЛМ-2).
Необходимо отметить, что для удобства при практиче-
ской работе электроизмерительный прибор в цепи сетки
проградуирован непосредственно на единицы давления
(мм рт. ст.).
Если надо определить чувствительность манометра k, то
можно воспользоваться соотношениями (6-12) и (6-13), где k=
С Г 1 1
; в обычных ионизационных манометрах
1 [ мм pm.cm. ]
поддерживается постоянное значение электронного тока
I =5 ма; следовательно, их чувствительность при С —
= 105 мк[мм рт. ст. равна:
5-103 20
1
мм рт.ст.
На рис. 6-30,6 изображен комбинированный манометр,
включающий в себя измерительные части как для иониза-
ционного, так и для термопарного манометров (выпускается
нашей промышленностью под маркой ВИТ-1).
236
6-7. ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ СВЕРХВЫСОКОГО ВАКУУМА
ПРИ ПОМОЩИ ИОНИЗАЦИОННОГО МАНОМЕТРА
На рис. 5-1 и 6-1 указывается область давлений, с кото-
рыми имеет дело современная вакуумная техника, при-
чем в качестве нижнего предела указывается давление
10"11 ммрт.ст.
В то же время при описании вакуумных насосов все-
возможных конструкций в качестве достигаемого ими са-
мого низкого предельного давления указывается давление
порядка 10~6-н10~7 мм рт.ст. Точно также самый чув-
ствительный из всех манометров—ионизационный манометр
в практическом выполнении имеет, как уже отмечалось,
в качестве нижнего предела измерения давления
0,5 -и-1 • 10~7 мм рт. ст.
В связи с этим область давлений ниже 10“7 ммрт.ст.
условно считается областью сверхвысокого вакуума.
Правда, при помощи поглотителей и ловушек в отпаян-
ных сосудах удается получать и поддерживать сверхвысо-
кий вакуум, но при измерении достигаемых при этом дав-
лений возникают большие трудности, так как даже иони-
зационный манометр (обычной конструкции) в области
сверхвысокого вакуума оказался неприменимым.
Основная трудность оказывается при этом не в необхо-
димости усиления весьма слабых ионных токов, а в про-
исходящих в манометрической лампе побочных физических
явлениях, не связанных с давлением газа. Явления эти ска-
зываются уже при измерении давлений порядка
10-7 мм рт. ст. в виде не зависящей от давления слагаю-
щей тока в цепи коллектора. Эта слагающая имеет следую-
щее* происхождение: вследствие бомбардировки положитель-
но заряженной сетки электронами, эмитируемыми катодом,
сетка становится источником рентгеновских лучей, правда
мягких, но все же вызывающих фотоэлектронную эмиссию
с облучаемого ими коллектора ионов.
Фотоэлектронный ток с коллектора ионов и является
не зависящей от давления слагающей суммарного тока
в цепи коллектора, создающей тем большую помеху при
измерении давления, чем меньше ионный ток, т. е. чем ниже
измеряемое давление; при достаточно низких давлениях
(малых ионных токах) ионизационный манометр практиче-
ски показывает лишь фотоэлектронный ток, чем и обуслов-
ливается практический нижний (по давлению) предел при-
менения ионизационного манометра.
237
Рис. 6-27. Датчик
ионизационного
манометра с мини-
мальной фотоэлек-
тронной составля-
ющей тока в цепи
коллектора ионов.
1 — катодные нити;
2 — сетка; 3 — вывод
коллектора ионов.
расположении в
Большая потребность в исследовании ряда явлений
в условиях сверхвысокого вакуума (изучение свойств по-
верхностей, совершенно чистых от адсорбированной пленки
газа, исследование изотопов и т. п.) заставила обратиться
к разработке такой манометрической лампы для ионизацион-
ного манометра, в которой помеха в виде фотоэлектронного
тока с коллектора была бы минимальной.
Весьма большой эффект дала мано-
метрическая лампа новой конструкции
(рис. 6-27), в которой катод и коллектор
. поменялись местами: две катодные нити
помещены вне сетки (с двух сторон), а
коллектор ионов в виде достаточно тон-
кой проволоки расположен по оси лампы
внутри сетки. Благодаря такому располо-
жению поверхность коллектора ионов по-
лучается столь малой, что на коллектор
попадает лишь незначительная часть рент-
геновских лучей, посылаемых сеткой, фо-
тоэлектронная составляющая тока в цепи
коллектора снижается таким путем на
несколько' порядков.
Помимо этого, новое расположение
электродов манометрической лампы при-
вело' к более благоприятному распределе-
нию электрического' поля, благодаря чему
возросла эффективность электронного то-
ка с точки зрения ионизации газа.
Наконец, расположение коллектора
ионов внутри, а не вне сетки привело
к уменьшению количества ионов, теряе-
мых вследствие их ухода к стенкам кол-
бы; иначе говоря, образующиеся в ре-
зультате ионизации газа ионы при новом
большем количестве направляются именно
к коллектору ионов, т. е. по своему прямому назначению.
Описанные усовершенствования позволили продвинуть
предел практического применения ионизационных маноме-
тров с 0,5 -е-1,0 • 10~7 мм рт. ст. до 10"40-:- 10~и мм рт. ст.,
т. е. примерно на четыре порядка, и охватить область сверх-
высокого вакуума.
При исследованиях, связанных с усовершенствованием
ионизационного манометра, выяснилось также, что его мож-
но использовать для получения сверхвысокого вакуума.
238
Выше уже указывалось, что при достаточно хорошем
обезгаживания всех деталей манометрической лампы. по-
следняя становится способной поглощать газы, поступаю-
щие в манометр. Это свойство, являющееся с точки зрения
измерения давления отрицательным, оказалось весьма по-
лезным с точки зрения получения сверхвысокого вакуума.
В связи с этим об явлении поглощения газов иониза-
ционным манометром необходимо поговорить более подроб-
но. Поглощение газов внутри манометрической лампы при
работе ионизационного манометра происходит в основном
двумя путями. Во-первых, положительные ионы, получаю-
щиеся в результате ионизации остаточного газа, устрем-
ляются к коллектору ионов и к стенкам, где они нейтрали-
зуются и адсорбируются; во-вторых, ряд газов (О2, О
и др.) поглощаются химическим путем, взаимодействуя
с накаленным катодом.
Манометрическая лампа может, конечно, поглотить
лишь ограниченное количество газов. Если хорошо обезга-
женная лампа включена при относительно высоких (для
ионизационного манометра) давлениях (порядка 10-4 -е-
10~5 мм рт. ст.), то, поглощая газы, манометрическая лам-
па относительно быстро «насыщается», после чего сниже-
ние давления прекращается; если же манометрическую лам-
пу включить при достаточно низком давлении, то момент
«насыщения», естественно, отдаляется, и откачивающее
действие манометра может продолжаться весьма длительное
время; при этих условиях при помощи ионизационного ма-
нометра можно добиться в вакуумной системе сверхвысоко-
го вакуума.
Отметим далее, что получение сверхвысокого вакуума за
счет одного толыю откачивающего действия ионизационно-
го манометра (без применения ловушек или поглотителей)
возможно лишь в вакуумных системах, изолированных от
источников каких-либо паров, в том числе и от диффузион-
ных насосов. В связи с этим для разобщения вакуумной
системы от насоса необходимо пользоваться вентилем, не
требующим смазки и в то же время достаточно герметич-
ным (§ 8-2). Наконец, для получения сверхвысокого ва-
куума при помощи ионизационного манометра необходимо
предварительно устранить малейшие течи в вакуумной си-
стеме, а вакуумную систему и манометрическую лампу
тщательно обезгазить. Откачанная насосами до возможно
более низкого давления и обезгаженная вакуумная система
изолируется от насосов (вентилем); если течи нет, то откач-
239
ка продолжается при помощи только ионизационного мано-
метра.
Таким образом, для получения сверхвысокого вакуума
при помощи ионизационного манометра основное время те-
ряется на «профилактические» операции (обезгаживание,
устранение течей), после чего откачка вакуумной системы
небольших размеров до давления 10~9н-10~10 мм рт. ст.
занимает уже время порядка всего лишь нескольких десят-
ков минут.
В заключение описания применения ионизационных ма-
нометров для измерения и получения сверхвысокого ва-
куума необходимо указать, что с устранением неблагоприят-
ного эффекта от рентгеновского облучения коллектора
ионов, с одной стороны, стало возможным нижний предел
применения ионизационного манометра продвинуть на не-
сколько порядков в область сверхвысокого вакуума; с другой
стороны, выявился важный фактор, ограничивающий воз-
можности понижения давления в вакуумных системах, в ко-
торых требуется достигнуть сверхвысокий вакуум. Таким
фактором оказалась диффузия (через стенки стекла) гелия,
находящегося в земной атмосфере (в количестве 0,0005%).
Предельное давление, достигаемое в изолированной сверх-
высоковакуумной системе, после устранения всех самых
ничтожных течей обусловливается равновесием между бы-
стротой откачивающего действия ионизационного манометра
и скоростью диффузии гелия через стекло.
6-8. ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА В ГОТОВЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
ПРИБОРАХ
На принципе работы ионизационного манометра основа-
на проверка вакуума в откачанных и отпаянных электрова-
куумных приборах. В этом случае манометром является сам
электровакуумный прибор, к электродам которого подводят-
ся соответствующие напряжения.
Включение электронной лампы можно производить по
обеим схемам, т. е. в качестве коллектора ионов брать или
сетку, или анод. При этих измерениях необходимо всегда
иметь в виду, что ток в цепи коллектора может быть след-
ствием не только ионизации остаточного газа, т. е. не чисто
ионным током. В зависимости от конструкции испытываемой
электронной лампы и температурного' режима, которому
подвергается при этих измерениях электрод, играющий
роль коллектора ионов, в его цепи, кроме ионного тока, мо-
жет проходить также ток, являющийся следствием электрон-
240
ной эмиссии самого коллектора. Этот ток складывается
с ионным током. На показания прибора в цепи коллектора
могут повлиять также токи утечки (проводимости) по
стеклу и цоколю между электродами лампы. Поэтому изме-
рение вакуума в готовой электронной лампе не является
точным; в результате этого измерения определяется не ион-
ный ток в цепи электрода, выполняющего роль коллектора
(при постоянном электронном токе на другой электрод),
а суммарный ток, носящий название обратного тока сетки
или обратного тока анода, в зависимости от того, по какой
схеме проводится измерение. Существуют определенные
приемы анализа, обратного тока, но они довольно сложны
и в большинстве случаев о степени вакуума в готовой элек-
тронной лампе судят по значению именно обратного, т. е.
суммарного, тока в цепи электрода, служащего коллекто-
ром, причем вакуум считается удовлетворительным, если
обратный ток не превышает того значения, которое имеет
максимально допустимый для данного типа электронной
лампы чисто ионный ток.
Тем же ионизационным манометром можно пользоваться
и для контроля вакуума в электронных лампах еще до их
отпайки с откачной установки, но для этого требуются зна-
чительно более чувствительные приборы, чем обычно при-
меняемые при откачных установках. В качестве грубого
приема оценки степени откачки применяется наблюдение
за постоянством тока на анод (анодного тока) при полной
рабочей нагрузке лампы. Если вакуум удовлетворителен, то
положительных ионов образуется мало; следовательно,
к анодному току присоединяется лишь незначительное ко-
личество .электронов, освобождающихся из молекул газа
при их ионизации, анодный ток практически остается по-
стоянным. При плохом вакууме количество освобождаю-
щихся из ионизованных молекул электронов может быть
достаточно большим, чтобы, присоединяясь к электронам,
эмитируемым катодом, заметно увеличивать анодный ток.
Аналогичным образом оценивается вакуум и в электрон-
но-лучевых трубках, причем модулятор используется в ка-
честве разгоняющего электрода, а анод — в качестве кол-
лектора ионов.
6-9. МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ МАНОМЕТР
Одной из удачных разработок манометра, в котором
ионизация газа осуществляется не термоэлектронами из на-
каленного катода, а электронами, возникающими в резуль-
16 Б. И. Королев. 241
Рис. 6-28. Схема магнитного электро-
разрядного манометра.
1 —катодные пластины; 2 — кольцевой анод;
3—трубка для присоединения манометричес-
кой лампы к вакуумной системе; 4—внешнее
сопротивление; 5—миллиамперметр; 6—ми-
кроамперметр; 7 — закорачивающее приспо-
собление; 8—постоянный магнит; 9—индика-
торная трубка.
тате ударной ионизации остаточного газа при холодных
катодах, является так называемый магнитный электрораз-
рядный манометр.
На рис. 6-28 схематически изображена манометрическая
лампа, а также дана электрическая схема измерительной
части этого манометра. Цифрой 1 обозначены металличе-
ские пластинки, служащие двойным катодом лампы, 2 —
методическое кольцо,
служащее анодом, 3 —
трубка для присоединения
манометрической лампы
к вакуумной системе.
Если вакуумная систе-
ма и, следовательно, ма-
нометрическая лампа от-
качаны до достаточно низ-
кого давления, а к зажи-
мам измерительной части
подведено достаточно вы*
сокое постоянное напря-
жение, например 2 000 в,
то между электродами
лампы возникает тлеющий
разряд; разряд стабилизи-
руется внешним (балла-
стным) сопротивлением 4,
на котором в зависимости
от величины разрядного
тока падает большее или
меньшее напряжение; бла-
годаря внешнему сопро-
тивлению с возрастанием
разрядного тока напряжение между электродами маномет-
рической лампы уменьшается, и ток не может возрасти до
опасного для лампы значения; наоборот, с уменьшением
разрядного тока напряжение между электродами маноме-
трической лампы возрастает и разряд поддерживается дли-
тельное время.
В цепи измерительной части манометра имеются еще
следующие приборы: миллиамперметр 5 для измерения от-
носительно больших разрядных токов, микроамперметр 6
для измерения малых токов; чтобы не подвергать этот при-
бор перегрузке при больших токах, он имеет замыкающее
приспособление 7, которое отключается лишь при доста-
242
точно слабых токах, когда чувствительность миллиампер-
метра становится недостаточной.
Наконец, необходимым элементом измерительной части
магнитного электроразрядного манометра является маг-
нит 8, назначение которого — создать магнитное поле, пер-
пендикулярное плоскостям расположения электродов мано-
метрической лампы.
Для уяснения принципа работы такого манометра раз-
берем более подробно физические явления, происходящие
в манометрической лампе при изменении давления в ва-
куумной системе, к которой она присоединена. Прежде всего
отметим, что зажигание разряда и его горение в каком-
либо газоразрядном приборе зависят от многих факторов;
наиболее важными из них являются: разность потенциалов
между анодом и катодом, материал, форма, состояние по-
верхности и расположение электродов, род газа, произве-
дение расстояния между электродами на давление газа
и т. п.
Имея в виду определенное напряжение (2 000 в), при-
кладываемое к выводам измерительной части, манометри-
ческую лампу определенной конструкции и определенный
газ, все разнообразие факторов, влияющих на разрядный
ток через манометрическую лампу, мы сводим лишь к одно-
му — к давлению газов По аналогии с ионизационным ма-
нометром можно сказать, что разрядный ток находится
в прямой зависимости от давления газа; чем выше давле-
ние, тем больше в газоразрядном промежутке появляется
ионов и свободных электронов вследствие ионизации газа,
т. е. тем больше разрядный ток.
Вся конструкция манометрической лампы магнитного
электроразрядного манометра, а именно двойной катод, его
расположение и форма, кольцеобразная форма анода и его
расположение между пластинами катода, наличие магнит-
ного поля и его определенная ориентировка относительно
электродов лампы, — все это направлено на то, чтобы за-
висимость разрядного тока от давления газа сделать воз-
можно большей и распространить чувствительность такого
магнитного манометра как можно далее в сторону низких
давлений.
Действительно, представим себе электрон, находящийся
около какой-либо из пластин катода. Под влиянием элек-
трического’ поля электрон стремится двигаться с ускоре-
нием к кольцевому аноду по сравнительно слабо искривлен-
ным траекториям, но магнитное поле заставляет электрон
16* 243
двигаться iio кругу определенного радиуса, зависящего от
^напряженности магнитного поля. В результате сложения
действующих на движущийся электрон сил со стороны элек-
трического и магнитного полей траектория электрона при-
нимает вид винтовой линии с малым шагом; благодаря это-
му путь, описываемый электроном, увеличивается во много
раз.
Дальнейшее увеличение пути электрона происходит за
счет того, что, двигаясь по винтообразной траектории, элек-
трон в то же время не сразу попадает на анод: благодаря
кольцеобразной форме последнего электрон пролетает вну-
три кольца анода и продолжает свое движение по винтовой
линии к противоположной пластине катода, но уже, очевид-
но, с замедлением; не долетев до этой пластины, электрон
начинает обратное движение, снова по винтообразной траек-
тории и снова может не попасть на кольцеобразный анод,
а пролететь через анодное кольцо опять к первой пластине
катода и/т. д. Таким образом, электрон, помимо движения
по винтообразной траектории, совершает колебательное
движение около кольцеобразного анода и попадает в конце
концов на анод, но после того, как пройдет достаточно длин-
ный путь.
Благодаря этому удлинению пути электронов сильно
возрастает вероятность встречи их с молекулами остаточ-
ного газа и, следовательно, разряд не будет гаснуть даже
при очень низких давлениях.
Как мы уже видели (§ 5-7), такой же метод повышения
вероятности ионизации остаточных газов использован
в ионных насосах.
Как уже указывалось выше, разрядный ток через мано-
метрическую лампу можно измерять миллиамперметром 5
и микроамперметром 6; следовательно, если эти приборы
проградуировать так, чтобы их показания сразу определя-
ли давления, то разрядным током можно измерять давле-
ния в вакуумной системе.
Кроме электроизмерительных приборов для измерения
давления, если не требуется большой точности, можно поль-
зоваться специальной газоразрядной индикаторной труб-
кой 9, включаемой последовательно в цепь манометриче-
ской лампы. Трубка имеет удлиненный стержнеобразный
катод, который при прохождении разрядного тока через ма-
нометрическую лампу покрывается тлеющим свечением тем
на большей длине, чем выше давление в вакуумной си-
стеме.
244
Особенности магнитного
электроразрядного манометра
Из рассмотрения работы манометра вытекают следую-
щие его особенности:
1) разрядный ток получается при холодных катодах;
следовательно, манометр свободен от недостатков, прису-
щих манометрам с горячим катодом (ср. с ионизационным
манометром);
2) манометр применим как для газов, так и для паров,
причем показания манометра зависят от рода газа или
пара;
3) манометр дает непрерывные показания, причем бла-
годаря малой инерционности он практически немедленно
отзывается на резкие изменения давления; благодаря это-
му свойству, а также безопасности для манометра прорыва
во включенную манометрическую лампу атмосферного^ воз-
духа магнитным электроразрядным манометром удобно
пользоваться для блокировки вакуумной системы при повы-
шении давления в ней выше заданного значения.
Далее следует отметить, что по чувствительности при
низких давлениях магнитный электроразрядный манометр,
к сожалению, неравноценен ионизационному: нижний пре-
дел измеряемых давлений ограничивается порядком
10~5 -т-10“6 мм рт. ст.-, верхний предел может достигать не-
скольких тысячных миллиметра ртутного столба.
Из конструктивных особенностей магнитного электро-
разрядного манометра, кроме отмеченных выше, следует
указать на следующие:
1) катодные пластины желательно' покрывать слоем то-
риевого или циркониевого порошка; к этому мероприятию
побуждают следующие обстоятельства: при прохождении
больших разрядных токов пластины катода подвергаются
сильной ионной бомбардировке, ведущей к распылению ма-
териала катода и образованию тонких металлических нале-
тов на стекле колбы, опасных в отношении образования
утечек; торий и цирконий являются металлами, обладающи-
ми наибольшей устойчивостью против распыления под воз-
действием ионной бомбардировки;
2) из тех же соображений — уменьшения утечек — вы-
воды катода и анода лучше делать с противоположных сто-
рон манометрической лампы.
Градуировка магнитного электроразрядного манометра.
Аналогично тепловым или ионизационным манометрам гра-
дуировка магнитного электроразрядного манометра произво-
245
Длина (2) светящейся части натсда.см
Рис. 6-29. Градуировочные кривые
магнитного электроразрядного мано-
метра.
Давление Н2, СО, воздуха и Аг в функции:
1 — разрядного тока; 2 — светящейся длины
стержнеобразного катода индикаторной
трубки.
ди'тоя путем сравнения его
показаний с показаниями
компрессионного маномет-
ра; при этом для приведе-
ния сравниваемых мано-
метров к одинаковым ус-
ловиям необходимо при-
менять вымораживание
паров.
На рис. 6-29 представ-
лены градуировочные кри-
вые для магнитного элек-
троразрядного манометра,
причем кривая 1 является
усредненной для несколь-
ких газов (Н2, СО, воз-
духа и Аг), кривая 2 изо-
бражает зависимость дав-
ления тех же газов от дли-
ны светящейся части ка-
тода индикаторной газо-
разрядной трубки.
Наша промышленность выпускает магнитные электро-
разрядные манометры ВМБ-1 с пределами измерений от
8 • Г0~4 до 2 • 10“6 мм рт. ст. Измерительная часть заключе-
на в переносный ящик (рис. 6-30), в котором находится
также схема электронного реле вакуумной блокировки.
Последняя позволяет настроить блокировку на любое из
Рис. 6-30. Манометры для низких давлений.
а—ВТ-2 с датчиком ЛТ-4М; б—ВИТ-1 с датчиками ЛТ-2 и Л М-2; в—ВМБ-1 с датчи-
ком ММ-5.
246
давлений в пределах от 5 • 10-4 до 5 • 10“6 мм рт. ст. Мано-
метр работает на магнитноэлектроразрядном датчике типа
ММ-5; герметичная камера этого датчика имеет трубку для
присоединения к вакуумной системе; к измерительной части
датчик присоединяется при помощи экранированного ка-
беля.
6-10. РАДИОАКТИВНЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР
Второй относительно удачной конструкцией манометра,
в котором используется ионизация остаточного газа и в то
же время нет накаленного катода, является радиоактивный
ионизационный манометр (ко-
роче альфатрон). Принцип дей-
ствия и схема устройства этого
манометра представлены на
рис. 6-31.
Датчик манометра состоит
из герметичного корпуса, в ко-
тором расположены радиоак-
тивный источник и электроды
для создания электрического
поля.
В качестве радиоактивного
источника берется любой ра-
диоактивный препарат, обла-
дающий достаточной и постоян-
ной ,по величине интенсив-
ностью альфа-излучения, кото-
рое из всех радиоактивных из-
лучений является основным
ионизирующим агентом, отку-
да и название «альфатрон».
Один из электродов, имею-
щий вид стержня, проходит
через изолятор и присоединяет-
Рис. 6-31. Датчик радиоактив-
ного манометра.
/—корпус; 2—радиоактивный источ-
ник; 5—коллектор ионов; 4—положи-
тельно заряженный электрод; 5 и 6—
изоляторы; 7—усилитель; 8—измери-
тельный прибор. Стрелка указывает
направление к вакуумной системе.
ся к отрицательному полю-
су; другой электрод, имеющий форму цилиндра, к дну ко-
торого (внутри) прикреплен радиоактивный источник, про-
ходит также через изолятор и присоединяется к положи-
тельному полюсу источника постоянного тока (~40 в).
Положительные ионы, образующиеся под воздействием
ударов альфа-частиц о встречные молекулы газа, направ-
ляются к отрицательно заряженному электроду (коллекто-
ру ионов). Полный ток на коллектор очень мал (около
247
10~15 а), поэтому требуется очень большое усиление, чтобы
его можно' было измерять обычным микроамперметром.
Так же как и обычный ионизационный манометр (с го-
рячим катодом), альфатрон имеет на большом протяжении
линейную зависимость ионного тока от давления; однако
ввиду слабости ионных токов нижний предел измеряемых
альфатроном давлений значительно выше даже по сравне-
Рис. 6-32. Градуировочные кривые радиоактивного манометра для
различных газов.
нию с магнитным электроразрядным манометром и не за-
ходит ниже 10~3 -н 10~4 мм рт. ст.\ на величину нижнего
предела влияет не зависящий от давления ток вторичных
электронов, выбиваемых альфа-частицами со стенок коллек-
тора ионов, имеющий, очевидно, то же направление, что и
ионный ток в цепи коллектора ионов; играют роль также
токи утечки.
Линейность градуировки сохраняется от нижнего преде-
ла давлений примерно до 10 мм рт. ст. (рис. 6-32); далее
линейность нарушается (вследствие объемной рекомбина-
248
ции ионов), однако манометр сохраняет достаточную чув-
ствительность до нескольких сот миллиметров ртутного
столба.
Помимо основного качества —отсутствия горячего като-
да, следует отметить, что, так же как и у других маномет-
ров, работающих на использовании ионизации остаточных
газов, показания радиоактивного ионизационного маномет-
ра зависят от рода газа; по своему рабочему диапазону
давлений аналогично тепловым манометрам он является
дополнением к ионизационному манометру с горячим като-
дом, охватывая большую область давлений по сравнению
с тепловыми, в том числе и тот интервал давлений (деся-
тые доли и единицы миллиметра .ртутного столба), кото-
рые представляют известные затруднения при измерении
тепловыми манометрами.
Однако широкому распространению радиоактивных
ионизационных манометров препятствует необходимость
иметь дело с дорогими радиоактивными элементами, тре-
бующими к тому же соблюдения специальных мер предосто-
рожности во избежание вредного физиологического воздей-
ствия радиоактивных излучений. Радиоактивный манометр
отечественной разработки (МИР-1) имеет три рабочих диа-
пазона, указанных на рис. 6-32.
6-11. МЕТОД ГРУБОЙ ОЦЕНКИ ВАКУУМА ПО СВЕЧЕНИЮ
ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ В ГАЗЕ
Если в какой-либо точке вакуумной системы припаять
разрядную трубку, то ею можно пользоваться в качестве
грубого индикатора вакуума. Разрядные трубки или раз-
рядники могут иметь различные конструкции; одной'из’наи-
более удобных является стеклянная разрядная трубка, изо-
браженная на рис. 6-33.
Разряд в трубке возбуждается путем присоединения
одного из электродов к проводу от аппарата, подающего
высокое напряжение высокой частоты (трансформатора
Тесла); другой электрод разрядной трубки можно оставить
свободным или, чтобы облегчить возбуждение электриче-
ского разряда, его можно заземлить.
Электрический разряд, возникший в газоразрядном про-
межутке, сопровождается свечением, по характеру которого
и можно оценивать степень разрежения в вакуумной систе-
ме. В зависимости от давления в разрядной трубке свече-
ние изменяется как по своей форме, так и по цвету.
2-19
Рис. 6-33. Разрядная трубка.
1 — электрод; 2 — защитная стеклянная тру-
бочка; 3—трубка для присоединения к ваку-
умной системе.
Например, при снижении давления воздуха можно на-
блюдать следующие явления в разрядной трубке:
а) сначала (при высоких давлениях) не наблюдается
никакого свечения; при достаточно высоком напряжении
между электродами могут проскакивать искры;
б) когда давление снизится до нескольких десятков
миллиметров ртутного столба, возникает видимый разряд
в форме тонкой фиолетовой нити между электродами, по-
степенно расширяющейся по мере дальнейшей откачки;
в) при давлении в несколько миллиметров ртутного
столба разряд между электродами имеет уже форму широ-
кой розовой полосы;
г) по мере дальнейшей
откачки свечение разряда
проявляется по всей шири-
не трубки;
д) при давлении в не-
сколько десятых долей
миллиметров ртутного
столба и ниже свечение
начинает стягиваться к
электродам трубки;
е) при давлении в несколько сотых долей миллиметра
ртутного столба и ниже свечение разряда наблюдается
только у электродов; начинается свечение стенок стекла (зе-
леное, синее и иного оттенка в зависимости от состава
стекла);
ж) при давлении порядка тысячных долей миллиметра
ртутного столба свечение разряда в газе прекращается, све-
чение, стенок трубки ослабевает (его можно поддерживать
в тех участках внутренней поверхности трубки, где нанесен
слой флуоресцирующего вещества);
з) наконец, при давлении порядка 10-4 мм рт. ст. и
ниже исчезает всякое свечение (вакуум, при котором пре-
кратилось свечение, нередко называют «черным» или «тем-
ным» вакуумом).
Описанные явления, связанные с разрядом в газе меж-
ду электродами разрядной трубки, могут менять свой ха-
рактер не только от давления, но и от размеров трубки,
конструкции электродов, подводимого напряжения, рода и
силы тока. Наконец, при всех прочих одинаковых условиях
свечение разряда может иметь различный цвет в зависимо-
сти от рода газа.
Тем не менее описанный метод грубой оценки вакуума
250
имеет весьма широкое распространение. Он дает возмож-
ность удобного наблюдения за ходом откачки, вовремя
сигнализирует о наличии грубой негерметичности в вакуум-
ной системе; он применяется и при отсутствии специальной
разрядной трубки, так как любой электровакуумный при-
бор, присоединенный для откачки в вакуумной системе,
имея металлические вводы, может играть роль разрядной
трубки. В стеклянной вакуумной системе можно возбудить
свечение, правда с большим трудом, и при полном отсут-
ствии каких-либо металлических вводов. Метод грубой
оценки вакуума по свечению газа широко применяется и
для отбора откачанных электровакуумных приборов, имею-
щих негерметичное место, через которое натек атмосферный
воздух. Наконец, на применении аппарата, подающего вы-
сокое напряжение высокой частоты, и, на наблюдении за
возбуждаемым им искровым разрядом разработаны мето-
ды не только выявления наличия натекания в вакуумную
систему, но и обнаружения самого негерметичного места,
о чем сказано- ниже.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТ НАТЕКАНИЯ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
7-1. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ
Во всякой вакуумной системе всегда имеется ряд уча-
стков, наименее надежных в отношении герметичности.
К таким участкам в первую очередь относятся места соеди-
нений отдельных элементов вакуумной системы. Большая
вероятность натекания вакуумной системы в местах соеди-
нений объясняется тем, что для их выполнения приходится
прибегать или к механическому, или к температурному воз-
действию. Но если даже все соединения выполнены доста-
точно тщательно, все же остается опасность, что и в тех
участках системы, которые не подвергались опасному воз-
действию, могут оказаться дефекты, совершенно не замет-
ные на глаз, но в то же время являющиеся местом входа
натекающего в систему атмосферного воздуха.
При всей тщательности выполнения вакуумных систем
в целом невозможно достигнуть полного отсутствия нате-
кания. Можно добиться того, чтобы натекание оставалось
в пределах допустимого. Для этого необходимо- уметь про-
вести количественную оценку герметичности вакуумной си-
стемы, т. е. измерить быстроту натекания.
251
Для измерения быстроты натекания, очевидно, необхо-
димо, чтобы вакуумная система была снабжена маномет-
ром и надежным краном или вентилем, которым можно пе-
рекрыть сообщение между вакуумной системой и насосом.
Пусть при открытом кране в системе после более или
менее длительной работы насоса установилось равновесное
давление Pi. Если известно, что данный насос должен дости-
гать предельного давления ро, то при сравнении фактически
Рис. 7-1. Изменение давле-
ния в вакуумной системе
после отключения ее от
насоса.
а—натекание отсутствует (р, =
const); б — давление возрастает
за счет источника пара (/>к—дав-
ление насыщенного пара); в—си-
стема натекает извне (/><«/).
достигаемого в вакуумной системе
|давления pi с давлением ро воз-
можно одно из двух положений:
1) pi практически совпадает с ро
•или 2) pi>po.
В первом 'Случае систему мож-
но считать герметичной.
Если же pi>po, то это можно
объяснить тремя причинами:
1) плохим 'состоянием насоса;
2) наличием в самой вакуум-
ной системе источника паров или
газа;
3) натеканием системы извне.
Чтобы разделить эти три при-
чины, следует изолировать 'систе-
му от насоса, закрыв кран; далее,
считая момент закрытия крана
за начальный, периодически изме-
ряют давление в системе. Результаты измерений записыва-
ются ,в виде таблицы или выражаются графически путем
построения кривой зависимости давления от времени. По-
следняя в зависимости от причины может принять вид а,
б или в (рис. 7-1).
Если давление при котором был закрыт кран, остается
практически постоянным в течение достаточно длительного
времени (кривая а),, то превышение р} рад р0 объясняется
плохим состоянием насоса (состояние насоса можно, ко-
нечно, определить и независимо, если между краном и на-
сосом имеется манометр).
Если давление возрастает (кривая б), причем оно стре-
мится к определенному пределу, то следует предположить
наличие в системе источника, выделяющего газы; или пары
(возрастание давления замедляется по мере приближения
к равновесию между выделением и поглощением газа или
пара).
252
Если давление возрастает пропорционально времени (кри-
вая в), то причиной возрастания является натекание в си-
стему атмосферного воздуха.
Нас интересует именно последний случай, когда вакуум-
ная система натекает с определенной быстротой. Пусть по
истечении промежутка времени t после закрытия крана
давление в системе возросло с до р”. Тогда представ-
ление о быстроте натекания можно получить, если извест-
но, как быстро повышается давление, т. е. если определить
и f
Pl ~Pl гл Л
величину —j—-. Однако такая оценка быстроты натека-
ния имеет некоторую неопределенность, так как при оди-
, Pi ~Pi
наковом дефекте отношение----j— для систем, имеющих
разные объемы, имеет различное значение. Поэтому, если
требуется правильная количественная оценка быстроты на-
текания, то следует принимать во внимание не только воз-
растание давления в натекающей вакуумной системе, но и
ее* объем V. Иначе говоря, быстрота натекания или, что то
же, величина течи должна характеризоваться потоком газа
через течь
п 9
q — Р1 ,Р1 у [мм рт^ ст. см3]сек]. (7-1)
Величине Q иногда придают размерность мк рт. ст- л [се к;
нетрудно видеть, что она равноценна принятой в формуле
(7-1).
Пропорциональность между (р" — д) и t объясняется
тем, что в обычной практике испытания вакуумных систем
на натекание давления р1 и р” остаются весьма малыми по
сравнению с атмосферным ря; поэтому движущие разности
давлений (ра— pj и (ра— р") по обеим сторонам течи
можно считать одинаковыми и равными ра\ остается посто-
янной и пропускная способность течи U; иначе говоря, пока
р и р” малы, поток через течь Q~Uра остается постоян-
99 9
ным; следовательно, постоянно и отношение Р- ----- в фор-
муле (7-1).
Перейдем теперь к вопросу о допустимой величине течи.
Задачу в общем виде можно сформулировать следующим
образом.
253
Пусть в рабочем объеме вакуумной системы необходимо
поддерживать давление не выше рг; спрашивается, какую
течь Q можно при этом допустить.
Очевидно, что для поддержания в вакуумной системе
давления р} необходимо, чтобы быстрота откачки системы
So при этом давлении удовлетворяла неравенству
Sop^Q. (7-2)
5 U
Так как (§ 4-5) So = -$—(где SH — быстрота действия
насоса; U — пропускная способность трубопровода), то не-
равенство (7-2) кГожно написать в виде:
SHU
Q^s^TuP'- (7-3)
Условие (7-3) показывает, что течь Q можно считать до-
пустимой, т. е. требуемое давление р} в вакуумной системе
будет обеспечено и при наличии течи, если соответствую-
щим образом подобраны быстрота действия насоса SH и про-
пускная способность трубопровода U. Очевидно, чем больше
SH и U, тем бблыиую течь Q можно допустить.
Пример. В рабочем объеме вакуумной установки необходимо
поддерживать устойчивое давление />1=10-4 мм рт. ст.; быстрота
действия насоса SK при давлениях 10-3->10-5 мм рт.ст. равна
0,5 л/сек; пропускная способность трубопровода U = 56 сма]сек.
Определить максимально допустимую быстроту натекания.
Решение.
500-56
Q— 5qq_|2~55 10~4=i: 5-10~3 мм рт. ст. см3/сек.
Поскольку при испытании вакуумных установок на гер-
метичность надо измерять давление воздуха, проникающего
в вакуумную систему извне, необходимо всегда исключать
влияние паров, имеющихся в вакуумной системе, на пока-
зания манометра. Поэтому для измерения быстроты натека-
ния нужно пользоваться компрессионным манометром, или
если приходится пользоваться чувствительными маномет-
рами других типов, то применять вымораживание паров ло-
вушками. Кроме того, нужно удостовериться, что внутри ва-
куумной системы газовыделение. отсутствует.
254
7-2. МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТ НАТЕКАНИЯ-
ТЕЧЕИСКАТЕЛИ
Все детали и приборы, используемые в вакуумной уста-
новке, перед сборкой необходимо проверять на герметич-
ность, что предотвращает непроизводительные затраты вре-
мени и средств для обнаружения мест натекания в уже со-
бранной вакуумной установке.
Если все же быстрота натекания вакуумной системы
превышает допустимую, то необходимо отыскать негерме-
тичное место и устранить натекание.
Для обнаружения негерметичных мест как отдельных
элементов вакуумной системы до сборки последней, так и
вакуумной системы в собранном виде существует ряд ме-
тодов; некоторые из них уже давно вошли во всеобщую
практику, но часто оказываются недостаточно чувствитель-
ными; ряд более сложных, но значительно более чувстви-
тельных методов обнаружения мест течи разработан в по-
следние годы главным образом в связи с развитием техни-
ки откачки весьма больших объемов. Приборы, специально
сконструированные для обнаружения мест течи, получили
название течеискателей.
Рассмотрение методов обнаружения мест натекания и
принципов устройства течеискателей мы начнем с менее
чувствительных; такой порядок изложения соответствует и
фактической истории развития этой области вакуумной тех-
ники. Некоторые из описываемых ниже методов обнаруже-
ния мест течи применяются не только к вакуумным систе-
мам, но и к электровакуумным приборам и деталям.
Компрессионный метод обнаружения мест натекания
заключается в создании внутри испытываемой детали (при-
бора) давления, превышающего атмосферное, и применении
того или иного внешнего указателя негерметичности.
Этот метод, как правило, к собранной вакуумной систе-
ме неприменим, так как не все детали последней могут вы-
держать повышенное давление. В то же время он очень
удобен для предварительного испытания на герметичность
металлических приборов и деталей (насосов, резервуаров,
подводок).
Давление внутри испытываемого прибора можно созда-
вать при помощи различных газообразных веществ. Точно
так же внешними указателями негерметичности могут слу-
жить различные явления, связанные с выходом сжатого
газа из места натекания. Так, например, если внутри испы-
255
тываемого объекта создано повышенное давление воздуха
или азота, то в качестве указателя могут служить: при гру-
бой негерметичности — задувание или колыхание пламени
какой-либо горелки, поднесенной к негерметичному месту,
или звук (шипение), если в помещении достаточно тихо.
Однако таким путем можно обнаружить лишь грубые течи.
Значительно более тонкие течи можно отыскать, приме-
няя ,в качестве указателя мыльную пленку, которая при
покрывании ею (при помощи кисточки) негерметичного ме-
ста образует пузыри. Такой указатель требует от работаю-
щего большого внимания и выдержки, так как в случае
тонкой течи в мыльной пленке могут появляться лишь оди-
ночные пузырьки через более или менее регулярные (иногда
длительные) промежутки времени; поэтому необходимо сле-
дить за появлением пузырьков по крайней мере в течение
5 мин; помимо этого, успешное применение мыльной пленки
в качестве указателя зависит в большой мере от освещения
испытуемого участка, которое должно быть, по возможности,
лучше.
Несколько менее чувствительным способом испытания
на герметичность под давлением (по сравнению с мыльной
пленкой) является наблюдение за образованием пузырьков
в воде, в которую погружен испытываемый прибор или де-
таль.
'При достаточно- резко выраженной негерметичности
из места натекания появляется целая цепочка всплываю-
щих вверх пузырей; при более тонкой течи отдельные
пузыри могут появляться лишь периодически; следователь-
но, и при этом способе требуются большое внимание и вы-
держка и хорошее освещение места работы.
Если повышенное давление внутри испытываемого объ-
екта создается двуокисью углерода’СО2, а указателем слу-
жит, например, аммиак NH4, то место натекания обнару-
живается по образованию вблизи него дыма. По своей чув-
ствительности этот способ равнозначен применению мыль-
ной пленки.
Такой же результат дает и обратный случай, когда на-
полняющей (до высокого давления) средой служит аммиак,
а внешним указателем — двуокись углерода.
Метод искры. В § 6-11 описано применение трансфор-
матора Тесла для грубой оценки вакуума по свечению га-
зового разряда в вакуумной системе или в готовом прибо-
256
ре. Трансформатор Тесла весьма полезен также и в каче-
стве искрового течеискателя.
Метод обнаружения места натекания при помощи искры
применим только к стеклянным объектам и в определенной
области давлений в вакуумной системе или испытываемом
объекте, когда прикосновение концом провода от вторичной
обмотки трансформатора к 'стеклянной поверхности возбу-
ждает газовый разряд достаточной интенсивности (пример-
но в пределах давлений 0,05 н-1 мм рт. ст.). Если после
возникновения разряда конец вы-
сокочастотного провода (рис. 7-2)
держать достаточно близко от ка-
кого-либо участка ‘ поверхности,
то при отсутствии течи в этом
участке на конце провода будет
виден пучок искр, направление ко-
торых не связано с какими-либо
фиксированными точками на по-
верхности стекла (а). Если же ко-
нец такого провода окажется над
участком, где имеется течь, то на-
ряду с ненаправленным пучком
искр в дефектное место будет бить
искра, отличающаяся от осталь-
ных значительно большей ярко-
стью и точно указывающая место
течи (б).
Этот метод получил широкое
Рис. 7-2. Обнаружение места
течи при помощи искры.
1 — трансформатор высокого на-
пряжения высокой частоты; 2 —
откачиваемый объект; га — нате-
кания нет; б—яркая искра, бью-
щая в определенную точку (тре-
щину в колбе).
распространение благо-
даря своей простоте и доступности, а также потому, что
стекло до сих пор является одним из главных материалов
вакуумных систем, включая манометры, откачиваемые
электровакуумные приборы, а часто и насосы. В то же вре-
мя ограничение в применимости этого метода только в от-
ношении стеклянных или вообще изолирующих поверхно-
стей является его крупным недостатком и заставило обра-
титься к разработке методов, применимых и к металличе-
ским деталям вакуумных систем.
При достаточно интенсивном разряде искрой можно
пробить стеклянную стенку в месте, бывшем до пробоя со-
вершенно герметичным. Чтобы избежать подобной опасно-
сти, течеискатель не надо настраивать на слишком сильную
искру и надолго задерживать искровой разряд на каком-
либо одном участке стеклянной поверхности, который иначе
разогреется и «проплавится».
17 Б. И. Королев,
257
Иногда пробой стеклянной стенки .происходит при искре
нормальной мощности и при кратковременном ее воздей-
ствии; в подобном случае весьма вероятно, что пробитый
участок был ненадежным в отношении герметичности, на-
пример имел очень тонкую стенку.
Нужно отметить, что искровым течеискателем можно
повлиять на степень вакуума в вакуумной системе. Если
искровым разрядом от течеискателя воздействовать на пло-
хо обезгаженную стеклянную стенку, то начинается газо-
выделение и вакуум ухудшается; наоборот, если стеклян-
ные стенки обезгажены хорошо, то разряд, возникающий
в вакуумной системе при воздействии искровым течеискате-
лем, может несколько снизить давление; это происходит в
тех случаях, когда давление остаточного газа еще доста-
точно высоко.
Метод разрядной трубки применим для объектов или
участка вакуумных систем из любого материала. На уча-
стке трубопровода, идущего непосредственно к насосу, по-
мещается разрядная трубка (рис. 6-23), в которой возбуж-
дается свечение газа (обычно воздуха), протекающего из
вакуумной системы в насос. Наиболее удобная область да-
вления при пользовании описываемым методом лежит в пре-
делах 0,1 -г- 1 мм рт. ст. В этой области давлений воздух
при возбуждении в нем разряда имеет розовое свечение.
Подозрительный по натеканию участок вакуумной систе-
мы смазывается ватой или опрыскивается из пульверизато-
ра ацетоном, бензином или другим каким-либо легколету-
чим углеводородом; одновременно непрерывно наблюдают
за свечением разряда в трубке. Если при достаточно дли-
тельном опрыскивании какого-либо^ участка системы розо-
вое свечение разряда в трубке изменит свой цвет на голу-
бой, то это значит, что пары распыляемой жидкости прони-
кли через негерметичное место и повлияли на цвет разряда,
т. е. в данном участке системы имеется натекание. При от-
сутствии легколетучих углеводородов для обнаружения на-
текания можно производить опрыскивание водой, при про-
никновении паров которой в разрядную трубку свечение
также становится голубым.
Вместо опрыскивания жидкостями можно применять
обдувание подозрительных по натеканию мест такими га-
зами, как двуокись углерода или водород, из которых пер-
вая дает также голубое свечение, а последний — характер-
ное красное.
Пары или газы, которыми воздействуют на негерметич-
258
ные участки вакуумной системы, часто называют «пробны-
ми» парами или «пробными» газами.
К сожалению, метод разрядной трубки не обладает
большой чувствительностью и удобен лишь применительно
к участкам собранной вакуумной системы при наличии в
них сравнительно грубых течей.
Описанным методом можно пользоваться, наблюдая за
свечением разряда не обязательно в разрядной трубке,
установленной на участке трубопровода, идущем к насосу.
Разряд можно1 возбудить и в других стеклянных участках
вакуумной системы и пользоваться им с тем же успехом,
если только свечение разряда достаточно интенсивно1 и есть
уверенность, что пробный газ или пар при проникновении
через течь попадет в достаточном количестве в тот участок,
где возбужден разряд, и быстро вытеснит находящийся
здесь воздух.
Метод теплового манометра. Тепловой манометр обыч-
ной конструкции (термопарный или сопротивления) можно
применить в качестве течеискателя. Для этого манометри-
ческая лампа аналогично разрядной трубке в предыдущем
методе помещается в такой участок вакуумной системы,
куда при воздействии на негерметичное место пробным па-
ром или газом последний проникает в достаточном количе-
стве и может быстро заменить воздух, протекающий в на-
сос через манометрическую лампу.
При пользовании в качестве течеискателя тепловым ма-
нометром, надо, очевидно, выбирать такие пробные пары
или газы, которые по сравнению с воздухом обладают или
значительно большей, или значительно меньшей теплопро-
водностью. Пока течь не найдена, стрелка прибора (в изме-
рительной части теплового манометра), измеряющего дав-
ление воздуха, протекающего через манометрическую лам-
пу, неподвижна.
Если в качестве пробного газа пользоваться, например,
водородом, обладающим, как известно1, весьма большой теп-
лопроводностью, то при проникновении его в манометри-
ческую лампу температура нити понизится и стрелка при-
бора отклонится влево (указывая как бы повышение дав-
ления).
Очевидно, методом теплового манометра можно пользо-
ваться, если в системе поддерживается давление, не выхо-
дящее за пределы чувствительности тепловых манометров.
Методом теплового манометра можно обнаружить натека-
ние, происходящее со скоростью до 1 - 10—2 мм рт. ст. см2,[сек.
I7* 259
Пользуясь в качестве течеискателя тепловым маномет-
ром, нужно1 иметь в виду, что на положение стрелки при-
бора влияет не только проникновение пробного газа или
пара, но и изменение давления воздуха, протекающего че-
рез лампу; поэтому при поисках места натекания давление
воздуха нужно поддерживать стабильным (при помощи не-
Рис. 7-3. Дифференциальный ма-
нометр сопротивления для обна-
ружения мест натекания.
JIMi и ЛМ2 — манометрические лампы
одинаковой конструкции; г1г г2, г3 и
rt—сопротивления;
1—миллиамперметр для измерения тока
нагрева; 2—электроизмерительный при-
бор, реагирующий на нарушение равно-
весия мостика.
прерывно действующего на-
соса) .
Метод дифференциально-
го манометра сопротивления.
В два плеча моста (рис. 7-3)
включены нити двух одина-
ковых манометрических ламп
ЛМх и ЛМ%. Обе лампы свя-
заны трубками между собой,
вакуумной системой и насо-
сом и расположены в таком
месте вакуумной системы,
что1 натекающий воздух по
пути к насосу проходит через
обе лампы. В ответвление,
идущее со стороны вакуум-
ной системы к одной из ма-
нометрических ламп, впаива-
ется ловушка.
Вакуумная установка от-
качивается до равновесного
давления, которое должно
быть в пределах чувстви-
тельности манометра 'сопро-
тивления; ввиду повышен-
ной чувствительности этого
метода им можно пользоваться при равновесных
давлениях в вакуумной системе, близких к нижне-
му пределу для манометров сопротивления. Пока через обе
лампы проходит воздух, натекающий в систему, причем
давления в обеих лампах одинаковы, прибор 2 легко' можно
установить на нуль потенциометром гз + ^4- Далее подозри-
тельные ПО' натеканию места вакуумной системы опрыски-
ваются или смачиваются пробными жидкостями (спиртом,
эфиром, водой и т. п.), пары которых легко могут конден-
сироваться в охлажденной ловушке. Если пар пробной
жидкости окажется над негерметичным местом, то при не-
охлажденной ловушке он проникает одинаково в обе лам-
260
пы; стрелка прибора 2 отклониться не может, так как про-
никновение в лампы пробного пара будет сопровождаться
одинаковым изменением давления и теплопроводности
окружающей нити ламп среды. Если же ловушку охладить,
то в этом случае пробный пар сможет проникать только че-
рез одну лампу JIMi, а возможность его проникновения в
другую лампу ЛМ2 устраняется конденсацией в охлажден-
ной ловушке. В этом случае равновесие мостика резко на-
рушится, так как в лампе ЛМ2 давление будет значительно
ниже и сопротивление г2 увеличится; стрелка прибора 2 от-
клонится от нулевого положения и будет оставаться в но-
вом положении до тех пор, пока пробный пар продолжает
проникать в систему через негерметичное место. После
прекращения опрыскивания пробный пар снова будет вы-
теснен атмосферным воздухом из системы и из ламп, и
стрелка прибора 2 .вернется на нуль.
Методом дифференциального манометра сопротивления
можно обнаружить натекание, происходящее с быстротой
1 • 10~3 мм рт. ст.,/см3 • сек.
Наша промышленность выпускает портативный течеис-
катель ТП-49, в котором использован метод дифферен-
циального манометра сопротивления.
Метод ионизационного манометра. Если вакуумная си-
стема может быть откачана до давления порядка
5- 10~4 мм рт. ст. или ниже и обнаруживает признаки не-
герметичности, то в качестве течеискателя можно приме-
нить ионизационный манометр.
В качестве пробного газа или пара применяются такие
газообразные вещества, которые при проникновении через
негерметичное место в манометрическую лампу изменяют
ионный ток. Ионный ток будет возрастать, если в качестве
пробного газа (пара) применить водород или пары ацетона,
эфира и т. п., так как последние, попадая в манометриче-
скую лампу, разлагаются при соприкосновении с накален-
ным катодом, отчего увеличивается количество молекул и,
следовательно, ионов. Если же в качестве пробного газа
взят гелий, то ввиду более высокого ионизационного потен-
циала его- по сравнению с воздухом количество ионов, об-
разующихся в манометрической лампе, уменьшится и при-
бор покажет меньший ионный ток.
Методом ионизационного манометра можно обнаружить
негерметичные места с быстротой натекания до
1 - 10 3 мм рт. ст. см3/сек.
261
Рис. 7-4. Вакуумная система для
обнаружения места течи водородным
методом.
1—испытываемый на течь прибор; 2—рези-
новая трубка для вставления прибора на
откачку; 3 и 4—краны; 5—зажимное гнездо;
6—манометрическая лампа для ионизацион-
ного манометра; 7—металлическая трубка
(палладиевая или никелевая); 8—подогрева-
тель для нагрева металлической трубки;
9— ловушка; 10 — источник водорода.
открытым концом металлическая
Водородный метод. Этот метод часто называют «водо-
родно-палладиевым» или «методом палладиевого барьера»,
так как в основе этого метода лежит способность нагретой
до высокой температуры (800° С) палладиевой жести про-
пускать через себя водород и не пропускать остальные га-
зы. Ввиду того, что такой способностью обладает не только
палладий, но и ряд других металлов, правда в 'несколько
меньшей степени (платина, железо, никель), этот метод луч-
ше называть просто «водородным», имея в виду любой под-
ходящий «барьер», про-
пускающий только водо-
род.
На рис. 7-4 показана
схема использования во-
дородного метода приме-
нительно к обнаружению
мест течи в электроваку-
умных приборах. Испы-
тываемый прибор 1 встав-
ляется в откачное гнездо
2. Краном 3 прибор сооб-
щается с остальными уча-
стками 'системы, краном
4 — с насосом. В откач-
ное гнездо 5 вставляется
заранее откачаная до вы-
сокого вакуума маноме-
трическая лампа иониза-
зационного манометра 6,
в которую впаяна своим
трубка 7, способная в на-
гретом состоянии пропускать водород. Подогреватель 8 и
металлическая трубка окружены стеклянной оболочкой, при-
паянной к колбе манометрической лампы и имеющей отро-
сток для вставления в гнездо 5.
Если вакуумную систему с испытываемым на натекание
прибором откачать до достаточно низкого давления, так
чтобы можно было включить подогреватель, то в маномет-
рической лампе будет наблюдаться определенное устано-
вившееся давление; если теперь испытываемый прибор об-
дувать струей водорода, то в момент, когда обдуватель ока-
жется над течью, водород проникнет в вакуумную систему
и далее через нагретую стенку металлической трубки в ма-
нометрическую лампу; повышение давления, отмечаемое
262
при этом ионизационным манометром, и является сигналом
о наличии течи именно в том месте, которое обдувалось
в момент повышения давления в лампе.
С прекращением обдувания места течи водород пере-
станет поступать в вакуумную систему; при продолжающей-
ся откачке водород уйдет как из вакуумной системы так и
из манометрической лампы (через нагретые стенки металли-
ческой трубки).
Чтобы перейти к нахождению места течи в очередном
приборе, краны 3 и 4 закрываются; испытанный прибор за-
меняется новым, после чего проводится откачка вакуумной
системы и порядок работы по отысканию течи повторяется.
Ловушка 9 служит для предохранения поверхности ме-
таллической трубки от осаждения паров масла из насоса,
которые, разлагаясь при высокой температуре трубки, мо-
гут выделять водород и дать ложный сигнал о течи.
Для контроля состояния стенок металлической трубки
на способность в нагретом состоянии пропускать водород
в вакуумной системе припаивается источник водорода 10,
включаемый по мере надобности. Таким источником может
служить вольфрамовая проволока.
Водородным методом можно обнаруживать место течи
до 1 • 10~3 мм рт. ст. • см3/сек.
Недостатком этого метода является необходимость при-
нятия мер предосторожности, связанных с пользованием
водородом.
Масс-спектр.ометрический или гелиевый течеискатель.
В основу работы этого течеискателя положено использова-
ние масс-спектрометра; пробным газом является исключи-
тельно гелий, откуда второе название течеискателя (гелие-
вый).
На рис. 7-5 изображена схема масс-спектрометра. На-
каленный катод-1 эмитирует электроны; последние под дей-
ствием положительно заряженного (по отношению к като-
ду) ионизатора 2 устремляются в щель коробки ионизатора
и продолжают свое движение внутри коробки со скоростью,
достаточной для ударной ионизации окружающего газа.
Для использования эмиссии горячего катода 1 и ионизации
газа необходимо, чтобы катод, ионизатор и другие необхо-
димые детали были изолированы от окружающего атмо-
сферного воздуха какой-то оболочкой; этой оболочкой и
служит так называемая масс-спектрометрическая камера,
находящаяся под непрерывной откачкой и снабженная ма-
263
нометром для контроля вакуума (на рис. 7-5 стенки иони-
зационной камеры и манометр не указаны).
Коробка ионизатора 2 имеет достаточный положительный
потенциал не только по отношению к катоду, но и по отно-
шению к входной диафрагме 3. Поэтому, образующиеся в
ионизаторе положительные ионы устремляются к входной
Рис. 7-5. Схема работы масс-спектрометра.
1 — катод; 2 — коробка ионизатора; 3—входная диафрагма;
4—ионный луч; 5—выходная диафрагма; 6—коллектор; 7—со-
противление.
Н—направление магнитного поля; С. Э. —стабилизатор эмис-
сии; В—выпрямитель (разгоняющего напряжения); У—усили-
тель ионного тока; Д'—выходной измерительный прибор.
диафрагме и, проходя через нее по другую сторону щели,
попадают в магнитный анализатор.
Магнитное поле последнего направлено так (см. стрел-
ки на рис. 7-5), чтобы ионы, попадающие в анализатор из
входной диафрагмы, продолжали свое движение по круго-
вым траекториям с радиусами, определяемыми выражением
144 /'
V <7-4)
где Н — напряженность магнитного поля, э;
U — разность потенциалов между ионизатором и вход-
ной диафрагмой, в;
м
—----отношение атомного веса к заряду иона.
Пусть все ионы, попадающие в анализатор, имеют
одинаковое отношение . Тогда по формуле (7-4) все они
при данных Н и U будут двигаться по окружностям
одинакового радиуса и составят общий поток ионов 4,
падающий на выходную диафрагму 5.
264
Значение Н и U можно всегда подобрать так, чтобы
ионы попадали в щель диафрагмы и далее на коллектор
ионов 6.
Изменяя Н или U, можно менять кривизну потока
ионов и, следовательно, пропустить через выходную щель
М
ионы с другими отношениями —, т. е. ионы других газов,
имеющихся в масс-спектрометрической камере, и, таким
образом, проанализировать, как говорят, весь спектр масс,
даваемый этими газами.
Ионный ток с коллектора весьма мал (10~10-^ 10~14 а);
поэтому сопротивление 7, через которое проходит ионный
ток, должно быть достаточно большим, чтобы после уси-
лителя У можно было измерить ионный ток по выходному
прибору И.
Для течеискания масс-спектрометр настраивают так,
чтобы в щель выходной диафрагмы попадали только ионы
гелия. Гелий взят в качестве пробного газа как инертный
газ, содержание которого составляет лишь 1 часть на
200 000 частей воздуха.; кроме того, он имеет малый атом-
ный вес (Л4 = 4), благодаря чему он диффундирует через
течь легче всех остальных газов (кроме водорода).
Очевидно, что описанная выше работа масс-спектромет-
ра возможна при условии, если в масс-спектрометрической
камере со всеми ее деталями (манометром, катодом, иони-
затором, входной и выходной диафрагмами, коллектором)
будет поддерживаться достаточно высокий вакуум. С этой
целью масс-спектрометрический течеискатель снабжается
собственной вакуумной системой (рис. 7-6). Масс-спектро-
метрическая камера 1 через металлическую ловушку 2 для
вымораживания паров и вентиль 3 присоединяется к метал-
лическому паромасляному насосу 4 и небольшому враща-
тельному масляному насосу 5; для измерения давления ис-
пользуется магнитный электроразрядный манометр, поме-
щенный, как уже указывалось, в масс-спектрометрической
камере.
Испытываемый на натекание прибор 6 сообщается с ио-
низационной камерой через регулируемый вентиль 7 и ту
же ловушку 2. Регулировка пропускной способности венти-
ля 7 необходима для того, чтобы (при сильном натекании
испытываемого прибора) в масс-спектрометрическую каме-
ру не могло .попасть большое количество воздуха и тем
нарушить работу течеискателя; в связи с этим назначением
вентиль 7 называется дроссельным.
265
Однако дроссельным вентилем можно сдерживать поток
газов из испытываемого прибора лишь при условии, если
в последнем будет поддерживаться достаточное, хотя бы
грубое разрежение, для чего необходима дополнительная
вакуумная система (на рис. 7-6 не показана).
Для обнаружения места течи подозрительные по нате-
канию участки испытываемого прибора обдуваются гелием
из баллона 8 при помощи обдувателя 9. Пока место течи не
найдено, в масс-спектрометрическую камеру может попасть
воздух лишь с нормальным содержанием гелия, и выходной
/
Рис. 7-6. Вакуумная система масс-спектрометра.
1—камера масс-спектрометра; 2—ловушка; 3—вентиль; 4—па-
ромасляный насос; 5—вращательный масляный насос ;6—испы-
тываемая на течь аппаратура; 7—вентиль; 8—баллон с гелием;
9—обдуватель; 10—источник ионов; 11—коллектор ионов;
12—электрометрическая лампа; 13— усилитель; 14 — выходной
измерительный прибор.
прибор будет показывать лишь слабый ток; когда же обду-
ватель окажется над местом течи, в ионизационную камеру
попадает значительно большее количество гелия и выход-
ной прибор покажет соответственно больший ионный ток,
что и является указателем, что 'Обдуватель находится над
течью.
Каждый масс-спектрометрический течеискатель имеет
еще указатель о натекании, представляющий собой генера-
тор звуковых колебаний с громкоговорителем; при попада-
нии гелия в масс-спектрометрическую камеру высота тона
звукового сигнала снижается и может даже зайти за порог
слышимости; по прекращении обдувания течи гелием зву-
ковой сигнал восстанавливает свою высоту тона.
Ознакомление с масс-спектрометрическим течеискателем
закончим перечнем практических указаний, которыми необ-
ходимо руководствоваться при работе с ним.
266
поверхности объекта; получив
Рис. 7-7. Испытание на герметич-
ность при помощи гелиевой камеры.
Обдувание подозрительных по натеканию мест испыты-
ваемого объекта следует проводить в систематическом, по-
рядке, начиная всегда сверху и постепенно спускаясь вниз.
При обдувании снизу гелий, имеющий малый удельный
вес, будет подниматься кверху и случайно, проходя над
течью, расположенной далеко от обдувателя, может дать
ложный сигнал.
Для скорейшего нахождения места течи можно сначала
пользоваться сильной струей гелия, захватывающей отно-
сительно большие участки
сигнал о наличии течи,
струю следует ослабить
до минимума и тщательно
обследовать обдувателем
участок, давший сигнал
при обдувании сильной
струей.
Для большей уверен-
ности в обнаружении мес-
та течи нужно проводить
повторные обдувания, а
в промежутках между ни-
ми удалять проникший
в течеискатель гелий.
Масс-спектр ом етрпче-
ский течеискатель удобно
применять главным обра-
зом для обнаружения мест
натекания вакуумных си-
стем, вакуумной аппаратуры и объектов, имеющих большие
размеры. Однако при помощи различных дополнительных
приспособлений масс-спектрометрическим течеискателем
можно пользоваться и в случае объектов и деталей неболь-
ших размеров, но при этом объекты или детали должны
быть удобны для присоединения к специальной вакуумной
системе.
На рис. 7-7 изображена установка для испытания на
натекание деталей или электровакуумных приборов при
помощи так называемой гелиевой камеры; в этом случае
гелием «обдувают» одновременно несколько деталей; при
помощи вентилей можно обследовать каждую деталь или
прибор отдельно.
Масс-спектрический течеискатель можно использо-
вать, применяя не обдуватель, а щуп, которым «прощупы-
267
вается» испытываемый на натекание объект, предваритель-
но заполненный гелием, под давлением больше атмосфер-
ного.
В этом случае место течи обнаруживается при помощи
гелия' попавшего в щуп из течи.
Будучи самым чувствительным методом течеискания,
(10~4-г- 1(Г5 мм рт. ст. см3! сек), маис -спектрометрический
метод обладает теми существенными недостатками, что тре-
бует дорогой и сложной аппаратуры и квалифицированно-
го оператора; кроме того, подобно рассмотренным выше
методам, необходимо, чтобы обследуемые объекты (при-
боры, детали) конструктивно были выполнены в виде, до-
пускающем их откачку.
Рис. 7-8. Обнаружение мест течи люминесцентным
методом.
1—образцы погружены в раствор; 2— образец облучается квар-
цевой лампой; 3—фокусировка ультрафиолетовых лучей
лупой.
Масс-спектрометрический течеискатель ПТИ-4А, выпу-
скаемый нашей промышленностью, нашел себе широкое
применение.
Люминесцентный метод. Испытываемый на натекание
объект (рис. 7-8) целиком или подозрительной по натека-
нию частью помещается в раствор люминофора в органиче-
ской жидкости (трихлорэтилене или четыреххлористом угле-
воде); соприкосновение испытываемого объекта с раство-
ром должно происходить лишь с одной стороны.
Если в погруженном объекте имеется течь, то под дей-
ствием капиллярных сил между стенками течи и раствором
последний втягивается внутрь течи и в зависимости от ее
размеров рано или поздно проходит по всей длине на про-
тивоположную сторону течи, где по мере испарения раство-
рителя накапливается подсохший люминофор. Если затем
испытываемый объект облучить ультрафиолетовыми луча-
ми, то светящийся люминофор укажет на место нахожде-
ния течи.
268
Источником ультрафиолетовых лучей может служить,
например, обычная кварцевая лампа типа ПРК-4; для экра-
нирования видимых лучей, уменьшающих контрастность
сигнала, необходимо применять «черный» фильтр, пропу-
скающий только ультрафиолетовую часть спектра.
Люминофор следует брать светящийся таким цветом,
который исключает возможность появления ложных сигна-
лов. Так, например, в случае применения люминесцентного
метода к электровакуумным приборам, в производстве ко-
торых часто используются люминофоры, дающие зеленое
или синее свечение, лучше всего брать люминофор красного
свечения.
Главной и в то же время весьма положительной особен-
ностью люминесцентного метода является отсутствие на-
добности в откачке испытываемых объектов, благодаря
чему люминесцентный метод среди других методов течеис-
кания, в том числе и самых чувствительных, часто оказыва-
ется единственно применимым. Достоинством люминесцент-
ного метода является также его высокая чувствительность,
которая ограничивается главным образом допустимой для
данного случая длительностью выдерживания испытывае-
мого прибора или детали в растворе до появления свече-
ния.
Галоидный течеискатель. Накаленная до красного кале-
ния платина даже на воздухе эмитирует положительные
ионы, причем ионный ток возрастает с повышением темпе-
ратуры эмитера (аналогично возрастанию термоэлектронной
эмиссии). Было замечено, что ионный ток с платины резко
увеличивается в присутствии паров галоидов. Это последнее
явление и вложено в принцип действия галоидного тече-
искателя.
В качестве датчика применяется специальный диод, схе-
матически изображенный на рис. 7-9, в качестве эмити-
рующего положительные ионы анода служит платиновый
цилиндр 1, нагреваемый платиновым же подогревателем 2
(до температуры 800—900° С). С положительным полюсом
источника постоянного тока анод связан через вторичную
обмотку трансформатора накала. К отрицательному полю-
су того же источника присоединен другой цилиндр 3, изго-
товленный из нержавеющей стали и расположенный вокруг
цилиндра 1. Ионный ток анода регистрируется микро-
амперметром ц Л.
Более детально с конструкцией датчика галоидного те-
чеискателя, выпускаемого нашей промышленностью под
269
маркой ГТИ-1 (или ГТИ-2) , можно познакомиться на
рис. 7-10.
Датчик галоидного течеискателя помещается в специаль-
ный прибор — щуп, по внешнему виду напоминающий ре-
вольвер (рис. 7-9,6), к которому с передней (входной) сто-
роны прикрепляется наконечник с насадкой, направляемый
к месту возможной течи, например к соединению трубопро-
водов; позади датчика в щуп вставлен миниатюрный вен-
тилятор, назначением которого является просасывание воз-
духа через наконечник с насадкой и далее через датчик.
Рис. 7-9. Галоидный течеискатель.
а—схема устройства датчика; б—щуп.
СоеЗи.нр.нш’
- трубопроМпб
б)
Для испытания на течь в испытываемый объект вводит-
ся пробный газ, например воздух с примесью паров ве-
ществ, содержащих галоиды; при этом внутри испытывае-
мого на течь объекта давление пробного газа должно быть,
очевидно, выше атмосферного; под разностью давлений воз-
дух, обогащенный парами галоидсодержащих веществ, вы-
ходит из течи, попадает при помощи подведенного к течи
щупа в датчик"и вызывает резкое отклонение показаний
микроамперметра в большую сторону; это и является сиг-
налом; что место течи обнаружено.
В электрической схеме галоидного течеискателя преду-
смотрен второй способ сигнализации об обнаружении те-
чи — при помощи телефона, связанного с звуковым генера-
тором: если в проходящем через датчик газе паров галоид-
содержащих веществ нет, в телефоне прослушиваются от-
дельные удары, повторяющиеся с определенной частотой
(например, 2 удара в секунду); если же щуп оказался на-
правленным на место течи, то вытекающий из нее пробный
газ, вызывая увеличение ионной эмиссии с анода датчика,
приводит к повышению частоты ударов.
270
Чувствительность гало-
идного течеискателя при
помощи усилителя ионно-
го тока доведена до весь-
ма высокой степени; од-
нако для надежной рабо-
ты с ним необходимо со-
блюдать условия, гаран-
тирующие от загрязнения
окружающего воздуха
пробным газом; иначе
неизбежны ложные сигна-
лы.
Полезно иметь эталон-
ную течь, например, в ви-
де небольшого сосуда, в
которой налито галоид-
содержащее вещество и
впаяна капиллярная труб-
ка с обжатым концом. Ве-
личину эталонной течи
можно отрегулировать, из-
меняя обжатие трубки.
При помощи эталонной
течи проводится проверка
исправности галоидного
течеискателя.
В качестве галоидсо-
держащих веществ, пары
которых вместе с возду-
Рис. 7-10. Датчик галоидного тече-
искателя ГТИ.
Г—ниппель; 2— внешний электрод; 3—анод;
4— подогреватель анода; 5—кожух датчика;
6—основание датчика; 7—изолятор; 8— спи-
раль подогревателя.
хом или другим газом вводятся внутрь испытываемого на
течь прибора, можно применять фреон, четырехх лор истый
углерод, трихлорэтилен и т. п.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
УСТРОЙСТВО ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
8-1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВАКУУМНЫМ СИСТЕМАМ
Первым основным условием, которому должна удовле-
творять каждая вакуумная система, является возможность
получения требуемого вакуума в откачиваемом объекте.
Этому требованию вакуумная система, включая и откачи-
ваемый объект, может удовлетворять в том случае, если
271
выдержана достаточная степень газонепроницаемости (гер-
метичности) , если не происходит постоянного’ выделения га-
зов или паров внутри вакуумной системы и если, наконец,
применен насос с достаточно низким предельным давле-
нием.
Вторым основным условием является возможность по-
лучения требуемой быстроты откачки объекта.
В гл. 9 указаны методы определения пропускной спо-
собности трубопровода и быстроты откачки объекта, а так-
же некоторые вопросы расчета вакуумных систем. Здесь же
отметим, что второму условию вакуумная система сможет
удовлетворить, если сопротивление трубопровода (включая
и откачную трубку объекта) сведено к минимуму и если
насос обладает достаточно большой быстротой действия.
Удовлетворяя этим двум требованиям, вакуумная систе-
ма должна одновременно быть удобной в работе и зани-
мать, по возможности, меньшее место.
С точки зрения удовлетворения всем этим требованиям
и надо> оценивать материалы для вакуумных систем и их
сочленений, а также конструировать и размещать основные
и вспомогательные элементы вакуумной системы (откачи-
ваемый объект, трубопровод, насосы, манометры, ловушки,
краны и т. и.).
8-2. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
И СПОСОБЫ ИХ СОЧЛЕНЕНИЯ
Важнейшими в технике высокого вакуума материалами
являются стекло, металлы и резина.
Стекло
Общие свойства. Стекло обладает весьма многими по-
ложительными свойствами, которые сделали его одним из
самых распространенных материалов с самого начала воз-
никновения электровакуумной промышленности.
Важнейшими свойствами стекла, выгодно отличающими
его от других материалов, являются:
прозрачность, необходимая для осветительных
приборов и для некоторых типов электронных и ионных
приборов;
хорошие электроизолирующие свойства, по-
зволяющие подводить высокие напряжения к электродам
электровакуумных приборов;
272
ничтожно малое давление насыщенного пара, практиче-
ски не оказывающее влияния на степень вакуума в системе
или в отпаянном приборе;
легкость очистки поверхности и удаления адсорбирован-
ных газов;
способность легко принимать и сохранять любую нуж-
ную форму.
Практически стекло можно считать совершенно газоне-
проницаемым; стеклянные участки вакуумной системы или
стеклянные детали электро-
вакуумных приборов (колбы,
трубки, ножки со смонтиро-
ванными на них электрода-
ми и т. п.) легко спаиваются
друг о другом, давая вполне
герметичные .соединения;
стекло способно давать проч-
ные и герметичные соедине-
ния с металлами; наконец,
из стекла можно делать со-
единения, герметичность ко-
торых осуществляется путем
пришлифовки (притирки),
например краны, шлифы и
т. п.
Зависимость вязкости
Рис. 8-1. Зависимость вязкости
стекла от температуры.
стекла от температуры. Од-
ним из важнейших свойств стекла, от которого зависит уста-
новление того или иного температурного режима его обработ-
ки, является вязкость. Кривая на рис. 8-1 изображает зави-
симость вязкости стекла от температуры. По оси ординат
отложены значения вязкости в пуазах (пз — абсолютная
единица вязкости); ординату приходится строить в логариф-
мическом масштабе, так как зависимость вязкости стекла от
температуры чрезвычайно велика. По оси абсцисс отложе-
на температура, но без указания численных значений, так
как для стекол различного состава одинаковым значениям
вязкости соответствуют различные температуры, хотя ха-
рактер кривой остается одинаковым. Температура разделе-
на на зоны, соответствующие определенным состояниям стек-
ла; помимо этого, отмечены некоторые точки кривой, соот-
ветствующие важнейшим характеристическим темпера-
турам.
В пределах значений вязкости примерно от 1015 до 1013 пз
18 Б. И. Королев.
273
стекло считается находящимся в твердом состоянии; по-
следнее характеризуется тем, что .в температурной зоне,
соответствующей этим значениям вязкости, стекло обладает
определенной упругостью; деформация, заходящая за пре-
делы упругости, приводит к излому (хрупкое состояние
стекла).
Следующая, очень широкая температурная зона соот-
ветствует размягченному состоянию стекла. Представляя
собой твердый раствор с большим числом составных частей
(главным образом окислов различных металлов), стекло
в отличие от химических соединений не имеет определен-
ной точки плавления; из твердого состояния в жидкое
(расплавленное) стекло переходит постепенно, через раз-
мягченное состояние, причем вязкость стекла изменяется
примерно от 1013 до 102 пз.
Наконец, когда вязкость стекла становится меньшей
102 пз, стекло считается находящимся в жидком состоянии,
так как при этом значении вязкости поведение стекла уже
не отличается от поведения жидкости, характеризующейся
главным образом быстрым растеканием и принятием формы
сосуда.
Границы зоны размягчения, интервал рабочих, темпера-
тур. Спайка стекла, придание ему определенной формы, из-
готовление стеклянных деталей и полуфабрикатов и другие
работы со стеклом производятся в ограниченном интервале
так называемых рабочих температур, когда стекло нахо-
дится в зоне размягчения; поэтому мы рассмотрим особен-
ности этой зоны более подробно.
Температурную точку, выше которой стекло находится
в расплавленном состоянии, условились называть темпе-
ратурой плавления стекла. Она является верхней (по тем-
пературе) границей зоны размягчения.
Нижняя температурная точка, отграничивающая зону
размягчения от твердого (хрупкого) состояния стекла,
имеет большое практическое значение для работы со стек-
лом. Эту точку называют точкой превращения, так как при
этой температуре такие важные для вакуумной техники
свойства стекла, как тепловое расширение и электрическое
сопротивление, изменяются скачкообразно. Эта точка имеет
важное практическое значение также и для закалки и от-
жига стекла.
Закалка и отжиг стекла. Стекло' обладает очень плохой
теплопроводностью, поэтому, если нагретое до температуры
размягчения стекло предоставить естественному охлажде-
274
нию на открытом воздухе, то быстро остынет только на-
ружный слой стекла, а внутренние слои его будут сохранять
значительно более высокую температуру. Такое неравно-
мерное остывание толщи стекла переводит его в состояние
закалки, т. е. к образованию в стекле больших внутренних
механических напряжений (растяжения в одних участках
и сжатия в других). Наличие внутренних напряжений в
стекле опасно тем, что в месте наибольшей степени закалки
в процессе остывания или по истечении более или менее
короткого промежутка времени уже после остывания без
всякой видимой причины стекло может дать трещину.
При работе со стеклом необходимо внутренние напря-
жения в нем сводить к минимуму. Если стекло, в котором
при остывании возникли внутренние напряжения, снова на-
греть до температуры размягчения, выдержать при этой
температуре достаточное время, а затем подвергнуть мед-
ленному охлаждению, то можно снять все внутренние на-
пряжения в стекле или хотя бы ослабить их до степени,
безопасной для прочности стекла; в процессе температур-
ной обработки стекла можно предохранить его от возник-
новения опасных внутренних напряжений, если охлаждение
проводится достаточно медленно. Операция снятия внут-
ренних напряжений в стекле или предохранения от их воз-
никновения носит название отжига стекла.
Точку превращения можно считать наименьшей темпе-
ратурой, при которой возможна закалка стекла или его
отжиг. Однако для ускорения процесса отжиг стекла про-
изводится обычно при более высокой температуре,' когда
вязкость стекла становится примерно в 10 раз меньшей
(1012 вместо 1013 из).
Расстекловывание. Необходимо обратить внимание на
существование в зоне размягчения особой температурной
области, соответствующей значениям вязкостей в пределах
от 103 до 106 пз\ это—область так называемого расстек-
ловывания; она характеризуется тем, что в этой области
стекло, нормально имеющее аморфную структуру, может
кристаллизоваться, потеряв при этом свою прозрачность,
механическую прочность и температурную устойчивость.
При вязкости, меньшей 103 пз, частицы стекла обладают
подвижностью, необходимой для образования кристаллов,
но кристаллы не достигают больших размеров, они неустой-
чивы, так как только что возникнув, растворяются в стекле.
Наоборот, если вязкость достаточно велика (выше
10е из), кристаллизация вообще невозможна, так как ча-
18*
стицы стекла обладают совершенно недостаточной для это-
го подвижностью.
В пределах же области расстекловывания в массе стек-
ла могут получаться устойчивые кристаллы, так как ча-
стицы стекла имеют подвижность, достаточную для обра-
зования кристаллов, в то же время температура стекла не-
достаточна для их растворения.
Находящийся в пределах зоны размягчения интервал
рабочих температур, как видно из рис. 8-1, частично захва-
тывает и область расстекловывания, но оптимальная рабо-
чая температура, отмеченная точкой на кривой (вязкость
108 пз), лежит, конечно,’вне области расстекловывания.
Заходить при обработке стекла в область расстекловывания
можно только на короткое время.
Марки стекол, применяемых в вакуумной технике.
В табл. 8-1 указаны составы различных стекол, применяе-
мых в технике высокого вакуума, а также температуры от-
жига и коэффициент теплового расширения.
Коэффициент расширения является весьма важным фи-
зическим свойством стекла, с которым необходимо считать-
ся при спайке стекла со стеклом, с металлами и другими
материалами.
Сравнивая величины температуры отжига и коэффициен-
та теплового расширения стекол различных составов, все
стекла можно разделить (кроме кварцевого) на две основ-
ные группы: «легкоплавкие» — с относительно низкой
температурой размягчения (490—610° С) и с относительно
большим коэффициентом теплового расширения (82—
92) 10-7 и «тугоплавкие» с более высокой температурой
размягчения (555—640° С) и с относительно малым коэф-
фициентом расширения (39 н-49) 10-7. Эти две группы сте-
кол можно различать друг от друга по внешнему виду,-
если смотреть на трубку с торцовой стороны, то торец лег-
коплавкого стекла имеет зеленый цвет, а торец тугоплав-
кого — светло-желтоватый.
Кварцевое стекло отличается от обеих групп стекол ту-
гоплавкостью (температура начала размягчения 1 500° С)
и малым коэффициентом теплового расширения (5,8-10~7).
Полезно знать, как распределяются все стекла на груп-
пы в соответствии с впаиваемыми в них металлами; по это-
му признаку все «легкоплавкие» стекла можно назвать
«платиновой» группой, так как эти сорта предназначены
для спайки с платиной, коэффициент теплового расширения
которой а=90 • 10~7, или с ее заменителями; «тугоплавкие»
27Ь
Таблица 8-1
Обозначения стекла (в .скобках указаны стар ые) Si О2 B2O3 А12О3 СаО MgO ВаО РЬО ZnO Na2O К2О не более Линейный коэффициент теплового расширения 20-4-100° С а.Ю7 Темпера- тура раз- мягчения, °C Темпера- тура отжига, °C
Легкоплавкие стекла (п л а т и н 0 в а я г р у п п а)
С-90-1 (БД-1) 69,5 — — 5,5 3 5 5,0 — — 12,5 4,0 0,3 90±2 550 400—505
С-89-2 (№ 2) 71,9 — — 5,5 3,5 2,0 — — 16,1 1.0 0,3 89 ±2 550 410-520
С-88-4 (ЗС-4, № 12) 55,3 — 1,7 — - — 30,0 3,8 9,2 0,3 88±2 490 . 360-450
С-88-13 69,5 2,0 — 5,5 3,5 2,0 — 11,0 6,5 — 88 590 —
С-82-36 (№ 36) 71,5 — 1,8 14,0 — — — — 11,5 1,2 0,3 82±2 610 425—545
713 67,5 — 5,0 — 12.5 — 7,0 7,0 0,9 88,0 520 358-456
(бариево- I 12О0,6
литиевое) —
Боросиликатные стекла (м о тибденова я группа)
С-49-5 (ЗС-5) 67,5 29.3 3,5 — — — 8,7 1 0,04 49-+-1 580 410-540
С-49-5к (ЗС-5к) 66,9 20,3 3,5 — — — — 1 — 3,9 | 5,4 0.04 49 ±1 575 410-535
С-48-8 (ЗС-8) 66,5 23,0 3,0 —. — — —- 3.7 i 3,8 0,05 48 -+* 1 555 360-500
С-47-46 (№ 46) 68,5 17,2 2,5 — — — 1 1 5,0 6,8 1 — 0,05 47=1=1 590 420-555
С-39-17 (ЗС-9) I 73,0
(„Нонекс“,
№ 17) I
Кварцевое
99,5
Боросиликатные стекла (вольфрамовая группа)
16,5 । — । — । — j — 6,0 j — j 3,0 । 1,5 । 0,04
Кварцевое стекло
_ | -0.01 | - | —0,01 I - | - | - | 0.04 | 0,03 | - |
39±1,5
5,8
640
1 500
410—540
стекла можно разделить на две группы: «вольфрамовую»,
предназначенную для спайки с вольфрамом, коэффициент
теплового расширения которого « = 39,5-10~7, и «молибде-
новую», предназначенную для спайки с молибденом, коэф-
фициент расширения которого «=(47—49) 10~7.
Названия некоторых стекол отражают их химический
состав: «свинцовые» стекла (содержат окись свинца); «до-
ломитовые (содержат
окись кальция и магния);
«баритодоломитавые» (со-
держат дополнительно
окись бария); тугоплавкие
стекла по химическому
составу носят название
«боросиликатных» и т. п.
Спайка стекла
с о с т е к л о м произво-
дится путем нагревания
соединяемых мест в пла-
мени газовой горелки.
Поэтому для надежности
спая стекла со стеклом не-
обходимо, чтобы коэффи-
циенты теплового расши-
рения спаиваемых стекол
были достаточно близки..
Как показывает опыт, ес-
ли разница в коэффициен-
тах линейного расширения
не превышает 7 • 10~7, то
возникающие в месте спая
внутренние напряжения
опасности не представ-
ляют.
Если требуется получить спай стекол, имеющих значи-
тельную разницу в коэффициентах расширения, то прибе-
гают к применению переходных стекол, имеющих промежу-
точные значения коэффициентов расширения.
На рис. 8-2 изображен порядок спайки двух стеклянных
трубок, в результате которого должен получиться ровный
и надежный спай. Стрелками указано вращение трубок, не-
обходимое для равномерного прогрева их с концов в месте
спайки. Кроме того, как бы близки ни были коэффициенты
теплового расширения у спаиваемых стекол, как бы точно
Рис. 8-2. Спайка двух отрезков
стеклянных трубок.
1—одновременное размягчение обеих трубок;
2— первое соприкосновение размягченн .ix
концов; 3—скрепление размягченных концов
путем сдавливания; 4—проплавление спая
до получения наружного диаметра, одина-
кового с диаметром трубок; 5—раздувание
спая до получения толщин я стенок, одина-
ковой с толщиной стенок трубок; 6— растя-
гивание спая до получения ровного дичм^т-
ра по всей длине обеих спаянных трубок.
278
ни были выдержаны приемы операции спайки, спай будет
ненадежным, если его не подвергнуть отжигу.
Ответственные спаи подвергаются отжигу при тщатель-
но разработанном (специально для спаянных стекол) ре-
жиме.
При спайке двух стеклянных деталей или вообще при
воздействии на стекло пламенем газовой горелки необхо-
дима осторожность, так как стекло обладает ограниченной
термической устойчивостью и при резком изменении тем-
пературы может дать трещину.
Спайка стекла с металлами. Потребность в таких спаях
вызывается необходимостью осуществления герметичных
токоподводящих вводов через стекло и надежных соеди-
нений стеклянных участков трубопровода с металлическими,
например присоединения стеклянной арматуры к металли-
ческим пароструйным насосам и т. п.
Б настоящее время техника спайки стекла с металлами
достигла большого развития и стала самостоятельной техни-
ческой дисциплиной.
Вполне удовлетворительный спай стекла с металлом по-
лучается, если стекло хорошо смачивает поверхность ме-
талла (растекается по его поверхности); с этой целью по-
верхность металла должна быть очищена от загрязнений,
а затем покрыта слоем окисла; только надлежащим обра-
зом окисленная поверхность металла хорошо смачивается
стеклом.
Вторым условием получения удовлетворительного спая
стекла с металлом является отсутствие внутренних напря-
жений в месте спая, превышающих допустимые. Такие на-
пряжения в спае получаются в результате одновременного
теплового расширения и последующего за нйм сжатия (при
остывании) стекла и металла; чтобы свести внутренние на-
пряжения к минимуму, спай должен быть подвергнут от-
жигу при определенном температурном режиме, а стекло
и металл должны иметь достаточно близкие коэффициенты
теплового расширения во всем температурном интервале
(от комнатной до температуры отжига).
Спай стекла с металлом можно получить с внутренними
напряжениями, не заходящими за допустимые пределы, и
при наличии большой разницы в коэффициентах расшире-
ния стекла и металла. В этом случае условие близости зна-
чений коэффициентов расширения заменяется двумя дру-
гими. Одним из них являются малые размеры отрезка ме-
279
талла, впаиваемого в стекло или спаиваемого со стеклом;
если это проволока, то для впайки в стекло она должна
иметь достаточно малый диаметр; если это металлическая
трубка, то со стороны спаиваемого со стеклом торца труб-
ка должна иметь достаточно тонкие стенки. Это условие
вытекает из очередного свойства любого спая: чем меньше
размеры металла в части, предназначенной для непосред-
ственной спайки со стеклом, тем меньше и внутренние на-
пряжения в месте спая.
Вторым условием удовлетворительности спая стекла
с металлом при большой разнице коэффициентов тепло-
вого расширения является достаточная пластичность (теку-
честь) металла, дополнительно сглаживающая внутренние
напряжения.
Лучшим из таких металлов является медь (коэффи-
циент линейного расширения а= 167 • 10~7). Медную про-
волоку и медные трубки можно спаивать с тугоплавкими
стеклами, имеющими, как мы уже видели в табл. 8-1, ко-
эффициент линейного расширения, в 4—5 раз меньший, чем
• у меди.
Впервые потребность в надежном впае металла в стекло
появилась в связи с развитием производства ламп накали-
вания (рис. 8-3 и 8-4). Из металлов для впайки в стекло
вначале применялась платина, так как коэффициент рас-
ширения стекол легкоплавких сортов близок к коэффициен-
ту расширения платины. Однако дороговизна платины и
разработка новых составов стекла, обладающих повышен-
ной термической устойчивостью и тугоплавкостью, заста-
вили изыскать новые металлы и их сплавы для спайки со
стеклом.
В качестве заменителя платины для впайки в легкоплав-
кие сорта стекла широко применяется так называемый пла-
тинит. Платинитовая проволока состоит из железоникелево-
го сердечника, коэффициент расширения которого меньше,
чем у платины, и тонкой медной оболочки, коэффициент
расширения которой значительно больше, чем у платины;
суммарный коэффициент расширения платинита в радиаль-
ном (наиболее важном) направлении близок к коэффициен-
ту расширения платины. Наличие медной оболочки обу-
словливает достаточную электропроводность платинитовой
проволоки.
Для лучшей смачиваемости стеклом поверхность плати-
нита в процессе его изготовления подвергается окислению
до закиси меди, которая способна растворяться как в са-
280
мой меди, так и в стекле, и обеспечивает смачиваемость
стеклом поверхности платинита.
Для лучшего скрепления со стеклом и предохранения
слоя закиси меди от изменений в процессе впайки плати-
нита в стекло слой закиси покрывается дополнительно стек-
лообразным сплавленным слоем бората калия или натрия
(буры).
Таким образом, при впайке платинита в стекло между
медной оболочкой и стеклом получается переходный, скреп-
ляющий слой, состоящий из закиси меди, растворенной
в металле и в стекле (в последнем — вместе с остатками
буры).
Помимо платинита, существует большое количество ме-
таллов, главным образом в виде сплавов, которые при со-
блюдении указанных выше требований могут давать доста-
точно прочные спаи со стеклом. Примером может служить
спайка легкоплавких стекол с высокохромистой сталью
(феррохромом, фуродитом) или тугоплавких стекол с ко-
варом.
Из чистых металлов для впайки в тугоплавкие сорта
стекла большое распространение получили вольфрам и мо-
либден. Вольфрамовая или молибденовая проволока (пру-
ток), предназначенная для впайки в стекло, проходит пред-
варительно механическую обработку (ковку, шлифовку),
предохраняющую от натекания через материал самой про-
волоки, внутри которой до обработки могут быть неплотно-
сти в виде узких продольных каналов или царапины на по-
верхности. Далее чистая поверхность металла подвергается
окислению и предварительной обмотке стеклом (рис. 8-3,в)
в месте будущего спая с основной стеклянной деталью.
Более надежной считается такая обмотка стеклом, через
которую просвечивает окисленная поверхность вольфрамо-
вой или молибденовой проволоки, имеющая коричневый
цвет.
В таблице приложения XII приведены характеристики
спаев «металл—стекло», применяемых в вакуумной технике.
В месте спая «металл — стекло» иногда появляются пу-
зырьки газов, ослабляющие его надежность. Источником
пузырьков могут быть газы, содержащиеся в металле; по-
этому в ряде случаев металл, подлежащий спайке со стек-
лом, приходится подвергать хотя бы грубому предваритель-
ному обезгаживанию. Пузырьки могут появляться и при
наличии некоторых загрязнений в металле; особенно вредно
281
загрязнение поверхности спаиваемого со стеклом металла
углеродом, дающим пузырьки в стекле, содержащие СО2.
В частности, пузырьки вдоль платинитовой проволоки,
впаянной в стекло, могут получаться при неравномерной
(с уто'ньшениям'и) медной оболочке, а также при неаккурат-
ном хранении платинита, в результате чего происходит
увлажнение поверхностного слоя боратов.
Рис. 8-3.
а. Впаи платинита (платины) в стекло ножки электровакуумного прибора.
/—внутренняя часть вывода: медь или никель; 2— заштампованная в стекло часть
вывода: платинит (или платина); 3— наружная часть вывода: медь; 4— откачная
трубка; 5—отверстие для сообщения объема прибора с откачной трубкой:
б. Впай платинита в стеклянную бусинку.
1—бусинка; 2—платинит.
в. Молибденовый пруток, обмотанный стеклом.
г. Впай в стекло металлических выводов, предварительно обмотанных
стеклом (разрез).
1—выводы; 2—стеклянная обмотка; 3— стеклянная трубка.
В последнее время получили значение спаи стекла, а
также керамики с титаном (проволокой и жестью), так как
титан одновременно является активным поглотителем.
На рис. 8-3 и 8-4 приведены изображения типичных
спаев стекла с металлами.
Шлифы. Соединения стекла со стеклом или с металлами
можно осуществлять не только путем спайки, но и механи-
чески — в виде так называемых шлифов. Шлиф представ-
282
ляет собой механическое соединение двух деталей при по-
мощи плотно прилегающих друг к другу поверхностей, под-
вергнутых притирке, т. е. обработке при помощи специаль-
но подобранных для этой цели шлифовальных материалов.
Для лучшего уплотнения и возможности скольжения этих
поверхностей применяются специальные смазки с возможно
а. Феррохромовый или молибденовый вывод сквозь металлическую
стенку при помощи стекла.
/—в'явод; 2—металлическая стенка; 3-стеклянная обмотка.
б. Спай фсррохромовой трубки с легкоплавким стеклом.
/—феррохромовая трубка; 2—стекло; медная трубка; 4— переходное никелевое
КОЛЬЦО.
в. Спай медной трубки с легкоплавким стеклом,
/—медная трубка; 2—стекло.
г. Спай медной трубки с тугоплавким стеклом.
/—медная трубка; 2—стекло.
меньшим давлением насыщенного пара (вакуумные уплот-
нители описаны в § 8-4).
Плотное прилегание друг к другу притертых поверхно-
стей достигается благодаря силам молекулярного сцепле-
ния; однако в большинстве случаев главную роль играет
давление на притертые поверхности со стороны атмосфер-
ного воздуха, когда в вакуумной системе имеется низкое
давление.
Примеры конических шлифов изображены на рис. 8-5.
При применении уплотняющей смазки для шлифов не-
обходимо соблюдать определенные правила, целью которых
283
является получение герметичного соединения при мини-
мальном проникновении паров смазки в вакуумную си-
стему.
С этой целью как сама смазка, так и притертые поверх-
ности, на которые она наносится, должны быть чистыми,
так как всякое механическое включение в пленку смазки
может испортить поверхности шлифа и нарушить уплотне-
ние; смазку надо наносить палочкой (деревянной или из
Рис. 8-5.
а—конечный шлиф; 1— наружный конус; 2—внутренний конус;
3—часть притертых поверхностей со слоем смазки между
ними; 4—непромаззнная часть шлифа; б—конический шлиф
(наружный конус) с водяным охлаждением (смазки).
другого материала, который не поцарапает притертые по-
верхности); при промазывании конического шлифа смазка
наносится только на внутренний конус и притом только на
широкой его части, ближайшей к атмосферному воздуху,
чем достигается предохранение вакуумной системы от про-
никновения паров смазки; внутренний конус после предва-
рительного легкого подогрева вставляется в наружный и
слегка надавливается, чтобы образовалась равномерная
пленка между притертыми поверхностями; получению рав-
номерной пленки способствует одновременное с надавлива-
нием вращение внутреннего конуса.
О качестве уплотнения стеклянного шлифа можно су-
дить по прозрачности пленки: правильно промазанный
шлиф не должен иметь непрозрачных полос и пятен. При-
веденные выше замечания о промазывании конических шли-
фов в равной степени относятся и к шлифам любой другой
формы.
Стеклянные краны. Аналогично шлифам краны пред-
ставляют собой приборы, в которых используется уплотне-
ние, создаваемое притертыми поверхностями со слоем смаз-
284
ки между ними. Правила нанесения смазки остаются для
кранов теми же, что и для шлифов, с тем лишь дополне-
нием, что при нанесении смазки на поверхность крана надо
заботиться о том, чтобы размеры отверстия крана не были
уменьшены налипшей смазкой.
Рис. 8-6. Стеклянные
краны.
I — двойной (двухходовой)
кран; II—тройной (трехходо-
вой) кран; 1—внутренний ко-
нус; 2— наружный конус; 3 и
4—места нанесения смазки на
внутренний конус перед
вставкой его в наружный.
Отличие кранов от шлифов заключается в том, что на-
значением первых является не только сообщение двух уча-
стков вакуумной системы, но и их разобщение путем пово-
рота притертых поверхностей друг
относительно друга без существен-
ного нарушения вакуума.
Различные виды кранов изобра-
жены на рис. 8-6.
Притертые соединения (шлифы
и краны) на участке вакуумной си-
стемы между пароструйным насо-
сом и откачиваемым объектом сле-
дует применять лишь в том- случае,
когда без них невозможно обойтись.
Так, например, краны приходится
ставить на высоковакуумной сторо-
не вакуумной системы, предназначен-
ной для откачки газонаполненных
приборов, так как при наполнении
откачанных приборов необходимо
перекрыть их сообщение с насосами.
В этом случае требуется особенно тщательная проверка кра-
нов на герметичность и промазывание их смазкой, имеющей
по возможности, более низкое давление насыщенного пара.
Порционный кран. При откачке газонаполненных прибо-
ров часто требуется наполнение их до определенного и
притом малого давления. В этом случае удобно пользовать-
ся так называемым порционным краном (рис. 8-7): неболь-
шая трубочка, впаянная в пробку крана, при повороте по-
следнего трубочкой в сторону баллона с газом наполняется
им до определенного давления; при повороте пробки крана
на 90° трубочка отделяет определенную порцию газа, за-
ключенного между стеклянными стенками крана; при даль-
нейшем повороте пробки крана трубочкой в сторону ваку-
умной системы газ из трубочки распространится по всему
объему вакуумной системы, причем давление газа устанав-
ливается во столько раз меньшее, во сколько раз объем ва-
куумной системы (включая и трубочку) больше объема
трубочки.
285
Рис. 8-7. Порционный кран.
Рис. 8-8. Металлический
шланг.
rf=94-125 л/лг; I = несколько
десятков—несколько сот мил-
лиметров.
Металл как конструктивный материал для вакуумных
систем. Недостаточная прочность стекла, несмотря на его
исключительные качества во многих других отношениях, за-
ставляет в ряде других случаев прибегать к металлическим
соединениям и деталям, для пользования которыми разра-
ботаны специальные способы.
Металлические соединения и детали, предназначенные
для трубопроводов вакуумных систем, необходимо предва-
рительно подвергать проверке на герметичность. В отличие
от стекла металлические стенки могут иметь незаметные
трещины, поры, раковины, служащие причиной натекания.
В этом отношении металлические отливки значительно бо-
лее опасны, чем цельнотянутые трубки.
Наибольшее распространение получили медные, латун-
ные и стальные трубки. Из них лучшими являются медные
трубки, которые после хорошего прожига пламенем газовой
горелки становятся мягкими и легко поддаются изгибанию.
Наиболее герметичным является присоединение металли-
ческих трубок путем спайки или сварки.
Все большее распространение получают так называемые
металлические шланги, представляющие собой гофрирован-
ные медные, латунные или томпаковые трубки (рис. 8-8).
Благодаря гофрировке металлические шланги можно легко
сгибать и растягивать, в этом отношении они весьма удоб-
ны как для внешних соединений, так и для придания по-
движности каким-либо деталям внутри вакуумной системы.
Металлические шланги можно присоединять к вакуумной
системе или какой-либо детали так же, как и металличе-
ские трубки.
Спайка металлических трубок (шлангов),
а также запайка мест натекания в них производятся спе-
циальными припоями. В зависимости от требуемой темпе-
ратуроустойчивости применяются три вида припоев: мягкий
286
(обычно оловянносвинцовый) с точкой плавления 180—
200э С, промежуточный (основные составляющие: олово и
серебро с примесями меди и цинка) с точкой плавления
около 400° С и твердый припой (сплав серебра, меди, цин-
ка) с точкой плавления около 700° С; еще более твердый
припой делается только из меди и цинка с точкой плавления
до 875° С. Для того чтобы припой плотно ложился на спаи-
ваемые детали, для каждого припоя применяются флюсы
разных составов.
Помимо спайки, метал-
лические Трубки МОЖНО’
соединять друг с другом
при помощи автогенной
или дуговой сварки. Та-
ким же путем можно лик-
видировать и места нате-
кания.
Если соединение ме-
таллических деталей тре-
бует периодической раз-
борки, то применяются
соединения при помощи
фланцев. Фланцевые со-
единения (рис. 8-9) требу-
ют уплотнения проклад-
ками, резиновыми или
свинцовыми, в зависимо-
Рис. 8-9. Флгнцевые соединения
с прокладками.
1 — с резиновым кольцом; 2 — со свинцовой
прокладкой.
сти от температурных ус-
ловий при работе и от требований к степени вакуума. Рези-
новые уплотнения медленно отдают содержащиеся в них
газы, но в то же время резину нельзя не только обезгажи-
вать при помощи прогрева, но даже и вообще нагревать,
так как она быстро меняет свои упругие свойства («ста-
реет»). В этом отношении металлические уплотнения имеют
перед резиновыми большое преимущество, в свою очередь,
недостатком металлических уплотнений, в частности про-
кладок, является необходимость их замены после разборки
соединения.
Скрепление фланцев производится болтами, зажимание
которых необходимо производить постепенно и равномерно
по всей окружности фланца. Применяются также фланце-
вые соединения без прокладок и болтов, уплотнение кото-
рых осуществляется лишь смазкой или заливкой соприка-
сающихся поверхностей специальными уплотнителями
287
(рис. 8-10); фланцевые соединения такого рода мЪжно осу-
ществить и между металлической и стеклянной частями;
большое значение имеет сжатие промазанных поверхностей
в процессе откачки давлением наружного атмосферного воз-
духа; при этом создается тем большее сжатие, чем больше
диаметр и меньше ширина соприкасающихся кольцевых по-
верхностей.
Рис. 8-10. Фланцзвое соединение
между стеклянным баллоном и
металлическим диском.
1 — общий вид; 2 — уплотнитель.
Очень хорошо зарекомен-
довало себя соединение меж-
ду стеклянным баллоном
(например, колпаком для
прокаливания металлических
деталей в вакууме тока-
ми высокой частоты) и ме-
таллическим диском, при-
Рис. 8-11. Уплотнение между стек-
лянным колпаком и металличес-
ким диском при помощи резино-
вой прокладки, помещенной в
кольцевой канавке диска.
1 — общий вид; 2 — канавка; 3 — резино-
вая прокладка; 4 — стенка колпака.
соединяемым к насосу,
осуществленное по способу, показанному на рис. 8-11. На
поверхности диска делается кольцевая канавка шириной
в 4—5 мм, дно которой отшлифовывается; если диск в про-
цессе работы будет нагреваться не очень сильно, то вместо
шлифовки можно применить заливку дна канавки неболь-
шим слоем битума или пицеина, после застывания которых
на дне канавки получается' ровная, гладкая поверхность.
В канавку вставляется кольцо из плоской резины. Торцовая
сторона колпака имеет нормальную толщину стенки и при-
тирается в расчете на то, что, когда колпак, поставленный
на резину, будет откачан, то атмосферным давлением он
будет прижат к резиновому кольцу с такой силой, что сразу
получится хорошее уплотнение. При таком способе соеди-
нения между стеклянным колпаком и металлическим
288
Рис. 8-12. Вакуумный вентиль.
1 и 2 — фланцы для присоединения к
трубопроводу; 3—проходное отверстие;
4— стержень с нарезкой; 5— резиновая
прокладка; 6 — металлический шланг.
диском часто не требуется никакой смазки соприкасающих-
ся поверхностей, так как давление стеклянного' торца на
резиновое кольцо может достигать десятков килограммов на
квадратный сантиметр.
Металлические участки трубопровода можно соединять
на 'резьбе, причем необходимое уплотнение создается при
помощи лака или другого подходящего* уплотнителя.
Одним из важных видов металлических деталей трубо-
провода являются краны и вентили.
Металлические краны изготовляются наподо-
бие стеклянных; они не имеют широкого распространения
вследствие неизбежного на-
личия в них относительно
узкого проходного отверстия
в стенке и плохой герметич-
ности.
Значительно более совер-
шенными приспособлениями
для переключения и разоб-
щения отдельных участков
вакуумных систем являются
металлические вентили. Их
проходное отверстие имеет
большие размеры, не оказы-
вающие заметного влияния
на пропускную способность
трубопровода, кроме того,
-по сравнению с металличе-
скими кранами они облада-
ют значительно лучшей гер-
метичностью.
На рис. 8-12 схематически изображена одна из возмож-
ных конструкций вентиля. К трубопроводу вентиль присо-
единяется своими фланцами 1 и 2, причем газ протекает из
одного участка трубопровода в другой через отверстие 3
внутри вентиля; диаметр последнего примерно равен диа-
метру отверстий во фланцах 1 и 2. Внутри вентиля имеется
подвижная деталь 4 в виде стержня, заканчивающегося пла-
стинкой с резиновой прокладкой 5 для уплотнения отвер-
стия 3 при его закрывании. Стержень передвигается на резь-
бе при помощи рукоятки, причем атмосферный воздух
внутрь вентиля проникнуть не может благодаря наличию
металлического шланга 6.
Интересна конструкция металлического вентиля, рабо-
19 Б. И. Королев. 239
тающего без всяких прокладок и смазок и в то же время
обладающего герметичностью, позволяющей применять его
в вакуумных установках для получения сверхвысокого ва-
куума (§ 6-7). На рис. 8-13 дана схема такого вентиля.
Медная чашечка 1 диаметром 35 мм имеет два отверстия
диаметром 6 мм, от которых отходят трубки, одна 2 в сто-
рону откачиваемого объема, другая 3 в сторону паромасля-
ного насоса. Чашечка закрыта тонкой коваровой диафраг-
мой 4, способной прогибаться в обе стороны примерно на
2,5 мм. Диафрагма снабжена коваровым стержнем 5, ниж-
ний конец которого пришлифован к одному из отверстий ча-
шечки, а верхний остается свободным. Все детали вентиля
Рис. 8-13. Вен-
тиль без про-
кладки и смаз-
ки (для сверх-
высокого ва-
куума).
спаиваются между собой бронзой в водород-
ном пламени. На чашечку надевается колпа-
чок 6 с микрометрическим винтом 7, кото-
рым можно перемещать стержень вместе с
диафрагмой. Для закрывания вентиля стер-
жень вводится в отверстие чашечки, для от-
крывания — перемещается в обратную сто-
рону. Вентиль можно прогревать для обез-
гаживания. Течь через вентиль не превышает
10~10 мм рт. ст. л)сек.
Резина как материал для вакуумных си-
стем. Резина благодаря своей эластичности,
прочности и газонепроницаемости получила
весьма широкое применение в вакуумной тех-
нике. Существенным недостатком ее являет-
ся газоотдача; но этот недостаток большей
частью удается устранить тем, что поверхность резины, с ко-
торой могут поступать в вакуумную систему выделяющиеся
из резины газы, стараются или закрыть, или свести к мини-
муму.
Натуральная и синтетическая резины имеют много об-
щих свойств. Главнейшие из них следующие.
Несжимаемость резины: какой бы деформа-
ции резина ни подвергалась/ она сохраняет свой объем;
любое сжатие резины в одном месте можно осуществить
лишь за счет ее расширения в другом и обратно. Именно
это свойство резины и делает ее одним из самых надежных
уплотняющих материалов вакуумной техники.
Остаточная деформация: пребывание резины
в течение достаточно длительного времени в сжатом состоя-
нии приводит к возникновению так называемой остаточной
290
деформации, которая тем больше, чем выше температура,
при которой находилась резина. Поэтому рабочая темпера-
тура резины не должна превышать 90—125° С.
На резине вредно отражается не только высокая, но и
низкая температура, при которой резина теряет свою эла-
стичность; высокая температура, как уже говорилось, при-
водит к быстрому старению резины, при которой ее ценные
качества теряются окончательно; при низкой температуре
происходит лишь временная утрата эластичности, которая
возвращается вновь после нагревания резины до нормаль-
ной температуры.
Синтетическая резина хуже естественной по сопротивляе-
мости разрыву, но меньше набухает при соприкосновении
с маслом, чем естествен-
ная.
Краме уже упомянуто-
го применения резины в
виде прокладок во флан-
цевых соединениях и ва-
куумных вентилях, резина
используется в вакуумной
технике в виде толстостен-
ных резиновых шлангов.
Толщина стенок наиболее
ходовых сортов шлангов
может быть от 6 до 10 мм\
Рис. 8-14. Концы трубок, оформлен-
ные для вставления в резиновый
шланг.
/ — стеклянная трубка; 2—металлическая
трубка.
такие стенки не сдавливаются атмосферным давлением. Вну-
тренний диаметр может быть от 3 до 9 мм\ шланги с больши-
ми внутренними диаметрами, применяются главным образом
в вакуумных системах, предназначенных для откачки боль-
ших объемов. В отношении герметичности и чистоты стенок
резиновые шланги уступают стеклянным и металлическим.
Для удобства введения в резиновый шланг стеклянной
или металлической трубки концам последних придается спе-
циальная форма (рис. 8-14). Для большей плотности со-
прикосновения диаметр резинового шланга должен быть
достаточно узким, чтобы вставляемая в него стеклянная или
металлическая трубка входила с большим усилием. Для
лучшего вставления и для улучшения герметичности вну-
треннюю поверхность конца резинового шланга и наружную
поверхность вставляемой трубки промазывают уплотняю-
щей смазкой или касторовым маслом (в зависимости от до-
пустимого давления насыщенных паров смазки в соответ-
ствующем участке вакуумной системы).
19*
291
Отрезки резиновых шлангов, при помощи которых про-
изводится соединение стеклянных или металлических тру-
бок, должны быть, по возможности, короче, а вставляемые
в них трубки должны входить до стыка друг с другом. Если
же между теми участками вакуумной системы, которые
соединены отрезком резинового шланга, требуется периоди-
г
Рис. 8-15. Зажимы.
1 — винтовой зажим; 2 — рычажный зажим.
ческое разобщение, то между вставляемыми трубками мож-
но оставить свободное пространство, допускающее исполь-
зование так называемых зажимов (рис. 8-15). Резиновые
шланги для вакуумных систем должны быть высокого ка-
чества (с малым содержанием серы, с хорошими упругими
свойствами). Для удаления серы, а также других загрязне-
Рис. 8-16. Схема устройства откачного гнезда
с резиновым вкладышем.
/ — корпус гнезда с нарезной втулкой и патрубком; 2—резино-
вый вкладыш; 3 — прижлмная шагэа; 4— кольцо с внутренней
резьбой; 5 — зажимной ро1чаг.
ний, имеющихся на внутренней поверхности резинового
шланга, применяется промывка (кипячение) в 5 %-ном рас-
творе щелочи (КОН). Резина способна стареть, т. е. терять
свои упругие свойства и растрескиваться. Особенно быстрое
старение резины происходит при повышенной температуре и
на свету; из этих соображений резина хранится в прохлад-
ном темном месте в плотно закрытых сосудах.
Большое распространение получил способ вставления
подлежащих откачке электровакуумных приборов в гнезда
292
откачных автоматов при помощи так называемых резино-
вых вкладышей.
Конструкция откачного гнезда с резиновьпм вкладышем
изображена на рис. 8-16.
Электровакуумный прибор для откачки на автомате сво-
бодно вставляется в цилиндрическое отверстие по оси вкла-
дыша, после чего поворотом рычага, вращающегося по
нарезке гнезда, вкладыш через шайбу сжимается в вертикаль-
ном направлении (сверху вниз), но соответственно расши-
ряется в горизонтальном направлении, создавая надежное
уплотнение между наружной стенкой вкладыша и внутрен-
ней стенкой откачного гнезда, а также между стенками
цилиндрического отверстия вкладыша и стеклянной откач-
ной трубкой вставленного электровакуумного прибора.
В гнездах описанной конструкции достигается вакуум по-
рядка 10~5 мм рт. ст.
8-3. ДЕТАЛИ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Кроме перечисленных выше деталей, уже рассмотрен-
ных в предыдущих главах и параграфах, упомянем еще сле-
дующие.
Затворы. Для разобщения отдельных участков вакуум-
ных систем, когда разница давлений в нех невелика, при-
меняются так называемые затворы. На рис. 8-17 изображен
ртутный затвор, в котором для разобщения соседних уча-
стков ртуть поднимают выше разветвления; для этого удоб-
нее всего применять тройной кран аналогично тому, как это
делается для поднятия ртути в компрессионном манометре.
На рис. 8-18 изображен электромагнитный затвор. Же-
лезный колпачок находится в ртутном кольце и перекрывает
сообщение между трубками 1 и 2. Для сообщения этих тру-
бок включают ток через электромагнит 3, который подни-
мает колпачок в пространство 4, где в несколько изогнутом
вниз конце трубки колпачок можно оставить, пока не по-
требуется снова опустить его в ртуть при помощи электро-
магнита.
Приспособления в виде баллонов. Если на стороне пред-
варительного вакуума между пароструйным и вращатель-
ным насосом вставить баллон достаточно большого (1,5 ->
2 л) объема, то он может выполнять две полезные функции:
1) служить пространством, в котором после некоторого
времени работы пароструйного и вращательного насосов
может поддерживаться достаточно низкое давление, даю-
щее возможность пароструйному насосу продолжать работу
293
при выключенном насосе предварительного вакуума в тече-
ние длительного времени;
2) служить предохранителем против проникновения мас-
ла из вращательного насоса в пароструйный при непреду-
смотренной остановке насоса предварительного вакуума.
На рис. 8-19 изображен баллон с. предохранительным за-
витком, служащий для предохранения насоса от попадания
в него механических загрязнений (например, стекла) со
стороны вакуумной системы; такой же баллон может предо-
хранять вращательный насос от попадания в него ртути
при аварии с пароструйным насосом.
Рис. 8-18. Электромагнитный зат-
вор.
1 и 2— стеклянные трубки; 3—электро-
магнит; 4 — место для колпачка; 5—кол-
пачок.
Регулятор давления. Для регулировки давления газа при
наполнении газом откачанного электровакуумного прибора
применяется специальный прибор, носящий название регуля-
тора давления. Регулятор давления изображен на рис. 8-20.
Он устанавливается в подводке газа и пропускает посту-
пающий газ только до определенного давления, на которое
он настроен.
Настройка регулятора на определенное давление осу-
ществляется такой регулировкой имеющейся в нем мембра-
ны, чтобы высокое давление с входной стороны регулятора
уравновешивала сумма давлений мембраны и пропущенно-
го газа.
Регуляторы давления применяются в производстве мно-
гих электровакуумных приборов с газовым наполнением
(газонаполненных ламп накаливания, люминесцентных
294
ламп, стартеров и др.), наполняемых до относительно вы-
соких давлений (от нескольких миллиметров до нескольких
сот миллиметров ртутного столба).
Игольчатый вентиль. Для впуска в вакуумную систему
газов или паров в небольших, но точно определенных коли-
чествах применяется игольчатый вентиль (рис. 8-21). При
Рис. 8-19. Баллон с предохра-
нительным завитком.
Рис. 8-20. Регулятор давления
газа (общий вид).
1 — входной патрубок; 2— выходной па-
трубок; 3—устройство для настройки
регулятооа на определенное давление
с выходной стороны.
помощи круглой ручки, наде-
той на стержень с винтовой
нарезкой и конической «иг-
лой» на конце, можно сужать
или расширять зазор между
иглой и стенками узкого про-
ходного канала; тем самым
пропускная способность вен-
тиля может весьма точно ре-
гулироваться, обеспечивая
пропуск определенного пото-
ка газа.
Игольчатые вентили удобно применять, например, при
градуировке манометров, при экспериментальном определе-
нии быстроты действия насосов или быстроты откачки ва-
куумной системы при определенном давлении, при наполне-
нии откачанных приборов газами до относительно низких
давлений и т. п.
Натекатели. Для
впуска в вакуумную
ма малых количеств
меняют натекатели.
обладающие столь малой пропускной способностью, что про-
295
тех же целей, но при необходимости
систему и откачиваемый прибор весь-
газа вместо игольчатого вентиля при-
Такое название получили устройства,
ходящий через них поток газа можно сравнить лишь с ма-
лой течью.
Для примера рассмотрим один из натекателей
(рис. 8-22). В нем использовано различие в коэффициентах
теплового расширения двух металлов: капилляра 1 и нахо-
дящейся внутри капилляра стальной проволоки 2. В холод-
ном состоянии капилляр плот-
но облегает проволоку и нате-
катель практически заперт; при
включении подогревателя 3, на-
витого на капилляр, ввиду пре-
вышения 'коэффициента расши-
Рис. 8-21. Игольчатый вентиль.
1—входной патрубок; 2—выходной
патрубок; 3 —игла; 4 — винт с уплотнен-
ной резьбой.
Рис. 8-22. Регулируемый натека-
тель.
1 — металлический капилляр; 2 — сталь-
ная проволока; 3 — обмотка подогрева-
теля.
рения капилляра над коэффициентом расширения стальной
проволоки, между ними получается зазор, и натекатель на-
чинает действовать. Поток через натекатель тем больше,
чем больше ток через подогреватель, что позволяет регули-
ровать поток газа, проходящий через натекатель.
8-4. ВАКУУМНЫЕ УПЛОТНИТЕЛИ
Вещества, применяемые в вакуумной технике для повы-
шения герметичности различных соединений, деталей и при-
боров, носят название вакуумных уплотнителей. В зависи-
мости от области применения уплотнители разделяются на
группы, различающиеся между собой составом, температу-
рой размягчения, давлением насыщенных паров и другими
особенностями.
Основные требования к вакуумным уплотнителям сво-
дятся к следующим. Поскольку каждый уплотнитель неиз-
бежно, хотя бы весьма малой частью поверхности, соприка-
сается с пространством, в котором требуется поддержание
вакуума, все уплотнители должны обладать возможно мень-
29G
шим давлением насыщенных паров. Из этих соображений,
чем более высокий вакуум должен поддерживаться в дан-
ном участке вакуумной системы, тем с меньшим давлением
насыщенных паров следует выбрать уплотнитель. Так, на-
пример, если на низковакуумном участке вакуумной систе-
мы можно применить уплотнитель с давлением насыщен-
ных паров порядка 10-3-н 10“4 мм рт. ст. (при 20° С), то
для высоковакуумной части необходимо брать уплотнитель
с давлением насыщенных паров не выше 10~5 -н 10~6 мм
рт. ст.
Уплотнители должны быть достаточно температуроустой-
чивыми, чтобы возможное повышение температуры в том
или ином участке вакуумной системы не нарушало уплот-
нения (например, вследствие размягчения и последующего
за ним прорыва уплотнителя атмосферным воздухом). В то
же время применение уплотнителя часто связано с необхо-
димостью его предварительного расплавления или размяг-
чения, что, очевидно, не должно происходить при слишком
высокой температуре, так как безопасно залить место со-
единения, обладающего невысокой температурной устойчи-
востью (например, стеклянного), можно только при доста-
точно низкой температуре. Желательно, чтобы температура
расплавления или достаточного размягчения уплотнителя
не была выше 100°.С и в то же время, по возможности,
превышала комнатную температуру.
Уплотнители должны обладать определенными механи-
ческими и физическими свойствами: твердые и пластиче-
ские уплотнители, затвердевающие после остывания, и ла-
ки, затвердевающие после высыхания (испарения раство-
рителя) , должны иметь гладкую поверхность, не должны
быть хрупкими и не давать трещин даже при относительно
резком температурном воздействии. Жидкие и вязкие уплот-
нители должны, по возможности, дольше сохранять свою
первоначальную вязкость. Поскольку уплотнители периоди-
чески необходимо обновлять (особенно жидкие и вязкие),
они должны обладать способностью растворяться в соот-
ветствующих растворителях; только растворителем можно
начисто отмыть уплотнитель с того или иного места вакуум-
ной системы.
Важнейшие уплотнители. Уплотнители для постоянных,
нешлифованных соединений и для покрытия наружных по-
верхностей отдельных участков вакуумных систем. К таким
уплотнителям относятся следующие.
297
Эмалевая краска. Состав: масляная краска, содержа-
щая смолу. Максимальная рабочая температура 30° С (за-
висит от состава). Растворяется в бензине и бензоле.
Шеллачный лак. Состав: концентрированный раствор
шеллака в спирте. В чистом виде шеллачный лак быстро
растрескивается, поэтому его удобно применять для промаз-
ки или покрытия поверхности лишь на относительно' корот-
кое время, например для испытания на степень натекания
подозрительных участков вакуумной системы. Размягчает-
ся при 80° С. Максимальная рабочая температура 30° С.
Растворяется в спирте, ацетоне.
Шеллачнодегтярный лак. Состав: шеллак, размешанный
в определенном количестве в дегтярном масле. В зависи-
мости от концентрации шеллака можно получать мягкий,
средний и твердый шеллачнодегтярный лак. Он более про-
чен, чем чистый шеллачный лак, и выдерживает нагрев до
более высокой температуры. Давление насыщенного па-
ра — порядка Г0—3 лои рт. ст. при нормальной температуре.
Растворяется в спирте и ацетоне.
Глипталевый лак. Состав: спиртовый раствор глиптале-
вой смолы. Максимальная рабочая температура 100° С.
Растворяется в смеси спирта с бензолом. Может служить
заменителем шеллачного лака.
Уплотнители для постоянных и разборных нешлифован-
ных соединений. К ним относятся следующие.
Битум IV и битум V (ОСТ 1296/508). Состав: углеводо-
роды (нефтяного происхождения). Температура размягче-
ния соответственно 70 и 90° С. Максимальная рабочая тем-
пература на 10° С ниже температуры размягчения. Давление
насыщенных паров 10 мм рт. ст. при 20° С.
Пицеин. Состав: битум, шеллак и каучук. Температура
расплавления (смачивания поверхности) 80 -г-100° С. Наи-
большая рабочая температура 40° С. Не обладает хруп-
костью и не дает трещин со временем. Давление насыщен-
ного пара 1 • 10-4 мм рт. ст. при 20° С.
«Универсальный» воск. Состав: пять (или четыре) частей
очищенного- пчелиного воска и одна часть неочищенного
скипидара (терпентина). Хорошо прилипает и обладает
пластичностью. Наружная поверхность вследствие окисле-
ния затвердевает, поэтому этот воск следует готовить лишь
в небольшом количестве по мере надобности. Достаточной
пластичностью обладает при температуре лишь немного вы-
ше комнатной. Давление насыщенного пара несколько ниже
1 • 10~3 мм рт. ст.
298
Воскоканифольная смесь. Состав: пчелиный воск и ка-
нифоль, сплавленные в равных частях. Хорошо прилипает
к холодным металлам. Пластична при комнатной темпера-
туре. Растворяется в смеси из равных частей четыреххло-
ристого углерода и этилового спирта.
Замазка Менделеева. Состав: сплав воска (25 частей) и
канифоли (100 частей) с порошкообразным наполнителем
(мумия, пемза 40 частей), иногда с добавкой олифы. Тем-
пература размягчения 50° С. Растворитель тот же, что и для
предыдущей воскоканифольной смеси.
Уплотнители для подвижных шлифованных соединений
(вязкие смазки для кранов и шлифов). К ним относятся сле-
дующие:
Апиезоновые смазки. Состав: производные тяжелых
углеводородов, кипящие при высокой температуре и полу-
чаемые посредством дистилляции в вакууме. Поверхности
соприкосновения соединений покрываются тонким слоем,
после чего их осторожно, но плотно прижимают друг к дру-
гу. Таким путем возможные ничтожные зазоры между при-
тертыми поверхностями заполняются смазкой и делаются
газонепроницаемыми. В зависимости от состава фракций,
использованных при перегонке, давление насыщенного па-
ра апиезоновых смазок может колебаться в пределах 10-5 -г-
10~7 мм рт. ст. при 20° С. Нельзя допускать увлажнения и
вообще загрязнения смазок; хранить их необходимо в за-
крытой таре, иначе поглощенный воздух может заметно по-
высить давление в вакуумной системе..
Все апиезоновые смазки с течением времени работы по-
степенно подсыхают, из-за чего давление их насыщенного
пара становится все более низким и в то же время все бо-
бее затрудняется поворачивание смазанных ими кранов или
шлифов. Поэтому требуется периодическое возобновление
смазки.
Апиезонокаучуковая смазка. Смазку готовят путем вы-
паривания разных частей небольших кусочков натурального
каучука и какой-либо из вышеописанных апиезоновых сма-
зок. Выпаривание производится в колбе, нагреваемой до
невысокой температуры в песчаной бане с непрерывным по-
мешиванием, пока содержимое в колбе не станет равномер-
ным (до полного растворения каучука). После этого колба
вынимается из бани и устанавливается к аппарату для
фракционной перегонки. По достижении в последнем высо-
кого вакуума производится нагрев в масляной ванне; та-
ким путем смазка освобождается от легколетучих состав-
299
ляющих. Остающуюся после этого смесь из тяжелых фрак-
ций можно получить с весьма низким давлением насыщен-
ного пара.
Уплотнители для хорошо пришлифованных поверхностей
разборных соединений и соединений на резине (жидкие
смазки).
Касторовое масло, Состав: сложные эфиры жирных кис-
лот и глицерина. Широко применяется для смазки золот-
никовых дисков откачных автоматов, откачных трубок осве-
тительных и электронных ламп при вставлении их в рези-
новые гнезда откачных автоматов, а также поверхностей
соединений при помощи резиновых трубок. Длительные со-
единения требуют периодического обновления смазки све-
жим касторовым маслом, так как образующаяся с течением
времени корочка опасна из-за возможности образования
в ней тончайших каналов.
Помртмо растворителей, уже указанных при рассмотре-
нии отдельных уплотнителей, для отмывки почти всех соеди-
нений широко применяются бензин, бензол и трихлорэтилен.
Общим правилом при пользовании всеми уплотнителями
является предохранение самих уплотнителей от загрязне-
ний. При смазывании кранов и шлифов следует наносить
лишь тонкий слой смазки, при том так, чтобы она не закры-
вала отверстий крана и не выступала за пределы притер-
тых поверхностей (§ 8-2).
8-5. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Откачка любого электровакуумного прибора сводится
к выполнению последовательного ряда операций, в резуль-
тате которых изготовление прибора заканчивается или же
остается выполнить лишь некоторые дополнительные опера-
ции (использование поглотителя, цоколевка и т. п.). Опера-
ции, последовательно проводимые в процессе откачки, прин-
ципиально одинаковы для всех электровакуумных приборов
независимо от их типа и конструкции. Прибор присоеди-
няется откачной трубкой к вакуумной системе, из него уда-
ляется основная масса воздуха, далее происходит вакуум-
ная обработка прибора (прогрев стекла; если нужно, про-
каливание металлических деталей и т. п.), доводится до
нужного минимума полное давление (в вакуумных прибо-
рах) или парциальное давление вредных примесей к газу
(в приборах с газовым наполнением) и после этого прибор
отпаивается.
В связи с этим все вакуумные системы строятся по
300
принципиально одинаковой схеме, отличаясь лишь в дета-
лях в зависимости от размеров откачиваемого прибора, его
сложности и степени требуемого вакуума или чистоты газа-
наполнителя.
Чем больше размеры прибора, чем он более сложен и
чувствителен к качеству откачки, тем большая степень гер-
метичности требуется при его присоединении к вакуумной
системе и тем большее время необходимо на его откачку.
Наоборот, приборы небольших размеров или менее слож-
ные, или, наконец, доводимые до требуемого вакуума уже
после отпайки с вакуумной системы (поглотителями) мож-
но откачивать значительно быстрее. По этому признаку
вакуумные системы подразделяются на два основных вида:
откачные посты и откачные автоматы.
Откачные посты предназначены, как правило, для
длительной и тщательной откачки; они могут быть приспо-
соблены для присоединения приборов к вакуумной системе
путем напайки; напаянный прибор или одновременно' целая
партия напаянных приборов проходит весь цикл откачки,
затем отпаивается и только после этого можно напаивать
для откачки следующий прибор или партию приборов.
Откачные автоматы предназначены для быстрой
откачки; они имеют подвижную вращающуюся часть (кару-
сель), в одном пункте которой еще только вставляется оче-
редная лампа для откачки, а в другом в то же время уже
отпаивается откачанная лампа; благодаря этому откачка
производится непрерывным потоком и достигается весьма
большая производительность.
Откачные посты. Как правило, откачной пост представ-
ляет собой металлический прямоугольный каркас, на ниж-
ней половине которого монтируются трубопровод и все
основные приспособления; на верхней половине поста
к концам трубопровода присоединяются откачиваемые при-
боры, здесь же расположены печь для прогрева стекла и
электрическая подводка для прокаливания металлических
деталей пропусканием тока, токами высокой частоты и элек-
тронной бомбардировкой. Вращательные насосы разме-
щаются обычно с задней стороны откачного поста.
Возможные вакуумные схемы для откачных постов мы
рассмотрим, начиная с самых простых и переходя постепен-
но к более сложным.
Для удобства описания приводим некоторые принятые
изображения элементов вакуумных систем; остальные изо-
бражения пояснений не требуют.
301
Откачиваемый прибор с откачной трубкой:
последняя может быть или достаточно узкой
на всем протяжении и потому не нуждающейся
в перетяжке, или может иметь перетяжку,
которую указывать не будем.
Стеклянная вилка с напаянными для откачки
приборами (на всех рисунках вилка изображена
с тремя напаянными приборами; практически
число отростков в зависимости от конструкции
откачиваемых приборов может доходить до не-
скольких десятков).
Стросток от стеклянного участка трубопро-
вода, предназначенный для дутья при напайке
приборов; отросток перед напайкой вскрывается
с конца, специально оттянутого для облегчения
надлома; на него надевается резиновая трубоч-
ка для дутья; после напайки прибора трубочка
снимается и надломленный конец отростка за-
паивается в оттянутсш виде.
Резиновое соединение (отрезок резинового
шланга).
Металлический зажим для резиновых соеди-
нений.
' ТепловойТ манометр (сопротивления или тер-
мопарный).
•“ ^Ионизационный-манометр.
ЦВП — централизованная вакуумная подводка. Послед-
няя представляет собой магистраль, проложенную от мощ-
ного вакуумного насоса (расположенного обычно в отдель-
ном помещении) и имеющую систему ответвлений, подво-
димых к отдельным вакуумным системам.
Примерные вакуумные системы откачных постов изобра-
жены на рис. 8-23 -* 8-31. На рис. 8-23 представлена про-
стейшая вакуумная система, предназначенная для откачки
одного объекта только вращательным насосом. Точного
измерения вакуума за отсутствием манометров провести
нельзя; для оценки давления можно пользоваться свече-
нием электрического разряда, возбуждаемым в откачивае-
мом объекте или трубопроводе (обычно искровым тече-
искателем).
На рис. 8-24 показана та же схема соединения, что и на
рис. 8-21, но зажим заменен краном.
На рис. 8-25 схема та же, вакуумная система снабжена
302
вилкой, позволяющей производить одновременную откачку
нескольких объектов.
На рис. 8-26 вакуумная система снабжена манометрами;
компрессионным, показывающим парциальное давление по-
стоянных газов, и тепловым, показывающим полное давле-
ние в системе.
На рис. 8-27 представлена еще более сложная вакуум-
ная система, в которой имеется ловушка для выморажива-
ния паров рабочих жидкостей. Как видно из схемы, ловуш-
ка расположена так, что если она охлаждена, то в откачи-
ваемые приборы не может проникнуть ни ртутный пар из
манометра, ни пары масла из насоса; в то же время в нее
Рис. 8-23. Простей-
шая вакуумная
система.
Рис. 8-24. Вакуумная
система с тройным
краном на впускном
патрубке насоса.
Рис. 8-25. Вакуумная
сигтема для одновре-
менной откачки не-
скольких объектов.
постепенно перегоняются пары, проникшие в откачиваемые
объекты ранее. В связи с наличием ловушки небезразлично,
где расположить тепловой манометр. Чтобы последний
всегда показывал давление только тех газов (при охлаж-
денной ловушке), которые присутствуют в откачиваемых
приборах, он, очевидно, должен находиться по отношению
к ловушке на стороне приборов. При таком расположении
теплового манометра последний можно в случае надоб-
ности градуировать путем сравнения с компрессионным ма-
нометром.
На всех рассмотренных выше вакуумных системах мож-
но откачивать приборы, не требующие особенно тщательной
откачки; при одинаковом качестве насоса предельный ва-
303
куум в откачиваемых 'приборах неодинаков; худшим он дол-
жен быть в системе рис 8-23, где для возможности исполь-
зования зажима необходимо внутри резиновой трубки
оставлять свободный промежуток между концом трубопро-
вода и впускным патрубком насоса; в системах рис. 8-24,
8-25 и 8-26 должен достигаться относительно лучший пре-
дельный вакуум, так как во всех резиновых трубках соеди-
няемые концы можно сблизить до непосредственного стыка
и тем свести свободную поверхность резиновой трубки Дб
Рис. 8-26. Вякуутяная система, поз-
воляющая измерять давление ком-
прессионным и тепловым_-мано-
метрами.
Рис. 8-27. Вакуумная
система с холодной
ловушкой.
минимума. Лучшим предельным вакуумом в откачиваемом
объекте должна отличаться вакуумная система рис. 8-27,
поскольку в ней предусмотрено вымораживание паров ло-
вушкой.
При работе вакуумных систем, в которых имеется ком-
прессионный манометр, необходима осторожность при пуске
откачного поста в работу (§ 6-4). Схема, позволяющая
включать вакуумную систему на откачку без опасности ава-
рии с компрессионным манометром показана на рис. 8-28.
Для этого необходимо придерживаться следующего поряд-
ка: поскольку до откачки во всех участках вакуумной си-
стемы давление равно атмосферному, краны / и 2 можно
открыть в сторону крана 3, который, в свою очередь,
открыть на атмосферу. После этого кран 3 можно повернуть
304
на 180° и тем одновременно все участки вакуумной системы
(включая и пространство над ртутью в баллоне, связанное
с краном 1) будут сообщены с централизованной вакуум-
ной подводкой или отдельным насосом. После этого край 2
можно повернуть на кран 4, сообщающий вакуумную си-
стему с вращательным насосом.
На рис. 8-29 вакуумная система снабжена парортутным
насосом, ловушкой и ионизационным манометром. Она при-
годна для откачки генераторных ламп, электронно-лучевых
трубок и т. п. Ионизационный манометр располагается на
Рис. 8-28. Вакуумная система с
откачкой компрессионного мано-
метра с обеих сторон.
Рис. 8-29. Вакуумная система с
парортутным насосом, ловушкой
и ионизационным манометром.
стороне откачиваемого объекта (по отношению к ловушке).
Представленная на рис. 8-30 вакуумная система приспо-
соблена для откачки одновременно двух электровакуумных
приборов.
Краткое описание последних двух вакуумных систем не-
обходимо дополнить следующими важными замечаниями.
Отметим, во-первых, отсутствие кранов и резиновых соеди-
нений между пароструйными насосами и откачиваемыми
приборами (краны и резиновые соединения ставятся на вы-
соковакуумной стороне лишь в случае крайней необходи-
мости) ; во-вторых, отсутствие ловушек в случае паромасля-
ных и, в особенности, разгоночных насосов; вымораживание
паров рабочих жидкостей паромасляных насосов применяет-
ся лишь в специальных случаях. Отсутствие кранов, рези-
новых соединений гарантирует надлежащую герметичность,
20 Б. И. Королев. . 305
а отсутствие ловушек — лучшую пропускную способность
трубопровода между откачиваемыми приборами и паро-
струйными насосами.
В заключение рассмотрим вакуумную систему, предназ-
наченную для откачки приборов с газовым наполнением
(рис. 8-31). В этом случае приходится на стороне откачи-
ваемых приборов ставить краны: первый (/) для разобще-
ния откачанных приборов от пароструйного насоса, второй
(2) —для впуска газа в приборы из баллона. Если напол-
нение производится до невысоких давлений, то кран 2 дол-
Рис. 8-39. Вакуумная система для
одновременной откачки двух
электровакуумных приборов.
Рис. 8-31. Вакуумная системна для
откачки приборов с газовым на-
полнением.
жен бытц порционным (рис. 8-7) или дополнительно к нему
ставится еще один кран 3. Пространство между кранами 2
и 3 («дозирующий» объем) подвергается такой же тщатель-
ной откачке, как и приборы; перед наполнением приборов
кран 3 закрывается и газом наполняется сначала неболь-
шое пространство между кранами; затем закрывается кран 2,
а открывается кран 3, и газ в нужном количестве поступает
в приборы.
Если к вакуумной системе подведен газ, нуждающийся
в очистке, то между газовой подводкой и вакуумной систе-
мой помещается газоочистительная система.
Как уже было упомянуто, при откачке газонаполненных
приборов требуется достаточная чистота газа—наполнителя:
парциальное давление вредных газообразных примесей
должно быть минимальным.
306
Этому требованию можно удовлетворить двумя способа-
ми. По первому способу прибор, подлежащий наполнению
газом, подвергается тщательной откачке с одновременным
обезгаживанием (если это требуется) стенок стекла и ме-
таллических деталей; после этого, если требуемое мини-
мальное давление остаточных вредных примесей достигну-
то, прибор наполняется газом; такой способ наполнения
применяется, когда газ-наполнитель дорог или дефицитен,
а прибор чувствителен к малым примесям посторонних
газов.
По второму способу прибор, подлежащий наполнению
газом, подвергается относительно кратковременной откачке,
после которой производится попеременное наполнение при-
бора газом до некоторого давления и затем удаление этого
газа путем быстрой откачки прибора насосом; поперемен-
ное наполнение газом и откачка называются промывкой
прибора; газ, которым прибор наполняется для промывки,
называется промывочным газом; в качестве промывочного
можно применять тот же газ, которым прибор наполняется
окончательно; если же этот газ дорог, то прибегают к ис-
пользованию для промывки другого, более дешевого газа;
последнее возможно, очевидно, только при условии, если
его примесь к основному газу-наполнителю не влияет на
параметры прибора.
Обезгаживание стенок стекла и металлических деталей
при втором способе наполнения производится перед про-
мывкой или одновременно с промывкой прибора.
Второй способ наполнения приборов газом более наде-
жен, так как при отсутствии натекания вакуумной системы
при помощи достаточного числа промывок можно добиться
«разбавления» оставшихся в приборе вредных газов до та-
кого низкого парциального давления, какого путем самой
тщательной откачки добиться вообще невозможно (§ 9-14).
Помимо этого, сама ПО' себе операция промывки, даже при
многократном ее повторении, все же занимает очень мало
времени по сравнению с тем временем, которое необходимо
для тщательной откачки.
В последние годы для электровакуумных приборов,
откачку которых трудно механизировать, для различного
рода вакуумных испытаний, а также для исследовательских
работ, связанных с применением высокого вакуума, приме-
няют цельнометаллические вакуумные системы типа откач-
ных постов. Эти системы выполнены только из металличе-
ских элементов и соединений, включая и вакуумные уплот-
20* 307
нения, в качестве которых применяются металлические про-
кладки (медные и алюминиевые).
Откачиваемые приборы присоединяются к вакуумной
системе путем напайки, для чего имеется специальный стек-
лянный вывод.
Рис. 8-32. Вакуумный агрегат ВА-01-1 (общий вид).
Цельнометаллическую вакуумную систему можно про-
гревать до высокой температуры во всех участках, включая
и сочленения с прокладками (до 400° С в случае алюми-
ниевых и ДО' 600°С в случае медных прокладок), и тем
свести к минимуму внутреннее газовыделение; благодаря
308
этому достигается вакуум порядка 10-7 мм рт. ст. (с вымо-
раживающей ловушкой).
Для откачки больших объемов, необходимых для про-
ведения различных операций, связанных с применением ва-
куума (плавки металлов, сушки и т. п.), получили распро-
странение типовые вакуумные агрегаты ВА-01-1 и ВА-05-1,
выпускаемые нашей промышленностью.
Вакуумные агрегаты (рис. 8-32) состоят из паромасля-
ного насоса /, укрепленного на раме 2, присоединительной
головки 3 (для присоединения к откачиваемому объему),
вакуумного вентиля 4 и электрощитка 5.
Паромасляный насос снабжается маслоотражательным
щитком, представляющим собой металлический колпачок,
располагаемый над зонтиком верхнего сопла и охлаждае-
мый проточной водой; этот щиток, задерживая на своей по-
верхности молекулы масла, получившие направление из
насоса в сторону присоединительной головки, снижает в де-
сятки раз количество масляного пара, попадающего в отка-
чиваемый объем.
Если требуется более радикальная защита откачиваемо-
го объема от попадания в него паров масла из насоса, то на
этот случай предусмотрена ловушка, охлаждаемая жидким
азотом. Эта ловушка по своему устройству отличается от
конструкций, рассмотренных в § 5-8: конденсация масла
происходит на охлаждаемых металлических пластинах, рас-
положенных над маслоотражателем и механически связан-
ных с выходящим из насоса наружу медным стержнем 6,
конец которого опущен в сосуд Дьюара 7.
Следует упомянуть о наличии на электрощитке устройств,
сигнализирующих (гаснущей лампочкой) о перегорании по-
догревателя насоса и (звонком) об уменьшении протока
воды.
Перейдем теперь к механизированным откачным устрой-
ствам (откачным автоматам1).
Откачные автоматы (рис. 8-33 и 8-34) представляют со-
бой машины карусельного типа, имеющие в качестве основ-
ной детали так называемый золотник, состоящий из двух
массивных стальных частей: неподвижного диска /, жестко
1 Некоторые операции на автоматизированных откачных устрой-
ствах производятся вручную; такие устройства было бы правильнее
называть откачными полуавтоматами, но так как не автоматизируют-
ся обычно несущественные операции (загрузка автомата, отпайка
и т. п.), то для краткости мы будем все автоматизированные откачные
устройства называть откачными автоматами.
309
скрепленного со станиной автомата, и прилегающего к не-
му подвижного диска 2, связанного с вращающейся при
работе каруселью 3. Прилегающие друг к другу плоскости
золотниковых дисков пришлифованы и между ними для
уплотнения вводится смазка из касторового масла.
Приборы, подлежащие откачке, вставляются в гнезда 4,
расположенные равномерно по окружности карусели; от
каждого гнезда идут вниз съемные соединительные труб-
ки к патрубкам 5 подвижного диска; канал каждого
Рис.
8-33.
НИЖНИЙ
Схема откачного авто-
мата.
золотниковый диск; 2—верх-
ний золотниковый диск; 3 —карусель;
4 — гнезда; 5 — патрубок
золотникового
подвижного
подвижного
диска; 6 — патрубок не-
золотникового диска.
патрубка продолжается
толще диска и заканчивает-
ся отверстием со стороны,
пришлифованной к непод-
в
Рис. 8-34. Система соединений от
лампы до насоса (газовой под-
водки).
1 — откачная трубка лампы; 2 — гнездо
карусели; 3 — стеклянный соединитель
(он же улавливает провалившиеся оскол-
ки стекла); 4—патрубок подвижного
золотникового диска; 5 — подвижн мй зо-
лотниковый диск; 6— НИЖНИЙ ЗОЛОТНИ-
КОВ' й диск; 7 — патрубок неподвижного
золотникового диска; 8—трубка для
присоединения к насосу (газовой под-
водке); 9— масленка; 10—канавки для
масла.
вижному золотниковому диску. Последний также имеет от-
верстие и каналы, продолжающиеся наружу в виде патруб-
ков 6. От каждого патрубка неподвижного диска отходят
съемные соединительные трубки, ведущие к насосам или
к подводке, через которую происходит наполнение прибора
газом.
Система соединений, которую должен пройти газ, уда-
ляемый из прибора (1—»8\ или подаваемый в прибор
(8—+1), более детально изображена на рис. 8-34. Враще-
ние подвижного диска происходит с перерывами, приходя-
щимися на момент совпадения отверстий обоих дисков.
310
Простояв в данной позиции определенный промежуток вре-
мени, откачиваемый прибор вместе с каруселью переходит
в следующую позицию. Во время перехода прибор изоли-
рован от подводок, связанных с неподвижным диском; оста-
новившись же в следующей позиции, он снова становится
связанным, но уже с новым отверстием неподвижного ди-
ска и далее с насосом или газовой подводкой. Пройдя, та-
ким образом, весь откачный цикл, вакуумный прибор побы-
вает последовательно на всех откачных позициях автомата,
после чего отпаивается газовой горелкой; если автомат
предназначен для откачки газонаполненных приборов, то
ряд позиций, которые он проходит, связан с наполнением
прибора сначала промывочным газом, например азотом,
а перед отпайкой — газом-наполнителем, например аргоном,
криптоном, 'гелием и т. п.
Более подробное описание устройства автомата в нашу
задачу не входит. Мы рассмотрим лишь те принципы, ко-
торых необходимо придерживаться при разработке схем
распределения позиций откачных автоматов различных на-
значений и различных конструкций, чтобы автомат давал
наибольший эффект как в количественном, так и в каче-
ственном отношении.
Для усвоения этих принципов мы разберем примерные
схемы распределения позиций откачных автоматов для раз-
личных электровакуумных приборов. Для более удобного
и наглядного изображения схем все позиции автомата
расположим не по окружности, как это имеет место в дей-
ствительности, а развернем в виде прямой линии; при этом
будем иметь в виду, что вслед за последней позицией непо-
средственно следует снова первая. Точно так же для упроще-
ния все соединения, начиная от гнезд карусели и кончая на-
сосами или газовыми подводками, изобразим линиями, пре-
рываемыми или дополняемыми изображениями деталей, на
котовые обращается специальное внимание в данной схеме.
Независимо от назначения откачного автомата ряд его
позиций отводится на следующие операции; 1) отпайку
прибора; 2) вытаскивание из гнезда остатков откачной
трубки (после отпайки); 3) вставление очередного прибора
в гнездо карусели (загрузка), на что в зависимости от дли-
тельности пребывания лампы на позиции, от количества по-
зиций автомата или из соображений удобства отводится
одна, две и более позиций.
Таким образом, из общего числа позиций три или более
должны отводиться для выполнения указанных операций
311
независимо от распределения всех остальных. Позиция
отпайки в зависимости от типа откачиваемого прибора и
связанных с его отпайкой технологических соображений мо-
жет быть одновременно откачной или заглушенной: если га-
зы, выделяющиеся из
стекла при отпайке, опасны и тре-
буется хотя бы частичное их уда-
ление, то отпайка прибора проис-
ходит с одновременной его откач-
кой; если же некоторое повыше-
ние давления, связанное с отпай-
кой, не опасно для прибора, то
предпочитается отпайка на заглу-
шенной позиции, так как этим
устраняется опасность проникно-
вения в трубопровод к насосу
воздуха (в случае аварии с отпаи-
ваемым прибором), что может от-
разиться на качестве откачки по-
следующих приборов.
Точно так же позиция, следую-
Рис. 8-35. Возможные схемы
сигнальных позиций.
а — сигнальная позиция с допол-
нительным зажимом и вакуум-
ным насосом.
1 — подвижной золотниковый
диск; 2 — неподвижный золотни-
ковый диск; 3 — манометр с дву-
мя впаянными контактами для
замыкания сигнальной цепи
(звонки или лампы) при повы-
шении давления; 4 — зажим, по-
стоянно открытый, но закрывае-
мый в случае натекающей лампы
(для ее изоляции); 5 — зажим,
постоянно закрытый, но откры-
ваемый на короткое время (после
закрытия зажима 4) для удале-
ния воздуха из сработавшего
сигнального манометра; 6—ва-
куумный насос, б—сигнальная
позиция, заглушенная. Удаление
воздуха из сработавшего сиг-
нального манометра производит-
ся следующей лампой.
для целей сигнализации
щая за загрузочной, при любом
назначении автомата должна по
необходимости быть откачной, так
как сюда прибор поступает с ат-
мосферным давлением. Назначе-
нием этой позиции всегда являет-
ся удаление из прибора основной
массы атмосферного воздуха, в
результате которого давление
в нем снижается с атмосферного
до нескольких миллиметров или
доли миллиметра ртутного столба
(в зависимости от длительности
пребывания прибора на позиции
и от его размеров).
Одна, иногда две позиции, сле-
дующие за первой откачной пози-
цией, обычно предназначаются
о натекающей лампе или вообще
для контроля хода откачки. Возможные варианты устрой-
ства сигнальных позиций в схематическом виде изображены
на рис. 8-35.
Таким образом, назначение еще двух или трех позиций
(первой откачной и одной-двух сигнальных или контроль-
312
ной) становится вполне определенным независимо от на-
значения автомата.
Остающиеся позиции имеют целью доведение до требуе-
мого минимума: 1) полного' давления в приборе, если
автомат предназначен для откачки вакуумных приборов,
или 2) парциального давления вредных газообразных при-
месей, если откачиваются газонаполненные приборы.
В первом случае все эти позиции должны быть откач-
ными, и речь может идти лишь о выборе и рациональной
расстановке насосов и соединении с ними откачных позиций.
Во втором случае позиции, предназначенные для доведения
до минимума парциального давления вредных газообраз-
ных примесей к основному газу-наполнителю, должны быть
рационально распределены между насосами и подводкой
промывочного газа; позиция, предшествующая отпайке,
в этом случае всегда предназначается для окончательного
наполнения прибора основным газом.
Обратимся к рассмотрению примерных схем соединений
откачных позиций автоматов для вакуумных .приборов, при-
чем начнем с наиболее простой схемы — для откачки ва-
куумных ламп накаливания.
Примерная схема распределения позиций откачного авто-
мата для вакуумных ламп накаливания (рис. 8-36). Рас-
смотрим автомат, имеющий 16 позиций, предназначенный
для откачки вакуумных ламп накаливания, только что сня-
тых с запаечных (заварочных) позиций (в горячем виде).
Прогрев ламп при откачке или не производится вовсе,
или ограничивается двумя-тремя газовыми горелками, лишь
на некоторое время поддерживающими достаточно вы-
сокую температуру колб при откачке. В связи с тем,
что главная масса водяного пара с внутренней поверхности
колб выделяется и смешивается с атмосферным воздухом
внутри лампы до ее откачки, можно ограничиться относи-
тельно небольшим числом позиций; при этом на первой же
откачной позиции смесь из атмоферного воздуха и водя-
ного .пара в основном удаляется (отдельным насосом), на
последующих позициях откачка лампы продолжается и пе-
ред отпайкой давление в ней должно составлять 0,02 -н
0,03 мм рт. ст., дальнейшее повышение вакуума (до ГО-4 -е-
10~5 мм рт. ст.) достигается уже в отпаянных лампах (испа-
рением фосфорного поглотителя).
Все откачные позиции (после сигнальной) соединяются
каждая, по возможности, с отдельным насосом. Этим дости-
гается своевременная изоляция откачиваемой лампы, если
313
с ней случится авария; отдельные трубопроводы и насосы
для каждой лампы не позволяют атмосферному воздуху
проникнуть в нормально откачиваемые приборы; это осо-
бенно важно для ламп, находящихся уже во второй поло-
вине откачного цикла или на последних откачных позициях.
Поэтому увеличение количества ламп, приходящихся на
один насос, допускается только в первой половине откачно-
го цикла; в нашем примере сдвоены позиции 3 и 4, 5 и 6.
Тип применяемых насосов определяется давлением, ко-
торое требуется в отпаянной лампе. Очевидно, для откачки
Рис. 8-36. Распределение позиций 16-гнездного автомата
для_откачки вакуумных осветительных ламп.
1—16—позиции; а*—^откачиваемые лампы; б — отверстия подвиж-
ного золотникового диска; в — отверстия неподвижного золотнико-
вого диска; г — одноступенн ле вращатечьные насосы; д—двухсту-
пенный вращательный насос.
ламп накаливания нет надобности в применении пароструй-
ных насосов; требуемое понижение давления перед отпай-
кой до 0,02—0,03 мм рт. ст. легко достигается вращатель-
ными масляными насосами. Что касается требуемой бы-
строты действия насоса, то, поскольку пропускная способ-
ность откачной трубки вакуумной лампы накаливания не
превышает нескольких десятков кубических сантиметров
в секунду, вращательный насос любой из существующих
конструкций оказывается по быстроте действия уже доста-
точным. Поэтому нет никаких оснований применять насосы
с большой быстротой действия.
Обычно применяются вращательные масляные насосы,
имеющие быстроту действия 1 —1,5 л/сек при атмосферном
давлении, двухступенные, работающие прямо на атмосфер-
314
ное давление, или одиоступениые, работающие на один
общий вращательный насос или на централизованную ва-
куумную подводку (ЦВП). При откачных автоматах ра-
ционально применять так называемые многократные насо-
сы, поскольку они работают от одного двигателя и зани-
мают значительно меньшую площадь. На рис. 8-36 изобра-
жены тройные насосы (см. также рис. 5-18). Для автома-
тов с большим количеством откачных позиций большое
удобство представляет 10—12-кратные вращательные насо-
сы (рис. 5-19).
На позиции 13 (перед отпайкой) при помощи искрового
течеискателя в лампе возбуждается электрический разряд,
по характеру которого можно’ судить о качестве откачки
и отбраковывать лампы с плохим вакуумом (изолировав
ее зажимом).
Если прогрев стекла лампы происходит в процессе откач-
ки, то часть откачных позиций должна находиться в печи
прогрева. При таком способе откачки (в отличие от только
что рассмотренного случая), очевидно, требуется большая
затрата времени на вакуумную обработку лампы, и общая
длительность откачки увеличивается.
Примерная схема распределения позиций автомата для
откачки приемно-усилительных ламп с неподвижными па-
роструйными насосами (рис. 8-37). Рассмотрим автомат,
имеющий 24 позиции и предназначенный для откачки при-
емно-усилительных ламп с прогревом стекла и электродов
в процессе откачки и распылением поглотителя. Последова-
тельность операций соответствует общепринятой для элек-
тровакуумных приборов, а именно: после удаления основ-
ной массы воздуха из лампы (на позиции /) и испытания
ее на герметичность на (сигнальной) позиции 2 лампа вхо-
дит в печь для прогрева стекла; прогрев в печи производит-
ся на позициях 3—14; позиции 15—18 заняты прокалива-
нием катодов (пропусканием тока); анодов (токами высокой
частоты), сеток (излучением катода и анода); за ними на
позиции 19 производится обезгаживание поглотителя — его
распыление (позиция 20) и, наконец, на позиции 21 произ-
водится отпайка лампы; эта позиция является одновремен-
но и откачной.
При построении схемы соединения позиций автомата
с насосами выдержан принцип присоединения возможно
большего числа последних позиций к отдельным насосам.
Постепенное увеличение числа позиций, приходящееся на
один насос, допущено лишь v начала откачки. Только
315
откачная позиция 1, где удаляется основная масса воздуха,
остается присоединенной вместе с сигнальной позицией 2
к отдельному насосу.
Ввиду малой пропускной способности откачной трубки
насосов с большой быстротой действия не требуется; доста-
точно иметь насосы с быстротой действия 1 л]сек. Послед-
ние пять позиций {17—21) снабжены парортутными насо-
сами, которые, оставляя в лампе давление ртутного пара
порядка 1 • 10~3 мм рт. ст., снижают парциальное давление
газов в лампе до порядка 1 - 10—4 мм рт. ст. Дальнейшее
Рис. 8-37. Распределение позиций автомата для откачки приемно-
усилительных ламп с неподвижными пароструйными насосами.
1—24—позиции автомата; а — откачиваемые лампы; б—отверстия подвижного зо-
лотникового диска; в — отверстия неподвижного золотникового диска; г — /2-крат-
ный вращательный насос; д — парортутные насосы; е — печь прогрева.
понижение давления достигается уже в отпаянной лампе
при помощи одного1 из видов бариевого поглотителя, зер-
кало которого получается в лампе при распылении на по-
зиции 20\ поскольку отпаянная лампа представляет собой
относительно небольшой замкнутый объем, работа зеркала
поглотителя в значительной мере облегчается.
При описанной схеме рационально применять многократ-
ные вращательные насосы, работающие или прямо на атмо-
сферу (двухступенные), или на общий отдельный враща-
тельный насос (одноступенные); одноступенные насосы
можно присоединять также й к централизованной вакуум-
ной подводке. В схеме рис. 8-37 применен 12-кратный двух-
ступенный насос.
Примерная схема распределения позиции откачных
автоматов с подвижными пароструйными насосами
316
(рис. 8-38). Откачные автоматы с подвижными пароструй-
ными насосами отличаются от рассмотренных выше тем,
что в конструкции карусели и золотниковых дисков преду-
смотрена возможность помещения пароструйных насосов
между гнездами карусели, с одной стороны, и патрубками
подвижного золотникового диска — с другой. Благодаря
такому расположению пароструйные насосы вращаются
вместе с каруселью, оставаясь связанными каждый со своим
S: §
I
S3
Лечь прогрева
Прокаливание
анодов токами
высокой частоты
а
ЙЬШДДШЙМДШО’
ж
ПП t ПШП. Т. U. Т.п. ГД;
Чв
fs
д
б
в
е
~д
V? "3
7 я8 У0 & И2 "13
р^1
л
/ ~е
Рис. 8-38. Распределение позиций автомата с подвижными
парортутными насосами.
1—20— позиции; а — откачиваемые приборы; б — отверстия подвижного золотнико-
вого диска; в — отверстия неподвижного золотникового диска; г — ограничители
потока газа (натекания); д—коллектор; е — вращательный насос; ж — пароструй-
ные насосы; з— тепловой манометр.
гнездом и, следовательно, со вставленным в гнездо откачи-
ваемым прибором. Таким образом, откачка каждого прибо-
ра в течение всего откачного цикла (оборота карусели) про-
изводится одним и тем же пароструйным насосом.
Основное преимущество автомата описанной конструк-
ции заключается в том, что в отличие от только что разо-
бранного примера золотник оказывается на стороне пред-
варительного вакуума; благодаря этому работа пароструй-
ных насосов в значительной мере облегчается и, следова-
тельно, качество откачки повышается.
Преимущества применения подвижных пароструйных на-
сосов используются в наиболее полной мере, если между
откачиваемым прибором, вставленным в откачное гнездо,
317
й пароструйным насосом, относящимся к этому гнезду, нет
никаких вентилей, кранов или зажимов, так как этим устра-
няется лишняя опасность натекания и увеличения сопро-
тивления трубопровода.
В качестве пароструйных насосов можно применять как
парортутные, так и паромасляные, но схемы распределения
позиций в зависимости от рабочей жидкости пароструйных
насосов сильно отличаются друг от друга.
В случае применения подвижных парортутных насосов
в построение схемы распределения позиций откачного
автомата вкладываются принципиально новые соображения
(рис. 8-38), которые мы рассмотрим более подробно.
Схема, изображенная на рис. 8-38, принципиально нова
в том отношении, что все до одной откачные позиции (/—20)
связаны одним общим коллектором. Атмосферный воздух
из прибора, находящегося на первой откачной позиции, или
из прибора, потерпевшего аварию на любой откачной пози-
ции, неминуемо проходит в коллектор, и тем не менее это
не представляет никакой опасности для всех остальных
приборов; сигнальная позиция отсутствует, так как изоли-
ровать натекающую лампу нет надобности. Такое упроще-
ние схемы откачного автомата оказывается возможным
благодаря применению специальных ограничителей потока
газа, устраняющих всякую опасность взаимного «зараже-
ния» воздухом всех откачиваемых приборов.
Ограничители газового потока делаются
в виде небольших металлических, обычно стальных, цилинд-
ров, имеющих вдоль оси узкий и короткий канал, создаю-
щий сопротивление газовому потоку. Один из видов огра-
ничителей изображен на рис. 8-39.
Ограничители такого рода плотно вставляются в рези-
новые трубки, соединяющие патрубки неподвижного золот-
никового диска с патрубками коллектора. Если ограничи-
тель вставлен достаточно плотно, то газ сможет проходить,
очевидно, только через узкий канал ограничителя. При по-
мощи ограничителей можно устранить опасность, связан-
ную с проникновением в коллектор атмосферного воздуха.
Для этого необходимо выполнить следующие требования.
Прежде всего диаметр ограничителей должен быть доста-
точно мал, чтобы атмосферный воздух из прибора, находя-
щегося на первой откачной позиции или потерпевшего ава-
рию, мог проходить лишь постепенно; благодаря медленно-
му прохождению воздуха через ограничитель в коллекторе
не может создаваться резкого повышения давления; кроме
318
того, при достаточно узких ограничителях попавший в кол-
лектор воздух скорее пройдет далее во вращательный насос
и будет удален за пределы вакуумной системы ранее, чем
распространится через ограничители в сторону парортутных
насосов, имеющихся на остальных позициях автомата; бла-
годаря этому на выходе остальных парортутных насосов
повышение давления будет еще меньшим и еще более сгла-
женным.
поддержива-
Рис. 8-39. Огра-
ничитель пото-
ка газа.
1 — ограничитель;
2 — канал ограни-
чителя.
Второе требование: насос предварительного вакуума дол-
жен обладать большой быстротой действия, чтобы давле-
ние проходящего' через ограничитель воздуха
лось в колекторе достаточно низким, а на
выходе парортутных насосов всегда было
ниже критического.
Третье требование: пароструйные насосы
должны обладать высоким критическим дав-
лением, .иначе потребуются ограничители со
слишком узким каналом или насосы пред-
варительного вакуума со слишком большой
быстротой действия.
При выполнении всех этих требований
атмосферный воздух, проникающий в кол-
лектор из прибора с первой откачной пози-
ции или из прибора, потерпевшего аварию,
не представляет опасности для остальных приборов, так как
работа связанных с ними парортутных насосов нарушиться
не может (о расчете ограничителей натекания ом. § 9-13).
Может возникнуть вопрос, как же можно пользоваться
ограничителями, если -они замедляют газовый поток и, сле-
довательно, снижают быстроту откачки. Однако этот
вопрос отпадает, так как ограничители расположены на сто-
роне предварительного вакуума и, следовательно, могут
влиять на быстроту откачки только до тех пор, пока давле-
ние у выпускных патрубков парортутных насосав не достиг-
ло критического', после этого наличие ограничителей на
быстроте откачки сказываться уже не может, так как начи-
нают работать парортутные насосы, и быстрота откачки
прибора перестает зависеть от условий, имеющихся на сто-
роне предварительного вакуума. Если пользоваться паро-
ртутными насосами, начинающими работать при предвари-
тельном разрежении всего в 1020 мм рт. ст., то влияние
ограничителей на быстроту откачки будет почти незаметным.
По только' что разобранной схеме соединения позиций
откачного автомата с подвижными парортутными насосами
319
можно производить откачку вакуумных ламп накаливания,
приемно-усилительных ламп и других более сложных элек-
тровакуумных приборов.
В случае применения паромасляных подвижных насо-
сов, поскольку их критическое давление еще недостаточно
высоко, ограничителями пользоваться нельзя (§ 9-13), по-
этому схемы распределения позиций откачного автомата
принципиально не отличаются от схем для автоматов с не-
подвижными паромасляными насосами, а именно:
атмосферный воздух, с которым откачиваемый прибор
поступает на первую откачную позицию, удаляется отдель-
ным вращательным насосом;
для своевременной изоляции натекающего прибора по-
зицию, следующую за первой откачной, рекомендуется де-
лать сигнальной;
остальные откачные позиции группируются так, чтобы
на каждый вращательный насос приходилось, по возмож-
ности, меньшее число откачиваемых приборов, в особен-
ности в конце откачного цикла.
Выше уже было указано, что в случае применения по-
движных пароструйных насосов целесообразно непосред-
ственно сообщать пароструйный насос с откачиваемым при-
бором (без перекрывания); в этом 'Случае перед вставле-
нием в откачное гнездо очередной трубки каждый раз го-
рячий насос должен заполняться атмосферным воздухом,
проникающим через открытое гнездо. В связи с этим необ-
ходимо или пользоваться маслами, устойчивыми против со-
прикосновения с воздухом, проникающим в работающий
насос, или же перед вытаскиванием остатка откачной труб-
ки наполнять насос азотом (со стороны неподвижного зо-
лотникового диска) до атмосферного давления, при котором
исключается возможность проникновения в насос атмосфер-
ного воздуха. Благодаря этому приему паромасляные насосы
могут работать без смены масла весьма длительное время.
Для откачки электровакуумных приборов больших раз-
меров (например, крупногабаритных электронно-лучевых
трубок) конструкция откачных автоматов с подвижными
пароструйными (в частности, паромасляными) насосами
претерпела дальнейшее изменение; золотниковые диски пол-
ностью устранены, подвижными становятся не только паро-
струйные, но и вращательные насосы; иначе говоря, каж-
дая трубка откачивается совершенно самостоятельной по-
движной вакуумной системой от самого начала (вставление
в гнездо) до момента отпайки. Неподвижными остаются
320
только печь для прогрева стекла и устройство для прока-
ливания металлических деталей токами высокой частоты.
Перемещение всех подвижных вакуумных систем проис-
ходит или по кругу, или лучше по овалу, так как при оваль-
ном перемещении лучше используется производственная
площадь.
Примерная схема распределения позиций откачного
автомата для газонаполненных ламп (рис. 8-40). Рассмот-
рим автомат, имеющий 16 позиций и предназначенный для
откачки газонаполненных ламп, вставляемых в позицию 1
в горячем виде (тотчас же после заварки). Если отвести
Рис. 8-40. Распределение позиций откачного автомата
для откачки газонаполненных ламп.
1—16 — позиции автомата; а - откачиваемые лампы; б — отверстия подвижного зо-
лотникового диска; в — отверстия неподвижного золотникового диска; г — враша-
тельные насосы; д — ограничители газового потока (наполнения); е — стрелочное
манометры; ж — регуляторы давления.
необходимые позиции на загрузку 16, вытаскивание остат-
ка откачной трубки 15, отпайку 14 и наполнение основным
газом 13, то остаются позиции 3—12; на этих позициях
парциальное давление вредных газообразных примесей
(воздуха, водяного пара и т. п.) к газу наполнения должно
быть доведено до минимума. Известно, что наиболее эффек-
тивным способом получения весьма низких парциальных
давлений остаточных примесей является промывка прибо-
ров. В § 9-14 приведен расчет, из которого следует, что
качество промывки в большой степени зависит от числа про-
мывочных позиций; поэтому схема откачки газонаполнен-
ных приборов на автоматах всегда должна строиться так,
чтобы число промывочных позиций получалось, по возмож-
ности, большим. Как видно из схемы рис. 8-40, максимально
21 Б. И. Королев. 321
возможное число промывок на рассматриваемом автомате
равно пяти. По- поводу присоединения промывочных пози-
ций к газовой подводке-необходимо сделать следующие за-
мечания. Как нетрудно видеть из схемы рис. 8-40, все по-
зиции наполнения промывочным газом являются связанны-'
ми друг с другом общей подводкой газа. Поэтому, если
в этой подводке подаваемый в лампы газ будет находиться
под давлением ниже атмосферного, то при наличии малей-
шей негерметичности в каком-либо участке подводки будет
натекать атмосферный воздух, распространяющийся по всей
подводке с лампами; помимо этого, при аварии какой-либо
из ламп (трещина, облом откачной трубки и т. п.) атмо-
сферный воздух, проникая через эту лампу, распространит-
ся по всей подводке и, следовательно, «заразит» все
остальные, связанные с ней лампы.
Известно, к каким пагубным последствиям приводит за-
грязнение, попадающее в откачиваемый газонаполненный
прибор; поэтому, чтобы предохранить подводку от загряз-
нения, при работе на откачном автомате для газонаполнен-
ных приборов крайне желательно-, чтобы газ в подводке
был под давлением выше атмосферного. Только при этом
условии полностью устраняются все опасности, связанные
с наличием некоторой негерметичности подводки или с ава-
рией с одной из ламп; в этом случае атмосферный воздух
никак не может проникнуть в подводку; наоборот, будет
происходить лишь некоторая утечка газа, загрязнение же
промывочного газа и «заражение» ламп атмосферным воз-
духом становятся невозможным.
В то же время в большинстве случаев газ в газонапол-
ненных приборах должен находиться при давлении, значи-
тельно- меньшем атмосферного (вплоть до малой доли мил-
лиметра ртутного столба). Задачу наполнения приборов
лишь до низкого давления при давлении в подводке, пре-
вышающем атмосферное, можно решить двумя способами.
По первому способу в патрубки неподвижного золотни-
кового диска, через которые подается в приборы газ, вста-
вляются ограничители потока газа, аналогичные изобра-
женному на рис. 8-39. Диаметр канала этих ограничителей
должен быть рассчитан так, чтобы за время пребывания
прибора на позиции наполнения промывочным газом по-
следний успел пройти в прибор через ограничитель в коли-
честве, достаточном для создания требуемого давления.
Расчет диаметра ограничителей’ наполнения приведен
в § 9-12; мы отметим лишь, что- его величина зависит, оче-
322
видно, от следующих факторов: объема наполняемого при-
бора, давления, до которого должен быть наполнен прибор,
давления в газовой подводке, длительности пребывания
прибора на позиции, температуры газа в ограничителе и,
Рис. 8-41. Способ сту-
пенчатого наполнения.
1 — золотник; 2 — подводка
газа под давлением в-,ше
атмосферного; 3 —приспособ-
ление для впуска газа в огра-
ниченный объем (V|) в момент
перехода карусели.
наконец, от рода газа.
По второму способу, который
можно .назвать способом ступенча-
того наполнения, позиция наполне-
ния сообщается с подводкой, содер-
жащей газ под давлением выше ат-
мосферного, не непосредственно, а
через так называемый дозирующий
объем.
На рис. 8-41 показано одно из
устройств, позволяющее осуществить
ступенчатое наполнение. Дозирую-
щий объем сообщается с наполняе-
мым прибором только при остановке
карусели, когда совпадают отверстия
обоих дисков золотника /; с газовой
же подводкой 2 (где поддерживается
всегда повышенное давление pi) объем V) сообщается через
приспособление 3, открывающееся на короткое время при
переходе карусели. При этом в объем V! попадает порция
газа, равная, очевидно, piVi, которая в момент остановки
карусели распространяется на больший объем V1 + V2, бла-
годаря чему давление в приборе снижается до требуемого:
р-
Как нетрудно видеть, способ ступенчатого наполнения
основывается на том же принципе, что и применение пор-
ционного крана (рис. 8-7) или дозирующего объема между
двумя кранами (рис. 8-31).
При помощи дозирующего устройства, захватывающего
определенную порцию газа в момент перехода карусели и
распространяющего эту порцию сначала на %объем V), а за-
тем Vi + V2, можно1 осуществить наполнение прибора газом
до весьма малого давления.
Отметим, что для наполнения электровакуумных прибо-
ров, работающих при низких давлениях газа-наполнителя
(например, тиратронов), получил распространение третий
способ, не связанный с подводкой газа к откачному авто-
мату. С этой целью используются заранее заготовленные
21* 323
стеклянные ампулки с определенной порцией газа; снаб-
женная металлическим пояском ампулка, вмонтированная
в прибор, нагревается после отпайки прибора токами вы-
сокой частоты, преходящими через поясок; стеклянные стен-
ки ампулки размягчаются и через образовавшееся отверстие
газ распространяется по всему объему прибора, создавая
требуемое давление.
Из этих трех способов наполнения электровакуумных
приборов первый способ (наполнение через ограничители)
наиболее применим для наполнения приборов, работающих
при высоком давлении газа-наполнителя, например к лам-
пам накаливания; его преимуществом является простота
осуществления.
Для приборов, наполняемых до относительно низких да-
влений, более предпочтительны последние два способа Йз-за
их точности, независимости от рода газа и длительности на-
полнения.
Для промывки откачиваемых приборов применимы, оче--
видно, только первые два способа.
При соединениях, связанных с промывкой откачиваемых
газонаполненных приборов, целесообразно применение
ограничителей откачки.
При откачке наполненного промывочным газом прибора
давление в нем может стать равным давлению газа в под-
водке раньше, чем наступит момент перехода карусели;
создается опасность загрязнения прибора, так как при слу-
чайном колебании давления в вакуумной подводке можег
начаться обратный поток газа из подводки в прибор.
Однако, если в вакуумную подводку вставить ограни-
чители, то при их помощи можно создать для потока про-
мывочного газа из прибора в насос такое сопротивление,
чтобы к моменту перехода в следующую позицию (напол-
нения промывочным или основным газом) давление в при-
боре оставалось всегда несколько больше давления в ва-
куумной подводке.
Применение таких ограничителей откачки позволяет при
откачке газонаполненных ламп обходиться совершенно без
насосов, если имеется централизованная вакуумная подвод-
ка, в которой поддерживается достаточно низкое давление
(например, не выше 5 мм рт. ст.). На рис. 8-42 изображена
такая, не требующая насосов схема откачки газонаполнен-
ных ламп применительно также к 16-гнездному откачному
автомату; в данном примере автомат имеет еще то суще-
324
ственное отличие от предыдущего, что наполнение промы-
вочным газом осуществляется в момент перехода лампы
с одной откачной позиции на другую. Для этого в золот-
никовых дисках высверливают дополнительные отверстия,
расположенные между основными. Благодаря наполнению
промывочным газом на переходах тот же 16-гнездный авто-
мат позволяет довести число промывок до десяти. Все
откачные (для промывочного газа) позиции присоединены
через ограничители к централизованной вакуумной подвод-
ке, предназначенной специально для удаления промывочного
Рис. 8-42. Распределение позиций автомата для откачки
газонаполненных ламп с использованием только Ц. В. П.
(без.'насосов).
1—16 — позиции автомата; а — откачиваемые лампы; б — отверстия
подвижного золотникового диска; в — отверстия неподвижного золот-
никового диска; г — ограничители откачки; д—ограничители напол-
нения; е — стрелочное манометра; ж — регуляторы давления, пози-
ции; Г4— отпайка; 15 — вытаскивание откачной трубки; 16— загрузка.
газа на всех связанных с ней откачных автоматах для газо-
наполненных ламп. Позиции 1 и 2 присоединены к другой
централизованной вакуумной подводке, специально предназ-
наченной для удаления основной массы воздуха на всех
связанных с ней откачных автоматах.
Разделение централизованных вакуумных подводок
весьма полезно тем, что оно исключает возможность за-
грязнения воздухом подводки, предназначенной для удале-
ния промывочного газа, а благодаря этому при случайном
колебании давления в последней в лампу обратным пото-
ком может проникнуть только азот, и качество промывки
почти не нарушается.
Рассмотренных примеров достаточно, чтобы получить
представление об основных принципах построения вакуум-
ных схем на откачных автоматах. Этими примерами, ко-
нечно, не исчерпывается все разнообразие схем распреде-
325
ления позиций откачных автоматов различного назначения;
однако различия могут быть только в деталях, зависящих
от размера и типа приборов, количества гнезд автомата и
длительности пребывания лампы на позицию. Основные же
положения построения разобранных выше примерных схем
остаются неизменными.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
9-1. УСЛОВИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАСЧЕТА ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
В гл. 4, посвященной физическим основам работы ва-
куумной системы, было указано, что:
1) откачка вакуумной системы при неизменной темпера-
туре газа и при отсутствии натекания извне или газовыде-
ления внутри вакуумной системы сопровождается падением
давления., во всех ее участках;
2) при наличии трубопровода давление (pi) в откачи-
ваемом объекте падает медленнее, чем давление (рг) У вхо-
да в насос;
3) разность давлений (pi—Р2) по концам трубки, соеди-
няющей откачиваемый объект с насосом, возникает вслед-
ствие того, что трубка оказывает сопротивление W потоку
газа Q; между этими тремя величинами при известных
условиях существует соотношение, аналогичное закону Ома:
Или Q = £7 (р,—р2),
где U = ~ — пропускная способность трубки;
4) аналогия между течением газа по трубке при разно-
сти давлений на ее концах и прохождением постоянного элек-
трического тока по проводнику при разности потенциалов на
его концах, положенная в основу расчета вакуумных си-
стем, существует при условии одинаковости газового потока
для любого сечения трубки, хотя сам поток может изменять-
ся с течением времени; иначе говоря, вакуумную систему
можно' рассчитывать лишь при условии, если в любой мо-
мент времени удовлетворяется равенство
р ,SO = U (р j — р2) = p2S*= Q, (4-6)
326
где и S„—соответственно быстрота откачки объекта
при давлении pi и быстрота действия насоса при давлении
р2 (у входа в насос);
5) наконец, в гл. 4 было указано, что в вакуумных систе-
мах после начала откачки момент, когда поток газа, продол-
жая уменьшаться, становится одинаковом для любого се-
чения трубки, т. е. когда он начинает удовлетворять условию
(4-6), наступает достаточно быстро; поэтому практически
всегда можно пользоваться как условием (4-6), так и выте-
кающим из него основным уравнением вакуумной техники
в виде:
или
S — ShU (4-11)
SH +U ‘
Условием (4—6), а также основным уравнением уже
приходилось пользоваться: при обосновании требований,
предъявляемых к насосам предварительного вакуума, для
правильного их выбора; при анализе конструкций пароструй-
ных насосов с двумя и большим числом ступеней откачки;
при рассмотрении экспериментальных методов определения
быстроты действия насосов; при определении допустимой
течи в вакуумной системе и т. п.
В настоящей главе мы познакомимся с практическим
применением основного уравнения вакуумной техники при
расчете вакуумных систем, с порядком расчета пропускных
способностей отдельных элементов трубопровода (трубок,
отверстий) и трубопровода в целом (сложных трубопрово-
дов) , с расчетом длительностей откачки и с решением ряда
других задач, возникающих при расчете вакуумных систем.
9-2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОСНОВНОГО УРАВНЕНИЯ
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЫСТРОТЫ
ОТКАЧКИ ОБЪЕКТА
1. Быстрота откачки при отсутствии тру-
бопровода
Основное уравнение показывает, что быстрота откачки
объекта So не может превысить быстроту действия насоса
SH, как бы хорошо ни была сконструирована вакуумная
система; в предельном случае можно достигнуть лишь равен-
327
ства между величинами So и SH, когда насос присоединен
своим впускным отверстием непосредственно к объекту от-
качки, без всякого трубопровода.
Действительно, если 17= ос, то ^-=0 и = ~ или
So = Sh,t. е. при отсутствии трубопровода быстрота откач-
ки определяется быстротой действия насоса.
Присоединение без трубопровода возможно лишь в тех
случаях, когда нет надобности в отпайке откачиваемого объ-
екта и можно обойтись без крана или вентиля для сообще-
ния или разобщения откачиваемого объекта и насоса.
2. Быстрота откачки при большой про-
пускной способности трубопровода
Если в основном уравнении (4-11) числитель и знамена-
тель разделить на U, то оно примет вид:
Из уравнения (9-1) мы видим, что быстроту откачки
можно- считать приблизительно равной быстроте действия на-
соса (Sn S„) и при наличии трубопровода, причем по-
грешность при расчете будет тем меньше, чем меньше отно-
5
шение -р- по сравнению с единицей.
В качестве примеров вакуумных систем, в которых от-
качиваемый объект можно присоединить к насосу трубо-
проводом с большой пропускной способностью, следует ука-
зать: вакуумную систему для прокаливания металлических
деталей токами высокой частоты под колпаком (рис. 5-86),
для вакуумных печей различного назначения, например для
обезгаживания материалов или деталей (рис. 5-85), для
плавки или сварки металлов в вакууме и т. п. Если в ука-
занных вакуумных системах технологический процесс и на-
сосы позволяют полностью убрать ц вентили и Соединитель-
ные трубы, то, присоединяя их непосредственно к насосу,
можно добиться полного равенства Sn = S4.
Таким образом, если пропускная способность трубопро-
вода во много раз превышает быстроту действия насоса,
то быстрота откачки определяется главным образом быстро-
той действия насоса: применение насоса с большей быстро-
той действия ведет к заметному увеличению быстроты от-
качки.
398
3. Быстрота откачки при малой пропуск-
ной способности трубопровода
Положим теперь, что мы имеем дело с откачкой таких
объектов, которые по необходимости должны соединяться
с насосом при помощи трубопровода, имеющего малую про-
пускную способность.
Для этого случая основное уравнение удобно представить
в виде:
So=-U^—, (9-2)
ЗД + 1
для чего в уравнении (4-11) числитель и знаменатель пра-
вой части надо разделить на SH.
Такое положение имеет место при откачке заваренных
электровакуумных приборов, имеющих обычно узкие откач-
ные трубки или перетяжки, необходимые для безаварийной
огпайки откачанного прибора с вакуумной системы. В этом
случае быстрота действия любого из применяемых насосов
во много’ раз превышает пропускную способность откачной
трубки (даже без учета остальных последовательно соеди-
ненных участков трубопровода). Поэтому при откачке элек-
тровакуумных приборов приходится обычно иметь дело с
и
очень малым значением отношения по сравнению с еди-
ницей и, следовательно, можно полагать So = U.
Таким образом, когда U<^SH, быстрота откачки объ-
екта практически не зависит от быстроты действия на-
соса. Если требуется ускорить откачку прибора, то этого
можно достигнуть только путем увеличения пропускной спо-
собности трубопровода U, например откачной трубки или
перетяжки электровакуумного прибора; применение же в
этом случае насоса с большой быстротой действия SH не
имеет смысла: быстрота откачки объекта будет оставаться
практически той же.
4. Для облегчения расчетов, связанных с оценкой бы-
строты откачки в зависимости от значения пропускной спо-
собности трубопровода и быстроты действия насоса, удобно
пользоваться кривой рис. 9-1. По оси ординат отложены зна-
чения So в процентах от SH, по оси абсцисс — значения
U в процентах от
Для иллюстрации пользования этой кривой рассмотрим
примеры.
329
Рис. 9-1. Кривая зависимости быстроты откачки объекта
от пропускной способности трубопровода при данной бы-
' строте действия насоса.
Пример 1. Какая должна быть пропускная способность трубо-
провода, чтобы быстрота действия насоса была использована на
80%?, на 90%?
Решение. Из кривой рис. 9-1 находим, что значению So =»
= 0,80SK соответствует значение U, составляющее 400% SH, т. е.
пропускная способность трубопровода должна в 4 раза превышать
быстроту действия насоса.
Тем же путем легко найти, что для использования быстроты
действия насоса на 90% пропускная способность трубопровода должна
быть в 10. раз больше быстроты действия насоса (1 000%).
Пример 2. Какова быстрота откачки объекта, е^ли пропускная
способность трубопровода составляет 10 л/сек, а быстрота действия
насоса равна 100 л/сек?
U 10
Решение. Так как = ygg = 10%, то (по кривой рис. 9-1)
отношение должно составить примерно 9%; следовательно, So =
= 100-0,09 = 9 л /сек.
Пример 3. Как увеличится быстрота откачки электронно-лучевой
трубки, откачная трубка (штенгель) которой имеет пропускную спо-
собность U — 1,2 л1сек, если вместо насоса с быстротой действия
SK — 6 л/сек взять насос с быстротой действия SH ~ 20 л/сек или
SK = 100 л/сек?
330
Решение. Для более точного подсчета воспользуемся уравне-
нием (9-2). Подставляя в это уравнение соответствующие значения, •
получаем:
, 1,2
при SH — 6 л/сек So —-----------ру = 1 л/сек,
1
„ 1,2
при SH = 20 л/сек So —----------= 1,13 л/сек,
1 + дт
1,2
при SH = 100 л/сек So =-----------Г2= 1,13 л1сек-
1 + ГбО
Таким образом при (7=1,2 л/сек эффект от замены «6-
литрового» насоса «20-» или «100-литровым» невелик. Мож-
но считать, что быстрота откачки практически определяется
пропускной способностью штенгеля.
9-3. РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПО ТРУБКЕ
Перейдем к рассмотрению вопросов связанных с опреде-
лением пропускной способности трубопровода. Для этого
в первую очередь познакомимся с режимами (механизмами)
течения газа по трубке, которые оказываются различными в
зависимости от степени вакуума в трубке; степень вакуума
в трубке определяется отношением средней длины свободно-
го пути Я. молекул газа, протекающего по трубке, к ее
диаметру d; если известны давления газа по концам трубки
(Pi и р2), то значение Я с достаточной точностью опреде-
ляется по среднему давлению в трубке •
А. Течение ?аза при низком вакууме
_ х
При низком вакууме в связи с малым отношением
газ можно рассматривать как сплошную сжимаемую среду.
Эта среда обладает определенной инерцией, сказывающейся
при больших плотностях газа, и вязкостью, влияние которой
по мере понижения давления газа становится преобладаю-
щим.
В связи с этими явлениями область низкого вакуума ха-
рактеризуется несколькими различными режимами течения
газа:
331
При относительно высоких давлениях газа как с вход-
ной, так и с выходной стороны трубки течение раза харак-
теризуется наличием в протекающем газе вихревых движе-
ний, связанных с большими скоростями течения и инерцией
газовой среды. Такой режим течения газа называется турбу-
лентным.
При относительно высоких давлениях с обеих сторон
трубки, НО1 при меньшей скорости течения газа последнее
может иметь упорядоченный характер; основными силами,
определяющими режим течения, являются силы шнерции
газовой среды. Такой режим течения газа называется инер-
ционным.
При более низких давлениях и еще меньших скоростях
режим течения газа определяется как силами инерции, так
и внутренним трением газа, которое начинает приобретать
большее влияние. Такой режим течения газа называется
инерционно-вязкостным.
Наконец в области низкого же вакуума, когда отноше-
л
шение продолжает оставаться малым, но давление в
трубке относительно низко, силы инерции газовой среды
становятся малыми и теряют свое влияние на режим тече-
ния газа; газ течет с относительно малой скоростью, и основ-
ным фактором является вязкость газа. Такой режим тече-
ния газа называется вязкостным.
Б. Течение газа при среднем вакууме
По мере дальнейшего понижения давления (увеличения
X \
отношения -^\ влияние внутреннего трения на характер
течения газа становится меньшим, начинает сказываться
уменьшающееся число столкновений между молекулами га-
за; все большее количество молекул газа начинает переме-
щаться по трубопроводу совершенно независимо от наличия
других молекул, сталкиваясь только со стенками вакуумной
системы. Такой режим течения газа, когда наряду с внут-
ренним трением газа сказывается и независимое (без столк-
новений) тепловое движение отдельных молекул, называется
молекулярно-вязкостным.
В. Течение газа при высоком вакууме
Когда по мере дальнейшего понижения давления • отно-
шение становится достаточно' большим, внутреннее тре-
зз?
гше перестает играть роль, молекулы совершают свое тепло-
вое движение по трубке практически без столкновений не-
зависимо одна от другой. В связи с этим режим течения га-
за при высоком вакууме в трубопроводе называется молеку-
лярным.
Из рассмотренных режимов течения газа по трубке с точ-
ки зрения откачки электровакуумных приборов (или вообще
приборов, соединяемых с насосом трубопроводом с относи-
тельно малой пропускной способностью) не все имеют оди-
наковое значение.
Например, при нормальной (безаварийной) откачке при-
боров при помощи обычных вакуумных систем состояние
низкого вакуума в трубке продолжается сравнительно очень
недолго. Поэтому из режимов, относящихся к течению газа
при низком вакууме, мы при расчетах, связанных с констру-
ированием вакуумных систем или с работой на них, будем
для простоты учитывать только вязкостный режим, относя
его ко всей области давлений, охватываемых низким ваку-
умом.
С остальными низковакуумными режимами течения га-
за (турбулентным, инерционным или инерционно-вязкост-
ным) при откачке электровакуумных приборов приходится
встречаться преимущественно в аварийных случаях (обра-
зование крупной трещины в откачиваемом приборе, полом-
ка откачной трубки и т. п.) или в случае наполнения от-
качанного электровакуумного прибора газом до относитель-
но высокого давления.
Как мы увидим ниже (из примеров расчета пропускной
способности) при откачке электровакуумных или аналогич-
ных им приборов наибольшее значение имеют молекулярно-
вязкостный и молекулярный режимы течения газа.
9-4. ПРОПУСКНЫЕ СПОСОБНОСТИ ТРУБОК В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ГАЗА
Приводимые ниже аналитические выражения для про-
пускных способностей относятся к цилиндрическим труб-
кам круглого сечения, длина которых L значительно боль-
ше диаметра d. В вакуумных системах, применяемых для
откачки электровакуумных приборов, как правило, исполь-
зуются трубки именно этой формы, причем обычно осу-
ществляется соотношение -^->20, при котором приводи-
333
мыми ниже формулами можно пользоваться с достаточной
точностью.
Способы вычисления пропускной способности коротких
трубок будут рассмотрены ниже.
Пропускная способность трубки при вязкостном режиме
течения газа (Ue) определяется следующей формулой:
с/«=281 У-У-щ- <9-3>
Напомним, что Т и М соответственно обозначают абсо-
лютную температуру и молекулярный вес газа.
Величины рх и р2 (давления в откачиваемом приборе и
у входа в насос) можно выражать в любых единицах,
принятых для измерения давления (мм рт. ст., мк рт.
ст., бар).
2.J — средняя длина свободного пути молекул газа, вы-
раженная в сантиметрах и относящаяся к давлению, рав-
ному единице (в зависимости, от того, в каких единицах
выражены рх и /?2).
Диаметр d и длина L трубки выражены в сантиметрах.
Анализируя формулу (9-3), мы убеждаемся в том, что про-
пускная способность при вязкостном режиме прямо про-
порциональна диаметру в четвертой степени и обратно
пропорциональна длине трубки; далее, U пропорциональна
среднему давлению газа в трубке Рл - и зависит от ро-
/7
, показывает что Ue пропор-
циональна скорости теплового движения молекул газа.
Для воздуха при температуре 20° С и при давлениях,
выраженных в миллиметрах ртутного столба (Я,=4,72Х
Х10-3 см\ см. табл. 3-2):
Ue= 1,88- Ю5-^ • P^ + Pl- [см3 j сек]. (9-4)
Если требуется вычислить пропускную способность
трубки при вязкостном режиме для какого-либо другого
газа (U), то, зная среднюю длину свободного пути мо-
лекул этого газа (Z^), при давлении, равном единице, и
334
молекулярный вес^ (М1), можем на основании (9-3) напи-
сать:
У,'=Ц,1/ ут-[сл3/сек].
(9-5)
Пропускная способность трубки при молекулярном
режиме течения газа определяется следующей фор-
мулой:
ик = 3 810 У • £ [смг/сек]. (9-6)
Мы видим, что при молекулярном режиме пропускная
способность трубки прямо пропорциональна диаметру в
третьей степени и обратно пропорциональна длине трубки
и, как и при низком вакууме, прямо пропорциональна
скорости теплового движения молекул газа ^|/
Особенностью выражения для пропускной способности
трубопровода при молекулярном режиме течения является
то, что она не зависит от
- необходимо только, чтобы
высокий вакуум.
Для воздуха при 20° С
давления газа в трубопроводе;
в последнем был достаточно
UM = 1,21 -[см3/сек].
(9-7)
Если требуется вычисление пропускной способности
трубки при молекулярном режиме Uм для какого-либо дру-
гого газа, имеющего молекулярный вес 7И', то на основа-
нии (9-6) можем написать:
^„ = имУ^[^сеК}. (9-8)
.Пропускная способность трубки при молекулярно-
вязкостном режиме течения газа (Uмв) выражается фор-
мулой, которую запишем сначала в общем виде:
Мы видим, что при среднем вакууме пропускная спо-
собность трубки складывается из ее пропускных способ-
ностей при высоком вакууме (с поправкой в виде множи-
теля Ь) и при низком вакууме.
386
Для анализа и практического применения написанную
формулу удобнее представить в виде:
U = U
кв м
= 3810)/Д1^ + 7,4.10-2—• [см3/сек].
(9-9)
По мере понижения давления первый член в скобках
стремится к значению b = 1, а второй — к значению — <<
V м
<< 6; при достаточно низких давлениях
U =Ub = U.
мв м м
Наоборот, по мере повышения давления первый член
в скобках изменяется очень слабо, стремясь к значению
b = 0,8, тогда как второй член принимает* все большее
значение. Когда -ц- > 0,8 величину b можно отбросить, в
результате чего
Таким образом, формула (0 Ц>) для вычисления про-
пускной способности при молекулярно-вязкостном режиме
справедлива для всей области давлений, охватывая значе-
ния пропускных способностей при высоком, среднем и низ-
ком вакууме.
Для воздуха при 20° С, выражая давления в миллимет-
рах ртутного столба и принимая для b среднее значение
6 = 0,9, можем написать:
UMe= 1,21 • 104 -^0,9 Д-15,6
[см31сек]. (9-10)
9-5. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ФОРМУЛЫ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ
ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ТРУБКИ
При вычислении пропускной способности в каждом
слуиае, естественно, возникает вопрос, по какой из при-
веденных в предыдущем параграфе формул следует вести
вычисление. Для этого надо уметь определить, какому
336
режиму соответствует течение газа в рассматриваемом
случае.
Выше была указано, что формула (9-9) для вычисления
пропускной способности при молекулярно-вязкостном режи-
ме охватывает собой не только средний, но и высокий и
низкий вакуум; иначе говоря, во всех случаях можно было
бы пользоваться формулой (9-9); однако ввиду значительно
большей простоты формул (9-3) и (9-6) имеет смысл уста-
новить границы между режимами, позволяющие с допусти-
мой погрешностью определять пропускные способности тру-
бок именно по этим формулам.
Таким образом, задача о выборе формулы для вычисле-
ния пропускной способности сводится к установлению усло-
вий, определяющих границы между режимами.
Граница между молекулярно-вязкостным и вязкостным
режимами, которую можно назвать верхней (по давлению)
границей молекулярно-вязкостного режима, определяется
тем, что при больших давлениях второй член в скобках
формулы (9-9) может стать значительно больше величи-
ны Ь; если последней пренебречь, то, как мы знаем, фор-
мула (9-9) примет вид (9-3), но при этом будет допущена
какая-то погрешность.
При условии, что замена формулы (9-9) более простой
формулой (9-3) приводит к ошибке, не превышающей 5%,
граница между молекулярно-вязкостным и вязкостным ре-
жимами определяется следующим соотношением:
£ = 0,05-7,4- IO"2
Мы упоминали, что вблизи границы вязкостного ре-
жима b =0,8; кроме того, мы знаем, что Л1 = кР| ;
после подстановки и некоторого преобразования написан-
ное условие принимает вид:
А-= 4,6-10~3 5-10~3. (9-11)
Таким образом, если -^-<5-10~3, то пропускную спо-
собность можно рассчитывать по формуле (9-3) для вязко-
стного режима.
Граница между молекулярно-вязкостны-м и моле-
кулярным режимами, которую можно назвать нижней
(по давлению) границей молекулярно-вязкостного режима,
22 Б. И. Королев. 337
определяется тем, что при малых давлениях второй член
в скобках формулы (9-9) может по отношению к величине
b составить лишь небольшую долю, которую можно от-
бросить. Как мы знаем, формула (9-9) примет в связи с
этим вид (9-6), но при этом будет допущена некоторая
погрешность.
Чтобы погрешность не превышала 5°/0, граница между
молекулярно-вязкостным и молекулярным режимами должна
определяться следующим условием:
7,4- IO"2 А ^±£2=0,05 Ь.
Выше было указано, что вблизи молекулярного режима
6 = 1; подставив далее вместо равную ей величину
Л- Р13~Е1 и проделав соответствующие преобразования,
написанное условие можно представить в виде:
4-= 1,5. (9-12)
Это значит, что если -^-^1,5, то пропускную способ-
ность трубки можно рассчитывать по формуле (9-6) для
молекулярного режима.
Границы между режимами приведены в табл. 9-1.
Таблица 9-1
Границы между режимами течения газа
Режим течения газа Граница
верхняя ' нижняя
Вязкостный (см. примечание 2) 4^5-Ю-з
Молекулярно-вязкостный . . . X d = 5.10-= X г=1,5
Молекулярный 4=1,5 а (см. примечание 1)
X
Примечание 1. Значение= оо лишь показывает, что в
сторону низких давлений молекулярный режим не имеет границы.
Примечание 2. Относительно верхней границы вязкостного
режима необходимо отметить следующее. Выше (§ 9-4) было указано,
388
что для простоты расчетов мы будем вязкостный режима относить
ко вкей области низкого вакуума. Таким образом, мы могли бы
условно верхнюю границу вязкостного режима сместить вплоть до
атмосферного давления.
Однако необходимо иметь в виду, что это будет правильным
только для очень длинных трубок, длина которых весьма велика по
сравнению с диаметром.
тт Ь
Чем короче трубка, вернее чем меньше отношение тем мень-
шим давлениям и, следовательно, тем большим значениям отношения
X
будет соответствовать верхняя граница вязкостного режима.
Можно приближенно полагать, что для верхней границы вязко-
X d
стного режима удовлетворяется соотношение -^- = 0,1 —£.
Зная границы между режимами, мы можем правильно
ориентироваться в применении той или иной формулы для
вычисления пропускной способности трубопровода.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих, с каки-
ми режимами течения газа приходится иметь дело при от-
качке различных типов электровакуумных приборов.
Пример 1. Определить давления в откачиваемом приборе, соот-
ветствующие границам между режимами течения газа, если откачная
трубку имеет размеры d=2,4 мм, £=100 мм (обычная откачная труб-
ка, применяемая для некоторых типов приемно-усилительных и ва-
куумных осветительных ламп накаливания). Газ — воздух при темпе-
ратуре 20° С.
Решение. Введем обозначения:
Р1— искомое давление в откачиваемом приборе;
Pi
—среднее давление в трубке (давление у входа в насос прини-
маем равным нулю);
X — средняя длина свободного пути молекул воздуха при среднем
Р'
давлении в трубке;
Xi =4,72-Ю-з см (средняя длина свободного пути молекул воздуха
при давлении 1 мм рт. ст.).
Для верхней границы вязкостного режима
0,24
X = 0,1-др- -0,24 = 5,76-10-4 см;
по формуле (3-1)
Р1 Xi 4,72-Ю-з
2 —* — g 76* 10“4 — мм рт. &т.>
следовательно, pi = 8,2-2 = 16,4 мм рт. ст.
22* 339
Аналогично для верхней границы молекулярно-вязкостного ре-
жима:
ш 4,72-Ю-з
Х = 5-10-3.0,24= 1,2- 10-з слг =
= 3,93 мм рт. ст.', pi 3,93-2 8 мм рт. ст.
Точно так 'же для верхней границы молекулярного режима
п. 4,72 • 10 ~ 3
\ = 1,5-0,24 = 0,36 сл;-у-=—о 36 - = 1,3-10-2 мм рт. ст.',
р1== 1,3-10-2.2 = 2,6-10-2 мм рт. ст.
Пример 2. Те же условия задачи, но трубка имеет размеры:
d=12 мм, L=1 м (обычные размеры основной трубки трубопро-
вода на откачных устройствах между откачной трубкой прибора и
входом в насос).
Решение. Для верхней границы вязкостного режима
1,2 Л t)\ 4,72-10-3
^ = °.bf00-l>2=l.44-10-3 = 1,44^10^ =
= 3,28 мм рт. ст.; pi == 6,5 мм рт. ст.
Для верхней границы молекулярно-вязкостного режима:
ш 4,72-Ю-з
X = 5.10-3-1,2 =6-10-3 см; =
0,8 мм рт. ст.; pr 1,6 мм рт. ст.
Для верхней границы молекулярного режима
Pi 4,72-Ю-з
X = 1,5-1,2 = 1,8 см; -р- = —j-g-= 2,6-10~3 мм рт. ст.;
/?] = 5-10-з мм рт. ст.
Полученные в примерах 1 и 2 результаты позволяют
сделать некоторые практические выводы, сведенные
в табл. 9-2.
Цифры табл. 9-2 показывают, что при тех размерах
трубок, с которыми приходится иметь дело при откачке та-
ких электровакуумных приборов, как приемно-усилитель-
ные и вакуумные осветительные лампы, вязкостный режим
течения газа охватывает чрезвычайно узкую область давле-
ний в несколько миллиметров ртутного столба. Если такие
же подсчеты провести в отношении других электровакуум-
ных приборов (электронно-лучевых трубок, генераторных
ламп и т. п.), то мы увидим, что и для них справедливы те
же выводы.
Из цдфр, приведенных в таблице, следует, что почти вся
откачка вакуумных ламп накаливания, отпаиваемых с дав-
340
Таблица 9-2
Давления в откачиваемом приборе, соответствующие
границам между режимами
Размеры трубки Границы между режимами газа Режим течения газа
вязко- стный молекулярно- вязкостный молекуляр- ный
d = 2,4 мм L — 100 мм d = 12 мм } L = 1 мм Верхняя граница, мм рт. ст. Нижняя граница, мм рт. ст. Верхняя граница, мм рт. ст. Нижняя граница, мм рт. ст. 16 8 6,5 1,6 8 2,6.10-2 1,6 5-Ю-з 2,6-10-2 0 5-Ю-з 0
лением (2 3) 10~2 мм рт. ст., идет при молекулярно-вяз-
костном режиме; откачка таких электровакуумных прибо-
ров, как электронно-лучевые трубки, генераторные лампы,
приемно-усилительные лампы, поскольку они отпаиваются
с вакуумной системы при давлении, не превышающем по-
рядка 10-4 мм рт. ст., захватывает, следовательно, и моле-
кулярный режим течения газа по откачной трубке и осталь-
ным участкам трубопровода.
9-6.' ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ОТВЕРСТИЯ
При низком вакууме. По отношению к отверстию, через
которое должен проходить газ из объема с большим дав-
лением р\ в объем с меньшим давлением р%, вакуум счи-
тается низким, когда длина свободного пути молекул газа
в объеме с большим давлением значительно меньше диа-
метра отверстия. В этом случае благодаря взаимным стол-
кновениям молекул и проявляющимся в связи с этим си-
лам внутреннего трения и инерции газа наличие отверстия
сказывается в газовой среде на относительно большом от
него расстоянии.
Поэтому возникающий по направлению к отверстию со
стороны большего давления поток газа выходит из отвер-
стия на сторону более низкого давления в виде направлен-
ной струи.
По мере понижения давления р2 скорость газового по-
тока через отверстие в области давления р2 увеличивается
и достигает максимального значения (скорости звука), ког-
341
Р2
да отношение давлении становится равным так назы-
ваемому критическому. Выше было уже отмечено, что при
откачке электровакуумных приборов на долю низковакуум-
ных течений, включая и вязкостный режим течения, прихо-
дится незначительное время. Поэтому, поскольку общее
выражение для пропускной способности отверстия при низ-
ком вакууме для практического применения сложно, можно
при расчете допускать, что скорость течения уже достигла
максимума.
Кроме того, при низковакуумных режимах течения при-
ходится иметь дело обычно с воздухом; поэтову в целях
дальнейшего упрощения аналитического выражения про-
пускной способности отверстия при низком вакууме (Uoe)
отнесем ее только к воздуху. Тогда
t7ofi^20-103—[см3/сек] = 20 —[л)сек], (9-13)
1 ~ Pi 1 “ Pi
где А — площадь отверстия.
В случае круглого отверстия (диаметром d) А = следо-
вательно,
2°^. _J—= 15,7 [л[сек]. (9-14)
06 4
Pi ' Pi
Если —<0,1, то с допустимой погрешностью можно по-
лагать:
Uoe=15,7-d2 [л1сек]. (9-15)
Пропускная способность отверстия при высоком
вакууме. В условиях высокого вакуума, когда длина сво-
бодного пути молекул газа значительно больше диаметра
отверстия, осуществляется молекулярный режим переме-
щения газа, практически без столкновений между молеку-
лами. Поэтому направленного потока газа как сплошной
среды быть не может, через отверстие проходят два не-
зависимых молекулярных потока газа как со стороны боль-
шего давления рх (назовем его первым потоком), так и со
стороны меньшего давления р2 (второй поток).
На основе этих представлений выражение для пропуск-
ной способности отверстия при высоком вакууме выводится
очень легко.
342
Обозначим через быстроту откачивающего действия
отверстия; тогда первый поток, очевидно, будет равен
PiSA, второй p2SA, результирующий поток
Q = P1SA — P2SA = SA (Pl — P2I
Следовательно, пропускная способность отверстия
равна:
17 =....Q = S,.
ОМ Pl — Р2 А
Так как к величине UOM можно применить выражение
(2-8), то
Уол, = 3638.Я}/^[сл13/сек]. (9-16)
Для воздуха при 20°С
^7олг = 11,6-103-Л = 11,6 А[л/сек]. (9-17)
п л г^2
Для круглого отверстия Д== —; следовательно,
UOM = 9,l-lQ3-d2 [см3/сек1 = 9,1-d2 л\сек. (9-18)
Пропускная способность отверстия при среднем
вакууме. Формулами (9-13) и (9-16) можно пользоваться
для вычисления пропускной способности отверстия при
крайних режимах течения (вязкостном и молекулярном).
К сожалению, в случае промежуточного, молекулярно-вяз-
костного режима практически удобного выражения для
пропускной способности не существует.
Исходя из формулы (9-15), соответствующей наиболее
вероятному (критическому) соотношению давлений с обеих
сторон отверстия при вязкостном режиме, и формулы (9-18)
для молекулярного режима, мы можем вывести заключе-
ние, что при молекулярно-вязкостном режиме значение про-
пускной способности отверстия UOMe находится между
17ов и U ом, и если иметь дело с воздухом, то можно счи-
тать, что значение UOMe находится в пределах между
15,7‘d2 [л/сек] и 9,1 -d2 [л/сек].
При пользовании всеми формулами для вычисления про-
пускной способности отверстия при всех режимах течения
необходимо обращать внимание на соотношение между
площадью А отверстия и площадью Д1 поперечного сече-
ния, предшествующего отверстию элемента вакуумной си-
стемы (баллона, трубки и т. п.).
313
Если отношение Л/Л] меньше 1, то в правые части
формул (9-13), (9-16) и (9-17) необходимо ввести поправоч-
1
1-ЛМ1
ный множитель
а в правую часть формул (9-14),
(9-15) и (9-18) соответственно
1
2
значительно
(например, в
С этой поправкой можно не считаться, если отношения
А
или соответственно
10 раз) меньше единицы. Наоборот, когда оба эти отно-
шения равны единице, то пропускная способность отвер-
стия становится равной бесконечности (сопротивление равно
нулю), т. е. в этом крайнем случае, как и следовало ожидать,
отверстие уже не оправдывает своего названия и перестает
играть роль отдельного элемента трубопровода.
9-7. РАСЧЕТ СЛОЖНОГО ТРУБОПРОВОДА
До сих пор мы имели дело с простым трубопроводом,
состоявшим из одного элемента (трубки). Если трубопро-
вод состоит более чем из одного элемента, то его можно
назвать сложным.
Трубопровод, соединяющий откачиваемый объект с на-
сосом, очень часто состоит из нескольких последовательно,
реже из параллельно соединенных между собой элементов:
трубок различных диаметров и длин, отверстий в стенках
кранов, перетяжек в стеклянных трубках, облегчающих от-
пайку откачанного прибора, и т. п.
Сопротивление и пропускная способность сложного тру-
бопровода подсчитываются на основе аналогии между га-
зовым потоком и электрическим током.
Полное сопротивление W сложного трубопровода, со-
стоящего из последовательно соединенных элементов, рав-
но сумме сопротивлений отдельных элементов:
IF = U7]=IF24-. . (9-19)
где в правой части индексами отмечены сопротивления от-
дельных элементов трубопровода.
Полная пропускная способность этого же трубопровода
равна, очевидно, U — .
На том же основании полная пропускная способность
сложного трубопровода, состоящего из параллельно соеди-
344
ненных элементов, равна сумме пропускных способностей
отдельных элементов:
и = и^и2^г...ип, (9-20)
где в правой части индексами отмечены пропускные способ-
ности отдельных элементов.
Полное сопротивление этого же трубопровода равно,
очевидно, W = -jj-.
9-8. ПРОПУСКНЫЕ СПОСОБНОСТИ КОРОТКИХ ТРУБОК
При рассмотрении приведенных выше формул для опре-
деления пропускной способности трубок была сделана ого-
ворка, что применимость этих формул практически ограни-
чивается условием ~ 20. Это ограничение связано с тем,
что если диаметр входного отверстия трубки мал по срав-
нению с линейными размерами откачиваемого объекта или
вообще предшествующего трубке элемента трубопровода, то
его, как мы знаем, следует рассматривать как отдельный
элемент трубопровода (§ 9-6). Обладая определенным со-
противлением потоку газа, входное отверстие трубки сказы-
вается на значении полного сопротивления трубки тем силь-
нее, чем короче трубка. Поэтому, если < 20, то при
вычислении пропускной способности трубки следует вносить
поправку на сопротивление ее входного отверстия.
По правилу сложения сопротивлений последовательно
расположенных элементов трубопровода (отверстия и са-
мой трубки) полное сопротивление короткой трубки равно:
(9‘21)
где U7, Wm, Wo — сопротивления: полное, только трубки и
только отверстия соответственно.
Полная пропускная способность трубки (т. е. с поправ-
кой на входное отверстие), очевидно, равна:
<9-22»
т 1 о
где U, U и U— пропускные способности: полная, только
трубки и только входного отверстия.
345
Используя общие формулы (9-6) и (9-16) для молекуля-
рного режима течения газа, можем написать:
---------{L -ф- 1,33d) [см3/сек].
3810.^. у J-
Отсюда
3 810J/^ м • £_|_1>33б/ [см3/сек].
(9-23)
Таким образом, мы получили формулу (9-23), пригодную
не только для длинных, но и для коротких трубок.
Применение поправки теряет смысл, когда -^->20, так
как максимальная ошибка при = 20
7%. В случае коротких трубок, когда
не превышает
20, поправка
не должна применяться, если элемент трубопровода, пред-
шествующий трубке, имеет диаметр, равный диаметру
трубки (§ 9-6) или меньше его.
9-9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
ТРУБКИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ
Рассмотрим примеры вычисления пропускной способ-
ности.
Пример 1. Определить пропускную способность трубки, имею-
щей размеры d = 2,4 мм, L — 100 мм при даи^ении в откачиваемом
приборе 12,5 мм рт. ст.
Газ — воздух при температуре 20° С (давлением р2 у входа в на-
сос пренебречь).
Решение. Определяем режим течения. Среднее давление в
трубке ^-=6,25 мм рт. ст. Этому давлению соответствует сред-
няя длина свободного пути
4,7200-3
X = -- = 0,755- Ю-з см.
6,25
X 0,755-10-3
Отношение ~--------------=3,15-10-3, следовательно (таил. 9-1), те-
чение газа происходит по вязкостному режиму.
346
Так как — у^у>20, то ПО11Равк°й на сопротивление входного
отверстия пренебрегаем.
По формуле (9-4) U == 1,88-105 ру 6,25 390 см^/сек.
Пример 2. Та же задача, но pi=5 мм рт. ст.
Решение. Поскольку среднее давление в трубке равно
2,5 мм рт. ст., средняя длина свободного пути равна:
4.72-Ю-з
X =------------= 1,89- 10~з см.
Отношение
Л_ 1,89-1023
d ~ 0,24 ’ •
Следовательно (табл. 9-1), течение газа происходит по молеку-
лярно-вязко :тному режиму.
По формуле (9-10)
0,243
U = 1,21 -104—Yq—
172 см^сек.
Пример 3. Та же задача, но рх — 2 мм рт. ст.
Решение. Поскольку среднее давление в трубке равно
1 мм рт. ст., средняя длина свободного пути равна:
X = 4,72-Ю-з см.
Отношение
X 4,72-Ю-з
^ = -Ч24~^2-10-2-
Следовательно (табл. 9-1), течение газа происходит по молекулярно-
вязкостному режиму.
По формуле (9-10)
0,243
U = 1,21 104 -уу (0,9 + 15,6.0,24-1) 77 см^сек.
Пример 4. Та же задача, но р{ — 0,02 мм рт. ст.
Ре шени е. Среднему давлению в трубке 0,01 мм рт. ст. соот-
ветствует значЛие X = 0,472.
Отношение ™
X 0,472
d 0,24
Следовательно, пропускную способность надо рассчитывать по моле-
кулярному режиму [формула (9-7)]:
0,243
[7= 1,21-10* -уу = 16,7.
Решения, полученные в приведенных выше примерах, до-
полненные решениями аналогичных задач, которые мы
347
здесь не приводим, позволяют построить кривую зависимо-
сти U от среднего давления в трубке у1. Кривая рис. 9-2
показывает, что пропускная способность трубки по мере по-
нижения давления газа в ней сначала быстро, а затем все
более медленно уменьшается; с переходом к молекулярно-
му режиму значение пропускной способности становится за-
висящим только от размеров трубки и поэтому сохраняется
постоянным.
Рис. 9-2. Изменение пропускной способности трубки
в зависимости от среднего давления в ней (d = 2,4 мм;
L — 100 мм).
В предыдущих примерах мы имели дело с простым тру-
бопроводом — трубкой. Рассмотрим пример вычисления
пропускной способности сложного трубопровода.
В § 9-7 указаны формулы, которыми следует пользо-
ваться при вычислении пропускной способности и сопротив-
ления сложного трубопровода. Относительно применения
этих формул при различных режимах необходимо сделать
следующее замечание.
Для вычисления пропускной способности или сопротив-
лений отдельных элементов трубопровода, если течение га-
за не происходит по молекулярному режиму, необходимо,
очевидно, знать средние давления в каждом из элементов;
348
Рис. 9-3.
Схема тру-
бопровода
от откачи-
ваемого при-
бора до па-
роструйного
насоса.
иначе говоря, необходимо знать давления в местах их со-
единения; поэтому более или менее точный подсчет про-
пускной способности возможен только в случае, если эти
давления можно определить.
При молекулярном же режиме течения газа по всем
элементам трубопровода, поскольку U или 1Г’ не зависят
от давления, формулы (9-19) .и (9-20) дают достаточно точ-
ные результаты. Поэтому при рассмотрении
приводимого ниже примера ограничимся моле-
кулярным режимом. Газ — воздух при темпе-
ратуре 20° С.
На рис. 9-3 изображен типичный трубопро-
вод, применяемый для откачки генераторных
ламп и других аналогичных электровакуумных
приборов на откачных постах. Откачка произ-
водится металлическим паромасляным насосом.
Трубопровод состоит из следующих отдель-
ных элементов:
1—откачная трубка, непосредственно при-
паиваемая к баллону прибора;
2 — перетяжка (сужение) в откачной труб-
ке, предназначенная для безаварийном отпайки
прибора после откачки;
3 — продолжение откачной трубки (после
перетяжки);
4 — более широкая и длинная трубка;
5 — еще более широкий «переход», т. е.
трубка, состоящая из стеклянной части, спаян-
ной с трубкой 4, и металлической части, при-
соединенной к насосу; иногда трубка 4 делается
целиком стеклянной.
Стрелками указаны направления течения
газа из откачиваемого прибора через трубопровод к паро-
масляному насосу и далее в систему предварительного раз-
режения.
Задачу определения пропускной способности данного
трубопровода разберем сначала в общем виде.
Если полное сопротивление трубопровода обозначить
через JJ-, то по (9-19)
J = l_L lJ_ j. 1 - __L
< U 2 ' U2 ' U3 ! t/4 ~r U5 ’
где индексы указывают, к какому элементу трубопровода
относится данное слагаемое.
349
Рассматривая схему трубопровода, мы видим, что в
цвух случаях (отмечено звездочками) может потребоваться
учет сопротивлений входных отверстий, поскольку их диа-
метры меньше диаметров предыдущих элементов (баллона
и трубки /).
На основании этих соображений выражению для полно-
го сопротивления трубопровода можно придать следующий
общий вид:
1 1 /L\ -f- 1,33+ । Z>2 Ч~ 1.33d2 । I । + \
7Г=172Ь1Ж^ I 4 J-
Рассмотрим пример.
Пример. Определить пропускную способность трубопровода,
изображенного на рис. 9-3, при следующих размерах отдельных
трубок:
Трубка........................1 2 3 4 5
d, см ...................... 0,6 0,4 0,6 1,3 3
L, см ....................... 4 0,5 6 40 10
L .
Решение. Поскольку для трубок 1 и 2 отношение < 20
/ 4 Ю,5\
(как это нетрудно видеть из отношений и q-^ 1, берем для них
уточненные выражения с поправкой на входное отверстие; для осталь-
ных трубок поправка не требуется. Следовательно,
1 1 /4 + 1,33-0,6 0,5+ 1,33-0,2 6 40
U ~ 1,21-104 ~ 0,63 + о,4з +о,6з+1,3з +
Ю\ 1
+ зз) = 1,21-104 (22.2 + 16>4 + 27,8 + 18,4 + 0,37) =
= 70,4- IO-4 сек [см3',
U ~ 142 см3[сек.
9-10. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ТРУБОПРОВОДА
НА ЕГО ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ
Анализируя общие выражения для пропускной способ-
ности трубопровода при различных режимах терния газа,
мы обращали внимание на влияние размеров трубопровода.
Рассмотрим численные примеры, иллюстрирующие влия-
350
ние размеров на пропускную способность как простого, так
и сложного трубопроводов (ограничиваемся молекулярным
режимом: газ — воздух при 20° С).
Пример 1. Определить пропускную способность трубок, имею-
щих одинаковую длину L — 10 см, но разные диаметры:
d — 0,24 см; 0,4 см; 0,8 см; 2 см; 4 см.
Решение. Для вычисления и более точного сравнения восполь-
зуемся формулой (9-23), учитывающей поправку на входное отвер- '
L
стие, так как для последних трех диаметров отношение j- < 20.
Если d — 0,24 см и L= 10 см, то
0,24»
U — 1,21 • 104 iq • у -gg. q~ 24 — 16,2 см3]сек
(сравнить со значением U для той же трубки в примере 4 § 9-9, вы-
численным без поправки).
Значения пропускной способности для трубок остальных диамет-
ров находим путем простого пересчета, так как они при прочих неиз-
d3
менных условиях пропорциональны отношению £ j gg^. Результа-
ты пересчета для большей наглядности сравнения приведены в ви-
де таблицы (табл. 9-3).
Таблица 9-3
Влияние диаметра трубки на ее пропускную способность
при молекулярном режиме (£ = 10 см)
1 2 3 4 5
d, см 0,24 0,4 0,8 2,0 4,0
U, см3!сек 16,2 73,5 560 7 650 50 500
Относительные значения .... 0,22 1 7,6 104 688
Из табл. 9-3 видно, что двукратное увеличение диаметра трубки
(столбцы 2 и 3) дает почти восьмикратное увеличение ее пропускной
способности; десятикратное увеличение диаметра (столбцы 2 и 5) при-
водит к увеличению пропускной способности почти в 700 раз.
Пример 2. Определить пропускную способность трубок тех же
диаметров, что в предыдущем примере, но при различных длинах:
£=0; 10; 20; 100; 200 см.
Решение. Так как при прочих неизменных условиях пропуск-
ная способность трубки обратно пропорциональна (£+ 1,33d), то,
воспользовавшись предыдущим решением для £ = 10 см, можем сде-
лать пересчет И для остальных длин; случай £=0 соответствует, как
мы знаем, тонкостенному отверстию, для подсчета пропускной способ-
ности которого воспользуемся формулой (9-18). Все решения пред-
ставим в виде таблицы (табл. 9-4).
351
Таблица 9-4
Влияние длины трубки на пропускную способность трубок
различных диаметров (молекулярный режим)
L, см d, см 0,24 0,4 0,8 2,0 4,0
0 л/сек 0,524 1,45 5,8 35,3 145
1 0,126 0,505 2,99 25,5 122
10 0,016 0,703 0,56 7,65 50,5
20 0,008 0,038 0,29 4,27 30,6
100 0,0016 0,008 0,06 0,94 7,3
200 - 0,0008 0,004 0,03 0,47 3,8
Из этой таблицы мы видим, что длина трубки также сильно отра-
жается на значении пропускной способности, но по сравнению с диа-
метром длина трубки оказывает значительно меньшее влияние; не-
трудно видеть, что чем длиннее трубка и, следовательно, чем мень-
ше сказывается сопротивление входного отверстия, тем зависимость
пропускной способности трубки от ее длины ближе к обратной про-
порциональности.
Перейдем к примерам, иллюстрирующим влияние размеров слож-
ного трубопровода и отдельных его элементов.
Пример 3. Определить пропускную способность сложного трубо-
провода, изображенного на рис. 9-5, при следующих размерах отдель-
ных трубок:
Трубка......................... 1 2 3 4 5
d, см........................ 0,6 0,2 0,6 1,3 3
L, см.......................... 4 0,5 6 40 10
Решение. Условия данного примера совпадают с условиями
примера, разобранного в § 9-9, за исключением диаметра перетяжки
который в данном примере уменьшен до 0,2 см (с 0,4 см). Поэтому,
ограничиваемся вычислением только
0,23
1 0,5+1,33-0,4
[Г ~-------0~9з----~ ">3 сек/см^.
Следовательно,
1 1
77- = 1 91 ни (22,2 + 96,3 + 27,8 + 18,4 4- 0,37) = 1,364-10-2 сек/см^;
J j <6 I • IU
U = 73,3 CM^jceK.
Мы видим, что благодаря уменьшению диаметра перетяжки с 0,4
до 0,2 см полная пропускная способность трубопровода уменьшилась
142
73,3
в отношении
= 1,9, т. е. почти в 2 раза.
Пример 4. Вычислить быстроту откачки генераторной лампы,
соединенной с насосом при помощи трубопровода, изображенного на
рис. 9-5 и имеющего размеры: 1) указанные в примере 5 § 9-9 (пол-
ная пропускная способность U = 142 см^сек) и 2) указанные в при-
352
мере 2 настоящего параграфа (полная пропускная способность
73,3 см31сек).
Быстрота действия диффузионного насоса 8 л'сек.
Решение. По формуле (9-4) для случая 1
142
So = —-—(42 ~ 139,2 с мА'.се к.
1 + 8000
Для случая 2
73
So = ---73~3 72,7 слА'Сек.
1 +8000
Из приведенного примера мы еще раз убеждаемся в том, что
если U < SK (как это обычно и бывает при откачке электровакуум-
ных приборов), то быстрота откачки лампы практически определяете я
значением пропускной способности, и, следовательно, быстрота от-
качки изменяется в том же отношении, что и пропускная способ-
ность, т. е. также почти в 2 раза.
Пример 5. Определить пропускную способность U трубопровода,
состоящего из одной трубки, имеющей d ~ 1 см и L — 50 см. Как
изменится U, если где-либо, например в середине трубки, вставить
кран с отверстием диаметра: 1) 0,2 см, 2) 0,5 см?
I3
Р е ш е н и е. До установки крана U = 1,21 • 104 gg — 242 смА,сек.
После установки крана в середину трубки получился сложный
трубопровод, состоящий из двух одинаковых трубок диаметром 1 см
длиной 25 см, между которыми имеется отверстие диаметром 0,2 см
(случай 1) или 0,5 см (случай 2).
/0,2V
Так как 1—1 не превышает 0,1, то для вычисления пропускной
способности отверстия крана можно пользоваться формулой (9-18)
без поправочного множителя (§ 9-6).
Поэтому в случае 1 полное сопротивление трубопровода (с кра-
ном) равно:
1 1 25 1
Д = 2 1,21-107 J3 + 9Д"-10^-0,22 ==^ 4,13-10-3 -J-2,74-10 - =
Следовательно,
= 6,87-1О’73 секАсмА.
U ~ 145 смА^сек.
Таким образом, после установки крана
0,2 см пропускная способность трубопровода
равную
с отверстием диаметром
уменьшилась на долю
242— 145 97
242 == 242 = 0,4, т- е’
на 40%.
В случае 2 отношение =0,25 превышает 0,1; поэтому для
вычисления пропускной способности или сопротивления отверстия
следует пользоваться формулой (9-18), но с поправочным множителем
(§ 9-6)
23 Б. И. Королев. 353
Полное сопротивление трубопровода с краном в случае 2 равно:
1 1 25 1—0,52
17 = 2 1 ,21-10-4 1з + 9,!-Юз.0,52 =4>13*10 М-0,33-10 3 =
Следовательно,
— 4,46.10-3 сек/см3.
U = 224 CM3jceK.
Таким образом, с заменой крана, имевшего отверстие 0,2 см, на
кран с отверстием 0,5 см полная пропускная способность увеличи-
224
лась в отношении [45 == 751, т. е. примерно на 50%, приблизившись к
пропускной способности того же трубопровода без крана.
9-11. РАСЧЕТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТКАЧКИ
Переходим к рассмотрению вопросов, связанных с ра-
счетом длительности откачки. Обозначим объем откачивае-
мого объекта через V, давление в нем в данный момент
времени — через рх и быстроту откачки объекта — че-
рез So.
Положим, что за промежуток времени dt давление в от-
качиваемом объекте снижается на dp\. Тогда количество
газа, поступающее в трубку за промежуток времени dt,
равно Sopxdt, а убыль газа в объекте за этот промежуток
времени равна Vdpx.
Эти количества газа, очевидно, равны по абсолютной
величине, но противоположны по знаку; следовательно,
Sopxdt = — Vdpx:
отсюда Так как то SO Pl So sH-ru> dt = -v(p + p - . (9-24) u ! Pl
При вычислении длительности откачки, достаточной для
снижения давления в откачиваемом объекте до заданного
значения, приходится пользоваться различными формулами
в зависимости от соотношения между быстротой действия
насоса S и пропускной способностью трубопровода U.
•354
А. Широкий и короткий трубопровод (U > SH)
В случае широкого и короткого трубопровода величи-
ной ~ можно пренебречь и уравнение (9-24) написать
в виде:
л=-Х
dpi
Pi ’
Т акого вида уравнение было получено при выводе выра-
жения (5-2) для средней быстроты действия насоса SH, от-
носящейся к данному промежутку времени t, в течение
которого давление у входа в насос падает с начального
значения рг до конечного значения рг .
В нашем случае отличие заключается лишь в том, что
среднее значение быстроты действия насоса, которое мы
обозначим через SH, является известным; требуется же
определить промежуток времени (обозначим его через ('),
в течение которого давление в откачиваемом объекте сни-
зится с р{ до р[.
Следовательно, в нашем случае решение можем на-
писать в виде:
Чтобы подстановка среднего значения быстроты дей-
ствия Sn приводила к возможно меньшей ошибке, проме-
жуток времени приходится брать малым и рассматривать
его как первый промежуток времени, в течение которого
давление снизилось с р\ до р\
В следующий промежуток времени t" вследствие даль-
нейшего падения давления с рх до р” средняя быстрота
действия насоса может иметь уже другое (меньшее) зна-
чение S" и, следовательно,
/-' = 2,3—1g 4т
SH Pl
И Т. Д.
23*
355
Наконец, в интервале давления от р^ до р^ бы-
строта действия насоса становится равной и соот-
ветствующий промежуток времени равным:
/(»-!) = 2,3 v
Ig
Pi
Полная длительность t откачки объекта, присоединен-
ного к насосу широким и коротким трубопроводом (U > SJ,
необходимая для снижения давления с р’х до р{х\ пред-
ставляет, очевидно, сумму
4-... 4-
О о т7 / 1 1 Р\ I 1 i Pl
= 2,ЗП -7- lg— 4“e7 1g-
\5к Pl SH Pl
1
c(n-l) (/г)
Pl
(9-25)
По мере понижения давления в откачиваемом объекте
оно может стать близким к предельному давлению ро дан-
ного насоса. В этом случае в последнем или в нескольких
последних слагаемых, стоящих в скобках, отношение дав-
u Pl Ро
лении, как мы знаем, следует выражать в виде —7—------
Pi ’—Ро
и т. п. (так как эти отношения стоят под знаком лога-
рифма, поправка на р0 делается лишь в случае, если
Pi < ЗА)-
Формула (9-25), строго говоря, справедлива только для
случая, когда откачиваемый объект присоединен к насосу
без всякого трубопровода (рис. 5-3). В этом случае бы-
строта откачки объекта So, как мы знаем, совпадает с бы-
стротой действия насоса 6’к. Допуская некоторую погреш-
ность, формулой (9-25) можно пользоваться и при наличии
трубопровода; практически это возможно, когда трубопро-
вод настолько широк и короток, что его пропускная спо-
собность в течение всего процесса откачки остается во
много раз большей быстроты действия насоса; например,
если U в 10 раз больше SH, то So = 90% Sw(§ 9-2).
На практике пользование формулой (9-25) допустимо
для расчета длительности откачки объектов, которые не
надо отпаивать с вакуумной системы; например, в случае
откачки вакуумных печей или аналогичных по характеру
объектов иного назначения, к которым насос можно при-
356
соединить или непосредственно, или при помощи широкого
и короткого трубопровода, обладающего пропускной спо-
собностью, в 5-=- 10 раз превышающей быстроту действия
насоса.
Отметим, что для' вычисления длительности откачки по
формуле (9-25) необходимо иметь данные о значении SH
при различных давлениях, т. е. кривую, подобную изобра-
женным на рис. 5-8.
Б. Трубопровод с относительно малой пропускной
способностью
При условии, когда трубопровод имеет относительно
малую пропускную способность, т. е. если U << SH, то
в уравнении (9-24) можно отбросить величину и пред-
ан
ставить его в виде:
dt = -^ - d-£i.
и Pi
Интегрирование этого уравнения выразим в общем виде:
И
t = V f
J uPi
и
и
(9-26)
Формулой (9-24) можно пользоваться для вычисления
длительности откачки электровакуумных приборов, для ко-
торых, как мы знаем, условие U < SH всегда соблюдается.
Длительность откачки при молекулярном режиме.
При молекулярном режиме пропускная способность UM
трубопровода не зависит от давления; поэтому величину
U =U можно вынести за знак интеграла. Следовательно,
Л
/=-^г <9-27)
М J Р1 .к
и
Если давление р{ <СЗ/?0, т. е. близко к предельному
давлению р0, достигаемому насосом, то необходимо, как
мы уже знаем, вместо рх брать разность р”— р0.
357
Мы видим, что если U << SH, то длительность откачки
при молекулярном режиме обратно пропорциональна про-
пускной способности трубопровода.
Пример 6. Определить длительность откачки прибора при сле-
дующих условиях:
V = 500 см* U = 73,5 см^/сек;
р' = 6-10~4 мм рт. ст.; р’'=2-10~6 мм рт. ст.;
Рп= 1-10~6 мм рт. ст.
Режим — молекулярный.
Решение. Так как р" < Зр0> то
500 6-10~4
t = 2,3 • 1g-----«--------r- = 2,3-6,8-2 8 = 4,4 сек.
73>5 2-10—6 — 1 • 10~6 ’
Длительность откачки при молекулярно вязкостном
режиме. -При молекулярно-вязкостном режиме пропускная
способность трубопровода зависит от среднего давления
в трубопроводе, поэтому за знак интеграла величину U
в формуле (9-26) выносить нельзя. Среднее давление
в трубопроводе Р1+Р2 можно считать равным у ; давле-
ние р2 (у входа в насос) ввиду того, что SH > U, можно
считать равным нулю. После этого, обозначив величину U
для молекулярно-вязкостного режима через U мв и поль-
зуясь формулой (9-9), можем написать:
U = U (b-\- 7,4*10-2Д •
мв м I I ’ Лх 2 J
Подставим это выражение в формулу (9-26), введя обо-
значения 7,4-10~2 Д • = а и приняв 6 = 0,9; после под-
Л1 Z
становки
Pi
1 Pi О,9 4-ЙР;\
lg—— lgnQ, •
Pi 0,9-Hzpj J
Г dpi __ 2,3 V
J (0,9+аА)Р1— См.0,9
Pl
(9-28)
Для воздуха при 20° С, если давления выразить в мил-
лиметрах ртутного столба, величина a = 7,8d.
Поправку на предельное давление следует делать, если
Pi<3po-
358
Пример 7. Определить длительность откачки вакуумной лампы
накаливания, имеющей объем V = 120 ел3, размеры откачной трубки:
d = 0,24 см; L = 10 см; р\ ~ 8 мм рт. ст.; р" = 2-10~2 мм рт. ст.
Предельное давление насоса 5-10—3 мм рт. ст. Газ—воздух при
2 (Г С.
Решение. Так как р” Зр0, поправку на р0 не вводим.
Поскольку газ—воздух при 20° С, имеем:
а = 7,8-0,24= 1,87.
Значение V м берем из табл. 9-4: UM = 16,2 см3/сек;
2,3-120 / 8 0,9+ 1,87-8 \
16,2-0,9 2-10~2 0,9+1,87-2-10“2/
2 3-120
= ig-og - (2,62— 1,26)=^26 сек.
При выводе формулы (9-28) мы относили ее только
к молекулярно-вязкостному режиму, но не следует забы-
вать, что в эту формулу входит выражение Uмд, охваты-
вающее, как мы знаем (§ 9-4), не только молекулярно-
вязкостный, но и крайние режимы: вязкостный и молеку-
лярный. В связи с этим формулой (9-28) можно пользо-
ваться при любом режиме течения газа.
Длительность откачки при вязкостном режиме.
Хотя предыдущая формула (9-28) пригодна и для вязкостного
режима, тем не менее следует рассмотреть и специальное
выражение, применимое только для вязкостного режима.
Так как пропускная способность при вязкостном ре-
жиме зависит от среднего давления, то величину U за
знак интеграла в формуле (9-26) выносить нельзя. Приняв
Pi +Р2£р и обозначив и через Uв, мы можем фор-
мулу (9-3) записать в виде:
где
На основании формулы (9-26) можем написать выраже-
ние для длительности откачки при вязкостном режиме:
Л
, = V С =
J f ар2! а
Pi
359
9-12. РАСЧЕТ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ НАПОЛНЕНИЯ
Наполнение прибора, откачиваемого на автомате, про-
мывочным или основным газом происходит при следующих
условиях (рис. 8-40, 8-42). Регулятор давления настраивает-
ся таким образом, чтобы со стороны входа в ограничитель
поддерживалось давление превышающее .атмосферное.
С другой стороны ограничителя (т. е. со стороны на-
полняемого прибора) давление переменное; обозначим его
через р2.
Таким образом, при наполнении прибора движущая
разность давления /ц — р2 отличается от таковой при от-
качке тем, что переменным давлением является р2, которое
за время стоянки прибора на позиции наполнения возра-
стает с давления /г, (перед наполнением) до давления р2
(после наполнения); давление же Pi (со стороны ограничи-
теля, обращенной к регулятору давления) остается по-
стоянным.
Дальнейшим отличием от откачки является то, что, мо-
жет быть за исключением только начального момента, дав-
ления с обеих сторон ограничителя (/ц и р2) являются вы-
сокими.
Как показывает опыт, при высоких давлениях и при до-
статочно короткой трубке, когда удовлетворяется условие
<5,5-10-2 ^-/^2, (9-30)
осуществляется инерционный режим течения газа [все обо-
значения в формуле (9-30) известны].
Обозначив пропускную способность трубки при инер-
ционном режиме через Uu, можем написать уравнение, по-
казывающее, что при наполнении прибора газом возраста-
ние количества газа в приборе в единицу времени равно
потоку газа через трубку:
П^ = Уо(Р|-Рг). (9-31)
Пропускная способность трубки при инерционном ре-
жиме равна:
и„ = 5,05 -10’г/2 '|/Г - К[СЛ|3/С№]. (9-32)
360
Подставляя это значение в уравнение (9-31), после разде-
ления переменных и интегрирования имеем:
5,05 • 103б£2 1/ — t
У М . Р2~Р2
-------г;------= arc sin------.
V Pi
Следовательно, учитывая, что р2 << р2 , можем написать:
21/ V-/T'arcsi,l~
d = 1,4-10~2 |/ --------т---[см], (9-33)
где V — объем наполняемого прибора вместе с соедини-
тельными трубками между прибором и ограничи-
телем, см3;
7’ и М — абсолютная температура и молекулярный вес газа,
протекающего через ограничитель;
/ — длительность наполнения, сек.
Если последующая за вычислением проверка показы-
вает, что условие (9-30) соблюдается, то возможная при
вычислении диаметра ограничителя по формуле (9-33) по-
грешность не может быть большой и легко компенсируется
дополнительной настройкой регулятора давления (измене-
нием давления pi).
Пример 8. Вычислить диаметр ограничителя для наполнения ламп
аргоном при условиях: давление наполняющего газа при температуре
20° С должно быть 570 мм рт. ст.; температура лампы на позиции
наполнения 50° С; длительность наполнения (пребывания лампы на
позиции наполнения) £=2,5 сек; объем лампы вместе с соединитель-
ными трубками, идущими к золотнику, В=200 см3. Регулятор настро-
ен на давление pi — 1 000 мм рт. ст.; давление в лампе перед наполне-
нием Р2='3 мм рт. ст., т. е. гораздо меньше рг (молекулярный вес ар-
гона М=39,94; средняя длина свободного пути при 1 мм рт. ст.
Л1 = 5,3-10~3 см; температура газа в ограничителе 27° С; длина огра-
ничителя 5 мм).
Решение. Вычисляем по формуле (1-6)' давление р2, до которо-
го лампа должна быть наполнена при температуре 50° С, чтобы при
20° С давление составило 570 мм рт. ст.:
,, г 273 + 50
р2 ~ 570 973 20~ 630 мм Рт- ст-
Вычисляем диаметр ограничителя, для чего пользуемся форму-
лой (9-33): ___________
1/2OO/ТЖЭЁ arc sin ,630
d = 14. ю-2. V v_ 21+2L____________100(1 _
’ 2,5
= 1 a.in^-l/^OO^OS-'O-1^,8-10-1 =6,.|г!„ = 0162м.
Г 2,5 ’
361
Проверяем, соблюдается ли условие (9,30):
L 0,5
. d = 0,0628>1 :
5 5-10~2 Д 1/'р? —= 5,5- Ю~2- °’062— . 0002 — 6302 ^500.
’ М V 'I ’ 5,3-ИГ3
Так как 8,1 < 500, то формулу (9-33) применить можно.
Выражение (9-32) для Uu в случае воздуха (М — 28,8) при тем-
пературе 20° С и при достаточно малом р2 по сравнению с р± прини-
мает ВИД; Л
Uu= 16,1 rf2 (9-34)
Как мы видим, полученное выражение для U и практи-
чески совпадает с выражением (9-15) для UOI}, т. е. для
пропускной способности отверстия при низком вакууме
(см. 9-6).
9-13. РАСЧЕТ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ НАТЕКАНИЯ
Рассматривая схему распределения позиций откачного
автомата с подвижными парортутными насосами (рис.
8-38), мы описали роль ограничителей, устраняющих опас-
ность проникновения натекающего атмосферного воздуха
из прибора, потерпевшего аварию, в приборы, откачка ко-
торых идет нормально.
Рассмотрим метод приближенного, но для практических
целей достаточно точного расчета ограничителей.
Обозначим через Pi давление атмосферного воздуха у
входа в канал ограничителя; через р2 — у выхода из кана-
ла; тогда поток воздуха, натекающего через потерпевший
аварию прибор, можно выразить произведением (7(pi—pz),
где U — пропускная способность ограничителя при давле-
Если теперь обозначим через S„ быстроту откачки у
выхода из канала ограничителя, то тот же поток газа мож-
но выразить произведением Sop2.
На основании этого можно составить уравнение
U(Pl-P2)=Sop2, (9-35)
пользуясь которым, мы можем проводить расчет какой-
либо величины, зная остальные.
Обратимся к конкретному примеру работы откачных ав-
томатов с подвижными пароструйными насосами. Рассмот-.
362
рим случай, когда один из откачиваемых приборов разру-
шен. Атмосферный воздух, стремясь проникнуть через огра-
ничитель в коллектор, наибольшее сопротивление встречает,
очевидно, в канале ограничителя. Следовательно, можно
положить, что Р\~Ра, . где рп—атмосферное давление.
Далее, ограничитель только тогда считается выполняю-
щим свое назначение, когда у выпускных патрубков паро-
струйных насосов, связанных с нормально откачиваемыми
приборами, давление остается всегда ниже критического
для этих насосов.
Для упрощения и в то же время большей надежности
расчета мы ужестчим это требование, считая, что ниже
критического или хотя бы равным ему должно оставаться
давление не только у выпускных патрубков пароструйных
насосов, но 'и со стороны выходного отверстия канала огра-
ничителя, т. е. мы должны положить р2 = рк.
Длину канала ограничителя возьмем достаточно малой,
чтобы его можно было рассматривать или как отверстие
или чтобы отношение удовлетворяло условию (9-30).
В этом случае для воздуха при температуре 20° С, если
р2 =< Рь согласно формуле (9-15) или (9-34) пропускная
способность равна L)~ 16сЯ[л/сек].
Наконец, мы уже отмечали, что канал ограничителя со-
ставляет основное сопротивление потоку натекающего ат-
мосферного воздуха; после ограничителя трубопровод имеет
диаметр настолько большой по сравнению с диаметром ог-
раничителя, что быстроту откачки у ограничителя So мож-
но считать равной быстроте действия насоса предваритель-
ного вакуума SH при давлении р2 ~РК-
Таким образом, формулу (9-35) можно заменить:
отсюда
d= 1 Л_____S^.___
V 16 (да-р.) •
Так как рк<^ ра, то, приняв ра = 760 лш рт. ст., по-
лучаем:
rf=|Z Й3 9-|О~ТУЛ [СЛ]=9. ю~У$Л ["<1.
(9-36)
где SH выражено в л)сегс, рк — в мм рт. ст.
363
Не следует забывать, что формула (9-36) дает макси-
мальное значение диаметра, соответствующее критическо-
му, т. е. максимальному выпускному давлению пароструй-
ного насоса.
Пример. Если взять пгроструйный насос, имеющий критическое
давление рк = Ю мм рт. ст., а в качестве насоса предварительного
вакуума взят вращательный масляный насос ВН-1, имеющий при
давлении рк = 10 мм рт. ст. быстроту действия SH = 17 л!сек, то
диаметр ограничителя не должен превышать значения
d = 9- IO"2 /ГЛО = 1,2 мм,
причем его длина должна быть такой, чтобы удовлетворялось усло-
вие (9-30).
Аналогичными подсчетами можно показать, что в слу-
чае откачного автомата с подвижными паромасляными на-
сосами пользование ограничителями встречает затруднения,
связанные с малыми значениями критических давлений для
этих насосов. Например, если взять обычный паромасляный
насос, критическое давление которого не превышает 0,1 мм
рт. ст., и оставить тот же насос предварительного вакуума
(ВН-1), то, поскольку при давлении 0,1 мм рт. ст. быстрота
действия насоса ВН-1 не превышает 6 л!сек, получаем:
J = 0,09-/б~0Л =-0,07 мм.
Ограничитель такого малого диаметра неприменим, так
как, помимо возможного засорения, такой узкий ограничи-
тель привел бы к недопустимо большой длительности от-
качки.
Если вместо обычного паромасляного насоса поставить
вспомогательный насос с критическим давлением Рк=3 мм
рт. ст. (SH =12 л/сек), то
d = 0,09-1/^ 12-3=>_ 0,5 мм.
Полезно отметить, что в случае обычного паромасляного
насоса (рлг=0,1 мм рт. ст.) можно было бы пользоваться
ограничителями диаметра </=1,2 мм, если взять насос
предварительного вакуума, имеющий согласно формуле
(9-35) при 0,1 мм рт. ст. быстроту действия \ ~ 18 000 л!сек.
Возможно, что с такой работой смогут справиться только
вращательные молекулярные насосы (§ 5-7) и то лишь в
будущем, так как в настоящее время максимальная бы-
строта действия таких насосов является еще недостаточной
(\ „„ =5 500 л/сек).
364
9-14. РАСЧЕТ РАЗБАВЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО ГАЗА
ПРОМЫВОЧНЫМ ГАЗОМ
Обозначим давление газа (в основном воздуха) в элек-
тровакуумном приборе перед первой промывкой через р0;
давление, до которого прибор наполняется промывочным
газом, — через /?2'; давление в приборе после удаления
промывочного газа — через р2. Тогда после первой про-
мывки парциальное давление остаточной примеси
к промывочному газу составит р0 . В таком отношении
Рч
давление будет изменяться после каждой промывки,
следовательно, если количество промывок равно п, то
оставшийся в приборе перед первой промывкой газ разба-
(р2 \”
вится в отношении I —- , и парциальное давление вредной
\p2 J
примеси перед окончательным наполнением лампы будет
равным:
(/ \ п
. (9-37)
Р2/
Поскольку величина п является показателем степени,
количество промывок играет очень большую роль.
Пример 9. Лампа перед промывкой откачана до 10 мм рт. ст
Давление в лампе, наполненной промывочным газом, р2 —150 ммрт.ст.',
давление в лампе после удаления промывочного газа Д2~ 5 мм рт. ст.
Количество промывок п ~ 5. Определить парциальное давление оста-
ющейся вредной примеси в лампе перед окончательным наполнением.
Решение.
/о V —7
рп = Ю ( 4-10 мм рт. ст.
Формула (9-37) выведена при условии полной герметичности всех
соединений. Если принять, что на каждой паре позиций, связанных
с промывкой лампы, происходит натекание до давления ря, то фор-
мула (9-37) несколько усложнится и, как нетрудно сообразить, при-
мет вид:
(Рч\П (р2^
Рп~Ро\ 4 ) +рк 4 - (9-38)
\р2 / /
Таким образом, качество промывки в большой степени зависит
от герметичности промывочных позиций, особенно последних.
365
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ВАКУУМНАЯ ГИГИЕНА
10-1. ПРЕДМЕТ ВАКУУМНОЙ ГИГИЕНЫ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
Процесс изготовления любого электровакуумного прибо-
ра как в условиях массового выпуска, так и в лаборатории
(при разработке прибора) распадается на большое число
операций. Из них основными и общими для всех электро-
вакуумных приборов операциями являются: заготовка и
предварительная обработка материалов, изготовление и
предварительная обработка деталей, сборка (монтаж) от-
дельных узлов, заварка прибора и, наконец, откачка, яв-
ляющаяся завершающей основной операцией; от нее в ос-
новном зависит дальнейшая работа электровакуумного
прибора.
Являясь весьма ответственной, операция откачки отли-
чается, как правило, большой трудоемкостью. Как мы
знаем из предыдущих глав, в процессе откачки необходимо
удалить основную массу воздуха из прибора, удалить водя-
ные пары, адсорбированные поверхностью стекла, тщатель-
но обезгазить детали (электроды, поглотители), обра-
ботать специально введенные покрытия; лишь после этого
прибор отпаивается с вакуумной системы; поглотители всех
видов поддерживают необходимый вакуум или чистоту на-
полняющего газа в течение .всего времени работы прибора
(распыление проводится и до и после отпайки в зависимо-
сти от типа прибора).
Трудность операции откачки заставляет учитывать все,
что только может ее облегчить и ускорить. Самое серьезное
внимание уделяется поэтому устройству вакуумных систем,
правильному выбору насосов, размерам трубопровода, в част-
ности откачных трубок, от которых в основном зависит
скорость откачки прибора; некоторые детали прибора под-
вергаются предварительному обезгаживанию. Все эти во-
просы рассмотрены нами в предыдущих главах.
В настоящей главе затрагивается новый вопрос, имею-
щий непосредственное отношение и к операции откачки, и к
операциям, ей предшествующим, и, наконец, 'имеет очень
важное значение в отношении качества и нормальной рабо-
ты готового электровакуумного прибора. Речь будет идти
о так называемой вакуумной или производственной гигие-
не. Как показал многолетний опыт работы, все достижения
вакуумной техники, связанные с производством современ-
ных электровакуумных приборов, оказываются недостаточ-
366
ными, если одновременно не соблюдать необходимых пра-
вил, предусматривающих предохранение приборов от попа-
дания в них загрязнений. Эти правила и составляют пред-
мет вакуумной гигиены.
Вредные последствия, к которым могут привести загряз-
нения в электровакуумном приборе, весьма разнообразны.
Они могут служить дополнительным источником газов и
паров и тем затруднить и даже сделать невозможным полу-
чение в приборе высокого вакуума и надлежащей чистоты
наполняющего газа; примесь посторонних паров или газов
может привести к изменению потенциала зажигания газо-
разрядного .прибора; загрязнение, испарившись в вакууме,
может воздействовать на поверхность катода и привести к
его отравлению или может осадиться на поверхности сетки
и анода, активировав в известной мере эти поверхности и
тем нарушив нормальный режим работы прибора; образую-
щийся на поверхности стекла или слюды налет от испарив-
шегося загрязнения может привести к возникновению уте-
чек между электродами прибора; загрязнение поверхности,
на которой должно прочно удерживаться специальное по-
крытие, может послужить причиной его осыпания или дез-
активации; к тем же последствиям приводит попадание за-
грязнений в состав покрытия до его нанесения на детали
прибора. При этом необходимо иметь в виду, что к вредным
последствиям приводит часто лишь очень малое по своей
массе загрязнение.
10-2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ ГИГИЕНЫ
Выше были перечислены основные операции по изготов-
лению электровакуумных приборов; вакуумная гигиена
должна соблюдаться на всех операциях, но особенно стро-
гие правила относятся к тем операциям, после которых де-
тали и узлы прибора поступают непосредственно в электро-
вакуумный прибор. Точно так же, чем сложнее прибор, чем
больше его работа связана с использованием вводимых в
него покрытий, тем более строгая вакуумная гигиена необ-
ходима при его изготовлении.
Мероприятия общего характера
Вакуумная гигиена начинается с борьбы за чистоту
окружающего воздуха, чтобы он не содержал взвешенных
частиц (пыли, копоти), не был загрязнен парами кислот
или других веществ.
367
Помимо очевидного правила поддержания безукоризнен-
ной чистоты в производственных помещениях, принимаются
меры, предохраняющие от попадания в приборы механиче-
ских частиц со стен и потолков; для этой цели они покры-
ваются прочной, влагостойкой краской и подвергаются пе-
риодической очистке. Чистота воздуха в большой мере за-
висит от состояния полов; важно, чтобы полы были глад-
кими, без швов ц щелей, в которых может легко накапли-
ваться пыль. Для поддержания определенной влажности
воздуха в некоторых случаях прибегают к специальной по-
даче чистого и достаточно сухого воздуха. Такие производ-
ственные отделы, .как механические, металлургические и
травильные мастерские, располагаются в достаточном от-
далении от помещений, где выполняются «чистые» опера-
ции. Чистота воздуха в помещениях не может быть совер-
шенной, если одновременно не поддерживается чистота
территории, окружающей здания электровакуумного пред-
приятия.
Строжайшая чистота, граничащая с хирургической, под-
держивается па рабочих местах. То же требование относит-
ся к инструменту для сборки, к посуде для химических со-
ставов, к таре для деталей. Особенно строгие требования
предъявляются к таре для очищенных деталей; последняя
изготавливается из материала, не угрожающего загрязне-
нием помещаемых в ней деталей; например, нельзя пользо-
ваться бумагой или картоном, так как они могут загрязнить
детали трудно удаляемыми ворсинками. Лучшими мате-
риалами для тары являются целлофан, стекло, пластмасса,
стойкий на воздухе металл.
Чистота спецодежды, личная гигиена, особенно чистота
рук, являются постоянной заботой всех работающих на от-
ветственных по чистоте операциях. Даже при вполне чи-
стых руках за очищенные детали нельзя браться голыми
руками; па деталях могут остаться следы от пота и жира,
могущие затруднить откачку и привести к отравлению ка-
тодов. При обращении с чистыми деталями можно пользо-
ваться только чистым, обезжиренным инструментом или
надевать на руки перчатки или резиновые пальцы.
Запрещается прикасаться руками после их мытья к лю-
бым предметам, не связанным с выполнением непосредст-
венных рабочих операций.
Кому положено пользоваться белыми халатами, тот
всегда должен помнить, что в своем рабочем помещении
он должен быть в белом халате; наоборот, за пределами
368
рабочего помещения пользование белыми халатами не до-
пускается. Посторонние лица, входящие в ответственное по
вакуумной гигиене рабочее помещение, должны надевать
белые халаты.
Из описания общих мероприятий по вакуумной гигиене
мы видим, что все они сводятся к одному требованию: со-
блюдению строгой чистоты на всех операциях и устранению
опасностей, угрожающих нарушить эту чистоту.
Специальные требования
Конечно, не ко всем рабочим помещениям предъявляют-
ся одинаково строгие требования. С точки зрения этих тре-
бований производственные участки разделяются на три
категории. К первой категории относятся помещения, отве-
денные для приготовления составов для внутренних покры-
тий, газопоглотителей, внутренних изоляторов, помещения
для химической, термической и других видов обработки де-
талей, для нанесения внутренних покрытий, монтажа вну-
тренней арматуры; наконец, помещения для заварки и от-
качки электровакуумных приборов. Остальные помещения
относятся ко второй или третьей категории.
Подробный перечень требований по производственной
гигиене изложен в специальной инструкции МРТП (1956 г.);
здесь мы выскажем ряд соображений, имеющих непосред-
ственное отношение к соблюдению вакуумной гигиены на
операции откачки электровакуумных приборов, причем за-
тронем все три элемента вакуумных систем: откачиваемые
приборы, трубопровод и насосы.
Подготовленные к откачке (заваренные) электровакуум-
ные приборы через открытый конец откачной трубки оста-
ются сообщенными с атмосферой. В то же время многие
типы приборов содержат вещества, которые окисляются или
дезактивируются при длительном соприкосновении с воз-
духом, например бариевый поглотитель, специальные по-
крытия и т. п. Такие приборы, если они поступают на опе-
рацию откачки не сразу после заварки, а после длительного
перерыва, подвергаются предварительной откачке; послед-
няя заключается в удалении из прибора атмосферного воз-
духа до высокого вакуума (без какой-либо дополнительной
вакуумной обработки); после этого прибор отпаивается и
в таком виде хранится до основной откачки. Предваритель-
. ная откачка позволяет сохранять в чистоте чувствительные
к атмосферному воздуху вещества внутри прибора; кроме
того, если прибор окажется натекающим (что можно обна-
24 Б. И. Королев. 369
ружить по свечению газового разряда), то он уже не по-
падает на основную откачку; благодаря этому вакуумная
система своевременно предохраняется от загрязнения нате-
кающим воздухом.
В отношении трубопровода основным требованием ваку-
умной гигиены являются его исправность и содержание в
чистоте как внешней, так и особенно внутренней его по-
верхности. Большого внимания к себе требует состояние
кранов; они нуждаются в периодическом обновлении смаз-
ки, иначе возникает опасность натекания через краны, так
как смазка с течением времени подсыхает и в пространстве
между притертыми поверхностями могут образоваться за-
зоры. Перед промазыванием кранов необходимо прежде
всего тщательно смыть старую смазку соответствующим
растворителем, причем нельзя допускать проникновения
растворителя в трубопровод в жидком виде; при нанесении
смазки необходимо также заботиться о том, чтобы после
соединения притертых поверхностей смазка не выходила за
их пределы и не закрывала отверстий крана. Если смазка
будет иметь большую поверхность испарения внутрь ваку-
умной системы, последняя будет загрязнена ее парами; за-
крывание отверстий крана смазкой, хотя бы частичное,
сильно снижает пропускную способность трубопровода.
Если вакуумная система снабжена ловушками, то ввиду
постепенного загрязнения последних продуктами осаждаю-
щихся на их стенках веществ они требуют периодической
замены свежими.
В отношении насосов основные требования вакуумной
гигиены сводятся к содержанию в чистоте рабочих жидко-
стей. Масло во вращательных насосах загрязняется глав-
ным образом влагой, постепенно накапливающейся в нем
от прогрева стекла в процессе откачки. Масло в паро-
струйных насосах может изменить свой состав в сторону
увеличения содержания более летучих фракций. В связи
с этим в зависимости от сорта масла, конструкции насосов
и степени загруженности вакуумной системы производится
более или менее частая, периодическая замена масла све-
жим с одновременной промывкой деталей насосов (обычно
бензином или бензолом) и последующей затем их про-
сушкой.
Задача длительного сохранения вакуумной системы в
надлежащем с точки зрения вакуумной гигиены состоянии
сильно облегчается, если после работы на все время пере-
рыва вакуумную систему оставлять под вакуумом, т. е. не
370
впускать в нее атмосферного воздуха. Благодаря этому ме-
роприятию стенки трубопровода сохраняются более чисты-
ми, с меньшим содержанием адсорбированных водяных па-
ров и газов; масло в пароструйных насосах не растворяет
в себе большого количества воздуха, благодаря чему насо-
сы после включения начинают работать быстрее; содержа-
ние паромасляных насосов под вакуумом имеет также то
преимущество, что масло не так быстро портится при пер-
воначальном нагревании после включения подогревателя.
Сохранение под вакуумом внутренних частей вращательных
насосов необязательно.
Этим мы заканчиваем рассмотрение мероприятий по ва-
куумной гигиене. В нашу задачу не входит изложение всех
сведений по вакуумной гигиене; сказанного достаточно,
чтобы заключить, что вакуумная гигиена является важной
областью вакуумной техники; она должна быть хорошо из-
вестна всем работающим в вакуумной промышленности,
в частности, всем тем, кто участвует в разработке и произ-
водстве электровакуумных приборов; только при надлежа-
щей дисциплинированности в этом отношении и точном вы-
полнении правил вакуумной гигиены электровакуумное про-
изводство будет стоять на должной высоте.
24*
372
Приложение 1
СВОДНАЯ ТАБЛИЦА РАСЧЁТНЫХ ФОРМУЛ
Течение Высоковакуумное Средневакуумное Низковакуумное
Режим течения Молекулярный Молекулярно-вязкостный Вязкостный
Обобщенное выраже-/ ние для пропускной спо- собности трубки ^e = 3 810j 7,4.10-2 / М L \ \ -•*4^) О'9)
Выражения для про- пускной способности трубки для отдельных режимов и = 38101/L м ум J3 L (9-6) Uwe (9-9) в У М 2 (9-3)
Для воздуха при 20° С и при давлениях, выра- женных в мм рт. ст. бР UM = 1,21-101-7 м L, (9-7) X ds (b+15,6d^^p2\ \ z / (9-10) [Л = 1,88-105 ]/Z-X в УМ. d4 р. — р9 X~L' 2^ <9'4)
Условия рационально- го применения формул с допустимой погрешно- стью к X 1,5>-^->5.10-з 5-10-3 >-4>0,1 ~ d L
V
Длительность откачки
при U SH
Длительность откачки
при U SK и SH const
Длительность откачки
при U^5SH и SK = f(p)
> 9 □ V . Pl
t = 2,3 —— 1g —
им рх
(9-27)
/ p'l Ь + ар\
X 1g—7 —1g —----------
\ Pi b + aPl
где
d
а — 3,7-10-2 -т—
(9-28)
V_
d
1 _ 1 \
P\ Pi }
(9-29)
где
rt__281-/~F d4
2 V M' L\
на величину
Длительность откачки увеличивается
V Pi
2,3-x-1g—77
Pl
( 1 P\ 1 Pi
t = 2,37 -г 1г -77 + 1г +... + 1g
\ Pl Pl
(9-25)
1 . р<п -1)
Обозначения
373
U — общее обозначение пропускной спо-
собности, смз/сек;
L и d — длина и диаметр трубки, см\
Т и М — абсолютная температура и молеку-
лярный вес газа;
Pi и р2 — давление газа в объекте и у входа
в насос;
р' или рх—.начальное давление в объекте;
р\ —давление в объекте в момент вре-
мени t‘,
Pl , Pi ,р\ ’ — давление в объекте в последователь-
ные моменты времени: f; t”....................
Давления можно выражать в любых единицах, на-
пример в формулах (9-4) и (9-10) для воздуха давле-
ние выражено в мм рт. ст.
Время сле‘дует выражать в секундах.
— средняя длина свободного пути при давлении,
равном единице, см\
к — общее обозначение для длины свободного
пути, см\
b 1 вблизи молекулярного режима;
b 0,8 вблизи вязкостного режима.
При расчетах допускается пользоваться средним
значением Ь = 0,9.
374
Приложение II
НЕКОТОРЫЕ КОНСТАНТЫ ГАЗОВ
Газ Химический знак Молекуляр- ный вес М (0=16) Плотность при 0° С и 760 мм рт. ст. р, г/см3 Средние арифметиче- ские скорости теплового движения при 0“С va, м[сек Средняя длина свободного пути X, см, при 1 мм рт. ст.
0° С 20° С
Водород н2 2,0156 0,08987.10-3 1692 8,54-Ю-з 8,68-Ю-з
Гелий Не 4,002 ш 0,1785-Ю-з 1204 13,64-Ю-з 13,82-Ю-з
Неон Ne 20,183 0,9000-Ю-з 535,1 9,56-Ю-з 9,70-Ю-з
Азот n2 28,016 1,2505-Ю-з 454,3 4,55-Ю-з 4,63-10-з
Воздух — 28,8 1,2930-Ю-з 446,9 4,62-Ю-з 4,72-10-з
Кислород о2 32,000 1,429-Ю-з 425,1 4,92-Ю-з 5,03-Ю-з
Аргон Аг 39,944 1 ,784-Ю-з 380,8 4,82-Ю-з 4,94-Ю-з
Криптон Кг 83,70 3,708-Ю-з 264,1 3,70-Ю-з 3,81-Ю-з
Ксенон Хе 131,30 5,851-Ю-з 210,8 2,66-10-3 2,76-Ю-з
Приложение III
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАСЛЯНЫХ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ НАСОСОВ
№ п/п. Наименование параметра или характеристики Насос
ВН-494 ВН-461 | РВН-20 ВН-1 ВН-2 ВН-4 ВН-6
1 Тип насоса Пластин- Пластин- Пластин- Золот- Золот- Золот- Золот-
2 Средняя быстрота действия насоса, л)сек: При давлении: 760 мм рт. ст. . . . чато-ро- торный 0,21 чато-ста- торный 0,83 чато-ста- торный 2,7 никовый 18,3 никовый 7,0 НИКОВЫЙ’ 59 никовый 155
1 мм рт. ст. . . . 0,21 0,7 2,4 14,5 5,9 40 177
0,01 мм рт. ст. . . . 0,05 0,2 0,5 11,5 5,0 15 0
3 Предельный вакуум, мм рт. ст. . . . 1.10-3 1.10-з 1.10-з ЗЛО-3 ЗЛО-3 5-Ю-з 1.10-2
4 Число оборотов шкива насоса в минуту 330 540 400 500 525 500 360
5 Количество масла ВМ-4 на заправку насоса, л 1,5 2,3 0,5 3,8 2,0 16 55
6 Расход масла, см31ч — — — — — 40 70
7 Охлаждение насоса Воздуш- Воздуш- Воздуш- Воздуш- Воздуш- Водяное Водяное
8 Расход воды, л/ч ......... ное ное ное ное ное 200—300 700-1 000
9 Габаритные размеры насоса, мм: длина 420 610 620 910 690 1 635 1 905
ширина 235 294 330 625 560 875 960
высота 325 415 445 605 490 1 420 1 975
10 Вес, кг ............... 36 75 НО 312 180 1 050 2 050
11 Напряжение, в ............ 230/380 220/380 220/380 220/380 220/380 220/380 220/380
12 Мощность, кет .... 0,6 0,6 0,8 2,8 1,7 * 7 20
13 Число оборотов в минуту 1 400 1 400 — 1 400 1 400 960 960
00
376
Приложение IV
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ МНОГОПЛАСТИНЧАТЫХ
HACOluB
№ п/п. Наименование характеристики Насос
РВН-7 РВН-30 РВН-60 РВН-75
1 Быстрота откачки при 50—100 мм рт. ст., л/сек ... 70 420 800 1 000
2 Предельное давление, мм рт. ст 10 15 15 25
3 Расход масла, г/ч 150 250 300 350
4 Расход воды, л[ч ............. 400 1 400 2 000 > 10 000
5 Тип электродвигателя — ГАМ-6-117-10 ГАМ-6-127-12 ГАМ-138-12
6 Мощность электродвигателя, кет 10 50 75 100
7 Число оборотов в минуту 1 500 585 485 485
8 Общий вес установки (насоса и электродви- гателя), кг ............... — 3 375 5 540 8 980
9 Габаритные размеры, мм\ Длина 876 1 220 1 690 1 905
10 Высота 400 765 968 —
11 Ширина 420 720 920 1 000
12 Радиальный зазор между барабаном- и ци- линдром, мм .............. 0,2 0,45 0,5 0,5
13 Торцовый зазор, мм 0,1—0,8 0,15—1,1 0,15—1,65 0,2-2,2
14 Длина корпуса насоса, мм ......... 380 700 1 050 1 250
Приложение V”
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОРТУТНЫХ НАСОСОВ
№ гг/п. Наименование параметра или характеристики Насос
Н-5Р Н-40Р Н-1ТР
1 Средняя быстрота действия насоса в интервале давле- ний от 8-10-6 д0 4.10-4 мм рт. ст., л/сек 8—10 45-4-50 1 500
2 Предельный вакуум, создаваемый насосом при работе на ртути Р-1 или Р-2 (при вымораживании паров ртути жидким азотом), мм рт. ст................ 3-10-7 3-10-7 5-10-7
3 Максимальное выпускное давление, измеренное в сечении выходного фланца насоса (при давлении на стороне высо- кого вакуума 1-10-5 мм рт. ст.), мм рт. ст....... 0,5—0,6 0,9ч-1 0,3
4 Количество ступеней откачки 2 2 3
5 Мощность электронагревателя, вт ........... 300 450 1 000
6 Напряжение электронагревателя, в 127 220 220
7 Количество ртути Р-1 или Р-2, заливаемой в насос, см3 . 20 50 1 000
8 Внутренний диаметр корпуса насоса, мм ....... 35 62 260
9 Высота насоса (с электронагревателем), мм ....... 210 245 729
10 Площадь в плане, мм X мм 103X150 125X168 340X500
11 Вес насоса (без ртути), кг ............... 2,6 3,8 60
378
№
п/п,-
Наименование параметра или характеристики
12
13
14
Размеры присоединительных фланцев:
а) Входной фланец
Внешний диаметр, мм ................
Диаметр окружности по центрам болтов, мм.
Диаметр болтов, мм .................
Количество болтов, мм ................
Паз для резиновой прокладки, мм ..........
Паз для медной прокладки, мм ............
Медная прокладка входного фланца, мм .......
б) Выходной фланец
Внешний диаметр, мм ............... .
Диаметр окружности по центрам болтов, мм . ... .
Диаметр болтов, мм .................
Количество болтов, шт....................
Паз для резиновой прокладки, мм..........
Резьба выходного штуцера насоса..........
Резьба водяных штуцеров насоса, л/ч......
Расход охлаждающей воды, л[ч.............
Рекомендуемый насос предварительного разрежения
Продолж. приложения V
Насос
Н*5Р Н-40Р Н-1ТР
80 118 340
64 96 308
8 10 12
6 6 8
— — 276X266X4,8
52X42X3,0 82X72x4,0 —
52X42X0,5 82X72X0,5 —
• — 110
— — 90
— — 8
— — 4
— —— 70X60X3,5
1MI8X1,5 1М18Х1.5 —
2М12Х1 2М12Х1 —
30 50 300
ВН-494 ВН-494 ВН-2
Приложение VI
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
№ п/п.
Наименование параметра
или характеристики
Насос
Модель А-338-03 Модель И076-00 ДМН-20 ММ 40-А ЦВЛ-ЮО Н-5 ЦВЛ-15М
00
со
1 Средняя быстрота действия насоса в интервале 1 •10'4-T-2-10"iмм рт. ст., л/сек 5 5,5 20 30—40 125—140 500 1 500
2 Предельный вакуум при работе на масле Д1 (без вымораживающей ловушки), мм рт. ст. . . 2.10-6 2.10-6 5.10-6 з-ю-6 зло-6 з-ю-6 з-ю-6
3 Максимальное выпускное давление, мм рт. ст 0,075 0,2 0,05 0,05—0,1 0,2 0,12 0,12
4 Количество ступеней откачки 4 2 2 2 3 3 2
5 Мощность электродвигателя, кет 0,085 0,2 0,2 0,45 0,45 1,0 1,2
6 Напряжение электродвигателя, в ........ 36 36 220 127 127 220 220
7 Количество масла, заливаемого в насос, л . . 0,03 о,.оз 0,1 0,04 0,1 0,5 1,0
8 Внутренний диаметр корпуса насоса, мм . . — — 49 62 86 162 —
9 Высота насоса, мм 190 155 310 440 410 616 1 000
10 Площадь в плане, ммХмм 85X80 88X78 130X125 120ХП6 250X130 315x240 460-283
11 Вес насоса, кг 1,8 0,6 4,2 6,9 6,3 27 60
12 Расход охлаждающей воды, л/ч 30 30 Воздушное охлаж- 50 50 120 220
13 Рекомендуемый насос предварительного разре- жения ВН-494 ВН-494 дение ВН-494 ВН-494 BH-46IM РВН-20, ВН-2 ВН-2
Приложение VII
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
ЕДИНОЙ СЕРИИ
-Е. с 2 Наименование параметра или характеристики Н-1С Н-5С Н-2Т Н-5Т Н-8Т
1 Средняя быстрота действия насоса в интер- вале давления 1 «10“б-т-2’ Ю~4 мм рт. ст., л/сек .................. 100 ,500 2 000 5 000 8 000
2 Предельный вакуум при работе на масле Д1А (без вымораживающей ловушки), мм рт. ст.................. 3-10-6 3-10-6 3-10-6 3-10-6 3-10-6
3 Максимальное выпускное давление, мм рт. ст 0,075 0,075 0,100 0,100 0,100
4 Количество ступеней откачки 2 2 3 3 3
5 Мощность электродвигателя, кет 0,45-0,48 1,00 1,25 2,0 2,8
6 Напряжение электронагревателя, в 220 220 220 220 220
7 Схема соединения электронагревателя . . . Однофазная Однофазная Трехфазная Трехфазная Трехфазная
8 Удельная характеристика, [л/сек]1см2 .... 1,75 2,5 3,80 4,4 4,10
9 Удельная характеристика, втЦл/сек].... 4,5-4,8 2,0 0,6 0,40 0,35
10 Количество масла, заливаемого в насос, л . 0,05 0,5 1,0 1,5 4,0
11 Внутренний диаметр корпуса насоса, мм . . 86 160 260 380 500
12 Высота насоса, мм ............. 335 478 •640 776 1 012
13 Площадь в плане, мм^мм ......... 175X145 325X260 452X370 596X532 779 л 650
14 Вес насоса, кг 6 20 41 79 140
№ п/п.
Наименование параметра
или характеристики
Н-1С
15 Размеры присоединительных фланцев:
а) Входной фланец
Внешний диаметр, мм 145
Диаметр окружности болтов, мм 125
Диаметр болтов, мм ............ 6
Количество болтов, шт 6
Паз для резиновой прокладки, мм'Х.мм'Хмм —
б) Выходной фланец
Внешний диаметр, мм ........... 60
Диаметр окружности болтов, мм 45
Диаметр болтов, мм 6
Количество болтов, шт 4
Паз для резиновой прокладки, мм\мм\мМ —
16 Расход охлаждающей воды, л/ч 50
17 Рекомендуемый насос предварительного раз- ВН-461
режения
СР 00
Продолжение приложения VII
Н-5С Н-2Т Н-5Т Н-8Т
235 340 460 600
210 308 430 565
10 12 12 16
8 8 8 8
174X164X3,5 276X266X4,8 406X396X4,8 532X516X6,4
70 110 110 145
56 90 90 125
6 8 8 8
4 4 4 4
46x36x2,5 70X60X3,5 70X60X3,5 98X87X3,5
120 200 350 600
м ВН-2 или РВН-20 ’ ВН-2 ВН-1 ВН-1
382
Приложение VIII
Технические параметры и характеристики вспомогательных (бустерных) насосов
*5. Наименование параметров или характеристика Насос
2 БН-3 ДРН-10 ДРН-50
1 Максимальная быстрота действия, л1сек . ... . 450 при 1 • 10-2 мм рт. ст. 10 при 1 • 10-2 мм рт. ст. 30 при 1 • 10-1 мм рт. ст.
2 Предельный вакуум, мм рт. ст.......... 5-10-4 1-10-7 (с жидким азотом) 1-10-7 (с жидким азотом)
3 Максимальное выпускное давление, мм рт. ст. . . 0,3 4-0,© 14-1,5 20
4 Количество ступеней откачки 2 2 —
5 Мощность электродвигателя, кет 3,5 0,6 2,5
6 Напряжение электродвигателя, в ......... 220 220 220
7 Марка рабочей жидкости Масло Г Ртуть Р-1, Р-2 Ртуть Р-1, Р-2
8 Количество рабочей жидкости, заливаемой в на- сос, л .................... 1,5 0,15 0,25
9 Внутренний диаметр корпуса насоса, мм 162 35 50
10 Высота насоса, мм 610 540 875
И Площадь в плане, мм X мм 418X413 170X170 280X280
12 Вес насоса, кг .................. 33,5 7,5 25
13 Расход охлаждающей воды, л/к ......... .180 — —
14 Рекомендуемый насос предварительного разреже- ния ВН-1 ВН-494 ВН-461М
Приложение I Ха
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К МАСЛУ Д-1
Приложение 1X6
Показатели (ГОСТ 7404-56)
Кинематическая вязкость (отноше- ние динамической вязкости масла и его плотности при температуре оп- ределения) при 50° С и сантистоксах в пределах 654-69
Температура вспышки, определен- ная в открытом тигле, °C в преде- лах 2344-248
Температура застывания, °C не выше —11
Температура кипения при остаточ- ном давлении 0,01 мм рт. ст,, °C в пределах 140—150
Упругость паров при 20°С, мм рт. ст. в пределах 2.10-84-2.10-9
Предельное давление при 20° С, мм рт. ст.-. а) для марки ВМ-1 не более . . . 2.10-6
б) для марки ВМ-2 не более . . . 3,5-10-6
Зольность, о/о не более 0,01
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ СИЛИКОНОВЫЕ МАСЛА
Основные требования к полисилоксановым
маслам ВКЖ-94 (ВТУ МХИ 62-54)
Показатели Марки масел
ВКЖ-94А ВКЖ-94Б
Внешний дид Прозрачная Бесцветная
жидкость
Механические примеси . . Стсут ствуют
Вязкость, сст ...... 16- 4-33
Температура кипения, °C . 100- 4-160
Кислотность (pH) 6 -7
Давление насыщенного па-
ра при 20° С, мм рт. ст. 2-10-6 . 1-10-5
Продолжение приложения 1X6
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИФЕНИЛМЕТИЛСИЛОКСАНОВЫМ МАСЛАМ
Показатели Марки масел
ПФМС-1 ПФМС-2 ПФМС-З
1 2 3 4
Внешний вид Прозрачная бесцветная жидкость
Механические примеси Отсутствуют
Вязкость кинематическая при 50° С, сст 3,6ч-4,6 8,04-13,0 6,64-9,0
Содержание кремния в пересчете на % 55,54-55,0 49,74-52,0 49,7—53,0
Кислотность (pH) 64-7 6-е-7 64-7
Давление насыщенного пара при 20° С, мм рт. ст. . . 1.10-54-7*10-5 5*10-94-7*10-7 4-10-Ч-2-10-5
Температура кипения при 1*10-2 мм рт. ст. °C . . . 654-75 954-100 944-112
Предельное давление, мм рт. ст Не определено 2*10-6 1*10-5
Наибольшее выпускное давление, мм рт. ст. . . .* . Не определено Не определено Не меньше 4,0
Приложение X
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАГРАНИЧНЫХ ВАКУУМНЫХ
НАСОСАХ
Технические характеристики масляных вращательных насосов,
выпускаемых в Англии
Тип насоса Быстрот a действия на- соса в л/сек при 760 мм рт. ст. Предельный вакуум, мм рт. ст. Максималь- ное количест- во водяного пара, откачи- ваемого на- сосом, г; мин Мощность мотора, к в tn
без балласт- ного газа с балласт- ным газом
2SC20* 0,37 l-10-з 5-10-2 0,23 0,184
1SC30** 0,53 2-10-2 1,0 0,45 0,184
1SC50 0,80 1-10-2 1,0 0,68 0,184
2SC50* 0,80 2-10-4 5-Ю-з 0,57 0,245
1SC150 2,40 1-10-2 1,0 2,20 0,245
1SC450 7,50 1-10-2 1,0 15,0 0,736
GkS47 22,0 1-10-2 0,5 32,0 2,2
GkSllO 50,0 110-2 0,5 74,0 3,7
GkD310 145,0 1-10-2 0,5 212,0 11,0
GkD485 227,0 1-10-2 0,5 325,0 18,4
GkD780 365,0 1-10-2 0,5 520,0 29,4
* Двухступенчатые насосы.
** Насос может работать как компрессор, нагнетая газ под давлением 0,7 ата.
Технические характеристики паромасляных бустерных
насосов
Тнп насоса Быстрота действия в л!сек при давлении 10'1 мм рт. ст- Предель- ный ва- куум, мм рт. ст. Макси- мальное выпуск- ное дав- ление, мм рт. ст. Мощ- ность электро- нагрева- теля, кет Вес, кг Приме- чание
ODP-7 7 Ю-з 9 1,5 36
ODP-50 50 Ю-з 3 1—3 130 ФРГ
ODP-300 300 Ю-з 3 9 350
9В1 40 10-4 2-5 1,85 —
9ВЗ 140 10-4 2-3 2,25 — Англия
18ВЗ 800—900 10-4 2—3 6,4 —
25 Б. И. Королев.
385
Приложение XI
Технические характеристики масляных вращательных
насосов, выпускаемых в ФРГ
Тип насоса Быстрота действия насоса в л/сек при 760 мм рт. ст. Предельный вакуум» - ~мм рт. ст. Мощ- ность мотора, кет Вес с мо- тором, кг Число ступе- ней
без бал- ластного газа с балласт- ным газом
S2 0,5 2-Ю-з 1,0 0,22 30 1
D2 0,5 1-10-5 5-10-2 0,22 38 2
S5 1,4 2-Ю-з 1,0 0,33 40 1
D.5 1,4 1-10-5 5-10-2 о,зз 61 2
S10 2,8 2-Ю-з 1,0 0,5 68 1
D10 2,8 1-10-5 5-10-2 0,8 97 2
D25 7,0 1-10-4 5-10-2 2,2 144 2
S50 14,0 2-Ю-з 1,0 2,2 190 1
S150 42 2-Ю-з 1,0 5,5 666 1
S300 83 6-Ю-з 1,0 10 1 150 1
S600 165 6-Ю-з 1,0 16' 2 390 1
S50-S2* 14,0 — 1-Ю-з 2,2+0,22 300 2
S150—S5* 42 — 1-Ю-з 5,5+0,33 250 2
S300—S10* 83 — 1-Ю-з 10+0,5 1 300 2
S600—S50* 165 — 1-Ю-з 16+2,2 2 700 2
• Последовательное соединение насосов S50, S150 и т. п. с насосами S2,
S5 и т. п.
386
П родолжение приложения А/
Технические характеристики двухступенных масляных
вращательных насосов, выпускаемых в ГДР
Тип насоса Быстрота действия, л]сек Предельный вакуум, мм рт. ст. Мощность мотора, кет
параллель- ное включе- ние последова- тельное включение параллель- ное включе- ние последова- тельное включение
43/42 19,5 12,5 5-10-2 З-10-з 2,5
45/43 35 22 5-10-2 З-10-з 4,5
46/45 56 36 4-10-2 2-Ю-з 5,5
47/46 89 56 4-10-2 2-Ю-з 7,5
48/47 139 83 3-10-2 Ю-з 11,0
49/48 195 111 3-10-2 Ю-з 15,0
Технические характеристики паромасляных насосов,
выпускаемых в ГДР
Тнп насоса Быстрота действия в л/сек при давлении, мм рт. ст. Выпускное давление, мм рт. ст. Мощность электрона- гревателя, кет
10-‘ IO'3 IO’2 10-.
032/3T 195 180 153 5,6 4-10-1 1,0
033/4Т 550 417 280 14 6-10-1 2,0
034/4Т 830 723 500 22 6-10-1 2,5
035/4Т 1 400 1 250 800 45 6-10-1 4,0
036/4Т 2 800 2 500 1 600 83 6-10-1 6,5
037/4Т 5 800 5 000 3 300 195 6.10-1 8,5
25*
387
Приложение XII
388
ХАРАКТЕРИСТИКА СПАЕВ „МЕТАЛЛ — СТЕКЛО"
Металл Коэффициент тепло- вого расширения (линейный) X Ю7 (20 — 100° С) Стекло Коэффициент тепло- вого расширения (линейный) X Ю7 (20—100° С) Цвет спая
Платина 90 Платиновой группы 82—92 Блестящий ме- таллический
Платинит (сердечник: 58% железа; 42% никеля; оболоч- ка: медь, покрытая закисью и бурой) 78 (в продоль- ном направлении) 90 (в попереч- ном направлении) То же 87—92 Красный
Феррохром (26% хрома) 102 То же 89—103 Зеленовато-се- рый
Фуродит (52% железа; 42% никеля; 6% хрома) 89 То же 89—103 Серый
Молибден 55 Молибденовой группы 46—50 Коричневый
Вольфрам 44 Вольфрамовой группы 37—41 Коричневый
Ковар <54о/0 Fe; 29% Ni; 17% Со; 0,2% Мп; 0,2 С) 45 То же 37—41 Серый
Медь 167 Все стекла (при над- лежащих размерах и форме металл) 33—92 Красный или золотистый
ЛИТЕРАТУРА
По всем вопросам вакуумной техники
ГОСТ 5197-50. Вакуумная техника. Терминология.
Л. Дюнуайе, Техника высокого вакуума, Государственное техни-
ко-теоретическое издательство, 1931.
А. А. Иванов, Электровакуумная технология, Госэнергоиздат, 1944.
Н. А. Капцов, Электрические явления в газах и в вакууме, ОГИЗ,
Гостехиздат, 1947.
С. Дэшмен, Научные основы вакуумной техники, ИЛ, 1950.
А. Гутри и Р. Уокерлинг, Вакуумное оборудование и вакуумная
техника, перевод с английского, под редакцией М. И. Меньшикова,
ИЛ, 1951.
Р. Яккель, Получение и измерение вакуума, перевод с немецкого
под редакцией М. И. Меньшикова, ИЛ, 1952.
‘ К. А. Савинский, Высоковакуумное оборудование, «Заводская
лаборатория», 1955, № 9.
В. А. Пазухин и А. Я. Фишер, Вакуум в металлургии, Государ-
ственное научно-техническое издательство литературы по черной и
цветной металлургии, Москва, 1956.
Е. A. Holland-Merten, Handbuch der Vakuumtechnik, Halle (Saale),
VEB, 1953.
J. Groszkowski, Technologia wysokiej prozni, Warszawa, 1955.
J. Yarwood, High Vacuum Technique, N. Y., 1955.
A. L. Reimann, Technique du vide, Paris, 1956.
H. Laporte, Hochvakuum, seine Erzeugung, Messung und Anwen-
dung im Laboratorium, VEB, Halle (Saale), 1957.
К главам 1, 2, 3 и 4
P. Ф. Герцфельд, Кинетическая теория материи, ОНТИ, 1935.
С. А. Векшинский, Новый метод металлографического исследова-
ния сплавов, ОГИЗ, Гостехиздат, 1944.
К. А. Путилов, Курс физики, т. I, Учпедгиз, 1952.
А. К. Тимирязев, Кинетическая теория материи, Учпедгиз, 1956.
W. Heinze, Einfiihrung in die Vakuumtechnik, Bd I, VEB, Berlin,
1955.
К главе 5
Описания и инструкции по вакуумным насосам и агрегатам,
НИИ МРТП, 1954.
ГОСТ 7903-56. Масло для насосов предварительного вакуума. Тех-
нические условия.
ГОСТ 7904-56. Масло для вакуумных пароструйных насосов
(Масло Д-1). Технические условия
Кремнийорганические соединения, Мин. химии, пром., 1956.
389
В. И. Кузнецов, Механические вакуумные насосы, Госэнергоиздат
(готовится к печати).
К. А. Савинский, Высокоиакуумные насосы, «Заводская лаборато-
рия», 1957, № 1.
Б. С. Данилин. Вакуумные насосы и агрегаты, Госэнергоиздат,
1957.
К. Д. Синельников, А. К. Вальтер, Д. Н. Улезко, А. Н. Ямниц-
кий, Фракционирующие насосы, «Журнал технической физики», т. XI,
вып. 10, стр. 879, 1941.
А. П. Иевлев, Современные фракционирующие насосы, «Успехи
физических наук», т. XXIX, вып. 1—2, 1946.
В. В. Федоров, Теория высоковакуумных насосов (реферат статьи
П. Александера из Journ. Sci. Instr., 23, № 1, 1946); «Успехи физиче-
ских наук», т. XXXIV, вып. I, 1948.
К. А. Савинский, О распределении концентраций откачиваемого
газа в пароструйном вакуумном насосе, «Журнал технической физи-
ки», т. XXIV, вып. 5, 1954 и т. XXV, вып 4, 1955.
Э. Г. Андресен, Современное развитие высоковакуумной техники,
Feinwerktechnik, 1955, № 12.
Н. Д. Моргулис, Некоторые особенности ионизационного метода
получения очень высокого вакуума, «Журнал технической физики»,
т. XXV, № 9, 1955.
Э. М. Рейхрудель, Г. В. Смирницкая, А. И. Борисенко, Ионный
насос с холодными электродами и его характеристики, Радиотехника
и электроника, т. I, вып. 2, 1956.
Шварц, Метод получения высокого вакуума при помощи иониза-
ции; конструкция электронного насоса, Rev. Sci. Instr., vol. 24 № 5,
1953.
Фостер, Лоуренс, Лофгрен, Высоковакуумный высокоскоростной
ионный насос, Rev. Sci. Instr., vol. 24, № 5, 1953.
Дейвис, Диватиа, Устройство и принцип действия ионно-испари-
тельных насосов, Rev. Sci. Instr., vol. 25, № 12, 1954.
К. А. Савинский, Высоковакуумные насосы (обзор иностранной
литературы), «Заводская лаборатория», 1957, № 1.
ВН МПСС 955-52, 1952. Приборы электровакуумные. Газопоглоти-
тели (основные данные).
3. С. Вознесенская, Удаление газов в лампах накаливания, «Жур-
нал прикладной физики», т. 4, вып. 2, 1927.
Н. А. Шишаков, О гигроскопичности стекла, «Журнал прикладной
физики», т. 4, вып. 37, 1927.
3. Н. Кондрашева Газы в стекле, «Журнал прикладной физики»,
т. 5, вып. 5, 1928.
Д. В. Мак Бен, Сорбция газов и паров твердыми телами, ОНТИ,
1935.
К- И. Смиттелс, Газы и металлы, Металлургиздат, 1940.
В. Эспе, М. Кноль, М. Уилдер, Поглотители для электровакуумных
приборов, Electronics, October 1950.
Вагенер, Получение очень высокого вакуума при помощи поглоти-
телей, Zeitschr. fur angewandte Physik, 1954, В. 6, № 10.
Стоут и Джиббонс, Поглощение газов титаном, Journ. of Appl.
Phys., vol. 26, № 12, 1955.
Берсе, Применение металлического титана в вакуумных приборах,
Trans. IRE on Electron Devices, 1956, ED-3, № 2
Todd, Обезгаживание стекла, Journ. Appl. Phys., 26, № 10, 1955
390
Эспе, Обработка поверхности металлов в вакуумной технике,
Feinwerktechnik, 1956, №4.
К главе 6
Н. А. Шишаков, Манометр Маклеода и водяные пары, «Журнал
прикладной физики», № 3, 1926, стр 219.
Т. П. Козляковская, «Журнал прикладной физики», т. 8, 1938.
Н. Д. Моргулис, Теория ионизационного манометра, «Журнал при-
кладной физики», №1, стр. 51, 1931.
Риттнер, Манометр Пирани для измерения давления газа до 15
мм рт. ст., Rev. Sci. Instr., vol. Ir, № 3, 1946.
Б. А. Миртов, Тепловой манометр для измерения давлений таза
до 50—60 мм рт. ст., «Журнал технической физики», т. XXV, вып. 3,
1955.
Л. П. Хавкин, Об измерении давления различных газов термопар-
ным манометром, «Журнал технической физики», т. XXV, вып. 4, 1955.
Получение и измерение сверхвысокого вакуума (обзор иностран-
ной литературы), «Успехи физических наук», т. 52, № 1, 1954.
Альперт, Беритц, Сверхвысокий вакуум. II. Факторы, ограничиваю-
щие достижение очень низких давлений, Journ. Appl. Phys., 1954,
25, № 2.
Измерение сверхнизких давлений адсорбционным манометром,
«Успехи физических наук», 1953, т. 49, вып. 2.
А. М. Туричин, Электрические измерения неэлектрических величин,
ГЭИ, 1955.
В. Б. Бродский, Измерение вакуума радиоактивным методом,
«Приборостроение», 1956, № 7.
Б, С. Данилин, Электрические приборы для измерения вакуума,
«Измерительная техника», 1957, № 1.
К главе 7
Джекобс и Цур, Новые достижения вакуумной техники, Journ.
Appl. Phys., 1947, № 18.
Л. Е. Левина, Современные методы течеискания, «Успехи физи-
ческих наук», т. IV, вып., 1955.
В. Карпов, Н. Фильченков, Электронный галоидный течеискатель
ГТИ-1, «Холодильная техника», 1955, № 4.
Б. И. Королев, А. А. Быстров, 71юминесцентный метод обнаруже-
ния места течи в электровакуумных приборах и их деталях, Сборник
материалов по вакуумной технике, вып. XV.I, Госэнергоиздат.
К главе 8
В. Эспе и М. Кноль, Технология электровакуумных материалов,
Оборонгиз, 1939.
Дж. Стронг, Практика современной физической лаборатории,
Гостехиздат, 1948.
Л. Г. Ульмишек, Производство электрических ламп накаливания,
Госэнергоиздат, 1949.
Спаи стекла с металлом. Перевод с английского под редакцией
Р. А. Нилендера, Изд-во «Советское радио», 1951.
Роусон, Дэнтон, Свойства спаев титана и циркония со стеклом,
British Journ. of Appl. Phys., vol. 5, № 10, 1954
Г. А. Спыну, Вакуумные уплотнения, Машгиз, 1956.
В. Эспе, Припои и пайка в вакуумной технике, Feinwerktechnik,
1953, № 10.
391
П. К. Ощепков, Э. М. Рейхрудель, Э. М. Стасюк, Высоковакуум-
ные комбинированные установки, «Заводская лаборатория», 1953, XIX,
№ 1.
В. В. Федоров, Л. И. Варламов, Автомат откачки люминесцентных
ламп, Сборник материалов по вакуумной технике,, вып. IV, Госэнерго-
издат.
Л. И. Варламов, В. А. Меркулов, И. Н. Зайдель, Откачка вы-
соковольтных тиратронов с наполнением инертными газами на полу-
автомате, Сборник материалов по вакуумной технике, вып. X, Гос-
энергоиздат.
К главе 9
Г. А. Тягунов, Основа расчета вакуумных систем, Госэнергоиздат,
К главе 10
Инструкция по производственной гигиене на электровакуумных
предприятиях, МРТП, Москва, 1956.
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Абсолютный манометр 210
Абсорбция газа 150, 154
Авогадро число 13
Адсорбция капиллярная 153
— многослойная 152
— мономолекулярный слой 152
— физическая 150
— химическая 153
Азот и металлы 159
Аккомодации коэффициент 41
«Альба» поглотитель 168
Альфатрон ом. Радиоактивный
ионизационный манометр
Алюминиевый поглотитель 181
Апиезоновые смазки 299
Апиезонокаучуковая смазка 299
Б
Бар, единица давления 14
Бар'иево-алюминиевые таблетки
168
Бариевые поглотители 167
Барий в защитной оболочке 167
Баталовый поглотитель 171
«Бати» поглотитель 170
«Баго» поглотитель 170
Бериллат бария, .поглотитель 172
Битум, уплотнитель 298
Бойля — Мариотта закон 14
Быстрота действия вакуумного на-
соса 48
—* —------определение методом
постоянного давления 134
Быстрота действия вакуумного
насоса, определение методом по-
стоянного объема 89, 134
----- расчетная 83
— — вакуумной системы 48
-----ловушки 146
-----поглотителя 181
— натекания 251 и сл.
— откачки, зависимость от разме-
ров трубопровода и быстроты
действия насоса см. Основное
уравнение вакуумной техни-
ки
-----объекта 47
— — — при большой пропуск-
ной способности трубопровода
328
---------------малой пропускной
способности трубопровода 329
----------отсутствии трубопро-
вода 327
В
Вакуум 9
— высокий 34
— низкий 34
— сверхвысокий, получение и из-
мерение 237
— средний 34
— техника 'измерения 195 и сл.
получения 52 и сл.
.Вакуумная гигиена 366
— печь 190
Вакуумные агрегаты 309
— масла 73, 413 и сл., 383, 384
393
Вакуумные насосы, параметры
56—60, 130—134, 375—382
— системы, откачные автоматы
301, 309 и сл.
—- — — посты 301, 302 и сл.
Вакуумный фактор 231
Вентиль вакуумный 289
— для сверхвысокого вакуума 290
Взаимная диффузия газов, влия-
ние степени вакуума 38
Внутреннее трение газа см. Вяз-
кость газа
Водород и металлы 158
Водоструйные насосы 138
Водородный метод течеискания
262
Водяной пар и металлы 159
----- круговая реакция 165
-----поглощение и выделение
стеклом 184
Воскоканифольная смесь, уплот-
нитель 299
Вращательные масляные насосы 60
— многопластинчатые насосы 88
— молекулярные насосы 89
Высоковакуумное течение газа 332
Вязкостный режим течения газа
332
Вязкость газа, влияние степени
вакуума 43 и сл.
— — коэффициент 44
— стекла, зависимость от темпе-
ратуры 273
Г
Газ 46
Газобалластные насосы 84
Газовая постоянная 13
Газовые законы 12
Газовый разряд, применение для
грубой оценки вакуума 249
Газоотдача металлов 189
— стекла 184
Галоидный течеискатель 269
Гей-Люссака закон 15
Глипталевый лак, уплотнитель 298
Градуировка манометра иониза-
ционного 235
---компрессионного 214
--- сопротивления 220
--- термопарного 226
Д
Давление газа 24
— единицы 14
— насыщенных паров 19
—--- в вакуумной системе 14
Дальтона закон 15
Двухроторный объемно-молеку-
лярный насос 91
Дифференциальный манометр со-
противления, течеискатель 260
Диффузионные насосы 95 и сл.
Длительность откачки 354
---при вязкостном режиме 359
-------молекулярно-вязкостном
режиме 358
-------молекулярном режиме
357
------- трубопроводе с относи-
тельно малой пропускной спо-
собностью 357
—------широком и коротком
трубопроводе 355
Дозирующее приспособление 323
Дозирующий объем 306
. Е
Единицы давления 14
— количества газа 14
Ж
Жидкий азот 144
— воздух 144
3
Зажимы 292
Закалка, отжиг стекла 274
394
Закон Бойля—Мариотта 14
— Гей-Люссака 15
— распределения скоростей 28
— Шарля 15
Закрытый U-образный манометр
197
Замазка Менделеева 299
Затвор 294
Золотниковые насосы 68
И
Игольчатый вентиль 295
Идеальный газ 12
Измерение вакуума в готовых
электровакуумных приборах
240
Изотерма адсорбции, см. Адсорб-
ции изотерма
Инерционное течение газа 332,
360
Ионизационный манометр 230 и сл.
--- как течеискатель 261
— — получение и измерение
сверхвысокого вакуума 237
Искровой течеискатель 249, 256
Испарение, влияние степени ваку-
ума 36 и сл.
Испаряющиеся поглотители 161,
163
К
Касторовое масло, уплотнитель
300
Квадратичная шкала, метод 206
Квазистационарный поток газа 50
Кварцевое стекло 276, 277
Кинетическая теория газов, урав-
нение состояния 24
Кислород и металлы 158
Клапан 65
Количество газа, единицы 14
— молекул газа, ударяющихся
в 1 см- стенки в 1 сек
Компрессионный манометр 202
— — метод обнаружения мест
натекания 255
Конденсация 17
Короткие трубки, пропускная спо-
собность 345
Коэффициент аккомодации 41
— внутреннего трения (вязкости)
газа 44
— теплового расширения 276, 277
— теплопроводности газа 39 и сл.
Кривые откачки 58, 64, 83
Критическая температура 16
Критическое (максимальное вы-
пускное) давление пароструй-
ного насоса 56, 94 и сл.
Л
«Легкоплавкие» стекла 276
Линейная шкала, метод 205
Ловушки механические 148
— область давлений 55
— практическая работа 147
— холодные 144
Люминесцентный метод течеиска-
ния 268
М
Магниевый поглотитель 166
Магнитный электроразрядный ма-
нометр 241
Манометр сопротивления 216
-----с компенсатором 218
-----манометрической лампой
в виде капилляра 221
-------нитью манометрической
лампы, нагреваемой до высо-
кой температуры 223
Манометры, области давления 196
Масло для вращательных насо-
сов 73
-----пароструйных насосов 113,
115, 383, 384
Маслоотбойник 79
395
Материалы для вакуумных си-
стем 272 и сл.
Менделеева замазка 299
Металлические краны 289
— паромасляные насосы 116 и сл.
— парортутные насосы 100 и сл.
— шланги 286
Металлический вакуумный вен-
тиль 289
— вентиль для сверхвысокого ва-
куума 290
— стрелочный манометр 201
Металлы, поглощение газов 158-
Механические ловушки il48
— насосы 60 и сл.
Механический щиток 149
Многократные насосы 72, 74
Молекулы, средняя кинетическая
энергия 27
Молекулярная концентрация 15
Молекулярно-вязкостный режим
течения газа 332
Молекулярные насосы 89
Молекулярный режим течения га-
за 333 и сл.
Мономолекулярный слой газа 152
Мощность, потребляемая враща-
тельным насосом, зависимость
от давления 66
Мыльная пленка, обнаружение
течей, см. Компрессионный
метод
Н
Наполнение приборов газами, спо-
собы 322 — 324
Насосы вращательные масляные 60
---молекулярные 89
— вспомогательные 127
— газобалластные 84
— диффузионные 95 и сл.
— ионно-испарительные 143, 144
— ионные 139
— механические 55, 60 и сл.
396
Насосы многократные 72, 74
— - кмногопластмнчатые 88
— области давлений 55
— объемно-молекулярные 91
— паромасляные 113
— парортутные 95 и сл.
— пароструйные 94 и сл.
— простые 115
— рабочие жидкости 73, 94, 95,
113, 387, 388
— разгоночные 118
— характеристика 383, 384
— эжекторные 106 и сл., 118, 127
Насыщенный пар 17, 18
Натекание вакуумных систем
251 и сл.
Натекатели 295
Начальное давление насоса 56
Неиспаряющиеся поглотители 177
О
Обезгаживание деталей электро-
вакуумного прибора, способы
184—195
— поглотителей 163
Обнаружение мест натекания, ме-
тоды 255 и сл.
Объем молекул газа, ударяющих-
ся в 1 см2 стенки в 1 сек 29 _
Ограничители наполнения 322, 360
— натекания 318, 362
— откачки 324
— потока газа 318
Окись углерода и металлы 159
Определение термопарным мано-
метром давлений различных
газов по градуировочной кри-
вой для воздуха 227
Основное уравнение вакуумной
техники 51, 327 и сл.
Остановка вращательных насосов
76
— пароструйных насосов 137
Откачка вакуумной системы 46 и ;
сл.
Откачное гнездо 292
Откачной автомат с подвижными
пароструйными насосами 316
и сл.
Откачные автоматы 301, 309 и сл.
----схемы распределения пози-
ций 311 и сл.
— посты 301
----примерные вакуумные сис-
темы 302 и сл.
Открытые U -образные манометры
198
Отпайка откачанного прибора 187.
188
Охлаждающие средства 144
П
Пар 16
Параллельное соединение элемен-
тов паропровода 344
Параметры вакуумных насосов
56 и сл., 375—382
Паромасляные насосы 113
Пароструйные насосы 94
---- область давлений 55
Парциальное давление газа 15
Пары, применение газовых зако-
нов 18
Передача тепла через газ 39 и сл.
Пересчетные коэффициенты для
изменения давлений различных
газов термопарным маноме-
тром 228
Пицеин 298
Пластинчато-роторные насосы 60
----статорные насосы 67
Платинит 280
Подбор тока нагрева подогревате-
ля термопарного манометра 227
Поглотители 176, 182
— область давлений 55
Поглощение газов твердыми те-
лами 157 и сл.
Поднятие ртути- в компрессион-
ном манометре, способы 211
и сл.
Показатель качества конструкции
вращательного насоса 84
Полисилоксановые масла 115, 383
Полифенил метилсилоксановые м а-
сла 115, 384
Порционный кран 285
Последовательное соединение на-
сосов 64
— — элементов трубопровода 344
Поток газа 48
Предварительный вакуум 57, 92,
94
Предохранительный сборник 77
Производительность вакуумной
системы 49
Прокаливание токами высокой
частоты 193
— ионной бомбардировкой 194
— непосредственным пропускани-
ем электрического тока 193
— электронной бомбардировкой
194
Промывка газонаполненных при-
боров 321, 365
Промышленные типы манометров
229, 236, 246, 249
Пропускная способность коротких
трубок 345
— — отверстия 341
•---сложного трубопровода 344
------ трубок в зависимости от
режима течения газа 333
Пуск вращательных насосов 76
— пароструйных насосов 137
Р
Радиоактивный ионизационный
манометр 247
Разбавление остаточного газа
промывочным газом 365
397
Разгонка масла в газообразной
фазе 125
--------жидкой фазе 1>18
Разгоночные насосы 119 и сл.
Разрядная трубка, оценка ваку-
ума 249
-----течеискатель 256
Распределения скоростей закон
28
Распыление поглотителя 162
Расстекловывание 275
Расчет пропускной способности,
примеры 346
Реальный газ 12
Регулятор давления 295
Резина 290
Резиновый шланг 291
Ртутный затвор 293, 294
Ртуть, рабочая жидкость для ма-
нометров 197 и сл.
— _-------насосов 95 и сл.
С
Сдваивание насосов 64
Силиконовые масла 115, 383, 384
Скорость испарения, влияние сте-
пени вакуума 36
— теплового движения 26
Сопротивление трубопровода 49
Сосуд для хранения сжиженных
газов (Дьюара) 41, 145
Спаи «металл — стекло», характе-
ристика 389
Спайка металлических трубок 286
— стекла с металлами 279
-----со стеклом 278
Сравнительная характеристика
вращательных насосов 71
Средняя длина свободного пути
молекул газа 30 и сл.
— скорость теплового движения
молекул газа 26
Стационарный поток газа 50
Стекло, выделение газов 184
—границы зоны размягчения 274
398
Стекло зависимость вязкости ОТ
температуры 273
— закалка и отжиг 274
— интервал рабочих температур
274
— марки стекол 276
— общие свойства 272
— поглощение газов 160
— расстекловывание 275
— спайка с металлами 279
-----со стеклом 278
Стеклянные краны 284
Ступенчатое наполнение 323
Схема распределения позиций ав-
томата для откачки вакуумных
ламп накаливания 313
----------------- газонаполнен-
ных ламп 321
----------------пр иемно-усили-
тельных ламп с неподвижными
пароструйными насосами 315
----------------с подвижными
пароструйными насосами 316
и сл.
---------------- только цвп
(без насосов) 325
Т
Танталовый поглотитель 177
Твердая углекислота 144
Твердый раствор 154
Тепловые манометры 215 и сл.
Теплопроводность газов 39 и сл.
Термопарный манометр 225
Течеискатель водородный 262
— галоидный 269
— ионизационного манометра 261
— искры 256
— компрессионный 255 а
— люминесцентный 268
— масс-спектрометрический 263
— метод дифференциального ма-
нометра сопротивления 260
— разрядной трубки 258
— теплового манометра 259
Течение газа вязкостное 332
— — инерционно-вязкостное 332
— — инерционное 332
—* — молекул ярко-вязкостное 332
--- молекулярное 333
--- турбулентное 332
Титановый поглотитель 180
Ториевый поглотитель 180
«Тугоплавкие» стекла 276, 277
У
Уголь, поглощение газов 157
U-образные манометры 196
Уплотнители, основные требова-
ния 296
Уплотнитель, апиезоновые смазки
299
— апмеэонокаучуковая смазка 299
— битум 298
— воскоканифольная смесь 299
— глипталевый лак 298
— замазка Менделеева 299
— касторовое масло 300
— пицеин 298
— универсальный воск 298
— шеллачнодегтярный лак 298
— шеллачный лак 298
— эмалевая краска 298
Уравнение состояния газов 12, 25
Условие возможности расчета ва-
куумных систем 326
Установка вращательных насосов
76
— пароструйных насосов 136
Ф
Физическая адсорбция газа 150
Фланцевые соединения 287
Фосфорный поглотитель 163
Фракционная перегонка масла 113
X
Характеристики насосов 379—382
Химическая адсорбция газов 153
Холодные ловушки 144
ц
Цельнометаллические вакуумные
системы 307
Централизованная вакуумная
подводка 302
Циркониевый поглотитель 178, 182
Ч
Чувствительность тепловых мано-
метров 222
— ионизационного манометра 236
Ш
Шлифы 282
Э
Эжекторные насосы 106, 118, 127
— сопла см. Эжектороные насосы
Электровакуумные приборы, зна-
чение высокого вакуума 52
Электромагнитный затвор 294
ОПЕЧАТКИ
Стра- ница Строка Напечатано Должно быть
35 3 сверху (X«d)
59 16 сверху вращательными ма- вращательным ма-
70 2 снизу еще на один порядок по на одно по
90 11 снизу трубку, трубку Е,
122 12 снизу распределительным разделительным
156 21 сверху использовано, как мы видели, в так назы- ваемых ионных насо- сах (§ 5-7). использовано в иони- зационных маномет- рах для получения сверхвысокого ваку- ума (§ 6-7).
340 16 сверху 7-Ю-з ~ б-10-з^
362 8 сверху [см31сек] [л [сек]
391 24 снизу К главе 7 К главе 7 В. Л. Л а н и с, Л. Е Левина, Практиче- ские основы вакуум- ных испытаний, Гос- энергоиздат, 1955.
391 Четвертую строку сверху читать после пятой строки
396 10 сверху (правый) 387, 388 383, 384
396 12 сверху( „ ) 383, 384 375 — 382
399 7 сверху ( „ ) 379 — 382 375 — 382
Б. И. Королев — Основы вакуумной техники.