/
Автор: Розанов Л.Н.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения энергетика физика трубопроводы вакуумные системы вакуумная техника
Год: 1982
Текст
Л.Н.Розанов
·вАКУУМJIАЯ
ТЕХН:ИКА
Допущено Министерством
высшего и среднего
специального образования СССР
• в качестве учебника
для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Полупроводниковое
и электровакуумное машиностроение»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1982
,,,,
ББК 31.77
Р64
УДК 621.52(075.8)
р
Рецензенты:
кафедра полуqроводникового и электроцакуумн ого
машиностроения Московского высшего те хнического училища
им . Н. Э. Баумана;
кафедра полупроводникового и электровакуумного
машиностроения Львовского политехнического института
Розанов Л. Н.
Р64 Вакуумная техника: Учебник для вузов. - М. :
Высш. школа, 1982 .. -
207 с., ил.
45 к.
В книге д~ны основные представления о физике вакуума; рассмот
рены процессы переноса при низких давлениях, сорбционные процессы .
течение газов по трубопроводам; обсуждены принципы действия основ
ных типов вакуумных насосов, и х характеристики и возможности ис
пользования в раз.Тiичных системах откачки; описаны способы измере
ния вакуума, анализ парциальных давлений, течеискание; приведены
типовые схемы вакуумных машин и установок, дан общий порядок ра .с
ч.ета и проектирования вакуумных с1::1стем .
Предназначается для студентов специальности «Полупровод нико
вое и электровакуумное машиностроение».
2307000000-649
------ 103-82
001 (01 ) -82
ББК 31.77
6П5.7
© Издательство «Высшая школа», 1982
1
,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Массовое применение высокоэффективных систем машин и тех
нологических процессов, обеспечивающих техническое перевоору
жение основных отраслей производства, ·неразрывно свgзано с ра_з-
·витием вакуу,мной техники.
•
Настоящий учебник охватывает все основные разделы совре-
. менной
вакуумной техники, за исключением .вопросов, связанных с
конструированием элементов вакуумных систем, которые рассмат
риваются в курсе «Расчет и конструирование оборудования полу
проводникового и электровакуумного производства>~. В главах, по
евященных хинетике ·сорбционных щ~оцессов в ва·кууме, адсорб-
. ционным
насосам, измерению вакуума, расчету вакуумных систем -
по эrшном.ичерш обоснованным коэффициентам использования ва~
куумных Н<Jсосов ·и :по методу Монте-Карло, использованы резуль
таты исследований автора. Кроме основного материала в кчиге
имеются расчетнЬiе примеры и приложения, в которых содержатся
справочные данные, хараЕтеризующие выпускаемое промышлен-
•ностью оборудова ·ние.
Учебник написан на основе курса · лекций, • которые читаются
автором в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Ка
линина, и является первым ут;~ебником для вузов.
Автор выражает благодарность доцентам Е. А. Деулину и
С. С. Стратиневскому за ценные замечания, высказанные в про
цессе рецензирования рукописи, сотрудникам В. Е. Сказываеву,
С. Н. Домрачеву, М. М. Донской за • помощь · в работе над руко
писью. Автор будет признателен читателям, которые пришлют
свои отзывы и замеча·ния на книгу по адресу: 103051, Москва,
Неглинная, ул., 29/14, издательство «Высшая шк;ола».
Автор
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. История разв~п11я вакуумной техники
Слово «вакуум» , в переводе ·с латинского оз1Начает пустоту .
В течение не ,менее двух тысячелетий до середины XVII в. происхо
дит «фил о с о ф с кий эта п» развития •вакуумной техники. Древ
негреческий философ Демокрит одним из «начал мира» вь(бирает
пу,сготу. Несколько позже Аристотель вводит понятие эфира -
неощутимой среды, способной п~редавать давление. Научные зна
ния о свойствах р _азреженного газа в этот период отсутствуют, одна- ·
ко вакуум уже широко используется в пожарных, водоподъемных
сооружениях и пневматических устройствах.
Началом «научного э r а па» в развитии вакуумной техники
можно считать измерение в 1643 г. атмосферного давления учени
ком Галилея Торричелли. В 1672 г. Отто фон Герике изобретает
механический поршневой насос с .водяным уплотне_нием. Векоре
начинают исследовать влияние вакуума на. живые организмы, изу
чают физичес·кие ттроце:ссы, которые ранее невозможно '6ыло осу
ществить в атмосферном воздухе . .
Опыты с электрическим разрядом в вакууме приводят сначала
к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения . Поток
электронов в вакууме позволя~т увидеть частицы • · атомных раз
меров.
Вакуум помогает создать представление о способах передачи
теплоты. Широко используются теплоизолирующие свойства ва
куума.
l
В 80-х годах XIX в. с изобретением русским ученым А. Н. Ло
дыгиным • первого электровакуумного прибора - электрической
лампы накаливания с угольным электродом ( 1873) - и открытием
.~
Т. А. Эдисоном · термоэлектронной эмиссии (1883) вакуу мн ая тех- 1
ника начинает формироватЬ'ся как самостоятельная _тех н ич есr<ая
дисциплина и становится , технологической основой электрова куу м -
ной промышленности. С это1го момента начинается «технолог и-
чес кий эта п» ра·звития вакуумной техни_ки.
.
Были изобретены конструкции вакуумных насосо в: в раща тель
ного (Геде, 1905), криосорбционного (Дж. Дьюар, -1906), мол еr<у~
лярного (Геде, 1912), диффузионного (Геде, 1913); манометров: j
компрессионного (Г. Мак-Леод, 1874), теплового (М. Пи ра н и ,
•
_ 1909), ионизационного (О. Бакли, 1916).
j
4
Одновременно совершенствуются научные основы n а к у у ,,шой
• техниiш. П . Н. Лебедев ( 1901) впервые использует в своих опытах
идею уд·аления остаточных газов •С помощью ртутного пара. В этот
же период иоследуются свойства газов при низких давлениях
(М. Кнудсен, М. Смолуховс1шй, И. Лангмюр, С. Дешман) .
В СССР становление В?куумной техники началось с организа- . •
ции ва·куумной лаборатории на ленинградском заводе «Светлана»
и связано с деятельностью крупного специалиста в области элект
рова]{уумной теХI;шки С. А. Векшинского.
Применение вакуума ,в электронике послужило основой разви•
тия ра,дио и телевидения. Опыты Ноттингема по измерению фоно
вых токов ионизационных манометров (1948) расшир!{ли диапазон
рабоч1~х .давлений вакуумной техники, распространив его на ,сверх
высокий ва;куум . Джепсен и Холланд ( 1959) разрабатывают маг-
. нитораз рядные
на•сосы. Беr{кер ( 1958) изобретает турбомолекущ~р
ный насос. Разработка откачных средств, не загряз·няющих ОТJ{ачи-
u
б
г
1
ваемыи о ъект, открывает новые перспекти ·вы для развития ваку-
умной техники.
Современная · вакуумная техника лоз.валяет получать и измерять
давление в 10 18 раз меньш~ атмосферного, ее далы1ейшее развитие
идет по пути создания новых ещ~ более эффективных методов, •
обеспечивающих получение и . измерение низких да~лений.
§ 2. Применение вакуума . в науке и технике
Вакуумная техни_ка нашла широкое · применение в пр.омышлен
ности и ·научных исследованиях. В решениях XXVI сеъзда КПСС
предусмотрено дальнейшее развитие термоядерной энергетики,
космических исследований, новых технологических процессов в ме
таллургии, радиоэлектронике, химической; легкой и пищевой ·про
мышленности, основой которых является вакуумная техника. , Рас
смотрим ос:Fюв_ные области применения вакуумной техники.
В эле кт р о н ной тех н и к е вакуум является непременным
условием функционирования электровакуумных приборов раз,1ич
ного назначения: осветительнь!х ламп, газоразрядных, генератор
ных и сверхвысокочастотных приборов, телевизионных и рентгено-
вских трубок.
•
В производстве полупроводниковых приборов и интег р а л ьных
миkросхем широко используют ва_куумную технол о гию: на нес е ние
тонких пленок, ионное внедрение, плазма-химичес ко е тр авле ние,
электрm-Lолитографию, обеспечивающих получение элеме 1по в э л ект
ронных схем субмикронных размеров.
В металлургииплавка ипере.riлавметалловввакуумеос
вобождает их от , растворенных тазов, благодаря чем у они _ ·при
обретают высокую механическую ,прочность , пластичность и в яз
кость.
Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа
для электродвигат~лей и трансформаторов, высокоэ л е к rропро вод
ную медь, магний, кальций, ттлатину, редкие металлы; ник ел ь, ти.
5
тан, ниобий, тантал, цирконий, бериллий и. их· сплавы. Большинст-
-
во высоколегированных сталей подвергает,ся вакуумированию. •
Детали из тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, мо
либден, изготовляют в вакууме методами порошковой метал-
лургии.
1
Сверхчистые вещества, полупроводниковые материалы, искус
ственные кристаллы алмаза ; рубина, сапфира, используемtrе для
квантовых генераторов, .сверхпроводники и сверхдиэлектрики, из
готовляемые путем легирования чистьrх материалов точно дозиро
ванными присадками электроактивных примесе1й, могут быть созда
ны •С использованием вакуумной техники.
М а шин о стр о е ни е. Все более широкое применение в тех
нологии машиностроения находит электронно - лучевая сварка де
талей в вакууме. Диффузионная сварка позволяет соединить кера
мику с металлом, сталь с алюминием и т. д., что невозможно в
обычных усл'овиях. Нанесение упрочняющих по1фытий на режу
щий инструмент и износостойких покрытий на детали машин осу
ществляется ·пл.азменной обработкой в !Вакууме.
Химическая пр омы ш лен но ст ь. Применение вакуум
ных сушильных аппаратов в химической промышленности позволя
ет снизить себестоимость и увеличить ;Выпуск таких ценнейших
продуктов, как синтетические ВОJ_!Окна, полиамиды, аминопласты,
полиэтилен, органические растворители.
Вакуумная пропитн:а как самый экономичный метод широко
распространена в производстве трансформаторов, электродвигате
лей, . конденсаторов, кабелей.
Вакуум.фильтры применяют для ускорения прщ,rзводства суль
фатной целлюлозы, антибиотиков, депарафинизации смазочных
масел, обогащения руд.
Вакуумные кристаллизационные и дистилляционные установки
используют в производстве красителей и азотных удобрений.
Оптическая промышленность припроизводствеопти
ческих и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на
вакуумное алюминирование. Просветленная оптика, защитные
слои и интерференционные фильтры получают напылением тонких
'
'
слоев в вакууме.
•Влегкой промышленности напылениемввакуумеме-
, таллизируют пластм,ассы, фольгу, бумагу и ткани
для получения
декоративных покрытий при отделке мебели и украшений. Метал
лизация тканей изменяет не, только их внешний вид, но и теплоизо
лирующие свойства. За счет отражающей способности металличе
ского покрытия после металлизации целлюлозно-бумажная ткань
становится ,менее теплопроводной.
В пищевой промышлелности для длительного хране
ния и rюн·сервирования пищевых продуктов при, сохранении их пи
тате ль ных свойств используют ,вакуумную сушку вымg,ражива .нием.
Выпаривание в вакууме применяют при производстве сахара, при
опреснении морской воды и солеварении. В автоматах для расфа
совки ,скоропортящихся продуктов также ис.~:тользуют вакуум. Спе-
6
циальная обработка в вакууме удлиняет сроки хранения фруктов
и овощей.
•
В мед и ц ин е вакуум применяют для сох-ранения синтетиче-.
ских гормонов, витаминов, лечебных сывороток, при получении
анатомических и бактереологических препаратов. В хирургии его
используют для заживления ран" и облегчения некоторых операций.
Роль вакуумноj-\: техники в проведении н а уч н ы х иссл ед о
в ан и й очень велика. Вакуумные установки широко применяют в
химии при изучении свойств чистых ,веществ •и скоростей химиче
ских реакци~, в физике при исследовании поверхностных явлений,
т.епловых процессов и т. д.
Основной изструмент современной ядерной физики - ускори
тель заряженных частиц - немыслим без вакуума. Поддержания
почти космического вакуума требует,ся в установках для изуче н ия
управляемых термоядерных реакций. Имитация космического про
странства в условиях земной атмосферы необходима для испьпа
ний искусственных спутников, ракет, исследования прQцессов схва
тыва1:ия и трения между различными материалами .
гл~ва 1
ФИЗИКА BAIOt'YMA
§ 1.1. Понятие о вакууме и давJ1ении
В физике и технике понятие «вакуум» определяется как со
стояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Ваку
ум rсоличественно измеряется абсолютным давлением газа. В са
мт,1° лучшем вакууме, который удалось получr~:ть в у"словиях зем
ной атмосферы, в 1 м 3 еще содержатся десятки и сотни • молекул
газа. Свойства газов при низких давлениях изучаются физикой
вакуума., являющейся разделом м_олекулярно-кинетической теории
газов. Основные постулаты, используемые в физике вакуума, можs
но сформулировать в следующем виде:
1-) газ состоит из , отдельЩJlХ молекул;
2) существует постоянное р-асnр,f;деление .молекул газа по ско
. рост ям,
т. е. одной и тоц же скоростью обладает всегда одинаковое
число молекул;
.
3) при движении молекул газа нет ·никаких преимущественi-lых
направлений, т. е. пространство газовых молекул и·зотропно;
4) те.мпература газа есть мера средней кинетической эщргии
его /vt.0лекул;
5) при взаимодействии с поверхностью тЕJердого rела молекула
газа адсорбируется.
В областях техники, где используют-ся абсолютные давления,
л·ишь незначите.JJЪно отличающиеся от атмосферного, пользуются
количественным определением вакуума как разности атмосферно
го и абсолютного давлений в откачиваемом объекте. При абсолют
ных давлениях, от.iшчвых •от атмосферного более чем на два по
_рядка, эта разность практически остается постоянной тт не может
служить . количественной характеристикой состояния разреженно
го газа.
При взаимодействии молекул газа с поверхностью твердого
тела в условиях адсорбционного равновесия число падающих й
число -вылета ю щих в единицу времени молекул долRшы быть рав
ны: Из условия равновесия температур газа и твердого тела сле
дует равенство нормальных составляющих скоростей падающих
и выле1, ающих молекул. Тогда измеr-гение количества движения па
дающих и щ,rлетающих молекул, приходящееся на. одну молекулу
с массой т, равно 2тvп, где Vn = V cos 0- нормальная составляю
щая скорости v; е - угол между нормалью к поверхности и векто
ром скорости.
Со гл а с но второ м у закону Ньютона, давJiение газа
р= .\ 2mvN1 cos 0dV,
(1.1)
V
где N 1 - .чисJiо мол екул в единице объема V, достигающих в еди
ю щу врем ени едп ницу поверхности Т!Зердого тела.
8'
Величина N1 прямо пропорциональна моле1<улярной концент-.
рации п и телесному углу dw, под которым видна площадка на по
верхности твердс;,rо тела dA из центра выделенного • объема d'\I
(рис. 1.1):
•
ndtu
Ni=---
4лdAdt
( 1.2)
Мерой телесного угла dw является площадь, вырез а емая им на
сфере единичного радиуса: ·
dUJ . cos edAJr2,
(1.3)
где r - расстояние между поверх
ностью и выделенным объемом dV.
Для объема dV в полярной системе
координат запишем:
dV =r siп6d<prd6dr.
(1.4)
Подставляя:; · (1.2), (1.3), (1.4) в
(1.1) и считая сgорость молекул га
за v=dr/dt = const, получим
'
21t
1t(2
'
.
р=-- d<p cos20sш0d0= --
2Jt L
3
z
х
!J
mnvZ \
~
•
mnv2
о
о
(1.5)
Рис. 1.1 . Расчетная схема для оп
ределения давления
Однако согласно принятым · постулатам существует распределе•
ние молекул по скоростям, - fюэтому в ( 1.5) вместо постоянной вве-
п
•
·
•
2
1,-i2
·
дем среднеквадрат!!чную скорость мо_леку_л Vкв=-; ~ v1. Тогда
• уравнение для расчета давлени я газа принимает вид
.
'
2
p = nmvкв/3.
Учитывая, ,что плотность газа
p=nm,
можно переписать ( 1.6):
р -:- рv;в/3.
i=l
(1.6}
(1.7)
Бели в объеме находится: смесь из К химически невзаим·одей
ствующих raзol3, то . для определения давления смеси Рем необхо
димо п_од~читать сумму:
Сравнивая (1.6) и (1 .8), можно записать
к
Рем= I P;•
i=l
(1.8)
(1.9)
9
Последнее· выражение известно под названием закона Дальтона
и формулируется следующим образом: общее давленщ~ смеси хи
лtuчески невзаимодействующих газов - равно сумме парциальных
давлений ко.мпонентов смеси.
Уравнение (1.6) справедливо .цишь при условии равенства скоростей ~онден
сации и испарения молекул. При очень низких давлениях это условие может не
соблюдаться. Примером служит конденсирующая поверхнос:гь, с которой из-за
очень большого значения времени адсорбции газ практически не испаряется.
В этом случае изменение количества движения молекулы при соударении с поверх- .
ностью равно mv. Повторяя вывод _ уравнения (1.6), получим p = nmvив 2/6. Такое
же выражение можно получить и для расчета давления • на пов~рхности тела, на
ходящегося в космическом пространстве. В этом случае количеством молекул,
ударяющихся о поверхность твердого тела, можно пренебречь.
Для точного описания процессов, . происходящих на взаимодействующей с га
зом поверхности, нужно знать соотношение потоков падающих и вылетающих мо- .
лекул газа. •
§ 1.2. Частота соударений молекул газа с поверхностью
Число молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу
времени, или частота соударений
•
Nq= SN 1dV,
(1.10)
V
где N 1 рассчитывается по (1.2), а dV---;-пo (1.4). Подставляя эти
выражения в ( 1.1 О), получим
2"
1t(2
N_,d
\ псоsв • ede- пv
.
.
q-
.) cpvJ4лsin
•-
4•
о
о
С учетом функции распределения молекул по скоростям имеем
Nq=nVap/4,
(1.11)
где Vap - среднеарифметическая скорость молекул газа.
Тогда объем газа, ударяющийся о единицу п9верхности в еди
ницу времени,
(l.i°2)
Полученное выражение · не зависит от давления и определяет
максимальную теоретическую быстроту откачки вакуумных насо
сов на единицу поверхности входного сечения.
Известно, что при нормальных условиях в атмосфере концент
рация газа n=2,7 -1025 м-3 . При среднеарифметической скорости
Vap"'='400 м/с частота соударений молекул с поверхностью твердого
тела N~=2,'7 -1027 м-2 -с- 1 , а объем газа, ударяющийся о поверх
ность твердого тела, Vq = 100 м3/ (с- м2).
§ 1.3. Газовые законы и единицы измерения давления
В связi-1 с малой плотностью все газы u пары в вакуумной тех
нике можно рассматривать как идеальные.
10
j
ВоспользрваЕшr1сь определением температуры как величины,
пропорциональной средней кинет ической энергии молекул; можно
записать:
mv~ 0 /2=CT; C = co~st.
Тогда уравнение ( 1.6) для ра,счета давления можно представит ь
в виде
2
p = -nCT.
3
2
Бели ввести обозначение -,
-
C=k, то
3
,
p=nkT,
а средняя кинеrическая энергия молекул
2
тvкв
3,
--=
-
kT.
2
2
(1.13)
(1.14)
Уравнение ( 1.13) известно под названием уравнения газового
состояния, так как оно связывает между собой три основных пара
метра, характеризующих состояние т~за: давление, молекулярную
концентрацию и температуру. Постоянная k называется постоян
ной Боль,цма н а, ее числовое значение равно 1,38 • 10 - 23 Дж/К. Зна
чение постоянной С = 2,06- 1О-23 Дж/К.
Это уравнение часто используют в другой записи:
= NmRT
Р_ VM
'
( 1.15)
где М - молекулярная масса газа; V - объем газа; R=kNл =8,31
кДж/ (К• кмоль) = 1,99 ккал/ (К· кмоль) - универсальная газовая
постоянная; Nл=M/m=:c6,02-1026 кмоль- 1 - число Авогадро.
• Следствием (1.13) являются газовые законы. Согласно закону
Авогадро, при постоянных давлении и температуре молекулярная
• концентрация не зависит от рода газа. Таким образом, киломоль
любого газа, _,,с одержащий одинаковое число молекул, занимает
постоянный объем. Из уравнения (1.15) следует, что при нор
мальных условиях ро= 10 5 Па (760 мм рт. ст . ) и Т0 =2?3 К. Объем,
занимаемый киломолем любого газа, равен 22,4 м 3 •
По закону Гей-Люссака, при постоянных массе (Nm=const )
и давлении газа его об'Ье1;1 прямо пропорционален абсолют1-1,ой тем:. "
пературе :
•
V=V0aT=V0 (1+at),
(1.16 )
-где V0-объем газа при t=0"C; a=l/273.
Давление газа при _dостоянной массе и об'Ьеме прямо пропор
ционально абсолютной температуре -закон Шарля:
р=р0аТ=Ро(1+at),
(1.17)
гдеРо'-- давление газа при t=0°С. •
11
По за кону Бой.'iп - Мариотта, произведение давления и oбъ
ertia определенной массы газа при постоянной температуре есть
величина постоянная.
Воздух - это основная газовая смесь, •С которой приходится
иметь дело в _ вакуумной технике (таqл. 1.1).
Таблица 1.1
Состав сухого атмосферного вощуха
Газ
Состав; %
Парциальное давление, , гПа IМ;сса молекудыХ
(при р=103 rПа) ,
Х1026, кг
Nz
02
Ar
СО2
Ne
Не
СН4
Кг
N2O
Н2
Хе
78,1
2!
0,9
0,03 ,
1 8-10-з
5'2.10-'
2:0.10 - ,
1,0-I0- •
5О·10-5
5'0.10-5
g:o. io-6
781
210
9
0,3
1 8-10- 2
5:2 .10-з
2 О· 10-з
1:0. 10- 3
.'
5,0 ·l0- •
5,0- I0- •
9,0,J0- 5
4,65
5,31
6,63
7,31
3,35
0,66
2,65
13,9
7,3
0,33
21,8
Примечание. Ватмосфереимеютсятакжепарыводы.При25°Си50% влажности
их парциа:льное давление составляет 12 г Па.
Рассмотрим распределение молекулярной концентрации возду
ха в силовом поле Земли.
Пусть на расстоянии z от земной поверхности давление возду
ха равно р и при изменении высоты на dz уменьшается на dp. Так
как dp определяется весом столба воздуха высотой dz и основани-
ем1м2,то ·
•
q,p= - pgdz,
где p = nm = pm/ (kТ) - плотность газа; g --e уекорение силы тяже
сти.
Разделяя переменньiе, получим
.!!f!_ =
-
..! ! !:_ gdz,
р
kT
После интегрирования будем иметь
1np= -
mg z+с · или р=Сехр(- _ тg z).
kT
-
kT
.
'
Постоянная интегрирования С при z'= О равна
давлению . газ.а
Ро у поверхности Земли, поэтому
•
Р=Ра 'ехр(- mg z).
•
kT
Полученное выражение называете~ формулой Больцман~. из
ко тор ой с ледует, что при подъеме на каждые 15 км давление воз-
дух а уменьшае·гся примерно на один порядок.
,
12
,,.
Единицей давления в системе СИ (ГОСТ 9867-61) является
1 - Па (паскаль), численно равный i Н/м2 . Часто применяется еди- •
ница 1 гПа=102 Па.
•
Наиболее распространенной внесистемной единицей давления
в вакуум_ной технике является милли!\Jетр ртутного столба ( торр).
Под давлением газа 1 мм рт. ст. понимае'ГСЯ давление·, которое
создает столбик ртути высотой 1 мм при условии, что _ плотность
ртути равна 13595, 1 кг/ м 3 ( при t = 0° С), а земное ускорение соот
ветствует нормальному (9,80665 м/-с2 на широте 45°): 1 мм рт. ст . =
= 10-3 м-13595,1 I<r/м 3 -9,80665 м/с2 = 133,32239 Н/м 2 . •
.
.
В метеорологии в качестве единицы давления часто используется бар
(1 бар=105 Па).
Логарифмическая единица давления рА= - lg р (где р измеряется в физиче
ских атмосферах) удобна для описания процессов, в которых давление изменя
ется в очень широких пределах: l физ. атм . (7"60 торр) _ соответствует рА =:О;
0,1 физ. атм. (76 торр) соответствует рА = 1 и т. д.
~
Соотношение между различными един.ицами давления даны в
табл. 1.2.
Таблица 1.2
Соотношения между единицами давления
Е~иницы 11 Па (Н/м',11 мм рт ст 1
1 1атм
1
давления Дж/1)11') (1 торр) ' 1 дин/см• (физическая)
1 кгс/см•
1 кал;м•
1 Па (Н/м2,
7,5-10-3
10
9,87-10-6 1,02. I0-5 0,24
Дж/м3)
1 мм рт. ст. 1,33- IQ2
1,33-103 1,32, 10-э 1,36-10-3,
318
(1 торр)
1 дин/см 2 1 1-10-1 7 ,5-10-4
1
9,87-10-7 1,02-10-6 0,024
1 атм
1,01-105
760
l ,0l, 106-
1
1,03
2,42• 104
(физическая)
1 кгс/см 2
9,81-104 735,56 9,81, 105
0,968
1
2,34, 104
1 кал/м 3
4, 19 3, 14-10-2 41,9 4,13-10-5 4,27, 105
1
- Состояние
газа можно также характеризовать молекулярной
концентрацией . Из уравнения газового состояния следует, что при
, 273 К n = 3,538-1022 -P (торр) = 2,65 , 1020 ,р (Па), м-3• •
В вакуумной технике _часто используют вgесистемную единицу
измерения количест;ва газа. Из ( 1.15) можно записать
N_m=~pV-
118)
RT
'
(•
о ткуда .видно , что ма:сса газа Nm при по·стоянной температуре пря
мо пропорциональна произведению давления газа на его объем.
Это позволяет • ввести единицу измерения количества газа -
1 м3 • Па (при 273 К). Для газа с молекулярной массой М пересчет -
этой единицы в килограммах может быть :сделан согласно соотно
шению 1 м 3 -Па=l,3-1О-5 М/Мв (кг), где Мв-молекулярная м ас
с а воздуха (Мв="'29 кг/кмоль) . Внесистемная единица 1 л • тор р =
= 1,7 • 10-6 М/Мв (кг).
13
§ 1.4. Функция распределения молекул газа по скоростям
При соударениях друг с другом или со стенками вакуумной ка
меры молекулы газа изменяют свои скорости как по в еличине, так
и по направлению . Пользуясь гипотезами о ·сущесТJ3овании стацио- •
нарного распределения молекул по скоростям и об изотропности
пространства газовых молекул , а также учитывая, что согласно
( 1.14) средl-lеквадратичная скорость Vнв ~ V ЗkТ/т, .Максвелл полу- ·
чил функцию распределения молекул газа по скоростям,· носящую
его· имя:
'
• f(C),F(C)
а, в 1---4- -- -+-... +- - -. <q::,,..+ -- - --,!'\,-+ ---j d п . = 4пл:v2(_!!!:_)3/2e-(mv)'!(2kТ) dv,
v
2nkT
0,6
•
(1.19)
(),5 1,0 1,5 С
Рис. 1.2 . Графики функции рас
пределения молекул по скоро
стям:
1-f(c); 2- F(c)
где dnv - число молекул , скорости
которых заключены в пределах от v,
доv+dv.
Скорость, при которой наблю
даетс я мак~имум функции распре
деления, называется наиболее ве:.
роятной скоростью: •
Vвер = V(2kT)/ т.
_ (1.20)
Если ввести 6бознаgеI-1:ие c = v/Vвep, то формулу (1.19) можно пе
реписать
с
Безразмерные _функции f(c) = dhv / (ndc) и Р(с) = S f(c)dc
о
представлены на рис. 1.2 . Функция F (с) численно равна доле об
щего числа молекул, · скорости . которых не превышают с.
Для вакуумных расчетов необходимо знать среднеарифметиче.
скую
(1.21 )
и среднеквадратичную
(1.22)'
скорости. Соотношение между ,скоростями Vвер, Vap и v,ш равно .
1: Ц28: 1,225.
Так, у к азанные скорости для молекул азота при 0° С составля -
ют : Vвер=402 м/с; Vap=453 м/с; Vнв = 492 м/с .
14
Согласно (1.11), дJiя воздуха при Т = ЗОО К и М=29 кг/кмоль
при· атмосферном давлении поток газовых молекул N q=
=2,9-1023 см- 2 -с- 1 , а из (1.12) объем молекул, ударяющихся о еди•
ницу·поверх1ности в единицу времени Vq = ll,6-10-3 м 3/(с, ,см 2 ).
Преобразуя ( 1.19), можно получить функцию распределения
~ молекул по энерrюrм:
dnE =
~:- (kT) - 312 е -Е/(kТ) VEdE.
r :tt
( 1.23)
лекул газа, энергия которых
мен·ьше Е, определяется функ-
цией
Е
F (Е) =J(dnE)/n.
(1.24)
На рис.~ 1.3 в безразм·ерной
форме представлены графики
,функций ( 1.23) и ( 1.24). Мак
,симум дифференциальной кри
вой соответствует наиболее ве
роятной энергии Евер=О,5 _kT.
Расчет среднего арифметичес
а, t,..
о,в-
о,з
О,б
0,2
о, ч-
0,1
0,2
о --== --L-,,- -:_ _.i .__ J.._ ___ _J
0,5 · 1,0 1,5 X=E/kT
•
Рис. 1.3 . Графики дифференциальной·
f(x) (1) и интегральной F(x) (2)
• функций распределения ыолекул газа
по энергиям
'
кого значения энергии молекул дает Еар = 1,5 kT .
Рассмотрим вывод функции распределения ,( 1.19), существование которой
постулируется молекулярно - кинетической теорией. Число молекул dnv х, скорости
,которых заключены в промежутке от vx _до vx+dvx, пропорционально общему
числу молекул п, приращению скорости dvx и определяется функцией распределе
:ния f(vx). Аналогичные соотношения можно записать для осей координат у и z.
Таким образом, п олучим
dnvx = nf (vx) dvx;
dnvy = nf (vy) dvy;
dnvz = nf (Vz) dVz.
(1.25)
Число молекул, обладающих скоростями, вектор которых находится внутри
параллелепипеда со стор,онами dvx, dvu, dv,, с учетом независимости координат
. определится на основании теории вероятности по формуле
( 1.26)
К:онцентрация частиц, имеющих скорость v, поскольку пространство газовых
;молекул изотропно, одинакова во всем пространстве скоростей, поэтому
dnv
dnv
-
dvxdVydVz
4:n:v2dv
(1.27)
15
Функция распределения не зависит от направления и определяет·ся только
модулем скорости v, т. е.
,
f(vx)f(vy)f(vz) =f (v).
Этому уравнению удовлетворяют функции:
-вv2
-вv2
-вv2
f(vx)=Ае х;f(vy)=А~ у.j(tiz)=,Ае
z
что можно проJ!ерить подстановкой
-В (v2 +v2+v2)
•
f(v)=АЗе
хуz=АЗе-Вv••
'
Таким образом, (1.25) с учетом (1.29) можно представить в виде •
- Bv2
dnv,c = Апе
xdvx;
- Bv2
dnvy = Апе У dvy;
-
Bv2
d/1.vz =Ane
_
zdvz.
Перепишем выражение (1.26), ИСПО.%ЗУЯ (1.27), (1.28) И (1.30):
dnv = AЗ4:n;пe-Bv'v2dv.
(1.28)
(1.29)
(1.30)
(1.31)
(1.32)
Для нахождения значений постQянных А и В проинтегрируем (1.32) по ско
ростям_. Получим
•
V= оо
оо
п = f dnv = 4:n;пАЗ f ехр {-Bv2) v2dv.
•
v=O
··о
Известно, что
~ e}l:p (-а'х2) x 2kdx =
о
✓л,!-3,: ... (2k-1)
2(k+1)ak+1/2
Вычислив интеграл в (1.33) согласно (1.34), имеем
A = ✓B/n.
(1.33)
(1,34) .
(1.35)
Уравнение (1.35) усiанавливает связь между искомыми ·постоянными. Для
определения их значений воспользуемся выражением для среднеквадратичной ско-
ро.сти из (1.14):
•
16
"" -V
3
::-{
~Jv'dn,,
Подставляя (1.32) в (1.36), будем иметь
Vк8 = V4тr,АЗ Jехр (-Bv2) v4dv .
.
.
о
Значение интеграла в (1.37) найдем согласно (1.3'4) :
00
Jехр (-Bv2) v4dv = 3 J/л /(8В 512),
о.
( 1.36)
(1 .37}
( 1.38).
тогда с учетом (1.35) и (1.37) Vкв=J/3/2B=y3kT/m, откуда B=m/(2kT), и
соответственно А = (_!!!:_) 112• Воспользуемся н~йдеными значени~ми коэффи-
2nkТ
•
•
циентов А и В и перепишем функцию распределени~ (1.30) в виде '
f (v)=(2n:rг2ехр(-;:;) •
Тогда число молекул, имеющих скорости соответствующие интервалу от v до
v+dv, согласно (1.32) будет
dnv = (_!!!_ \)_З/2 4пп ехр (- mv2 ) v2dv,
.
2nkT
.
2kT .
что совпадает с (1.19).
§ 1.5 . Время адсорбции
Ударяясь о повер·хность твердого тела, молекулы адсорбируют
ся. Время адсорбции _ или время пребывания молекул в адсорбиро
ванном состоянии за•висит от теплоты адсор9ции и описыва_ется
уравнением Фр~нкеля:.
•
,.,
-
~ eQa/(R.Т)
•а- •о
'
_ (1.39)
где Qa - теплота адсорбции, рас~
считанная на 1 кмоль газа; .-
0-
минимальное время пребывания мо
лекулы в · адсорбированном сос
тоянии ('to""' 10-13 с).
Основные составляющие возду
ха N2, 0 2, СО, Ar __,имеют теплоты
адсорбции на различных поверхно- ·
стях в пределах от 12 ООО до
20 ООО кДж/кмоль. Время их адсорб
ции при комнатной температуре со
ставляет ,..._, 10-10 с, а при темпера
туре жидкого азота ~ 1 с (рис. 1.4) . .
Для паров воды _ и масел теплоты
физичеекой адсорбции· . ,..._ , 80 ООО
кДж/кмоль, что соответствует вре-
ta ,с~-~--,--,----,----,
108 [....,--+ --l- -f -' --+- - -1
20
Рис. 1.4. Зависимость времени
адсорбции от теплоты адсорб
ции:
1-при77К;2-при293К
мени адсорбции 102 с при 293 К и 1043 с при 77 К. Гелий имеет теп
лоту адсорбции ,..._, 102 кДж/моль, а время его адсорбции даже при
77 К близко к минимальному 10-13 с. Поглощение . Не на гладких
поверхностях станщштся заметным только при значительно более
низких температурах ( ,..._ , 4 К);
•
Следует отметить, rчто при теплотах •адсорбции более
80 ООО 1,Дж/кмоль время адсорбции настолько велико, что адсорб
ционные riроцес,сы при комнатной температуре становятся необра
тимыми при изменении давдения газа над поверхностью адсор
бента, и вернуть систему в _первоначальное состояние можно лишь
путем повышения . температуры.
17
По 1~асательной к повер хно сти тела наблюдаются изменения теплоты · адсорб
ции. Для идеальных поверхностей они связаны с периодичностью кристаллической
решетки, причем величина потенциального барьера при перемещении молекул в
·на правлении касател ьной к поверхности определяется теплотой миграции Qм, от-
несенной к одному молю газа, и связана с ·теплотой адсорбции Qa зависимостью l
Qм=ZQa,
(1•.40)
:z- коэффициент пропорциональности, равный для кубической решетки Z= 1/2, а
для гексагональной решетки Z= 2/3.
В реальны х условиях распределение потенциала вдоль по поверхности ад
<:орбента и величина потенциального барьера, рассчитываемого по (1.40), за счет
щелей, выступов и пр_очих дефектов могут быть сильно искажены.
Время перехода молекулы из одной потенциальной ямы в другую ~азывается
временем миграции ,.-., и опр~деляется, как и время адсорбции, соотношением:
Qмf(RT)
1
-vм='<се
(1.4)
Если 1.'м ~елико, . то миграция молекул отсутствует и молекулы газа ,локали-
зованы на поверхности твердого те:ла.
•
Число скачков N м, которые совершит молекула за время адсорбции, опреде
Jiяется соотношением
N
11а •
[Qa(1-z)]
м= --=ехр
.
-см
RT
С редний путь, который проходит молекула за время адсорбции в веществе, име
ющем кубическую кристаллическую решетку:
•
" [ Qa(l-z)]
Lм=NмА =Аехр
RT
,
,где А - постоянная кристаллической решетки;
Например, за время адсорбции молекула газа, имеющего теплоту адсорбции
• -Qa=B0-103 кДж/кмоль, при 293 К на поверхности тела с идеальной кубической
решеткой (А=О,5 нм и z=0,5) совершает число скачков N- . , _=2,5- 10'1 и прохо
дит путь Lм=l,2'5 см.
§ 1.6. Степень покрытия гладкой поверхности
молекулами газа
Для определения· степени покрытия гладкой ,поверхности моле
кулами газа сделае_м следующие допущения:
. 1. Теплота адсорбции постоянна и не зависит от количества п,,ог-
.
.
лощеююго газа.
2. Все .молекулы: которые ударяются о поверхность твердого
тела, адсорбируются с вероятностью f, не зависящей от количества
поглощенного газа.
Эти допущения справедливы при •степенях покрытия значитель
но меньших единицы. Тогда условие · адсорбционного равновесия
на __ поверхности, заключающееся в равенстве скоростей испарения
х и конденсации молекул газа, примет вид
"-
а ~= 11--&0=0
(1.42)
тdt
г
'
где fJ=a"Jr:a - скорость испарения газа с поверхности, покрытой
мономолекулярным слоем; ат - количество м-олекул, необходимое
18
для образования монослоя на поверхности твердого тела (табл .
1.3); μ=fNч-скорость конденсации газа; 0-степень покрытия
поверхности молекулами газа; f- вероятность поглощения моле
кулы газа на свободной поверхности (для приближенных расчетов.
обычно принимают f = 1).
Таблиц а 1.3
Средняя единичная длина свободного п_ути L1, диаметры молекул d, число моле
кул в монослое ат, постоянная Сезерленда С для некоторых газов
Т=298 К
Т=77. К
~
.
ос,
.
;;!
:,:
Газ
dм·10'0, с, к
.
1
§g:
о-
1
i§:
м
о
о
о
§-"'
;::
--: "'
-~
-~
1
. ;..,
~1
"'
"
:1
--i';
's,
"
:1
~i
N2
2,74
116 3,23
9,6
6,7 4,35 5,3
0,96"
02
3,01
125 3,58
7, 7,
. 5,4 4,87 4,22
0,76
,Аг
3,00 142 3,64
7,6
5,3 5,07 3,9
0,70
СО2
3,36 254 4,57
4,8
. 3,3 6,96 2,06
0,37
Ne
2,35
56 2,56 15,2 10,5 3,1
10;4
1,78,
Кг
3,17 188 4,05
6,1 4,1 5,8
2,8
0,52
Н2
2,41
84 2,73 13,5
9,3 3,5
8,4
1,46,
Хе
3,53 252 4,8
4,4
3,0 7,3
1,8
0,34
Н2О
2,53 659 4,53
4,9
3,4 7,8
1,6
0,3(},
Воздух
3,13 112 3,66
7,5
5,1 4,9
4,2
О ,74-
П р и м е ч а ни е. Диаметры молекул d" определены из вязкости газов.
Воспользова·вшись выражениями (1.11), (1.39) для Nq и ta, а
также уравнением газов'ого состояния (1.13), перепишем (1.42) в.
виде
•
(Q.)
0 /toехр Тт р..
( 1.43}
ат У2лтkТ
Расчет по формуле (1.43) ' для атмосферного азота при р=
=7,9-104 Па (591 торр), Т=298 К; f=l; to=l0-13 с, Qa=
=14700 кДж/кмоль; R~S,31 кДж/(кмоль•К); ащ=9,6 - 1О- 18 l\ог2 ,
m=4,65-l0-26 кг; k=l,37,10-23 Дж/К дает значение степени покры
тия 0=9-10-3
,т.
е. азот в та1ких усло_виях покрывает менее 0,01
свободной поверхности.
Давление двуокиси углерода в воздухе при 298 К составляет
31 Па (2,3- 10-1 торр). Расчет степени покрытия поверхности при
f= 1; ~о= l0-13 с;
am=4,8-1018 м-2 ; m=7,3• l0-26 кг; Qa=
=25000 кДж/кмоль ' дает 0=4-10-4
,
т. е. содержание СО2 на по
верхности в обычных условиях также невелико. При понижении
температуры степень покрытия поверхности тела указанными газа -:
мц может сильно возрасти.
.
Особен н о велико значение 0 для i:iapoв воды, масла и ряда дру
гих веществ с большой теплотой адсорбции. При этом EJ может
быть больше единицы. Уравнение (1.43) в этом случае становится
несправедливо из-за невыполнения сделанных нами допущений.
19
§ 1.7. Средняя длина свободного пути
Направленный молекулярный поток, содержащий в н·ачальный
момент No молекул -газа, за счет стоJiкновения с другими молеку
ками с частотой К за время dt уменьшается на величину dN =
=-NК dt.Лроинтегрировав это выражение, получим
N=N0e-Кt .N0e- lfL.
Здесь L ~ v/K - средняя длина свободного пути молекул газа, оп 0
ре,целяемая оnюшение.м скорости молекул к числу столкновений в
Рис. 1.5 . ·схема для рас
чета столкновения двух
одина~~овых молекул
единицу времени; l = vt -- длина пути моле
кулы за время t.
Столкновение произойдет, если расстоя
ние между центрами молекул будет не бо
лее диаметра молекrлы dм (ри с . 1.5). Будем
считать, что одна молекула имеет радиус
dм, а - все остальные молекулы
-: - - матема
тичесхие точки с ·нулевь,м ·· радиусьм. При
движении со скоростью v в газе с молеку
лярной концентрацией п за •одну •секунду
такая воображаемая моле'Кула опишет
объем
Средняя длина
и · испытает K = nnd,,iv соударений.
свободного пути в этом . ,случае ·будет равна
:v
1
L=-=--
2-
K
Лd,tn
(1.44) "_
• С учетом относительных скоростей движения молекул газа, ко
торые не учитывалиtь при выводе выражения (1.44), для длины
евободного пути можно получить более точное выражение:
1
L=
2.
у2пл:dм
(1.45)
.-
Из формулы ( 1.45) видно, что при постоянной молекулярной
концентрации длина свободного пути не должна зависеть от тем
пературы. Однако из опытных данных следует, что с увеличением
· температуры L при n=const увеличивс1ется. Зависимость длины
свободного пути от температуры может быть учтена введением в
(1.45) дополнительного множителя в знаменателе, • получаемого
экспериментально:
L=
1
-
V2n:n:d~ (1 + С /Т)
(1.46)
Здесь С - постоянная Сезерленда, она равна температуре, при ко
торой в случае постоянной молекуляр1-юй концентрации газа сред
няя дл~та свободного пути молекул, уменьшается вдвое по сравне-
20
нию со зкачением, соответствующщ,~ бескоr;,ечно болыиой темпера
туре. Значения постоянной С для р-азличных газов представлены
в табл. 1.3.
•
\•
Для учет'а взаимодействия молекул газа между собой (взаим
ного притяжения) вводят понятие эффективного диаметра моле
кулы dт:
, (1.47)
Эффективный диаметр молекулы уменьшается с увеличением тем
пературы газа.
Фоr,мула (1.46) может быть представлена с учетом (1.47)
ввиде-
Используя уравнение газового
{1.46) можно пр~образовать:
L=
kT
✓2pnd~ (1 + С /Т)
СОСТОЯ'НИЯ (1 .13), выражение
kT2
(1.48)
Для воздуха при Т = 298 К и давлении 1 Па из (1.4'8) следует,
что L1 ==: 6,3, 10 -з м•IJa. При любом другом давлении L=L1/p. Удоб
ная формула для приближенного расчета L в зависимости- от дав
ления:
L = 0,63/p,
(1.49)
гдер-вПа,аL--:всм.
При расчетах длины свободного · пут_и молекул газа, при раз
личных температурах и по-стоянном давлении на оёновании (1. _
48)
можно получить следующее выражение:
Lт= L0 T~(To+C) · ы0,
(1.50)
Т0 (Т+ С)
где
Ь= Т2(Т0 +С)
_
Т6(Т+С)
В случае смеси двух газов, молекулы которых имеют массы т 1
и m2, ср.едняя длина свободного пути L 1 частицы с маосqй т1 рас
-с читывается по формуле
{1.51)
Здесь dт1 - эффективный диаметр молекул с массой т 1 и концент
рацией n1; d12 = -1- (dп+dт2); dт2-эффективный диаметр мо-
2
лекул с массой т2 и концентрацией п2 .
21
Первое слагаемое в знаменателе (1.51) зависит от столкнове
ния одинаковых частиц ,с массой т1, а второе - от столкновения
частиц с массами т1 и т2 . Ec.JIИ n1 ~п2, то получим более простое
выражение
(1.52)
§ 1.8 . Понятие о степенях вакуума
'
Мн 9гие физические процессы ~ вакууме силь~о зависят от со
отношения между числом вза 1rмщ,rх столкновении молекул и чис
лом столкновений молекул со стенками вакуумной системы .
Частота столкновений между молекулами Км обратно пропор
циональна средней длине свободного пути: _
Км=Vap/L.
Из общего числа соударений молекул со стенками камеры
nvapF/4, приходящихся на п V молекул, легко · ра,ссч и тать среднее
число соудар~ний со стенкой Кс, приходящихся в единицу времени.
на одну молекулу:
Kc = VapF/(4V),=Vap/dэф•
где F-площадь поверхности ,стено ·к, соприкасающихся с разре
женным газом; \/ - объем камеры; dэФ = 4V/F - эффективный раз-
мер вакуумной камеры.
•
Для молекул газа внутри сферического сосуда диаметром [)
эффективный размер камеры d9Ф = 2.. D, для трубы бесконечной .
•
3
длины с диаметром D получим dэФ = D, а для двух бесконечных
параллельных поверхностей, расположенных на расстоянии D
друг от друга -d8ф = 2D.
•
Отношение Кс!Км называется критерием Кнудсена
Кп = Кс/Км = Lfdэф·
(1.53)
.В
зависимости от значения безразмерного критерия Kn разли-
11ают степени вакуума: низкий, средний и высоr<'ий.
Под низким вакуу мом понимается состояние газа, при котором
взаимi-1:ые столкновения ;,-~ежду ;,,юлекулами преобладают над·
столкновениями молекул газа со ·стенками · вакуу.мной ка;,,~еры. Та •
кое состояние газа соответствует условияю Kn ~ 1. При этом дл ина
свободного пути молекул газа значительно меньше размеров в а ку
умной камерьr. \..Il ри напылении ,в низком ва~,ууме столкновения
молекул газа с молекулами распыляеТуiого вещества не дают воз
можности получить на стенках камеры изGбражение экрана" по -
ставленного на пути молекулярного пучка .
•
Сред ний в ~уум_ это состояние газа, когда частоты соударе
ния молекул друг с дру~ом и со стенкалш вакуумн ой камеры оди-
наковы, при этом L~dDФ, а Kn~ 1.
•
22
Высокий вакуум - это состояние -газа, при ,~отарам столкяове
ниЯА10лекул газа со стенками преобладают над взаимными столк
новениями молекул газа : При этом _Kn~ 1 . Изображение на стен
ках вакуумной камеры от экрана, поставленного на пути молеку•
лярного пучка, получается в этом с_лучае отчетливым.
Под сверхвысоким вакуумом можно понимать область высокого
еакуулщ, для которой доля поверхности покрытой адсорбирован
ными газал,~и не превышает заданной величины Ro. Условие суще- •
ствования сверхвысокого вакуума может быть записано в следую
щем виде:
LfdэФ)) 1;
е<R0,
( 1.54)
где е - определяется из ( 1.43) .
Если принять значение Ro= 10-з, то для выполнения второй час•
ти условия . (1.54) для воды и масел с теплотой адсорбции около
80 кДж/моль, как следует из ( 1.43), требуются · давления не ниже
чем }О-9 Па.
•
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем состоит физический смысл понятий давления и температуры газа?
2. Чем определяется максимальная теоретическая · быстрота откачки вакуум
ных насосов и как она зависит от давления газа?
3. Почему все газы и пары в вакуумной технике рассматриваются как иде-
альные?
4. Какие единицы измерения давления применяются в вакуумной технике?
5. Когда удобно применять логарифмические единицы давления?
6. Какие_ внесистемные единицы давления и массы газа применяются в ваку.
умной технике?
_
•
7: Канюво соотношение между наиболее вероятной, среднеарифметической и
среднеквадратичной скоростями газовых молекул?
8. В чем различие между временем адсорбции и временем миграции молеку
лы на .поверхности твердого тела?
9. Как зависит средняя длина свободного пути молекул от давления газа?
1О. В чем различие между основными степенями вакуума? •
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМЕ
§ 2.1. Вязкость газов
При uеремещении твердого тела со
дачи количества движения молекулам
реннего трения.
•скоростью Vп за -счет _ пере
газа возникает сила внут-
'
Весь газ между подвижной 1 и неподвижной 2 пластинами
(рис. 2.1) можно разделить на слои толщиной L, где L -средняя
, длина ,свободного пути. В плоскости
х0 происходят столкновения
молекул, вылетевших из плоскостей х' и х". Изменение количества
движения в результате одного столкновения равно 2mLdvп/dx.
Принимая, что в ·среднем в отрицательном и положительном на-
23
правлениях о-си х в . единицу времени едщшцу площади в плоскости
Хо пер-есекают сагласно ( 1.11) nvap/4 молекул, получим общее из
менение количества движения в плоскости хо _в единицу вре_мени
о5Ldvп
,mnVap--·
.
dx
Сила трения по всей поверхности переноса определяе'Гся общим
11зменением количества движения:
F-
1•L dvпА-r1·dvп л
---nm
V--
---
1-
-
t1
2
•
ар dx
'dx-'
(2.1 )
где А - площадь поверхности переноса.
•
• Коэффициент пропорциональности
2
11 .-
YJ=mnVapL/2=pVapL/2
(2.2)
.
·называют • коэффициен том динамичес-
LL
д/,
• кой вязкости,
а о'Гношение У]/р - ко-
Уп !~ эффицие н том кинематической вязко
сп; (р - плотность газа). Точное зна-
чение
-
Х"ХаХ'
d
1/,
х
(2.3)
-Рис. 2.1 . Расчетная схема для
определения коэффициента вяз
кости в газах при низком ва-
рас-считанное согласно молекулярно:
кинетической теории м-ало отличается
от приближенного значения (2.2). В
результате подстановки Vap и L из фор
мул (1 .21) и (1.46) в (2 .3) получаем
кууме
(2.4)
_
Температурная зависимость коэффицJ-!_ента динамической вязко~
,сти определяется множителем тх , где х и-зменяе11ся от 1⁄2 при высо
. ких
температурах; когда Т» С, до 3/2 при низтщх температурах,
когда Т ~ С. Во всех случаях коэффициент вязкоеги увеличивается
при повышении температуры газа.
Числовые значения коэффициента 'У) для неко~:орых газов при
Т=:= 273 К даны в табл. 2.1 .
Таблиц а 2.1
КоэффициентыIН21Не 1,СН41 Ar I Ne I N, 1 СО
О, r СО2 1Воздух ,
11 .10s, Н-с;м2 J. o,ss / J,90 J 1,10 . J2,10Jз,oo/1,75 _ J 1,70 / 2,02J1,4011,70
Для двухкомпонентной смеси коэффициент вязкости рассчитывается по фор
муле
2.4
Jt
где
'У= n2/(n1 + n2); d12 = (dTl + dr2)/2; 111 = Vap1m1/(3л:d}1 -{2);
112 = Vapm2/(З:n:42 ·-V2); dт1 и dт2 находят из (1.47).
Величина '11 в этом случае ·зависит от состава смеси, который определяется
молярной долей у .
..
Градиент скорости dvп/dx в уравнении (2:1) зависит от средней
длины свободного пути и приближенно рассчитывается по формуле
dvп/dx=v11/(d +2L),
(2.5)
-
.
d - расстояние между поверхностями переноса.
В области низкого ,вакуума, когда d~2L, распреде.11ение скоро
тей между 1пов·ерхностями переноса ли-
нейное, а dvп/dx - величина постоян-
-1 1 ~ 11~•-1J_с_-.----т------,
ная, сила трения не - зависит от давле-
t---'-з-.;.__
ния. В области среднего вакуума
(d ~ 2L) градиент скорости уменьш а
ется за счет явления проскальзывания.
Сила трения начинает уменьшаться
по мере снижения давления. В высо
ком вакууме в _выражении (2.5) вели
чиной d по сравнению с 2L можно пре
небречь. Уравнение (2 .1) с учетом
(2.5) при d4;:.2L можно упростить:
2
(2.6)
Т аким образом, ,EfЛf;, трения в об
ласти высокого вакуума пропорцио
нальна 1,юлекулярной . концентрации
или давлению газа. Это объясняется
тем, что молекулы газа двигаются
I
ш
Рис. 2.2. Зависимости коэф
фициентов . динамической
вязкости '11 (1), теплопро
водности л(2) и самодиффу
зии D 0 (3) . от да_вления при
различных степен~х вакуума:
/·-
высокий; • Il - средний; lll -
низкий
между поверхностями переноса без соударений.
р
• Качественная: картина зависимости коэффициента динамической
вязкости от давления при различных степенях ваку.ума представ
лена на рис. 2.2.
Вязкость газов щироко .используется в вакуумной технике дл я
КСJ'СВеННЬIХИЗМереНИЙ НИЗКИХ давлений И ДЛЯ ОТКаЧКИ .газа ИЗ Баку
УМНЫХ систем.
§ 2.2 . Перенос тепла
Теплоr1ередача в разреженных · газах может прощ::ходип, за
с чет трех процессов: конвекции, теплопроводности и излучения.
Конвективный теплообмеl-i может' быть либо естественным из-за
силового воздействия гравнтационного поля на газ, имеющий раз
личную плотность вследствие температурных градиентов, либо вы
нужденным при наличии газовых потоков во время откачки ва1<у-
умных камер.
•
В · области среднего и высокого вакуума роль конвективного
теплообмена в общем балансе передачи теп л а мала , и в расчетах
25
им обычно пренебрегают. При низком ва,кууме конвективный т еп
лообмен, является основным способом те п лопереда ч и.
Перенос тепла конвекцией в низком вакууме от повер хности
нити, нагретой до температуры Тн, к стенкам вакуу!liной ка меры .
имеющим те ~ пературу . Т, описывается уравнением Ньюто н а -
Рихмана:
(2.7)
где а - коэффициент теплообмена: А
-
пло_щадь поверхности нити.
При свободной конвекции коэффициент теплообмена
а0 =ар213 (Тн -•Т),
а - коэффициент , зависящий от ма т ериала и фс:Jрмы поверх но сти
(определяется экспер~ментально).
Коэффициент теплообмена в условиях ,вынужденн·ой конвекци и
при поперечном обтекании нити для в о.здуха
a~=Nuлfd,
где л - коэффициент теплопроводности газа; d - характерный раз•
мер (диаметр нити); Nu=k1 R_ek, _ критерий
Нуссельта; Re =
= v г dp/ri - критерий Рейнольдса; Vг - ,скорость газового п ото ка~
k 1 и k2 - константы, зависящие от значения числа R-e:
при Re<103 !г1 =0,45; k2= 0,5;..
при Re> 103 k1 =0,245; k2= 0,6 .
Теплопередача за счет теплопроводности может рассматр ив ать
ся как явление переноса, аналогичное вязкости . Этот процесс ха
рактеризуется количест.вом тепла, отнесенным к одной моле куле
газа: cvmT, где удельная теплоемкость ,газа при постоянном о бъеме
k
Су (у -l)m,
(2.8 )
а v= ер/ с,т - отношение теплоемкости газа при постоянном д а вле
нии к теплоемкости при постоянном объеме (для воздуха и двух
атомных газов у= 1,4; для одноатомных v= 1,66 ; для трехато м нь1х
v=l;З):·
Если концентрация газа п постоянна, то аналогично •(2.1 ) за
пишем выражение для Теf[ловото потока:
1
dT
Ет = - 2 nmLCvV.apdx А.
(2.9)
Преобразуем (2 .9) к виду, известному под названием урав не ния
Фурье :
Е =- л_!!:I._А
т
-
dx
'
(2. 10)
где
(2. 11)
26
В молекулярно-кинетической теории, используя функцию рас
пределения молекул по скоростям, получают для коэффициента
теплопроводности л более точное выражение:
Л = (9у - 5) 'YJCv/4.
(2.12)
Значени я л, рассчитанные по формулам (2 . 11) и (2.12) для воз
духа, отличаются на 20%.
Градиент температуры dT/dx в уравнении (2.10), как и гради
ент ,скорости при расчете вязкости газа, зависит от ,средней длины
свободного пути молекул газа и определяется по формуле
где
dT
Т1-Т2
-= --- --
dx d+g1+g2
где
(2-а1) (9у- 5) L
_
(2-а2) (9у-5) • L·
g1= ----- --
,
g2-
·
,
2a1(Y+I)
2a2(Y+I)
а 1 и а2 -- коэффициенты аккомодации поверхностей переноса; L -
• длина свободного пути при с13едней температуре_.
Для приближенных расчетов можно принять, что g1 =g 2 =L.
Значения а и у приведены в табл. 2.2, причем значения а даны для
материалов· подложки Pt и \V.
Таблица 2.2
,
Коэффициенты теплопроводности
а
kт,
kтв
ер,
ev,
ер
1
газ
кДж
кДж
Т=- ·
Вт
q=-
--
--
ev
Pt
w
гk
КГ•К
кг-•с
м•-к.па -
Тг
N2
1,03
0,73
1,40
0,90
-
1, 12
1,06
02
0,92
0,66
1,40
0,84
-
1, 12
1,06
СО2
0,85
0,66
1,30
0,87
-
1,27
0,98
Аг
0,52
0,31
1,67
0,89
0,85
0,70
1,80
Н2О
1,95
1,47
1,33
-
-
l ,99
0,63
Не
5,36
3,13
1,67
-
0,057
2,20
0,57
Ne
1 ,05
0,63
1 ,67
-
0,070
0,98
1;27
Н2
13,8
10,2
i ,41
0,36
0,950
4,56
0,274
Воздух
1 ,01
0,72
1,4
0,90
-
1,25
1,00
Теплопроводность газа, так же как и вязкость, не зависит от
давления в области низкого вакуума . и пропорциональна давлению
при высоком вакуум ,е. Для . высокого вакуума (d~2g) уравнение
теплопроводности (2.10) с учетом (2.8) и (2.12) при а 1 =а2 =а
примет вид
•
а
Ет=--- · kтР (Ti-T1) А,
(2-а)
,
k= (у+1)Vap
.Т 8Т(у-1)
27
Значения kт при 'Jo,= 298 К, как и .значение отношения qг=
=· kтв!kтг, для основных газов, входящих ,в состав воздуха, приведе
ны в табл. 2.2 . Качественная зависимо·сть 'А (р) при различных сте-
•пенях вакуу. ма дана _ на рис. 2.2.
Теплопередачу в вакууме излучением Еи можно определить в
Вт/м 2 по закону Стефана - Больцмана:
Е ~5 7Е r(_!j_J'4
-(~)4] Е
и-'
·
е~ 100
100·Г,
(2.13) .
где Т1 и Т2 - теiшературы на внешней и вну'Fренней поверхностях
переноса; Ег - геометрический фактор (для параллельных плоско
стей и r,01-щентричных цилиндрических оболочек Ег= 1);
1
Ее= .
.
.
приведенная степень черноты.;
(1/е2) +(А2/А1) [(l/e1)- I]
А1 и А2 - площади внешней и внутренней поверхностей переноса;
е1 и е2 - коэффициенты излучения внешней и внутренне'й поверх
ностей (для гладкой поверхности нержавеющей стали е=О,1 при
~оо. К и 0,06 при 77 К, а для меди соответственно 0,03 и 0,019).
При у,становке экранов приведенная степень черноты уменьша
,... ется пропорционально количеству установленных экранов N. Если
А1 =А2, е1 =е2~• е, то приведенная . ,степень черноты
Е~Ее_
е
Ne ----
..
N+1 (2- e)(N+1)
В вы.соком вакууме излучение является практически единствен
ным способом передачи тепла и не зависит от давления газа.
Приведенные зако!jомерносrи теплопередачи в ГЩJах при _низ
ких давлениях ·широко использую11ся в вакуумной технике для рас
чета нагревательных и охлаждающих устройств, а также для кос
венных измерений давления в облас:ти срею~его и низкого вакуума.
§ 2.3 . Диффузия в· газах
Уравнение стационарной диффузии, согласно первому закону
Фика, имее_т следующий вид:
Pп =- D(dn/dx);
(2.14)
где D - ,1юэффициент диффузии; dn/dx - градиент концентрации; .
Рп-,- плотность потока частиц в направлении, противоположном
градиенту концентрации.
Ра-ссмотрим однородн ый газ, состоящий из молекул одного ти
па. В условиях. низкого вакуума через плоскость, перпендикуляр
ную направлению потока частиц ,с обеих сто.ран из слоев, удален
ных на расстояч:ие, равн ое средней длине свободного пути, будут
проходить согл асн о ( 1.11 ) два встречных потока, разность которых "
и определяет скорость диффузии:
р_Vap(1
")--
-. Vap2L-dn
--
п-п-----
--
п•4
•4
dx'
(2.15)
28
п' и п" - концентрации газа в слоях, удаленных от рассматривае
мой плоскости на L. Сравнивая (2.14) и (2.15), получим выраже
ние для коэффициента самодиффузии в низком вакуум~:
Dc= Lvap/2.
(2.16)
Воспользовавшись формулами . (1.13), (1.21} и (1.46), имеем
kзJ2тБ/2
D-
.
с - лз12т1;2рd~ (Т + С)
Таким образом, коэффициент сш,юдuффузuu в области низкого
вакуума обратно пропорционален давлению. Температурная зависи
мость коэффициента самодиффузии определяется множителем
T'l,j (Т +С), который можно записать в ,виде Тх, где х изменяется
от 1,5 при Т~С до 2,5 при Т~С, т. е. коэффициент са.модиффузии
увеличивается- с повышением теJrmературы газа. Точное значение
Dc, · рассчитанное - в ,соответстjши с . молекулярно-кинетической тео
рией, практически ,совпадает с результатами_ расчетов по формуле ·
(2.16).
•
Для смеси двух газов с концентрациями tJ, 1 и n2 в связи с тем, что п = n1 + n2 =
= const, можно за]Jис.ать: •
дп1 • дп2
дп1 дп2
дх+~=О;дt+дt=О
откуда следует ра'венство коэффициентов диффузии первого газа во втором D12
и второго в первом D21:
D12=D21=Dв.
Коэффициент взаимной диффузии D. при низком ва~<ууме рассчитывается по
формуле
-
8-v2(kT )3/2
1••'V1
1
D - ----- ----- --+
-
-
-
в-3
л- - р(d1+d2)2
т1
т2•
З десь d1 и d2 - эффективные диаметры молекул газа с массой т 1 и т2 , опреде
ляемые по ф ор муле (1.47). Dв не з ависит от процентного состава смеси и об
ратно пропорционален общему да в лению.
Удобно предста в ить выр ажение для Dв в виде
Dв = Do(Т/То)х (Ро!р),
где Х= 1,5+2,5; Т0=273 К; р0= 105 Па.
Коэффициенты Do для смеси воздуха с различными газами имеют . значения,
приведенные . в табл. 2.3 .
В области высокого вакуума расстояние между поверхностями .
переноса всегда меньше, чем средня·я длина свободного пути моле
кул га з а, и, таким· образом, молекулы, вылетевшие с одной из по
верхностей, достигают другую без соударений. В этом случае в фор
муле (2.15) •для расчета коэффициента самодиффузии вместо '2L
необходимо подставить эффект!J:вный размер вакуумной камеры
dзФ- Тогда
Таблиц а 2.3
Коэффициент
1
02
СО2
СН4
Н2О
Н2
С2Н2
Do, см 2/с
1
о, 178
0,138
0,196
0,220
0,661
0,194
Коэффициент самодиффузии в высоком вакууме не зависит от
давления, прямо пропорционаJ1.ен V Т и обратно пропdрцион(lлен
Vт.Качественный характер зависимости коэффициента ·самодиф
фузии от давления дан на рис. 2.2 .
Если два газа, имеющих м-алую концентрацию, диффундирУ,ЮТ в третий и
имеют коэффициенты диффузии соответственно D 1 и D2, то
'
D 1 _ L1Vap1 _ Г!:!.._,, j М2
D2-L2Vap2- L2VМ1•
Это соотношение использут при изучении работы диффузиоНitЫХ вакуумных на-
_
сосов.
§ 2.4 . Тем_пературное_ равновесие давлений
В связанных между собой сосудах, имеющих различную темпе
ратуру, в зависимости от степени вакуума будет устанавливаться
различное соотношение давлений и молекулярных концентраций.
При низ к ом . в а к у ум е условием отсутствия газовых пото
ков в двух, , соединенных 1,tежду собой объемах, имеющих различ
ную температуру, является равенство давлений в этих объемах:
Р1=Р2-
,•
При этом согласно уравнению газового состояния соотношение
концентраций n1/1i2= Т2/Т1.
В высоком вакууме может устанавливаться только динамиче
ское равновесие, при котором потоки газа, переходящие из одного
сосуда в другой, будут равны. Для сосудов, соединенных отверсти
е1':1:, согласно (1.11) и (1.21) мш_кно записать условие равнове
с!fя в виде
n1 V8kT1 _
n2tvr8kT2
--
---- -
-
.
--'
4
;;r;т
4
nт
откуда следует, что
P1/P2 = VT1IT2 и n1/n2=VTz!T1.
-
(2.17)
• Это справедливо и для сосудов, соединеныых трубопроводами. ~
Таким образом, в вы с о к ом в а к у уме равновесие в соединен-
ных объемах устанавливается при давлениях, пропорциональных ·J
корню квадратному из отношения их абсолютных температур.
30
В области среднего вакуума для определенйя соотнощения меж
ду давлениями можно пользоваться приближенной формулой
1
Р1!Р2= (Т1/Т2) 2<l+d/L),
(2.18)
где d - эффективный размер соединительного отверстия или трубо
провода; L - средняя длина свободного пути молекул газа при сред
нем давлении .
Формула (2.18) дает значение р 1 = р2 в области низкого вакуума,
когда L-.O, и Р1/р2 = VT1JT 2 в области вы<;:окого вакуума, ·когда
L-+oo . Для среднего вакуума ошибка в расчетах по формуле (2 .18)
по сравнению _ с эксперимен-
'
тальными данными не превы
шает 10%.
Приведенные соотношения
очень важны при измерениях '
давления в ва~уумных каме
рах, имеющих неравномерную
температуру_ газа.
Пусть
манометрический
преобразователь установлен
на участке вакуумной системы Рис. 2.3 . Схемы соединения объемов,
с температурой Т 1 = 293 К, а
имеющих различные температуры
давление измеряют в объеме,
,
з
о.хлажденном до температурчr жидкого азота Т2 =77 К (такие усло
вия имеют место в вакуумных системах с азотными ловушками и
адсорбционными насосами). Тогда согласно . (2.17) при высоком
вакууме Р1/Р2=2. При щ~мерении же давления в' вакуумной печи
манометрическим преобразователем, · установленным . на участке
вакуум.ной системы, имеющем комнатную температуру Т 1 = 293 К и
Т2= 1273 К, P1IP2=0,5.
Таким образом, без учета поправок на темп.ературное равнове
сие можно легко ошибиться при измерениях давления при высоком
вакууме, по крайнеи мере в 2 раза.
Если между находящимися . в одинаковых температурных усло
виях манометром 1 (рис . 2·.3, а) и 'баллоном 3 расположен ·баллон 2
с иной температурой·, то в случае высокого вакуума во всех балло
нах наличие промежуточного баллона не влияет на измерение дав- •
ления. В этом можно убедиться последовательным применением
уравнения (2.17).
,
'
1
При соединении баллонов так, как показано на рис. 2.3, 6, ripи высоком ва-
кууме в них соотношение давлений будет P1f p. = -f Т,1 / Т2, т . . е. коэффициент комп
рессии не - увеличивается при увеличении числа баллонов . Есди же в трубопрово
де 4 создать условия низкого вакуума, например , увеличив его размеры, то Р2 ,
станет равным р3 , ·а отношение давлений р 1 /р" при сохранении у'словий высокого
вакуума в остальных соединителньы х· трубопрово дах возрастет и станет равны м
Т,1 /7'2 . В этом случае увеличение количества баллонов будет сопровождатьс я уве
личением соотношения 'давлений в начальном и конечном баллонах, что исполь
зуется для создания тепловьiх_ вакуумных насосов.
31
§ 2.5 . Режимы течения газа
Стационарный газовый поток через элементы вакуумной систе
мы является следствием существующей в них разности давлений и
рассчитывается по фор"муле
Q= U(Р1- Р2),
(2.19) -
где р 1 и Р2 - давл·ения на концах элемента вакуумной системы, а
И - проводимость этого элемента. Проводимость элемента
является коэффициентом пропорциональности , между потоком и
разностью давлений и численно равна· количеству газа, протекаю•
и
щему через элемент в едиlilщу времени, -
при разности давлений на концах эле
мента, равной единице. Если выразить
поток в единицах л-торр/с или м 3 -Па/с,
то , проводимость выразится соответствен
но в л/с и м3/с. Выражение потока в кг/с
р дает· для проводимости размерность
~---I~_л_·.,.·· ~-:Ша:::·'- - - 1 кг/(Па-с).
Рис. 2.4. Зависимость прово
димости элемента вакуумной
системы от степени вакуума:
Сопротивление элемента - это вели
чина, обратная его проводимости:
Z=1/U.
(2.20)
1 -· ВЫСОКИЙ; II - средний; III -
П
низкий
о аналоr:_ии с электрическими цепя-
ми в вакуумной технике при приближе
ном ра_ссмотрении процессов течения газа принимается, что прово
димость элемента не зависит от его расположения среди других
элементов. Тогда для ряда i параллельно соединенных элементов
с проiзодимостями Ui можно определить общую проводимость как
N
Ио = ~U1,
i=I
где N ~ общее число элементов.
Для ряда последовательно соедине·нных элементов получим об
щую проводимость:
.
!N
.
П1
Ио=l"1- _
-..
.
.
~и,
i=l
Проводимость элемента вакуумной системы зависит от степени
вакуума, при _ котором наблюдается течение газа. На рис. 2.4 пока
зана характерная зависимость проводимости элемента o-:i: степени
вакуума. В низком вакууме проводимость растет при повышении
давления, в высоком вакууме она остается постоянной.
•
В низком, вакууме при наиболее высоких давленшrх возможно
существование и·нерционноrо режима течения газа, аналогичного
турбулентному режиму, рассматриваемому в гидродинамике. В этом
режиме течени~ газа важную роль играют силы инерции движущей-
32
ся массы газа, вызьtвающие образование вихрей, приводящих ' к
сложному характеру распределения скорости движения газа по по
перечному сечению элемента,
Условие существования ин·ерционного режима течения опреде-
Jlяется критерием Рейнольдса Re = dvг/'t'J.
•
Здесь d - характерный размер элемента; Vг - скорость течения
газа; 11 - коэффициент динамической вязкости.
При течении газов в трубопроводах условие существования
инерционного режима можно выразить в другой форме, выражая
Vr через поток газаQ:
Vг = 4Q/nd 2p.
При этом для воздуха при· комнатной температ3/ре условие су
ществования инерционного режима может быть переписано в виде
Q>3-103d,
где Q - поток газа, м 3-Па/с; d- диаметр трубопровода, м .
• Такие потоки в элементах вакуумных систем существуют очень
• редко. В основном они встречаются в момент запуска
ттекоторых
вакуумных установок. Поэтому в дальнейшем мы не будем рассмат
ривать этот режим течения газа, считая его нехарактерным для ва
куумных CIJCTeM .
В низком вакууме о.с.новную роль игра~т вязкостный реж и м те
чени я газа, при котором характер распределения скорости в попе
ре чном сечении определяется с-илами внутреннего · трения .
При высоком вакууме силы внутреннего трения в газах стре
м ятся к нулю и существует молекулярный режим течения газа, для
которого характерно независимое перемещение отдельных молекул . .
В среднем вакууме на течение газа одновременно сказывается
вл ияние внутреннего трения и мол екулярного переноса. Существу
ю щ и й при этом переходньiй режим течения называют м олекуля р -
н о- вяз костным .
.._
Граничные условия существования различных режимов течения
газа в вакуу мных •системах в зависимости от к р ите р1ия Кнудсена
Kn - отношенuе средней длины свободного пути моле кул газа L к
эф ф ективному размеру dзФ - представлены в табл. 2.4 . В каждом
режиме для любого из элементов вакуумных систе м может быть
п о лучена св оя заJЗисимость проводимости от дав л ения, . температуры
и х ар актерных размеров элемента.
Таблица 2.4'
Режимы течения газа в вакуумных си_стем ах
Р ежи~1
Вяз костный
Мо лекулярно-вязкостный
Мол екуля р ный
2 Л. Н. Розанов
Гран,ица
вер хняя
Атмосферно е дав л ение
Kn>5 · 10-з
Kn>l,5
ни жняя
Kn3⁄45· 10-з
Kn3⁄4l,5
Kn-""
33
В последующих параграфах рассмотрим в качестве при меров
эти . зависимости для двух типов элементов вакуумных систе м: от
верстий и трубопро13одов.
§ 2.6 . Течение газов через отверстия
Под отверстием будем понимать rрубопровод, длина которого .
значительно меньше диаметра (l~0,01 d), расположенный в стен
ке, разделяющей два объекта. Пусть эти объекты будут бесконеч
но большими (рис. 2, 5, а).
При вязкостном · режиме течения газа закон сохранения энергии_
для адиабатического истечения газа можно записать в виде равен
ства приращения кинетическо й
энергии газа' изменению ero эн-
Рr Ег
тальпии:
а)
а)
Рис. 2.5 . Формы отверстий:
а - соединение бесконечных объ
емов; б - соединение бесконеч•
ного и ограниченного объемов •
где 9 _:_ поток газа; Wг2
-
ско-
рость газа на выходе из отвер
стия; /1 и /2 - энтальпии таза до
·и после прохождения - отверстия .
Восnолызовавшись тем, что . / =
= срТ,
перепишем уравнение со
хранения энергии в виде
2.
'
•
Шг2/2=срт1 (l-T2/T1).
•
С учетом того, что pV=RT/М, R/M =Cp-cv; y=cplcv ru
V 1/V;= (р2/р 1 ) 11-v, где v· -удельный объем газа, м 3/кг, преобразуем
уравнение сохранения энергии:
Шг2= -.
/ _2 _y_P_1 _V_1 _[_l
___
( _P_2-)( -1--1)_/1_]
.
Vу-1 .. Pl
Поток газа через отверстие (кг/с) . с учетом записанного выра -
,
жения для Wг2:
(2.21 )
/2у
'
,
'
'
'
где o/=rl/1 l/ --[l-r<Т-lJ/1]; r=p2/p1; А-площадь отверстия ~
r v-1
.
.
.
Из уравнения газового состояния следует, что V1 =RT1/ (Мр1). •
. То г д а (2.21) можно переписать в виде
O=о/АР 1 VM!(RT 1).
(2.22)
В условных единицах массы Па•м3/с выражение для газового
потока (2; 22) будет иметь следующий вид:
(2.23}
34
При вяз к о ст .но м режиме течения газа , уменьшение отно
шения давлений с обеих сторон отверстия _r = р2/р1 -< ) приводит
к тому, что количество газа, протекающего через диафрагму, и ко
:нечная скорость потока в области р2 увеличиваются до тех пор, по-
1<а отношение Р2/Р 1 не достигнет критическогq значения, соответст
вующего скорости звука. Если процесс истечения адиабатический,
-то критическое значение
rк=(-2
-
)i/(,-1)0
у+1
Для воздуха Y""'J,4, поэтому r11 =0,528; для одноатомного газа
'У= 1,67; r1,=0,437, для трехатомного га
за v= 1,4; rк =_О,546.
Дальнейшее уменьшение отношения
дав,л(с:НИЙ не изменяет колитiества проте
кающего газа. В области отношений
P2IP1 вь1ше критического _проводимость
Qпределяется ВЫР,Юкением
U-
Q
t _L_- . / RT1 .'(2.24)
ов- Р1- Р2
1-r·VМ
F (r)
Для воздуха и других двухатомных га
зов при у= 1,4 получим
U=241~0 ,7 1 / Ti VI -t0,з·_A_ (2.25)
Рис . 2.6, График функции
F(r) для расчета проводи
мостей отверстия при вяз
костном режиме течения га-
on
-
V-М
-1-r,
за
где М - молекулярная масса, кг/кмоль; А- площадь отверстия,
м2; Иов выражено в м3/с.
В выражени~ (2.25) можно ввести ·функцию
r0 ,7 (! _-,О,3)1/2
F(r)= ----'-1---r -'--
:графиr<_ которой (рис. 2.6) удобно использовать в расчетах прово•
дим о сти: отверстий п ри ·вязкостном . р_ежиме течения газов.
При I<ом1-~а-гной темпе р атуре для воздуха (М = 29 кг/кмоль),
если А вь(рюкено в м 2 , получим для проводимости отв.ерстия:
U0.= 766r0,7Vl- ro,3_ A
_
при 1~ r >, 0,52;
l-r
U00 =200 - A_
_ п ри 0,52> r >,0,1;
•
1
1-r
.
-
(2.26)
Так как отношение давлений r заранее неизвестно, то расчет
нужно вест11 методом последовательных приближений. При проек
тировочном расчете с большим запасом можно принять, в · первом
nрибли)_!~ении; что Иов=200 А, м 3/с и не завпсит от r. Тогда для
круглых отверстий Иов= 160d2, м 3/с. Еслн d выражено в см, то
35.
Иов = 16d2, л/с. В обычных вакуумных системах, работающих в ста
ционарном режиме чаще всего r~0,8, это соответствует проводи
мости •.Иов = 830 А, м3/с, · что примерно в 4 раза выше, чем первое
. приближение.
•
Проводимость отверстия. в мол~ к ул яр но м режиме рассчи
тывается по- формуле
-
OkT
Иa:.r =Q/(p1 - Р2)= --!(Р 1
-
Р2),
т
где G'= G1-G2; G1 и G2 - массовые потоки через отверстие, прохо
дящие навстречу друг другу . С учетом того, что G1 = n 1mvap 1A/4 , а
G2 = n2mVap2A/4, для Jiроводимости можно записать
•
( v· ·щ Vмт;)
n1
--
.
-
-
112
--
А
и_
:rtm
:rtm
ом-
4(111- n2)
Если Т1 = Т2 = Т , то э:го выражение упрощается :
И0м = 36,4А V T/M.
(2.27)
где Мв кг/моль, Тв К, А в'м2, Иом в м3/с.
Расчет проводимости отверстия для воздуха (М = 29 кг/кмоль )
• при комнатной температуре Т = 298 К из (2 .27) дает в результате
•
Иьм=116А. •
• •(2.28)
-
.
Так как для круглого отверстия А = itd2/4, то И0м = 91 d2 м 3/с; еслтт
d выражено в ~м, то Иом = 9,1 d2 л/с.
В области молекулярно -вяз к о ст ног о режим а теч е
ния можно пользоваться приближенной формулой
(2.29)
которая справедлива также в областях молекулярного и вязкостн_о-
го режимов течения газа.
•
.
Для воздуха при комнатной температуре согласно
Иомв = 117АЬ+ Иов•
(2.28) имеем
(2.30)
причем коэффициент Ь на границе с вязкостным . режимом раве й
0,8, а на границе с молекулярным - 1,0 . Д,~я приближенных расче
тов можно принять Ь=О,9.
Рассмотрим отверстие между бесконечно большим и ограничен
ным объемами. Трубопровод с отверстием в этом случае (рис.
2.5, 6) должен иметь с точки зрения II закона термодинамики оди
наковую проводимость при течении газа _в обоих возможных на
правлениях:
(2.31)
36
где И А, и И л 2 - пронодимости отверстий с площадями
.41 иА2со
стороны бесконечных объемов соответственно; U л,л, - проводи
мость отверстия, имеющего площадь А 1 со стороны трубопровода;
Uтр - проводимость трубопровода внутри стенки.
Решая (2.31) относительно Ил,л, и учитыв-ая, что . Ил,/Ил, =
=А1/А2, получим
(2.32)
Проводимости отверстий при любь1х· режимах течения, рассчи
танные ранее для присоединения к бесконечным объектам, приме
няя (2.32), можно преобразовать в проводи~ости отверстий, соеди-
ненных с ограниченным объектом.
_
_
Форма отверстий по приведенной методике расчета не оказыва
е!' влияния на их проводимость .
§ 2.7 . Течение газов по трубопроводам
В области низкого вакуума при вяз к о ст но м режиме тече
ния газа средняя длина свободного пути молекул газа L значитель-
• но меньше диаметра трубопровода. Слой газа у поверхности трубо
провода остается неподвижным, а остал'ьные слои толщиной L дви
жутся в условиях стационарного потока с постоянной скоростью.
Органичимся рассмотрен1;ем трубопровода с 1<руглым поперечным
сечением.
При стационарном потоке в малом элементе газового цилиндра,
образованного на радиусе r приращением dr (рис. 2.7), существует
равновесие движущей силы f1=лr 2dp, вызываемой разностью дав-
лений, и силы внутреннего трения в газах f 2 =YJ2nrdl dv .
dr
Условие равновесия можно записать в виде
лr2dp+2лrY\ dv dl=O.
dr
Принимая dv/dг, не зависящим от l (распределение скоростей
по · всей длине трубопровода п остоянно), после интегрирования в
пределах от О до l получим
dv
(Р2- Р1) r+2lYJ -
=0.
dг
Вновь· интегрируя1 по радиусу трубопровода, при . начальных ус
ловиях г = rо, v = Oполучим параболическое распределение скоростей
по сечению трубопровода:
-
•
V= (Р2 - Р1)(r6 - r 2)/(4YJl).
Об ъ емный расход газа
Го
V = Sv2лrdr = лr6(p2 - p 1)/(8Yll).
о
37
Поток газа Q, протекающий через трубопровод, найдем как прG
и зведе ни е объемного расхqда V на среднее давление в трубопро
воде: .
Q=V pz +Р1
2
лrб(р2- Р1)(pz +Р1)
!6·nt
-
Согласно определени1:0 (2.19), запишем . выражение для прово
димости при вязкостном ·режиме тече н ия:
•
• Итв • Q/(Pz - Р1)= ЛГсi fcP1 +P2)/('1.6 1ll} .
(2.33)
.
.
Таки м образом, проводимость круглого трубqпроводn при вяз
костом режиме течения газа обратно п ропорцион альна ег о длине
•
и коэффициенту диналшческо-й
lp >/))
,-; 0
1.rt1,2
1р2 вязкости газа, прямо пропор-
Р, •• •::чt;;~~>-----+-- ;::Eitzi~;zш:z6;~~~~~1
•
f2!
_
_
... .
Для воздуха при Т=293 К;
1,
...=.::➔.
11 = 1,82-10-5 Н/(м 2 •с) (2.33)
~ - ,~ =tt~_~-===zщ
мбжно преобразо::~;1 : рz;иду
Рис. 2.7. Схема течения газа в трубопро
воде при вя зк остном режиме
Итв= 1,36 •103
2l
(2.34)
Здесьdи/-в·м;р-вПа;
а Итв- в м3f,с. Это же выражение, если d и l-в см; р-в торр,
а Итв - .в л/с, имеет нид
И = 182 d4(p1 +pz)
тв
2[
(2.35)
Полученные значения для проводимости при течении газа по
трубопроводам соответствуют общей закономерн0сти V=f(p) (см.
рис . 2.4).
При высоком вакууме и молекулярном_, режиме течения газа дли
на свободного пути молекул rqзa больше диаметра трубы, молеку
лы движутся независимо друг от друга, соударяясь лишь со стен
ками трубопровода. Будем считать, что каждая из молекул, хаоти
чески движущихся в трубопроводе, имеет постоянную
составляющую переносной скоростя Vп, направленной по ' оси трубо
провода в обл.асть с меньшим давлением (рис. 2.8). ·
Движущая сил а в этом случае
f 1=dpA,
где А - поперечное сечение трубопровода.
Уравновешивающая сила;- рав-ная общему изменению количест
ва движения всех молекул при их ударе о стенку трубки:
/ 2= - BdlNqmv".
38
Здесь В- периметр трубопровода; Nq - nvap/4= p/V2'!mkT
число молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу вре
мени.
Уравнение равновесия f1 + f2=0 можно записать в вид<с
dpA-BdlNqmVn=b.
(2.36)
Если в (2.36) ввести об_ъемный расход V = vпА и подставить вы-
раж ение для N q, то получим
~
-- ---,-=
-
_.!!_Е_ V2nmkT=~ dl.
mpcpV
А2•
В стационарном режиме произведение РсрV = Q~ const, где
Рср = (Р1 + Р2) /2. Проинтегрируем это соотношение в пределах от
Р1 ДО р2:
-- --._
откуда . поток газа
Q = Y2nriikТ (Р2 - Р1)
_
,
l
•
~ S!!_·d l
А2,
dL
о
Используя (1.21) для Vap, имеем
Q=~
. vap(p2 - P1)
2
-
1
Рис. 2.8 . Схема течения
_
газа в трубопроводе при
молекулярном режиме
,
\_!!_ dl
.
dА2
.
Более точное выражение для ·Q получено Кнудсеном с учетом
функции распределения молекул по скоростям:
.
Vap (Р2-- Р1)
l
\в
JА2 dl
о
Проводимость трубопровода в этом случае
Q
/Утм.= _ _;;__
Р2-Р1
l
~в
3 -dl
А2.
о
Для трубопровода постоянного поперечного сечения имеем
(2.37)
39
Таблиц а 2.5
Формулы для ра счета проводимости отверстий и труб о проводов
Вид элемента системы
Круглое отверстие диа
метром d, м
Отверстие произвольной
формы площадью А, м2
Трубопровод . диамет
ромdидлинойl,м
Трубопровод прямо-
угол ь ного сечения а;;.
;;,.Ь, м
Трубопровод с Р3J3НО
~торонним треугольным
сеч е нием,
а - сторона
греугольника, м
Тр у бопровод эллипти - •
ческ о го сечения; а -
большая, Ь - малая оси
7ЛЛИПса, М
Тр уб опровод диамет -
ро м d.i- с коаксиально
ра с п оло женным
стерж
нем диаметром: d2, м
Примечания:
для воздуха при 293 К
ВЯ З l{ ОС'~'НЫЙ ре:жи;,.,-1
И,= 160 d2
при Р2/Р 1 .;;О,\
И=200А
при Р2/р1,;; О ,\
d4
И = 1,36-103- Рср
l
.
-
аЬЗ -
И= 865/ - Рср
l
а4
И=2991 Рср
И= 2,72.1озХ
•
азьз .
~(а?+Ь2)[Рср
И=l,36-\ОЗ Рср Х
l
Х[df- dt-
-
(df- d~)2l
ln_d 1/dz
/
1)Ивыраженовм3/с,р-вПа.
2)
-
1
1
afb
1
2
1
.
.5
f
2,3
3,7
1
4,7
Ч'
1,1
1,2
1,3
В случа.е кру~лого поперечного сечения
-,
1
Молекулярный режи,n
И=116А
d3
И=\21-
l
а2Ь2
И = 308ср --
l(а+Ь)
аз
И=48,\-
l
а2ь2
И = 17\ ----
l11а2+ь2
И=•121 (d1-d2)2(d1 + d2)
l
10
1
100
5,0
1
5,3
5,3.
1,4
И = :rtd3vap = 38 1!!!._
1/Т
TM
121
'
lVМ
<2•38 )
гдеdиlвыраженовм;М-вкг/кмоль;Т -вК:;И -вм3/с.Та
к им образом, проводимость трубопровода при молекулярпом режи
ме те чения не зависит от давления. Это соответствует ка че ственной
за ви си мости, показанной на рис. 2.4 .
.
•
.
Дл я возду х а при 293 К: проводимость цилиндрического трубо:
про в ода I(руглого поперечного . сечения
Ищ= 12 ld3/l.
(2.39)
40
Если выражать d и / в см, а И - в л/с, то формула д,11я расчета
проводимости (2.39) примет другой вид:
(2.40)
Вобластисреднеговакуумавмолекулярно-вязкостном
р еж и м е течения газа проводимость трубопроводов может рас
считываться аналогично (2.29) по •полуэмпирической формуле,
предложенной Кнудсеном:
Итмв~- bU.,,~ +Итв•
Здесь Итв - проводимость трубопровода при вязкостном режиме;
• Итм ...:_ проводимость трубопровода при молекулярl:!ом режиме; Ь
-
• 1юэффициент, равный 0,8 на границе с вязкостным режимом тече
ния и 1 на границе с молекулярным режимом.
Среднее значение Ь = 0,9 может . быть принято постоянным для
технических расчетов.
Определение проводимостей некруглых трубопроводов може'l'
быть сделано по той же методйке, которая была использована для
определения проводимостей круглых трубопроводов. Расчетные
формулы для некоторых форм трубопроводов представлены в
табл. 2.5.
•
§ 2.8 . Электричес1.:ие явления в вакууме
Прохождение электрического тока чер е з газы при .приложении
разности потен,циалов связано с перемещением электронов и по
ложительных ионов. При отсутствии электрического поля распреде
ление по энергиям для электронов, ионов и нейтральных молекул
одинаково.
Средняя длина свободного пути · электронов в вакууме может
быть вычислена, так же как и для молекул, по формуле (1.52) :
L-~
е- JJ,d2p '
\
где d----,- диаметр молекулы газа.
При равных условиях длина свободного пути электронов в 5,6
раза бо л ьше, чем у молекул или положительных ионов .
Ионизация молек~л остаточных газов, т. е. образование свобод
ных электронов и положительных ионов, возможна за счет вз а имо
действия с газами а-, ~ -
или v-излучения с энергией, превышающей
энергию ионизации соответствующих газов (табл. 2.6) .
Таблиц а 2.6
N21Не]Ne
Ar
со
н,
Энергия иониза- \ 14,5 1 24,6 1 21 ,6
ции, эВ
.,
15,8 14,1
12;6 1
.
13,6
Наиболее часто для ионизации остаточных газов используется
электронная бомбардировка. Процесс ионизации остаточных r;азов
41
характеризует эффективность ионизаци·и молекул в, т : е. itucлo пар
ионов, образованных одним электроном на пути в 1 м пра давлении
l Па. В зависимости е ( И) (рис. 2.9) имеется характерный _ макси
му~, соответствующl!_:й энергии электрона 100-150 эВ. Молекулы
с большим атомным числом имеют более высокие значения эффек
т-ивности ионизации.
Под действием разности потенциалов Иэ ионы и электроны до
полнителы-rо к . теп.1овой энергuи ЗkТ/2 получают энергию qИэ,
где q - элементарный заряд.
t, н-1•па-,
Температура среды, . сообщаю-
СzНz
щая частицам энергию, равную
'2.4- 1---,,,,~-+--+-+-- 1----1-
--1
энергии движения заряженных
частиц, под воздействием элек-
три-ческого поля
12 нt:7"'т-f""7-~o.::--r----=t--+--!
Т= 2qU5 -
.
•
Зk"
Можно подсчитать, что
Б ~11;;=1- ~ ~ ~~=f~pe-f+-З-t§~i~§j~
1
электроны, ускоренные разно -
!00 200 JOO 4-00 500 бОО U,зв
стыо потенциалов 1 В,_ имеют
Рис. 2.9. Зависимость эффективности
ионизации молекул различных газов
•
от ускоряющего потенциала
такую же энергию, - как при
температуре 7800 К без элек
трического поля . .
Электропроводность газо-
JJОГО промежутка при самосто
ятельном разряде (без дополнительных ионизирующих излучений)
зависит от давления. Газ всегда содержит свободные электроны,
появляющиеся, например, при взаимодействии с космическим из
лучением. При низком вакууме в связи с малой длиной свободно го
пути эти электроны под воздействием · электрического поля не ус
певают приобрести энергию; необходимую для ионизации N,юлекул •
rаза. Электропроводность газа в таких условиях мала. •
При высоком вакууме в связи с малым ,количеством заря
женных частиц электропроводность газового промежутка еще
меныше .
_
В области среднего вакуума наблюдаются наибольшие значения
электропроводности газа. В этих условиях свободн ы е электроны
осуществляют ионизацию молекул остаточных газов, . а образую
щиеся при этом вторичные электроны поддерживают самостоятель -.
ный разряд.
•
•
Электросопротивление газового промежутка может характери
зоваться пробивным напряжением Uпр, которое зависит от природы
газа, расстояния между электродами и дав{lения. Пашеном был
открыт закон, -по которому пробивное напряжение зависит от про- .
изведения давления газа на расстояние между электрода.ми, а не
от каждого из этих параметрьв в отдельности. Зависимость про
бивного напряжения от произведения pd, где d - расстояние ме.ж
ду электродами, показано на рис. 2.10 и имеет характерный ми!{и
мум в обла·сти среднего вакуума.
42
Прохождение электрического тока через разреженныr: газы в
области среднего вакуума сопровождается свечением газа, завися
щим от рода газа и давления. Это явление используется для каче
ственного определения давления
и состава газа. При давJrениях Ипр, в
поряд'Ка 103 Па разряд появ;11Яет
ся между электродами в виде
тонкого шнура, · который при дав
лениях около 10 2 Па заполняет
всю разрядную трубку. При этом
в разряде от катода к аноду мож
но выделить несколько характер
ных областей;.. . катодное темное
пространство • (Астона); светя-
щийся слой, создающий катодное
свечение; темное пространство
·(Крукса); зона отрицательного
свечения; темная зона (Фара
дея); положит·ельный столб;
анодное темное пространство.
/0 1 pd,ПcN-1
-..
Рис. 2.10 . Зависимость пробивного·
напряжения от произведения . дав
ления газа на расстояние между
•
электродами '-
Положительный столб имеет наиболее интенсивное свечение, по
цвету которого можно су.цить о роде газа, заполняюще1· 0 разряд.
ный прqмежуток: воздух светится розовым цветом, кислород - жел~
тым, азот - оранжевым, гелий
-
розовым, пары воды - голубым,
аргон - фиолетовым, неон
-
красным.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
i. Почему к9эффициенты динамической вязкости .и теплопроводности ·газов
при низком вакууме не зависят от давления? .
2. · Какие наиболее эффективные способы передачи тепла в областях низкого
и высокого вакуума?
•
3. Как зависит коэффициент диффузии газов от давления в обла.с_тях низкого
и высокого вакуума? .
4. Как при различных степенях вакуума изменяется равновесное давление по
длине_ вакуумной системы, имеющей участки ·с различной температурой?
5. Нужно ли вводить поправку в показания манометрического преобразовате
ля, отделенного от откачиваемого объекта охлаждаемой ловушкой?
6. В чем состоит физический смысл понятия проводимости элемента ваку
умной системы, какова зависимость проводимости от давления при различных ре-
жимах течения газа?
·
7. Чем определяется критическое отношение давлений при течении газа через
отверстие в вязкостном режиме?
•
•
8. Какие вы знаете способы ионизации газов?
.
9. Почему минимум пробивного . напряжения в вакууме нахощ1тся в области
среднего вакуума?
•
•
10. При каких степенях вакуума наблюдается свечение газа при электрическом
разряде?
·
-
Глава З
СОРБЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
§ 3.1 . Сорбционные силы и процессы
Сорбц ия_:_ это процесс поглощения газов ил и п аров твердыми
или жидким и телами. По мере сни ж ени я рабочего давления роль
сорбционных процес сов в вакуумной те х нике все более возрастает .
Успешно е развитие сложны х сверхвысокова куумных откачных уст-
~~ойств и повышени·е точности вакуумных измер ений в настоящее
время невозмо ж ны без и з учения сорбц и онных проце ссов, происхо
дящих на границе г а з - твердое тело.
П р ирод а сорбционных сил такая же , как и сил межмолекуляр
ного взаимодействия. Различают физич е ское и химическое взаимо
дейс твие . Фи з ическое взаимодействие определяется сл ед ующими
эффектами:
•
1. Притяжение между молекулой с постоянным диполем и мо
лекулой . с ин ду цируемым диполем (индукционный эффект);
2. Притяженi,rе между м_олек}7лами с постоянными. диполями
( ориентационный эффект);
.
3 . Прит яж ением между молекулами с флюктуирующим и инду
цированным диполем (дисперсионный эффект) ;
4. Отталкивание между я драми сближающихся молекул .
П ри химиче с ком взаимодействии различают следующие виды
с вя зе й, обеспе ч и в ающие притяжение молекул: ковалентную, метал-
лическую, ионную.
',
С учетом всех в идов эф ф ектов и свя зей энергия в з аимодействия
м ежду двумя молекулами может б ьпь записана в виде
,
•
с
в
И =--+-- Их ,
(3.1) .__ _ _
rб
rI2
•
где r - расстояние между взаимодействующими молекулами; С
константа, характеризующая физическ и е эффекты взаимодействия;
В - к онстанта; определяющая отталкивание молекул; Их - энер-
гия притяжения, характеризую щ ая химические связи .
•
Константу С для двух одинаковых молекул можно подсчитать
по следующей формуле:
(3.2)
Здесь μо - диполыный момент молекулы; а0 - поляризуемос т ь;
J - потенциал ионизации.
Порядок сл.агаемых соответствует последо ва тельно индукц и он
ному, ориентационному. и дисперсио нн ому эффект ам притяж е ния
(табл. 3.1).
•
·' Для ·полярных молекул НО2 и NH3 существенную часть всей
энергии взаимодействия - со ставляет ориен т ационный эффект, непо-
44
,л ярные м олекулы взаимодей ст в уют толь ко за счет дисп~рсионно го
эфф ек т а , индукционный эффект мал для всех моле кул.
Таблица 3.1
Индукционные, ориентационные и дисперсионные энергии взаимодействия
двух одинак~вых молекул
2iJ.'a-101•
1-' '
,3/4J о.2-1019
Об щая
2;3 1'Т 01019
э не ргия
газ
взаимод. х
1
1
1
X1019t
дж•м·•
/
Дж•м'
Дж•м 6
%
Дж0м6
%
%
-
Н2О
247
10
4
190
77
47,0
19,0
со
67,6 57 -10-3 8 ,5-10-2 34-10-4 . 5- 10- 3 67,5
99,9
NНз
187
10
5 ,35
84
45
93,0
49 ,6
HJ
384
1,68
0,44 35- lОЧ 9. 10-2 382
99,5
N2.
57,2
-
-
-
-
57,2
100·
'02
39,8
-
-
-
.
-
1
39, 8
100
Н2
11 }4
-
-
-
-
11, 4
100
Не
1,49
-
-
-
-
1,49 100
Ne
7,97
-
-
-
-
7,97 100
.Ar
69, 5
-
-
-
;-
69 ,5
100
Поглощение газов на поверхности тве рдых тел за счет процес
,сов физического взаимодействия называется физи ч ес1юй адсорб
'Ци ей . Хемоч>рбция - это пов ерхностное поглощение газов за счет
.х имического вза имодействия . А бсорб ция - это поглощение газов в
о бъем е твердых или жидких тел.
Вещество, поглощающее газ, называется сорбе нто м ( адсо рбе н
-то м, абсорбентом). П ог лощаемое вещество - со р бат ( адсорба т,
2б сорбат).
Для нахожд е ния энергии связи п·ри •поглощении молекулы по
верхностью адсорбента необходимо просуммировать энергии взаи
модействия молекул ы с ато мами адсорбе нта. Если расстояние меж
ду молекулой г~за и погло щающей поверхностью велико по срав
нению с рассто я н ием м ежду атомами адсорбента, то можно ·
п рим е н ить инте грирова ни е по объему . Тогда энергия взаимодейст
в и я молекулы с п оверхность ю твердого тела может быт ь з аписана
,в· виде
'fa = SИnadV ,
V
(3.3)
тде па---; кон цент ра ция атомов адсорбента; V - объем адсорбента .
2
Считая, что адсорбент имеет вид полусферы, т. е. . V = 3 nrЗ,
тюсл е подстановки (3.1) в (3.3) и интегрирова ния по r в пределах
•ОТ Го ДО 00 ПОЛУЧИМ
+
2-сп,В
9г~ -2 Jt ~ Иxr2dr,
Го
(3.4)
45
2пп С •2пп_В
"
где - ~+-+ =--=. 9Ф
-
энергия физического взаимодеиствия ;
ЗrO
9r0
- 2,i; JИxr2dr=<p~ -энергия хемосорбции; r0 -расстояние от услов -·
~
-
ного положения рав1новесия молекулы до поверхно,сти адсорбента .
Адсорбция -- процесс экзотермuttеский, т. е. идет с выделение м:
теплоты. [Jри поглощ ен ии одной молекулы газа выделяется тепло
~ kT/2
Рис. 3.1 . Пот~нциальная энергия
взаимцдействия многоатомных мо
лекул с поверхностью твердого
та адсорбции, рассчитыв ае ма я:
по уравнению , (3.4). При физиче
ской адсорбции теплота · адсорб
ции обычно не превыш"'ег
80 кДж/моль, а при хемосорб -
ции - лежит в пределах от 80 до,
400 кДж/моль. Jij:з (ЗА) следует .
что_ составляющая притяжения в,
энергии физического взаимодей
ствия убывает пропорциональна
третьей степени, а сила притяже
ния молекулы с поверхностью
F = ;; для r>r0 обр _атно пропор
циональна четвертой степени рас
стояния между молекулой и по-
верхностью адсорбента,
•
Рассмотрим процесс поглоще-
1 - для физической адсорбции; 2 - для
хемосорбции
ния многоатомных молекул газа ,.
тела:
являющихся основными компо
нентами воздушной смеси, _ поверхность19 адсорбента (рис. 3.1), По,
мере приближения к поверхности молекула газа за счет физичес
кого взаимодействия попадает в первую потенциальную яму, на
ходящуюся на расстоянии rоФ от - повер:хности адсорбента. Затем ·
молеку,;1ы : обладавшие до взаимодействия с поверхностью энергией;
не менее (j)аит на расстоя+IИli rд от поверх~:юсти, диссоциируют н а
атомы; нступа_ющие в хими·ческую связь с атомами адсорбента . Да-·
u
м:
лее они попадают во вторую потенциальную яму с . энергие и crx •.
находящуюся на расстоянии r 0x от поверхности адсорбента. Энер
гия активации (!)ант при диссоциации в -адсорбированном состоя
нии несколько меньше, чем (j)д - энергия диссоциации своб одн ы х
- моле ку.п
в связи с участием адсорбционных си.'! в разрыве связи ·
между атомами . . Если наиболее вероятная энергия молекул в ад-
kТ<·м
б
сорбированном состоянии -
<рф, то они удут колебаться внут- -
'
2
-
ри . потенциалi:iной ямь1 между радиусами Гф1 • и Гф2 , Для пер еход а ,
мол~·кул и з первой потенциальной ямы во вторую необходимо на
греть поверхность до темиературы, при которой выпошr я ется нера-
kТ '-
м_J
-
Е
-
kT ..__,,
"+,
nенство -- ,::::;- <f'Ф-т9акт· ели выполнить неравенство
-- .;::::, 9х Сfакт•·
2
.
2
_
то молекулы1 начнут десор6ировать·ся из второй потенциальной .
ямы.
46
◄
Следующим этапом процесса поглощения является абсорб·ция,
\Которая характерI:Iзуется перехадом хемосорбированных молекул
•.газа в кристаллическую решетку твердого тела. Абсорбируются
t~ли растворяются легче всего хемосорбированные атомы, находя
щиеся на минимальном расстоянии от твердого тела.
Таким образом, процесс сорбции протекает в следующем поряд-
1<:е: физическая адсорбц-ия, хемосорбция, абсорбция .
Равновесное состояние процесса абсорбции определяется раст
воримостью газов в твердых телах. Сам процесс растворения газов ·
юсуществляется за счет диффузии-, с котqрой также связаны очень
.важные для вакуумной 'техники процессы газовыделения и газо-
nроницаемости.
.
.
•Конденсацию газа можно рассматри13ать как частный случай
.;адсорбции вещесЦJа на самом себе . .
§ 3.2. Давление насыщенных паров
.
Вещество в зависимости от давления и температуры может на
ходиться в тре~{ агре.rатных состояниях: твердом, жидком и газа-
. :0бразном
(рис. 3.2). В тройной точке {Ь) вещество находится в не
определенном состоянии. При температуре выше критической ве-
щество не может быть переведено из
газообразного в другие состояния пу
'Тем. повышения давления. Газообраз,-
яое состояние вещества при темпера- Рт
, ·туре ниже
критической называется
:паром.
Критические температуры н~кото-
~ых веществ Тир и параметры тройной
'Тоtiки Ть и Рть приведены в табл . .3.2.
Основные составляющие воздуха
·при нормальных условиях являются
rазами . В виде пара присутствуют
..лишь Н 2 O, СО 2 , Хе. При температуре
ш
1
:ш
1
1
1
.Ткр Т
·77 К, которую имеют поверхности ва- Рис. 3:2. Диаграмма агрегатно-
.куумных ловушек, охлаждаемых жид-
го состояния веще_ства:
1СИМ азотом, большинство составляю - / - жидкость; II - твердое тело:
щих воздуха переходят в парообраз1ное
III- пар, IV- газ
-{: О<:_тояние и · лишь · Н2, Не и Ne остают-
·СЯ газами.
Таблиц а 3.2
ПараметрIН,О I Kr•,•СО, 1N,
о,1ArI
Н,•1 Ne
р
t"P• К
647
209
304
126
155
151
33,2 44,4
Ть, К
273
116
217 63,2 54,4 83,8
13,9 . 24,5
•Ть'па
56() 7,1:104 4,5, 105 1,2, 104 146 1,5, 104; 7,2; 10° 4,3,104
с
•47
Металлы практически никогда не переходя т в газообразное
состояние, так как их критические температуры составляют тысячи
градусов. Процессы, происходящие при переходе вещества из одно
го состояния в другое, показаны на рис. 3.2 .
Для вакуумной техники наибольший интерес представляет об
ласть низких давлений, при которой происходят процессы нерехода
из жидкого _состояния в парообразное (испарение) и обратный про
цесс (конденсация), ил~ и~ твердого состояния в щ1рообразное
(сублимация) и обратный процесс (десублимация).
.
Кривая аЬс на рис. 3.2 при давлениях меньше 100 Па . может
быть описана эмпирическим уравнен~ем:
lg Pт=M-(NJT),
(3.5) •
где Рт - давление насыщенного пара вещества при темпе р атуре Т ~
М и N - конст?нты, _зависящие от рода вещества (табл. 3.3).
Таблица 3.3
Скорости испарения и константы эмпириtJеского уравнения (3.5)
Cu
А!
Zn
Ni
Fe
Cr
При
Пр11
При
При
При
При
1545К 1480К 615К
1670 К
1740 К
1665 К
Скорость
испарения,
1,2-10 -3 7,9-10-4 1,9· 10-3 1,1 · I0-3
1,1-10-3
10- з
кг./(м2 •с)
м
11,08
10,91
10,00
11,87
11,56
12,05
N-10-з
16,98
15,94
14,87
20,96
19,97
20,00
h р и м е ч а н . и е. Указанные в таблице температуры соответствуют давлению насыщен
ных паров 1,33 Па.
В замкнутом объекте с постоянной температурой со временем .
всегда устанавливается давление насыщенных паров вещества, ИЗ:
которого изготовлен объект. Так, ·при температуре 1000 К в объек- •
те из меди установится давление насыщенных паров 1,3-10-6 Па.
в объекте из железа при той же температуре- 4 · 10-9 Па. Особен
но велики давления насыщенных паров различных органичес1ш х
и полимерных материалов, часто применяемых в вакуумных систе
мах в качестве упло тнителей (табл. 3.4).
Таблиц а 3.4
Трансфер-
Замазка
1
1
1
::
матерное
Рамзая
Пицеин
ВМ -4
ВМ-1
м:· асло · при
~!
Т=307 К '
при Т=293 К
,
Давление насы-
щ енных паров, . Па
10-1
10-3
10-6
5, 10-3
5, J0-6
48
В некоторых вакуумю,rх технологич ес1щх проце ссах, связанных
с нанесением покрытий, наоборот, стремяться к повышению давле
ния насыщенных паров распыляемьrх материалов.
•
Давление насыщенных паров сплавов приближенно определяет
ся законом Рауля: давление пара растворителя . в растворе ниже
давления пара чистого растворителя на величину, пропорциональ-
ную концентрации растворенного р,. Па г--..,.,.--т--,,--,,~--,--,г--т
вещества:
2000 1-~ -t-t --+1-----+----+ --+--1
пв
РА- PAs=---"'- -PA,
пА +пв
где рл - _да'Вление насыщенных па
ров растворителя А; рлs-давление
насыщенных паров вещества А в рас
творе; пл и nв - количество молей
веществ А и В •в растворе.
.!ООО1---+---<--#-+-+-+---#-+-----1
50D~-v--___.___,-----1.,,,__--+_,,,_-,a,1
Уравнение (3.6) можно переп,и
сать в виде
Рис. 3.3 . Давление насыщенных. па
ров цинка в сплаве с медью
РАs~=nА/(пА+пв)=хА. (3.7)
РА
'-. .
хл ...: _ молярная доля вещества А в растворе, которая ;может быть
пересчитана в весовые проценты по ФС?рмуле
..
IOOxAMA
qA=--------- '
ХАМА +(1-хА)Мв
(3.8 ),
где Мл и Мв- массы молей веществ ,А и В.
_
,
На рис. 3.3 показана зависимость давления паров цинка в с.пла
ве цинка с медью при различных значениях - молярной д оли мед и
Хеи. Как видно из · рисунка, при постоянной темnературе увеличени е
молярной доли медi1 существенно снижает давление паров цинка в
сплаве.
Закон Рауля лишь качественно описывает зависимость дав~1е
ния цасыщенных паров отдельных компонентов сплавов от их со
става. Более точные данные могут быть получены экспериме н.
тально ,
§ 3.3 . Испарение
Если над поверхн'остью вещества давление его паров меньше, .
чем давление насыщенного пара при данной температуре, то будет
происходит!? процесс испарения вещества. Испарение ·прекращает
ся при равенстве давления паров давлению насыщенного пара. При
этом скорости испарения и конденсации молекул на поверхности
равны, что соответствует условиям динамического равновесия.
Воспользовавшис~:; выражением ( 1.11) для числа молекул, уда
ряющихся о единицу поверхности в единицу времени и уравнением
49
f'азового состояния ( 1.13), представ _им эффективную скорость ис
п а рения вещества как разность скоростей испарения и конденсации:
.
r
•
-
• 0и=(Рт-Р)VМ/(2~RТ)=4,38-IО-3 (Рт-Р)УМ!Т, (3.9) '
::rде р - давление паров вещества, Па; Рт - давление насыщенных
ларов вещества, Па.; . М - молекулярная масса, кг/кмоль; R =
= 8,3 кДж/ (кмоль• К); Gи выражено в кг/ (м2 •с).
В табл. 3.2 приведены скорости испарения некоторых вtществ
n ри условии, что Рт';:р р. Теплота испарения молекулы вещества, оп
о)
Р)
ред~ленная по константе N из
(3.5), равна 2,3RN.
'
Испарение из точечного ис
точника О соответствует изо
тропному распределению, для
которого . вероятность вылета
молекул внутри телесного угла
dw (ри~. 3.4, а) , определяется •
как
dP • dш/(4:л). (3.10)
Рис. 3.4 . Схема процесса испарения моле:
кул из · источ~иков:
Пр·и нанесении покрытия
а - точечного; 6- плоского
на внутреннюю сферическую
.
поверхность
dw:=;2:л sin -ydy,
тогда dP=sinyd-y/2. Полная вероятность вылета молекул внутри
"
-
~еферы Р=- Ssi,n ydy/2 = ,-1. _
о
Испарение из .плоского ,источника ~подчиняется закону косинуса,
rпо которому вероятность вылета молекул пропорционалыю косину
су угла между нормалью к пi5верхности · и напрriвле_нием _вылета
(рис. 3.4, 6). Вероятность вылета молекул внутри телесного угла
dw в этом случае
•
(3.11)
1t/2
rде А - множитель, определяемый из условия нормировки JdP=
'
о
= 1. Учитывая, что мя внутренней сферической поверхности dw=
= 2:л sin -yd-y, после п·одстановки ·,(3.11) в условие -нормировки най
дем А= 2. Таким образ·ом, (3.11) мож!_Iо переписать в окончатель
ном виде
р.2
dш
d = cosy-
.
•
2л: '
(3.12)
Итак, вероятность вылета молекул из плоского источника равна
удвоенному произведению отtюсuтельного телесного угла на коси
нус угла между нормалью к поверхности и направлением вылета.
.50 •
Интегрируя (3.12) в пределах от О до у, при dCu = 2:п: sin ydy най
дем долю молекул, вылетающих внутри угла у:
1
~ ·Jsin 2yd·V - -:- sin.2 v.
(3.13 )
Из (3.13) тсtюке следует выражение для определения угла у,
соответствующего заданной доле молекулярного потока s:
v=arcsin"J!T
(3.14}
Эта формула широко применяется при математическом модели
ровании испарения молекул с поверхности для изучения молекуляр--
ных потоков.
•
§ 3.4. Конденсация
Конденсация происходит при давлениях паров веще<ства, μ6ль
ших давления насыщенного пара, ·когда на единице поверхности в,
единицу времени . конденсируется большее число молекул, чем ис
паряется. Скорость конденсации из газовой - фазьr"можно записать.
в виде, аналогичном (3.9), при
.,,.
р>рт.
•
Рассмотрим особенности -
процесса конденсации моле
кул, испаряемых из · бес~онеч
l!.О малых источников на плос
кую подложку_ в высоком ва
кууме. Скорость конденсациц_
при этом dG"= GиdP.
.
.
•а)
Если · молекула испаряется
из точечного -источника, то dP
определяется согласно (3.10), а
dCu=dsco'sy/r2, где r - _ рас
стояние от источника до пло
щадки cfs на подложке (рис.
3.5, а). Выражение для скоро
сти конде1нсации при этом .
Рис. 3.5 . Схемы процесса конденсацiш
.
молекул на плоскую поверхность и~
источников:
-
а - точечного; б - плосКого
dОкг = Ои cos ·vds/(4лr 2) • .
(3.15)
Поток молекул, · попадающих на площадку ds, распо.тюжею-Jую
Н? кратчайшем расстоянии l от источника:
dOкz = Oиdsj(4:n:/ 2).
(3.16)
1
.
•
Тогда отношение толщин пленок конденсата, нанесенных за оди
наковый промежуток 13ремени на разные участки поверхности :
.l!:.!_ = dOkl =
r2
-h,
dOkr , /2cosу
(3.17)
Из (3.17) следует, что при р =,/ ТОЛIЦИНЫ слоев конденсата в
центре и на краю подложк~ будут отличаться в_ 2,8 раза. В процес-
&l
(:ах вакуумного испарения обычно необходима равномерность тол
шины пок р ьп: ия . Д ля допускаемой нер ав но м ерности толщины по•
крытия, равной 10%, миним альное расстояние между источником и
подложкой должно -быть 2,6 р, а 1при неравномерности 5% ·необхо-
димо, чтобы l= 3,6р.
,
При конденсации молекул, вылетающих из бесконечно малого
плос ко го источ н ика О (р ис. 3.5, 6), в е роятность вылета определя
ется из (3.12). Тогда, аналогично (3.15) и (3} 6) , гiолуч!JМ
d 0кi=Oиds/(nl 2); dОк, = Ои cos2 ydsj(nr2) .
Отношение толщин конденсата при нанесении из плоского ис-
точника .
(3 .18)
П р и p=l толщины пленки в центре ·и на краю подложки· будут
()Тл ичаться в 4 раза. При получении . пленки с неравномерностью
толщины 10% необходимо располагать подложку на расстоянии
J= 4, 5 р or источника, а для сни ж ения неравномерности до 5 % это
рас стояние должно быть увеличено до 6,3 р. ПщJСкий источник да
-ет большую, чем точечный, скорость нанес,:шия покрытия (в 4 раза
nри у =О ), но неравномерность покрытия при этом возрастает.
§ 3.5: Хемосорбция
Хе м осор б ция и г р ает большую роль в пов~рхностн ых процессах.
Ее необходимо учитывать при обезгаживании вакуумных систем,
процессах напыления и при обработке электровакуумных прибо-
ров.
.
От физической а дсорбции хем осорбцию отличают большие энер
гии взаимодействия . Теплота адсорбции Qa, обычно
более
80 кД жiмоль , такая же, как при протекании химически х реакций.
Хемосорбция свойственна таким системам, как: кислород-серебро; ·
.окись углерода-ник е ль; водород-медь; водород-железо; водо-
р од-никель .
•
.
При хемосорбции о б ычно наблюдается мономолек улярная ад
сор бц ия, так как теплоты адсорбции значительно больше теплот
кqнденсации. _ В таких условиях справедливы следующие допущения:
•1. Теплота адсорбции постоянна и не зависит от количества по
rлощенного газа;
2. Из всех молекул, ударяющихся о поверхность твердого тела,
адсорбируются с вероятностью f, не зависящей от количества по
глощенного газа, только ,те молекулы, которые попадают на сво
бодную поверхность.
Тогда условие адсорбционного равновесия примет вид
:: = i-t(l-0)-M) = O,
(3.19)
где е = а/ат - степень покрытия поверхности молекулами газа;
&= ат . а,п ехр ( - Qa )- ~корость испаренця;
't'a :_ время ад-
11а
1io
RT
52
сорбции; ат - количество молекул, обр азующих мqнослой н а еди
шще поверхности; а - количество молекул, адсорбированных на
единице поверхности; [!, =
f N q= f P!V 2nmkT - скорость конден
сации; Nq - число молекул, ударяющихся в единицу времени о еди-
ющу поверхности, из (1.11) .
-
Решая (3.19), получим
a=ambp!(l+ bp),
(3 .20)
где
Ь= /1!0 ехр [Qa!(RT)]
а,п y 2n:mk T
--.П ри постоя нной температуре (3 .20) представляет сооой урав
н ение изотер м ы моно м олекулярной
адсорб,ции , из вестное под названием а · /0~ 11 с мз/г
уравнения· Лангмюра.
.
зо
!
11
,_
i
I✓ ........ f(,__
1---..
20
1/
•.......,_
f...L 2
........_
J
~
10
v)
\.. l./
-2 00
- 100
о
100 Т, 0С
Различие м ежду физич е ской ад
сорб цией и х е м осорбцией сл едует -
из анализа изобар адсорбции. На
рис . 3 .6 пре дставлен ы изобары ад
сорбции водорода на никеле. При
п овышении т емпературы от -225
до -175° С количество поглощен
нqго водорода убывает согласно 'за- ·.
коно мерностям физич ес кой адсорб
ции, затем после минимума при
- 175° С на б лю д ается вновь увели-
чение кол и чества поглощенного га- Рис. 3.6 . Изобары адсорб_ции водv·
рода на никелево м порошке :
з а , с вязанное с х емосорбцией .
В отличие от физической адсорб
ц ии , кото ра я всегда обратима отно-
1-2,7 -104 Па; 2-3,3·103 Па
...
.:ителыrо да вления в rа з ов9й фазе, хемосорбция, к ак п р авило, про
цесс необратимый и для выделения поглощенного !(оличест-ва газа
требуется н а грев до более высоких темпера-rур. Это приводит к не
() бходиыо ст и прогрева вакуумньiх ка м ер для удаления со стенок
х емосорбироnанны х, газов .
.Особенно
трудно удаляется хемосорбированный кислород, приводящий к су
щественному изменению свойств поверхности . Например, кислород, сорбирован
н ый на вольфраме, снижает эмиссию электронов в сотни раз. Для удаления хе
.м осорбированного кислорода необходимо нагреть вольфрам до 1700° С.
§ 3.6. Физическая адсорбция
1.
Физическая адсорбция экспериментально изучается по кривым
а дсорбции, устанавливающим зависимость между тремя основны
ми величинами : количеством поглощенного газа (а), равновесным
давлени ~м (р) и температурой (Т) . Различают три основных типа
кривых адсорбции: изотерма a = F(p) при T = const; изобара а=
= F(T) при p=const; изостера p = F(T) при a = const. Чаще всего
п ри изучении физической адсорбции пользуются изотермами, кото
р ые легко получить экспериментальным путем.
53
В наиболее общей форме уравнение изотермы физической ад
сорбции можно получить дл я случая многослойной, поли м о л еку
лярной адсорбции. Условия адсорбционного равновесия имеет вид
где i - номер адсорбционного слоя. Следовательно, скорость кон
денсации μ; в предыдущем адсорбционном слое принимается рав
ной скорQСти испарения 1};+1 в последующем слое.
•
Сделаем следующие допущения.:
1. Теплота адсорбции в первом слое постоя'нна и не за.висит от
• количества поглощенного газа.
2. Теплота а·дсорбции во втором и всех последующих слоях рав
на теплоте конденсации.
3. Значения вероятности конденсации на свободнqй поверхно
.сти f и минимальное время адсорбции -ro одинакевы для всех ад
сорбционных слоев.
Условие (3.21) с учетом значенийμ и '1'J, из (3.19) можно перепи
сать в виде' системы уравнений:
a 1ps0= b1s1e-Q,/CRТJ;
a2JJS1 }2s2e-Q •/CRT>;
(3.22) .
Здесь р - давление газа; Q; - теплота адс о рбции В\ i-слое; а; и Ь;
-
постоянные коэффициенты; so, s i , ... , s; - величины 'свободных по
верхностей адсор(iента в соответствующем слое.
Согласно сделанным допущениям Q1=Qa; Qi = Qз = ... = Q; = E .
где В - теплота конденсации; b1/a 1=b2/a2= ... = b;/a; = g, где g=
=const. Поэтому система (3.22)_ может быть переписана:
S1 = YS0; y = LeQsf(RT>;
g
.
S2=XS1; Х = _Е_ eE/(RT);
g
S3=XS2= X2s1;
.........
......
C=J!_ = e(Qa-E)/ (RТ).
х
i=oo
(3.23}
I1олная поверхно_сть адсо3 бента А=~ s,-,
, а количество ад -
•
i=O
i=oo
сорбированного вещества О=ат}: is,. . .
i=O
54
·-
Удельное количество поглощенного газа определяется как
о
а=-=а
А
т
/Если учесть, что
i=oo
i= 00
~s;
i=O
~s;=s0 (
1
1+c ~ x 1)....: _s 0 (1+~);
~_
,
~
,
-
,
.
l-x
i=O
-
i=l
i=oo
i=oo
i=oo
~'S С ~ix1=CSХ!!,_ ,~Х1=
xcso
,
~ti=So~
о dx ,.1.J
(1- x)Z
l=O
i=l
•
i=l
то после преобраз6вюшй (3.24) можно привес_ти к виду
а
сх
(1 _:_ х) (1-х . +сх)
(3.24)
.
(3.25)
При давлении р, равном давлению ,насыщенных · паров Рт, на
свободной поверхности может образоваться ·бесконечно 1большое чи
Е
Рт-
ело слоев. При этом -eRT = 1, тогда х=р/рт. Подставляя полу~
.
g•.
•
ченное для i выражение в (3.25), получим уравнение по-~ имолеку~
лярной адсорбции:
•
а
ер/рт
-
.
=-------С..-----
(1- р/рт) [1 +(c-l)P!Pтl
ат
(3.26)
или с учетом (3.24) в линейной форме:
Ар/рт =-1 -+(c-l)p
O(1-РIРт) атс атСРт
(3.27)
.
где G - общее количество адсорбированного ·газа; С=ехр( QaR-; е ) •
•
Обрабатывая экспериментальные данные в координатах Р/Рт и
Ар/р
.
-
.
т ,можно определить две константы А и Qa .
О(1- Р/Рт)
.
-
.
Урав•нение (3.26) называют уравнением БЭТ (Брунауэра, Эмме-
та и Т~йлора). Оно ' описывает все три основных типа и зотер м ад
с орбции. Изотерма (рис. 3.7, а) характерна дл я м о н о м олеку-~ярной
адсорб ц и и . Максимальное количество поглощенного- Гil Ja a=ain
соответствует образованию, мон о мол е кулярного слоя . Это т тип
изотерм адсорбции наблюдается, когда тепл о т а адс орб ции г аза Qa
-на· выбранном адс о рбенте зн а читель но больше теп л от ы конд ~ н са ции
г аза Е. Значени я теплоты конденсации и адсор бции нек оторы х га- r
зов на углероде даны в табл. 3.5 .
55
Таблица 3.5.
1н,о/ ~:~:~1 н, 1со IАг Iсн,/ N, 1о, 1Нез IНе, 1Ne 1~~~- 1 со,
\
Е,
10,8 27 0,2 ! ,50 1,56 2,2 1,33 1,63 0,024 0,002 0,44 1,36 6,05 •
ккал/моль
6,7-
Qa,
22 22,9 2,2 3,0 3,5 4,3 2,7- 3,0-
-
0,5. 1,0 2,8-
ккал/моль
4,6 4,8
4,7 7,9
Изотерму (рис. 3.7, 6) называют S-образной. Она набJiюдается ~
rюгда Qa=E 11 соответствует полимолекулярной адсорбции.
а
а
а)
РтР
Рис. 3.7. Типы изотерм адсорбции:
а - мономолекулярная; 6-S - образная, в
-
островкова~
ДJiя изотерм третьего пща (рис. 3.7, в) вьшош~яется услови е
Е» Qa, т. е . конденсация более вероятна, чем адсьрбция. При это м
поглощение газа наблюдается на образовавшихся центрах адсорб
ции в виде островков , растущих по нормали к поверхности.
На рис. 3.8 приведена изотерма адсорбции паров масел при
комнатной темпера1уре, рассчитанная по формуле (3.26) при Рт=
= 10-5 Па; Е=47 кДж/моль; Qa = 105 · к:Цж/моль. Из приведенно й
изотермы видно, что даже при давлении 1О-14 Па •(_р_ - 10-9 ) н а
.
Рт
стенках вакуумной камеры может образоваться мономолекулярн_ый
слой маела.
Уравнение (3.26) при низких давлеuиях (Р4:..Рт) сильно упроща
ется и может быть переписано в виде уравнения Генри:
а=К тР,
(3.28;
где а-удельное количество поглощенного газа, отнесенное к еди
нице поверхности или объема адсорбента; Кт - коэффициент про
порциональности, зависящий ' от температуры, рода газа, типа ад
сорбента и области давлений. Если количество поглощенного· газа .
измеряется в условных единицах массы, то коэффициент Кт :Явля-
ется безразмерным.
•
В качестве активных адсорбентов в вакуумной технике для от
качки, осушки и поглощения паров рабочих жидкостей масляных
насосов широко применяются материалы с большой площадью
56
внутренней поверхности: • активные угли, цеолиты, силикагели,
алюмогели (табл. 3.6).
.
Акт.ивные угли - пористые углеродные адсорбенты, 1ко-~:.орые по
лучают из торфа, каменного угля, опилок и других видов органи
ческого сырья путем термической обра
ботки без доступа воздуха для удаления
вщц,r и смол с последующей активацией
окислением при температуре около 900°С
в присутствии Н20 или СО2. Так как по- ·
верхность углерода электронейтральна,
то адсорбция на углях в основном опре
деляется дисперсионными силами . взаи
модействия. Активные угли имеют поры
разл и.чньrх размеров. Площадь поверхно
сти активных углей при насыпной плот
ности 0,5 г/см 3 может достигать
2000 м2/г.
Цеолиты - это алюмосиликаты, со
держащие в своем составе Si02, А1203,
8=.о_Um
10 ·12 .,о-9
101
)
//
10·2
-
/0-1? {O·li/- f0-1/ fO -Q р, П,а
Рис . 3.8 . Изотерма адсор
бции паров масла
окисл ы щелочных и щелоч_ноземельных металлов, а также молеку
лы кристаллической воды. После удаления кристаллической воды
термообработкой при 400:_500° С в цеолитах появляется регуляр
ная структура пор размером от 3 до 9 А для различных типов rцео
л итов. ilовср х ность цеолито в полярна к адсорбция во многом за
виси т от орнентационного эффекта взаимодействия. Цеолиты быва
ют природные и синтетические, получаемые кристаллизацией ис
ходных компонентов из раствора при температуре 100° С. Величи
на активной повер х ности цеолитов может достигать 1000 м 2 /г, при
насыпной плотности 0,7 гjс~ 3 . На рйс. 3.9 приведены изотермы ад
сорб ции н~коtорых газов на цеолите СаЕ-Т. Равновесное давле
ние газ а над адсорбентом измерялось через ·2 ч после напуска оче-
ред ной порции газа .
,,
Таблиц а 3.6
Коэффициенты Кт некоторых типов адсорбентов при поглощении воздуха
Адсорбент
Активный уголь СКТ
Цеолит СаА
Цеолит NaX
Силикагель КСМ-6
при77К
8-106
4-106
3-106.
106
при 293 К
5-101.
2-103
2-102
П р и м е ч а н и е. Коэффициенты Кт при 77 К определены в диапазоне давлений·
10' -10-• Па . а п ри 293 К - для давлений 101-10 -1 Па.-
Си.1и~.аrель - аморфная форма гидратированного кремнезема
(SiQ2 • пН 20), получаемого при взаимодействии силикатов щелоч
н ых металлов и минеральных кислот. При высушивании гидрогеля
57
кремниевой кислоты образуется структурная сетка . из сферических
частиц, поверхность пор в которой может достигать 500 м 2/г при
.,,
насыпной плотности 0,7 г/см3 . Размеры пор изменяются от 10 до
70 А в зависимости от режимов обработки .
о,нснJ/r
н;
;;;,;;;
~-~---
1
1--.--+-Н-++>+Ж-_,--,--Н/);-
1!
r.... ...
1
,01
1/
V
V
/J, !!а
Рис. 3.9 . Изотермьr адсорбции различных газов на цеолите
СаЕ~Т при Т=77 К:
1- N,;2- воздух;3'-Ar;·4 - Н,
§ 3.7 . Скорость сорбции
Дифференциальное уравнение сорбции на гладкой поверхности
запищем, следуя допущениям, изложенным в § 3.5, и воспользовав
шись уравнением (3.19):
da_ !!__(l - Е})-ат(Э,
dt ✓2nmkT
1J-
С учетом того, что а= атЕ>, это уравнение мо:,кно преобразовать
к виду
:: +ле-в=о.
-сз.29)
,
Здесь А=_!__+ fp
В= fp
1J
arn ✓2птkТ
ат ✓2nmkT
Решение уравнения (3 .29) при начальных условиях t = O; 0=
= Е>о имеет вид
Его можно переписать следующим образом:
о = -.!!.Е.._ ( 1- e -AI)+ 0ae:-AI'
.
1 +Ьр
где Ь определяется так же, как в выражении (3.20) .
58
(3.30)
(3.31)
Прп t- ~ o o для равновесной степени покрытия 0oo=bpi (1 +Ьр).
Если принять за равновесное состояние а=О,99 аоо, то время до
стижения сорбционного равновесия при начальном _ условии 0о = О:
t =4,6/А=4,6/[. • f...! __ +ехр [~Qa!(RT)]]. (3,32)
Р
.
ат У2nmkT ·
•
't'o
• При адсорбции азота на графите для p = l,33-1O4 Па; Т=293К;
am=9,6-1O 18 м- 2 ; f= 1; То= 10-13 с получим tр=З-1O - 11 с, что гово
рит о том, что при высоких давлениях и'"Jiи температур.ах ад_сорбци
-онное равновесие устанавливается практически мгновенно.
При низких давлениях или температурах адсорбционное равно-
весие устанавливается достаточно медленно . Так, для паров масла
, (М=422 г/моль) при p=l,3-1O-9 Па; J:'=298K; Qa=92 кДж/моль;
am=6,67-1O 17 1/м 2 получ..аем tp=lO4 с, т. е. величину, соизмеримую
с вре мен ем эксперимента.
• Скорость сорбции q найдем, дифференцируя по времени (3.31):
. q=aтnd 0 /dt = (B-00A)ame-At.
-
(3.33)
Есл и В >0оА: то будет наблюдаться адсорбция, для . В< 0 0А -
десорбция.
Максимальная скорость сорбции соответствует t=O:
qmax = (B-E>oA)a,n,
Вводя в (3.33) обозначения,. принятые для В .и А в (3.29), по
лучим
.
-
(2-+ _l_E.._) t
•
(/p(l--00)·
_
0o:m) е ~ Jf210mkT
•
q= ✓2птkТ
w
(3.34)
Уравнение (3.34) справ'едливо для сорбции газов или паров при
00:::::;:; 1, т. е. в условиях малых степен'ей покрыiия.
Если 0а> 1, то скорость сорбции можно найти из исходного
уравнения:
•
fp ._ -3:.!Е:_
q = y2nmkT
'liк
(3.35)
Первое слагаемое в левой части равенства (3.3,5) представляет
собо11 скорость конденсации газа на поверхности, покрытой моно
молеr,улярным слоем. Второе слагаемое - скорость испарения с
поверхности, покрытой монослоем. Время конденсации Tr, определя.
ется тепJ1отой конденсации.
Время, в течение ' которого скоро-сть десорбции снижается пр~
. е: :: : :; : ; 1 до заданного значения, мо:ж1ю получить из (3.33): ,
t _ О,4з· 1 (В-0оА)ат
'д--g
.
,
А
qд
(3.36)
где qд -- заданное.. значение минималмюго газовьщеления.
Уравнение (3.36) можно преобразовать к виду Igqд=A1-B1t,
удобному для обработки экспериментальных данных.
59
§ 3.8. Растворимость газов в твердых телах
Концентрация газов, растворенных в твердом теле , з ависит о т
его темпер а туры, давления и типа кристалличес rшй реш етк и. В ме
таллах, для которых между атомами кристалл ич е ск о й р ешетки ха
рактерна гомqполярная металлическая связь ме жду электропо ло
жительными атомами, зависимость растворимости от д авления и
температуры имеет следующий вид :
где п - число атомов в
s--
250 500, 750 t0С
(3.37)
молекуле газа; Qs - энергия активации
при растворении; s 0 - постоянный ко
эффициент.
Рис. 3.1О. Растворимость водо
рода в металлах при давлении
10 5 Па в зависимости от темпе-
Знак плюс в формуле (3.37) ха
рактерен для .газов, образующих ·с
данным мета. ллом химические сое д и
нения, а знак минус - для газов , об
разующих истинные растворы. Ра с т
воримость газов, образующих 11ст и н
ные растворы, с uовышенпем темпера
туры возрастает (Н2 в Сн, Fe и Ni) , а
образующих химические соед инени я -
уменьшается (Н2 в Ti). Растворимост ь
s, показанная на рисун ке 3.1 О, рас
считывается как отношение числа ато
мов водоро д а к числу атомов металла .
Отм·етим также, что растворимость во"
дорода в Ti значительно больше, чем в
ратуры
других м еталлах .
Зависимость растворимости газов в метал лах от д авл е ния п р ед
ставляет собой степенную функцию с по.казателем степен и 1/п . Это
1 свя з ано с тем, что газы раствор яю тся в металлах в атомарном с о
стоянии и перед растворением происходит д иссещиац и я моле кул
на атомы .
•
1
Например , _ для кислорода n=2, а реакция диссо ц иации и м е ет
вид
По закону действующих масс, константа р ~ внов е сия т акой ре -
2
.
акции Кс= ра/Ро',, Ро и Ро.
-
давления атом а рного и м о -
.11екулярного кислорода.
Очевидно, что
(3.38 )
Растворимость газов в металлах пропорционал ь на давлени ю
диссоциированного газа. Для двухатомных молекул это равносиль
но пропорциональности корню квадратному из давления Г8:За н а д
1:оверхностью металла.
60
В неметаллах, атомь1 кристаллической решетки которых связа
ны мел_(Ду собой иоiшой или ковалентной связью, растворение газов
происходит 'в молекулярном состоянии. Образуются истинные рас
творы, и зависимость растворимости газов от температуры и дав
ления имеет вид
(3 .39}
Значения поетоянных . s0 и Qs, хара _ктеризующих растворимость.
основных газов в металлах и неметаллах, и значения растворимо
сти s приведены в табл. 3.7. •
a-Fe ·
v -Fe
б-Fе
Ni
Абс_орбент
Нержавеющая сталь
(18% Cr, 8% Ni)
Си
Мо
А!
Pt
Ag
Pd
Cu, Ag
.мо·
w
Fe
Си
Таблиц а 3.7
Растворимость газов в твердых тел _ах
с
~.
-~-
Диапазон температур, 1
м•-Па
•
0
Пal/n •КГ
1.
1'
Во д ород
300- 900
900 -1 400
1400- 1540
200_;1400
400 - 600
400 - 1000
420 - 1095
0,17
-
55,7
0,2 0
- 50,6
3,2 5
- 12,9
0,10
-
24,7
0,06,
- 19,7
0,1 ,8
-
76,7
0,03 '
- 58,7
25- 690
400 - 1300
400-900
300-1200
Практически н.е . растворяется
1 Азот
20-400/1
936'--2400
1200- 2400
Кислород
800-1000
600 - 1050
• 0,60,
1
-
145
0,02·
-
49 ,9
0,15
- 9,63
Не растворяется
1,92
/
-161
1,09
- 312:
0,20
0,14
-
17 ,5
-3 3,5
§ 3.9. Диффузия газов в твердых телах
Абсорбционный цроцесс раствьрения газов в твердых телах осу
ществляе т ся за счет диффузии молекул · газа в кристаллическую
решетку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорцио
нален градиенту концентрации. Так как для стационарного газово
го потока через стенку толщиной 2h •градиент концентрации
ds/dx= (s1- s2)/(2h), то
q=_Dds==_
Ds1- s2 ,
dx
2h
(3.40}
6l
тде q - число молекул, проходящих. в единицу времени 1 rерез еди
ницу площади поперечij:огсi сечения в направлении оси х; D - коэф
·ф ициент диффузии; s1 и s2 - концентрация газа на границах стенки.
К.оэффициент D сильно возрастает при повышении температуры:
D=D0e -Qпl<nRТ).
(3.41)
Здесь Qп - энергия активации при диффузии; п - число атомов в
молекуле га з а для металлов, для неметаллов n= 1; D0 · - коэф фи
циент пропорциональности, не зависящий от температуры.
Значения. Do и Qп при диффузии газов в конструкционных ма- -
-тер и ал ах, приведенны е в табл. 3.8, нужно рассматри ва ть · как при-·
б л-и женные в связи с тем, что на них влияют внутренние напряже
ния в материале . В тех слу чаях, когда диффузия лроисходит в ос
.нов но м по границам зерен и дефектам упаковки, необходимо
,дополнительно учитывать характер механической обработки, раз
меры и ориента цию к ристаллов.
Таблиц а 3.8
Коэффици енты, характеризующие диффузию газов в металлах
-
Водород
Кислород
Азот
со
с
1 Cu_1
1
--
Коэффициент~•
a-Fe
'
сталь 1 Nl
Мо i-Fe
1
Nl
Fe
a-Fe
Nl
Ni
~18Н9Т
.
Do-107, м2/с 1,15 ~ 1,1 2,04 11,0 [0,73 • 3,9Х 1,9Х 110_ 130 5.,4
120
Х. 10-5 XI0-2
QD,
14,7 49,4 72,9 153 [ 174 83,8 679 28,5 163 197 272
~Дж/моль
~~;;?:t
Подставляя . в (3.40) D из (3.41) и s из (3.37), получим вьrраже
~ ие для газопроницаемости металлов
•
Р~/п - Pi/n
( QD=fQs)
q=K0 ---- ехр ~
-'-'---'-
.
2h•
nRT
'
.
.
(3.42)
тде Ko =DoSa - ·константа проницаемости .
Если градиент концентрации изменяется во времени, то в еди
н цце объема твердого тела происходит изменение концентр ац ии
вещества, описываемое дифференциальным уравнением нестацио-
1Н арной диффузии:
('3.43)
Рассмотрим пр.оцесс нестационарной диффузии газа, сопровож
дающийся поглощением или выделением газа с поверхности дета
лей, расположенных внутри вак'уумной камеры. Ограничим наше
р ассмотрение случаем, когда массообмен п_роисходит лишь в поверх.:.
ност)-!ом слое, толщина которого значительно меньше общей толщи
ны детали. При эт.ом деталь можно рассматривать как полубеско
в ечно е тело . Длина детали должна быть существенно больше ее
толщины, что позволяет считать задачу одномерной.
~2
Предположи м, 1п'о начальная концентрация •• газа в детали по
стоянна и равна s 0 . Давление газа над пов е рхностью детали также
будем считать постоянны rvr, а равновесную концентрацию газа в де
тали, соответствующую этому давлению, обозначим через S,n. Неза
висимость s 0 , и Sin от времени соотвfтствует граниrчным условиям
первого рода.
.
На практике такая задача часто встречается, когда обезгажива
ние деталей происходит при постоянных температуре и давлении ,
• а коэффицйент диффузии
достаточно мал D<O,I h 2/tmax, где h-
половина толщины детали, а tmax - максимальная длительность.
процесса массообмена.
Начальные и граничные условия . для уравнения (3.43) при этом.
можно записать в следующем .виде:
· t=O; s(x, O)=s0; х=О; s(O, t)=sm;
i=oo; s (х, oo)=s~; х=оо; дs (oo,t) О.
дх
Решени(; (3.43) при указанных граничных условиях можно пред
ставить в виде функции безразмерного времени i: = Dt/h2 :
_
s(:, t)=sт+(s0 -sт)erf(;;;;)•
-
(3.44) .
и
где E;rf (и)= )п ~ е- и• dU - фун·кция ошибок Га_усса.
о,
Результаты расчетов по формуле (3.44) для различных отноше
ний x/h при по глощении газа, когда siп>so, показаны на ри_с. 3.11, а>
а при выделении · газа, когда sa<sin, -
на рис. 3.11, 6 .
Так как удельный газовый поток через единицу пqверхности .
обр~щенную в вакуу11-~,
q -- D.!!3__1
= _ ,so-sт)D_!_,
•
dx х=о
h.
✓:n:11
то удельное количество газа, участвующего в массообмене,
t
а= \qdi= -·2(sп-Sт) hVi:Jn.
~-
'
.
-
...
'
'
При этом средняя концентрация газа в теле
Scp= S0 .:_ 2(s0-sт)Vt/n,
а степень массообмена, т. е . отношение количества газа, ,участвую
щего в массообмене, к полному количеству газа, находящемуся в
твердом теле до начала массообмена,
а=,М_=2(1- Sm )Vi-/n.
s0h
s0
Степень массообмена определяет •абсолютную степень . обезга
ж~енности или газонасыщенности тела и может являться расчетным
63
\
критерием- для выбора типового технологического процесса обра-
• ботки деталей в вакууме.
.
•
Критерием для выбора времени, необходимого для осуществле
ния технологического процесса, связанного с выде~ением или по
глощением газа, может служить эффективность массообмена
&=
а.
2Vi-1:n:,
(s0 - sт)/s0
s
1
5
'
~= 1о·З
Sm
·Sa
D,8
0,8
'7, ii
D,б
0,4
D,L1
0,2
о,2
So
Sm
X/h 0,75 0,50 0,25 о
x/h О, 75 0,5D 0,25 о
а)
о)
Рис. ·з. 11. Распределение концентрац Й и в полубесконеч
ном теле для различных значений безразмерного време
ни ,;:
а - газопоглощение; б ;_ газовыделение
котора я представ!Jяет собой отношение достигнутой степени мас
z:ообм ена к максима льно возможной при данных условиях.
На рис. 3.12 показаIIы графики зависимости удельного безраз
мерного потока 1 и эффективности массообмена 2_от безразмерно-
'1
го времени т.
Пользоваться приведенными
выше формулами можно - для
~-'-'-г--,.---,----т--с:, 1"
•твердых тел
любой формы при
10 -1
,::::::;;0,1, откуда следует приведен-
/Оl!. 1---~c----c -+ -- -:c
- t-7"'-----t -1
ное выше ограничение по величи-
Рис. 3.12 . Зависимость безразмерного
1101тока (1) на границе газ - твердое
'Тело и эффективности массообмена
(2) от безразмерного времени
154
не коэффициента диффузии. При
этом тело еще может считаться
бесконечным . в направлении оси
х. Максимальная эффективность ·
массообмена, которая может бы'f'ь
достигнута при условии ,::::::;; О, 1,
составляет -36%.
В тех случаях, когда требу~т
ся получить б6лыпие степени
массообмена или т>О,1,, необхо-
димо учитывать форму деталей, из которых выделяется или погло
щается газ. Для этого нужно искать решение задачи (3.43) при но
вых граничных условиях. Для деталей типовой формы: шар, плас
тина, цилиндр та:кие реш~ния имеются в специальной литературе.
Рассмотренный случай газовыделения или газопоглощения от
носится к деталям, расположенным внутри вакуумной камеры. Для
стенок вакуумной камеры кроме нестационарного газовыделения .
из объема материала будет наблюдаться газопроницаемость - до
полительный · поток, являющийся следст.вием разности давлений га
за в объемах, разделяемых перегородкой. Рассмотрим проницае
мость газа через стенку вакуумной камеры, имеющей форму неогра
ниченной пластины, при несимметричных граничных условиях.
Будем считать, что концентрация газа в· пластине- и давление со
стороны вакуума so и р0 , а со стороны атмосферы - Sa и Ра- На
чальная концентрация газа в пла~стине равна sa. Для уравнения
(3.43) в этом случае граничные условия запишем в виде
i=O; s (х, O)=s0; х=О; s (О, t)=s0;
.
-
.
х
i=oo; s(x, O)=(sa-Sв) -- +s0 ; X= ,2h; s(2h, t) :=sa.
2h
,
Решение задачи может быть записано в функции безразмерного
-
времени 1::
)
(sa- so)х 12(sa- sa)~
00
(-
l)k . kлх
•
s(x, i = s0+--~-1
---
--
siп - expx
2h
л
k
2h
k-1 •
Х (- л2k2-п).
.
4.
Тогда скорость rазопро!-[ицаемости в момент времени 1::
q=-D дs(O,t)
дх
00
D (sa --so)
2h
2(sa -s0)D~( l)k [ л2k21J]
-
~~---"- -
-
ехр---
.
2h
4
k-1
(3.45)
При больших 1: скорость газопроницаемости принимает постоянное
з начение . .С учетом (3.37) и (3.41)
'
1/n
1/п
-
-DSa-
So-
-
·D s Ра - Ро e-QrJ(nRТ) •
q-
2h-
оо 2h
р~/п _ Р6/п
= Ко· _____ e-Qp/ (nRT)'
2h
где Ko = DoSo; Qp= 'Qп + Qs_ -энергия актив а ции для газопроницае
мост и . Это выраженве совпа дает с зап ис а нным ранее (3.42) .
3 Л. Н. Розанов
65
Fe
Ni
Pd
Си
Pt
А!
Каучук
Кварц
Fe
Каучук
Резина :
7889
Материал
9024
ИРП-1O15
ИРП-1368
ИРП-2O43
Ag
Каучук
Fe
Пирекс
Каучук
Кварц
Газопроницаемость вакуумных материалов
п
Ко,
Па- ~з -м
Паl/ n .м2
Водород
2
14 - 10-•
2
3'0-10 - з
2
1:2. 1O-з
2
2О-10-•
2
1'0.JO -3
2
3'5 . 10-2
1
5'1. 10-5
1
2',2. 10- 10
z
1
1
·!
'J
1
1
Аз от
38-10-4
1:5. ,10-5
3·,О· 10-1
0,9 · 10-3
2,3· 10-4
• 1,0· 10-в
1,3,-10- 5
Кислород
2
1
3,4-.10-3
1,0·10- 5
Окись углерода
2
1,1 • 10-4
Гелий
·· 1 2,3 -10-10
1,5• 10-5
3:2-10-10
Таблиц а 3.9
кдж
Q .1 0-З, --·-
р
кмоль
80,4
11Q
88 ,8
139
15,1
360
28,9
36,0
199
27,2
26,0
51,5
49,9
8,80
42,3
189
31,4
156
2O,l
27,2
22,8
Общее количество газа, проникше г о в вакуумную камеру за
время t:
-
t
0= _ \Dдs(0,t) dt= _
(sa- so)11h 1 (sa-so)h +
.J
дх
2
г3
о
•+4(sa - so)h ~
00
( - l)k ( :n:2k2,;)
- .-- ехр
--~
..
:n:2
k2
4
(3.46)
k=I
66
~
При больших т
или, пе·реходя к обычным обозначениям,
s
Sa
о
О=_ (s3 - s0)Л[t_(2h)2].
.
2h
6D
D,2 О,'+ О,б , 0,8 X/2h
а)
"п
La
о .. ..,:_.. _._. .___. .___ __.
0,67 1,0 1, 5
-~-
Б)
Рис. 3.13 . Газопроницаемость стенки вакуумной камеры:
а - распределение концентрации; 6 - количеств-о газа,· выделив
шееся из стенки
(3.47)
Для количественной оценки процессов проникновения газа че
рез стенку ,вакуумной камеры можно воспользоваться приведенны
мы в табл. 3.9 значениями констант проницаемости Ко и Qp. Рис.
3.13, а, 6 иллюстрирует распределение концентрации sa в зависи
мости от толщины стенки для , р' азных значений т, рассчитанное по
формуле (3.45), и безразмерное - количество газа, выделившееся из
стенки, рассчитанное из (3.46).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем заключается различие между физической адсорбцией и хемосорб
цией?
• 2. В связи с чем потенциальная кривая взаимодеf~ствия молекулы с твердQJМ
телом имеет минимум?
3. Какой из эффектов взаимодействия является основным для полярных мо
лекул?
4. Какова связь между давлением насыщенного пара раствора и концентра
цией рg~створенного в нем вещества?
5. Чем отличаются угловые распределения молекул, испаряющихся из точечно
rо и плоского источника?
6. Какой из источников: п лоский 'или точечный обеспечивает большую равно
мерность толщины покрытия?
7. Почему при хемосорбции происходит поглощение лишь одного мономоле
кулярного слоя?
3*
67
8. Каково _ соотношение между теплотой адсорбции и .теплотой конденсаци и
при полимолекулярной и островковой физических адсорбциях?
.
9. Чем определяется вре ця достижения адсорбционного равновесия на по
верхности твердого тела?
1О. К:ак зависит . растворимость газов в твердых тe Jiax от температ у ры и да в
ления? '
Глава 4
ПОЛ У ЧЕНИЕ ВАКУУМ.!\
§ 4.1 . Общая характеристика вакуумных н а.сосов
Рассмотрим классификацию вакуумных насосов по назначению.
Они подразделяются на высоковакуумные и низковакуумные .
А в зависимости от физических закономерностей, положенных в ос
нову работы насосов, - на механичес,кие, сорбционные и ионные .
Ср·еди механических насосов можно выделить объемные насосы
и молекулярные, основанные на передаче количества . движения
молекулам таза от д~зижущихся поверхностей.
Насосы объемного типа осуществляют откачку за счет периоди
ческого изменения объема рабочей камеры. Этот тип вакуумных
насосов появился раньше других и получил широкое распростране
ние в различных конструктивных ва·риантах: пор rn не в ом, жид
кЬст·но-кольцевом
.и
ротационном.
Среди насосов . с передачей ·коли·чества движения молекулам
газа различают: в од о струйные, эжектор н ы е, д и ф фу з и
онные и молекулярные. Их характеристики можно рассчи
тать на основании закономерностей внутреннего трения ·в газах.
Сорбционные явления в вакууме широко используются для от
качки газов из вакуумных систем. На · принципе хемосорбции ос
нована работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и
конденсация иснользуются для откачки газов к_риосорбционными
насосами: адсорбционными и конденсационными.
На-правленное движение предваритеJiьно заряженных · молекул
газа под действием электрического поля . является основой работы
ионных насосов. Принцип ионной откачки ,совместно с сорбцион .а
ным используется в конструкциях ионно - сорбционных насосов . .
Основными параметрам и любого вакуумного насоса являются :
быстрота действия, пределыюе •давление, наиЛ:~еныиее рабочее дав
ление, наибольиtее рабочее давлени е, наибол ь шее давление запу
ска и н а ибольшее вьтускное давление.
Рассмотрим сх ему простейшей вакуумной системы (ри с . 4.1) ,
состоящую из откачиваемого объекта 1, манометрических п р е0бра
зователей 2 и 3, насоса 4 и соединительного трубопрово д а 5. Тече
ние газа из откачиваемого объекта в насос происходи т за сче т
разности давлений (Р1-Р2), причем Р1 > Р2-
ь ы ,с трот у от.kач· ки насоса Si в произвольном сечении
соединительного трубопровода можно определить как об'Ьем газа,
68
проходящий через это сечение в единицу времени:
S;=dVJdt.
Бы с ·т ротой от к а ч к и объект а или эффективной быстро
той откачки насоса называется объем газа, поступающий в едини
цу времени из откачиваеАюго объекта в трубопровод через сечение
/ при давлении р1:
SэФ=dV 1/dt,
(4.1)
'
Быстрота дейст·вия насоса- этQобъем газа,удаляе
мый насосом в единицу времени через вход
ной патрубок (сечение II) при давлении р2:
Sн=dV 2/dt.
(4.2)
'.
•Отноutение эффективной быстроты
от
качки насоса к быстроте действия называ
щ-ся КОЭффИЦИеНТОМ ИСПОЛЬЗО
Бания насоса:
~!__,~
'
з
Ки= S9Ф/Sн.
(4.3)
Производительностью насо-
п
~
с а называется поток газа, проходящий че
рез его входное сечение. Для стационарно
го потока выполняется условие сплош
ности:
(4.4)
Рис. 4.1 . Схема ваку
умной системы
Установим связь между тремя основны-
ми характеристиками вакуумной системы: быстротой действия на•
соса Sн, эффективной быстротой откачки объекта SзФ и проводи
мостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объек•
том И. Согласно (4.4) и (2.19) можно записать:
Sн=Q/Р2=И(Р1-Р2)/р2;
(4.5)
SэФ = Q/Р1 =И (Р1 - Р2)/Р1,
Если переписать (4.5) в виде
1
Р2 ;--=
Pl
,
(Р1- Р?)И SэФ - (Р1 - Р2)И
то после вычитания перво-го выражения из второго получим
Уравнение (4.6) , называют основным уравнением вакуумной
техники. ·Он_о может быть также переписано в виде
SэФ=SнИ/(Sн+И).
(4.7)
При условии Sн = И из (4.7) полу,чим, что Sзф =0,5Sн. Если
И-+оо, то Sэф-+Sн; при И-+0 следует, что Sзф-+0.
69
Вводя в основ1-10е уравнение коэффициент использования насоса
Ки, со.гласно (4.3) получ·им два полезных соотношения :
. Ки=И / (Sн+И);
И =SнКи/(1-Ки).
(4.8)
(4.9)
Графическая интерпретация уравнения (4.8) приведена на рис. 4.2 .
Максимальное значение коэффициента использования насоса рав-
но единице.
Ku
- --- -,- --- --,- --
1
;
:
1
0,5
1
1
r
-----
-·----т----1
,
1
1
:
1
1
1
1
1
1
1
1
D~ --~1____. 1 _ ___, '
D,1.•
10
Рис. 4.2. Зависимость коэф
фициента использования на
соса от отношения проводи
мости к быстроте действия
насоса
~~тельные . насосы
.,1
1 1 ГJ!ухроторные нococtt
Молек ля lfыe нососы / /
·-
Зжекrпорные насосы
ДuффlfЗIIJHlfh/8 lfOCOCЫ_ 1 « 1 i j 1 ~ 1 "
С _J_[_[]_]_ Щсороционные насосы
Г Испа ительlfые носо[[Шы
Ианно-сорtiционные насосы
,.-
lfolf енООЦf/01{/fЬ/t! lf{JCOCЫ
---..--,--,_ _,,_ _
-
Рис. 4.З. Диапазоны рабочих давлений
вакуумных насосов
Преде:льное давление на·Соса Рпр-это минимальное
давление, которое может обеспечить насос, работая без откачивае
мого об'ёJекта. Быстрота действия на,соса при приближении к пре
дел ь ному да ,влению стремится к нулю. Предельное давление боль
шинства вакуумных н ·асосов определяется газовыделением мате
риалов, из которых изготовлен насос, перетеканием газов через за
зоры и другими явлениями, во'Зникающими в процессе откачки.
Наименьшее рабочее давление вакуумного на
с о с а Рм - это ,иuнимальное давление, при котором насос длитель
нее время сохраняет номинальную быстроту действия. Наимень
шее рабочее давление примерно на порядок выше предельного дав
ления. Использование на,соса для работы при давлениях , между
предельным и наименьшим рабочим экономически не оправдано из
за ухудшения его удельных характеристик.
Наибольшее рабочее да в лен и е в а к у умного на
с о с а Рб - это .максимальное давление, при котором насос дли
тельное время сохраняет номинальную быстроту действия. В ра
бо'!ем диапазоне от наименьшего до . наибольшего рабочего д-а-вле-
. ния
обеспечивается эффективное применение насоса_ для откачки
вакуумных установок. Рабочие диапазоны давлений вакуумных на
сосов в осР,овном определяются их принципом ,цей,ствия и прибли
женно показаны на рис. 4.3 (пунктир соответствует лабораторным
образцам насосов).
70
Давление запуска вакуумного насоса Рз- это
.максu.t1ш1,ьное давление во входном сечении насоса, при котором он
может начать работу. Давление запуска обычно заметно превы
шает наибольшее, рабочее давление. Для не1юторь1х типов насосоg,
например магниторазрядных,. •это различие может достигать
2-3 порядков .
•Наибольшее
выпускное давле·ние Рв- максималь
ное давление в выходном сечении насоса, при котором он, может
осуществлять откачку. Этот параметр не ·
используется для некоторых типов сорб
ционных насосов, поглощающих газ . в
объеме насоса. •
Параметры вакуумных насосов пока-
. заны
на основной характеристике ваку
умного насоса - зависимости быстроты
действия от его в 4 одного давления (рис.
4.4).
.
Эксперимента .льное определение ос ~
новной характеристики вакуумного на
соса может осуществляться двумя мето
дами: , стационарным методом пос,тоянно
го давления и квазистационарным мето
дом постоянного объема.
s
Рис. 4.4. Основная характе
ристика вакуумного насо
са - зависимость быстроты
действия от давления на
входе в насос
Метод постоянного давления · имеет две разновидности, отли
чающиеся способом измерения ~еличины потока газа, подаваемого
в насос. На рис. 4.5, а для из.мерения вел'ичины потока газа, посту
пающего в насо с, используется масляная бюретка 5. Если бюрет
ка работает при атм·осферном давлении, как это показано на ри
сунке, то перепадом давлений внутри и снаружи бюретки при из
менении в ней уровня масла можно пренебречь. Тогда поток газа,
который поступает к испытуемому насосу 1 через натекатепh 3,
.)
с:::,
....,
J
а)
s
2
J К бспомоготель-
ной бакуумнс ,;
с и стеме
Рис. 4.5. Схемы измерения · быстроты действия вакуумных насосов мето
дом постоянного давления:
а - способ .масляной бюретки; б
-
способ двух манометров
71
определяется только объемной скоростью подъема масла в бюрет- -
ке и величиной атмосферного давления:
Q=РатмЛV/t,
где Ратм - атмосферное давление; Л V - объем газа, откачиваемый
из бюретки за время t.
.
Манометр 2 измеряет давление газа р в измерительном колпа
ке, установленном на входе J3 насос. Рекомендуемые размеры кол
пака показаны на рисунке. Быстр'ота действия насоса в месте под•
ключения манометра определяется из у,t.1:овия -с~ациqнарности
потока
Sн=Q/p=pш;дV / (pf).
Кран 4 необходим для опус,кания масла в бюретке и повторения
экспериментов. Регулируя натекателем величину потока газа, по~
ступающего в насос, можно получить у входа в на,сос различные
давления, что даег возможность построить основную характеристи
ку насоса. Для обеспечения необходимого выпускного давления
выхлопной патрубок и.спыгуемого насоса соединяется с форваку
умным насосом.
Измерение потока газа с помощью двух · манометров представ
лено в схеме (рис. 4.5, 6). Поток газа, откачиваемый насосо!11 5,
измеряется по перепаду давления на диафрагме 3 известной про
водимости И. Диафрагма установлена в - измерительном колпаке,
рекомендуемые ' размеры ·ко_торого показаны на рисунке. Давления
Р1 и Р2 измеряются соответственно манометрами 2 и 4. Регулиров
ка давления Р2, а следовательно, и Р1 может осуществляться за
счет вспомогателыюй вакуумной си-стемы и натекателя 1. Быстрота
действия· насоса определится как
Sн=Q/Pr =И (Р2-Р1)/Р1·
С помощью этой схемы также можно получить основн)'_ю харак-
теристику насоса Sн = f (Р1).
.
• Метод постоянного давления используется обычно для насосов
·
с большой быстротой действия. При высоких давлениях у входа· J3
насос применяется схема 4.5, а, а при низю-r,х - схема 4.5, 6; так
как способ двух манометров обеспечивает возможность измерения
меньших по абсолютной величине потоков, - чем способ масляной
бюретки.
Метод постоянного объема является квазистационарным, так
как вакуумная система -в процессе опJJеделения быстроты откачки
-
работает в неустановившемся режиме, т. е. производцтельность на
соса есть фующия времени откачки. Экспериментальная установка
• для осуще с твления этого метода (рис. 4.6) •достаточно проста и со
стоит из вакуумного на,соса 1, непосредственно подключенного к
откачиваемому объекту 3, снабл<енному манометром 2.
Рас.чет быстроты действия насоса производится по кривой от
качки p=f(t) (рис. 4.7, а), которая экспериментально определяет
ся для известной величины геометрического объема V вакуумной
72
камеры, присоединенной к насосу. Для расчета можно воспользо•
ваться у,словием изогерми_чности пр,о_цесса откачки р V = const.
Дифференцируя это условие, получим pdV = -
V dp, откуда
S_dV_
Vdp
н- dt- - --;;it.
Разделяя переменные и интегрируя, будем иметь
Sн=2,ЗV (lgр1- lgp2)/(t2 - t 1).
2
Lgp
V
... .,
'
;
J
,Lgp ,
Lgp2
(4.10)
Рис. 4.6. Схема изме
рения быстроты д~ст
вия методом постоян-
Рис. 4.7 . Графо - аналитическое определение
· быстроты действия насос-а:
ного объема
а - кривая откачки; 6
-
зависимость быстроты дейст
вия насоса от давления
Следователь но,
(4.11)
где ер - угол между касательной к кривой откачки и отрицательным
направлением оси: времени t, показанный на рис. 4.7, а.
Быстроту действия насоса при различных давлениях можно по
лучить как непосредственным расчетом по формуле (4 . 10), так и
графическим дифференцированием . Для графического дифферен
цирования отложи,м полюс Р на рассгоянии ll от начала коорди◄
нат (рис. 4.7, 6) и проведем из него · под угл9м ер луч до пересече
ния с осью Sн. Отрезок Sн, отсекаемый лучом, и будет масштабным
изображением быстроты действия Sн для среднего значения ло-га
рифма давления (lg Р1 + lg р2) /2, а именно,
(4.12)
Ks - масштаб быстроты действия.
Согласно построению Sн=tg срll,- откуда
S=_дlgpН K1дlgpН t К1Н
(4.13}
н .Лt
К Лt = gер-К•
•
lgp
lgp·
-
.
Здесь - Kt и Krg Р - масштабы времени и логарифма давления .
Сравнивая (4.11), (4.12) и (4 . 13), получим в_ыражение для
масштаба быстроты действия
1К-
~ -2 ,3VK1gp
t• Sн- Sн
-
KtH '
73
в котором строится основная характеристика насоса на рис. 4.7, б
в результате графического дифференцирования.
§ 4.2.- Объемная откачка
В процессе объемной откачки выполняются следующие основ
ные операции: 1) всасывание газа за счет расширения рабочей ка
меры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие на
ходящегося в ней газа; 3) удаление сжатого гqза из рабочей каме
ры в атмосферу или насос предварительного разрежения. •
Диаграмма работы насосов объемного действия - зависимость
объема Vк ,и_ давления Рк в камере насоса от времени ·гюказана на
т
п
• рис. 4.8. В течение времени t1•осу
ществляется всасывание газа (об
ласть /), в промежутке от t1 до
t3 - сжатие газа (область II) и
выхлоп (область III) - от t3 до
t4, а затем .цикл повторяется
вновь. Кривые 1 и 3 представля
ют собой соответственно зависи
мости объема и давления в рабо
чей камере от времени. Кривая 2 .
соответствует изменению давле-
Рис. 4.8. Диаграмма работы насо- ния в режиме работы с напуском
сов объемного действия
балластного газа в момент вре
мени t2.
Балластный газ напускается
при откачке паров воды или органических растворителей, давление
насыщенных паро_в которых Рт при рабочей температуре в насосе
находится в промежутке от предельного давления Рпр до макси
мального выпускного давления Ра- Напуск балластного газа сни
жает степевь сжатия и предотвращает конденсацию откачиваемых
паров в об ьеме насоса. -
Геометрическая быстрота объемной откачки равна произведе~
нию объема рабочей камеры · насоса на ча·стоту циклов откачки п:
Sг=Vкп.
Сопротивление входного патрубка уменьшает быстроту откач
ки. Согласно основному уравнению вакуумной техники (4.7) мак
симальная быстрота действия насоса
(4.14)
где И - проводимость входного патрубка насоса.
Реальная быстрота откачки окажется еще меньше _ из-за обрат
ного потока газа в насосе. Обратный поток появляется вследст
вие перетечек газа и наличия вредного пространства в насос·е,
а в высоком вакууме возможна также диффузия царов рабочей
жидкости из насоса - в откачиваемый объект.
74
Производительность откачки при молекулярном режиме тече
ния газа равна разности прямого и обратного потоков :
Q-Qп-Q05,
(4.15)
где Q=Sнp; Qп = SшахР-
При р = рпр производительность откачки Q = O, что позволяет в
этом •случае согла,сно (4.15) записать:
Qo5=Qп=Sm axPпp•
Подставляя это выражение в (4.15), получим
Sн= Sшах(1-Рпр/р) . •
(4.16)
С учетом (4.14) это выражение можно записать в следующем
виде :
SH SгИ 11-~
_
)=к S
Sг+и \
р
лГ'
где Ki.. = U(l -pпp/p)/(Sг+И) -коэффициент подачи.
Реальная быстрота действия оказывается Е\ Ki.. раз меньше , чем
геометрическая быстрота откачки . Для увеличения быстроты от
качки необходимо увеличивать объем ра·бочей камеры Vк и прово
димость входного патрубка И. Частота циклов п имеет оптималь
ное значение, при превышении которого возможен перегрев нас6•са
или незаполнение рабочей камеры откачиваемым газом.
Для определения предельного давления запишем уравнение ма
териi?льного баланса:
где Go - к оличество газа в откачиваемом объекте до начала цикла
откачки; Gв - количество газа, поступающее в откачиваемый объ
ем в процессе откачки; G1 - количество " газа в объекте и насосе
после выполнения одного цикла откачки. Это уравнение можно пе
реписать в виде
(4.17)
где Vp - объем откачиваемого объекта; Vк - объем рабочей каме
ры насоса; Vв - объем вредного пространства; Рвых - давление
выхлопа; а 1 - коэфф1щиент, учитывающий газовыделение на соса
и степень прорыва газа; р 0 - начальное давление в откачиваем ом
объекте; Р1 - конечное давление в откачиваемом объекте. •
Решим уравнение (4 . 11) относительно давления р 1 :
Vp•
V
Vp
Р1=Р.о Vp+ Vк +а1 ;Р Рвых Vp + Vк
Если осуществить еще один цикл откачки, то получим
Vр
V
Vр
(VР)2•
Р2=Р1Vp+Vк+а1 ;Р РвыхVp+Vк Ро Vp+Vк +
+а1 ~: Рвых [ Vp~ Vк +CvPV; vJ2]·
71
По сл е п циклов откачки можно получить сле·дующее выражение:
ll
•
1·
,-,
Vв
1
Рп=Ро [1 + (Vк/Vp)]" +~а! Vp Рв_ых (1+ (Vi;/Vp)]m •
,
т-1
.
(4.18)
Здесь первое с л агаемое при п-нХJ стре м ит с я к нулю, второе
слаг а·е мое мож ет бJ::,пь подсчитано по формуле для су м мы бесконеч-
1
но убывающей геометрической прогрес-
р
Выхлоп
-
Рис. 4.9 . рУ-диаграмма
сии :
Тогда (4.18) можно представить в бо
лее простом виде
Vв
-
P oo =ct1 -V Рвых·
.
к
Из этого выражения видно, . что пре
дельн ое д авление определяется отношением объема вредного про
странства к _ объему рабочей камеры насqса, давлением выхлопа и
коэфф иц и е нтом а1, учитывающи·м степень прорыва газов из каме 0
ры сжатия в камеру всасывания и газовыделение насоса. А так как
газовыделение насоса состоит из газовыделения основных дета
лей, выделения газов, растворенных в рабочей жидкости, упруго
сти па р ов рабочей жидкости, натек:Jний чере з соединения в корпусе
насоса, то предельное давление объемной откачки можно улучшить,
применя я ловушки для предотвращения проникновения паров
рабоче й жидкости насоса в откачиваемый объем или последова
т ельно соединяя две ступени откачки · для уменьшения выхлопного
давления.
Потребляемая вращательным насосом мощность W' расходует
ся на сжатие откачиваемого газа до выхлопного . давления · (полез
ная мощность W'п) и на преодоление сил трения (мощность · потерь
Wтр) : W = Wп+ Wтр - Диагламма работы насоса в координатах р,
V, представленная на рис. 4.9, определяет работу единичного цикла
сжатия . Как известно из термодинамики, в случае политропическо
го процесса работа сжатия
т-1
A'= p1V1- 1
-
. [(А)--;;, -1].
(4 :19) 1
т-1 Pl
Здесь· V 1 - наибольший объем рабочей камеры на;соса;' т - пока
затель tюлитропы; Pi и Ра - давления всасывания и выхлопа.
Работа одного цикла сжатия (заштрихованная' область на ри
сунке ):
(4.20)
где Va - объем рабочей камеры на,соса в момент достижения вы-
76
хлопного давления' . Ра• Так как для политропического
справедливо соотношение Ра v'am= Pi Vim, то__
процесса
PaVa - P1V1=P1V1[( ;: )rn-;;,1---clj.
П одста,вляя выражения (4.19) и (4.21) в (4.20), получим
.
т-1
.А=Р1V 1 __!!!_ [ (..ь_)-,;;- - 1] .
m--1 Р1
Поскольку полезная мощность , потребляемая насосом,
Wп=Aftц=nA,
(4.21)
(4.22)
где tц= 1 /п - время цикла; то, воспользовавшись выраже~:Iием для
А, будем иметь
rn-1
\Vп=nV1p1 т т 1[( ;: )тn - 1].
w
Так к ак Sr == Vin, можно записать
rn-1
Wп=SrP1 ~ [(J2.) -
~ -1] . (4.23)
.
m-l
Pl
Продифференцируем (4.23) по Р1 и при
р ав·няем нулю п олученное выражен·ие:
т-1
1-rn
дWII-s т (тп l -,;;- •1)-0
-
-
-
г-- Ра --Р1 -
-
.
др1
т--1
т
(4.24)
Рис. 4.10 . Зависимость
потребляемой мощности
•
от давлендя
Из анализа (4.23) и (4.24) следует, 'ПО Wп=О при Pi =OИ
р 1 = Р а , а максим ·альная п отребляемая мощн ость наблюдается при '
т
Р1 = Ра/т ;;=i_
График зависимости потребляемой мощности при различных
давлениях показан н а рис. 4.10. Для m =;= 1, 2·; Р а = 105 Па максимум
п отребляемой мощности соответс твует 3,3: 10 4 Па. Для низких дав
лений (менее 103• Па) вся потребляемая мощность является мощ
ностью потерь на трение w·тр , При высоких давлениях ( ~105 Па)
потребляемая мощность снижается, так как откачка требует Н'езна
ч ительного сжатия газа.
О б~~-~шые - вакууi\'[НЫе насосы в з.ависимости от конструктивно
-·-·~-то01р0 рмления делятся на поршневые, жидкостн.о-кольцевые и ро
т ацион.н.ые.
В поршневых в а к у умных на с о с ах откачка осущест
в ляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Ци
л индры могут быть простого и двойного действия с водяным или
в оздушным охлаждением. Скорость движения поршня об1::,1чно не
п ревышает 1 м/с . Обычные поршневые насосы с ,самодействующи-
77
ми клапана-ми имеют предельное давление 4-103 _:_1 -10 4 Па . Насо
сы с золотниковым распределением имеют более низкое предель ,
ное давление: 3-102 Па для одноступенчатых и 10 1 Па для двух
ступенчатых конструкций . Улучшение предельного давления дости
гается перепуском газа из мертвого про ·странства в конце хода
поршня во вторую полость цилиндра, в которой заканчивается
процесс всасывания . Быстрота действия современных поршневых
•
•
насосов составляет 10-4000 л / с. На
сосы обычно начинают работать от
атмосферного давления.
3
Недостатком поршневых · насосов
является: _неравномерность . процесса
, откачки, неполная уравновешенность ,
большие потери на трение {~ 1200
Вт/ (л/с)] и большая удельная масса
5
[10-20кг;(л/с)].
•Жид к о ст но -кольцевые на
с о с ы • или насосы с жидкостным
поршнем (рис. 4.11) имеют в цилинд-
сх~ма
рическом корпусе 1 эксцентрично рас-
Рис. 4.11 .
~ жидкостно-
б
2
кольцевого насоса
положенное ра очее колесо с непо-
движно закрепленными лопатками .
Находящаяся внутри корпуса жид
кость во время вращения под действием центробежных сил прижи
мает_ся к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. 1v\ежду
жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные
ячейки неодинакового размера. В начале их объем унеличивается ,
п газ чере~ всасывающее отверстие 3 в торцевой крышке посtупа
ет в насос. Затем объем ячеек уменьшается, и сжатый газ через
выхлопное отверстие ·5 удаляется из насоса .
В качестве рабочей жидкости для откачки ,смеси воздуха с во
дяным паром используется вода, для откачки хлора - концентри
рованная серная кислота и т. д. По конструкции JI услов и ям ЭI{СС
плуатации эти насосы проще поршневых, так как не имеют кла
панов и распределительных устройств.
Предельное давление таких насосов определяется д а вление м
насыщенных паров рабочей жидко~ти . Водокольце в ые на с осы име
ют. предельное давление 2-3 • 103 Па. Насосы могут р аботать от
атмосферного давления : В компреесорном режиме обесп ечивают
давление до 2 - 105 Па . Быстрота действия лежит в пределах от 25
до 500 л/с.
-----
Недостатком насоса является до вольно большой уд~ЛЬhь-LЙ рас
ход мощности [ ~ 200 Вт/ (л/с)] из-за необходимости перемещения
жидкос;ти, находящейся в насосе. Удельная масса насосов окол о
10 кг/ (л/с) .
•
Рот а ц ионные пластинчатые на с о с ы (рис. 4.12, а, 6)
сод~ржат цилиндрический корпус 7 с впускным 4 и выхлопным 3
патрубками и эксцентрично расположенный ·ротор б, в паз'ах ко
торого установлены пластины 5. Под действием центробежной
78
силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение
объема рабочей камеры насоса. Насосы с малой быстротой дей
ствия ( ~ 1 л/с) изготовляются по схеме рис. 4:.12, а и работают
в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию .соединений н.асо-
3
~
Б
б
5
----
4-
а)
а)
• Рис.' 4.12 . Схемы пластинчато-роторных насосов:
а - пластинчато-роторный насос; б
-
многопластинчатый роторный
насос
'
с а и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения
маслом рабочей камеры служит клапан 2. Начальное прижатие
пла,стин к поверхности статора осуществляется пружиной 1.
Насосы с быстротой откачки до 103 л/с выполняю11ся по схеме ·'·
р ис . 4.12, 6 с большим числом пластин. В этих насосах нет масля
ной ванны, а для уменьшения потерь на трение используются бего
вые кольца 8, которые · приводятся во вращение пластинами. От
верстия в беговых кольцах обеспечивают
прохождение откачиваемого газа. В неко
торых к онструкциях, имеющих пластины
и з антифрикционных материалов, можно
о бойтись· без беговых ·колец.
Предельное давление таких насосов
о пределяется кроме газовыделения ма
т ериалов насоса объемом вредного про
странства и давлением насыщенных па
р ов масла.
Вредное пространствЬ насоса обозна
чено на рис. 4.13 буквой В . В пластинча
то-роторных насосах (см. рис . 4.12 , а)
о бъем вредного пространства частично
в
Рис. 4.13 . Вредное прост•
ранство,
пластинчатого
роторного насоса
з аполняется рабочей жидкостью . В насосах, выполненных по схеме
р ис. 4.12, 6, в корпус е насоса из объема вредного пространства де
лается перепускно й канал в одну из рабочих камер , не соединяю
щихся с откаtiиваемым объектом . · .
При откачке от атмосферного давления без учета давлени я на - •
с. ыщенных паров рабочей жидкости предельные давления насосов
составляют: 1 Па - для схемы рис. 4.12 , а и 2•103 Па - для схемы
р ис. 4.12, 6.
79·
Для уменьшения влияния объема вредного пространства на
предельное давление пла,стинчато-роторных насосов их часто де
лают двух,ступенчатыми. В этом случае предельное давление сни-
жается до 10-з Па.
_
Удельная масса таких насосов от 10 до 30 кг/ (л/с), удельный
расход мощности от 0,1 до 0,3 кВт/ (л/с), •причем меньшие значе
ния имеют ,многопластинчатые роторные насосы.
Рис. 4.14 . Ротационные насосы с катящимся ротором:
а - пластинчато-статорный; б
-
золотниковый
Ротационные цасосы с t<атящимся ротором бывают в основном
двух видов : пластинчато-статорный насос (рис. 4.14, а) и золот.-
никовый- насос (рис. 4.14, -6).
•
Пластинчато-стато'Рныйнасоссоставляютследующие
основные элементы: корпус 1, эксцентричный ротор 2 , выпускной
патрубок 3, пластина 4, пружина 5, входной патрубок 6. Рабочее
пространство насоса образуется между ЭIQсцентрuчно установлен
ным ротором и корпусом насоса. При вращении по часовой стрел
ке за первый оборот ротора газ вс асывает~я из отка чиваемо го
объекта, а за второй оборот производится сжатие и выхлоп газа .
Пластина под воздействием пружины герметично разделяет обла
сти вса,сывания и сжатия - откачиваемого ,газа .
3 о лот fI и ко вый на с о с состоит· из корпуса 1, эксцентричн()
установленного ротора 2, золотника 3, выпускного патрубка 4, об
ратного клапана 5, шарнира 6 и входного патрубка 7. Газ из отка
чиваемого объ_е!(Та через входной патрубок и отверстия в золотни
ке поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при враще
нии ротора по часовой стрелке. В _ это же время объем камеры В
у:меньшается и находящийся в ней газ ,сжимается и · выталкивается
чеμез выхJiопной патрубо_к .
Пластинчато-статорный и золотниковый на,сосы работают в
масляной ванне, так же как и пластинчато-роторный на.сос. Харак-
80
теристи к и этих насосов примерно одинаковы, _ но золотни к овые на
сосы из r:отовляются на боль]lше быстроты откачки- до 100 л/с .
Зависимости их быстроты действия от давления пока з аны н а
рис. 4.15 и могут быть описаны формулой (4.16) при •р азли ,11-rых. _
предельных давлениях . Кривая 1 соо'ГВетствует работе одно ступен
чатого насоса , кривая 2 - двухступенчатого без ловуш ки, а к ривая
3 - двухступенчатого с ловушкой.
Давление запусi<а и выпускное давление насосов обы ч н о рав
ны атмосферному, но при герметичной перекачке газов он и мо гут
s
10" р,Па
Рис. 4.15. Зависимости быстро
ты действия от входного дав-
• .J1ения для ротационных
масля
ных насосов
"J
' 8ых
Рис. 4.16 . Зависимость предель
ного давления от выпускного
/
и р меняться в широких пределах. Зависимос т1;, предельн о г о от вы
пускного давления показана на рис. 4.16. ·наибол ь шее вьшу с~но е
давлен ие Рв=2-10 5 - Па . При выпускных давления х , бо льши х Р в,
нар у шается герметич н ость масляног о уплот н ения в ,зазо рах н асо са
и н а б л юд ается р езкое ухудшение предельного давления. При вы
пускном да влении , м еньшем Рв, предельное давление практически
не ,зависит от выхлопного давления.
В качестве рабочей жидкости на·сосов обычно применяются
вакуумные масла, полученные из обычных ,смазочных материалов
отгонкой самых легких и ,самых тяжелых фракций. Характеристи
юr вакуумных масел, отечественного производства приведены в
табл. П.1. Температура ,вспышки ма,сел должна быть не ниже
20 0° С, что характ е ризу ет о тсутствие в ма сле легкоокисляющихся
фракций .
По лусухое т ре ни е, суще ствую щее в н асосах, сопровождается
р аз о vревом о тдельных соп р и каса ющих ся микронеровностей: в11лоть
до температуры ,п лавле ния металла. В таких условиях наблюдает
ся крекnнг масла с, образовани е м легких углеводородов, ухудша
ю щих предельное д а влеr1ие иасоса .
Характеристики выпускаемых промышле н ностью ротационных
вакуумных насосов разлИ'ч ных тип о в ,приведены в табл , П.2 и на
рис. П.1.
Для работы с большой быстротой: действия при ма;лых степенях
с ж атия уд о б н ьr ротационны е вакуумные н асосы с обкатываемыми
п ро ф иля ми . Профили роторов в этих насосах таковы, что при внеш-
81
нем зацеплении и взаимной обкатке они соприкасаются теореrиче
·ски ·без зазора. Вращение роторов обеспечивается синхронизирую
щей передачей. В некоторых конструкциях маслозаполненных на
,сосов синхронизирующая передача отсутствует и роторы соприка
саются. Наибольшее ра,спространения получили двухроторные кон
струкции, хотя возможны насосы с тремя и ,более роторами.
По способу сжатия газа ротационные вакуумные насосы с об-
катываемыми профилями можно разделить .на насосы с внешним,
частичным внутренним и внутренним
сжатием. В насоса),( с внешним сжати
ем газ сжимается только в процессе
нагнетания. К таким насосам относят
ся двухроторные насосы (насосы Рут-
-
са), имеющими роторьr с леминискат
ными профилями (рис. 4,17). За один
оборот каждый из роторов дважды пе
ребрасывает заштрихованный объем
газа из области высокого вакуума в
Рис. 4.17. Схема двухроторного
насоса с леминискатными про
филями (насос Рутса)
область предварительного разреже
ния. Роторы вращаются в разные сто
роны. Синхронность их вращения обес-
печивается зубчатой передачей с пере
даточным числом, равным 1 (обозначена на рисуню~ пунктиром).
Объем рабочей камерьi насоса
Vк=2nR2lK,.,
(4.25)
где R - максимальный радиус ротора; l - длина ротора; К,.=
= Л/пR 2 ; Л - площадь впадин в площади •круга, описанного вокруг
р отора.
Умножая объем рабочей камеры насоса Vк (4.25) на частоту
вращения роторов п, можно определить гео-метрическую быстроту
откачки насоса Sг.
Обратный поток газа в этих насосах в основном определяется
т ехнологическими зазорами в роторном механизме •
Qоб=Из (Рвь;х- Рвх); '
(4.26)
Uз:......... проводимость зазоров в роторном механизме.
Считая зазоры тонкими щелями, запишем проводимость (для
воздуха) (2.28) при молекуля·рном режиме (м3/с):
'
И3 = 116-А,
где А= l(бр+2брк) + ФR(бт1+бт2) - суммарная площадь зазоров, .
м 2 . Здесь бр - зазор между роторами; Орк - зазор между роторами
и корпусом; -бт 1 и бт 2 - торцевые з,азоры между роторами и крыш
· ками . Величина зазоров между ротором и статором обычно равна
0,004R, а между ротора.ми и торцевыми крышками - 0,006R.
Обратный поток rаза в на•сосе можно также выразить через
предельное давление и МаJ{iсимальную быстроту действия насоса:
82
Q 05 = SmaxPпp, Решая это уравнение совместно ·с (4.26) при Рвх = Рпр"
найдем коэффициент компрессии насоса
К , РвыхfРнр= 1+SmэxfИз·
Значение коэффициента компрессии зависит от проводимости
. зазоров,
возрастающей с повышением давления . В высоком ваку
уме К= 50, а при атмосферном давлении ~ 1-,5. В связи с этим за
висимость быстооты действия от давления, представленная на
рис. 4.18, имеет' характерный спад в области высоких давлений .
Нормальная работа насоса такого типа возможна лишь при нали
чии насоса предварительного разреже -
ния.
Предельное давление одноступен s
чатых насосов 5- 10-1 Па, двухступен-
Smax
чатыi - 4- 10-2 Па с учетом давления
насыщенных паров вакуумного масла,
применяемого для смазки подшипни
ков. При работ~ с ловушкой предель
ное давление составляет 10-з Па. Наи
большее выпускное давление одно
ступенчатых насосов от 10 2 до 10 3 Па .
Двухроторные насосы имеют при
тех же габаритах значительно большие Рис. 4. 18. Характеристика S(p)
быстроты действия, чем пластинчатые
двухроторного насща :
насосы И насосы С катящимся ротором.. 1 - одноступенчатого; 2 - двухсту-
пенqатого; З - двухступ е нчатого е
так как из-за отсутствия трения меж-
· ловушкой
ду ротором и . статором можно значи-
тещ,но увеличить их частоту вращения. Быстрота действия совре
менных двухроторных насосов лежит в пределах от 5 до 5000 л /с.
Удельные характеристИiш насоса: · (0,5-3) кг/(л/,с) ·и (6-30)
Вт/(л/с), причем меньшие значения удельной мощности для насосов
с большой быстротой действия.
Характеристики двухроторных на,сосов различных типов приве-
дены на рис. П.1 и в табл. П.3.
•
Пrимером насоса с частичным внутренним сжатием может служить схем а,
представленная -на рис. 4.19. При вращении роторов газ поступает в полость вса
сывания, где распределяется на два потока . Большая его часть за х ватыв а ется ве
дущим ротором 3 и сiкимается внутри насоса, другая часть переносится ведомым
ротором 1 из полости всасывания в /полость нагнет_ания без внутреннего сжати я.
В полости нагнетания оба потока смешиваются, и сжатый г·аз, поступает в вых
лопной трубопровод через самодействующие клапаны 2. Макси м альный коэффи
циент ком р рессии около 20.
В насосах с внутренним сжатием рабочий процесс производится внутри ра
бочих полостей. К таким насосам относятся винтовые вакуумные насосы. Досто
инством винтовых насосов является быстро х одность (до 150 м/с), уравновешен
ность, большой ресурс работы. Предельное давление сухого насоса при атмосфер
ном выпускном давлении в одноступенчатлм исполнении 2,0 • 10 4 Па, в дву х сту
пенчатом 1О• Па. Ма\:лозаполненный насос обеспечивает в двухступенчатом ис
полнении предельное давление 2 • 10 3 Па.
Работа объемных вакуумных насосов ·может сопровождаться ря
дом нежелательных явJiений: проникновением IFapoв рабочих жид-
83
костей из насоса в , откачиваемый объект; загрязнением насоса от
качиваемыми вещес~:вами с высоким давлением насыщенных паров;
потер ей рабоч ей жидкости через выхлопной патрубок; утечкой от
качиваемого газа и т. д.
Для ограничения этих явлений служит . специальное серви,сiiое
оборудование, 1<0торым в случае необходимости ' снабжаются объ
ем ные насо сы. К т1;1.ким устройствам относятся ловушки, влагопог
·глотители, натекателu, конденсаторы,
фильтры, уплотители и т. д.
При высоких , давлениях (более
102 Па) обратный поток паров рабочей
жидкости · задерживается встречным
потоком откачиваемого газа и в при
менении защитных устройств . не воз
никает необходимости. При более низ
ких давлениях, когда длина свободно
го пути молекул газа становится боль
ше диаметра входного патрубка насо
са, пары рабочей жидкостi1 могут дви
гаться навстречу основному потоку и
проникать в откачиваемый объект. Ес-
Рис. - 4.19. Схема насоса с ли температура насоса выше, чем тем
частичным внутренним ежа- пература откачиваемого объекта, то
тием
обратный поток будет существовать
до тех пор, пока вся рабочая жидкость - ~
насоса не переместится в откачиваемый объект. Для защиты отка
чиваемого объекта от паров рабочей жидкости используются ло
вушки -- устройства для царциальной . откачки паров рабочих
жидкостей.
К ловушкам предъявляются следующие основные требования:
максимальное защитное действие на заданном сроке службы и ми
нимальное сопротивление основному потоку откачиваемого газа.
В качест ве дополнительных требований можно назвать возможность
регенерации, надежно-сть, простота и технолоп1чность конструкции,
удобство эксплуатации.
Механические ловушки (рис. 4.20, а) для объемных насосов
представляют собой устройства, работающие при температуре· от
качиваемого объекта. Для получения заметного защитного действия
в момент остановки насоса: в ловушке ,цолжны выполняться усло
вия молекулярного режима течения газа вплоть до атмосферного
давления, что соответствует наибольшему раестоянию между эле
ментами ловушки 0,1 мкм. Такие размеры могут быть обеспечены ·
только в пористь1х элементах 1, поэтому габариты ловушек зависят
от удельной проводимости пористых -материалов. Наиболее эффек
тивно применение элементов из пористого стекла, стекловолок
нистых материалов, пористы1⁄2 меди и нержавеющей QТали. Наибо
лее часто используемые материальr приведены в табл. 4.1 .
Поглощение паров маела в ловушках осуществляется адсорб
цией на стенках капиллярных каналов. Период непрерывной рабо-
84
Таблиц а 4.1
-
-
Парам етр
Тонкопорис т ое
Широ ко пори- Нержавеющая
Медные
стекло
стае сте1< ло
сталь
фильтры
Размеры пор, мкм
3.1O.з
'
1.10- 1
1,5-101
2· 101
Удельн ая
проводи-
10-10
IO'-8
2-1O -s
10- 4
,ыость м3/ (с• см2)
ты лову шки составляет несколько ,сотен часов, по истечении кото
рых э л.емент должен быть заменен, очищен продувкой атмосфер
ным воздух ом или прогрет до высоких температур ( ~ 500° С) .
...
2
8)
Р ис. 4.20. Схемы ловушек паров рабочей жидкости для объемных
насосов :
а - механическая л овушка; 6 - адсорбционная ловушка; в
-
ионная ловушка
Термост атирование ловушек во время их работы осуществля
ется проточной водой. Снижение те'мпературы ловушек дополни
тельно . повышает их защитное действие, но несколько ,снижает
удельную проводимость .
Увел ичения срока службы ловушек можно достигнуть, добавляя
в пористые фильтры адсорбционные м<).териалы: активные угли,
цеолит ы с размерами пор -~ 9 А, активную окись алюминия . Ло
вушки с адсорбентом (рис 4.20, 6) нельзя подвергать воздействию
атмосферного воздуха, так как они могут поглотить большое коли
чесТJ:30 воды, которая затем будет выделяться во время работы на
соса. Для удаления поглощенных в адсорбционном элементе -1:
масла и воды ловушку :следует прогревать нагревателем 2 до
300-500° С. Клапан 3 изготовляется в одном корпусе с ловушкой
и за кры вае11ся во вр·емя обезгаживания адсорбента.
В ионных ловушках (рис. 4.20, в) корпус, имеющий форму ци
линдра служит заземлещщм катодом для холодного разряда. Ано
до м явл яет,ся стержень 1, расположенный вдоль оси цилиндра.
Разряд горит при напряжении на аноде ~ 3 кВ и наличии осевого
магни тного поля, создаваемого !Знешними _ магнитами. Электроны,
:эмиттир уем ые катодом, двигаются по удлиненной траектории к
_
аноду, ионизируя остаточный газ. Положительные ионы, бомбарди-
85
рующие поверхность корпуса разрушают поверхностную п ,1 е 1шу
масла . Это ,приводит к выделению водорода и полимеризац и и: угле
водородов в твердые вещества . Охлаждение корпуса и защитног о,
экрана 2 осуществл~ется водой. Такая ловушка может уменьшит r,,
парциальное давление паров масла в 10-100 раз.
На рис. 4.21 приведен в качестве примера спектр остаточных газов ме х аниче
ского насоса ВН-461 с ловушкой и без ловушки, полученный на масс - спектромет -.
ре МХ!302 . По оси ординат отложены показания выходного прибора в вольтах ,
соответствующие различным массовым числам т/е . Предельное давление насоса
без ловушки составляло 1 Па, а с ловушкой - 10 -2 Па.
1D0 r-:----------;t------l-------+1--l+--I
10-1 Н1НJ~-----нtt---ЖНЖ---tt-Н---Нсd+ш-11+Н----J,
10-2
. ... .._ ,_ _ .. _._ ~- < - -- ...... .,,,.... ...,___J .Lll .ju., . . ._ia,JJJJ.__.aaJ!I.WJ.8JJ_J
2'+БВ10IZ141518
ZБ28 3234
4D424445m/1?
Рис. 4.21 . Диаграмма масс - спектра остаточных газов насоса
ВН-461 с адсорбционной ловушкой (зачерненные столбики) и
без ловушки (незачерненные столбики)
При откач1<е вакуумных систем с большим количеством паров воды или дру
гих растворителей с высокими значениями давления насыщенного п ара , при ком
натной температуре возникает опасность загрязнения насоса откачиваемыми ве
ществами. Небольшое количество паров воды может быть поглощено uлагопогло
тителями, устанавливаемыми на входе в насос . Таким влагопоглотителем може т
служить порошок фосфорного ангидрида, который по мере насыщения водой μрев
ращается в клейкую жидкость. Для улавливания влаги могут использоваться и
адсорбционны е ловушки , обеспечивающие одновременную защиту отк а чиваемог о
объедта от насоса и насоса от откачиваемого объекта.
При больших газовы х нагрузках применение влагопоглотителей из,за необхо
димости их частой замены или регенерации неудобно. В этом случае насосы снаб
жаются газобалластным устройством, позволяющим снизить коэффицие н т , комп
рессии пара в насосе и предотвратить конденсацию откачиваемых паров в рабо
чей камере насоса. В пластинчаты х насосах и насосах с катящимся р о то р ом ис
пользуется в качестве газобалластного устройства натекатель для подачи атмо
сферного воздуха в рабочую камеру.
Пример конструктивного решения устройства для напуска балластн о го газ а
показан на рис . 4.22 . В корпусе насоса со стороны торцевой части ротора дела
ется отверстие А в атмосферу, расположенное таким образом, что при вращении
ротора оно открывается лишь во время сжатия в камере насоса. Прн всасывании
торцевая часть ротора закрывает отверстие, пр едохраняя камеру от заполнщшя
атмосферным воздухом.
•
86
Для регулировки количества напускаемого балластного газа отверстие А сое
диняется с натекателем. Если натекатель закрыт, -ro насос работает в обычном ре•
жиме. Газобалластный насос имеет худшее предельное давление из-за увеличения
перетечек газа из камеры сжатия в камеру
разрежени>1.
Для защ)r!ты от 1Пылевых частиц на входе
в насо с может устанавливаться впускной
фильтр из шерстяной ткани. Такой фильтр мо
жет заде·рживать пылевые частицы размероы
более 1О мкм.
Потеря рабочей жидкости через выхлоп
ной патрубок уменьшается брызгоуловителями,
устанавливаемыми в самом насосе. При от
к ачке больших газовых потоков брызгоулови
тели могут оказаться неэффективными. В этом
случае устанавливаются внешние брызгоулови
тели и фильт,ры для поглощения м~сляного
тумана. При откачке паров конденсирующихся
веществ очень важно, чтобы температура
брызгоуловителя была бы не ниже температу
р~,~ насоса, что предотвращает конденсацию па
р ов и стекание конденсата в насос.
При откачке кислорода необходимо поль
зоваться негорючими м.аслами или другими
А
Рис. 4.22. Схема газобалла-
стного насоса
нсвоспламеняющимися жидкостями, например фосфатными эфи,рами. Для радиа
ционноопасных помещений разработаны масла, стойкие к радиации.
Для откачки ценных и радиоактивных газов требуются насосы с герметичным
уплотнением всех элементов на выходе · из насоса. В таких конструкциях вакуум
ные уплотнения установлены в маслоналивном патрубке, сливных пробках, смотро
вом стекле, а корпус насоса проверяется на герметичность по всем правилам,
предусмотренным для высоковакуумных систем.
§ 4 .3 . Молекулярная откачка
,Молекулярной откачкой называется удаление газа из вакуум
н ой системы с помощью движущихся поверхностей. В настоящее
в ремя существуют две принципиа:пьные схемы молекулярной от
к ачки.
k?ZZZZJ
~
Рис . 4.23 . Схема молекулярной откачки при одинаковых нап
равлениях движения пластины и газового потока
П ер вая схема (рис. 4.23) представляет собой откачку через ка
н ал, о дна из стенок которого совершает относительное перемеще
ние со скоростью Vp параллельно оси канала. Молекулы газа, на
ходящиеся в канале соударяются с двюi{ущейся поверхностью, по
лучая приращение количества движения в направлении насоса
87
предварительного разрежеnия. При этом создается перепад давле
ний 'р2> р1.
Максимальная быстрота деЙrствия, которая может быть получе-
на в такой схеме, пропорциональна скорости стенки vp:
(4.27},
где Fн - площадь поперечного сечения канала; '\'м
-
коэффициент "
учитывающий соотношения движущейся и неподвижной частей пе-
риметра канала.
_
Принимая число соударений молекул с движущимися . и непо
движными поверхностями одинаков~1м, определим долю молекулу
непрерывно получающих приращение ,скорости, в виде
'Vм=/д/(/д+ fн).
(4.28},
fд и fн - движущаяся и неподвижная части периметра поперечного,
сечения канала. Для прямоугольного :канала с а= 2,5 см; Ь = 1 см;
и Vp= 165 м/с согласно (4.27) и (4.28) получим Smax = 23 л/с.
Дифференциальное уравнение течения газа через канал посто-
янного поперечного сечения в установившемся режим ~ (Q = const}
можно записать в виде разности прямого и обратного потоков :
Q=S;.axP-C dp ',
-
(4.29),
dl
где С = Ин.lн.; Ик - проводимость канала с неподвижными сто_рона~
ми; lн. - длина канала.
-
Перепишем уравнение (4.29) в новы х обозначениях:
dp
+
•
dl+Ap В=О,
(4.30)
А=-Sшах/С; B=-Q/C.
С учетом начальных усJiовий р=р1 при l=O решение (4 .30 )
может быть записано в виде
в
Р=л (1-e -Al) +Р1 e-Al.
Учитывая, что Q = р1Sн, получим выражение для быстроты дей..:.
ствия
~ S = s· P2IPl - ехр (Smах/Ик)
н max 1-ехр(Smах/Ик) •
(4.3 1}
Из (4.31) следует линейная зависимость между быстрото й дей
ствия и коэффициентом компрессии P2IP1, показанная на рис. 4.24 .
При равенстве давления Р1 = Р2 быстрота действия максимальн а,
88
Sв=Smax, а при Sн = О и Р1=Рпр имеет место наибольший коэффи
циент компрессии
(4.32)
В связи с тем, что проводимость каналов Ик при молекуляр
ном режиме течения пропорциональна VT/M, максимальный ко
эффицие нт компрессии возрастает с
ув еличением молекулярной массы и 511 ,-- .------~-
~снижением температуры газа.
Srпax
Для указанного канала а=2,5 см,
Ъ= 1 см при lн=55 см его проводи
мост ь составляет ,...,, 1 л/с, что дает .по
,формуле (4.32) м-аксимальное значе-
1
-
--- ----- -L-
1
1
1
1
1
1
1
1
1
•sНИе кОэффициента компрессии Рв!Рпр ='
= 1,010 . Таким образом данная· схема
молекуляр ной откачки удобна для
;полу чения больших - коэффициентов
компрессии при -малых быстротах от
качки.
-
Вторая схема молекулярной от
качки (рис. 4.25, а) использует для
Рис . 4.24 . Зависимость быст
роты действия насоса от ко
-
эффициента компрессии
удаления газов зависимость проводимости наклонногQ канала,
двигающегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью Vp,
,от направления течеriия газа. Для упрощения задачи примем, что
пластину с наклонным к аналом с обеих сторон бомбардируют нор
мальные по отношению к поверхно-сти • пластины потоки молекул
rаза q 1 и q2 . Остановив п..тrастину u сложив вектор относите.иьной
\Скорос ти молекул vp с векторами тепловых скоростей молекул Vap,
Рис. 4.25 . Схема откачки при взаимно перпендику
ляр н ом перемещении пластины и газового потока
~получим изображенное на рис. 4.25, 6 измененное направление дви
.жения молекул . Поток q1 при tg а, = Vapivp входит по оси канала, а
поток q2 - перпендикулярно оси. Это ,приводит к тому, что прово-
89
димости канала для потоков q, и q2 различны. Приближенно мож
но принять, что для потока q, канал имеет форму трубы, а для по
тока q2 - форму трубы с поворотом на конце на 90°.
Для установившегося режима течения газа
Q=SнP1 = И12P1-U21P2,
(4.33)
где И12 и И2 1 проводимости канала для потоков q1 и q2 соответст
венно. Значение указанных проводимостей
мож:но определить, пользуясь справочными
данными о проводимосtях прямых . труб и
труб с коленом, или непосредственным ма
тематическим моделированием данной за
дачи методом Монте-Карло. На рис. 4.26
в безразмерной форме приведены результа
ты определения вероятности прохождени я
канала молекулами газа, полученн ые ма
тематическим моделированием для каиалов
с соотношением сторон а/ Ь = 1.
•
Из 4.33 следует выражение для быстро-
тьi действия:
Sи.1Р2
н= ,2-И21 -
•
Pl
Зависимость быстроты действия насоса
от коэффициента компрессии аналогичн а
такой же зависим0сти для первой схемы.
Максимальная бь1строта действия в дан
,,
нам случае при p2/pi= 1 составляет
о, 21-: ,~-~~-
--1
.
Smax= и12(1-и21/И121 = И12(1 - Р21!Р12),
(4.34}
Здесь Р 12 и Р21 - вер~ятности перехода мо
лекул через канал в прямом и обратном на
правлениях, пропорциона~ьные соответст-
D.____
IJ....5
---,-y/..,....,,~.
вующим проводимостям .
'
(/р vap
"
б
Максимальная быстрота деиствия тур о-
Рис. 4.26. Вероятно
сти прохождения мо
лекулами канала со
стороны более высо
кого вакуума Р12 и со
стороны низкого ва
куума Р 21 в завис_имо
сти от .относительной
скорости Vp/Vap и у гла
наклона п аза а
молекулярных насосов Smax для Vp/Uг, r< t
слабо зависит от рода газа . При уменьше
нии молекулярной массы газа возрастание
проводимости И 12 в формуле (4.34) компен
сируется уменьшением второго сомно ж ите- •
ля, так как при уменьшении Vp/Vap, Р21 /Р12
увеличивается. Реальная быстрота действия
Sн для легких газов дополнительно умень
шается в связи с увеличением проводи м ос т и
зазоров.
Наибольший коэффициент ко:мпрес·СИ И наблюдается при S1,=O.
Если р1=Рпr, а р~=Рв, то из (4.33)
90
Коэффициент компрессии при vp/Vap< 1 сильно зависит от рода
газа в связи с изменением величины отношения vp/Vap, а следова
-тельно, и Р12/Р21- Легкие газы имеют меньший коэффициент комп
рессии .
Величина РвfРпр для одной ступени невелика (обычно 2-4),
поэтому данная схема более удобна для получения больших _ быст
рот действия. Повышение коэффициента компрессии достигается
:последовательным соединением нескольких ступеней откачки.
Раесмотрим конст-рук-
- ции
молекулярных насо
•сов .
Мо л екулярные насо-
·СЫ с одинаковым направ:
лением движения газа и
сте нк и канала имеют мно
л- о конструктивных раз
новидностей, час.ть из ко
торых схематично пред
,<Ставлена На рис. 4.27.
Насос (рис. 4.27, а)
имеет в статоре 3 набор
цилиндрических канавок
4, входные и выходные от
верстия в которых разде
лены перегородкой 1. Ро
тор 2 вращается с боль
шой частотой так, что его
.линейная скорость близка
о)
В)
Рис. 4.27. Схемы молекулярных насосов:
а - с кру го выми канавк~м:и; б - со спиральными ка-
навками; в - дисковый
11. тепловой скорости молекул.
Спиральный п аз / на поверхности статора 2 и · цилиндрическая
поверхность - ротора 3 образуют рабочий канал (схема _ на рис.
4.27, ·6). Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1,
{)Тсто ящи е на минимальном расстоянии от вращающегося ;щека 2,
иопользуются для молекуляр ной откачки в схеме рис. 4.27, в Че
рез зазор между статором и ротором происходит возврат газа из
к амеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные ха
р а~перистики насосов. Нормальная работа таких насосов возмож
на при зазоре lv/ежду rотором и статором не превышающем 0,1 мм.
Практическое применение такие насосы нашли в качестве сту
пеней высоко го давления при совместной работе с насосами, ~шею
щими вза.имно перпендикулярное перемещение газа и рабочих по
верхносiей, а также 'При откачке газов ,с большо•й молекулярн9й
массой.
•
Проникновение паров масел, применяемых для смазки подшип
никовых узлов, в откачиваемый объект во время работы насоса
() Чень ма ло, но сильно возрастает при остановке насоса.
Быстрота действия на.сосав прямо пропорциона_льна частоте
вращения ротора, которая в совр~менных насосах может достигать
10-40 тыс. оборотов в минуту. МаК<симальная быстрота действия
91
обычно не превыша ет 100 л/с из-за малого поперечног о сечения~
каналов. Предельное давление 10-5 Па при коэффициента х комп- .
реосии 10 5-106.
.
Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движе нием.
рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа пол учили ши
рокое распростра~-н~!-rие. Конструкция турбомолекулярного насоса"
использующая этот принцип, во многом определяется распо ложе
12----- · 3 4
нием вала ротора: го
р.изонтальным· или вер -:_
2 тииальным, устройст
---+ -.. ,.,,,
3 вам и формой ' рабочих: .
орга нов: . цилиндровые "
кон)iс ные , дисковые с
радиальным потоком ~
дисковые с осевым по
током, барабанные.
Большое влиян ие н~
хара ктеристики насо
са оказывает конструк
ция опорных узлов: на .
смазываемых подшип
никах качения, на маг
нитных опора х или га ...
завой подушк е.
Рис. 4.28. Схемы турбомолекулярныJt насосов:
а - с горизонтальным валом; б - с вертикальным валом
Схемы • насосов с
гор.изонтальным . и вер-
тикальным расположением вала ротора показа1ны на рис . 4.28. Б
ко•рпусе 2 установлены ·не-подвижные статорные колеса 4, между
которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Ротор
ные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. ,В статорных
колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же фор
мы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по дна.:.
метру.
При горизонтальном положении ротора движе·ние газа в насо
се после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два
потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.
• В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступен R
в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры_
При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между 1юлесами) и
радиальный (между корпусом и роторньсм: колесом и.ли ротором к
статорным колесом) зазоры могут составлять 1-1,2 мм, что позво
ляет значительно повысить надежность их работы. Увеличение за
зоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на,
его быстроту действия.
Быстрота откачки турбомолекулярных насосов согласно (4.34)·
слабо. зависит от рода газа (рис. 4.29, а). Предельное давце1ше
насосов 10- 7
-10-8 Па. С увеличением молекулярной маесы ко эф
фициент компрессии ра,стет за счет уменьшения перетечек через.
зазоры и увеличения отношения линейной скорости ротора к геп-
92
ловой скорости м олекул vp/Vap (рис. 4.29 , 6) . Наибольшее в ыпуск
но е давле н ие таких насосов дJ)Я воздуха 1-10 Па .
К досто инствам турбомолекулярного насоса относятся : выс о к а я
удельная быстрота дейс:гвия ,...., 2 л / с на см 2 площади вход-н о го се-
5,м3/с t--;-
-, .4.; ._
К
1о 121----+---+-- --+---1
D,5 1---+ .-~ -i-'r-t-- --- --J
D,4-t--- +----+-.......,-+---<
10 -3 ,0-2
.,0-1 10° п
Рвх' а
а)
,081---- +-- -+- ---+-~ - !
!05 1---+----F"""""'-+---4г-1
,0~1 ---- -+ - -+"'-"'-•c-J--">r'!~
102--~-~-
------'
10-l IDD '01
П•
iРв'r1
б)
ых,
Рис. 4.29. · зависимость быстроты действия турбомолекуляр
ных насосов от входного давления (а) и зависимость коэф
фициента компрессии от выходного давления (6):
1 - для воздуха ; 2 - для гелия; З ~ для водорода
чения; достаточно широкий диапазон раба-чих давлений lО-б-
10 Па; быстрый запуск нас_оса в течение 5-10· мин; пр ак т и чес!):И
безмасляный спектр остаточных газов при напуске во вр ем я за
. пуска и остановки насоса сухого азота.
Недостат~ом насоса является наличие высокоскоростного р ото
ра со смазываемыми быстро изнашивающимися подшипник а ми или
сложными -системами -подвеса. Характеристики современн ых турбо_
молекулярных насосов приведены на рис . П . 2 и табл_. П.4 .
§ 4.4 . Пароструйная откачка
При пароструйной откачке _ (рис'. 4.30) молекулы откач иваем ого
газа, поступающие в насос через входной патрубо к 1, в заим о д ей
ствуют со струей пара, имеющей звуковую иди сверхз вуковую
скорость, и приобретают допол-
нительную скорость в направле
нии насоса предварительного раз
режения, присоединяемого к вы
ходному патрубку~ -
В кам'ере 3 происходит сме
шение паровой струи , выходящей
из сопла 2, и откачиваем о го г аз а.
Запирающий канал 4 созда~т со
противление обратному потоку
га з а , обесп ечивая коэффици i:: нт
9
2
7
компрессии насоса. Разделение р 430 с
•
• о.т-
ис. . . хемы пароструинои
откачи;ваемого газа и рабочего
качки
93
.
юара осуществляется в камере 5 в процессе конденсации рабочего
:пара на охлажденных поверхн·остях, после чего откачиваемый · газ
sыхоюп из насоса через выходной патрубок, а сконденсировав
шийся нар поступает по трубопроводу 7 в кипятильник 8, где вновь
·испаряется и по паропроводу 9 попадает"в рабочее сопло 2, обеспе
чивая непрерывность процесса откачки.
Взаи-модействие откачиваемого газа с паровой струей зависит
ют степени вакуума. Пр и низ к ом в а к у уме молекулы, ~находя-
2З
'+
I
r-::
uJ, р
О)
Sэ
б)
Рис. 4.31. /-Sэ-ди.аграмма рабочего пара (а) схема и рабочие
характеристики сопла эжекторного насоса (6)
щиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутреннего
трения увлекают другие слои таза. Такие насосы на1зьгвают эжек
торными.
В области вы с о к ого в а к у ум а все молекулы откачиваемого
1газа, перемещаясь за счет самодиффузии, непосредственно взаи- .
. мод ейству ют
с движущейся струей пара, а насосы, рабртающие в
-таких условиях, называют диффузионными.
Рассмотрим принцип действия эжекторного насоса. -
Быстрота действия насоса при заданных зщ1чениях давлений
·на в х оде в насос Р2 и выходе из насоса р 5 , а также производитель-
1Iости рабочего пара G1 определяется по / -Sэ-диаграмме рабоче-
го пара.
.
'
Кривая АВ на рис. 4.31, а определяет давление насыщещюго
ттара · рабочей жидкости. Из начального . состояния в, кипятильнике
·рабочий пар (точка . 1 на кривой АВ, давление Р1, энтальпия /1;
•сечение 1 на ,схеме сопла) адиабатичес1<и ра,сширяется и переходит
·в состояние (точка 2), соответствующее да,влению pz и энтальпии
1 2 струи рабочего пара в откачиваемом объекте (сечение 2). Адиа-
1батические процессы на /-5 3-диаграмме соответствуют прямым
.линиям, параллельным оси !. Закон сохранения энергии для адиа
,батического истечения газа, при котором работа . ра,сширения газа
равна приращению его кинетической энергии, можно записать в
JБИДе
(4.35)
где ffi 2 - скорость паровой струи на выходе из сопла в се~ении '2.
Откачиваемый газ (для простоты считаем, что откачиваются
пары рабочей жидкости) находится в состоянии (точка и сечение
3) и имеет энтальпию 13 . Смешение потока откачиваемого га з а G2
с паровой ,струей по закону сохранения энергии приведет к и зме
нению скорости
. (4.36)
где (!) 4 - ·скорость смеси в сечении 4 (рис. 4.31, 6).
В диффузоре, расположенном между сечениями 4 и 5, парогазо
вая смесь адиабатически сжимается до давления Рв, приче м точк а
5, соответствующая сечению 5, должна лежать на криво й АВ.
Это можно использовать для нахожден_ия точки 4 трафич ескдм
построением. В процессе адиабатического сжатия кинетическая
энергия струи переходит в энтальпию, что позволяет записать
.
•
2
•
(01 +02) W4/2=(01+02) (f ~ -/4).
(4.37)
Из уравнений 4 .35 -4 .37 можно найти выражение для теорети
ческой быстроты действия насоса:
s= 02 = 01(11- '/2-/5+/4)
(4.38 )
т ·Р2
Р2(1в- /4)
,
где р2 - плотность газа в сечении
2.
Следовательно, быстрота действия насоса зависит от про изво
дительности сопла и свойств рабочего ' пара . В эжекторных на с оса х
она лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольк их ты - .
сяч литро·в в секунду.
Максимальное выпускное давление не может быть б о льше
Р1 - давления рабочего пара в кипятильнике насоса, поэтому в
случае паромасляного насоса оно не превышает ( 1-5) -102 Па,
а для парортутн0,го - (20-40) • 102 Па . .Увеличить максимально е
выпускное давление ш1ромасляного насоса нельзя, так как темпе
ратура пара в кипятильнике ограничивае'I'ся температурой р азло
жения масла.
В ларортутных насосах принципиально возможно повышение
мак·симального вы п ускного давления вплоть до атмосферного, н0,
из-за больших потерь и токсичности ртути этого обычно не делают.
Предельным остаточным да'влением эжекторного насоса являет
ся давле'Ние перехода из среднего в высокий • вакуум, когда проис -
'
u
ходит расшире н ие паровои струи и нарушение оптимального режи-
ма работы. Величина предельного давления составляет 10-1
-
10-2 Па.
• Размеры сопла можно найти, задаваясь значением
его производительност~t
G1 по рабочему п ару . Подставляя критическое отношение давлений
•
.
.
1
Р2(2)11
Гк= -
=---
В (2 .21),
Pl
'У+1
95,
<Получим выражение для максимальной производи·тельноGти сопла:
'
.
о=...I
_P
_1
_
_(
__
-_
- 2=~-)-~
-
-
~-:Ас '
1
VV1У У+1
m1n.'
-
(4.39)
где р 1 - давление пара в кипятильнике; V1 - удельный объем пара в кипятильни
«е; А n~ln - минима_льное сечение сопла.
Откуда можно найти минимальное сечение сопла :
(4.40)
с
Выходное сечение 2 сверхзвукового сопла А2 может нметь большую площадь
mоперечного сечения, которая найдется непосредственно из уравнения (4.35) с
-
учетом того, что _ro2 = G1 V2/A~; V2 -
- удельный объем п ара на выходе из соп-
ла. Имеем
Ас-
0 1V2
2 --v2u1- /2)
При истечении струи пара в -
высокий вакуум происхо
дит ее расширение за счет тепло
вых скоростей молекул. _ В случае
равенства скорос т и
истечения
струи и скорости звука она вы
ходит из сопла · под углом 45° к
его оси (рис . 4 .32) . Давление па-
Рис . 4 .32 . Сопло диффузионного ра в струе значительно больше,
насоса
чем давление откачиваемого газа.
Наилучшие условия для захвата
молекул откс1чиваемого газа обеспечиваются тогда, когда давление
пара в струе соответствует среднему вакууму. При этом все моле
кулы откачиваемого газа проникают· в паров у ю струю при первом
,с оудар ении. При большей плотности паровой струи вероятность за
хва та молекул снижае·tся .
• Теоретическая быстрота действия диффузи01:шого насоса в свя
_зи с малым количеством откачиваемо -го пара определяется не из
менен ием термодннамичес·ких характеристик паровой струи, как
в случае эж екторного п ас о·са, а геометрическими размерами сопла
и парциальным давлением откачиваемого газа в паровой струе:
(4.41)
где А - проек ция поверхностi-1 паровой струи, доступ ной для моле-
4<ул отка1.i иваемого r:аза, на плос кость, перпенди Rу лярную оси х;
N ql и N q 2 - количество молекул откачиваемого газа, уда·р-яющихся
.и
вы лет аю щих в едини цу времени с единицы площади А; п - кон-
цент рация газа у входа в на-сос.
"96
В соответствии с выражениями для N q из ( 1.11) и ifap из ( 1.21)
формула для быстроты действия насоса -(4.41) может бьrть пере
писана:
,,,
(4.42)
Здесь · Т и Тг - температура газа в паровой струе и у входа- в на
сос; nг - концентрация газа в пароВО1/[ струе.
Так rщк nг/п=рпр/р, то •
Sт.(;)112(; А(1-;РV~)•
(4.43)
Таким образом, быстрота действия · диффузионного насоса за
висит от температуры и рода газа, при этом тяже.лые молекулы
откачиваются •с меньшей быстротой действия. Реальная быстрота
действия оказыва~тся меньше теоретического значения, рассчитан
ного из (4.43), из-за· неполного .захвата молекул откачиваемого
газа паровой струей. Это связано с наличием у струи «паровой
о пушкщ>, поя!;!ляющейся из-за потока молекул пара, имеющих теп
ловые скорости большие, чем скорость паровой струи.
Если учесть .коэффициент захвата струи Но, то выражение для
расчета быстроты действщr может быть запщано в следующем
виде: ·
• S =НS•НVRTА(1-РпрVТr) •
н
.о
т
о
2:n:M .
Т
'
р
~
(4.44)
Средняя величина к-G-эффициента захвата НO ~ 0,3.
Для определения !}ОЭффициента КОМПреССИИ И предеЛЬНОГ.О дав
' ления рассмотрим более подробно процессы, происходящие в па
_ ; ровой струе диффузионного насоса. Концентрацию газа в точке х
паровой струн обозначим nг (х) (рис. 4·.32), а •составляющую скоро
сти п аровой струи по нацравлению .оси х - через W.
Производительность откачки будет равна разности прям о го
• и об р атного потоков :
Q = Qп-Qoб•
где Qп=nг (х) W1 ; Q0б=D dnr (х) ; D - коэффициент диффузии газа
.
dx
-
,
в ст руе пара . Прямой поток молекул откачиваемого газа в диффу
з и о н ном насосе движется за счет соударений молекул газа и пара
со в м естно с паровой ст,руей, а обратный поток возникает за счет
т епл ов ого движения моле кул , диффундирующих в противополож
ном на правлении . Бели достигнуто ,предельное давление, то Q = О,
откуд а
•
4 Л. Н. Розанов
(4.45)
97
Считая, что газ в ст.руе пара подчиняется уравнению газового
состояний, получим
-
dnr (х)
dpr(X)
(4.46}
nг (х)
Pr(х).
Проинтегрировав выражение (4.45) с учетом (4.46) в пределах
от,Х1доХ2иотР1доР2,имеем
ln ~= W (х2-Х1).
Р1D
·-
Обозначая длину паровой струи Ь = (х2-х1 ), перепишем получен
ное выражение в виде
~=ехр (Wb/D).
Р1
Таким образом, коэффициент компрессии для заданной геомет
рии струи определяется отношением проекции ,скорости паровой
струи щ1 ось х к коэффициенту диффузии · о т качиваемого газа в
паровой струе. Для увеличения коэффициента компрессии необхо
димо повышать скорость паровой ,струи и увеличивать ее плотность,
так как коэффициент диффузии D обратно пропорционален плот
ности паровой струи.
Рассмотрим конструкции ·пароструйных насосов.
Принципиальная схема эжекторного насоса показана на рис .
4.33. Нас ос состоит из кипятильника 1, сверхзвукового эжекторно
го сопла Лаваля 2, камеры смешения 5, В'Пускного и выпускного
фланцев 3 и 4. Камера смешения · теплоизолирована от корпуса
насоса. На выпускном патрубке имеет,ся холодильник 6, охлаждае
мый проточной водоi1. Сконденсировавшийся на стенках холодиль
ника пар стекает в кипятиJiьник по трубке 7, обеспечивающей не-
,
п'рерывную циркуляцию рабочей жидкости в насосе . •
Простейший диффузионный насос (рис. 4 .34) состоит из rшпя
тильника 1, диффузионного сопла 2, закрепленн.ого на паропрово
де 6, холодильника 4, В,Пускного и выпускного патрубков 3 и 5.
Пары · рабочей жидкости из кипятильника проходят по паропрово
ду через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, ох
лаждае rvа,1х холодильником. За время движения пара от конца
~ опла до стr.нок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый
' Газ. После конденсации образовавшейся парогазовой ,смеси вы д е
ливш и йся газ откачивается через выпускной патрубок насосом
предварительного разрежения, а скон,LI,енсированный пар сте к ает
по стенкам насоса в кипятильник через зазор меж д у паропро вод о м
и корпусом насоса .
Влияние зазора а и угла накло~а сопла а на предельное д авл е-.
ние и быстроту действия диффузионных насосов показано на рис .
4.35, а, 6.
П ри превышении зазором а своего оптима_льного значения а 0
уменьшается скорость струи W у сте!-[ОК насоса, что привод и т к
увеличению обратного потока. Аналогичная зависимость сущест-
98
вует н от угла а, который сильно влияет на составляющую скоро
сти ,струи W.
Диффузионные насосы, предназначенные для работы в диапа~
зоне давлений 10- 1
-
10 Па, называются бустерными. В этих насо-
•
tГ~з' •
_
J•
1
.
2,rМ'
5
-
1
Рис. 4.33 . Принципиальная схе
ма эжекторного насоса
Рис. 4.34 . Принципиальная схе
ма диффузионного насоса
сах увеличена мощность подогревателя, применены термостойкие
рабочие жищюсти, что цозволяет у!3еличить выпускное давление и
сдвинуть характеристику насоса S11 = f (р) в сторону более высо-
ких давлений. •
Основной хара;<теристикой пароструйных насосов является за
висимость быстроты действия от давления на входе в насос (рис.
4.36, а). В средней области рабо -
чих давлений быстрота действия
постоянна и равна Smax, При при- S
ближении рабоч·его давления к
предельному Рпр она стремится к
нулю из - за наличия обратного по
тока газов и паров из насоса в
откачш~аемый объект. При увели
чении рабочего давления за верх
нюю грающу молеку.т\ярного ре
жима течения быстрота действия
уменьшается в связи со снижени-
ем скорости диффузии молекул
а)
,,,
Рис. 4.35 . Зависимости S(a) и Рпр(б)
при различных углах а наклона сопла
rаза в струю пара и при максимальном входном давлении р 3 стре-
мится к ну.1ю.
_
•
Предельное давление насоса Рпр при низких давлениях на вы
ходном патрубке Рвых (рис. 4.36, 6) слабо зависит от изменения
последнего. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве
4*
99
выпускного давления и давлени_я паровой струи, ·соответствующего
давлению Рв•
.
При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увели•
чения ,скорости паровой струи быстрота действия вначале возр а
ста~г (рис. 4.36, в), достигает максимального значения при N r>nт,
а)
fзР
N
N
6) олт
-
Рис. 4.36. Характеристики пароструйных насосов
а затем уменьшает~я из-за увеличения плотности паровой · струи.
Максимальное выпускное давление насоса Рв при увеличении мощ
ности подогрева непрерывно возрастает.
..
На рис. 4.37 показана кон,струкция многоступенчатого паро
струйного насоса, в котором использованы две диффузионные 1, 2 .
-
Рис. 4.37. Принципиаль
ная схема - многоступен
чатого пароструйного на
соса
и эжекторная 3 ступени откачки, питаю""
; щиеся от одного кипятильника .
К рабочим жидкостям пароструйных
- насосов предъявляются следующие тре-
бования:
_
1) минимальная упругос-~:ь паров при
комнатной температуре. и максимальная
при рабочей температуре в кипятильнике;
2) стойкость к разложению при нагре•
вании;
3) минимальная способность раство
рять газы;
4) химическая стойкость по отноще
нию к откачиваемым газам и по отноше•
IJИIO к матери· алам насоса;
,
5) малая теплота парообразован ия.
Минимальная упругость паров при
комнатной температуре требуется для по-
.
лучения наименьшего предельного давле-
ния насоса. Максимальное давление паров при рабочей температу
ре кипятильника увеличивает выпускное давление насоса и умень~
шает требуемую мощность подогревателя. Стойкость к разложению
рабочей жидкости при нагревании влияет на срок службы рабочей
жидкости и максимальное выпускное давление. Растворимость га
зов в_ рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока
газов через сопло вместе с паровой струей. Химическая стойкость
определяет срок службы раб.очей жидкости и накладывает ограни
чения на выбор конструкционных материалов насосов. При малой
100
теплоте парообразования требуется меньшая мощность подогрева
теля насоса.
В качестве рабочей л<идкости ·uароструйных насосов при,v1еня
ются ртуть, минералы-iые масла, сло:ж:ные эфиры органических
спиртqв и кислот, кремнеорганические соединения.
Ртуть (Р-1, Р - 2) как рабочая жидкость пароструйных насосов
имеет следующие достоинства: ~е окисляется воздухом, однородна
по ·составу и не разлагается при рабочих температурах насоса,
растворяет малое количестnо газов . и имеет высокую упругость па
ра при рабочей температуре . в кипятильнике, Недостатки ртути:
-токсичность, химиче. ская активность по отношению к цветным ме
таллам, высокая упругость паров при - комнатной темпера:гуре
(l0- 1 Па).
Мин'ера.тrьные масла для. пароструйных насосов (ВМ-1, ВМ-5)
получают путем вакуумной дистилляции • продуктов переработки
нефти. Они характеризуются низкой у_пруго-стью пара при комнат
ной температ~ре ( 10~6 Па), удовлетворцтельной термосто?костью,
но име1<;>т невысо~ую термоокислительную стойкость и образуют
смолистые налеты на внутренних деталях насоса.
Эфиры, применяемые в качестве рабочей жидкости· паростру:й
ных насосов, представляют -собой продукты синтеза фталевой и
себациновой кислот с высшими спиртами, а также полифениловые
соединения, -состоящие из бензольных радикалов, соединенных в
цепи через атомы кислорода. Полифениловые эфйры ПФЭ облада
ют очень низким да.влени.ем паров при комнатной температуре
(10-9 Па) и высокой термоокислительной •стойкостью.
Кремнеорганические жидкости для пароструйных насосов
(ВКЖ- 94, ПФМС-2) - это полисилоксановые полимерные соеди
нения, состоящие из функциональных групп (СН 3 ) 2 SiO. , Они обла
дают высокой термоо1шслительной стойкостью · и достато,чно низкой
упругостью пара при комнатных температурах (lQ- 5 Па). •
_Чаще нсегр используют в насосах дешевые МJ:Iнеральные масла.
• Кремнеорганические жидкости употребляются в системах , с частым
напуском атмосферного воздуха. Эфиры, стоимость ко_торых еще
велика, применяются для сист~м, где требуется получение сверх
высокого вакуума. Ртуть из-за токсичности применяется в паро
струйных н-асосах только для откачки ртутных систем, например
ртутн·ых выпрямителей. Основные типы рабочих жидкостей приве- •
дены в табл. П. 1·.
-
• В насосах, работающих на неоднородных по составу или тер
мически J;Iестабильных жидкостях, часто применяют фракциониру
ющие устройства, выделяющие более · тяжелые фракции с низкой
упругостью пара: для работы в первой ступени , откачки пароструй
ногь насоса.
На рис. 4.38 показаны конструкции -стеклянного (а) и .1'1етал
лического (6) фракционирующих насосов. Сконденсировавшаяся
на стенках KOJJпyca насоса рабочая :жидкость из-за большого гид- ~
равлического сопротивления достигает к~пятильника · первой ступе-
ни насоса за достаточно длител ь ное время, необходимое для испа-
-
-
.
,.
101
рения легких фракций. Гидравлическое сопротивление, препятст
вующ~е перемешиванию рабочей жидкости, в стеклянной конст
рукции соз да ется тонки м и трубками, п9следовательно ,соединяю
щими кипяти л ьники ,различных ступеней откачки, начиная со
ступени, работающей при максимальном давлении откачиваемого
газа. В металлической конструкции ту же роль выполняет зазор
между ЦИj[Индром п а ропровода и основанием на с оса.
,. Гсз
:· _:.: .:
t //,
Газ
.::.1-. -:·:
а)
Рис. 4.38 . _Фракционирующие пароструйные насосы-:
а - стеклянный; б - металлический
Основные технические характеристики пароструйных насосов,
выпускаемых промышленностью, приведены на рис. П . 3 и в
табл. П.5.
Поскоj[ьку предельное давление пароструйных насосов обуслов
лено обратным потоком паров рабочей жидкости !JЗ насоса в отка
чиваемый объект, его можно значительно уменьшить, если на пути
обрат н ого потока установить ло,вушки .
.По
принципу действия ловушки можно разделить на: конденси
рующие, диссоциирующие и сорбирующие. .
Одним из видов конденсирующих ловущек для пароструйных
i1а с о с ов является механический отражательный колпачок 1 (рис.
4. 39, а) . Например, обратный поток паров масла для пароструйно - •
го н а соса составляет 1- 10- 3 мг/ (с• см 2 ) относительно · поверхности
зазора между первым соплом и корпусом насоса. Если на пути
обратного потока установить такую · ловушку, то обратный поток_
за счет конденсации паров уменьшается до 1- 10-5 мг/(с-см 2 ).
Жалюзийные или конические дис к овые ловушки (рис. 4.39, 6) по
ни ж ают обратный поток до 1• 1О- 6 мг/ (с• см 2 ). fu>нденсирующие
ло вушки часто охлажд ают водой. Скорость испарения паров масла
с поверхностей таких ловушек значительно меньше, чем с разогре
т о го до температуры 200° С верхнего сопла пароструйного насоса.
102
Конденсирующие ловушки, рабочне поверхности · которых и,1еют
температуру ниже 1юмнатной, называют охлаждаемыми. В качест
ве хладоагента часто используются лед и NaCl (- 18° С); лед и
CaCl2 (-48° С); твердая углекислота со спиртом (- 78° С); фреон
•. (- 120° С); жидкий во.здух (-183° С); жидкий азот (- 196° С).
Для получения низких температур (до -70? С) можно приме
нять полупроводниковые элементы, работающие на эффекте
Пельтье.
.
Понижение температуры
конденсирующей поверхнос
ти уменьшает · упругость па
ров рабочей жидкости. На
пример, для воды при темпе
ратурах + 15; -- 78; - 196°С
упругость паров соответст
венно 2-103• 7 -1О-2• 1О-19 Па·
для ртути при+ 18'и - 196°С
она составляет 10-1
и
10-зо Па.
Быстрота откачки еди
ницы поверхности конденси
рующих ловушек определя
ется разностью молекуляр
ных потоков, · ударяющихся
N1 и вылетающих N2 с кон-
·~~,
/.
1
~;11:т~J. •- ': '"=,
HzO
~JЩL'\
aJ
'1)
~1~
-
--
- -J I l•---ю;,
mr-· -~r"
1=
-
-""
[-,-
'
-
-
!
1
4
13}
денсирующей поверхности: Рис. 4.39. Схемы конденсирующих лову
шек:
а - отра;.кательный колпачок; б - коническая
дисковая; в - охлаждаемая жидким азотом:
стеклян - ная; г - метаJJ J1ическая, охлаж:даемая
:жидким азотом
что для Т1 =298 К будет иметь вид
5=116V29 (1-
.1! 1- V298),
М
Р1
Т2
где n1 и п2 - молекулярные 1юнцентрации па ров рабочей жидко
сти в газовой фазе и на конденсирующей поверхности; Т1 и Т2;
Р1 и Р2 - температура и давление паров рабочей жидкости в газо
вой фазе и на конденсирующей поверхности ; ·м - молекулярная
масса рабочей жидкости, ю·/кмQль.
Конструкции конденаирующих металлических и стеклянных
азотных ловушек по'казаны на рис. 4.39, в, г. )Кидкий азот, охлаж
дающий конр_енсирующую поверхность, заливается в полость А.
На нагретых поверхностях диссоциирующих горячих ловушек
углеводороды разлагаются на легкооткачиваемые газы: водород,
окись углерода, углекислый газ и твердый углерод. Углерод осаж
дается на стенках ловушки, а легкие газы откачивают ся пароструй
ными насосами: Диссоциирующие поверхности разогреваются пря
мым пропускан~:~ем ЭjJектрического тока.
103
Работа- электронных диссоци;ирующих ловушек основана на
возбуждении или ионизации молекул рабочей жидкости в разряде
_ с холодным или горячим катодом. Возбуждение увеличивает склон
ность молекул к диссоциации и последующей полимеризации на
стенках ловушки. - При достаточной энергии электронов сложные
модекулы масла после взаимодействия могут распадаться на бQлее
леr-кне составляющие п углерод. Легкие составляющие откачива
ются насосом, а углерод осаждается на стенках ловушки . Эффек
тивность ловушек зависит от ПЛ(?ТНости электронного тока. Дис
социирующие ловушки могут использовать каталитическое разло
жение паров масла на окисленных металлических поверхностях.
Сор-бциdнные .10вушки поглощают пары масел поверхностями
пористых адсорбентов: активированных углей, цеолитов, силикаге
лей и т. д. Адсорбенты должны быть очищены от посторонних ве
ществ, адсорбированных в порах молекулярных размеров при обыч
ных атмосферны~ условиях прогревом в вакууме при температуре
около 300° С. Адсорбция паров масел на очищенных поверхностях
осуществляется обычно при комнат~rой температуре и может про
исходить ·до тех пор, пока равнове_сное давление паров масла бу
дет меньше допустимого. После этого ловушку необходимо реге
нерировать прогревом. Основные составляющие воздуха - азот и
кислород при комнатной температуре адсорбируются в очень ма
лых количествах.
Можно ориентировочно рас:считать срЬк службы сорбционной
ловушки, принимая с запасом, что в ней поглощается весв обрат- •
ный поток паров масла.
.
•
Воспользовавшись уравнением изотермы полимолекуля·рной ад
сорбции (3.26), равновесие давлений паров масла--. в ловушке за
пишем в. следующем виде:
с(е_ 1)+-,rс2(е- 1)2+402(с- 1)
( 4.4SJ
р= Рт
20(с- 1)
'
где Р1 - давление насыщенных паров масла при рабочей темпера ту-
.
(Q -Е)
•
ре ловушки: С=ехр aRT
;
0 - ~сте~ень покрытия пове~хно-
спr адсоvбента мономолекуляр~rым слоем.
.
•
t
Таккак 0=-
1- - \ qdt, где q- обратный поток паров масла;
arnA J
о
.
'
А - акгивная поверхность адсорбента, то при постоянном обрат
ном ~:тотоке паро_в масла' (q=const) легко определить срок службы
ловушки:
\
fc =ClmA E)maxN •
З д есь E>max определяется из (4.48) при р = Ртах; Ртах - максималь
ное допустимое давление паров · мас-ла в откачиваемом объекте.
- Конструктивная
схема адсорбционной ловушки, показанная на
рис. 4.40, состоит из корпуса 1, нагревателя 2, адсорбента 3, отра
жателей 4. Отражатели обеспечивают оптическую плотность ло-
104
вушки . А'1атериалы, из которъ1х изгото.влена · ловушка, должны до
пускать прогрев до 300-400° С. Адсорбент должен располаг а ться
_
так, чтобы предотвратить миграцию паров масла в ошачищ1емый
объект. по стенкам ловушю1. При проект и ровании ловушек следует
конструктивными методами снижать ее тепловую инерцию, ухуд
шающую условия эксплуатации . ..
• Общей проблемой
проектпрования ло
вушек любого типа является выполнение
двух часто противоречивых требований:
максимального защитного действия и :наи
большей удельной проводимости. Защитное З
действие ловушек можно оценивать посте - 2 -----tщ
•пе1-iи уменьшения обратного пото1<а рабочей
жидкости или по степени оr+-тической плот
ности, численно · равной среднему---числу со- 1 •
ударений молекулы, прошедшей через · ло-
вушку, с ее защитными элементами. Павы- ::::::
шение защитного . действия обычно сопро- _
вождается снижением удельной проводимо
сти ловушки. Задаваясь весовыми коэффи
циентами значимости этих параметров для
соответствующего технологического про
Рис. 4.40. Схема ад
сорбционной вь1соко
вакуумной ловушки
ц~сса, можно выбрать оптимальные размеры защитных элементов .
ловушки (-табл. 4.2). ·
§ 4.5. Ионно-сорбционная откачI<а
Ион!;}о-сорбционная откачка использует два сгюсоба поглоще
·1шя газа: внедрение i10нов в объем твердого тела под действием
электричес1юго поля и химическое взаимодействие откачиваемых
газов с тонкими пленками активных металлов.
Вы~окоэнергетические ионы или нейтральные частицы, бом
бардируя твердое тело, проникают в него на глубину, достаточ
ную для их растворения. Этот способ удаления газа получил
название ионной .откачки. На рис. 4.4.1 показано равновесное рас
пределение концентрации при . ионной откачке в объеме неограни
ченной пластины толщины 2-R, расположенной внутри вакуумной
камеры.
Максимальщ1я удельная геометрическая быстрота ионной от
. качки
мо~ет быть. ра,ссчитана по формуле
• Sr = 't!-N +lti.='t!-i+f(n17),
(4.49)
где μ- коэффициент внедрения ионов; N+ = i+/q-ур.ельная ча
стота бомбард,ировки; . i+- плотность ионного то1<а; q - элемен
тарный электрический заряд; п- молекулярная концентрация
газа.
.
Коэффициент внедрения учитывает частичное отражение и рас
сеивание, возникающие при ионной бомбардировке. Коэффици,ент
внедрения сильн0 зависит от температуры тела и слабо - от плот-
105
Наименование
эле~tента
Жалюзный
Шевронный
Конический коль
цевой
Угловой
,
Таб,1ица 4.2
Защитные элементы ловушек
Схема
1& ------
I
}
•
1,
1-А
i
Соотношение У дельная проnо -
онтимальных.
димость,
размеров _
л/(с-см•)
D/B>5; •
0,=60°
0=60°
4,8
3,16
4,5
3-,27
ности 'тока и ускоряющего напряжения . Значение μ-+ 1 наблюда
ется для Ti, Zr при: температурах 300-500 К.
Максимальное значение концентрации растворенного газа при
ионньй откачке м1,жно определить из условия равновесия газовых
потоков:
(4.50)
106
D - 1,оэффициент диффузии lу!Олекул газа в тве рдом теле. Гра
диенты конц~нтраций определяются . следующими соотноше н иями:
(~ ') = Smax-So; (_!!! _)
dx;1
h
dx2
2R- h
S,nax - So
Здесь h = сЕ - глубина внедрения ионов; Е - ускоряю щее напря
ж:ение; Smax и s0 - максимальная и начальная концентрации по
глощенного газа .
Так как · величина li мала по сравнению с 2,R (поскольку кон .,.....,
станта с даже для лепшх газов не превышает 1,0 нм/кВ), то ве
личиной N 2 в уравнении (4.50) можно
пренебречь ,
'riV +:=:::::DS 111 ax - Sn,
сЕ
\
От.сюда следует выражение для мак
симальной концентрации растворенно- ·
го газа:
μN++сЕ
s
2R
Sm11xl--l- --- -,, .
Sшах = So + ~~---
D
511
Если величина Sшах, рассчит·анная
х
по приведенной формуле, превышает ;,
максимально возможную в данных
условиях растворимость газа в метал Рис. 4.41 . Установившееся, рас
пределение концентрации в не
ограниченной пластине, бомбар
дируемой высокоэнергетически-
ле, то поглощенный газ начинает объ
единяться в пуз ы рьки, вызывая раз
рыв металла. Это - явление получило
название «блистер-эффекта:.,
ми ионаыи
В нержавеющей стали водородный «блистер-эффект» наблю
дается при поглощении 3-1О-2 м 3 -Па/см 2 , что соответствует при
быстроте откачки 10- 2 м 3 / (1с-см 2 ) и да·влении 4· 10-6 Па ·при·близи
тельно 300 ч непрерывной _ работы.
• По известному значению Smю: мо.ж .но подсчитать общее коли
чество газа, 1,оторое будет поглощено единицей поверхности:
a=(Smax -So) R.
Во время ионной бомбардировки среди многих физических
процессов наблюдается ра,спыление материала, сопровождающ~еся
над.~сеяием .. т.Qн~их пленок на элек троды - и корпус насоса. Co pб
д!I;9}'J:.H<!Я fi а:~ти:$н,Q.С'!Ъ ~г;и:.х .лленок используется для хемосорбцuон
НQ!/l:; :r!Jт1f,_ашvи_.т: :Покав.f тесле-м г.акз:ивн0;сти , прецки; , является тепло та
адсорбции поглощаемого газа на , мате-раале rл.11енки·,1 .·.::, :· J , .
· ;'):',
,r,J1 Шепл.оты ,;1юр~q1:1и г азо в с;на металличе<f!КИ-Х; пgreш,a-:x; !:Qfl , при йом
на 1пtо.й , !!'емлер a;r,yip,e·,rИl :Jvi ал:1;,1~--- , сте.пенях .запо.11ненr1я поверхъюети
сильно зависят от рода газа и состав.11яют_ для Н2 _:_ 19,3 кДж/мо.лв ;
G.0,ft,419; N2 ~ -Зi;>-.Бi С1•О2 -; - - .-, 813; ,:,,СО2--: 4~il; ·• .-Аг .~ ~
-8,38;,, Kr· -::::16,8;
Хе - 33,5 кДж/мо.11ь.
,_, ,
,1,, .
_.
•.
_.c,~-
R r, bl<te , ГμВЫ, ·,кроме ишертных, •., погJJ,ощаю1;ся за счет хе·!у!осорбции.
ИоглощениЯt ,; ИН~Р <l(НЬIХ& газ0в,· : плен:к;ами.. , riр1J.ктически : ,не г про исхо -
107
дит, что требует для их удаления применения вспомогательных
средств откачки, наиб'олее удобным из которых щзляется ионная
откачка.
Наибольшее распространение в качестве распыляемого мате
р_иала получили Ti, Zr, Та, Ва, Мо, ·w, Hf, Er. В качестве примера
приведем данные о сравнительной сорбционной емкости _ титано
вых пленок в м3 -Па/мг: Н2 -8-1О-2; 0 2 - 6,10-3; N2 - 7•10-4;
СO2 - 10-з; СО
-
1О-3;Н2O- 7 ·10-4
•
Для пов_ышения эффективности хемосорбционной откачки
пленки ч_асто напыляют из специальных испарителей нез.ависимо
от ионной откачки. Причем напыление пленки на бомбардируе
мую ионами поверхность предотвращает ее распыление и обратное
выделение поглощенного газа.
•
Быстрота поглощения газа пленкой S0 зависит от ее материа
ла, рода газа и температуры . пленки. Для 1 см 2 титановой пленки
при периодическом напылении S 0 для Н2 ir N2 равны при 77 К
-соответственно 26 •1о-з и 7_• 1О-3, а при 293 К - 15 • 1О-3 и ·
ю-:.~. м3/(с-см 2 ).
- Поглощение
газов пленками может носить поверхностный или
объемный характер. При поверхностном поглощении на начальном
участке сорбцiюнной кривой количест,во сорбированного газа
прямо пропорционально времени сорбции. ' Объемное поглощение
происходит за счет диффузии газов в плен.ку, и количество по
глощенного газа на начальном участке сорбдионной кривой про
порционально .корню квадратному из времени · сорбции.
Поверхностный характер сорбции наблюдается обычно при
низких температурах, объемный - при высоких. Титановая пленка
при температурах щ,rше 150 К водород поглощает объемно. Коэф
фициент диффузии водорода при температуре 220 К составляет
10- 15 см2/с, а пpI:I 300 К-2-1.0-1
- 1 см2/с.
При поверхностном поглощении водорода на титановых плен
ках . sa счет_ каталитических реакций со свободным углеродом, ра-·
створенным в пленке, происходит выделение: метс;lна СН 4 , образо
,вание которого прекращаетс'я только при низких темпера'rурах
(< 77 К):
_
.
Такие газы, как N2 , 0 2, СО и СО2, начинают поглощаться
объемно титаном только при температурах более 1000 К. Погло
щение воды сопровождается выделением ~одорода.
Сорбционные характеристики пленок сильно зависят от усло
вий их образования. Пленка, осажденная при низкой температуре,
. --------
имеет пористую структуру, что приводит к значительному повы-
шению скоростей логлощения газов.
Конструкция · ионно-сорбционного на,соса определяется типом
испарителя, конфигурацией электродов и способом подачи напря 0
жения.
-
Испарители бывают прямопакальные, подогрев!;f,Ые, электрон
но-лучевые и дуговые .
.в
качестве
прямон·акального
испарителя
(рис. ·4 .42, а) используется биметаллическая проволока с молиб-
108
деновым керном, на который иодидным способом осажден 'слой
титана.
Испаритель с лучистым нагревом (рис. 4.42,6)
пр~дставляет собой сферическую оболочку из активного мате
риала, внутри которой вставлен проволочный нагреватель. Макси
мальная рабочая температура таких испарителей титана состав
ляет 115Q0 С, что обеспечивает максимальную скорость испарения
l мг/с.
г)
Рис. 4.42. Конструкции испарителей:
а - прямонакальный; • 6 - подогревный; • ' в_;. электронно-лучевой;· г - дУ•
ГОБОЙ
Электронно-лучевой испарител -ь (рис . .4.42, · в)
представляет собой электронную пушку с вольфрамовым като•
дом 1, помещенную в поперечное магнитное поле. Магнитное пол~
позволяет размест11ть пушку вне зоны нанесения активного мате
риала. Между пушкой и мишенью •прикладывается ускоряющее
напряже1tие в несколько тысяч вольт. Максимальная скорость
испарения из жидкой . фазы может достигать 30 мг/с.
В дуговых испарителях (рис: 4.42, г) активный материал рас
пыляется в катодном пятне дуги постоянного тока. Катодное
пятно хаотически перемещается по • поверхности охлаждаем.ого
водой катода из титана. Плотность тока в пятне достигает
106 А/см 2 . Дуга горит в парах испаряемого материала, что позво•
· ляет поддерживать разряд даже в условиях сверхвысокого ва-
• куума.
Возбуждение дуги происходит, например, при коро,rком
замыкании подвижного электрода. Питаю1~ дуги осуществляется
от источника постоянного тока с И = 30--: - 50 В и током 120-
180 А. Максимальное давление запуска не .превышает 7 Па. При
больших давлениях анодное пятно становится неподвижным и
может расплавить стенку нас.оса. Скорость испарения в дуговых
испарителях может достигать 20 мг/с.
В насб'сах и<:парительного типа, не имеющих устройств для
ионной откачки, ттредельное давление составляет обычно 10-7 Па.
Охлаждение · активной пленки до температуры жидкого азота сни
жает предельное давление до 10- 11 Па .
109
Верхний предел рабочих давлений, равный 10-2 Па, лимити
руется образованием во время ра-е5оты испарителя окислов, нит
ридов и карбидо1:, на поверхности активного материала, что при
водит к уменьшению скорости испарения. Максимальная быстрот а
действия выпускаемых промышленн9стью насосов такого типа ,
достигает 2,105 .тr/с при откачке водорода. Применение испари -
+(5-- 7}кв
:ш,:в
..l
О)
г)
2
5
е)
Рис. 4.43 . l(онструкции ионно - сорбционных насосов
\
тельных насосов · Ееэффективно при откачке продуктов органиче-
сfого происхождения и инертных газов . •
Большое распространение получили ионно - сорбционные насо
сы, которые используют одновременно поглощение газов хемо
сорбцией и ионной откачкой. Эти насосы можно разделить на две
группы: насосы- с независимым и саморегулирующимся распыле
нием активного материала :
• _ Пример конструкции насоса с независимым распылением ак
тивного материала предст авлен на рис . 4.43, а . Насос состоит из
корпуса 1, холодиль·ника 2, распылителя 3, управляющей сетки 4,
и о низирующей анодной сетки 5; катода 6. Электроны, вылетаю
щие из термокатода, . направляются на распылитель _и анодную
с етку, к которым приложено положительное напряжение в не
сколько сотен вольт. Электронная бомбардировка 'раtпьi лителя
разогревает его до температуры испарения находящегося на н·ем
активного металла. При этом электроны, направляющиеся к иони
зующей анодной се11ке, совершают до попадания . на нее несколько
колебаний, ионизируя -путем соударения молекулы остаточных
газов. Сетка 4 служит для поддержания постоянства эмиссион
ного тока в случае врем_енного отравления катода :
110 .
;.,
Ионизированный газ хорошо сорбируется активным металлом,
напыленным на поверхность стенки корпуса, и ионной откачкой -
путем Вif!едрения положительных ·ионов в материал стенок корпу
са. Основ~rые характеристики насосов такого типа приведены на
рис. П.4 и в табл. П.6.
Другим способом расположения электродов, приводящим к
эффективной ионизации газов и ионной откачке, является конст
рукция орбитроi-lного насоса (рис. 4.43, 6) . Электроны, эмиттируе
мые небольшим . вольфрамовым катодом 5, под действием поло
жительного потенциала анода 4 направляются в пространство
ионизации между концентрично расположенными анодом 4 и кол
лектором ионов 3. Одновременно благодаря наличию присоединен
ного к катоду спrциального электрода 2 электронам сообщаются
касательные скорости, обеспечивающие движение электронов по
ируговым траекториям, что в несколько тысяч раз увеличивает
пробег электрона по сравнению с _ расстоянием между катодом и
анодом. Положительные ионы, образовавшиеся в результате иони
зации остаточны~ газов, под действием ускоряющего поля рнед
ряются в коллекrор ионов, которым может' · служить К6-рпус_ 1
насоса. Одноврем~нно с анода, разогретого до температуры испа
рения элек·трощюй бомбардировкой, активный материал напыля
ется на коллектор ионов, что обеспечивает хемосорбционное по
глощение откачиваемого газа и «растворение» поглощенных мо
лекул.
Недостатком этих насосов является то, что скорости распыле
ния активного металла и производительность откачки в · таких
насосах независимы друг от друга. Это часто приводит к непро
изводительному расходу активного металла.
Саморегулирование . скорости распыления обеспечивается в
магниторазрядном насосе - (рис. 4.43, в), который состоит из двух
катодов 1, цилиндричес15ого анода 2, находящихся в магнитном
поле с индукцией В. Магнитное поле направлено по оси анода.
Анод имеет положительный относительно катодов потенциал
Б-7 кВ. В диодном магниторазрядном насосе, имеющем . большую
производительность (рис. 4.43, е), анод 2 выполнен в виде сотqвой
рамки , 'каждая ячейка которой вместе с катодами 3, прикреллен
ными к корпусу /, соответствует вместе с магнитом 4 предыдущей
,схеме.
Откачиваемые газы ионизируются электронами ; появляющи
мися за счет автоэлектронной эмиссии из катода, и вторичными
:электронами, возникающими при бомбардировке катода ионами
откачиваемого газа. ' '
Напряженность магнитного поля подбирается таким образом,
чтобы р-адиус траектории электронов был меньше радиуса анода.
При этом общая длина траектории. электрона до его попадания
на ан_од сильно увеличивается, что ведет к :возраст'анию вероят-
ности ионизации остаточных газов.
•
Положительные ионы, слабо отклоняющиеся магнитным полем,
бомбардируют катод и · распыляют активный металл, который
111
осаждается на аноде. Один ион выбивает я среднем один атом.
активного материала, что и обеспечивает саморегулируемую ско
рость распыления при работе насоса.
Активные газы химически взаимодействуют с распыляемыми,
атомами материала катода и qсаждаются на анод в виде хими
ческих соединений. Инертные газы откачиваются за счет ионной
откач.ки: положительные ионы внедрением в материал катода •
.отрицательные
ионы и высокоэ.нергетические нейтральные части
цы - на аноде. Основное количество - инертных газов откачивает
ся на аноде, так как из катода наблюдается р,еэмиссия поглощен-
· ных газов в процессе их распыления.
•
Для повышения эффективности распыления ак1:,ивного мате
риала применяются cxel'flы дu_одных магниторазрядных насосов с
ребристыми катодами (рис. 4.43, г) и триодная схема (рис. 4.43, д}
с сетчатым катодом 2. Распыление активного материала в этих на- •
сосах ведется с больших поверхностей при малых · углах падения
ионов. В триодном насосе ,распыление ведется дополнительно на
коллектор 1 (корпус насоса), который не бомбардируется поло
жительными ионаlУ,!и.
• Магниторазрядные на ,сосьr
обладают заметной избиратель
ностью в процес~е откачки. Быстрота действия этих · насосов при
откачке водо:рода в 3 раза выше, а кислорода в 2 раза ниже, чем
азота.
•
-
Быстрота действия при откачке инертных газов в ДИОДНЫХ
насосах сос'J"авляет для гелия 10%, неона 4; аргона, криптона а
ксенона 1-2 % от быстроты действия при откачке азота. В .кон
струкциях насосов триодного типа и в насосах с ребристыми като
дами быстрота действия при откачке аргона повышается соответ
ственно до 25 t( 10% от быстроты действия при откачке азотс1.
При длительной откачке аргона в насосе может возникнуть.
аргонная нестабильность, сопровождающаяся периодическими r<О-
лебаниями давления.
•
•
'
-
1
•Магнитная система насосов по соображениям
экономичности
и надежности выполняется на постоянных магн·итах из феррита
ба])'ИЯ (2БА, ЗБАJ, сплава железа с кобальтом ЮНДКЗ5Г5 и спла
ва_ кобальта с самари~м. Максимальная температура обезгажива
ния этих магнитов соответственно 150; 500; 150° С. Предельное
-
давление магниторазрядных насосов l0-8
-lo- 10 Па.
Для облегчения зажигания разряда в насоса·х при работе в
_
сверхвысоком ваr,ууме используется тригерное устройство на
основе радиоактивных- изотопов с 'Электронным умно:нштелем.
Верхний предел рабочих давлений определяется перегревом
электродов насоса. При давлениях более 1О-3 Па длительная
работа насоса возможна лишь при дополнительном охлаждении
его электродов. Кратковременная рабоtа насоса при его запуске
возможна от давления ~ 1 Па.
•
Наличие загрязнений на электродзх насоса, особенно органи
ческих, уменьшает _рыстроту действия насоса и ухудша·ет предель•
ное давление, поэтому предварительная откачка этих насосоа
112
должна обесп ечиваться' безмасляными средства ми от качюr. Ха
рактеристики магниторазрядных насосов, выпускаемых про мы ш
ленностью, _ приведены в табл. П.12, 13.
Магнитора зр ядными насосами трудно обеспечить большую бы
строту откачки йз - за малой проводимости корпуса насоса, нахо
дящегося в магнитном зазоре. В связи с этим получили распро
странение комбинированные насосы (ри.с . 4.43, ж) . Испаритель 5.
-
распыляющий активную пленку на охлаждаемые экраны 2, обес
печивает основную быстроту откачки химически активных г азо в .
Экран 3 защищает откачиваемый объект, подключаемый к насосу
через фланец 1, от пр9никновения паров испаряемого материала .
Встроенные магниторазря,щные насосы 4 откачивают в основно м
инертные газы.
Массовая удельная быстрота действия комqищrрованных насо• •
сов 0,1 . кг/(л/.с), в то время как для магниторазрядных насосов
она · равна 0,4 кг / (л/с). Характеристики современных магнитораз- '
рядных насосов приведены ' на рис. П.4 и в табл. П.7. •
§ 4.6 . Криогенная откачка
Криогенная откачка может осуществляться за счет конденса
ции или адсорбции .
Крио,конденсационная откачка возможнаприусло
вии, что давление откачиваемого газа в вакуумной системе выш е
давления его насыщенных паров
в насосе (рис. 4.44). В связи с РТ' Пr/
тем, что теплоты конденсации 10 1,
обычно меньше теплот адсорбции,
криокщщенсация по сравнению с 100
криоадсорбцией наблюдается при
более низких температурах , что 10-ч.
затрудняет ее техническую реа
лизацию. Преимуществом крио- 1о ·в
конденсации является возмож
ность получения теоретически
1
'<{е
Hz:
.,
1
I
1/
I
1
,;/
//f,r •'r/
/
'/
Ne
1/
Nz!/
10
••
//t
1/,
iCD21
i
1/н201
1/
1
1
100 Тп,К
максимальных значений быстро- Рис. 4.4 4_ Зависимости давления на
ты откачки на единицу охла:жд~е- сыщенных паров некоторых газов от
мой поверхности. Дщr охлажде- температуры поверхности
ния конденсирующей поверхно-
сти часто исriользуIQТСЯ сжиженные газы . (табл . 4.3) .
Массовый поток газа, падающий на единицу поверхности r< рио
панели в единицу времени, равен произведению N q из ( 1.11) на
массу молекулы газа и может быть представлен 13 виде
Q1=Рг V 2л;Тг '
(4.51)
где Рг и Тг - давление и темп·ература газа.
113
\
Таблиц а 4.3
, Параметры сжиженных га з о в
• Параметры
1
N,
Ne
н.
Не
Температур-а кипения при атмо-
77,3
27,2
20,4
4,2
{:ферном давлении, К
1
Теплота парообразования, кДж/л
162
[02
31,7.
2,7
1
Плотность в ЖИДКОМ состоянии ,
0,81
!,18· 0,07
0,13
r/см 3
Скорость испарения при теп1овой
0,021
d,035 0,16
, 1,4
нагрузке 1 Вт, л/ч .
, Воспользуемся
выражение·м для скорости испарения, · опреде
.:rяемой через скорость конденсации при давлении насыщенных
паров, Рт, тогда
(4.52)
где Тп - температура криоповерхности.
Принимая 1 0 •внимание, что плотность таза р = РгМ (RТг), запи
шем выражение для быстроты конденсационной откачки с уч_етом
•выражен ий (4.51) и (4.52) ~
;'
Sк=Q1 -Q2 =3,64VТг'(1_
_h_ VТп)•
(4.53)
r
М
Рг
Тг.
При Рг ~ Рт получаем выр,ажение для теоретической макси
мальной быстроты действия криоконденсационного насоса ; опре
деляемой только СI{Оростью конденсации:
Smax=З,64 VТг/М.
Величина Smax [м 3/ (С· м 2 )] .имеет в зависимости от температуры
_
и ,рода газа следующие значения: при Т = 293 К и 78 К соответ
ственно для N2~ll8 и 61; 02-110 и 5'7; Ne-1,39 и 72; Н2-442
и 228.
•
На рис. 4.45 приведена удельная быстрота откачки азота, име
ющего температуру 293 К в зависимости от давления и темпера
туры криоповерхности.
Предельное давление криоконденсаци·онной откачки з-ависит от
температуры ;поверхности криоосадка, на которой происходит кон
денсация откачинаемого газа. Коэффициенты теплопроводности
л [Вт/ (см. К)] и плотность газов · в твердом состоянии рт [г/см 3]
имеют соответственно следующие значения: N2-l0..:.3 и 0,95; Н2-
110-2 и 0,08; СН4-8• 1О-4 и 0,52; Аг- 2· 10-2 и 1,69; Kr-2 · 10-2
и 2,96; Ne:__ 10-2 и 1,44.
•
114
Предельное давление криоконденсационной откачkи опре деля
ется из уравнения (4.53) при Рг -
_ Рпр
иSк=О
Рпр= Рт VТпfТг.
(4.54)
Значение предельного давления может возрастать с поnыше
нием температуры поверхности криоосадка Тп и увеличение'V! ега
толщины
Ot•
k=--,
Арт
где G- производительность насоса; t- время его работы; А
-
пло щ адь конденсирующей поверхно-
сти.
При откачке азота с производи•
тельностью lQc-2 м 3 • Па/с на площади
о',1 м2 за 106 с образуется слой конден
сата толщиной 1,5 ' мм.
• Уравнение теплового баланса
на
поверхности криоосадка можно запи
сать в следующем виде :
Н=л Тк-Тп.
!i
(4.55)
Здесь Н - суммарный тепловой поток
на единицу поверхности ' криоосадка;
Тп и Тн. - температуры хладоагента и
поверхности криоосадка. Решая (4.55)
относительно Тн, получим
120
во
40
'
'\')
'
'<.L[.
1
2'з.\
1
1'
1
!О 14- iB 22 26JDТ,К
Рис. 4.45 . Зависимость удельной
быстроты откачки азот а/ОТ тем
пературы _криоп_оверхности пр и
давлениях:
- 1-10-10 Па; 2-10-6 Па; ·з-
10-• Па;4- 10-1Па.
Для Н = 50 •Вт/м 2 после образования криоосадка азо т а толщи
ной 1,5 мм превышение температуры криоповерхности над темпе- .
ратурой хладоаген т а составит 0,75 К.
Используя зависимость давления насыщенного пара от т е мпе
ратуры ln Рт = М-N/Тк , уравнение (4.54) можно записать в виде
где М и ['1 - константы.
~ Й 3·P 1.(1 i.J 1,,:JiqTO!j~Jг)S q
:штсrП .RЕdп.эн d l' ЭQU5'
Кр и о а_ д с о р Gц ион н а я откачка осущес;пm5Юi~~- о-:Р,1⁄2:ь,И
адсорбции газов на охлажденных поверхностях. Равновесное дав
ление о ткачиваемых г а зов опред~ляет ся , Ril отермами адсо р бции
(3.28), устанавливающими. связь меж ду количеством поглощен
ного газа . и давлением · при постоянной т~N;!r,~Baf~~ y-,1 l6о ~нтА-,Я!Р,J
для использования в вакуумных насосах количество адсорбирован
ного газа наблюдается уже при темпер:r~туре его кипения при
атмосферном давлении. •
Уравнение материального баJ]а-нса пр_и криоадсорбционной от
качке неподвижным адсорбенто_м может быть записано в следу_!()
щем виде:
t
Роv+КпРо+ rq1dt=p1v_IJ_+KТ2Pi,
·
J
Т2
о
·
(4.56) ' ·
где Ро и . Р1 - начальное и конечное давления; v=Vк/Vа - объем
ная нагрузка -на·соса; Vк - объем откачиваемого · объекта; Va -
объем адсорбента в насосе; q1- суммарная , прои зводительность
газовыделения и натекания на единицу объема адсорб ен·та; Т 1 и
Т2-рабочая температура насоса, Т2 < Ti; Кт 1 и Кт2 - коэффи
циенты адсорбируемости газа при температурах Т 1 и Т2 .
t
.
Если .) qdt«p0v+ :кпРо, тогда
о
Р1=Ро v+ Кп
(4.57)
vT1/T2 + Кт2
Для обычных вакуумных систем (Vк = 50 л; Va = 1 л) v = 50.
При откачке азота от атмосферного давления активным углем
СКТ-2БприТ1=;= 293 К,К293=102иприТ2, .77 К, К77=2-107,
получим Pi = 7,6-10- 1 Па.
•
.
Подбирая· температуру десорбции, можно обеспечить, чтобы
Кт~-« v -« Кт2, тогда:
V
Р1~Ро -- ;-
Кт2
(4.58)
Допустим., что к откачиваемому объекту параллельно подклю
чено п адсорбционных нас~сов, для каждого из которых и д.11я
всех вместе выполняются условия, ук_азан\ные для урав!Jений
(4.56 -4.58). Тогда, включая их последовательно для откачки
н.асосов иоследующих ступеней и камеры объекта, осуществим
многоступенчатую откачку, для которой конечно'е давление
-Рп=Ро (_-v_
·
)п•
\Кт2 •
Дляп=3, v =50ир0___;105Па-приоткачкеазотаКп=107по- •
лучим для Pn значение 10- 11 Па.
• Рассмотрим случай, когда интегралом в уравнении (4.56)- при
небречь нельзя. Принимая q1 = const, получим - выражение для ко-
нечного давления:
•
•
•
(4.59)
-Быстрота
откачки. единицы объема адсорбента будет равна:
S1= S-max(1--: р~),
(4.60-)
/
116
где Smax - максимальная быстрота откачк~, зависящая от геомет
рии нас·оса и свойств адсорбента.
Подставляя (4.59) в (4.60) с учетом того, что qi = SiP, полу-
• чим
S•_
v+КТ2- (v+Кп)Polр
1-
•
•
[(v+Kт2)/Smax]+t
Начальное значение быстроты откачки при t = О и р = Ро
S = S JГ=-v+Кп).
О max\
v+Кт2
Быстрота откачки · уменьшается вдвое при
что видно из рис. 4.46.
Форвакуумные адсорбционные насо
сы целесообразно делать с неподвижным
адсорбентом. Однако при работе в высо
ком вакууме при малых . начальных дав
лен11ях из - за нестiJ,бильности рабочих ха
рактеристик целесообразно переходить к
непрерывной адсорбционной откачке с
движущимся адсорбентом.
Количество поглощаемого и десорби
рованно г о г аза в неравновесном состоя-
нии определяется решением нестационар
ного уравнения диффузии: .
о
t
да=Dд2а
дt
д.х2
(4.61)
. при начальных и граничных условиях :
а(О, х)=ао; a(t, R)=ан; да(t, O)/дх~О.
При адсорбции ан = ат, при· десорбции
Рис. 4.46. Зависимост~ отно
сительного давления p r'f.pпp
(1) и быстроты откачки
S/So (2) в адсорбционной
откачной системе с непод
вижным адсорбентом от вре-
мени откачки
ан=ар.
Решение уравнения (4.61) можно представить в следующем
виде:
~=(aR-a0)r1-~~
-
1 exp( - k2:rt 2t))=(aR- а0)&.
\
л;2 ~ k,2
·
,
.
k=1
При малых т = Dt/R2 < 2.10- 2
•&=(1-~ ~
-
1 ехр(-k2л:2т))=6 '1 / 11 .
.
л;2~k2.
-
V
те
k=1
Быстрота непрерывной адсорбционной откачки
S=S • (l- КпР2)&
н
max
К
,
•
Т2Р1
(4.62)
где Smax =;= VлFK12; Vл - скорость транспортирования адсорбента,
117
F - площадь поперечного сеченин адсорбционного слоя. Для
Vл=0,1см/с;F=1см2;Кт2=107получимSm:ix= 103л/с.
Поскольку предельное давление Рпр = р 1 при Sн = О, запишем
из уравнения (4.62):
Кт~
Рпр= Р2 ~
Т2
что для угля СКТ-2Б при Кт1 = 102, Кт2 = 107 дает велпчину
Рпр = 1О-5 Р2-
Ха р актерная ;зависимость Sн = f (vлl для насосов непрерывного
действия представлена на рис. 4.47.
В первом режиме 11= 1 до _тех пор, по-
ка 'ta~0,4:
-
.
~Dla•
Vл1"" О 4R,2;
'
а
п
1
где la - длина камеры адсорбции; Ra -
Vлz
·vп радиус частицы адсорбента. Быстрота
откачки Sн = Smax пропорциональна Vл.
Рис . · 4.47 . Зависимость быст
роты действия адсорбцион
ного насоса непрерывного
действия от скорости транс-
портирования адсорбента
Во втором режиме адсорбент не успе
вает насыщать,ся откачиваемым г~азом,
11< 1 и быстрота -действия насоса пропор-
циональна VVл:
•
_
.3,4Fkт2 ~ 1
--
(
Кр2)
Sн---- V DlaVл 1 ---
.
Ra·
_
.
Кт2Р1
i',ретий режим начинается со скорости vл 2 , определяемой тем
пературопроводностью адсорбента а и ,безразмерным временем
охл,аждения F0 = 0,8
,
2
Vл2= af 0 xf (Rcл -0,8),
где lox - длина камеры охлаждения; Rсл
-
хар·актерный размер
слоя.
При скоростях транспортирования больших Vл 2 адсорбент не
успева·ет охлаждаться и быстрота откачки насоса резко падает.
Таким образом Vл 2 является оптимальной скоростью транспорти-
рования.
~-or ~ ~ :-')\\\(\ ::-_ -.
--
=~ti~- ;~i-ii :.г :-·
Рассмотрим_ основные конструктивные" варианты криоадсqрб
ционных НаСО§:01\ ,Р.ря_ -~a~f)Ч>J -~ ) 09да а-tI,Г IJИЗ, l\!_ОГ О ,В ~)f у ~ ма
ИСПОЛЬ
ЗУЮТСЯ насос 9I по~рgжнр1г'О лтuпа °('pi:!Q. -, 4.4 ~, о:~,), at ; для работы в
высоком вакууме - заливного типа (рис.i 4.48, б)'. Адсорбент 1
для пpeдoтвpaщeни~j?[;~~J1t~!tn1t,,ЛicX~1;;1!1ett!i1,5;1" rXf-1\qf:~3⁄4 i??\f3;Ж~~г
ния помещается внутри пористого металлического ' фильтра 2. На-
гR .е~~тель 3 служит дJJ-1 _р~[~'н~?д'1ш ад,,с:_орqента после его насы
lщiения откачиваехЫМ ' {t?-з?{f.:.':'p азниц'а 0в · -:конструкции насосов по
гружного и заливного типов состоит в том, что сосу_д Дьюара 4
,п:л-я, с; раа~ещ~ния,~хt1I\аj/1.@;а1г.енu:а 1"5 11и н40Qса* .rюгруж'йQ_r.о - - TIJдa', БЫ"
i:t~
полняется съемным, а в насосах заливного типа в качестве тепло
изоляции между стенками насоса и сосудом с хладоагентом ис
пользуется вакуум, создаваемый самим насосом. Первая схема
rтолучила распространение для· форвакуумных, а вторая - для вы
соковакуумных насосов.
"
•
z
..
7
i:
5
·t·
5
..
J
Lf
,,
.3
4
:·
о
J
о
Б
,,
1
2
1
1
г)
Рис. 4.48. Конструктивные схемы криогенных насосов
Схемы криоадсорбционных насосов с неподвижным адсорбен
том конструктивно просты, но требуют дополнительной ·арматуры
для обес'печения непрерывного процесса откачки, имеют высокие
эксплуатационные расходы хладоагента и электроэ нергии на изме
нение температуры не только самого адсорбента, но и корпуса
насоса. Характеристики • промышленны х адсорбционных насосов
л риведе~:r ы в табл. П.8.
-
Схема криоадсорбционного насо с а с движущимся адсорбентом
(рис. 4.48, в) обеспечивает постоянство быстроты откачки и пре
дельного давл ения: независимо от времени работы насоса . Адсор
fJент 1 движется по замкнутому контуру с линейной скоростью
ел, [!роходя на своем пути камеру адсорбции 2, шлюз 3, нагрева
тель 5, камеру десорбПсИИ 4, шлюз · б, холод и льник 7, и вновь по
падает в камеру адсорбции 2.
Криоконденсацианные насосы заливного типа имеют конструк
тивную схему рис. 4.48, г. В полость 2 залива .ется ни зкотемпера
турный хладоагент (жидкий гелий ил и водор9д), а в полость 3 -
119
вьrсuкотемпературный хладоагент (жидкий азот). Экраны 1 за
щищают поверхность сосуда с жидким гелием от излучения сте-
• нок насоса, не . препятствуя проникновению откачиваемого газа к
охлажденной поверхности. Очень часто криоконденсационные на
сосы используют адсорбционный способ поглощеюiя • неконденси
рующихся газов, для чего поверхность сосуда с низкотемператур
ным хладоагентом покрывается при изготовлении насосов адсор- .
бентом в виде rtористой окисной пленки (или в процессе работы
насоса на ней осаждается пористый слой хорошо конденсируе-
мых газов).
•
_
Криоконденсационные насосы испарительного типа (рис. 4.48, д)
имеют криопанелv в виде змеевиков, по которым циркулируют
пары хладоагента, испаряющегося из ·сосуда Дьюара. Цир-куляция
может осуществля:_гься за счет создания избыточного давления
в сосуде Дьюара или всасывающего действия механичесrюго ва
куумного Hqcoca. _ Ис па ря ющ ий ся
в криопанели 1 хладоагент ис
пользуется для охлаждения внешнего эк_рана 2, защищающегG
криопанель от излучения стенок насоса.
Криосорбционные насосы могут снабжаться а:iзтоном-1-rы.ми крио
генераторами {рис. 4,48, е), в которых криопанель 1 ,охлаждается
от автономной газовой машины 2, а .экран 3 служит для умень
шения притока тепла к криопанели.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что дает перепуск газ;~ в объемных насосах?
2. Зачем напускается балластный газ в объемные насосы?
3. В чем заключается принцип действия молекулярных насосов?
4. Как влияет род откачиваемого газа на быстроту действия турбомолекуляр
ного насоса?
5. В чем состоит р.азличие между эжекторными и диффузионными пароструй-
ными насосами?
_
-
6. Для чего применяются фрщщионирующие устройства в пароструйных на-
сосu?
/
7. Как увеличить быстроту действия магниторазрядных насосов при откачке
инертных газов?
•
•
8. В чем заключается саморегулирование скор-ости распыления активного · м11-
териала в ионно-сорбционных насосах?
--
9. Чем вызвано ·,ухудшение характеристик криоко·ндР.нсационного насоса П Q
мере увеличения количества откачанного газа? .
10. С чем связано наличие оптимальной ~жорости транспортирования адсор
бента в криоадсорбционных насосах? _ -
rлава 5
И ЗМЕРЕНИЕ ОБЩИХ ДАВЛЕН Ий
§ 5.1 . Классификация методов и приборов
_для измерения общих давлений
Область давлений, используемая в современной вакуумной
'Технике, 10 5- 10- 12 Па. Изм~рение давлений в таком широком
д и апазоне, естественно, не может быть обеспечено одним при
б ором. В практике измерения давления разреженных газов приме
няются различныt:; типы преобразователе~, от_личающиеся по прин
ципу действ~~ и классу точности. -
!0 3 р,Гlа
Рис. 5.1. Диапазоны рабочих давлений
вакуумметров
Рис. 5.2. Трубка Бурдона
Приборы для измерения - общих давлений в вакуумной технике
н а з ываются вакуумме'!'рами. Они обычно состоят из двух частей -
м анометрического преобразователя и из1vtерительной - установки.
По методу rrзмерения вакуумметры могут быть ра зделены на
а бсолютные и отпосительные. Показания абсолютных •приборов
не зависят ,от рода газа и могут быть заранее рассчитань~ . В при-
. борах
для относительных измерений используют зависимость пара
м етров не1которых физичесrшх процессов, протекающи х в вакууме,
о т давл~юrя . Они нуждаются в градуировке по образцовым при
бора м . Ва куумметры измеряют · общее давление газов , п ри сут
ствующих в вакуумной · системе. На р·ис. 5.1 - показаны диапазоны
рабочи х д а вле н ий разл ичны х типов вакуу мметров.
§ 5.2. Механичес1ше преобразователи
Трубка Бурдон а (рис. 5:2) - манометр в вид е спи ра л ьно й
трубки 2, сr<ручивающейся под действием атмосферного давл€ния
в случае откачки внутренней полости за счет разных радиусов
121
кривизны, а следовательно, и площадей наружной и внутренней
nоверхностей трубки.
Подсчитаем силы F1 и F2, действующие на наружную и внут
реннюю поверхности:
F1 =(Ра тм - р) А1;: F2=(Ратм- Р) А2,
где Ратм - атмосферное да·вление; р - давление в трубке; А 1 и
А2 - щющади наружной и внутрен
ней поверхностей. ✓
1
P"n=D
t~ ,J
а)
б)
~--
·- --------~
L.... i
Измерительное уравнение связы
вает между собой перемещение кон
ца трубки х и разность давлений
.Ратм-Р соотношением
_ЛF=F1 -F2=(Ратм - р) (А1 -.А2)=
=Сх,
где -С - жесткость трубки.
Манометр измеряе.т давления в
2 пределах 10 5-103 Па. Измерение
давлений ниже 103 Па затруднено
тем, что трубка при малой жестко
сти должна быть достаточно проч
ной, чтобы выдерживать атмосфер
ное давление. Погрешность измере
ния равна 5% и ограничена упругим
последействием трубки - медлен
ным возвращением трубки в исход
ное положение после упругой дефор
мации.
К: вакуумной системе манометр
подключается через штуцер 4. Ре
гистрация перемещения . спирал:qной
Рис. 5.3: Ме},1бранные ПР.еобразо- трубки обычно • рычажно-стрелоч-
ватели "
ная, когда конец спир ~льной трубки
связан через зубчатый сектор 3 со
---► р
Г•-- ----1--W.~-----1
2
8)
стрелкой •1.
•
Мембранные преобразователи различаются в зависимости от
способа реrnстрации перемещения мембраны и метода измерения.
В барометрах используется схема, показанная на рис. 5.3, а.
Внутри герметичной полости, о~разованной мембранами 1, созда
ется сравнительное давление Рср- Если измеряемое давление р не
равно /Jcp, то происходит деформация мембраны и перемещение
стрелки, пропорциональное разности давлений:.
'
1
где К - коэффициент пропорциональности.
Т акой прибор измеряет разность давлений и поэтому называ
ется дифференциалы-tы!'t, \
122
На этом же принципе работает мембранный преобразователь _
(рис. 5.3, 6), но в нем применен емкостный метод регистрации
перемещения. Мембрана 2 в этом приqоре герметично разделяет
корпус 1 на две камеры, в одной из которых поддержи'вается срав•
нительное давление Рср, а другая присоединяется патрубком 5 к
/ вакуумной системе. Через изолятор 4 в камеру вводи11ся электрод
'
3, образующий с мембраной конденсатор, емкость которого явля
ется функцией давления. Этот преобразователь может измерять
.абсолютное давление в вакуумной системе, если Рср = О.
-Мембранный преобразователь с двумя электродами (рис. 5.3, в)
работает по нулевой методике измерения. На электрод 2 подается,
переменное напряжение, которое позволяет определить емкость
и положение мембраны. На второй электрод 1 прикладывается
постоянное напряжение, которое з, а счет электростатических сил
воз-вращает мембрану к исходному положению, компенсируя воз
действие · разности давлений. Разность д·авлений в этом приборе
пропорциональна квадрату постоянного напряжения, приложен-
ного ко второму электроду . \
.
Диапазон изrjерения мембранных преобразователей 105 -
10-1 Па. Однако так как линейность показаний сохраняется лишь
при i1ебольших ' деформациях мембRаны, то один прибор может
измерять \давления, лежащие только в пределах 2-3 порядков.
Нижний · предел измерения ограничивается температурными
деформациями, ми),{имальной жесткостью и прочностью мембраны.
Преобразователи с электростатической компенсацией имеют более
стабильные характеристики, так как мембрана в них практически
не деформируется.
/
§ 5.3 . Гидростатические !1Реобразователи
•Простейшими гидростатическими прео _бразователями являются
жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Изме
ряемая этими манометрами- разность
давлений р и Рср уравновешивается ве
сом столба жидкости высотой h:
1Рср-Рl=gph,
где g·
-
ускор ·ение земного притяже
ния; р - плотность жидкости.
!-.'lанометры с открытым коленом
(рис. 5.4, а) удобнее для измерения
давлений, близких к · атмосферному. В
этом случае Рср = Ратм и высота столба
h минимальна. Показания такого ма
нометра зависят от атмосферного дав
ления.
В закрытом колене манометра (рис.
5.4, 6) перед его заполнением получа
ют давление Рср=О, что позволяет - не- ·
а)
о}
Рис. 5.4,. Жидкостные манометры:
а - с открытым коленом; 6 - с закры.
тым коленоr-.·r
123
посредственно измерять абсолютное давление газа в вакуумной
сi1стеме. В этрм случае показания прибора не зависят от атмосфер
ного давления. Меньшие габариты при измерении малых давлений
(менее 2-104 Па) имеет манометр с закрытым · коленом.
В качестве рабочей жидкости для заполнения рассмотренных
манометров применяют ртуть и масло. Масляные манометры име16т •
большую чувствитещ,ность, так как плотность масла примерно
в 15 раз меньше плотности ртути. Однако масло хорошо раство-
р • ряет газы, и перед работой требу~т
ся его тщательное обезгаживание.
•
Пределы измерения ртутных ма
нометров 105- 103 Па, а масляных
10 5- 10° Па. Погрешность при отсче
те уровня h может быть доведена до
0,1 мм. Более. точное измерение
уровня не имеет смысла из-за непо-
• стоянства величины пов е рхностного
натяжения, колебаний плотности ,
, температурных градиентов
рабочей
жидкости и т. д. Чувствительность
К Вспомогательной
0
-бакуумной системе .. манометров к перепаду давлении в
основном ограничивается вязкостью
самой жидкости.
Гидростатические манометры с
предварительным сжатием газа на
Рис. 5.5. .Компрессионный мано- зываются компрессионными. К ом-
м~
"
прессионныи
манометр
(рис. .5 .5) состоит из измерительно
го баллона 2 с капилляром 1(1, резервуара со ртутью 1, соедини
тельного трубопровода 3 с капилляром 1(2. Через ловушку 4 мано
метр нодключается к вакуумной системе. Баллон 2 перед началом
-
измерений соединяется с вакуумной системой через трубку 3. Из
баллона 1 под давлением атмосферного воздуха ртуть поднимает
ся вверх по трубке Т, отключает баллон 2 от вакуумлой системы •
и сжимает заключенный в баллоне газ до давления, которое м61кно
непосредственно измерить по разности уровней ртути в закрытом· и
сравнительном капилл'ярах К1 и 1(2. После компрессии давление
измеряется точно· так же, как в случае обычного ртутного мано~
метра с заr{рытым коленом.
Уравнение компрессионного манометра на •основании закона
Бойля - Мариотта имеет следующий вид:
(5. 1)
где р - измеряемое давление; V0 - начальный объем сжимаемого
газа; h - разность уровней в сравнительном и . закрытом капил-
'
:rtd~
•
ляр?х; V= --h1-
конечный объем газа после сжатия; dн -
/4
124
диаметр капилляров . Решая (5.1) относительно давления р, по
. лучим
npgd:hh1
р=
" >,,
2
•
4 (Vo- :тtdкhi/4)
При условии, что h1;r,d1?/4 значительно меньше V0 ,
:тtd2
Р=--к hh1 .
,4V0·
(5.2)
Если ртуть в закрьrтом капилляре манометра всегда поднимать
до одного и того же уровня, то h1 будет величиной постоянной и
-
уравнение (5.2) можно записать как:
р= С1h; С1= ;r,d~h1/( 4V0)·.
Этот способ измерения давления называется мет-<5дом линейно.й
шкалы.
\
Для расширения предеп.ов измерения можно пользоваться
мет(?дом квадратичной шкалы, при котором сжатие в манометре
~;~роизводится так, . чтобы ртуть в · сравнительном капилляре К2
всегда устанавливалась на одном уровне с запаянным концом за
крытого капилляра К1. При этом h = h1 . Тогда уравнение (5.2)
можно записать :
p=C2h2; . С2= ;r,d~J(4V0). ~
Диапазон измерения компрессионных манометров 10 1- 1О-3 Па .
Трудности в измерении более низких давлений связаны с непо _.
стоянством капиллярной депрессии ртути (понижени·е уровня
ртути в капилляре по сравнению с ее уровнем в сообщающемся
с капилляром широком сосуде), откачивающим действием струи
ртутного пауа из манометра в ловушку; отличием формы конца
запаянного капил.Тiяра от формы мениска ртути, что ограничивает
минимальное значение h на уррвне ·5-10 м~ . Кроме того, по тех
нологическим соображениям диаметр капилляров не может быть
взят меньше 1 мм, а объем измерительного баллона определяется
прочностью стекла и о·бычно не превышает 1 л, что дает макси-
мальное значение коэффициента компрессии 2,5 • 105 •
_,,
Для измерения более высоких да,,влений требуется манометр
с очень длинными (или переменными по сечению) капиллярами .
В области -давлений более 10 Па уже можно пользоваться обыч
ными гидростатичес к,ими манометрами . без предварительного сжа
тия газа. Для уменьшения откачивающего действия струи ртутного
пара трубка Т сделана в виде капилляра, охлаждаемого водо й .
Компрессионный манометр относится к абсолютным прибора м
и используется в качестве образцового для градуировки други х
приборов . Его показания не зависят от рода газа.
Однако ко м прессионным манометром нельзя измерить давле
ние паров тех веществ, у которых упругость насыщенных пар о в
пр и температуре измерения меньше давления в измеритель н о м
125
1<апилляре после сжатия; нельзя проводить непрерывное измерение
да~ления. Недостатком манометра является также то, что он
должен присоединяться к вакуумной системе через азотную .1rо
,вушку.
§ 5.4 . Тепловые преобразователи
Принцип действия тепловых преобразователей основан на за
висимости теплопередачи через разреженный газ от давления.
Переда'-r"а теп,па ()Существляется от тонкой 'металлической нити
1< б а ллону, находящемуся при комнатной температуре. Металличе
-ская: нить нагревается в вакууме путем пропускания электриче
·ского тока.
Уравнение теплового баланса такого прибора можно предста
вить в следующем виде:
12R =Ек+Ет+Еи+Е ,о
(5.3)
где I - сила тока, проходящего через нить; R - сопротивление
нити; Ек Ет; E~i; Ем - потери тепла соответственно за счет кон
векции, теплопроводности газа, излучения нити и теплопроводно
'СТИ материала нити.
Кон вективным теплообменом в области среднего и высокого
вакуума можно пренебречь, т. е. Ен = О, а потери тепла излуче- ,
11ием
\
Здесь А---;-- поверхность нити; Ки - коэффициент излучения мате
риала нити; Та и Тб-:-- температуры нити и баллона.
Е,1:_ ь (Тн-: Тб) f,
Ь -:- коэффициент теп·лопроводности материала нити; f - сечение
нити.
(5.4)
где Кт' = Ар (р + В) - коэффидиент теплопроводности газа. В. об
.ласти низ·кого вакуума р ~ В и _коэффи·циент теплопроводно
сти газа не зависит от давления. Давление р = В, соответствую
щее переходу из среднего в низкий вакуум, является верхним пре
делом измерения теплового манометра. В области высокого ва
i< уума, когда р ~ В, коэффициент теплопроводности пропорциона
лен давлению и имеет ·вид
,
А
Кт=-р=Ктр.
в
(5.5)
Измерительное урав.нение теплового преобразователя с уче
то м уравнений (5 3), (5.4), (5.5) можно записать
/2R- (Еи+Ем)
р= -------
Кт(Тн-Тб)
(5.6)
126
Для точного измерения , давления необходимо, чтобы Ет со
ставляло значительную долю от Еи + Ем, т. е. сумма Еи+Ем была
бы существенно меньше мощности 12,R, выделяющейся в нити мано
метра. Поэтому условие f2R ~ (Еи+Ем) ~ 0,01 12R определяет ниж-
• ний предел измерения манометра.
Из уравнения (5.6) видно, ·что давление является функцией
двух . переменньчс тока накала / и температуры нити Тн.
Существуют два метода работы тепловых манометров: .метоd
пос,тоянной телтературы нити и ;vtетод постоянного тока накала.
Градуировочные кривые теп-
лового манометра, показанные
на рис . 5.6 для обоих методов Р
работы, представляют собой в
средней части соответственно
пар_аболу и гиriербщrу. Концы
градуировочных кривых у вер
хне го и нижнего предела изме
рения не 0писываются уравне-
а)
р
Iн
5)
нием (5.6) и переходят в ли- Рис. 5.6. Градуировочные кривые тепло-
нии, параллельные оси давле-
вага преобразовате.)lя:
НИЯ .
а - при постоянном токе накала; б
-
при пос-
Для расширения верхнего
тоянной те.шературе нити
предела измерения теплового
пр.еобразоРателя следует уменьшать его габариты, что увеличивает
отношение Цd и сдвигает границу низкого вакуума в сторону бо-
лее высоких давлений.
•
Зависимость коэффициента конвективного теплообмена от дав
ления используется для измерения давлений в области низкого ва
куума. Недостатком этого способа является зависимость показа- ·
ния прибора от его положения в пространстве.
Нижний предеJ, измерения тепловых преобразователей можна
улучшить, уменьшая ДО,!!Ю (Еи + Ем) - в сумме тепловых потерь
нити. Это может быть достигнуто. понижением температуры нити
н уменьшением диаметра вводов, соединяющих нить с · баллоном.
Пою,зания тенловых прео бразователей определяются соотно
шени_ем Ктр и зависят от рода газа. Преобразователь будет давать
одинаковые показания при выполнении следующих у·словий:
Р1Кт1 = Р2Кт2 = ... = РпКтп.
,
Выпускаемые промышленностью приборы проградуированы по
сухому воздуху. Если необходимо щ~мерить давление других га
зов, то нужно учиты,вать 9пюсительную чувствительность прибора
к данному газу:
(5.7}
где Pn и Ктв - давление и коэффициент теплопроводности воз
духа; Qг = /(j_,в//(тr - коэффициент относительной чувствитеJ1ьно
сти.
127
Значения qn для различных газов по отношению к воздуху
могут отличаться в несколько раз и приведены в табл. 2.1 .
Если преобразователь измеряет давление смеси газов, то его
показания будут выражены в воздушном эквиваленте Рв:
Р1Кт1+ Р2Кт2+ ... + РпКтп=РвКтв.
(5.8).
Так как из определения относительной чувствительности (5.7)
~ледуе!, ч1_:о .
5)
Рис. 5.7. Схемы те1;_ловых преобразователей:
а - термопарного; 6 - преобразователя сопротивления
то выражение (5.8) можно записать в виде
Рсм/qсм.= P1/q1 +Pzfqz+... + Рп/qп.
Разделив обе части уравнения на Рем, получ-им_
1/qсм= V1/q1 +V2fq2+ ... +V n/qn,
где V1, ... , Vп -объемные
концентрации -соответствующих газов,
п
причем IV; = 1.
Таким образом, коэффициент относительной
i=1
чувствительности для смеси газов определяется по формуле
п
1/qсм= ~ V;/q;.
i=I
(5.9)
Теплощ,rе преобразователи в зависимости от способа измерен_ия
температуры делятся на тер.мопарные и преобразователи сопро-
7•uвления.
В термопарном преобразователе (рис.5.7, а) тем~
пература нити 1 измеряется термопарой 2. Электроды распоЛ<)•
128
жены в стеклянном иш~ металлическом баллоне 3, имеющем пат
рубок для под1<лючения к ва~<уумной системе. Термо-эдс термопа
ры измеряется милливольтметром, ток накала нити регулируется
реостатом и измеряется миллиамперметром. ,
В преобразователе сопротивления дляизмерення
температуры ичюльзуется зависимость сопротивления нити от тем
пературы. Он включается в мостовую схему (рис. 5.7, 6). Ток
накала нити / н измеряется миллиамперметром, включенным в то
же плечо моста, что и преобразователь, а температура нити -
по току гальванометра в измерительной . диагонали моста. Ток
накала регулируется реостатом R.
Оба преобразователя могут работать как в режиме постоян
Fого тока накала, так и в режиме с постоянной температурой нити.
Преимуществом тепловых преобразователей является то, что
они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствую:
щих в вакуумной системе, и обеспечивают непрерывность измере
ния давления. Инерционность показани_й, связанная с тепловой
Енерцией нити, ИЗ!'-{еняется от нескольких секунд при низких дав
лениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.
Тепловые преобразователи как приборы для относительных
измерений давления обычно градуируются по компрессионному
манометру . Диапазон рабочих давлений 5 • 103- 10- 1 Па. Харак
теристики современных тепловых вакуумметров •представлены в
табл. П.9.
•
§ 5.5 . Электронные преобразователи
Принцип действия электронного преобразователя основан на
прямой пропорциональности .между давлением и ионным током,
образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами оста
точных газов.
Существует две схемы элек
тронного преобразователя: с
внутренн,и,1,~ и внеtиним коллек
тором.
Схема с внутренним
к о л лектором (рис. 5.8, а)
аналогична обычному триоду.
Коллектором ионов является
сетка, на которую подается
относительно катода отрица
тельное напряжение в ' несколь-
Ie
...,__
т/1
1
.. J.:1.:
а)
о)
ко десятков вольт, а на анод - Рис. 5.8 . Схемы электронных преобра-
положительное
напряжение
зователей:
100-200 В . Электроны на СВО- а - с внутренним коллектором; б
_
с
ем пути от катода к аноду (ток
внешним коллектором
le) соударяются с молекулами
остаточных газов, и образовавшиеся положительные ионы попада
ют на сетку, создавая ионный ток fи, измеряемый гальванометром.
5 Л. Н. Розанов
129
Всхеме с в;.1ешним коллектором (рис. 5.8, 6) потен
циалы сетки и анода меняются местами, и Еоллектором становит
ся ано д . Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокр у г
ее витков ряд Еолебаний, что увеличивает длину :траектории элек
тронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных
газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувстви
тельной, несмотря на то, что часть поло:жительных ионов, образо
вавшихся между сеткой и. катодом, . не участвует в измерении
давления.
Рассмотрим уравнение электронного преобразовате~я:
dN=npsdr,
(5.10)
где dN - число положительных ионов; п
-
число эле1<тронов;
dr - элементарщн; длина траектории электронов; е
-
эффектив
ность ионизации, равная количеству положительных ионов, обра
зуемых одним электроном на . единице пути при единичном давле
нии (см . рис. 2.9).
Если ввести в (5. 1О) электронный ток / е = n/t, то
dNJt=fepedr.
(5.11)
Интегрируя (5.11) по всей длине траектории электрона r с
,3нергией, большей потенцнала ионизации, получим выражение
для ионного тока:
'•
fи=feP Sedr,
r,
которое перепишем в виде
fи=K,JeP,
r,
/(11 = Ssdr - чувствительность электронного манометра.
r,
(5.12)
Из выражения (5.12), называемого уравнением электронного
преобразователя, очевидно, что для того, чтобы измеряемый 110н
_ный ток был пропорционален давлению, необходимо во время
измерения давления поддерживать постоянную величину элек
тоонного тока. Тогда а= feK называется постоянной электрон
н'оrо манометра. Постоянная а равна тангенсу угла наклона гра
дуировочной криной fи(Р) к оси давления .
Схематично конструкция электронного преобразователя с
внешним коллектором представлена на рис. 5.9, а . Коллектор
ионов 1 имеет форму цилиндра с электрическим вводом в верхней
части баллонов. Сетка 2 имеет форму двойной спирали с двумя
выводами для обезгаживания путем пропускания электрического
тока. Катод 3 волLфрамовый. Постоянная а при токе эмиссии 5 мА
для типового преr:бразователя составляет ~ 10-3 А/Па. Пределы
давлений, которьтt могут быть измерены таким манометрическим
преобразователем, составляют 1- 10-5 Па.
130
Верхний предел измерения типового электронного преобразова
теля равен ~ 1 Па и соответствует нарушению линейности гра
д уировочной характеристики, когда средняя длина свободного
пути электрона n объеме прибора ставится меньше пути элек
трона между элеrсгродами. Для .расширения верхнего предела
можно уменьшить расстояние между электродами. Сущес;твуют
2
-~·
з
~w
-
j
,1 ·•.
Jj_ l
спт ·
r.t)
и)
Рис . 5.9 . К:онструктивные схемы электронных преобра зова
телей:
а - с в н еш11им коллектором; 6 - с осевым коллектором; в - с маг
нитным п олем
т;риборы, верхний предел которых таким путем удалось довести
д.о 10 2 Па. Чтобы катод не сгорел при таких высоких давлениях,
его изготовляют из окислов редкоземельных металлов.
Нижний предел . измерения определяется фоновыми токами в
цепи коллектора. Фоновые токи возникают либо в результате
мягкого рентгеновского излучения анодной сетки, либо, как след
ствие, автоэлектронной эмиссии коллектора и ультрафиолетового
из луче ния накаленно г о катода, сопровождающихся уходом с кол
лектора фотоэлектронов. Рентгеновское излучение анодной сетки
является результатом ее бомбардировки электронами. Автоэлек
тронная эмиссия коллектора появляется под действием разности
потенциалов 200-300 В между коллектором и анодной сеткой.
Фоновые токи имеют одинаковое направление с ионным током
и поэтому оказыtЗают одинаковое воздействие на измерительные
приборы. Максимальным фоновым током является ток рентгенов
ского излучения, который оказывается пропорциональным эмис
сионному току:
IФ=К/ е;
где К., - коэффициент пропорциональности.
С учетом фоновых токов уравнение -электронного преобразова
теля может быть записано в следующем виде:
f =fи+fф=f е (Кs+КиР),
5*
131
& нижний предел измерения определится соотношением ионного
Jl фонового токов:
Ffи Ки
-=-р.
LIФ Ks
Таким образом, для расширения нижнего предела нужно при
постоянном давлении р увеличить чувствительность Ки или - умень
шить Кs-
Для уменьшения фоновых токов и, следовательно, постоянной
Ks, был предложен преобразователь с осевым коллектором
(рис. 5.9, 6), в котором катод и коллектор ' поменялись местамп,
что значительно уменьшило телесный угол, в котором рентгенов
ское излучение сетки попадает на коллектор. Это привело к
уменьшению Ks приблизительно в 10 3 раз по сравнению с кон
струкцией рис. 5.9, а и расширило нижний предел нзмерения дав
ления до 1О-8 Па.
Чувствительность Ки можно значительно увеличить, если по
местить преобразователь в магнитное поле (рис. 5.9, в). Элек
троны от катода к аноду в этом случае движутся по спирали.
В электронном· преобразователе с магнитным полем, создаваемым
катушкой 2 и направленным параллельно оси анода 3, катод 4 -
, термоэлектронный, а коллектор 1 расположен
в верхней части
балЛОJiа. Такой преобразователь за счет увеличения чувствитель
Рости имеет нижн11й предел на 2--3 порядка лучше, чем конструк
ция, показанная на рис. 5.9, а.
Электронный преобразователь имеет неодинаковую чувстви
тельность к различным газам, так как эффективность ионизацин
зависит от рода газа.
Если преобразователь был проградуирован по воздуху, а при
меняется для измерения давления других газоЕ, то необходимо
у читывать относительную чувствительность R. Из условия равен
ства ионных токов запишем К1 Р1 = К2Р2 -~
...
= КгРг === КвРв, откуда
Рв
RКс
Рг= -- , где г= - - относительная чувствительность к даннс-
R,
Кв
•
му газу. Относительные чувствительности электронного преобразо
вателя представлены в табл. 5.1 .
При измерении давления смеси газов из условия равенства
ионных токов имеем: КсмРсм=К1Р1+К2Р2+ ... +КпРп- Поделив
полученное уравнение на Кв, получим
_1(---"см=Р-=с"':.... R +R + + R
=
1Р1
2Р2 •••
пРп,
Ku
откуда следует
V· =_Ej_
l
•
Рем
Быстрота откачки электронных преобразователей составляет
1О-3 -10- 1 л/с, .что в закрытых конструкциях преобразователей,
132
присоединяемых •Iерез трубку с малой проводимостью, может при
rзести к заметным ошибкам измерения. Дополнительные источники
погрешности измерения связаны с химическим взаимодействием
газов с накаленным катодом и ионной десорбцией под воздейст
вием элек тронной бомбардировки газов, химически пог лощенных
анодом. Технические характеристики современных ва1<уу мметров
с электронными преобразователями представлены в табл. П.9.
Тип прибора
Электронный
преобразователь
Магнитный
преобразоватеш,
Радиоизотоп-
ный преобразо-
ватель
Таблиц а 5.1
Относительная чувствительность преобразователей
1N,1Н,1Не]Ar]со,1o,IHgIСН,1ХеINeIСОIrl,OIАцетон
1 0,43 0,16 1,30 1,6 0,85 2,5 1,5 2,8 0,27 1,04
-
-
1 0,43 0,15 1,4 1,3 0,86 -
-
3,5 0,26 -
-
-
1. 0,23 0,21 1,2 1,5
-
-
-
-
-
-
0,88 2,7
§ 5.6 . Магнитные преобразователи
Принцип действия магнитных преобразователей основан на
зависимости то1<а самостоятельного газов ого разряда в скрещен
ных магнитном и электрическом полях от давления . Электродные
2
2
...
С1)
б)
В)
Рис. 5.10. Электродные системы магнит ны х преобразователей:
а - я,еi\ка Пеннинга; б
-
магнетронная; в - ннверсно -ы ~ гнетронная
с истемы ,' обеспечива;ющие поддержание самостоятельного газового
разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают несколь-
ких видов.
-
Ячейка Пеннинга (рис. 5.10, а) состоит из двух дисковых ка
тодов 1 и цилиндричес1<ого анода 2-; в .магнетронном преобразова
теле (рис. 5.10, 6) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соеди
нены между собой центральным стержнем; в uгtверсно-люгнетрон
NОМ преобразователе (рис. 5.10, в) центральный стержень выпол
няет роль анода, а наружный цилиндр становится 1<атодом .
133
· Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На
анод подается положительное относительно 1,атода напряжение -
2-6 кВ, катод заземлен и соединяется со входом усилителя по
стоянного тока .
Решение уравнения движения электрона в · скрещенных элек
три·ческом и магнитном полях позволяет сделать вывод, что сво
бодные электроны, вылетающие из катода в р.езультат.е автоэлек
тронной эмиссии, в магнетронном и инверсно-магнетронном пре
образователях двигаются по циклоиде, образованной 01,ружностыо
диаметром D=2mlEl/(qB2 ), катящиеся по оr<ружности радиуса г,
с угловой частотой вращения (J) = qB/m и тангенциальной С[(О
ростью V,r = Е/В Е - напряженность электрического поля; В
-
магнитная индукция; т и q- масса и заряд электро н а , В ячейi,е
Пеннинга элект·роны двигаются по спиральным траекториям меж-
ду катодными пластинами .
•
Величина магнитной . индукции В выбирается больше крити
ческого значения, соответствующего равенству D = rmax, и состав
ляет в современных приборах ,,.,.,,0,1 Тл.
При соударении с молекулой ос1-аточного газа электрон теряет
часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном на
правлении к аноду. В связи с тем, что радиальная скорость элек
тронов значительно меньше, чем тангенциальная, при низких
давлениях в разрядном промежутке образуется отрицательный
объемный заряд.
Положител_ьные ионы, образовавшиеся в результате столкнове
ния с электронами, двигаются к катоду. А так как их масса зна
чительно больше, чем у электрона, то магнитное поле не 01,азы
вает влияния на траекторию движения ионов, Соударение rтоло
жительных ионов с катодом пр~шодит I< появлению _вторичных
электронов, ток rюторых пропорционален ионному току.
Таким образом, общий разрядный ток магнитного преобразо
вателя lp = IФ + fи + Iв и состоит из Iф-ТОКа автоэлектронной
эмиссии; fн- ионного тока; Iв - тока втори~ной электронной
ЭМИССИИ,
Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления и потому
"'!'ожет считаться фоновым током . Ионный ток и ток вторичной
электронной эмиссии зависят от давления:
/ н+Iв=арn,
где а=10-2
-:- 10-·
1 А/Па и п = 1-: - 1,4- постоянные.
Учитывая эту зависимость и пренебрегая фоновым током, полу
чим измерительное уравнение магнитного преобразователя:
fр = КиР,
Ки = арп- 1 - чувствительность прибора,
Видно, что разрядный ток магнитного преобразователя нели
нейно зависит от давления,
Верхний предел измерения связан с ограничением ма1,сималь
ного разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим
134
измерительный прибор от возникновения дугового разряда. Для
расширения верхнего предела измерения- следует уменьшить. анод
ное напряжение и размеры разрядного промежутка. Обычно верх
ний предел измерения находится в области давлений 10-100 Па .
Ни:жний предел измерения определяется временем зажигания
разряда и величоной фонового тока. В современных приборах он
составляет ,,.._, 10- 11 Па. Для уменьшения фонового тока применя
ются специальные э~;:раны 3 (рис. 5.11), расположенные в проме
жутке между катодом 2 и анодом 1,
где напря женность электрического по-
ля максимальна. Большая часть фоно
вого тока в этом cJiyчae лерехо_д~rт на Ro
корпус, минуя микроамперметр, ко
торым измеряется разрядный ток.
Для обеспечения зажигания раз
ряда · 'При низких давлениях необходи
мо. повышать анодное напряжение и
увеличивать разм~ры разрядного про
межутка.
Для облегчения зажигания разряда
в сверхriысоком вакууме ~а экранных
пла·стинах устанавливают острые игол
ЮI, увеличивающие автоэлектронную
эмиссию. Наиболее надежным спосо-
Рис. 5. 11. Схема магнетронного
преобразователя с уменьшенны
ми фоновыми токами
бом обе~печения быстрого зажигания разряда является использо
вание нагреваемых элементов, включение которых приводит к рез
кому повышениrо давления или термоэмиссии электронов.
При применении сильных магнитных полей (В> 0,1 Тл) зна
чение постоянной п в формуJiе, описывающей чувствительность
прибора, стремит.ся к единице. При •этом расширяется диапазон
,работы прибора rз области как низких, так и высоких давJiений.
Магнитные преобразоват.ели, так же как и электронные, и!v!еют
неодинаковую чувствительность к различным газам. Коэффи- .
uиенты относительной чувствительности магнитных преобраз•Jвате
лей Rг = Кг! Кв д.nя ряда г азов представлены в табл. 5.1.
Быстрота откачки колеблется для различных преобр.9-зовате
лей в зависимост:1 от рода газа и режимов работы в пределах от
10-2 до . 1 л/с, что значительно больше, чем для электр9нных. Это
приводит к уrз еличению погрешности измерений при наличии ва
куумного сопротивления между преобразов ателем и вакуумной
камерой . .
Преимуществом ~агнитного преобразователя перед электрон
ным является боJ1ее высокая надежность в работе в связи с за
меной накаленного катода холодным, а недостатком - нестабиль
ности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при
загрязнении r{атодов.
Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразо
вателя в вакуум:1ых сист·емах с парами масла, продукты разJiо
жения которого при ионной бомбардиров1,е и масляные диэлектри-
135
ческие пленки, покрывающие поверхности электродов, могут в
несколько раз изменить постоянную преобразователя. Для борьбы
с этим нежелате.1ьным для измерения давления явлением в ва
куумных системах, содержащих в значительном количестве пары
масла, необходимо применять самоочищающиеся конструкции
магнитных преобразователей, работающих на переменном токе.
В таких преобразователях катод и анод меняются местами в соот
ветствии с полупериодами питающего напряжения, а очистка их
поверхностей осуществляется ионной бомбардировкой.
Отечественной промышленностью выпускается большое коли
чество магнитных вакуумметров, технические характеристики кото
рых имеются в табл. П.9.
§ 5.7 . Радиоизотопные преобразователи
В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа ис
пользуется а· или ~-Jiзлучение радиоактивных изотопов: 226 Ra,
239Pu, 238 Pu, трития и т. д. Особенно эффективно использование
а-излучения. Энергия а-частиц (двухзарядных положительных
ионов гелия), возникающих при радиоактивном распаде, состав
ляет (4,5-5,5) • 1ос эВ. В связи с этим в радиоизотопных преоб
разователях не требуется накаленного катода, как в электронных,
и высокого напряжения, обязательно присутствующего в магнит
ных преобразователях.
Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью
радиоактивного распада от температуры окружающей среды и
физико-химического воздействия находящихся в преобразователе
газов. Благодаря этим свойствам и практически неограниченному
сроку службы, радиоизотопный преобразователь является одним
из лучших приборов для измерения вакуума.
При взаимодействии с молекулами газов а-частицы вызывают
их ионизацию, причем количество образованных положительных
ионов пропорционально давлению. Измерительное уравнение ра
диоизотопного преобразователя имеет вид
f..,_=KrP,
где Кг - чувствительность преобразователя (для воздуха Кв =
= 10-10
- ; - -10- 11 А/Па). Преобразователи обычно градуируются по
воздуху или азоту. Для определения чувствительностей к другим
газам можно пользоваться представленными в табл. 5.1 значе
ниями Rг = Кг/Кв-
Р адИОИЗОТОПНЫЙ преобразователь (рис. 5.12) состоит из вы
полненного в виде стержня коллектора 1, цилиндрического анода
2 и радиоизотопного источника 3. Вылетающие из радиоизотопно
го источника а-частицы, соударяясь с молекулами остаточных
газов, образуют положительные ионы, которые под действием
разности потенциалов между анодом и коллектором ( ~ 50 В)
направляются к коллектору, вызывая в его цепи ионный ток, про -
порциональный давлению.
,
136
Нижний предел рабочих давлений определяется фоновы~1 то
ком, возникающим при бомбардировке коллектора а - частицами.
Этот фоновый ток имеет две составляющие, первая из которых
связана с положительным зарядом самих а-частиц, а вторая - с
возникновением тока вторичной электронной эмиссии с коллек
тора . Обычно нижний предел измерения давлений составляет
10- 1
-10-2 Па. Для расширения диапазона рабочих д авлений в
некоторых конструкциях преобразователей коллектор защищается
экранами или располагается вне зоны видимости
источника а-частиц. При этом ни:жний предел
измеояемых давлений может быть снижен еще на
два порядка . Этого же можно достигнуть, увели
чивая габариты преобразователя, что сопрово:ж
дается повышением чувствительности, без изме
неция величины фонового тока.
Верхний предел измеряемых давлений обус
~овлен независимостью от давления газа р ион
ного тока на кол-лектор после того, как длина пу
ти, проходимая в газе а-частицей с энергией Еа
до полной потери энергии, станет меньше разме
ров преобразователя:
La.=Ea.L1J(Eиp).
(5.13)
Здесь Еи - энергия ионизации молекулы газа;
L1 - средняя длина свободного пути а-частицы
при единичном давлении. При Еа=4,79-10 6 эВ
2
J
Рис. 5.12. Радио
изотопный преоб
разователь
(для радия); Еи=15 эВ, L1=5-I0-1 см/Па и р=10 5 Па получим из
(5.13) La= 1,6 см.
Таким образом, размеры преобразователя с верхним преде
лом, равным атыосферному давлению, не должны превышать
1,6 см.
\
Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей
составляет 105-Io-2 Па, но обычно его не удается реализовать
в одном приборе . Широкодиапазонные конструкции преобразова
телей вы п олняются с двумя камерами, большого и малого раз
мера. Характериt:тики отечественного радиоизотопного вакууммет
ра приведены в табл. П.9.
§ 5.8 . Градуировка преобразователей
дJJЯ измерения общих давлений
Преобразовате.пи для косвенных измерений давления, показа
ния которых не могут быть рассчитаны с необ х одимой для прак
тики точностью, градуируются путем сличения их показаний с пока
заниями образцовых приборов: механических преобразователей и
компрессионных манометров. К преобразователям, которые про
ходят обязательн у ю градуировку, относятся тепловые, эле ктрон
ные, магниторазрs~дные и радиоизотопные .
137
Приборы для измерения давления, используемые в 1,а,rестве
исходных для градуировки всех других приборов, называется
образцовыми средствами изл1,ерения первого разряда. Их постоюr
ные или градуировочные кривые рассчитываются по размера:r,,r пре
образователей и другим величинам, входящим в измерительное
уравнение . Приборы, · используемые в качестве образцовых, п-ред
варительно проградуированные по другим образцовым приборам,
1-1 азывают образцовыми средствами из,нерения второго разряда .'
Образцовые средства измерения первого разряда имеют погреш-
ность градуировки не беJЛее 1- 5 %, второго
разряда - до 10-15%.
•
2.
Для расширения диапазона давлений, n
1<0тором осуществляется градуировка по об
разцовым приборам, можно использовать
[J
р
02
1-
ряд методов.
;; :t Р2 Метод изотермического расширения со-
стоит в том, что ·камеру малого объема, дав-
•ление в которой предварительно измеряется
образцовым прибором, соединяют с камерой
. / QI большего объем а, начальное давление в ко-
__(
,,.
тором можно принять равным нулю. По за
кону Б.ойля - Мариотта можно легко под-
Рис. 5.13. Ячейка вакуум
ной системы для градуи
ровки манометрических
преобразо11ателей мето-
дом деления потока
считать конечное давление. Дальнейшее по
нижение давления можно получить, увели
чивая число ступеней расширения. При этом
важно учесть ошибки, связанные с натека
нием, сорбционными процессами на стенках
камер и откачивающим действием градуи
руемого преобразователя. Эти ошибки определяют нижний предел
градуируемого давления. Дополнительная погрешность измерения
давления, связанная с точностью из'Мерения объемов, оrбыч'но не
превышает 0,5%. Этот метод часто используется в диапазоне дав
лений 10-- 2
-
10-з Па, когда натеканием и газовыделением в калиб-
рованные объемы можно пренебречь .
•
При низких давл.ениях ( < 10-7 Па), когда невозможно непо
средственное сличение показаний градуируемого прибора и ком- .
прессиоаного манометра, можно воспользоваться экстраполяцией
линейных градуировочных характеристик электронных преобразо
вателей или методом деления потока.
Метод деления потока состоит в · том, что в динамической ва
куумной системе поток газа, проходящий через ряд последова
тельно соединенных ячеек (первая из которых показана на
рис. 5.13), постепенно уменьшается за счет работы вспомогатель
ных вакуумных насосов. Уравнение потоков для такой ячейки:
Q=Q1+Q2,
(5.14)
где Q = И1(Ро - о 1) - поток газа, поступающий в · ячейку через
тр у б о провод с проводимостью И 1 при разности давлений на его
концах Ро и Р1; Q1 = S 1 р1 - поток газа, откачиваемый вспомога-
138
тельным насосом, подключенным к ячейке и имеющим эффектив
ную быстроту. откачки S 1; Q2 = И2 (Р1 - Р2)
-
поток газа, удаляе
мый из ячейки через трубопровод с проводимостью И 2 при разно
сп1 давлений на его концах Р1 и р2 .
С учетом выражений для Q, Q1 и Q2 уравнение (5.14) можно
представить в виде
И1 (Ро- Р1)=S1Р1+И2(Р1- Р2),
откуда
И1Ро +И2Р2
P1=--"-' -- -' -- -~ -
s1 +И1 +И2
(5.15)
Если констру1пивно обеспечить, чтобы S1 » И, + U2, а
И1Ро » И2Р2, то Ро » Р1 » Р2 и выражение (5.15) можно упрос-
тить:
И1
P1=SiPo-
B ряду последовательно соединенных ячеек давление постепен
но снижается от ячейки к ячейке и для п-й ячейки может быть оп-
ф
ИiU2 ...Ип .
ределено по ормуле: Рп= S S S р0 , причем давление Ре
12•••п
мож~т быть измерено компрессионным манометром.
Недостатком этой методики является то, что для ее реализации
нужны насосы с очень большой быстротой действия, так как для
получения стабильного значения Si, где i= 1, 2, .. , . п, насос
под
ключа~тся к камере через диафрагму и соблюдается условие
Sн»Si,
При градуировке по методу деления потока ошибками, связан
ными с натеканием и сорбционными • процессами, можно прене
бречь до тех пор пока газовый поток в градуировочной камере бу
дет существенно превышать сумма,рное натекание и газовыделение.
Использование насосов с большой быстротой откачки позволяет
осуществить градуировку манометрических преобразователей с по
грешностью 4-5 % вплоть до самых низких давлений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем различие между абсолютными вакуумметрами и вакуумметрами для
косвенных измерений?
2. Чем отличается порядок работы с компрессионным манометром по методу
линейной и квадратичной шкал?
3. Почему т_епловые 1~1анометры не используются для измерения высокого ва
куума?
4. Каковы причины различия чувствительностей схем электронного преобразо
вателя с внешним и внутренним коллектором?
5. Что является причиной возникновения фоновых токов в электронном преоб-
разователе?
•
6. Какие существуют пути повышения чувствительности электронных преобра
зователей?
7. Как уменьшить время зажигания магнитного преобразователя?
8. Чем вызвана зависимость чувствитеJ1ьности от рода газа у электронных и
магнитных преобразователей?
139
9. Почему радиоизотопные преобразователи иыеют очень высокий верхний
предел измеряемых давлений? •
1О. Каким образом можно устранить влияние газовыделения ва[(уумной каме-
ры иа точно сть градуировки манометрических преобразователей?
.
Глава 6
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕН Ий
§ 6.1. Методы изме'j)ения парциальных давлений
При проведении научных исследований и оптимизации вакуум
ных технологических процессов требуется измерять не только об
щие, но и парциальные давления остаточных газов.
Измерители парциальных давлений основаны на принципе
ионизации газовых молекул и разделения полученных положитель
ных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду
m/q. Они могут одновременно или поочередно измерять составля
ющие ионного тока, соответствующие парциальным давлениям раз
личных газов, присутствующих в вакуумной системе.
Для разделения ионного тока на составляющие используется
различие скоростей движения ионов различных газов, прошедших
од инаковую разность потенциалов, т. е. обладающих одинаковой
энергией: mv2/2= Uq, откуда следует выражение для скорости иона:
(6.1)
Видно, что скорость иона определяется отношением m/q.
В большинстве случаев при ионизации газов медленными электро
нами образуются ионы, имеющие один элементарный положитель
ный заряд, вследствие чего (с приемлемой для большинства изме
рений точностью) можно считать, что скорости ионов в электриче-
сrюм поле пропорциональны (V т)- 1 .
•
В зависимости от характера используемых эле-ктрических и маг
нитных полей измерители парциальных давлений можно разделить
на статические и динамические газоанализаторы. В статических
п-риборах используются постоянные, а в динамических - перемен
ные электромагнитные поля.
• К статическим газоанализаторам относятся: магнитный и пано
рамный, а к динамическим - омегатронный, времяпролетный, квад
рупольный и монополярный фильтры масс.
Отношение Me=M/nq называют массовым числом иона. Здесь
М - молекулярная масса, выраженная в атомных единицах массы
(а. е. м.); nq - число элементарных зарядов; 1 а. е. м. равна 1/1 6 ча
сти массы основного изотопа кислорода 16 0. Для однозарядных
ионов массовое число совпадает с молекулярной массой иона. На
пример, для однозарядного иона COt Ме=44 а . е. м. В результате
измерений ионных токов, соответствующих различным массовым
числам, получается масс-спектр, пример которого представлен на
рис. 6.1.
140
Измерители парциальных давлений, как и измерители общих
давлений, характеризуются нижним и верхним пределом измеря
емых парциальных давлений, чувствительност.ыо, а также свойст
венным только им параметром - разрешающей способностью .
Под разрешающей способностью подразумевается отношение,
Ме к наименьшему различаемому изменению массового числа ЛМе:
Рм=Ме/ЛМе .
В зависимости от типа прибора во всем диапазоне изменения
массовых чисел могут оставаться постоянными значения ()м,
N2 ;CO
lи
H2D
Н2. jj 02.
UUL~
L1 Ме
24-Б
1214-IБ/В20
zв J2
М 8 ,а.е.м
Рис. 6.1 . Масс-спектр остаточных газов
Ме!Рм или МеРм• Экспериментально разрешающую способность оп
ределяют по масс-спектру. Ширина пика ЛМе (рис . 6.1) измеряется
на уровне 10 или 50% высоты пика. Разрешающая способность про
мьпirленных приборов находится в пределах 40-200 а. е. м.
Чувствительность газоанализаторов определяется как отноше
ние из.менения ионного тока в цепи коллектора к вызывающему его
изменению парциального давления газа и выражается в А/Па. Чув
ствительность зависит от рода газа.
Верхний предел измеряемых давлений определяется отклонени
ем от линейности зависимости между ионным током и соответству
ющим ему парциальным давлением вследствие рассеивания ионов
в анализаторе. Предельно допустимой величиной такого отклоне
ния считается 10%. Максимальные рабочие давления обычно не
превышают 10-3
-10-2 Па . Для анализа газов при более высоких
давлениях требуются расширительные устройства или вспомога
тельная вакуумная система, · обеспечивающие снижение плотности
анализируемой газовой смеси без изменения процентного состава
ее компонентов.
Нижним пределом измеряемых парциальных давлений считает
ся минимальное абсолютное давление, измеряемое прибором. По
рогом чувствительности называют относительное парциальное дав
ление газов, которое может быть определено при данном отноше
нии «сигнал - шум». За начало регистрации можно принимать сиг
нал, вдвое превышающий шум.
141
§ 6.2. Магнитный газоанализатор
Статические магнитные газоанализаторы (масс-спектрометры)
(рис . 6,2) основаны на пространственном разделении моноэнерге
тического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле.
В процессе газового анализа Еыполняются следующие основные
операции : ионообразование, ускорение :ионов и формирование ион
ного пучка, разделение ионов по массовым числам и измерение ин
хВ
Рис. 6.2 . Структурная схема магнитно
го
статического
газоанализатора
(м ас с-спектрометра)
тенсивности ионного тока.
Ионоо9разование осущест-·
вляется электронной• бомбар
дировкой нейтральных газо
вых молекул в ионном источни
ке 4 за счет тока эмиссии iэ,
Весь ионный источник находит
ся под отрицательным потен
циалом относительна земли
(~
- 1 кВ), выталкивающим
ионный пучок i+ в пространст
во дрейфа. Положительные
ионы, пройдя одинаковое уско
ряющее напряжение, входят в
пространство дрейфа в соответ
ствии с (6.1) со скоростями
v~Vq;m.
В пространстве дрейфа,
где действует поп 1~речное маг
нитно е поле индукцией В, под воздействием силы Лоренца
F1=qvB
положительные ионы двигаются в направлении, определяемом пра
вилом левой руки, по окружностям постоянных радиусов R. Цен
тростремительная сила Лоренца при этом уравновешивается цен
тробежной силой
F2=mv2JR.
Из условия равенства сил F 1=F2 найдем выражение для опреде
ления радиуса траектории ионов:
R= mv;(qB),
(6 .2)
которое с учетом (6.1) можно переписать в другом виде
R=-
1 У 2Иm/q.
(6.3)
в
Таким образом радиус траектории иона прямо пропорционален
корню квадратному из отношения массы иона • К его заряду. Решая
уравнеiше (6 .3) относительно m/q, получим измерительное уравне
ние статического масс-спектрометра с магнитным отклонением:
m/q=R2B 2J(2U).
(6.4)
142
-----·-·-
В результате взаимодействия с магнитным полем на коллектор
3 попадают только те ионы, радиус траектории которых соответст
вует положению щели в диафрагме перед коллектором. Изменяя
радиус траектории ищ~а R за счет изменения ускоряющего напряже
ния И или магнитной индукции В, можно создавать условия для
попадания на коллектор .ионов · с различными массовыми числами.
Ионный ток коллектора после усилителя 2 измеряется выходным
прибором 1.
В рассмотренной схеме анализатора ион·ы отклоняются на угол
180°. На практике значения углов отклонения могут быть как боль
шие, так и меньшие 180°.
Как следует из (6.4), наиболее эффективна магнитная разверт
ка мас,с-·спектра, ,но, в связи с лучшим быстродейстВ'ием, простотой
схем питания и меньшими размерами магнитной системы в про
мышленных приборах предпочт.ение отдается электростатической
развертке.
•
•
Разрешающая способность масс-спектрометра зависит от гео
метрии прибора .и расширения ионного пучка:
М~.
R
P,i=--=
,
ЛМе S1+S2+а(R)
где S 1 и S2 - ширина щелей на выходе из источника ионов и перед
коллектором ионов соответственно; cr (R) - суммарное расширение
ионного пучка в плоскости щели S2 в результате аберраций. Абер
рации являются следст_вием разброса ионов одинаковой массы по
скоростям; неоднородности в распределении магнитного поля по
высоте ионного пучка; влияния пространственного заряда и т . д . .
При диапазоне массовых чисел от 2 до 150 разрешающая способ
ность на половине высоты пика спект_ра рм;;;::=50 .
Чувствительность масс-спектрометра возрастает при_ увеличении
ширины щелей, которая обычно выбирается от 0,1 до 1 мм. Для
стандартных приборов коэффициент чувствительности Ки при от
качке азота составляет 10 мА/Па. Относительная чувствительность
магнитны х анализаторов С;=Ки;IКиN, зависит от рода газа
(табл. 6.1). Верхний предел рабочих давлений 10-2 Па определя
ется постоянством коэффициента чувствительности, нижний предел
I0-8 Па - фоновыми токами. Порог чувствительности равен 10-30/о
и зависит от уровня шумов электрометрического усилителя или ум
ножителя и фонового масс-спектра прибора .
Таблиц а 6.1
'относительны~ чувствительности С 1 приборов для измерения
парциальных давлений
1 N, 1 н, 1не \ лг ,.со, 1о; jс,н,\ сн,1 Ne I со Iн,о! с,н, 1с,н.
Магнитные
I 0,46 0,17 I ';з 1,1 0,83 - - 0,84 0,25 1,08 1,05 0,59 1, 16
анализаторы
Омега трон
1 0,450,21 1,2 1,370,7 1,4 0,670,3 1,I 0,65 I,04 1,3
143
Простота и надежность магнитных анализаторов позволяет при
менять их в системах контроля и управJiения вакуумными техно
Jiогическими процессами. Технические характеристики прибора
МСД-1, специально разработанного для управления технологиче
скими процессами от ЭВМ, представлены в табл. П.11.
§ 6.3 . Панорамный газоанализатор (фарвитрон)
Панорамный газоанализатор (фарвитрон) относится к статиче
ским приборам для определения парциальных , давлений. Разделе
ние ионов по массовым числам осуществляется в нем по· частоте
колебаний ионов в электростатическом поле с параболическим рас
пределением потенциала. Зависимость частоты колебаний ионов
s
Рис. 6.3 . Структурная схема панорамного
газоанализатора (фарвитрона)
от массового числа в таком
поле может быть записана в
следующем виде:
f =kVqU/m, (6.5)
где И - напряжение на
центральном электроде элек
тростатического поля с па
раболическим распределе
нием потенциала; k - коэф
фициент пропорционально
сти, определяемый геомет
рией анализатора; т -- мас
са иона; q - заряд иона.
Структурная схема па
норамного газоанализатора
показана на рис. 6.3. Элек
тронный ток между катодом
1 и сетчатым анодом 8 проходит через диафрагму-модулятор 2.
Положительные ионы, образующиеся в результате электронной
бомбардировки нейтральных молекул остаточных ·газов, ускоряют
ся анодом в направлении электростатического поля с параболиче
ским распределением потенциала, образованным электродами 4.
• Модулируя электронный ток с часто.той колебаний ионов, име
ющих заданные массовые числа согласно (6.5), можно образовать
в электростатическом анализаторе пакет, число ионов в котором
непрерывно увеличивается после каждого периода ионизирующего
электронного тока.
Пакет ионов, частота колебаний которого совпадает с частотой
напряжения модулирующего электрода, называется резонансным.
Он наводит напряжение на сигнальном электроде 5, которое усили
вается высокочастотным усилителем 6 и через демодулятор посту
пает на вертикально отклоняющую систему катодного осциллогра
фа 7. Горизонтальное отклонение в осциллографе осуществля~тся
генератором развертки 8 на частоте 50 Гц, синхронизирующим го
ризонтальную развертку осциллографа с временной разверткой вы-
144
сокочастотного напряжения генератора 9, подключенного к модули
рующему электроду 2. На экране электронно-лучевой трубки ос
. циллографа
можно видеть одновременно · весь спектр газов.
Для обеспечения постоя·нства ' числа периодов модуляции во вре
мя регистрации сигнала, создаваемого ионами любой массы, раз
вертку частоты осуществляют по закону f=a/fЬ; а и Ь - постоян
ные; t - время.
•
Подбором показателя етепени Ь можно обеспечить однознач
ность между выходным сигналом и парциальным давлением раз
личных газов .
Разрешающая- способность · панорамных анализаторов рм =
= 15 -:- 20, диапазон массовых чисел 2- 200, диапазон рабочих дав
лений 1О-3-10-1 Па. Технические характеристики, выпускаемого
промышленностью, панорамногь газоанализатора АПДП-2 имеют
ся в табл. П.11.
§ 6.4 . Циклотронный газоанализатор (омегатроti)
Циклотронный газоанализатор (омегатрон) относится к дина
мичес ким анали з аторам п арциальных давлений . Принцип его дей
ствия .осн о ван на д:вижен_ии положительных ионов во взаимно пер
пендикулярных п остоянном магнитном
и высокочастотном электрическом по
лях. · Ток эмиссии термокатода 5 (рис.
6.4) образует электр о нный луч по оси
прибора~ нап р авленны~ параллельно
магнитным силовым линиям к аноду 2.
Положительные- ионы, образовщзшиеся
в электронном луче, двигаются · в высо- 5
кочастотном электрическом поле, при
ложенном к двум пластпнам 1 и 3.
Уравнения движения ионов в идеаль
ном омегатроне могут быть записа!f Ы
в следующем виде:
mx = -qyB;
К и силителю
t-
Рис . 6.4 . Схема циклотронного
my= qE sin wt+qxB;. mz= O,
газоанализатора (qмегатрона)
. где
Е и w - напряженность и угловая
частота высокочастотноrо электрического поля; t - время.
Коллектор 4, расположенный в вырезе нижней пластины, будет
регистрировать только те ионы, для которых период вращения сов-
. падает
с периодом изменения электрического поля. Такие ионы
называются резонансными. Траектория резонансных ионов пред
ставляет собой раскручивающуюся спираль, радиус которой R =
= Et/2B.
•
Резонансные ионы за каждый _оборот получают приращение
энергии от электрического поля. Остальные ионы будут двигаться
по ограниченным трае}{ториям и не смогут достигнуть коллектора.
6 Л. Н. Розанов
145
Используя выражение (6.2) для радиуса траектории ион а, оп
ределим период и частоту вращения резонансного иона:
T=2nR/'v='2лm/(2Bq); f • 1 /Т=Q/(2-л),
Q •Bq/m - циклотронная частота.
В постоянном магнитном поле произ·ведение Qт/q = const, по
этому шкала массовых чисел при развертке по частоте - . rипербо"
лическая.
•
Измерение ионного тока, проходящего через коллектор, осуще-
ствляется электрометрическим усилителем. '
.
Разрешающая способность омегатрона обратно пропорциональ"
на массе иона:
Pм = qB 2RJ(2Eт),
где Rк - расстояние . от электронного · луча до коллектора.
С увеличением массы иона разрешающая способность уменьша
ется . Реально удается достигнуть при ЛМе= 1 а. е. м. значения
рм:-35745.
Коэффициент чувствительности по азоту · при электронном токе
10 мкА лежит _ в пределах (4-10) • 10-7 _А/Па. При больших элек
тронных токах чувствительность уменьшается из-за роста простран
ственного заряда нерезонансных иqнов. Относительная чувстви-
тельность С;=КиJКиN, зависи_т от рода газа (см. табл. 6.1).
Максимальное рабочее дав·ление омеrатрона (1 - 4) • 10-3 Па ,
.
минимальное_:_ 10-8 Па. Технические характеристики промышлен
• ных приборов типа ИПДО приведены в табл. П.11.
§ 6.5 . Времяпролетные газоанализаторы
Во времяпролетном дина·мическом газоанализаторе для разде
Jrения ионов по массам используют разницу во времени пролета про
межутка lo ионами различных газов (рис. 6.5, а):
i=l0/V=l0 V m/(2qU).
Ионообразование осуществляется электронным током, протека
ющ!iм между термокатодом 6 и анодом 7. На сетку 5 подается отри
цательный потенциал U5; ускоряющий ионы в пространство дрейф а ·
между заз е мленными сетками 4 и 3. Проходя сетку 5, ионы получа
ют одинаковые приращения энергии и в соответствии со своим и
массо·выми числами приобретают различную скорость. В промежут
ке между з аземленными сетками 4 и 3 ионы разделяются на груп
пы с одина .ковыми массовыми числами.
Пройдя пространство дрейфа, группы ионов, если сетка 2 зазем
лена, поочередно достигают прием н ика ионов 1, которым служит
вто р ичный электро'нный умножитель . Длительность импульса, об
разующего масс-спектр , очень мала с-,О,1 мкс), а частота импуJ1Ь~
сов м ож ет быть до 1О кГц. Умно житель связан- с широкополосны м
усилителем , вы ходной сигнал которого подается на вертикальн о
отклоняющие пластины осциллографа . По промежу.тку • времен и
146
между выталкивающим импульсом и r,1:оментом появления пика
ионного тока можно определить массовое число.
Для непрерывной регистрации только одной компоненты спек- .
тра на сетку 2 подается положительный потенциал, чередующийся
с отрицателыщм имрульсом И2 (рис. 6.5, 6), в.о · время которого
группа 11онов с определенным массо:аым
•
числом достигает пр~иемщша 1. Осталь-
3
5
ные ио ны задерживаются положитель
ным потенциалом сетки. Изменяя проме
жуток времени t 1, t2 и т. д. между им
пульсами на сетках 5 и 2, мо:>кно выде
лять отдельные составляющие масс
спектра.
Разрешающая способность время-
пролетного г азоа нализатора
м,
т
·Рн=Л/Л=2ЛТ '
е
где ЛТ _: _ длительность прохождения
группой ионов с одним массовь,1м числом
пространства дрейфа.
Разрешающая способность определя
ется . дл ит ельностью ионизирующего или
щ,rтягивающего импульса и разбросом ·
начальных скоростей ионов, -ее. ·увеличе
ние связано с необх одим остью уменьше
ния лт.
Рассмотренный выше газоанализатор
называется хронотроном. Современнь1е
хронотр оны имеют разрешающую •спо
собность (н а половине высоты пика) Рм=
= 100; диапазо_н массовых чисел 1- .
а)
.____т
__ _,..1
б)
(i\ -
11\
/:\1 1
,, \_
Рис. 6.5. Схема времяпро
летного газоанализатора
(хронотрона) (а) и д11а:
rpaмj\ia напряжений на
осr1овных_э,nектродах (6)
600 а . е. м; минимальное измеряемое давление 10-8 Па. Недостат
ком хропотрона является ·большая дл_ина пространства дрейфа
lo~0,5 ы. •
Другая конструкция времяпролетноrо газоанализатора, пред
ставленная схематично на рис. 6.6, известна под названием радuо
частGтного масс- спектроме тра или топатрона. Положительные ионы,
образо·вавшиеся в области ионизации (катод 3 и анод 2) ускоряют
ся сеткой С5 в направлении трехсеточного каскада С2 - С4. Между
сеткой С3 и соединенными вместе сетками С2 и С4 подается высоко
частотнdе ·напряжениЕr. Расстояния между сетками С2, Сз и Сз, С4
одинаковы и равны б.
Между сетками С4 и С3 на ионы действует сила высокочастот
ного электрического поля:
F1= qE siп (wt+e),
Е - максимальная напряженность электрического поля между сет
ками; 0 - начальная фаза высокочастотного поля, соответству
ющая моменту пересечения ионом плоскости сетки С4 (t= О).
6*
147
,Между сетками - С3 и С2 действует такая же сила, но с обратным
знаком :
Максимальное приращение энергии •получают ионы, пересека
ющие сетку С3 в момент перемены знака поля. при 0=0, для кото
рых выполняется условие ,
С1
шо +0= л.
V
Для таwих ионов время пролета
тр ех сеточного каскада и период
высокочастотного
напряжения
оо
совпадают . Такие ионы называ-
ются резонансными. Остальные
Рис. 6.6. Схема радиочастотного газа- ионы получают меньшее прира-
анализатора (топатрона).
. щение
энергии или замедляются.
Сетка С 1 имеет отрищ1тельный
потенциал, который могут преодолеть на пути к коллектору 1 толь
ко резонансные ионы, получившие 'приращение эirергии. Индикация
масс-спектра осуществляется осциллографом, подключенным к вы
ходу умножителя.
Развертка по массам производится изменением высокочастот
ного напряжения . В этом приборе часто измеряют ионный ток сет
е ки С5 , .пропорциональный общему давлению смеси газов, что дела
ет этот прибор удобным для измерения как общих, так и парци
альных давлений .
Разрешающая способность трехсеточного каскада мала, что за
ставляет последовательно устанавливать несколько каскадов. · При
четырех каскадах Рм=45. Диапазон регистрируемых массовых чи
сел 2- 200 а. е . м., минимальное измеряемое давление 10- ~ Па. --
§ 6.6 . Электрические фильтры масс
Разделение ионов по массам в электрическом фильтре масс осу-
ществляетсJ'I в высокочастотном
образуемого четырьмя
электрическом поле квадруполя,
параллельными элек
тродами круглого сече
ния (рис. 6.7, а). Про
тивоположные электро
ды соединены попарно,
и между ними прикла
дывается напряжение
+ (И+'V cos шt). Урав
нения движения ионов
в
квадрупольном
фильтре масс имеют
следующий вид:
148
•
у1.
',
//
•
/
х • ---<&
.
И+ v'coswt
~
-
(u+y1
E"•'i
х
б)
а)
Рис. 6.7 . Схема " масс-фильтров:
а - квадрупольного; 6 - моно п олярного
~y-2q(U+V cos шt) 4,-=0;
Го
-
)х
mx+2q(И+Vcoswt - 2
-=0;
Го.
(6.6)
Из последнего уравнения системы (6.6) следует, что скорость ионов
вдоль оси анализатора z остается неизменной. Первые два диф
ференциальных уравнения -известны под названием уравнений
Матье.
При подстановке новых переменных e=wt/2; a=8qU/(mra2w 2 );
g=4qV/(mr02w2 ) сист~му уравнений (6.6) можно переписать в дру
гом виде:
у= -(a+2g cos 2е)х;
а i----+ ---+ - ----+ -- --+
1
,,). - :;;r;j;,:a,<
x=(a+2g cos 2е)у;_ (6.7)
1-----+- - - -_ -
.,.,,
-
,c..._,:--
~
,<-"
_
""";-_.::::::Y'_..J:::.J;..._._;,r_1
Z•• .
о.
о,г
-~"'.::_~д. !
- :1--:;;2:-J --"" r+ -:: ,J, _
вну;рлия ::~~е;::о~а-=н~йл~:::;~ O,I t-----+:;, . -s , -/" " ,zr-~ ~~ ~ ~f~-
нa рис. 6.8, уравнения (6.7) имеют
0,2
D,4
D,б о,з g
ста·бильные решения х (е) и у (е).
При этом ионы, движущиеся в ка
мере анализатора, будут совер
Рис. 6.8 . Диаграмма устойчивости
шат)':, колебания с амплитудой, меньшей радиуса ro, и д~стигнут
коллектора ионов.
Ионы, движущиеся по неустойчивым траекториям, неограни•
ченно увеличивают амплитуду колебаний и нейтрализуются на
электродах анализатора.
Разрешающая способность анализатора зависит от отношения
напряжений v= U/V:
Ме
0,75
Рм= ЛМе = 1- -Y/Ymax
(6.8)
'Ymax=0,168. При отношении -'Y~'Ymax ионы всех масс, независимо
от других параметров поля, имеют неустойчивые траектории. Из
уравнения (6.8) следует, что для получения большой разрешающей
способности необходимо в процессе работы всегда выдерживать
соотношение v= 0,999 'Ушах- Таким образом, напряжения И и V при
развертке масс - спектра изменяются совместно, а их соотношение
должно поддерживаться с большой точностью.
Массовое число ионов, соответс.твующее 'Ymax, имеющих устой
чивую траекторию, связано с параметрами поля следующим соот
ношением:
где f - частота, мГц; V - амплитуда высокочастотного напряже
ния, В; ro - радиус поля, м.
149
Развертка масс-спектра осуществляется изменением амплитуды
переменного напряжения на электродах.
Ускоряющее напряжени-е · в источнике ионов, обеспечивающее
начальн·ую скорос.ть ионов по оси z, не должно пре в ышать следу
ющего значения:
(6.9)
Здесь L - длина анализатора, м.
.
При превышении ускоряющим напряжением данно го зна ч ения
ионы, двигающиеся по неустQйчивым траекториям, не ·будут· успе•
вать уходить на электроды ·анализатора. Из (6.9) видно, чfо разре
шающая способность прямо пропорциональна массовому чи слу.
Разновидностью электрического фильтра масс является моно
полярный анализатор (рис. 6.7, 6), использующий один к&.адрант
квадруполя. Такой анализатор состоит из цилиндрического элек
трода с отрицательным напряжением и уголкового заземленно г о
электрода, рабочая поверхность которо го расположена по нулевым
эквипотенциальным линиям квадруполя, показанным пунктиром
на . рис. 6.7, а. Через моноriолярный анализатор проходят только
ионы, входящие в анализатор во время отрицательной по.луволны
высокочастотного напряжения. Во время положител'ьной полувол
ны ион ы пошщают на уголковый электрод и нейтрализуются.
Современные 1щадрупольные и монополярщ,1~ газоанализаторы .
(табл. П.11) работают в диапазоне мас~овь1х • чисел от 1 до 500,
разрешающая способно<;ть на уровне 10% от ·высоты riика Рм>500,
коэффициент чувствительности 10- 2 А/ Па, максимальное и мини
мальное рабочие давJJ.ения 10- 2 и 10-10 Па соответственно.
§ 6. 7 . Градуиров1(а ионизационнь,х газоана.лизаторов
В связи с различной эффективностью ионизации, возможным
фракционированием компонент смеси при напуске, появлением мо
лекулярных осколков, многократной ионизацией, наличием ложных
. пиков, свойственных отдельным приборам, интенсивности линий в
спектре могут не соответство~_ать парциальным давлениям • газов
в смеси.
• Для проведения количественного анализа приборы
предвари
тельно калибруют по каждой компоненте смеёи. Пробу i-газа вво
дят в стандартный объем, из которого она поступает в источник
ионов. Давление в стандартном объеме измеряют обь1чным мано
метрическим преобразователем. Выбирают главную линию спектра
этой . кощюненты и по ней определяют чувствительность прибора.
После этого находя·т отношение интенсивностей всех линий спектра
данного газа к интенсивности главной линии ~ii , где j = Ме - мас
совое число. Результаты такого исследования для омегатрона пред
ставлены в табл. 6.2.
Имея спектры чистых газов, можно ho интенсивностям масс
спектра смеси определить состав и парци·альные давл_ения компо
нентов смеси. Считая, что спектg масс смеси образуется ад:дитивным
150
Таблиц а 6.2
Относительные интенсивности спектральных линий чистых · газов ~ j;
Массовое число
газ
1
"
1
11
12113114115116·1171181201.22125_1261271281291з2\.40\
2
3
4
44
..
~
Н2
1 _0,01
,
1
Не
1
-
СН1
0,01
0,20 0,60 0,14 0,8 1
Н2О
_,
0,01
0,02 0,25 1
..
1
Ne
1 о,1
N2
0,08
-
1 0;01
со
0,02
, 0,01
0,01
1 0,02
С2Н 1
0,02 0,04 0,06
0,12 0,62 0,65 1• 0,02
(
.
С2Н6
0,01 0,03 0,05 .
0,04 0,23 0,33 1 0,22
02
о,1
1
Аг
о, 15
1
СО2
0,03
0,03
0,08
0,02
о,14 !
~
1
-
С1
-
1
наложением спектров отдельных компонент, можно составить си
стему линейных уравнений:
ll
/l
fj= ~
fj;= .}: Kj;P;•
(6.10)
i-I
i=l
Здесь ! / - интенсивность линии масс-спектра газовой смеси, соот
ветствующая массовому числу j; lji - интенсивность линии масс
спектра i-газа, сооответствующая массовому числу j; Pi ~ парци
альное давление i-компоненты смеси; п - числq компонент в смеси;
Рис. 6.9 . Схема понижения
давления
Kij - коэффициент чувствительности по
i-газу для j-массового trисла:
K;;=~j;K,;
(6.11)
/(; - коэффициент чувствительности по
главной линии спектра i-компонента
смеси.
В расчетах используют относитель-
ные коэффициенты чувствительности
(табл. 6.1) по главным линиям
C;=KJK0 ,
(6.12)
где Ко...:.... коэффициент чувствительности по главной линии для опор
ного газа (обычно азот или аргон). Величины Ci зависят только от
типа газоанализатора, а Ко - определяются индивидуально для
каждого прибора.
В результате подстановок (6.11) и (6.12) в (6.1 О) получим
п
Ii •К0 ~ ~1;С;Р;•
.
(6.13)
Система уравнений (6.13) не имеет решения, если j<i; имеет
одно решение при · j=i и несколько решений при j>i. Решением
в последнем случае, который обыч·но встречается ца практике, счи
таются значения парциальных давлений Pi, для которых квадраты
невязок уравнений (6.13) имеют' минимальное значение .
. Для
проведения · газового анализа · ионизационными приборами
в диапазоне давлений - 105 • 10-1 Па приходится прибегать к исполь
зованию схемы понижения давления (рис. 6.9) . Из баллона 1, за
полненного исследуемой смесью газов, через капилляр , И 1 . смесь
газов поступает в камеру 2, откуда она опщчивается насосом 3 че-
-
рез трубопровод И2 . К камере -2 подключается газоанализатор, в
который попадает смесь газов при давлении р2, отличном qт давле
ния Р1- Если Р1 '";;р р2 и проводимость трубопровода И2 значительно
меньше быстроты откачки насоса для всех газов, составляющих
анализируемую смесь, то из условия равенства потоков, входящих и
выходящих из камеры 2, И1Р1= И2Р2, откуда Р2= Р1И1/И2-
Это соотношение не учитывает влияния адсорбционных процессов
после напуска газа в камеру 2 и о'ткачивающего действия анали
затора на измеряемое давление .
lq2
Отношение проводимостей И2/ И 1 , а следовательно, и степень
снижения давления р 1 /р2 могут достигать значений 103-106 . При
молекулярном режиме течения газа в трубопроводах отношение
U1/U 2 не зависит от давления и молекулярной массы газа, т. е. пар
циальное давление каждой -компененты смеси в камере 2 будет про
порционально ее парциальному давлению в камере I. При этом
процентный состав смеси в камере анализатора сохранится таким
же, как и в исследуемом объеме.
§ 6.8. Десорбционная масс-спектрометрия
Десорбционн~я масс-спектрометрия - это анализ остаточных
газов , присутствующих в вакуумных ка11,ерах, основанный на ра.з
лиЧ!f ЯХ в их теплотах адсорбции.
Для проведения анализа необходимо в камеру с исследуемым
газом, имеющую обычный манометрический _ преобразователь, по
местить прогреваемую прямым пропусканием электрического тока
вольфрамовую нить. Перед началом работы нить обезгаживается
прогрево :м до 2500 К После охлаждения на поверхности нити ад-
.
сорбируются молекулы остаточных газов. Степень покрытия по
верхности молекулами остаточных газов согласно (3.31) может
быть рассчитана по формуле
•
Ь;р; (1- е-А; 'а),
~j -==-
---
1+ Ь;р;
(6. 14)
где Pi - парц_иальное давление i-газа; ta - вр~мя взаимодействия;
Ь-=
. f;Т,; .
; А;=_1
_
+ .fi_i2__ : t;= ToeQa;J(RT) -
'
а,п; -v·2лm;kT
"i
ат; ✓ 2лт1kТ
среднее время нахождения молекулы в адсорбированном состоянии;
Qai - теплота адсорбции <i-газа.
Время взаимодействия ta в ыбираетtя достаточным для того 1
чтобы экспонентой в выражении (6.14) можно было . пренебречь.
Минимально необходимое время можно определить экспери
ментально. При увеличении ta выходной сигнал будет сначала ли
нейно возрастать, а затем при ta>4,6/Ai примет постоянное зна 0 .
чение. В этом случае формулу (6.14) можно упростить:
0; = b1P;/(I +Ь;р;).
При н'агрев~нии 1щти будет происходить десорбция поглощен
ных газов . В камер·е, внутри которой находится нить и манометри
ческий преобразователь, давление при этом повысится на величину
Лp 1 =am/3);AkT/V,
(6.15)
где А - поверхности нити; ami ·- число
молекул, необходимых для
образования мономолекулярного слоя i-газа; V - объем камеры.
Повышение давления Лрi для газов с различной теплот9й ад
сорбции будет происходить при различных температурах нити, что
153
и используется для ьпределения состава и количества остаточных
газов.
.
Если адсорбирующую поверхность предварительно охладить до
температуры жидкого ;рота, то можно провести анализ газов, име-
Аv,отн.е8
т,к
75 1--= ..t-- --;;-~t-=-'. _z -+ -- --= -, .-f"r--1 40о
5о 1--tt-,ft-t-- ,..-f-:::;f"'F- -t--l-+f---l з о о
25 l-+l--f-+ь-4-t-1--1-+--t--+-Н--I 200
2
J
4-
ющих малые значения теплоты
адсорбции. I-Ia рис. 6.10 пред
ставлен
пример
спектра •
масс, полученного методом де- .
сорбционной масс-спектромет
рии. Там же . показано измене
ние температуры нити Т. Суще
ственное . отличие такого спект
ра от получаемых на и0Iщза
Рис . 6.10 . Спектр масс,
методом десорбционной
рометрии
получаемь1й · ЦИОIЩЫХ F3Зсiанализаторах СО
масс -спект- стоит в том, что пики распол' а-
гаются не в последователl)но-
сти возрастания массовых чи
сел, а в порядке увеличения теплоты адсорбции. Этим методом хо - .
рошо разр1::шаются пики газов N2 и СО, имеющих одинаковое мас-
совое ч исло.
•
При расшифровке масс-спектрограмм следует .пользоваться
сцектрами чистых газов, так как из-за наличия на поверхности нити
адсорбционных · центров с различной активностью они могут иметь
несколько пиков . Для повышения чувствительности _ метода следует
увеличивать адсорбирующую поверхность, например, путем нанесе-
ния активных адсорбентов или травления.
'
Недостатком метода является невозможность регистрации пло
хо адсорбируемых тазов: ~е, Ne, Н2 ,
§ 6.9 . Оже-спектрометрия
Оже-спектрометрия - это метод · анализа веществ по характер
ным энергиям электронов, эмиттируемых при внутриатомном пере
ходе электронов между энергетическими уровнями·. •
Если на атом воздействует какое-либо излучение (рентгеновское,
электронное и т. д.), энергия которого достаточна для ионизации
одной из его внутренних электронных оболочек, то образовавшееся
при этом вакантное место может быть заполнено электроном с мень
шей энергией связи из другой оболочки. Энергия, освобождающая
ся при указанном переходе, может превысить энергию связи _элек-
. трона
в одной из внешних оболочек атома, что будет ·со пр ов~ждать
ся эмиссией электрона. Так, если образовавшаяся ~ результате
внешнего возд~йствия вакансия на К-уровне , заполняется электро
нами с М-уровня, а выделяющаяся энергия передается электрону_ с
1N-уро вня, то этот процесс называют КМN-Оже-переходом. Кине
тическая э нергия электрона, эмиттированного в результ~те этого
перехода, . определяется . выражением
'·
ЕкмN=Ек-Ем-ЕN, .
где Ек, - Ем - энергия связи электронов на К и М. оболочках атомаi
154
EN - энергия связи на урощ1е N в атоме с однократно ионизован
ным уровнем М.
Абсолютное значение энергии эмиттируемых электронов в за
висимости от атомного iюмера элемента и типа перехода может
изменяться от 20 до -,3000 эВ.
В электронной О~е-спектро- ,
метрии, . получившей наиб_ольшее
'распространение для ионизацИ'и
внутренних атомных уровней, ис
пользуется · первичный поток элек
тронов. Вероятность ионизации
внутренних атомных уровней . за
висит от энерги-и первичного пуч
ка. Максимум вероятности наб
людается при энергии первичных
электронов . в 3-5 раз большей,
чем потенциа л ионизации соот
ветствующего уровня. , Глубин а
выхода Оже - электронов в сред
нем около 1 нм, т. е. получаемая
Р ис. 6.11. Структурная схема элект
ростатического :_ анализатора
типа
«цилиндрическое з 7 ркало»
_ этим метqдом информация относится к поверхности исследуемого
образца.
Структурная схема электростатического анализатора типа <щи
линдрического зеркала», применяемого в Оже-спектрометрии,_ пред
ставлена на рис. 6.11 . Перв-ичный пучок электронов из блока 2 по
падает н·а мишень 1. Вторичные электроны ,через щели во внутрен
нем . цилиндре попадают на вход электронного умножителя 7. Энер-
Lomн.efJ
Fe
.• ·LJ 1/1·;1:r~ NL
,,,...-:у1
1_
.
1, r ,,L,
с 1~ JrL!
11• гвf F··
}~t::
1Fe
1
о
гия электронов, проходящих
через щели анализатора, за
висит от напряжения И, по
даваемого от ~источника 3 на
внешний цилиндр. Это на
пряжение и используется
для разв~ртки энергетичес
кого спектра электронов, за-
писываемого на двухкоорди
натном самописце 5. Генера
тор синусоидальных напря-
200
600
воо Е, эВ жений 4 и усИJштель _с син
Рис. 6.12, Оже-спектр нержавеющей стали
.\
ходной сигнал. На· рис. 6.12 показан
полученный на тако м анализаторе.
хронным детектором б поз
воляют дифференцировать и
филБТровать от помех вы
спектр нержавеющей стали,
Метод Оже-спектрометрий нащел широкое применение для кон
троля элементарного состава гiоверхкости;, оценки эффективности
различных методов очистки подложек и способов получения атом
ночистых поверхностей, процессов диффузии и миграции, эпиrак
сии, адсорбцюt и десорбции·.
155
§ 6. I О. Методы изме·рения газов·ых потоков
Поток газа, выраженный в условных единицах потока,
ляется выражением
•
Q =d(pV)= ~+V _!!__f!_
dt
рdt
dt'
опреде-
(6.16)'
справедливым при . постоянной температуре газа. Для , измерения
газового потока могут быть использованы методы постоянного объ
ема и постоянного давления. При V= const (,метод постоянного
объема) из (6:16) следует
Q=Vdp::::::Vлp_
(6.17)
dt
Лt
Давление газа, поступающего или выходящего из камеры, име
ющей объем V, за gромежуток времени Лt изменяетfя на Лр. Из
меряя Лр и Лt и подставляя значения в (6.17), находят величину
газового потока Q.
_
При p=const (метод постоянного давления) из (6.16) следует
Q-
dV~dV
- Pdt~~dt.
(6. 18)
В этом случае газ входит или выходи.т при постоянном давле
нии из камеры с изменяющимся объемом. Измеряя скорость изме
нения объема газа ЛV/Лt, из (6.18) найдем поток газа.
При количественной оценке герметичносtи вакуумных камер
измеряют поток натекания воздуха, проникающего через течи. Для
камер известного объема можно воспользоваться выражением
(6.17). В случае применения течеискателя для измерения потока
газа, его выходной прибор должен быть проградуирован.
Для градуировки используют калиброванные течи пробного га
за. Если постоянная течеиска·теля
Кт=Qкf(ак-ао),
Qк - поток пробного газа из калиброванной течи; ао и -ак - пока
зания выходного прибора течеискателя, соответствующие фоновому
по·току пробного газа и его потоку из калиброванной течи, то поток
натекания определяют из выражения
Q=Kr (а -а0),
где а - показания выходного прибора при размещении обследу
емого объекта в атмосфере пробного газа.
Отношение потока натекания пробного газа Q к потоку натека
ния воздуха В можно записать в следующем виде:
Q
Лри И11 r
В
Р,1- Р2 Ив
Здесь Ив - проводимость течи по воздуху; Иш- проводимость течи
по пробному газу; ~Ри - перепад . давлений при испытаниях:
(Р1:.__Р2) - рабочая разность давлений.
156
\
Выражая отношение проводимостей через температуры и моле
кулярные массы, получим
(6. 19)
где Тпг и Тв - температуры пробн_ого газа и воздуха; Мпг и Мв
-
молекулярные массы пробного газа и воздуха.
По заданному значению В из (6.19) определяют необх_одимый
поток пробного газа течеискателя Q. Если в вакуумной •системе
имеется несколько мест, где возможно натекание, и эти места бу-.
дут проверять поочередно, то минимальный поток, регистрируемый
течеискателем, должен быть соответственно уменьшен:
'.Q
Qп= --kв,
п
п ~ число возмржных натеканий; kв - вероятность существова1шя
натеканий, меньших чувствительности течеискателя . (при n = 15-; -20;
~в~ 0,3).
.
'
Чувствительность течеискателя может быть выражена через по- .
ток пробного газа Q, через концентрацию пробного газа у в смеси
газов, проходящих через течеискатель, и через парциальное давле
ние пробного газа в течеискателе р:
KQ=a/Q; К1 =Щу; _Кр=а/р,
. при
этом показания прибора {1, записывают в делендях самой чув-
ствительной шкалы.
•
.
Между чувствительностями KQ, Kv, КР в связи G тем , что Q=
= рSэФ=Q 0-у, могут быть записаны следующие соотношения:
КQ=Kр/S;Ф-:-Кт/Qо,
где SэФ - эффективная быстрота откачки пробного газа; Qo - об-
.
щий поток газа в течеискателе.
•
-
За достоверный принимается отсчет {1,m1n, вдвое превышающий
все случайные отклонения стрелки выходного прибора, вследствие
как нестабильности самого прибора, так и флуктуаций в сод ержа
нии веществ, вызывающих фоновый отсчет. По достоверному отсче
ту am1n и чувствительностям течеискателя можно определить мини- .
мальный поток газа Qm1n, наименьшую концентрацию Vmtn, мини
мальное парциальное давление газа Pm1n, регистрируемые прибором :
Qm1n=am1n/KQ;
'Уш1п=ашiп/Кт;
P111 1n
.a1111n!K р•
§6. II. Методы течеискания
Широкое распространение получили методы определения нате
каний, основанные на различных физических явлениях: газовых
законах, высокочас~отном разряде, теплопередаче, ионизации и т. д.
157
•Метод опреtсовки относится к числу наиболее простых. Пр и ра
боте по этому _ методу в объеме создается избыточное давление га-
.
за, а сам объем погружается в жидкость. Образование· пузырьков
с~шдетельствует об истечении газа. При погружении объекта в во
ду, находящуюся при атмосферном давлении, и избыточном давле
нии опрессовки в объекте, равном 105 Па, минимальные натекания ,
регистрируемые этим методом :составляют 1О-7 м 3 • Па/с. При ваку
умировании ·пространства над жидкостью чувстщпельность метода
может быть увеличена в 50 раз.
Одной из разновидностей метода я-вляется погружение объектов
в нагретую жидкость. Изменение давления газа в закрытом сосуде,
вызваi~ное изменением его температуры, на основании уравнения
состояния может быть подсчитано по формуде
(Р2-Р1)/Р1 =(Т2-Т1)/Т1,
где Р1 и Т1 - давление и температура газа до нагревания;' Р2 и Т2-
давление ·и температура газа после нагреваю1я . .
'· Вода может быть нагрета без образования пузырей дq 80° С, ЧТ(}
соответствует избыточному давлению 2 • 10 4 Па. Минимальное ре
гистрируемое · натекание , при испытаниях составит в этом случае
2,0-J0-6 м 3 -Па/с. При · использовании для этих цмей масла,
которое можно нагревать до 200° С ·и получать избыточное
давление 6,8 • 10 4 П"§., ре·гистрируемое натекание составляет
.5•1О-7м3•Па/с.
- Метод
высокочастотного разряда может быть применен только,
для нахождениятечи в стеклянных системах при давления х от
5 • 102 до 5 .10-1 Па. При приближении электрода трансформатора
«Тесла» к месту течи образуется направJiенный разряд, указыва
ющий на место течи. Разновидность ?того метода, использующая
изменение цвета разряда от состава газа, может применяться и для
металлических систем, в которые вмонтирована стеклянная раз
рядная трубка. Если места, где возможно натекание, смочить или
обдуть пробным веществом - ацетqном, бензином, углекислым га- .
зо.м, то в случае наличия течи цве1 разряда изменяется с красного,
на серый.
•
.
Манометрический метод испытаний на герметичность состоит
в следующем: место, в кото_ром предполагают наличие течи, обду
вают пробным газом или смачивают пробной жидкостью. Из-за за
висимости чувствительности манометра от рода газа наблюдается
изменение его показаний, свидетельствующее о течи. В случае при
менения пробных жидкостей можно добиться большей чувствитель
ности метода, так как количество вещества, проникающего через. ,
капилляр в жидком состоянии, значительно больше, чем в газооб
разном. При давлении в . системе ,_, 10-5 Па с помощью водорода
обычным манометрическ_им преобразователем могут быть зареги
стрированы течи до 1О-7 м 3 • Па/с. Компенсация фонового тока ма
нометра или использование · дифференциальной схемы включения
двух манометров, на один из которых_ действует пробный газ, по -
зволяет обнаружить течи до 10-11 м 3 • Па/с .
•
158
Метод палладиев·ого барьера основан на способности палладия
хорошо пропускать водород при t = 700-;-800° С, оставаясь непрони
цаемым для всех остальных газов. Этот метод является разновид
ност1;,ю маномеЧ)ического метода. Вакуумная система обдувается
водородом, а манометрический преобразователь, являющийся тече
искателем, отделен от вакуумной системы палладиевой пе!\егород
кой. Чувствительность метода определяется остаточным давлением
газов в преобразователе и в случае тщательного обезгаживания
может быть не меньше, чем для манометрического метода с приме
нением компенсацц:и общего тока.
Люминесцентный метод применяется обычно. для стеклянных ·
· приборов. При выдерживании объекта в течение определенного
времени в растворе люминофора капиллярные течи заполняются
люминофором, который впоследствии легко обнаруживается в ви
де точек или полос при облучении ртутно-кварцевыми лампа.ми.
Минимальная рег~стрируемая течь 10-9
-10-11 м 3 -Па/с.
Галогенные и газоаналитические течеискатели реагируют на по- ·
падание в них п.робного . газа и могут работать как при атмосферном
давлении в сочетании с методом опрессовки, так и в ·вакууме при
обдувании системы пробным газом. J'алогенные течеискатели ис
пользуют способность платины, нагретой до 800-900° С, резко уве
личивать эмиссию положительных ионов в случае присутствия в
.атмосфере газов, содержащих талогены. В тазоаналитичеСl<ИХ те
чеискателях используется разница между теплопроводностями
воздуха и пробного газа . - Минимальное натекание, регистрируемое
галогенными и газоаналитическими течеискателями, равно
1О-8 м3•Па/с.
.
Масс-спектрометрический метод определения натеканий являет
ся в настоящее время наиболее точным. В нем используется способ
ность масс-спектрометра непрерывно регистрировать парциальное
давление пробного газа в вакуумной системе. В качестве пробного
газа используют гелий, хорошо проникающий в молекулярном ре
жиме через капилJJяры и содержащийся в небольшом количестве в
воздухе. Минимальные течи, обнаруживаемые масс-спектрометри-
ческим методом, могут достигать 1О- 13 м 3 • Па/с.
,
Радиоизотопный метод поиска течей состоит в том, что испыту
емые объекты в течеf):ие некоторого времени выдерживаются . в ат
мосф _ере р::щиоактивного газа. По~ле удаления радиоактивного га
за и тщательной очистки поверхностей от радиоактивных загряз
нений излучающими остаются ·только приборы, имеющие течь, при
чем ин'Fенсивность излучения оказывается пропорциональной вели-
чине течи.
'
•
Метод накопленt1я основан на длительном накоплении пробно
го газа в объекте, отключенном от насосов. Это позволяет добиться
в дальнейr.цем увеличения чувствительности других методов опре-
деления натеканий.
•
Характеристики течеискателей, выпускаемых промышленностью,
даны в табл. П.1 О.
•
159
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем состоит различие между статическими и динамическими, газоанали
заторами?
2. Какие способы развертки спектра применяются в маrнитных масс-спектро-
метрах?
•
•
3, От чего зависит разрешающая способность омегатрона?
4. Чем объяснить большое быстродействие хронотрона?
5. Как происходит разделение ионов по 11ассам в квадрупольном газоанали
заторе?
6, Почему ионизационные газоанализаторы не могут . работать при давлениях
1-105 Па?
•
7. Какое свойство молекул газа используется для их разделения по массам в.
десорбционной масс-спе1<:трометрии?
'
.
·
8. Чем определяется энергия вторичного электрона, образовавшегося при Оже-
.
процессах?
.
9, Каковы требования к пробному газу в течеискании?
10 . Каким способом можно проверить герметичность неразборных объектов с
внутренними полостями?
Глава 7
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
§ 7.1. ·типовые вакуумные системы
В зависимости от особенностей технологического процесса, . мо
гут быть выбраны различные способы откачки.
Традиционной вакуумной системой можно считать систе~у на
пароструйных и вращательных насосах (рис. 7.1) *.
В откачиваемом объекте 1 высокий вакуум I0-5
-
10-3 Па созда
ется пароструйным насосом 8. Ловушка 16, чаще всего охлажда
емая азотом, снижает обратный поток паров рабочей жидкости па
роструйного насоса в откачиваемый объект. Затвор 4, отключая
объект 1, позволяет проверить эффективность вакуумной ловушки
.по
манометру 5 и работоспособность пароструйного насоса по мано
метрам 6 и 7. Манометр 7, обычно термопарный, с:Лужит для гру
бой оценки высокого вакуума. По его показаниям определяют воз-.
можность включения ионизационного манометра, работа которо _го
при. высоких дав~ениях (больше 1 Па) приводит к перегоранию
катода.
Манометрические преобразователи 2 и 3, подключенные к от
качиваемому объекту, измеряют вакуум в процессе откачки, а при
отключенной вакуумной 52истеме позволяют замерить скорость на
текания и газовыделения в откачиваемом объекте ,
Ловушка . 10, снабженная манометром 9, охлаждается водой и
снижает загрязнение высоковакуумног0 насоса парами рабочей
жидкости вращательного насоса. ' Работоспособность вращательно
го насоса 14 может быть проверена при закрытых клапанах 12 и 15
по показаниям термопарного манометра 13 . .Клапан 15 применяет-
•... Условные графические обознач ения элементов вакуумных систем, использу
емые в к ниге, приведены в та'бл. П.12.
160
ся для напуска атмосферного воздуха в механический насос во вре
мя его остановки для предотвраш.ения попадания рабочей жидко
сти насоса в вакуумную систему.
Автоматический вакуумный клапан 11 закрывается прй случай
ном отключении электросети и остановке ·вращательного насоса.
Клапан 15 при этом автоматически
о~крывается. Клапан 12 позволяет
дросселировать поступление возду
ха во вращательный насос при дли
тельной откачке больши~ qбъемов,
так как вращательные насосы не
приспособлены к длительной работе
при высоких давлениях и быстро пе
регреваются.
Основными недостатками рас -
. смотренной
выше схемы являются:
ВЫ(20КОе предельное давление (выше
10-5 Па); загрязнение откач!:fваемой
камеры парами рабочих жидкостей
насосов; малая быстрота откачки;
большое _ количество вспомогатель
ной арматуры; бодьшой расход энер-
гии.·
.
К преимуществам можно отне
сти: высокую надежность и наличие
комплектующих изделий.
Для снижения предельного дав
ления и уменьшения загрязнеi-rности
парам·и р·абочей жидr<ости откачи
ваемый объект можно предвари
тельно прогреть. Прогревают мано
метры 2, 3, клапан 4 и ловушку /6.
Для очистки камеры в зависимости
от типов масел температура прогре
ва должна составлять 300--600° С.
Обычно выбирают температуру про
грева 400-450° С. Между насосом
Вакуумная
камера
15~
~vlZ 13
~=@
14-[QJ-
'
Рис. 7.1. Вакуумная система
для получения высокого ваку
ума (l0_- 2
-
10-5 Па) с примене
нием пароструйного и враща-
тельного насосов
8 и ловушкой 16 может быть установ-!Jена дополнительная ловуш
ка, предохраняющая во время прогрева откачиваемый объект от
попадания ш1ров рабочей жидкости.
Эксплу;э.тация такой системы с двумя азотными ловушками по
зволяет получать вакуум 1О-8 Па 'На обы 1шых парортутных и пара- ·
масляных насосах. Применение сорбционных ловушек и паромас
ляных насосов также позволяет снижать предельное давление до
10- 8
-10-9 Па на серийных насосах. Параметры системы улучша
ются с применением специальных сортов масел с низкой упругостью
пара (10- 8
-
I0-9 Па при Т = 298 К), но при этом в процессе работы
возможно образовывание на поверхностях обрабатываемых изде
лий пленки масел,
161
В комбинированной системе откачки (рис. 7.2) получение сверх
высокого вакуума осуществляется с помощью сорбционного 1, па
роструйного 10 и вращательного 13_насосов, причем предельное дав
ление в камере 4 находится в пределах возможностей сорбционно• ·
r o насоса _(l0-6
- lQ- 9 Па). Вся сверхвысоковакуумная часть си-
Рис. 7.2. К:омбинированная система
<Jткачки сорбционным • пароструйным
и вращательным насосами: •
l - сорбционный насос; 2, 5, 7, 8, 12 - из-
м ерительная аппаратура; 3, 6. 11, 14 - за-
rворы; 4 - камера; 9 - ловушка; 10 - па
р оструйный насос; 13 - вращательный на -
сос; 15 - прогре1>аемый блок
стемы 15, в, которую входят кла ■
паны 3, 6, измерительная аппар·а
тура 2, 5 прогрев.ается с целью
обезrаживания. Во время прогре
ва и трен,иро,вки сорбционного на
соса выделяющиеся газы отка
чиваются вспомогательной: сис
темой, состоящей: из затворов 11,
1~ измерительной: аппарат урой
7, 8, 12, ловушки 9 пароструйного
и вращательного насосов . Давле -
. ние
запуска сорбционных насосов
в этой схеме может быть на уров
не 10-з___:_ 1Q- 4 Па, что позволяет
использовать любые типы сорб-
ционных насосов и, в частности,
ионно-геттерные распылительные
насосы, имеющие наиболее . низ
кое давление запуска. Для магни
торазрядных насосов часто- огра
ничиваются одн_им вращательным
насосом, снабженным сорбци-
онной: ловушкой.
Преимущества такой схемы
откачки: надежность запуска сор
бционных насосов; высокое пре
дельное давление за счет тща
тельного обезгаживания сОрбци
_о_нных насосов . .Недостатки схемы
_
следу~щие: возм~жность . загряз- ->
нения откачиваемого объекта парами рабочей жидкости пароструй
ных насосов; ухудшеН1ие параметров сорбционных насосов,. напри
мер магниторазрядных, при - совместной: работе с масляной систе
мой: откачки за счет загрязнения электродов продуктами крекинга
паров масла ·в ·газовом ·разряде.
•
Б езмасляная сорбционная система откачки пред◊тавлена на
рис. 7.3. От системы (рис . 7.2) она о.тличается ,;.ем, что запуск и обез
гаживание сорбционного насоса 12 производятся с п·омощью двух
последовательно работающих адсорбционных насосов . .Один из HiiX
7 откачивает атмосферщ,rй: воздух из объекта 1 и вакуумной: систе
мы, а второй 8 поглощает газы, выделяющиеся во время прогрева
сверхвысоковакуумной: системы и трениро~ки сорбционного насоса.
Клапаны 5, 9 предназначены для коммутации насосов, а кла пан б.:.......
для ·выпуска. откачанного газа в атмосферу.
162
В связи с тем, что предельное давление агрегата из двух адсорб
ционных насосов, измеряемое манометром 4, равно 10-1 Па, в ка
честве сорбционного насоса в схеме рис. 7.3 можно применять дуго
вые и магниторазрядные насосы, имеющие более высокое · давление
запуска .
Высокое давление во время тренировки и обезгаживания магни-
торазрядного насоса и всей сверхвысоковакуумной системы
( 10-1 Па по сравнению с давле
нием 10-3
-10-4 Па в схеме на
рис. 7.2) не вызывает окисления
деталей, так как спектр остаточ
ных газов адсорбционных насо
сов содержит в основном инерт-•
ные газы и водорд. Обезгажива
ние сверхвысоковакуумной сис
темь1, в которую кроме насоса и
вакуумной камеры входят клапа
ны 2, 1О и манометры 3, 13, осу_
ществляется с помощью нагрева
печью 11 до температуры 300--,-
400° С в течение 4-8 ч. Такие
прогревы выполняются пери9ди
чес1}и: при запуске установки и по
сле попада·ния атмоСJферного воз
духа в магниторазрядный насос.
В схемах безмасляной откач
ки широко · применяются магнит
ные манометры, плохо · работаю
щие в маслянЬiх системах из-за
Рис. 7.3. Безмасляная система откач
ки магнита-разрядным и адсорбцион
ным насосами:
1- камера; 2, 5, 6, 9, 10 - клапаны; 3, 4~
13 - измерительная аппаратура; 7, 8 - ад
сорбционные насосы; 12 - магниторазряд
ный насос; , // - печь для прогрева части:,
сиСтемы
.
загрязне.ния электродов продуктами крекинга масла в газовом раз
ряде.
Вакуумная · система с применением турбомолекулярных насосов
показана на рис. 7.4 . Система предварительного разрежения состо-
1_ ит из вращательного насоса 13, клапанов 10, 12, 14, ловушки 9-, ма
нометров 8, 11. Она обеспечивает на выхлопном патрубке турбомо
лекулярного насоса 7 выпускное давлен11е 1 Па. В таких системах
для · предiзаритель_ной откачки_ возможно применение адсорбцион
ных насосов с увели_ченной быстротой откачки по водороду .
.
в высоковакуумной части, состоящей из вакуумной · камеры /,
манометров 2, 3, 5, 6 и затвора 4, ловушку для паров масла обычно,
не ставят-. Турбомолекулярный насос, хорошо откачивая пары мас
ла, выполняет ее функции. Для . предотвращения проникновения
паров масла в-откачиваемый объект во время остановки и запуска
турбомолекулярного насоса через натекатель 16 напускается бал
ластный инертный газ.
Для обезгаживания и очистки откачиваемого объекта и сверх
вакуумной части с.истемы от загрязнений ее прогревают в печи
15 до темпер атуры 300-400° С, турбо_молекулярный насос в отли
чие от сорбционного обычно не прогревается.
Рассматриваемая система обеспечивает вакуум 10-6 Па без про
грева и 10-8
- 109 П~ при прогреве сверхвысоковакуумной части си-
стемы.
!
Централизованными системами _ откачки (рис. 7.5) называют
вакуумные системы, в которых выпускное давление для несколь
з,
2
'4-
ких включенных параллельно высоко
вакуумных насосов обеспечивается ра
ботой одного насоса предварительного
разре~е.ния. Они применяются в мно
гопозиционных полуавтоматах. откач
ки с вращающимися пароструйными
насосами, в помещениях с большим ко
личеством однородного вакуумного
оборудования и т. д .
Вакуумные установки V1, .. ., Vп от
качиваются высоковакуумными насо
·сами П1, ... , Пп через
автоматические
клапаны К1,•. .. , Кп.
Присоединение вы
соковакуумных насосов к трубопрово
ду предварительного разрежения JII
производится автоматическими клапа
нами В1, ... , Вп. Трубопроводы I и II
служат для предварительной отка 1 1ки
,воздуха из вакуумных установок. С по
мощью трубопровода I давление пони
жается от атмосферного 1 до . 102 Па, а с
помощью II - от•102 до 5 Па,
Каждый тр.убопровод откачивается
одним механическим насосом. В сис
теме имеется резервный механический
насос, который в случае аварии может
быть подключен к любому из трех ~тру-
Рис. 7.4 . Вакуумная система с б
М
турбомолекулярными насосами: опровод ов. еханические насосы под-
1-камера;2,3,5,6,8,11-изме-
рительная аппаратура; 4, 10, • 12 , •
14 - клапаны; 7 - турбомолекуляр
ный насос; 9 - ловушка; 13 - вра
щательный насос; 15 - прогревае-
мый блок; 16 - натекатель
ключаются к трубоп·роводам затвора
ми с ручным . управлением.
Включение и работа централизо
ванной системы откачки осуществля
ется в следующ ем порядке:
1) проводится откачка в течение 2-
· з мин от · атмосферного давления через трубопровод !, причем за
творы Dn открыты, Сп, Кп и Еп-'-- закрыты, · клапаны В п открыты,
высоковаr{уумные насосы Пп откач-иваются через трубопроводы .III;
2) с помощью реле · времени производится переключение системы
с I на II трубопровод, при этом затворы Dn закрываются, затворы
Сп открываются, откачка ведется до давления 5 Па;
3) манометрический преобразователь Мп, например типа МТ-§,
в схеме блокировочного вакуумметра при давлении 5Па ПОДI{ЛЮ·
чает к установке паромасляные насосы, . при этом затворы Вп и Сп .
закрываются, затворы Еп и Кп открываются;
164
4) после того как в объеме получено рабочее давление, паро
масляные насосы вновь переключаются на трубопровод III, при
этом затворы En з;з.крываются, а Bn открываются.
Для бесперебойной работы централизованной вакуумной
системы в случае аварии применяют защиту централизованного
трубопровода от вакуумных установок и вакуумных установок от
централизованного трубопровода.
•
Рис. !.5 . I,J:ентрализованная вакуумная система
'
·Ш
Первая защита срабатывает от маiюметрических преобразова-
телей М1 , .• ., Мп в случае повышения давления в вакуумной уста
новке выше допустимого' (в случае пароструйньiх насосов 6-8 Па),
при этом клапаны Kn автоматически закрываются.
Вторая защита срабатывает от вакуумного реле Р, установлен
ного в централизованном трубопроводе, если давление в нем пре
высит допустимую величину; при этом клапаны Bn автоматически
закрываются.
• Цен -трализованные откачньtе системы в оrшсанном виде рассчи
таны на применение высоковакуумны х насосов, требующих непре
рывного предварительного разрежения . Для высоковакуумных сорб
ционных насосов централизованная система откачки может рабо-
тать без трубопров од~ 111.
•
Если число вакуумных установок не - слиrμком велико или общий
объем в·акуумной системы соизмерим с объемом централизованного
трубопровода, то можно отказаться от трубопровода /. Таким обра
зом централизованные системы откачки могут быть_ также двух- и
однолинейные. '
•
Эк_оiюмические соображения позволяют опред елить целесооб
разность применения защит в случае аварии. Если вероятность ава-
165
рии мала, а ее последствия легко устранимы, то эксплуатация обе
их или одной из защит оказывается экономически нерентабельной .
§ 7.2 . Выбор коэффициентов использования насосов
Отношение эффективной быстроrы откачки насоса к быстроте
откачки· во входном патрубке назрiвается коэффициентом использо- .
вания насоса:
•
(7.1')
!
Вводя коэффициент использования н·асоса Ки в -основное урав
нение щ1.куумной техники согласно ( 4.9), получим
И=Sн Кн
1-Ки
(7.2)
Выражение (7.2) можно .считать одной из форм основного урав"
нения вакуумной техники, удобной для . выбора проводимости ва"
куумной системы от насоса до об'Ьекта, если извести .а быстрота от
качки насоса.
Определение оптимального значения коэффициента использова
ния для любой вакуумной установки проводится исходя из эконо
мических соображений. При . этом ?еобходимо учитывать, что при
увеличении коэффициента использования уменьшаются затраты,.. .
связанные с приобретением и эксплуатацией вакуумных насосов, Н()
увеличиваются расходы на изготовление трубопроводов и арма
туры.
Стоимость откачки одного литра газ9вой смеси, коп/л.:
С= Сн+Св+tо·(Зн+Зв), .
(7.3} .
tоSэф
. Зде сь to- срок окупаемости, с; Сн = С1S~•- стоимость насоса~
коп.; Св=С2UК,_ стоимость трубопроводов, затворов, ловушек
и другой вспо~огательной арматуры, ка1п; 3н =.С3S~• - эксплуа•
.тационные расходы на насос, коп/с; 3 8 =C4UK• -
эксплуатацио.н-
• ные расходы на арматуру,, коп/с; С1, С2, Сз, С4 и К1, К2, Кз, К4 - по
стоянные, зависящие от условий производства и эксплуатации ва•
куумного оборущ>вания. Уравнение. (7.3) можно зап_исать в виде
С = А1К;К• +А2 (1-Ки)-К• + АзfС;;К• + А4 ( 1-Ки)-К•, (7.4}
где
А1 =Cis~-
1/t~; A2=C2S~Г1/to;
А сSK,-1 А Сsк.-1
з=_зэф;4=4эф.•
Дифференцируя {'7.4) по Ки и приравнивая полученное вьrраже
ние нулю, получим условие экстремума:
_ ! !!;_= -.К1Aif(;;-<K,+l) +А2К2 (1-KJ- (K,+I) -
•
dКи .
.
•
•
-АзКзКи-(Ка+I) +А1!(4 (1-Ки)~(К.+l) =0. .
(7.5 )
166
\
Решая уравнение (7.5), можно найти оптимальное значение ко
эффиц11ента использования Ки, соответствующего минимальной
стоимости от,качки 1 л газовой смеси.
При произвольных значениях постоянных К 1 ,_ ... ,
К4 уравнение
_
(7.5) не имеет решения в явном виде. В
связи с этим рассмотрим упрощенный
случай, когда Кf\=К2 =Кз=К4 = 1-
.
Тог- ,К.и
да (7.5} примет следующий вид:
0,8
_
с\+ С2•
_
ci+ С4 __
-
t0K и t0 (1- Ки)2
Кн (!- К~)2
(7.6)
~ Из _(7.6) для определения Ки мож
но получить уравнение
(1-Аs)К~-2Ки+ 1 О, (7.7)
где
As-::- С2 + C4to .
С1 + Сзtо
Коэффициент As представляет со
бой отношение затрат на приобретение _
D,4
0,б \
--
'
.....___
-
D,2
.
D
2
JAg
Рис. 7.6. Зависимость коэффи•
циента использования насоса
-Ки
от соотношения затрат на
арматуру и откачные средстца
As
и эксплуатацию арматуры к затратам на приобретение и эксплуа
тацию насосов. При А.5 = 1 следует очевидное значение для коэффи-
циента /\и=О,5.
_
Так как Ки всегда меньше единицы, найдем решение уравнения
(7.7) в виде
Ки=(l - VА5)/(1-Аs)
Зависимость Ки= f (As) представлена на рис. 7.6 .
§ 7.3 . Олределение суммарного газовыделения и натеl{ания
Газовый поток, откачиваемый н асосом, -во время работы ваку
умной _устан овки имеет несколько составляющих:
(7.8
где Qc = Qг+ Qн - сум марное газовь!деление и натеканце в вакуум
ную установку; Qг - газовыделение из конструкционных материа
лов; Qн ~ натекание через оболочку вакуумной камеры; Qт - тех
нологичеGКое газовыделение; Qpv - поток газа, находившегося в ва
куумной камере до начала процесса откачки. Рассмотрим: подроб-
нее каждую из указанных составляющих.
'
Газовыделение из · конструкционных материалов происходит за
счет следующих процессов: адсорбционного газовыделения, диффу
зионного газовыделен.ия, газопроницаемости. Расчет каждого из
указанных процессов рассматривался в гл. 3.
_
Адсорбционным газовыделением -деталей, прошедших вакуум
ный отжиг непосредствен~о в вакуумной камере, можно прене-
167
бречь. Особенно -нежелательными составляющими газовыделения
являются пары воды и масел. Вода конденсируется на стенках
вакуумной камеры во время напуска атмосферного воздуха и при
загрузке обрабатываемых изделий. Конструктивным способом
уменьшения адсорбционного газовыделения паров воды является
использование шлюзовых загрузочных устройств . _
.
Диффузионное газовыделение можно частично снизить общим
прогревом установки, для чего требуются температуры от 450 до
1000° С. Способами борьбы , с диффузионным газовы,μ_елением яв
ляются правильный выбор конструкционных материалов, их пред
варительное · обезгаживание при высокой температуре в печах ва
куумного или водородного отжига или охлаждение в процеесе ра
боты.
, Газопроницаемость зависит от толщины вакуумных материалов.
Ее нужно обязательно учитывать для деталей, имеющих малую
толщину, сильфонов, мембран и т. д. Конструктивными способами
уменьшения газопроницаемости являются использование установок
с «двойным» вакуумом и охлаждение деталей во время работы не
посредственно в вакуумной камере.
Для определения удельного газовыделения можно воспользо
· ваться приведенными в табл. 7.1 значениями коэффициентов и фор - _
Таблица 7.1 '
Удельное rазовыде,11ение некоторых материалов при комнатной температур е
Материал
Обработка
У дельное газовыделе
ние после часа от
качки q,,м3-Па/{М2•с)
Сталь нержавеющая Без обработки
175·1о-•
Обезгаживани~а при 10-8 • 10- 10
450° С в течение 15
Сталь
онная
Медь
конструкци-
Латунь
Алюминий
Никель
Резина вакуумная
Полиэтилен
Фторопласт
часов
Без обработки
Хромирование
Обезгаживание при
450° С в течение 15
часов
4,1 ·10- •
13-JO -7
1O - s-10- 10
Без обработки
·2. 10-•
• Обезгаживание при
1О- 8-10 - 10
450° С в течение 15 ча-
<;ов
Без обработки
То же
»
»
»
»
3,3-10- •
6- 10-6
7, 10-6
10-2
10-•
3. 10-•
Пр им е чан и е: 1 м 3 ,Па/(м 2 ·с)=7,5·10-• л.торр/(см'.с)
168
Коэффициенты
А
В
-
3,4 7 ,3.1O- s
-
3,2 4,2,• 10-5
-3,5 4,0-10-5
-3,4 3, 1. \Q-5
.
мулой
1gLJ=A-Bt.
Тогда суммарное газовыд_еление вакуумной камеры можно рас
считать по- формуле
Qr=q1П1 + q2П2-+ ... +qпП,,,
где q1, q2 , .. , qп .-уд ельное газовыделение
материалов, прошедших
различную технологическую обработку или работающих при раз
личных температурах; П1 , П2, • .. , Пп __, площади поверхностей соот
ветствующих материалов, обращенные в вакуум; п - число мате
риалов.
Натекание через оболочку ва- Q
куумной камеры происходит как по
разборным и неразборным соедине
ниям, которые не могут обеспечить
абсолютную герметичность, так и по
сплошному материаду. Величина
возможного натекания в вакуум-
ную установку определяется как
От
r---. - -'- -. - ffri
1
1
1
1
1
1
l""""----
~-'---
__!__j__
t,
t2
1
t
r----~- ---+------
Qтеч ~наименьший •поток, регистри• Рис. 7.7 . Зависимость составляю-
руемый течеискателем (табл. П.-10); щих газового потока от времени
т - чиGло • последqвательно прове-
откачки
ряемых соединений ·; Кв = О,1-;-0,3-
вероятность существования течи, меньшей чувствительности .течf
искателя.
Резервом уменьшения - Qн является сокращение числа проверяе- _
мых соединений. Предельным случаем является m= 1, когда про
веряется негерметичность всей установки. В случае работы с ге
лиевым течеискателем всю установку помещают в полиэтиленовые
колпаки (или другие камеры, размер которых зависит от разме-
- ров установки), заполненные гелием.
Технологическое газовыделение связано с типом обрабатывае
мого объекта и способом осуществления технологического процес
са. В проектировочных расчетах его значение принимается по
стоянным.
Все составляющие газового потока, откачиваемого насосом, вхо
дящие в формулу (7.8), являются функцией времени работы ваку
умной установки (рис. 7.7). Поток Qpv существует только во время
неустановившегося режима работы t 1• В установившемся режиме
работы за время t2 потоки Qг и Qн остаются постоянными.
В зависимости от способа задания Q расчеты вакуумных систем
можно разделить на проектировочные и проверочные. Проектиро
вочный расчет производится по данным, имеющимся для сходных
по назначению вакуумных установок. После окончания проекти
ровочного расчета и ра·зработки конструкции вакуумной установки
можно произвести проверочный расчет, о!lределив величину рас-
169
четного потока Q с учетом типов и формы вакуумных материа л ов,
использованных при конструировании вакуумной камеры и тр у бо
проводов .
§ 7.4 . Выбор ва~уумных . насосов
Выбор вакуумных насосов может производиться при устан6вив
шемся режиме работы насосов при заданном газоврм потоке и ра
боче м давлении. При этом условием установившегося режима яв
ляется равенство быстрот- откачки и газовыделения: _
.
SэФ=SQ.
Здесь SQ =.о__;_ быстрота газовыделения; SэФ = SрКи - эффек-
Р
-
.
.
тивная •быстрота . откачки насоса; р - рабочее давление; Ки - ко
эффициент использования насоса; Sp - быстрота откачки насоса
при давлении р.
.
Быстроту откачки насо~а при давлении р можно определить,
рассматривая производит ельность насоса Q как разницу прямого
Qп и обратного Qоб потоков в трубопроводе, соединяющем насос с
откачиваемым объектом:
•
Q = SрРн=Qп-Q~б·=SнРн-Qоб•
rде Sн-ма ксимальная быстрота отr{ачки насоса . При Рн = Рпр
~ Рпр- предельное давление насоса) Q =0; SнРн - Qо5 = 0; Q о б===
=SнРпр• Тогда для быстроты откачки можно получить
(7.9)
Теперь выражение для эффективной быстроты откачки н асоса
с учетом (7 .9) примет ~следующий вид:
(7. 10)
В о спользуемся уравнением сnлошности потока SэФР = Sррн ,
записанным в виде
(7.11)
Подста~им (7.11) в (7.10) :
-sэФ=SнКи [1-:- - Рпр/(КиР)] .
(7. 12)
В озв ращаясь к исходно'му пр ед положению о б уст а нови вшем ся
хар а-ктере течения газа и воспо ль зовавшись (7.12), имеем
SнКи [1- Рпр/(КиР)J =Q/p,
откуда мо жно найти •быстроту откачки насоса Sн, у ка з ывае мую в
ката л о г ах на ва куумное оборудование :
Sн=Q/(КиР- Рпр) .
(7.13)
170 •
Эrо уравнение для заданных Q-; - Ки и р можно использовать для
выбора вакуумных насосов по быстроте откачки. Для того чтобы
выбрать по каталогу насос · с наименьшей быстротой откачки, не
,обходимо, чтобы предельное давление . выбираемого насоса
~< ~-
.
По формуле (7.13) можно выбрать и все . последующие насосы.
При этом рабочим давлением i-го насоса р = ·Pi будет для насосов,
сжимающих газ ,- максимальное выпускное давление предыдущего
насоса, а для , сорбционных насосов - их давление запуска Рвu.:..1>:
Р;= PвU-1)/'YJ,
где ri - коэффициент запаса, который может иметь значения от
_
2
до 10.
-
Выбор насо.сов может быть сделан также из условия ьбеспече
ния заданного времени работы вакуумной установки в неустановив
шемся режиме t1. Для д·авлений, меньших атмосферного, с доста:.
то1-,1но высокой точностью можно принять, 'что течение газа проис
ходит изотермически, т. е. р V = const.
Продифференцируем это уравнение
dpV +.pdV =0,
откуда имеем
dV= -dpV/p.
dV
Разделим это уравнение на dt и, учитывая, что -;;r=Sзф• по-
лучим
(7.14)
После интегрирования в пределах от t1 до t2 и от Р1 до Р2 при
ПОСТОЯННОЙ Sэф=SнКи:
Sн= SэФ = f2,3V lg (Р1/ pz) .
(7.15)
Ки
KиU2-t1)
Выражение (7.15) удобно для выбора быстроты откачки насоса
при молекулярном режиме течения газа при давлениях значитель
но больших предельного давления насоса, если выполняется при
нятое предположение о постоянстве быстроты откачки насоса и ко
эффициента использования Ки,
В вязкостном режиме течения при откачке объекта чер е з тру
бопровод круглого попеJ)ечного _сечения уравнение- (7.14) мож но
записать в следующем виде: .
dt= -
Vdp (Sн +И) ,
(7.16)
~
SнИР -
где V =Cp ; C=182d4/l для длинного трубопровода (2.35).
Интегрируя (7.16) в пределах от f1 до t2 и от Р1 до Р2, получим
2 ,ЗV Ig (р1/ pz)
SH= ------=-----'-'--''---'-'-'---
(tz- t1)- _V(-1
-
-
-
1-)
СPZР1
171 .
§-7.5. Определени е констру1пивных разме ро в
соединительных труб опроводов и арматуры
1
,
Для определения общей проводимости трубопровода от насоса
до откачиваемого объекта воспользуемся уравнением (7.2):
Ио=SыКи /(1-Ки) ,
U0- общая проводимость вакуумной системы от насоса до отка
чиваемого об·ьекта .
Чтобы коэффициент использования насосов не ухудшился по
сравнению с нормируемой величиной, в эту ' фо-рмулу нужно под
ставлять значение быстроты откачки насоса Sн, вь1бранное из таб
лиц с запасом. .
Если на у ча стк е вакуумной системы -от насоса до откачиваемого
_о бъе кт а и мее тся _н ес к ол ь-к о последователь-но соединенных элемея
тов - трубопроводов, клапанов, ловушек и-·т. п., число которых
рав но т, т о д олжно выполняться условие - .
_1_=_1_+ _1
_+···+-1.
(7.17 )
И0
И1. И2
Ит
Причем если И1=И2= ... =И;=
...
=Ит,тоU;=mU0.
Из уравнения (7.17) следует очевидный вывод: общая прово
димость трубопровода всегда 1v1,ен,ьше, чем проводимость любого
из элемен,тов .
При параллельном соединении элементов вакуумной системы
т
Когда проводимости отдельных элементов трубо п ровода найде
ны, необ ходимо задать им конс,труктивные размеры. При опреде
л е ни и р азм еров трубопровода его длиной з адаются ис х одя из ус
ловия удобства размещения элементов вркуумной системы на кар
касе, где будет монтироваться уст а новка. Диаметры трубопроводов
и отв е рстий рассчитывают по их проводимостяl'I,! из формул, при-
веденных в гл . 2 (см. табл. 2.3).
-
Режим течения газа можно определить по рабочему ·давлению
и диаметру в ходного патрубка насоса .
Сложные элементы. - ловушки, клапаны, затворы - чаще все го
выбираются стандартными по известной проводимости. В тех слу
чая х , ко гда это по каким-либо причинам невозможно, приходится
разр а б а тывать нестандартные элементы. При этом для расчета
проводимости слощный элемент разделяется на более простые,
для которых имеются расчетные формулы .
Проходимость или вероятность прохождения элемента молеку
лой газа в молекулярном режиме течения Р = U;/Иот, где И; - про
водимость элемента; Иот - проводимость входного _отверстия, мож
но представить в виде функции
.
dm;
,...,--,
lm1
172
зависящей только qт отношения размеров элемента: d; и l; - диа
метров и длин трубопроводов, do - диаметра ' входного отверстия.
Значение указанной функции известно, так как известна проводи
мость элемента и диаметр входного отверстия, обычно равный диа
метру предыдущего элемента. Поэтому можно записать уравнение,
в котором неизвестным будет один относительный размер, приня
тый в качестве осiювного, остальные соотношения размеров сле-
дует з@дать в соответствии с конструкцией системы.
/,.
Рассмотри~ пример расчета проводимости ловушки с попереч
ными щитками (рис. 7.8). Сопротивление такой ловушки при мо
лекулярном режиме течения мож-
но представить как сумму · сопро
тивлений четыр~х отверстий диа
метром d0 т, имеющих • проводи
мость Иот (л/с), и трубопровода
с проводимостью И1 (л1с):
_!_=-
4-+ -1
- , (7.18)
И И.от И1
2
где И0 т=9,1dот ; И1= 12,1d3/l (d и
lвсм).
Рис. 7.8 . Схема ловушки с поперечны-
Из (7.18) запишем выражение
ми щитками
для проводимости ловушки
И = И0тИ1/(4И1+И0т)•
Рассчитаем проходи·мость элемента, зависящую только от со
отношения его геометрических размеров:
dd2
12,1 -l
-
2-
dот
dd2
48,4-
~ 2 -+9,1
l dот-
Так как И задано, а dот выбирается равным диаметру предшест
вующего элемента, то, если задаться соотношением d/l, проходи
мость элемента будет известна. Воспользовавшись тем, что И =
· = ,оИот, можно найти наружный диаметр ловушки:
d=d ✓
9,IИ
от
d
.
12,1 -(9,!d~т - 4И)
.
~l
а затем и все остальыые размеры.
§ 7.6 . Графическая проверка выбора вакуумных насосов
и определение совместности и,х работы ,
Правильность выбора вакуумных насосов может быть прове
рена графически. На рис. 7.9 в логарифмических координатах по
строены характеристики двух выбранных насосов Sн 1 =f 1 (р) и
173
Sн2~f2(P): Эти характеристики имеются в литературе для всех
,стандартных насосов . На том же рисунке построены графики быст
роты натекания и газовыделения SQ = Q/p. Пользуясь основным
уравнением вакуумной техники, можно построить зав,исимости
.SэФ1 (р) и SэФ2 (р), т.ак как размеры трубопроводов, а ~ледователь-
но, И · цроводим.о'сти И уже определены: •
•
.ДО
Saфl =Sн1И1/(Sн1 +и1); sэф2= Sн2И2/(Sн2+и2),
Здесь И1 - проводимость вакуумной систе~ы от первого насоса
откачиваемого объекта; И2 - проводимост·ь вакуумной системы
от второго насоса до первого, при~
чем И в общем случае является
функцией давления.
Рис. 7.9 . Графическая проверка
выбора насосов
Для приближенного расчета об
щей проводимости Ио сложного тру
бопровода при смене режимов тече
ния газа введем понятие эквива ,JJент
ной длины трубопровода: lэ=А/И0 ,
пр,ичем А = 12,ld3 для молекулярного
режима течения воздуха при Т=
=293 К; А= IO,9d3 + 182,d4pcp для мо
лекулярно-вязкостного режима тече
ния воздуха при Т ~ 293 К; А=
= 182d4pcp для вязкостного режима
течения воздуха при Т = 293 К (l и
d- всм,р
-
в торр).
Для упрощения расчетов принимаем эквивалентную длину тру
бопровода постОЯJ!НОЙ и не зависящей от режима · течения га з а в
трубопроводе. По известной проводимос~.;.и Ио' при одном реж им е
течен и я можно найти проводимость Ио'' при любом- другом режиме
течения: U~c= (А11/А1) И~.
Точка 1 пересечения кривых· SэФI и SQ соотв етствует установ и в
l}.I е мус я режиму раба.ты первого насоса . Давление ·в точке пер есеч е ~
ния должно быть равно рабочему давлению первого насос,:~ р.1 .
Ан ало гично по пересечению кривых SэФ 2 и SQ можно найти раб оче е
дав лени е второго насоса р 2 .
При малом газовыделенйи (Q=SQp) усл овием запуска си с те м ы
яв ляет с я вз аимное пересечение кривых эфф е ктивной быстроты от
кач ки SэФt ~ Sэср 2 . При этом второй насос часто работает вб .rrи з и
свое го п р едельного давления. В случае больших газоiзыделений до
ста точ ным условием запуска системы можно считать · отсутств ие
двойного пересечения к ривых SQ и SэФI в промежутк е давлений от
Р1 до Р2 , В противном случа _е (для SQ') запуск системы невозможен.
Возможность заnуска системы следует проверять как для сорбци
{)ННЫХ, так и механических н а сосов . Для механических насосов кро
ме воз можности запуска следует определить совместность рабо т ы.
Пр и правильном выборе вакуумных наGосов совместность их ра
боты при заданой производительности · Q в установившемся режи-
l74
_ме работы установки долж1-1:;~ выполняться автоматически. В уста
новках с переменным газовыделением й натеканием необходимо
определять области совместной - работы насосов по газовому пото~
_ ку и давлению.
• Нахождение области совместности работы насосов удобно де
лать графически (рис. 7.1 О), считая, что в любой момент времени
поток остается квазистационарным, т. е. выполняется условие
()
сплошности потока Q1 = Q2 (Q1-про
из·водительность откачки первого ~на
соса в вакуумной камере; Q2 - про-
() тах
из·водительность откачки второго на--
соса в сечеюпi выхлопного патрубка ()раб
первого насоса).
Значения Q1 и Q2 как функп,ии
давления можно рассчитать, вос
пользовавшись кривыми эффектив-
/'
Ррао Ртах
ной быстроты O1'качки насосов s~Фi
и SэФ2 (см. рис. 7"9), по формулам:
Q1=Sэф!Р; Q2=Sэф2Р•
Рис. 7.10. Графическая провер
ка совместности работы ваку
умных насосов
р
Любой насос, тре'бующий для сво- .
ей ра·боты насос предварительного разрежения, имеет максимум на
кривой зависимости производительности насоса от давления. Если
при максимальной производительности предыдущего насоса после
дующий обеспечивает на его выхлопном патрубке давление Р2 меl-lь
шее максилшльного выпускного давления предыдущего насоса Рв,
то они вС(;гда работают совместно.
-
-
'
Давление Р2, соответствующее максимальной производительно
сти системы, нах0дится из уравнения Q1max = Q 2(p2), ко'торое удоб
но решить графически, проводя на ри·с. 7.10 прямую, параллельную
оси р (показана стрелками), от максимума кривой Q1(р) до пере
сечения с кривой Q2 (р). Точка пересечения определяет значение р2 •
Если Р2<Рв, то обеспечена п0лная совместность рабо_ты насосов.
При Р2~Рв совместность работы насосов сохраняется только в диа
пазоне давлений от Рраб до Pmax и потоков от Qраб до Qmax- Нахож
дение Qmax и /Jmax производится обратным построением, начиная
от давления Рн•
При ограниченной со-вместнори работы насоса в от'l{ачиваемом
объекте возможны резкие колебания давления при неустойчивом ·
газовыделении. Если суммарный поток, выделяющийся в вакуум -
• ной кайере, превысит . Qmax, то в вакуумной камере ПRОИзойдет рез
кое повышени-е давления от Pmax до Рв, которое может превосходить
Pmax на несколько порядков.
.
'
В вакуумных системах с устойчивым газовыделением мож но ог
раничиться частичной совместностью - работы насосов, что во мно
гих случаях, особенно в сверхвысоковакуумных установках, позво
ляет существенно снизить требования к насосу предварительного
разрежения, улучшить экономические характеристики и удобства
эксплуатации вакуумной установки.
175
§ 7.7 . Расчет распреде.JJения давления
в вакуумной системе
. Для
рас'!ет~ графйков распределения давления по длине ва
куумной систе:t1,ы в установившемся режиме работы вакуумной ус
тановки воспользуем ,ся предста·влени:ями о существовании в ваку
умной системе · прямрго и обратного потоков. Производительность
откачки Q при этом равна разности прямого и обратного потоков
Q = Qп-Qоб, где Qп=Sэф,;р;; SэФ ;, р; -эффективная бы~трота от
качки и давление в произвольном сечении l; , вакуумной системы
(рис. 7.11); Qоб=Рпрisэфi; Рпр/ - предельное давление насоса в
р
•
рассматриваемом сечении.
Рис. 7.11 . Распределение давле
ния в вакуумной системе
Таким образом,
Q ~ p;SэФi- РпрiSэФi•
откуда для расчета давления в про
извольном сечении вакуумного тру-
бопровода получаем
•
Q
Р; = -5- +Рнрi• (7.19)
эфi •
может быть рассчитана по
ники:
Быстрота откачки насоса SэФ i
основному уравнению вакуумной тех-
SэФ = SнИ1J(Sн+И,).
(7.20)
Здесь Sн - быстрота откачки насоса; И;
-
проводимость· трубопро•
вода от насоса до сечения l;.
Предельное давление Рпр на участке от насоса до ловушки мож
но брать равным предельному давлению насоса, а на\ участке от
ловушки до откачиваемого объекта - предельному давлению насо
са с ловушкой.
Первое слагаемое в формуле (7.19) при перемещении сечения
от насоса к объекту всегда возрастает, так как увеличивается со
противление откачке. Второе слагаемое в той же формуле может
ум·еньшаться только в ловушке. Таким образом, давление при пере
мещении от насоса к объекту возрастает; на ловушке возможно как
увеличение, так и снижение давления в зависимости от того, какое
из слагаемых (7.19) будет вносить наиболее существенный вклад
в изменение давления. Общий вид типового графика распределе
ния давления по длине вакуумной системы при -молекулярном ре
жиме течения показан на рис. 7.11.
Вид функции распределения давления по длине трубопровода
в зависимости от режима течения газа по трубопроводу может
быть легко проанализирован с учетом (7.20):
Р1-:- u.Q . + Qs +Рпрi•
(7.21)
'L
Н
В полученном выражении от l зависит только первое слагаемое
Q/U;. В молекулярном режиме течения U; не зависит от р и обрат-
176
но пропорционально . l, следовательно, зависимость между Pi и l
линейна. Для вязкостного режима течения Ui обратно пропорцио
нально l и прямо пропорционально р;, т. е. зависимость Pi от l
согласно (7.21) будет параболиче·ской. •
При те'!ении га-за в молекуля-рном режиме через трубу с учетом
распределенного по длине трубы газовыделения ее стенок падение
. давления
на участке трубы длиной Лх
Л _ q(l-x)П- +Q
Р- 'Ul/(дx) •
- где q - удельное газовыделение стен.ок трубки; l, П - длина и пе
· риметр трубы; х - расстояние от начального до текущего · сечения
трубы; Q - газощ,1й . поток, входящий в трубу через ее конечное
• сечение; И - проводимость трубы . После интегрирования по дли
не трубы от О до х_ получим
Рх-Ро= ; 1 [Qx+qП (tx- ~
2
)],
р 0 - давление в сечении трубы при х= О . Таким образом, .распреде
ление давления по длине трубопровода, особенно при больших l, .
может стать нелинейным.
Перепа,ц давления на всем трубопроводе при х= l:
Pz- Ро=-1 (Q + qПl) ·
И.
2,
-
(7.22)
Из (7.22) очевидно, что· если Q";:'J>qПl/2, то влиянием собствен
ного газовыделения трубопровода на распределение давления мож
но пренебречь.
§ 7.8. Расчет форвакуумного баллона
Форв,акуумный баллон (форбаллон) устанавливается между
высоковакуумным насосом и насосом предварительного разреже-
• ния. Он позвощ:~ет выключать - на длительное время вращательный
насос во время работы ·установки. Поток газа, откачиваемый высо
ковакуумным насосом, попадает в форбаллон и увеличивает давле
ние в нем от минимального Рн, . которое достигается при работаю
щем форвакуумном насосе, до максимального Pk , близкого к мак- .
симальноr4.-у выпускному давлению высоковакуумного насоса. Про
межуток времени, в течение которого может быть отключен вра
щательный насос, удобно выбирать равным времени установивше
гося режима работы , установки.
Если весь поток газа, проходящий через высоковакуумный на
сос, идет на повышение давления в форбаллоне, то можно записать
•уравнение сохр.анения массы :
,
Qt' = v~ (А- Рн),
где VФ--, объем баллона; tr .-
время работы после отключения фор :
вакуумного насоса.
•
7 Л. Н. Розанов
177
Объем баллона из полученного уравнения
V ф ' Qi'/(Pк- Рн~-
Здесь
(7.23)
Рв - максимальное вьmускное давлеr~ие высоковакуумного насоса ;
Sн - быстрота откачки вращательного насоса; Ки - коэффициент
и с пользования вращательного насоса при откачке форбаллона при
давлении Рн ,
'
Если в форбаллоне расположить адсорбент, - количество погло
ще щюго газа, в котором по уравнению Генри (3.28): •
А = КтрО,
гд е G - насыпной объем адсорбента, см~; Кт - коэффициент ад- •
сорбции при температуре Т (для активного угля СКТ - к29з =
= 102 -:-103 ; К77 = 106 -:-107
);
то уравнение для расчета форбаллона
с адсорбентом · запишется в виде
Qi" = V ф(Рк- Рн) + КтО(рк- Рн),
откуда
VФ= ([t" -КтО (Рк - Рн)
Рк-Рн
где t" ~ время р_аботы форвакуумного баллона с адсорбен·том. Ес
ли весь баллон заполнен адсорбентом, то VФ~ _
G. С учетом порис
тости адсорбента е объем форбаллона рассчитывается из урав
нения
тогда
-
Qi" = eVФ (Рк- Рн)+КтV Ф(Рк- Рн),
Qt"
VФ = ------
(Рк - Рн) (Кт+ е)
(7.24)
Из уравнений (7.23) и (7.24) можно определить, во сколько раз.
ув-еличится продолжительность работы форбаллона nри его за
полнении адсорбентом: i' /t" =К +в. (Для Т = 293 К; К29з = 103; в=
= 0,5; t"/t'= 103. Для Т=_77 К; К77=lr06; е=О,5; t1!/t'= 106.)
Таким образом, применение адсорбента в баллоне для комнат
ной температуры уменьшает требуемую величину его объема в
103 раз, а · для температуры жидкого азота в 106 раз. Для всех ва
куумных сицем с механическимй насосами необходимо рассчиты
вать размеры форбаллона. Отказаться от его 'применения можно
только в случае, ес:Ли в результате расчета окажется, что объем -
баллона слишком велик по сравнению с размером откачной ваку
умной системы или-объем баллона слишком мал, и его роль может
выполнить соединительный трубопровод.
178
§ 7.9. Расчет' времени неустановившегося режима
работы вакуумной установки
Будем считать, что течение газа происходит изотермически, т . е. •
р V = const. Продифференцировав это равенство, поделив о"бе его
части на dt и учитывая, что dV/dt = S, получим
dt = - Vdp/(Sp) .
(7.25)
Проинтегрируем уравнение (7.25) в пределах от t; до t2 и от р 1
до Р2, в результате получим для времени неустановившегося режи
ма работы установки:
.
Р•
i = i2 -t1=-1( ,\ dp/(Sp).
(7.26)
В обще~ случае быстрота откачки объекта S в подынтегральном
в ыражении есть функция давления:
S=SнKи-Q/p,
где Sн-бысtрота откачки насоса; Ки = И/(Sн+и_)-коэффици ент
использования насоса; И - проводимость между насосом и откачи •
в а.емым объектом; р - текущее давление; Q - суммарное газовы-
деление и натекание.
•
Рассмотрим частные случаи :
1. Пусть S = con~.
Такой случай возможен для высоковакуум
н ых насосов при молекулярном режи м·е течен и я газа по трубопро
воду, когда Sн = const; V= const; Q~O. Тогда ·из (7.26)
i = 2,3 _!C__ 1g ..E.l
.
SнКи _р2·
2. Пусть Sн=const; И=Ср; Q~о . <Этот случай характерен для
р аботы вращательных насосов при вяз-костном . режиме течения га-
за по трубопроводу . Согласно (7.26),
•'
•
Р~,Sн+СР •
•Р~• dр Р~• dр
t =-V
---dp= -V
-
-V
-=
SнС р2
Ср2
Sнр'
р,
р,
р,
=~(_!_
__
i )+2,з ~1g..E.l
.
СР2Pl
_
Sн Р2
Поскольку Q нель з я считать равным нулю, необходимо пользо
ваться графа-аналитическим методом расчета времени откачки .
Построим. графики эффективной_ быстроты откачки вакуумных на
сосов · в откачиваемом объеме SэФ ;(р) и быстрот газовыделения и
натекания SQ(p) = Q/p (рис. 7.12).
Разобьем весь диапазон давлений от атмосферного до рабоче
го на несколько участков р,, Р2, ... , р;, 1 р;+1, в каждом из которых
о"f1ределим в первом приближ·ении среднюю величину:
( Sэфi - SQ;) + (Sэф(i+l) - SQ( i +l))
Scp; =
2
7*
179
Время откачки в этом случае может быть рассчитано по следую
щей формуле :
t=
,V
--
g- --g
-
···
--
g --- ·•• ,т.._--
-23(11Р1+1lР2++1lр;+11
Scpl
Р2 Scp2
Рз
S~p;
Pi+l
Scp п
1g J.!!:._ ) '
Рп+1
где п - число участков, на которое разбит весь диапазон измене
ния давления в установке.
Определим время откачки трубопровода с распреде,ленным объемом без уче
та газовыделения с его стенок . Один конец трубопровода закрыт заглушкой, а
второй присоединен к насосу с настолько боль ш ой быстротой откачки, что в отк
рытом сечении трубопровод'! можно счи -
•
тать давление равным нулю .
S
Раз н ость газовых потоков, про ходя -
щих через два сечения · трубопровода, от
стоящие друг от друга на dx и на х от от
l{рытого конца трубы, определяет скор ос ть
S удаления газа: . ✓.-
s·эrрз ср 1
др
др (др д2р)
Fdx- .-
=-Иl-+Иl-+---;
дt
дх
дх дх2•
F - площадь поперечного сече_ния тр у бо
провода; V, l - проводимость и длина тру-
Рz Р1 Р _ б9провода.
.
_
Рис . 7 .12 . Графа - аналитический
расчет времени откачки ваку
,умной системы ,
После упрощения это выражение м оже т
быть представлено в виде ,иифференциаль.
ного уравнения
•др
д2р
дt = D дx2 ;D;=Иl/F,
имеющего следующие начальные и граничные условия : l = O, р=р1 ; х = О, др/дх =
= 0;X=l,р=О.
Решение этого ур _авнения имеет вид
р=р1~~(· -
l)k- l cos [~ (2k - 1)-3.,_] ехр [ ~ л:2 (2k -1)21J],
л:~(2k- l)
2
l
4
,
k-1
-
·
.
·
где т = Dt/l2 = Ut/V, V = Fl- объем трубопровода.
Для т~О,1 и х = О это уравнение можно записать в виде
р~Pl~ехр(-
:
2
1J) •
откуда следует, ' что время откачки от давления р1 до р2 в закрытом сечении тру
б о провода
V. Р1
t~ -lg-
.-
.
ИР2
§ 7. 10 . Расчет централизованных систем
В централизованных системах откачки одним насосом одновре
менно откачиваются несколько объектов, подключенных к общему
коллектору . Для расчета системы централизов,анной откачки вос
поль зуемся схемой, пока_занной на рис. 7.13. Вакуумный насос че
рез трубопровод !1 проводимостью И 1 подключен к коллектору
180
длиной lн, Откачиваемые объекты с .газовыделения-ми Q1, ... , Qn
. соединены с
коллектором через ·соединительные трубопроводы длн
ной L1, ... , Ln и характеризуются коэффициентом одновременности
работы т и коэффициентами неста·бильности рабочего давления
gi, ;.,, gn, значения которых известны.
~
Для коллектора на участках между последовательно подклю-
. ченными
откачиваемыми объектами в установившемся режиме
с п раведливы следующие уравне
ния газовых потоков:
1!
п
т }:_Q;gi = И2(P2 - P1);
i=Z
о i-L_1+--t - --L_2+--t-
i1
Lz
1!
т ~Q;g; = Uз(Pз-P2),
i=З
•
(7:27)
mQ11g11= И11 (JJ11 - Р,1-1),
Перепишем систему (7.27) в виде
'
'
11
Р2=Р1+;2• ~Q;g·;;
.•
·•
i=2
-
Рис. 7.13. Расчетная схема централи
зованной системы откачки
(7.28)
При заданных размерах коллектора, оI\!ределяющйх проводимо
сти И2, ... , Ип, потоках · Q2, ... , Qп и давлению в одной из точек лод
ключения откачиваемых объектов (обычно Рп) из системы (7 .28)
могут быть определены давления во всех оста л ьных сечениях кол-
лектора, в том числе и давление Р1 , •
•
Если задаться двумя давлен'иями Р1 и Рп, то можно определить
по проводимостям И2 , ... , Ип необходимый диаметр коллектора:.
Быстрота действия насоса выбирается согласно формуле (7.13)
✓
'
Sн = Qc/{К'iP1-Pnp),
(7.29)
п,
где· Qc=m ~ Q;g; - суммарна.я производительность откачки; К1
-
i=1
коэффициент использования н а соса; р 1 - давление в сечении кол
лектора, соответс'!'вующем подключению первого откачиваемого
объекта.
•
181
Проводимость п~рвого трубопровода определяется соотноше
нием
И 1 =К1Sн/(1-К1 ).
где Sн рассчитывается по формуле (7.29). По найденному значе
нию проводимости V1, при длине трубопровода l 1, предварительно
определив режим течения газа, можно найти диаметр первого тру
бопровода d1 :
Диаметры соединительных трубопроводов длиной L 1, . .. , Ln оп
ределяются из их проводимостей по заданному ' перепаду д;шления
между колл{!ктором и откачиваемыми объектами И;' = Q;/Лр;.
§ 7.11 . Расчет молекулярных потоков в ваку:умны?' системах
методом угловых коэффициентов
Большинство вакуумных систем при анализе молекулярных по
токов может быть разбито на ряд однородных поверхностей, име
ющих одинаковые значения коэффициентов поглощ е ния ~ и отра
ж е ния р (Р + р === 1). При десорбции молекул со стенок выполняется
закон косинуса. Вход молекул в вакуумную
систему можно приближенно считать также
подчиняющимся косинусному закону . Внеш
нюю газовую нагрузку можно рассматривать
как десорбционный поток с входного сечения.
В этом случае для системы , состоящей из
однородных поверхностей F1, F2, ..., Fi, ... , Fn,
молекулярный поток, • покидающий Fi по
верхность:
п
Q;=Qдi+P;}: 'fk;Qk,
k=l
'
(7.30)
где Qk - моле1\улярный поток, покидающий
Fk·ПОВ~рхность; Qд; - газовыделение с F;-по~
Рис_. 1.1 4• Расчетная верхности; (l)ki - угловой коэфф1щиент, . опре-
схема для определе
ния - дифференциаль
ных угловых коэффи-
циентов
деJ_lяющий долю молекулярного потока, попа
дающего от. F_k· поверхности на Fi-поверхность.
Для определения угловых . коэффициентов
выделим -на плоскости Fi и F k элементарные
площади и запишем выражение для молекулярного пt>тока, падаю
ще го с эJiементарной площадки dFk на элементарную площадку
аР; (рис. 7.14), согласно закону косинуса:
(7.31)
З де сь dQdFk - молекулярный поток, покидающий поверхность
dP" ; dro=dF; cos 'l\);h./r 2 - телесный угол, под которым площадка
dF; видна с площадки dFk, Подставляя в (7.31) выражен11е для
182
элементарного телесного угла dw, получим
откуда вероятн.ость вылета молекулы с поверхности dFk на поверх
ность dF; или дифференциальный угловой коэффициент
d = d2Qd)kdF1
cos <\!ki cos <\!lk dF,-.
(7.32)
'fdFkdFг dQdFk
:rtr2
.
Интегрируя (7.32) по площади F;, можно по.[!учить локальный
угловой коэффициент, определяющий массообмен между элемен
тарной площадкой dFk и роверхностью F1;
d
_
~·
cos <\Jk;cos o/ik dF
'fdFkFi -
2
i•
•
:rtr
F;
Средний - углавой коэффиц;~ ент опре,ы,еляется после второго ин
тегр+1рования по- площади Fk:
.
_=:_ 1 \\ coso/kicoso/ik dFdF
'fki- Fk JJ.
:rtr 2
ki•
FkFi
Полученные выражения . для расчета уrловых коэффициентов
определяются только геометрическими ~арактеристиками исследуе
мой системы. Эти коэффициенты аналогичны угловым коэффици
ентам теории лучистого теплообмена и обладают свойствами взаим
ности, замкнутости и аддитивности:
1) угловые коэффициенты взаимодействующих поверхност е й об
ратно пропорциональны их площадям:
'f 21F2='f12F1;
2) для замкнутой поверхности, состоящей из п взаимодействую
щих поверхностей, сумма угловых коэффициентов для любой по
верхности по отношению к остальным равна единице:
.
.
п
3) угловойкоэффициент двух взаим.одействующих поверхностей,
одна из . которых разделена на п частей, равен ' сумме отдельных уг
ловых коэффиицен11ов:
п
~
'-P1k= ." - 'fщ •
j=I
В табл. 7.2 приведены значения угловых коэффициентов для не
которых форм поверхностей, часто встречз.ющихся в вакуумных ус
тановках.
183
00
,!>-
Названия алем:ентов
Тело, не имеющее вог
нутостей, внутри другого
тела
Дв~ соосных диска ·
1
• Внутренняя поверхн ость
цилиндра
Угловые коэффициенты для расчета вакуумных систем
f
Схема
·@:F,
'
R
,
/
1•
.
_j_
~2ili • •
alffi
Значения коэффициентов
'1'11 =G
'1'12=J'
'1'21 = F1/F2
'f12=2
~
2[1+ х~+ z2-Y(1+ х2+ z2)2- 4x.2z2]''
х2
'f21=- 2 'f12
'
z
.
11
'f12 = '1'21 ~- CV~l-+~4~x~2 ·-
1)2
4х2
•
•
'fll=1+,У- yry2+1
Таблиц а 7.2
Используемые
обо з на•t ения
х= r/a
z=R/a
X=Z
·
У= a/d·
Названия эл_е~tентов , ' 1
Цилиндр и цилиндр
Цилиндр и диск
;;;;
С11
Схема
:~
~
~
1:1
es1:
t:!
Знаqения коэффициентов
1
,
•
<f'12 = 'д,у[2yt+ (у :,z)V1+ (!у + z)2-
-
zV1+z2_:(у+t+z)У(У+t+z)2+1,+
+(t+z)YI +(t+z)2]
,
у.
<f';н = ,<f'12
1
.
'!'12 = -2 [2yt + y'Jfl -h y 2-(.y+t) Vl+(y+t)2 +
у
,
+ t'JfТ+t2]
1
'1'12 == --- [4tyГ'+t:i - 4уу'Г+у2-
2(1- /2) .
,1
,_ у (4t2 + /2 + 1)2 - 14]2 + У(4у2+/2+1)2 - 4/2)
1-/2
<f'21 = 4(t _ !:/) '1'12
Продолжение
I
I Используемые
обо з на qения
У =a/d
t= c/d
z =b/d
Z=O '
f = d2/d1
t = a2fd1
·'У=a1/d1
Зная угловые коэффииценты, можно составить систему уравне-
• ний (7.30), решение -которой позволяет найти все массообменные
характеристики: суммарный поток Q;, покидающий поверхность F;;
п
'
поток молекул
QY; = I cpk;Qk,
уда ряющийся о поверхность
k-I
F;; поток молекул Qa ;= ~;Qy ;, поглощаемый на поверхности F;; по-
ток молекул Qoтp;=p;Qy;, отраженный от поверхности F;.
-
В качестве иллюстрации рассмотрим пример расчета коэффи
циента захвата откачного устройства в виде цилиндра диаметром d
.
и высотой l=·2d с сорбирующими стенками 2
1
(рис. 7.15). Молекулы входят в цилиндр через
-.--"'?7Г---с--'---,v/ отверстие с косинусным распределением. Га
'1::,
"'1
11
зовыделение с остальных поверхностей отсут
ствует . Коэффициент отражения входного от- •
верстия (поверхность 1) р1 = О, •на стенках
р2,з = 0,5.
Система уравнений (7.30) для такого объ
,,.
екта может быть записана в таком виде:
d
Рис. 7.15 . Схема
рабочей камеры • с
_
сорбирующими
стенками
Q1 = Q111 = Р1 ('P11Q1 +ut21Q2+ 'Рз1Qз);
Q2= Qд2+ Р2 ('P12Q1 + ~22Q2+ 'Рз2Qз); (7.33)
Qз :_ Qдз + Рз ('Р1зQ1 +cp23Q2+ 'РззQз)._
Для нахождения , углового коэффициента ,
ср 3 ,, определяющего вероятность попадания мо
лекул с поверхности 3 на поверхность 1, вос
пользуемся таблицей 7.2, откуда
С?з1 = }!__ ('_1/1 + d2 - 1)2
d2
/2
(7.34)
Для l=2d из (7.34) срз, =0,057. Для определения остальных уr.hо
вых коэффициентов воспользуемся условиями симметрии: ср3 , =ср, 3 ;
(j)21=<р2з; <р12=срз2; логическими соображениями: ср,, _ = срзз=О; свой-
F?
"
-
ством взаимности: ср 12 -:-ср21 F: ; своиством замкнутости: ср, 2 =
=· l-ср1з; ср22 = l-ср21-ср2з, которые позволяют найти все остальные
коэффициенты:
'?11 '?21 9з1
912 '?22 'Рз2
9 1з '?2з utзз
-О
0,943 0,057
0,236 0,528 0,236
0,057 0,943 О
Решая систему (7.33), получим Q, = Qд 1 ; Q2 =0,66Qд 1 ; Q3 =0,138Qд,
Поток молекул, выходящий из объекта через поверхность 1, опре
делим по формуле Qy1 = cp1,Q, +ср2,Q2+срз,Qз=О ,235Q д,, Коэффици
ент захвата откачного устройства (вероятность погльщения мо
лекулы, цошедшей в объект через входное отверстие) '1'] =
= (Qд1-Qy1)/Qд 1 =0,765. Быстрота откачки во входном сечении
Sн=У)Иотв=6,9d2 , где d-в см, Sн-В л/с.
186
. § 7.12. Математическое моделирование течения газа
в высоком вакууме .
Определение проводимостей элементов 'сложной формы, расче1
коэффициентов захвата вакуумных насосов и решение ряда дру
гих задач можно вполнить математическим моделированием тече
ния газа методом статистических испытаний (Монте-Карло). Рас
смотрим методику такого моделирования для определения прово
димости элементов сложной формы при молекулярном режиме
течения газа. Элемент сложной формы подключен входным отвер
стием к бесконечно большому объекту. Конфигура~ию элемента
можно представить математическим
описанием, используя каноническое
уравнение второго порядка,
а11х2+а22у2+а3зz2 +а12ХУ+
+a23yz+a13xz=
=a14 x+a24·y+a34 z+a44 =0. (7.35)
с соответствующими ограничениями .
.Оп ред ели м
точку в сечении входно
го отверстия (рис. 7.16), через кото
рую молекула попадет в исследуемый
элемент. Согласно условию присоеди
нения элемента к _ бесконечно большо-
Х'
му объему, точка входа молекулы дол- Рис. 7.16. Входное отверстие
жна быть расположена равновероятно элемента вакуумной системы
по всей площ~ди ·входного отверст.ия.
Число молекул, попадающих в кольцо радиуса r и ширины dr,
' dN=N •2nrdr ,
ПГ6,
(7.36)
где N - общее число молекул, прошедших через входное отверстие.
,Найдем плотность вероятности функции расп-ределения моле
кул по радиусу
o,---:dNj(Ndr) = 2r/r6,
(7.37)
тогда вероятность того. , что молекула попадет в круг радиусом r
,
.
1.
~1 = .\ o(r)dr.
(7.38)
о.
'
Интеграл в выражении (7 .38) изменяется от О при r= О до 1
при r=ro. Цодставляя (7.37) в (7.38) и интегрируя, получим
(7.39)
.Величина . 1;1 определяется выбором случайного числа, рав но
мерно распределенного в интервале от О до 1. Случайные числа
187
-
"
могут определяться с помощью таблиц, физических датчиков и спе-
циальных математических процедур.
Наиболее )'добно применение процедур, использующих простей
шие математические преобразования -двух чисел. В качестве на
чальflых, напри.мер, можно принять числа И1 и И2 , каждое из кото-
• рых меньше 4. Затем сумма И1 + И2 сравнивается с 4:
если и1+И2·> 4, то ~1 =(И1+И2 ----:-4)/4;
если И1 +и2 -< 4, то ~1=(И1 +и2)/4.
Таким образом, определяется первое случа-йное число s·1. Затем
второе начальное число ставится на место первого, а в _ качестве
второго принимается 4s1- Определяется сл~дующее случайное чи с
ло s2 и т. д. В I<ачестве начальных чисел можно выбрать :rt и :rt/2.
Этот алгоритм позволяет получить постоянный набор чисел, рав-
номерно распределенных в интервале (')Т О до 1.
•
Выражение- (7.39) определяет радиус входа молекул в элемент
через сечение входного отверсти я . Для определения угловой коор
динаты точки _ входа исп_ользуем второе случайное число
<fJ=2Л~2-
Направление вектора скорости молекулы в . точке входа о п реде
ляе:гся после генерирования еще двух случайных чисел sз и S4, т ак
же равномерно распредt;ленных !3 интервале от О до 1: .
а1 _:2л~з; a2 = aitsiп(V~),
(7.40)
где углы а 1 и а2 измеряются в :покальной системе коо р динат соглас
но рис. 7.16. Угол а1 лежит · в плоскост11 х'у', а а2 измеряется меж
ду осью z' и направлением вектора скорости v, Выражение для а2
зацисано из условия закона косинуса для распределения скоростей
молекул по напр_авлениям (3.14).
Уравнение прям.ой, по которой молекула движе тся внутрь эле
. мента
от входного отверстия, в локальной системе координат:
х'
Ь'
у'
т'
(7.41)
где Ь', т', п' -,- направляющие косинуеы прямой в локальной си-
стеме· координат. _
.
.
.
_
Уравнение · (7.41) нужно преобразоват-ь 'В глобальную систему
координат х, _ у, z, в которой задаются уравнения поверхностей, ог
раничивающих заданный элемент. В общем виде это преобразова
ние позволяет получить Ь, т, п ~ направляющие косинусы прямой
в глобальной системе координат:
(Ь) Ь1m1n1 ( Ь')
т=Ь2т2п2т;.
,п
Ь3m3n3
п
Здесь . Ь1, Ь2, Ьз - направляющие
_ косинусы
глобальных осей
188
х, у, z по отношению к оси х'; m1, -т2, тз - ho отношению к оси 'у';
_
п1, п2, п3- по отношению к оси z'.
•
В нашем конкретном случае расположения осей (ртrс. 7. ,16):
·Ь =Ь-', .m=m'; n=n',
Решим уравнение прямой в глобальной системе координат:
Х-Х1
ь
т
п
где х1; у1; z1 - координаты то:~ки входа молеку.JJЫ в глобальной си
стеме координат-совместно с уравнением цилиндра - х2 +у 2 =r02 ;
и плоскостей z= 11, !2, •.• , ln, определяющих конструкцию элемента.
Пересечение прямой с плоскостью дает лишь одну точку, а с ци•
линдром - две. После определения всех точек пересечения выберем
одну, находящуюся на минимальном расстоянии от исходной ло на
пр.авлению полета молекулы .и леJ15ащую на поверхности элемента.
Для найденной таким образом точки вновь определяется на
правление вылета молекулы с поверхности, которое задается зако- ,
.ном косинус?. Движение молекулы внутри элемента прослежива
ется до тех пор, пока она не покинет его через входное или выход-,
ное - отверстие. После чего начинают следующее испытание. ·
Исход каждого из испытаний есть случайная величина р, имею
щая два возможных значения Х1 и Х2. Если молекула, вошедшая
через входное отверстие, покидает его через выходное, то р=Х 1 .
В тех случаях, когда молекул·а не проходит элемент и возвраща
ется обратно, р = Х2: Для удобства дальнейших вычислений будем
считать X1 ·=l; Х2 =0. Вероятность события р=Х1 р,авна Р 1 -+2 , а
события р=Х2 , очевидно, -(l-P1-+2) .
Математические ожидания слу.~айных величин р и р2 :
2
2
М (р)= IP;X; = P1➔2;
i-1
М(р2)= IP1X}2)=P1:.+2
i-1
Д_исп_ерсия случайно_й величины
rJ (р)=М(р2)-[М(р)]2 ~Р1➔2(l - P1➔2).
Сумма независю.ц,Iх случайных величщ-r, полученных в ре-зуль•
тате большого числа испытаний N:
. }:=r1+r2+ .... +PN•
Согласно центра~ьной предельной теореме теории вероятности
R этом случае сцрав~длив нормальный закон распределения со сле
дующими параметрами:
-
M(~) =NM(p)= NP;➔2;
D(~)=ND(p) NP1 ➔2(l-P1➔2),
,откуда на основании правила За (а= V D(~))
l: =M(~) ± 3cr...;..NP1➔2 ± 3 VD(~).
(7.42)
следует, что
(7.43)
189
\
Из (7.42) и (7.43) получим окончательное выражение для ве
роятности прохождения молекулой элемента вакуумной системы:
р-~+3·-.
/ P1-,.2( l ~ P1+2)
-
1-,.2 - N
-
V
N
•
(7.44)
· Относительная
погрешность вычислений вероятности прохож·де•
ния молекулой элемента зависит от величины самой вероятности ,
обратно пропорциональна числу испытаний и в процентах опреде
ляется выражением
л = 300 V(1- P1 .....2)/(NР1.....2).
Нап,ример, при Р1-+2 = 0,5 для получения результата с ОТНОСИа
тельной погрешностью Л = 5% необходимо провести N = 3600 неза
висимых испытаний.
Вероятность прохождения молекул через элемент, определенная
по формуле (7.44), может бьrть записана также через отношение
проводимости элемента к проводимости входного отверстия:
Р1-+2=Иэ/И0 •
•Атаккак
И~=36,4 V"(T/!YI)A
масть элемента
согласно (2.27), то проводи-
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1, Какие участки вакуумных систем про греваются с целью обезгаживан'ия?
2. Почему форвакуумные централизованные системы выполняются многотруб -
ными?
•
•
3. Как определить оптимальное значение коэффициента использования ваку -
умных насосов?
-
•
4. Как определить возможность запуска установки при различных скоростях
натекания?
-
· 5. Как найти область совместной работы последовательно включенных !JЩО
сов?
6. Как характер распределения давления по длине трубопровода зависит от
режима течения газа?
7, Каково назначение форвакуумного баллона?
8. В чем заключается сущность метода угловых коэффиuиентов?
9, Какова последовательность этапов математического моделирования течения
газа в высоком вакууме методом статистических испыта;1шй?
1О. От чего зависит точность метода статистических испытаний?
Рабочая жид•
~...... кость
ВМ- 1
.5Ф4Э ,
ФМ-1
1f1ФМС-2/5л
IТТ ФМС-3
Р-1 (ртуть)
Р-2
: ВМ-4
«Г»
ПФМС-1
:ТМ- 1
гост; ТУ
гост
5671 - 70
ТУ МЗ-43 - 65
ВТУ
МЗ --17-62
ТУ
609-497 - 73
·ТУ
602-758-73
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рабочие жидкости насосов
Давление насы
шенных паров
при2СJеС, па
3·l0-7+5·l0-6
10··8+ 10-6
4· 10-6
, 10-в
!Оц
Кинемати- Пре.в;ельное
ческая вяз~ давление
кость при
насоса, •
50°С, сСт
Па
65- 69
65-75
80- 95
130-150
250 - 270
(при
20° С)
2-JQ-4
5-J0- 5
2- 10-4
5. 10-7
8-10-1
ТУ
7-10.,: 7 +9·10- 5
1
15-19 2-1,0-•
6-02-777-73
ОТО
5-10- 5+3 -l0-•
(при
20° С)
6,6- 9
005.019ТУ
гост
4658-49
гост
4658-49
гост
7903-56
РТУ
РСФСР
No
нп 12-6,1
гост
91,84- 59
РТУ
РСФСР
No1
нп J.1-61
ТУ ТХК
ЕУ-246-62
ВТУ
МЗ-11~62
10- 1
10-1
5-10-3
10-6
47-57
40
I0- • +7-10-• 12,5-15,3
10-3 + 10-2
IО -з..,.9. I0-3
8,8 ·10-з
7-10
3,6-4,6
6-9
10-з
Таблиц а П.1
·,
•Примечание
Плохая терма-
окислительная
стойкость
То же
Обладает павы
шенной окислитель
ной стабильностью
Обладает высо
кой термоокисли
тельной
стойко
стью
То же
Используется для
насосов с больши~
выпускным давле
нием
Исполь-зуется. в
парортутных
на
сосах
То ~е
Используется в
ротационны х
на
сосах
То же
Используется в
бустерных насосах
То же
»
Использ уе·rся в
ту р бомо л екуляр
ных насосах
191
Характеристики механических
Пластинчато-роторные
Основные характеристики
ВН-01 1 ВН-49412НВР-1Д , 2~ВР-Щ
Быстрота откачки в О, 1
диапазоне давления
760-1 торр, л/с -
Предельное остаточное
давление, торр:
п олное с газобаллас
том
_ 0,22
1,0 -
5
0,78
2,6
полное без газобал - 3,J0-2 2 .10-2 5,Jо -з 2.10 -з 2-J0- 2 3.10- 2
ласта
парциальное (по воз- 3,10:-З 10-з 5,I0- 4 .
духу)
Частота вращения р.ото- 1400 ~360
ра, об/мин
•
Количество масла, за
ливаемого в насос, л
Расход охлаждающей
воды, л/ч
Мощность асинхронно
го трехфазного электро
двигателя •(50 Гц,
220/380 В), кВт
Диаметр впускного пат- 8
рубка, мм
Габаритные
ры, _ мм:
длина
ширина
высота
разме-
Масса насоса с приво-
дом, кг
'
Уровень шума, дБ
192
306
135
170
8,3
1,5
0,6
14
437
300
325
34
1400
. 0,25
0,25
16.
310
125
185
8,5
72
10- 4
1400
1,5
0,9
25
540
160
210·_'
27
70
10-з
540
2,3
0,6
14.
530
300
- 415
64
,5, 10-з
450
0,5
Воздушное
0,6
20
613
320.
430
110
'
Таблица П.2'
.ротационных насосов
статорные и зt>лотниковые
, • В Н- 2 МГ I НВГ-5 1 ВН-lМГ_ нвз:20 1 ВН-7 1 ВН-6Г I НВЗ-300 1 НВЗ-500
5,8
6,2
13; 3
20
59
155
300
500
'
-
2,5,10- 1
-
5,5-10-2 0,8
-
-
1- 1,5
1,0
1,0
..
2,3.10- 2 5,10-з 2,3, 10-2 5.10- 2 5.10-2 5,10- 2 5.10-2 5.10-2
,
3.10-з 3. 10;-5 3,IQ--::3 5.10 - з 5.10-з
10-2
10-2 1.10-2
-
525
5Ш
500
1500
500
360
1000
1000
2
0,75
3,8
-
1.-
16
55
-
-
ох,1аждение
2300
3000
-
-
1,7
1,6
2,8
1,9
'7
20
40
55
63
-
75
50
100
150
200
250
-
748
640
954
-
'
1370
1560
2075
2910
486
300
580
-
770
980
1510
2060
575
580
745
-
-
1300
1790
1780
2045
187
105
290
-
690
1557
2714
4577
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
193
Sн, r·r3/c
10°
10 -t
10·2
/
...
!!.
!
2ДВН- 1 500
--
......;_
/
,,,
[дВН- /50 -1
/
'l вн-вr
_.-f- /
--
10·2
1о ·з
/
_z
,., 7 ДВН-50-1 •
/
/
-
-
'/! /__
1 BH·/MI
/
//
,,
./
,-
/ ,двн- - 2 /т"---,
:,:Н-2NГ·-
'1 / -;,,,.
• //~~,1'
,PBh' -2D
!1,•
·1
/
,,,,,
LI
Вf{-1,Б!М
1'
{~ 1~ -1/--;;,
1
ВН-4-94-
11
;,
tl
. ,.3.- -
--1,,,
-
tO2
10" р,Пеt
Рис. П.1. Характеристики объемных вакуумных на
сосов
__ ___ без
ловушки, - - - - - с ловушкой),
S, N3/c г---г--. 1r----т--т--~-----,-~
,ooi---+-
- t-- + --,f:__-+ -...:,,?--1 - -~
ТМН-5000
•"
тмн- 200
1
~
тмн - 100
"-\
t о -;t--t:;., . ,, ,- -- t--I
• -----,1- -н-:.:...:::.:+-н~~...Jн
2/
tо · 1----1!•,-1 - ~
- ---
--1 -I_
__, ?P-1=~ ::::j~:----t - - - - -,
10 ·J
10-2
10°р, f!a
Р ис. П .2. Характеристики турбомоле
кулярных насосов
Рис . П.3. Ха р актеристики па рос труй
ных насосов
-
-
--
безловушки,-----сло•
ВУ1⁄2IК ОЙ)
, S,мJjс г----т--.-Н-И-Б,--- -50
-.-
--,--.---,
10 ' ~:::.;~~:З.~~l~~l=:...~--i-_J
10011/L.::::t:::::;::;t=:::s;J:::::::::-J -- - -J
1о,· 11---4 - - -J-cJ- ~ .: .;
-:
_~ .fcc--:-
-,,..
_j_
. ., . . , ;:,:.;:.,-:;..:: .:_
10·7
rо·з р,Па
Рис . П.4 . Ха р актеристики ионно -сорб
ционных насосов
....
"'
(;11
.
: Основные :характеристики
Быстрота откачки В ,
диапазоне
давлений
(1 +5) • 10-.
2 торр, л/с
Предельное остаточное
давление, торр
Парциальное давление
по воздуху, торр
Наибольшее давление
запуска, торр
Расход охлаждающей
воды, л/ч
Мощность асинхр о нно-
ro трехфазного электро-
двигателя
(50
Гц
220/380 В), кВт
Габаритные
разме-
ры, мм:
длина
ширина
высота
Масса, кг
Диаметр входного пат-
рубка, мм !
Таблиц а П.3
Основные характеристики двухроторных ва1,уумных насосов
Тип насоса
\
ДВН-5-1 J ] ДВН-5-2 ]
ДВН-50-1
l ДВН-50-2
1
ДВН-_150-1
1
2ДВН-500 / . 2ДВН-!500 1 .ДВ!:1-5000
'
5
~ 7-10
40-50 i.
50
120-150
500
1500
5000
5-I0-.з
4, I0-4 '
5, 10-з
,
4, I0-4 ' 5.10-з
5, !'о-з 1
5,10-з
5,10-з
-
4-10- 5
5-10-5
-
5, 10-s
-
-
-
10
1
10
5
5
1
1
1
.
.
30
Охлажл.
30
50
70
500
500
-
возлуш.
0,18
0,18
0,7
1,5
1,5
7,5
10
28
458
261
415
645
623
1375 ,
1835
2580
158
186
240
360
240 .
600
580
890
187
224
290
325
260
845
j
485
1145
17
23
28
60
45
565
830
1900
40
40
85
85
100
175
250
Та блица П.4
Турбомолекулярные н,асосы
Тип насоса
-
1
1
1
1
Осно вн ы е характеристики
ТМН-100
ТВН-200
ТМН-200
ТВН-500
ТМН-5000
Рабочий диапазон, 5,IQ- 9-;- IQ - 8- 5 . 10 - 9-;-
1Q-'8-: -
5: 1Q- 9-;-
торр
I0-4 ,
IQ- 4
,
I0- 4
"104
·I0-4
Быстрота откачки
100 _
200
250
500
5000
воздуха в рабочем ди-
'
;апазоне давлений, л/с
\
, Предельное
оста-
I0- 9
5,IQ-9
IO --c- 9
5,10- 9
10-в '
-точное давление; торр ·
Наибольшее выпуск-
10- 2
10- 2
10- 2
10- 2
10-2
ное давление, торр
Частота вращения
18 ООО
16000
18000
16 ООО
6000
ротора, об/мин
Мощность электро -
0,3
0,4
0,3 -
о.в
2
двигателя, кВт
-
Тип преобразователя НВР-3, СПЧ
-
НВР-3, СПЧ нвз, НВЗ, СПЧФ
СПЧФ
Расход охлаждаю-
50
,50
50
120
500
щей воды, л/ч
-
160
Диаметр впускного
125
160
260
500
патрубка, мм
Диаметр выпускно-
32
50
-50
50
100
го патрубка, мм
675Х310Х
Габаритные разме-
-
920Х
-
-
ры (длина Х ширина Х
Х400Х
Х385
Хвысота) мм
Х510
Масса , кг
110
-
205
-
1480
Необходимая быст-
3
6
12
150
рота откачк-и фор в а-
куумного насоса, л/с
Таблиц а П.5
Хараl{Теристики паромасляных насосов •
,; Тип насоса
-
I,H-lC -2
1
1
1
J
Основ ные характеристики
1
Н-0,15-С
Н-5С-М
Н-2Т-3
н-вт-м ·
Н-40Т
Рабочий диапазон 2, 10- s+ 5. 1Q- 6 -;- 5, I0 - 6+ 10-s+
1o~s+
1Q-5 -;-
д авлений, торр
10-з
10-з
5,,1Q-c-4 5,IQ-4 4,10-4 2,IQ-4
Быстрота откачки
15
100
500
1500
7500
30000
воздуха, л/с
2·IQ-6
3.10-1
Предельное остаточ-
3.10-1
10-в
3,IQ- 6 3.10-в
ное давление, торр
Наибольшее давле- 0,4
0,4
0,2
0,3
0,3
0,3
ние запуска, торр
Мощность электро- 0,2
0,5
О,7
r,7
3,5
е,5
двигателя, кВт
Расход воды на ох-
25
50
120
250
30Q
·120()
.h аждение насоса, л/q
.
i .96
Тип насоса
,Основные Jсарактеристики
Н-O, 15-С 1 H-lC-2
Н-5С-Н Н-2Т--3]
Рабочая жидкость ВМ-1 , - ВМ-1
ВМ-5
ВМ-1
Количество---рабочей 0,035
о,1
0,5
1,1
::жидкости, л
Диаметр условного
7
l!Ipoxoдa, мм:
впускного патруб- 46
86
1130
260
ка
выпускного пат-
8
17
32
50
рубка
Габаритные разме-
;ры, мм:
165
210
555
длина
344
_шир ина
120
160
240
588
высота
240
·355
540
775
Масса, кг
3
10
22
65
Необходимая быс'r - 0,04
0,4
2,0
-3,0·
рота откачки форва-
'-- ..
·куумного насоса, л/с
Характеристики rеттерно-иониых насосов
. Основ ные
характер~:стики
Быстрота откачки в
.диапазоне давлений
10- 6
-
10-' торр, л/с
Предельное остаточное
..давление, . торр
• Наибольшее
давление
.для запуска насоса, торр .
Расход воды, л/ч
Срок службы испа р ит·е-
.лей
при
давлении
:З - 10""7 торр, ч
Диаметр
условного
, nрохода
впускно г о пат
рубка, мм
Габаритньiе размеры
,насоса (длина Х ширина Х
Хвысота), мм
Вес насоса, кг
Тип блока питания
Габариты блока пита-
,ния, (длина Х ширина.Х
Х высота), мм •
Масса блока пита-
•i!Ия, КГ
ГИН-О,5Мl - 1
450
5.10-9
10-4
300
500
160
~64Х280Х464
36.
БП ГИН-0,5 м
550Х460Х373
70
Тип насос·ов
ГИН-2
1800
5-10:-9
10- 4
600
1000
260
51ОХ420Х882
100
ПУ ГИН-2/5
700Х580Х 1050
/•.
160
Продолжение
H-8TsM
1'
Н-401'
8М-1
ВМ-1
4,0
20,0
500
1200
85
55
985
1880
600
1330
1234
1945
225
920
12,0
30,О
Таблица
4500
5-10-9
I0- 4
600,
1000
500
П.6
· 770Х680Х1100
216
ПУ ГИН-2/5
700Х58ОХ 1050
160
197
... ..
~
Таблиц а П.7
Хара,ктеристики магниторазрядных насосов
Тип насоса
Основные характеристики
нмд 0,0963
1
НМД-0,025
l НМД-0,063
1
НМД-0,1
1
НМД-0,25
1
НМД-0,68
1
НМД-1
Быстрота ОТ!fаЧКИ ~
6
22
л/с
60
110
250
650
1200
Рабочий диапазон 5-10-9+10-3 5• 10-9+10-З 5-10-9+10-3 5-10-9 + lо-з
5-10-9+ 5: 10-9+
'
5. 10-9+
давлений, торр
10-з
10-з
10-з
Предельное давле-
5-10-10
5.10-10
5.10-10
5.10-10
5.10-10
5.10-10
5.10-10
ние, торр
Наибольшее давле-
10-2
10-2 ,
· 10-2
10-2
10- ~
.
10-2 ,
10-2
ние запуска, торр
Диаметр условного
25
100
100
100
160
250
250
прохода входного пат-
рубка, мм .
Габариты насоса
85Х80Х160 157Х84Х220 320Х 106Х320 . 32О Х180Х320
• 320Х327Х 500Х350Х 554Х500Х
(длина Хширинахвы-
340
580
580
сота) мм
Масса насоса, кг
2,9
8,4
21
32
53
.
190
290
Тип блока питания
БП-0,0063
. БП-0,025
БП-0,063
БП-0,1
ВП-0,25
БП-0 ,63 2ХБП-О,63
Габариты блока пи- . 480Х300Х220 480ХЗООХ220 480Х320Х300 480Х320Х300 480Х320Х 480Х320Х 480Х320Х
тания (длина Х шири-
300
300
600
наХвысота) мм
Масса блока пита-
21
20
37• .
35
47
47
2Х47
Нl!Я, КГ
'
-
"'
"'
Основные характеристики
''
Быстрота откачки . в диапазоне дав -
лений 10-1
- 1 торр, л/с
Предельное остаточное давление,
торр
_
Объем, откачиваемый о.т атмосфер-
наго давления до предельного, л
Время откачки объема без предва-
рительного охлаждения, ч
Расход жидкого азота для началь-
наго охлаждения, л
Расход жидкого азота в установив-
шемся режиме, л/ч
Количество цеоJiита, СаА-4в, кг
•Время регенерации
при атмосфер-
нам давлении, ч _
Потребляемая мощность электро-
нагревателя
та, Вт
при: регенерации цеоли-
Расход воды, л/ч
Габаритные размеры, мм:
длина
ширина
высота
Масса, кг
Состав откачных средств агрегата:
I ступень откачки
.
:II
»
»
III »
»
Характерисtики адсорбционных насосов и arperaтo11
Тип насоса
ЦВН-0,1-21 ЦВ!i-0,3-2 -\ ЦBJ:-I-1 -2 1 ЦВ Н-1,5-3 ЦВА-0, 1 -1
2
4
6
10
.
2
1.10 -2 5.10 -2 1.10 -2 2.10 -2
1.10 -2
10
30
100
100
10
1
1,5
1
1
1
1,3
2
6
6
1,3
0,25
0,35
0,25
0,5
0,25
0,1
0;3
1
1,5
0,2
.3
2
3
3
3
400
135
825
350
400
-
-
,
-
-
-
'-
0192
-
(;::? 124
-
590
-
-
--
-
455
390
390
-
1145
1,3
-
4,2
-
-
-
-
-
-
ЦВН-0,1-2
-
-
-
-
ЦВНsО,I-2 '
-
-
-
-
-
Таблиц а П.8
Ти'i1 агрегата
1
ЦВА- 1 -1
1
ЦВА-0,1-2
1
ЦВА-1 -2 .
6
2
6
1.10 -2
l•I0-4
1-I0 -4
100
10
100
1
2
2
6
2,6
12
0,25
0,25
0,25
2.
0,2
2
3
3
3
825
400
825
-
1000
2000
820
590
820
545
553
596
1175
1145
1170
-
-
-
ЦВН-1-2
ВВН-2
ВВН-2
ЦВН-1-2 UBH-0,1-2 ЦВJ-1-1-2
-
ЦВН-0,1-2 ЦВН-1-2
""
о
о
Наименование вакуум -
,
метра
·-
Радиоизотопный
Сопротивления
Термопарный
Магнитный бло-
кировочный
1
Инверсно-магне-
тронный и сопро-
тивления
1
Инверсно-магне-
тронный
Тип 1
ВР-4
ВСБ-1
ВТ-2А
ВТ-3
ВМБ-2
ВМБ-3
ВМБ-4
ВМБ-5
ВМБ-6
ВМБ-8
ВИМС- , 1-3
ВИМ-1 .
ВИМ-2
ВИТ-)А
Характеристики вакуумметров .
Диапазон давления, ·торр
Выход за-
_измереиим _
·
1
Лриведенная писи .сигна•
погрешi-lость ла на по.
блокировки измерения, % тенциометр
..
760-10-4
±15
-
Имеет
30-10-2 30-10-2 ±20+±40
1-1O-З
-
±60
Не имеет
5.1-з
-
±30
Имеет
1-5· IO-5
.
1-5-1O-Б ±35+±55 Не имеет
2-JO-2 -
. 2 -10-2-
± liO
10~7
5-10-6
..
•1O-1 -1O-s 1O-1-1O-s.
-
Им~т
1O-1-1O-s 1O-1 -1O-_
s
-
10-з-10-1 10-з...:..10-1 -50++80
1O-з-1O-10 1O-з-1O-10 -55++130
30-10-6
-
-
Не имеет
'
IO-4-IO-12
-'-'--
±70 Имеет
IO-4-ICJ-Iз
-
-
10-1-10-1 ,
-
±30
Не имеет
'
1
'
Таблиц а П.9
Лотреб-
Масса, ляемая, Тин преобразова-
Габариты, мм
кг
мощ-
теля
ность,
Вт
386Х375Х295 16,5 60
МР-8
39O1Х248 Х257 14
140
МТ-6
МТ-6-3
266Х248Х257 9 !10
ПМТ-2
ПМТ-4М
МТ-8
32OХ • 185Х 150 4,5 35
ПМТ-2
'
ПМТ-4М
МТ-8
32OХ.15OХ18O .13
110
ММ-8
38OХ29OХ24O 19
150 ПММ-,13М-4А
23OХ3O7Х2'65 10,6 80
ММ-15
•386Х32OХ3OO
•14
220
ММ-15
4OOХ2OOХ39O 16
100
ММ-32-1
24OХ 158Х335 35
7,5
ММ-32-1
25OХ24OХ23O 8 140
ММ-22, МТ-6
-
448Х34OХ287 28
200
ММ-14С
386Х.278Х292 22
120
ПММ-14М
390Х225Х21O 13
75
ПМТ-2,
ПМИ-2
ПМТ-4М
ЛМ-3
i.
1
i-- ,
о
Наниенованиеiвакуум-
метра
Ионизационно-
термопарный
Ионизационный
1
Тип
ВИТ-2
ВИТ-3
ВИ-12
ВИ-14
-
1
1
"'
Диа11азон давления, 'ropp
Выход за-
1
Приведенная писи сигна-
погрешность • ла на по-
измерения -
бло1шровки измерения, % тенциометр
10-1 -10 -1
-
±30
1-10....:.7
-
±35
Имеет
'
1
JO-4 -JO-I0
-
1
±50
10-1 -10-10
-
±50
'
1
\
,
j
Пμодолжение табл. /1.9
Потреб-
j
1
Масса ляемая Тип преобразова-
Габариты, мм
кг ' мощ-
теля
ность,
1
Вт
32OХ28OХ215 , 10
75
ЛМ-3-2
МТ-8
ПМТ-2
230Х360Х485 15
75
ПМТ-4М
МТ-8 .
ПМИ-2
ЛМ-3
ЛМ- 3-2
ПМИ-1O-2
ПМИ-2
'
МТ-8
\
ЛМ-3
ЛМ-3-2
ПМТ-2
ПМТ-4М
448Х340Х287 , 30 280
ПМИ-12
МИ-12-8
480Х220Х360 20 140
МИ-27
ПМИ-12
МИ-12-8
)
Та блиц а П.10
Характеристики . течеиска7елей
Тип
Принцип .11ей ствия
1
ПТИ-7а
Гелиевый,
масс-спектра-
метрический
ПТИ-10
То же
СТИ-11
»
ГТИ-6 -
Галогенный
Наименьший регистрируемый
поток, м•. Па/с
6,7 • 10- 11 , с дросселиро -
ванием. откачк.\1 6,7, 10 - 12
6,7 -10-12 , с дросселиро-
ванием
откачки
6,7-10- 13
6,7• 10- li
1,33· 10-1
6,7 -10- 9
'
Назначение
Испытаюiе на герметич
ность объектов, допуска
ющих откачку '
То же
»
С атмосферным датчи
ком для проверки полос
тей, запол н енных галоге
носоде ржащими вещест
вами
С вакуумным датчиком
при быстроте откачки
1 л/с
ИО43.009
Искровой те- 6,7 · l0-s
чеискатель
Испытания вакуумных
систем со стеклянными
элементами
Таблица П,11
Характеристики измерителей парциальных давлений и масс-спектрометров
1
. Разрешаю - Диапазон
Диапазон рабочих
Тип
Марка
щаяспо- масс,а.е.~-
~авлений, Па
со6ность
Циклотронный (омега- ИПДО-1
20
2-100
1о-3+ 5•1o-s
трон)
ИПДО-2
35
1- 250
1о-3+7. 10- 9
Радиочастотный (топа- МХ - 6401
50 1- 4; 12- 56 l0-2+7•I0-7
трон)
Время пролетный
натрон)
(хро- МСХ-3А
30
1-250
10-3
-
10- 7
Монополярный
АПДМ-1
400
J -400
7.10-2+ 10-11
Квадрупольный
КМ-2
300
2-300
10- 3
-
10-7
Панорамный (фарви - АПДП-2
20
2-200
10- 3
-
10-7
трон)
Статический
МСД-1
60
2~150
10-3
-
10- 8
•
202
а)'
-в
Таблица П.12
Условные обозначения элементов вакуумных систем
Обозначение
Наименование
а - вакуумный насос (стрелки можно ие
ставить)
• б - механический или струйный
.
в - сорбционный
а - вращательный (число окружностей
соответствует •числ.у ступеней отка'!-
ки)
-
б - двухроторный
в - водокольцевой
а - эжекторный
б - диффузиощшй
в - турбомол~кулярный
а - ионно-сорбционный
б - криогенный
в - адсорбционный
а - отражатель (общее обозначение)
б-
. охлаждаемый
жидкостью
в- ловушка (общее обозначение)
а - газоанализатор (общее обозначе-
ние)
б -манометр (общее обозначение)
в - И-образный
г - мембранный
д - компрессионный
е - теплоэлектрический
ж - магнитный
з - сверхвысоковакуумный ионизацион
ный
и - ионизационный с горячим ~атодом
20З
.
Обозна чени~
а)
-
а)
a.J
а)
г·-l 1г· -,
,
l,___j.L_
___J
BJ,------ .
1Вакуумная 1
камера
:/.
Продолжение таблицы П.12·
Наименование
а - клапан (общее обозначение)
б ,- дозирующий
в - тарельчатый
г - плоский
д - с ручным приводом
е - с дистанционным у правлением
ж - с пневмоприводом или гидроприво-
д.ом
•
з :__ с электромагнитным приводом
и - с электроприводо м
а - трубопровод (стрелкой можно пока
.
зат_ь направление потока)
б - соединение трубопроводов
в - пересечение _трубопроводов
а - разборное соединение трубопроводов
б - фланцевое
.
в.- гибкое соединение трубопроводов
а - механ и ческий ввод движения в ва
куум
б - электрич_еский вво д в, вакуум
а - несколько элементов, соединенных в
один блок
б - подогреваемый бло к
в - вакуумная камера
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В а с иль ев Г. А . Магн иторазрядные нас_осы. ~ М.: Энергия, 1970. .
2. В о л ч к ев и ч А. И. Высоковакуум!:!ые адсорбционные насосы. - .М.: Ма -
шиностроение, 1973.
_
.
3.'Востров
Г. А., Роз ан о в Л . Н. Вакуумметры . -:- Л.: Машинострое
ние, 1967.
4. Де ш м ан С. Научные основы вакуумной . техники .- М.: Мир, 1964.
5. Л а ни с В. А., Л ев ин а Л. Е. Техника вакуумных испытаний. -
-
М .- Л.: Госэнер гоиздат,1963.
.
6. Мин ай ч ев· В. Е . Вакуумные крионасосы : ~ М.: Энергия, .1976 .
7.ПипкоА. И.,ПлисковскийВ. Я.,Пенчко Е. А. Конструирова-
ние и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979.
8 . Р о за но в Л . Н. Вакуумные машины и установки. - Л.: М!J.ШИностроение,.
1975.
9. С а к с ага нс кий Г. Л. Молекулярные потоки в сложных ва куум ных.
структурах . - М. : Атомиздат, 1980.
10. Фрол о в Е. С. Турбомолекулярные вакуум-насосы.~ М.: Машинострое-
ние, 1980.
11. Ц ей тли н А: Б. Пароструйные вакуумные насосы. - М.-Л.: Энергия ,.
1965.
ОГЛАВЛЕНИЕ
;Предисловие
3
~Введение . • .
4
§ 1. История развития вакуумной техники
4
§ 2. Применение вакуума в науке и технике
5
:Глава 1. Физика вакуума
.
.
.
.
.
.
.
.
8
§1.1. Понятие о вакууме и давлении
.
.
.
.
8
§ -1 .2 . Частота · соударений молекул газа с поверхностью
10
§ 1.3 . Газовые законы и единицы измерения давJiения
.
1О
§ 1.4 . Функция распределения молекул газа по скоростям
14
§ 1.5 . Время адсорбции
.'
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
17
§ 1.6 . Степень · покрытия гладкой поверхности молекулами газа
1,8
§ 1.7. Средняя длина свободного пути .
20
§ 1.8 . Понятие о степенях вакуума
Q2.
\Глава 2. Физические продессы в вакууме
23
§ 2.1 . Вязкость газов
.
.
.
.
.•.
.
.
.
2.3
§ 2.2 . Перенос тепла
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25
· § 2.3 . Диффузия в газах
.
.
.
.
.
.
.
.28
§ 2.4 . Те мпер атурное равновесие давлений
30
§ 2.5. Ре жим ы течения газа
.
.
.
.
.
.
.
3-2
§ 2.6. Течение газов чер~з отверстия
34
§ 2.7. Течение · газов · по трубопроводам
37
§ 2.8 . Электрические явления в вакууме
41
\Глава 3. Сорбционные явления .
.
.
.
.
.
.
44•
§ 3.1. Сорбционные силы и процессы
.
44
§ 3.2. Давление насыщенных паров
.
47
§ 3.3 . Испарение
.
.
.
.
.
.
49
§ 3.4. Конденсация
.
.
.
51
.§ 3.5 . Хемосорбция
.
.
.
.
.
,
52
§ 3.6 . Физическая адсорбция
53
§ 3.7. Скорость сорбции
.
.
58
§ 3.8. Растворимость газов в твердых телах
60
§ 3.9. Диффузия газов в твердых телах
.
.
61
!Глава 4. По;учение вакуума
.
.
.
.
.
.
.
.
.
68
§ 4.1 . Общая характеристика вакуумных насосов
68
§ 4.2. Объемная откачка
.
.
.
.
74
§ 4.3. Молекулярная откачка
.
87
§ .4 .4. Пароструйная откачка
.
.
93
§ 4.5. Ионно-сорбционная откачка
105
§ 4.6. Криогенная откачка
113
Гл ава 5. Измерение общих давлений .
121
§ 5.1. Классификация методов· и приборов для измерения общих дав-
лений..........................;
121
206
'\
§ 5.2. Механические преобразователи
§ 5.3. Гидростатические преобразователи
§ 5.4. Тепловые преобразователи
.
§ 5.5. Электронные преобразователи
§ 5.6. Магнитные преобразователи
.
§ 5.7. Радиоизотопные преобразователи
.
§ 5.8. Градуировка преобразователей для измерения общих
Глава 6. Измерение парциальных давлений
§ 6.1. Методы измерения парциальщ,1х давлений
§ 6.2. Магнитный газоанализатор
.
.
...
.
.
.
§ 6.3 . Панорамный газоанализатор (фарвитрон)
§ 6.4. Циклотронный газоанализатор (омегатрон)
§ 6.5. Времяпролетные газоанализаторы
§ 6.6. Электрические фильтры масс
.
.
.
.
. .._.
§ 6.7. Градуировка ионизационных газоанализаторОIJ
§ 6.8. Десорбционная масс-спектрометрия
§ 6.9 . Оже-спектрометрия
.
.
.
.
.
.
.
.
• §. 6.10. Методы измерения газовых потоков
§ 6 .11, Методы течеискания
.
.
.
.•.
.
.
Глава 7. Расчет и проектирование вакуумных систем
§ 7.1. Типовые вакуумные системы
.
.
.. ..
§ 7.2. Выбор коэффициентов использования насосов
§ 7.3. Определение суммарного газовыделения и натекания
давлений
§ 7.4. Выбор вакуумн~1х насосов
.
.
.
.
.
.
.
.
.
;,........
§ 7.5. Определение конструктивных размеров соединительных трубопро-
водовиарматуры......................
§ . 7 .6. Графцческая проверка выбора вакуумных насосов и определение
совместности их работы . . . . .'
.
.
.
.
.
.
.
.
.
§ 7.7. Расчет распределения давления в вакуумной .системе
.
.
.
.
.
.
§ 7.8. Расчет форвакуумного баллона
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
§ 7.9. Расчет времени неустановившегося режима работы вакуумной
установки................
.
. ...
.
§ 7.10 . Расчет централизованных систем .
.
.
.. ...
.
§ 7.11. Расчет молекулярных потоков в вакуумных системах методом
угловыхкоэффициентов.......... •
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
§ 7.12. Математическое моделирование течения - газа в высоком ва
кууме •....
Приложения • .
Рекомендуемая литература
Стр.
121
123,
i26
129
133
136,
137
14(}
140
142
144
145·
146 ,
14,8
150
153,
·154
156
157
160•
160'
166
167
170·
172
173
17 6-
·177
179
18(}
18Z
1,87
]91
205
.,j
Леонид Николаевич Розц_11ов
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
Зав. редакцией Л . • А . Романова.
Редактор С . В . Никитина.
Художественный ред~ктор Т. М. Скворцова.
Художник Ф. М . Буданов.
Техниче ский редактор Н . В. Яшукова.
Корректор Г . А. Чечеткина
ИБ No 2973
.Изд . No ЭР-314. Сдано в набор 05.08 .82 . Подп. в печать 09 .11 .82. Т-19435.
- Формат 60Х90 / 16 .
Бум. тип. No 3.
Гарнитура литера турная.
Лечать в,ысокая. Объем 13 усл . печ. л. 13,25 усл . кр. - отт. 12,96 уч. - изд. л.
Тираж 20 ООО экз. Зак. No 621. . Цена 45 коп.
••
.Издательство «Высшая школа», Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14.
Московская типография No 8 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
Хохловский пер" 7,