Лампи розжарювання

 

Якщо колби ламп розжарювання наповнити відносно важким газом аргоном під тиском близьким до атмосферного, то випарювання нитки розжарювання зменшиться і таким чином зросте час використання ламп, або можна буде підвищити температуру розжарення, тобто яскравість джерела світла.

6.4.6. Відкачка електровакуумних приладів

 

При виготовленні різних електровакуумних приладів у процесі їх відкачки з метою очищення від побічних газів виникає необхідність нагрівання електродів струмом високої частоти або розпилення всередині поглиначів газів. Щоб металева плівка розпиленої речовини не утворювалась на елементах приладу, охолоджують його колбу, де ця плівка і конденсується.

 

 

Запитання для самоперевірки

 

1. Які переходи стану речовини існують?

2. Яку пару називать насиченою?

3. Чи описується залежність тиску насиченої пари від температури законом Менделеєва - Клапейрона?

4. Запишіть рівняння, що описує залежність тиску насиченої пари від температури.

5. Від чого залежить швидкість випарювання речовини?

6. Які особливості має конденсація?

7. Як використовуються явища випарювання і конденсації?

 

 

Лекція сьома і восьма

 

ХІМІЧНІ ЯВИЩА У ВАКУУМІ

Для забезпечення в робочому стані інтенсивної емісії електронів з катодів радіоламп або газорозрядних ламп у процесі їх виготовлення застосовують відповідні хімічні реакції. Подібні реакції використовуються і для збільшення терміну використання вольфрамових тіл розжарювання в теплових джерелах світла. У зв’язку з цим розглянемо деякі хімічні реакції, що протікають при понижених тисках оточуючих газів.

 

 

7.1. Стійка і нестійка рівновага

Вважається, що хімічна система знаходиться в рівновазі, якщо реакція не відбувається. Але рівновага може порушитися під дією різних впливів, що змінюють початковий стан.

Рівновага називається стійкою, якщо невеликі зміни початкових умов викликають лише слабкі зміни системи.

Рівновага називається нестійкою, якщо невеликі зміни початкових умов викликають суттєві зміни системи.

 

 

7.2. Види хімічних реакцій

Хімічні реакції можуть протікати з виділенням або поглинанням тепла.

Реакція називається екзотермічною, якщо вона протікає з виділенням тепла. Прикладом такої реакції є отримання води з молекул водню і кисню.

Реакція називається ендотермічною, якщо вона протікає з поглинанням тепла. Прикладом такої реакції є отримання ацителену Сз вуглецюС і водню.

7.3. Закон Льо Шательє

Зміна температури і тиску в хімічній системі, що знаходиться в стійкій рівновазі, може викликати хімічну реакцію, яка буде протидіяти цим змінам, тобто викликати переміщення стану стійкої рівноваги. Відповідно до закону, який сформулював Шательє, якщо будемо змінювати початковй тиск і температуру так, що це викличе хімічну реакцію, то ця реакція буде протидіяти спричинюваній зміні.

7.3.1. Перший наслідок (вплив зміни температури)

 

Підвищення температури викликає хімічну реакцію, що буде протікати з поглинанням тепла, якщо залишити її без будь-якого втручання, тобто буде ендотермічною. Навпаки, зниження температури викликає хімічну реакцію, що буде протікати з виділенням тепла, якщо залишити її без будь-якого втручання, тобто екзотермічною.

Приклад. Вуглекислий кальцій при нагріванні розкладається (дисоціює) на двоокис вуглецю і окис кальцію:

CaCOCO+CaO

Підвищення температури вуглекислого кальцію викликає його дисоціацію.

При зниженні температури вуглекислий кальцій відновлюється з тих складових, на які дисоціював.

7.3.2. Другий наслідок (вплив зміни тиску)

 

Якщо реакція допускає появу газової фази, то зниження тиску призводить до виникнення газової фази, а підвищення тиску діє у зворотному напрямі.

Приклад. Якщо вуглекислий кальцій розжарити у вакуумі, то це викликає його дисоціацію і, навпаки, при підвищенні тиску виникає відновлення:

CaCO CO+CaO

тверда фаза газоподібна фаза

7.3.3. Використання у джерелах світла. Кругова реакція нагрітого вольфраму

Якщо в лампі розжарювання з вольфрамовою ниткою залишиться слід водяної пари, то це призведе до швидкого руйнування нитки при роботі лампи, оскільки виникне кругова реакція нагрітого вольфраму в присутності водяної пари.

Дійсно, при робочій температурі нитки в 2600K водяна пара діє на вольфрам за реакцією

W+2HOWO+2H

Але WOє більш летючий, ніж вольфрам при одній і тій же температурі, а тому випарюється в напрямі до стінок колби, де температура нижча, і там з молекулами водню вступає в реакцію, що призводить до відновлення вольфраму, який осаджується на стінці, а утворена водяна пара знову починає кругову реакцію з вольфрамом розжареної нитки.

Очевидно, що нитка зруйнується значно швидше, ніж при випарюванні вольфраму у високому вакуумі.

7.3.3.1. Дисоціація азидів лугоземельних металів

 

Для зменшення роботи виходу електронів з нагрітих металевих катодів з метою збільшення електронної емісії використовують таку технологію виготовлення катодів: вольфрамову нитку, попередньо покриту шаром міді і окислену, занурюють у водяний розчин азиду барію BaN,після цього лампа прогрівається при температурі до 400C одночасно з відкачкою газів.

Виникає реакція

BaNBa+6N

з виділенням азоту, який видаляється вакуумним насосом і на нитці залишається барій. Після відкачки азоту нитку прожарюють, що призводить до відновлення міді з її окисла барієм. У результаті отримується вольфрам, що покритий плівкою міді і окислом барію. Такий плівочний катод має більшу емісійну здатність ніж вольфрамовий катод.

 

СОРБЦІЙНІ ЯВИЩА

8.1. Сорбція і її види

 

Сорбцією називають процес поглинання газів або пари твердими тілами чи рідиною.

З досвіду відомо, що тверді тіла поглинають значну кількість газу. Сорбційні явища суттєво впливають на технологічні операціі особливо у вакуумі. Для їх вивчення можна розділити на три такі види, як фізична адсорбція, хемосорбціяабо хімічна адсорбція і абсорбція газів металами. У зв’язку з цим речовину, що поглинає газ, називають сорбентом, адсорбентом або абсорбентом, а речовину, яка поглинається - сорбатом, адсорбатом або абсорбатом.

 

 

8.1.1. Фізична адсорбція і її головні закономірності

 

Фізичною адсорбцією називають явище поглинання газу у вигляді дуже тонкої плівки, яка створюється на поверхні твердого тіла.Фізична адсорбція проявляється в такому досліді. Візьмемо листок слюди і розщепимо його на дві частини. Якщо одразу складемо знову розщеплені частини, то вони з’єднаються в одне ціле. Але з’єднання не виникне, якщо розщеплені частини залишити в повітрі на декілька хвилин, через причину утворення на їх поверхні адсорбованих шарів азоту і кисню.

При фізичній адсорбції маса поглинутого газу пропорційна площі поверхні тіла, а не його об’єму. Вважається, що адсорбовані плівки газу є головним чином мономолекулярними. Слід мати на увазі, що пористі тіла мають дійсну площу поверхні значно більшу, ніж ту, що здається. Дійсно, наприклад, деревне вугілля має активну поверхню 700 мна грам маси, тому володіє виключно високою адсорбційною властивістю. З цієї причини високу адсорбційну властивість мають порошкоподібні або подрібнені речовини.

Адсорбція є явищем екзотермічним з наявністю газової фази, а тому з підвищенням тиску або зниженням температури зростає. При нагріванні тіла з одночасним зниженням тиску поглинутий газ легко видаляється. Це повністю підтверджується на досліді.

Адсорбовані молекули газу утримуються значними силами, що називаються силами Лондона - Ван-дер-Ваальса, які пропорційні , де - дуже мала величина і є відстанню між молекулою, що адсорбує, і адсорбованою. При зіткненні молекул газу з поверхнею тіла тільки невелика кількість їх пружно відзеркалюється, а значно більша частина молекул затримується на поверхні в середньому протягом ~ 10c.

Адсорбція є зворотним явищем, якщо створені відповідні умови. Адсорбовані молекули безперервно залишають поверхню тіла, але також безперервно інші молекули газу знову адсорбуються. Виникає динамічна рівновага, за якою відповідна кількість молекул завжди залишається адсорбованою на поверхні тіла. Таким чином, при відповідних умовах адсорбовані молекули можуть виділитися тілом. Таке зворотне виділення тілом адсорбованого газу називають десорбцією або газовіддачею. Очевидно, що для знезгаження тіл від адсорбованого газу необхідно їх нагрівати. Це широко використовується у вакуумній техніці для отримання і підтримки низького тиску.

Для відповідного тіла адсорбція залежить від природи газу, причому він не змінюється в результаті хімічно.

Фізична адсорбція з часом досягає насичення. Після покриття всієї поверхні тіла плівкою адсорбованого газу адсорбція припиняється. У зв’язку з цим перед використанням адсорбенти потребують активації, тобто очищення.

 

 

8.1.1.1. Приклади фізичної адсорбції

Дослідом встановлено, що скло утримує ряд газів і це утримання здійснюється головним чином на поверхні завдяки фізичній адсорбції. Серед адсорбованих газів завжди є водяна пара, вуглекислий газ і в невеликих кількостях кисень, азот і окис вуглецю.

Склад адсорбованих газів і його повна кількість залежать від хімічного складу скла і знаходяться в прямому співвідношенні до кількості соди або поташу в складі скла. Наприклад, для силікатного скла адсорбований газ на ~90% складається з водяної пари, на ~10% з вуглекислого газу і тільки ~1% інших газів.

Боросилікатне скло має інше процентне відношення адсорбованих газів: водяної пари ~35%, вуглекислого газу ~40%, інших газів ~25%.

У вакуумній техніці інколи використовують деревне вугілля. Активоване деревне вугілля виготовляють зі шкаралупи кокосового горіха, яку нагрівають при 650С на повітрі доки не припиниться виділення пари, а потім температуру збільшують до 900С. Після цього проводять нагрівання протягом декількох годин, але вже у вакуумі і при 440С. Активоване деревне вугілля поглинає як водяну пару, так і великий різновид газів, тому його іноді використовують і в протигазах для утримання (непропускання) отрутних газів. Особливо ефективним поглиначем активоване деревне вугілля стає при охолодженні до температури рідкого повітря: -180С і може використовуватися у спеціальних вакуумних уловлювачах.

Окрім деревного вугілля використовують ще таку пористу речовину, як шабазит (природний подвійний силікат кальцію і алюмінію), що зв’язує в п’ять разів більшу кількість газу при такій же масі.

 

 

8.1.2. Хімічна адсорбція

 

При поглинанні газу поверхнею тіла іноді між ними виникає взаємодія у вигляді хімічної реакції, тобто діють сили хімічного зв’язку, які відрізняються від сил Ван-дер-Ваальса і часто перевищують їх.

Явище поглинання газів поверхнею тіл в результаті хімічного реагування між молекулами тіла і молекулами газу називають хімічною адсорбцією. Оскільки кількість тепла, що виділяється при цьому, пропорційна тепловій дії хімічної реакції, то таку адсорбцію ще називають хемосорбцією.

Між фізичною і хімічною адсорбцією існує велика відмінність. Хемосорбція при недостатньо високих температурах зовсім не виникає і, навпаки, швидко зростає при збільшенні температури, тоді як фізична адсорбція значно ефективно діє при низьких температурах. При нагріванні тіла адсорбований газ видаляється дуже погано або не видаляється зовсім.

Хемосорбція, як правило, не зворотній процес і для видалення поглинутих газів потребує нагріву до більш високих температур. Хімічний склад десорбованого газу відрізняється від адсорбованого. У результаті хімічної адсорбції можуть виникнути суттєві зміни властивостей поверхні тіла. Наприклад, кисень, що адсорбується на вольфрамі в результаті хемосорбції, знижує емісію електронів у сотні разів і для його видалення необхідно нагріти вольфрам до 1700С.

 

 

8.1.3. Абсорбція газів металами

При поглинанні газів металом молекули газу можуть проникати всередину між його атомами, тобто виникає твердий розчин.

Розчинність газів металом називають абсорбцією. При абсорбції виникає поглинання газу повним об’ємом металу.

Кількість абсорбованого газу зростає пропорційно об’єму тіла, залежить від природи метала і збільшується при зростанні його пористості.

Подібно до фізичної адсорбції абсорбціягазів металами з часом досягає насичення.

При відповідних умовах метал може поглинати гази за об’ємом, що в сотні разів перевищує його власний. Метали можна назвати губкою для газів. Наприклад, паладій за нормальних умов (20С і 760 Торр) поглинає до 900 об’ємів водню, цирконій - 1500, а титан - до 1800. Останні два метали використовують в якості газопоглиначів і при необхідності розміщують в середині електровакуумних приладів. Але такі метали, як золото, цинк і кадмій не абсорбують водень. У той же час кисень поглинається більшою частиною металів з виникненням окислів. З міддю кисень утворює суцільні зерна окислу, які при прожаренні міді в атмосфері водню або у вакуумі відновлюються, що призводить до виникнення пористості й крихкості металу. Ось чому для електровакуумної промисловості дуже важливе використання безкисневої міді з високою провідністю, яку отримують плавкою у вакуумі. Відомо також, що серебро при плавленні поглинає велику кількість кисню, але при затвердінні виникає бурхливе виділення кисню, яке призводить до утворення раковин як всередині, так і на поверхі серебра.

Абсорбція газів металами потребує значно більше часу, ніж фізична адсорбція. Досягнення насичення при абсорбції виникає за час від декількох хвилин і годин при нагріванні або навіть до декількох днів у холодному стані, тоді як при адсорбції достатньо хвилини. Така різниця пояснюється тим, що адсорбція відбувається на поверхні тіла, тоді як абсорбція газів металами відбувається шляхом їх дифузії між атомами в середину металу.

Об’єм газу, що абсорбується при досягненні насичення грамом або кілограмом металу, називається розчинністю. Об’єм вимірюється за нормальних умов. Розчинність газу може зростати або знижуватися при зростанні температури.

При абсорбція газів металами можуть виникати два види поглинання: поглинання з утворенням твердого розчину і поглинання з утворенням нової хімічної сполуки.

 

 

8.2. Дифузія газів через метали

 

Оскільки абсорбований газ проникає в середину металу, то протягом деякого часу, що буде залежати від природи і товщини металу, а також від тиску і природи газу, він почне проходити через метал. Прикладом може бути пропускання водню паладієм або повітря залізом. На рис. 8.1 зображені залежності швидкості дифузії для різних пар газ-метал.

 

 

 

 

Рис. 8.1

 

Привертає увагу велика швидкість проходження водню через паладій у порівнянні з іншими металами. Так, при температурі ~ 220С через паладієву пластинку в 1мм товщини і площею 1смза одну хвилину проходить 10 ммводню за тиском 760 Торр. Ця якість використовується для дозованого напуску водня до вакуумної системи, а також для виявлення негерметичностей у вакуумних системах.

 

 

8.3. Поглинання газів при електричному розряді

Газ за своєю природою є діелектриком, але під дією різних факторів, у тому числі електричного поля молекули можуть іонізовуватися і газ починає проводити електричний струм. Протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом. Газовий розряд супроводжується рядом особливих фізичних і хімічних явищ. Одним з таких явищ є поступове зниження тиску газа з часом після виникнення тліючого розряду. Зниження відбувається за експоненціальним законом, і очевидно, що воно зв’язане з поглинанням газу.

Поглинання газу під дією розряду (ще називають жорщенням) відбувається в результаті виникнення іонізації газу. В іонізованому стані газ стає хімічно більш активним. Іонізовані молекули інтенсивно прискорюються електричним полем і направляються до електродів з протилежним знаком заряду, бомбардуючи їх, що призводить до полегшення адсорбції, а також виникнення хімічного поглинання. Бомбардування розпушує матеріал електродів, збільшуючи, таким чином, площу поверхні і, відповідно, сорбційні явища. Значна частка іонів може адсорбуватися на стінках колби, де знаходиться газ. На досліді встановлено, що кількість поглинутого газу при сталій швидкості іонів прямо пропорційна силі розрядного струму і часу, протягом якого проходить цей струм. Поглинання газів відбувається і при відсутності розряду, але при розряді воно здійснюється значно швидше і в більшій кількості, що можна побачити на рис. 8.2 (,і- початковий при простій адсорбції і при розряді і найменший у колбі тиски відповідно; величини часу наведені умовно).

 

 

Рис. 8.2.

 

Слід зауважити, що в герметизованих електровакуумних приладах, в тому числі газорозрядних джерелах світла, адсорбовані гази здатні знову виділитися при зростанні температури.

 

 

8.4. Закони газовиділення металами

Дослідним шляхом встановлені такі закономірностігазовиділення металами або ще вживають вираз “десорбції”:

1) десорбція зростає з пониженням тиску, але навіть при дуже низькому тиску в металі ще залишається помітна кількість розчиненого газу;

2) десорбція буде зростає з підвищенням температури тіла, якщо одночасно з нагріванням здійснюється зниження тиску. Дійсно, підвищення температури збільшує тепловий рух атомів металу і молекул розчиненого газу, що полегшує їх відрив і буде наближати розподіл молекул до рівноваги з тиском газу в оточуючому вакуумному середовищі;

3) на десорбцію впливає природа металу і газу. Мала молекулярна маса водню сприяє легкості його дифузії і видалення з металу. У зв’язку з цим метали перед введенням в електровакумний прилад спочатку прожарюються в атмосфері водню при 900С протягом 15-20 хв. Водень відновлює окисли, витісняє інші, важко видалювані абсорбовані гази, займаючи їх місця в металі, а потім абсорбований водень легко видаляється у процесі відкачки.

 

 

8.5. Газопоглиначі

 

Повністю знегазити метали і матеріали колб майже неможливо, тому слід чекати, що в електровакуумних приладах з часом тиск зросте через причину виділення газа деталями і стінкою. У зв’язку з цим виникає необхідність використовувати спеціальні матеріали, які називаються газопоглиначами.

Газопоглиначі при розміщенні їх всередині електровакуумного приладу підвищують вакуум, створений при відкачці, і поглинають гази, які виділяються при роботі приладу.

Газопоглиначі - це головним чином метали, вони поділяються на такі, що випарюються і не випарюються.

8.5.1. Газопоглиначі, що випарюються

Газопоглиначі, що випарюються, виготовляють у вигляді маленьких клаптиків металу, який можна легко випарити, і розміщують на металевих утримувачах. Цей клаптик розігрівають після відкачки так, щоб він після випарювання і конденсації він створив на стінці колби наліт у вигляді дзеркальця, але не осідав на електродах і не погіршував ізоляційні властивості в середині приладу. Ці газопоглиначі повинні мати високу газопоглинальну здатність, особливо відносно кисня при температурах, починаючи від кімнатної і до робочої нагріву колби приладу, але не більше 200С, а також мати малу пружність пари(Торр) при робочій температурі.

Відповідним вимогам до таких газопоглиначів задовільняє невелика кількість металів, у першу чергу магній, барій, алюміній. Найкращим з них є барій, незважаючи на такий недолік, як низька хімічна стійкість.

Технологія випарювання пояснюється на рис. 8.3. У відповідний момент розпилення виконується місцевим нагріванням струмом високої частоти, що підводиться до соленоїду із залізним осердям. Утримувач газопоглинача доводиться до червоного розжарення, метал газопоглинача випарюється і одразу конденсується на ділянці стінки колби, що проти нього, утворюючи дзеркальний наліт.

8.5.2. Газопоглиначі, що не випарюються

Якщо випарювання є небажаним при побоюванні забруднення або зниження ізоляційних якостей електровакуумного приладу, використовують газопоглиначі, що не випарюються. В якості таких поглиначів застосовують листовий тантал, титан або цирконій порошковий, з яких виготовляється функціональний елемент приладу, наприклад, анод. Ще використовують спеціальний сплав церію і торію, який називається цето, він проявлє свої якості в холодному стані, на відміну від перших. Робоча температура цих газопоглиначів знаходиться у межах 400 - 800С.

 

 

8.6. Знегаження скла і металів

Створення вакууму в будь-якому скляному електровакуумному приладі повинно починатися з операції знегаження скла. Як зазначалося раніше, чим більше в склі лугів, тим більше в ньому міститься двоокису вуглецю і води. Пара останньої негативно впливає на розжарені вольфрамові деталі. Знегаження буде кращим, чим вища температура нагрівання, але скло стає м’яким вже при порівняно низькій температурі, тому Ленгмюр запропонував прогрівання виконувати в такій послідовності. Спочатку знегаження скла виконують при температурі, що на 50С менша від температури м’якості скла, щоб краще видалялися гази з глибинних шарів скла. Потім продовжують знегаження скла при температурі на 100С менше від першої, щоб більш ретельно гази видалялися з поверхні. Оскільки перша температура наближена до температури, коли скло стає м’яким, то до другої температури наближаються повільно, щоб швидке охолодження не викликало виникнення напружень, а потім і тріщин.

Велика кількість газів міститься в металах, куди вони потрапляють в результаті поглинання при виплавленні, розливі й обробці металів. За цих обставин плавлення металів часто виконують у вакуумі.

В електровакуумній техніці широко використувують такі метали, як мідь, вольфрам, нікель, залізо, титан та ін. Найбільше ці метали поглинають водень, азот, окис і двоокис вуглецю, кисень (у складі окислів), а в міді присутній ще сірчаний газ.

Кількість газів, що містяться в металі, розраховують відповідно до 100 грамів металу і наводять в см, приведених до нормальних фізичних умов. Ця величина для молібдену і вольфраму не перевищує 0,5 - 1 см/0,1 кг; для кращих зразків нікеля - 10 см/0,1 кг, а для гірших зразків заліза вона може досягати декількох сотень смна 100 грамів металу.

Знегаження металів здійснюють нагріванням у вакуумі або в атмосфері водню. З підвищенням температури швидкість знегаження різко зростає.

Чим краще газ розчиняється в металі при поглинанні, тим швидше він може бути видалений при десорбції. Швидкість газовиділення залежить від гранично допустимої температури знегаження відповідного металу і може змінюватися для різних металів у межах від 10до 10м/(мс).

Оскільки видалити з металу всі поглинуті гази неможливо, то знегаження вважається задовільним, якщо в металевих деталях електровакуумних приладів залишкова кількість газів не перевищує 1 см/0,1 кг.

 

 

Запитання для самоперевірки

 

1. Дайте визначення стійкої та нестійкої рівноваги хімічної системи.

2. Як називаються хімічні реакції, пов’язані зі зміною кількості теплоти?

3. Що стверджується в законі Шательє і які наслідки він має?

4. Що називають сорбцією, на які види її умовно поділяють?

5. Сформулюйте головні закономірності фізичної адсорбції.

6. Наведіть головні відмінності видів сорбції.

7. Як використовуються явища сорбції?

8. Сформулюйте закони газовиділення металів.

9. Якого виду бувають газопоглиначі?

 

Лекція дев’ята

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ ВІДКАЧКИ

Більшість сучасних електровакуумних приладів потребують створення і підтримування в середині високого вакууму на протязі всього терміну роботи. Наприклад, в електронних радіолампах тиск залишкових газів повинен не перевищувати ~ 10Торр, оскільки термо-електронна емісія, що використовується для їх роботи, дуже чутлива до збільшення тиску залишкових газів, які можуть призвести до зникнення емісії і, таким чином, перетворять прилад у непридатний до роботи; в лампах розжарювання тиск газів повинен не перевищувати ~ 10Торр.

Нормальна робота газорозрядних ламп можлива тільки при певно визначених газах і тиску, тобто потрібно спочатку створити високий вакуум, а потім напустити відповідні гази при відповідному тиску.

9.1. Процес створення вакууму і головні параметри вакуумних систем

 

Рис. 9.1.

Для створення високого вакууму в приладі, що складається зі скляного або металевого корпусу, в якому герметично вмонтовані електроди, необхідно видалити з нього газ. Видалення газу, тобто відкачка здійснюється вакуумними насосами, що приєднуються за допомогою трубопроводів до приладу і разом з іншим необхідним устаткуванням складають вакуумну систему. Проста вакуумна система для отримання середнього вакууму (рис. 9.1) складається не менше, ніж з трьох елементів: вакуумного насоса 1, вакуумпроводу - трубки 2, що з’єднує насос з вакуумною камерою 3 - об’ємом, що потребує відкачки. Вакуумний насос має впускний 4 і випускний 5 патрубок, через який газ видаляється в атмосферу.

До вмикання насоса газ у всій вакуумній системі знаходиться під одним тиском. При вмиканні насоса, робота якого складається з безперевного видалення порцій газу з вакуумної системи через випускний патрубок до атмосфери, газ почне рухатися, безперервно потрапляючи з вакуумної камери до трубопроводу і з трубопроводу до насоса через впускний патрубок. У результаті кількість газу в системі буде безперервно зменшуватися. Оскільки об’єм системи і температура газу залишаються незмінними, то почне знижуватися тиск у вакуумній системі. Для того, щоб газ переміщувався через трубку необхідна рухома різниця тисків на її кінцях (), що пов’язана, як зазначалося раніше, з потоком газу Q провідністю трубопроводу U . Нагадаємо, що величина провідності залежить від режиму течії газу через трубопровід і його геометричних розмірів.

9.1.1. Швидкодія насоса. Швидкодія відкачки об’єкта

 

Для кількісної характеристики ступеня пониження тиску перед трубопроводом, тобто у вакуумній камері, а також після трубопроводу, тобто на впускному патрубку насоса зручно використовувати такі параметри, як швидкодія відкачки об’єкта (вакуумної камери) і швидкодія насоса .

Швидкодією насоса називають об’єм газа, що потрапляє з вакуумпровода за одиницю часу до працюючого насоса за тиском , на впускному патрубкі. Оскільки при зміні тиску швидкодія насоса може змінюватися, то беруть нескінченно малий проміжок часу , і вважають, що тоді вказаний об’єм, виміряний за тиском , теж буде нескінченно малим, тобто .

Отже можна записати, що швидкодія насоса буде виражатися як

. (9.1)

Швидкодією відкачки об’єкта називають об’єм газа, що потрапляє з вакуумної камери за одиницю часу до вакуумпроводу за тиском , що буде в камері. Розмірковуючи як вище, запишемо, що швидкість відкачки об’єкта буде виражатися як

. (9.2)

Якщо виникає необхідність визначення швидкості відкачки газу за тиском з системи в будь-якому поперечному перерізі вакуумпроводу , то вводять аналогічно величину,

, (9.3)

що показує який об’єм газа, виміряний за тиском , проходить через поперечний переріз вакуумпровода за одиницю часу.

Розмірність швидкості відкачки газу за даним тиском визначають в одиницях об’єму за секунду.

 

 

9.1.2. Потік газу

При відкачці вакуумних систем газ переноситься через вакуумпроводи з наступним видаленням до атмосфери. Для проведення розрахунків використовують поняття газового потоку.

Кількість газу, що проходить за одиницю часу через поперечний переріз вакуумпровода, називають потоком газу в даному перерізі. При розрахунках вакуумних систем зручно виражати потік газу в одиницях pV/c. Якщо в даному місці вакуумної системи тиск газу дорівнює , а швидкість відкачки дорівнює , то величина потоку газа в цьому місці буде

[pV/c]. (9.4)

Якщо газ на впускному патрубку насоса має тиск , а швидкість його дії , то потік газу, що проходить через впускний патрубок буде дорівнювати добутку і його ще називають продуктивністю насоса за даним впускним тиском.

Потік газу через будь-який переріз нерозгалуженого вакуумпровода є сталим, якщо

. (9.5)

Рівняння (9.5) є умовою сталості газового потоку при відкачці вакуумної системи.

Будь-який процес, в якому з плином часу параметри, що його характеризують, не змінюються, тобто такі, що встановилися за часом і є сталим в будь-якій частині вакуумної системи, називається стаціонарним. Якщо ж параметри змінюються, то такий процес називають нестаціонарним.

При відкачці вакуумної системи потік газу, що проходить через вакуум провід, зазвичай є нестаціонарним, але якщо процес відкачки протікає повільно, то можна допустити, що незважаючи на змінність за часом, все-таки в будь-який момент він залишається сталим в будь-якому перерізі вакуумпроводу, тобто виконується умова (9.5). Тоді такий потік газа (або процес) називають квазістаціонарним. Як правило, у вакуумних системах при відкачці виконуються умови квазістаціонарності потоку газа через вакуумпроводи, а стаціонарний потік газа встановлюється зазвичай тільки в кінці відкачки, коли тиск як у вакуумній системі, так і на впускному патрубку насоса продовжує зберігатися сталим, незважаючи на роботу насоса.

З умови сталості газового потоку (9.5) випливають важливі наслідки. Якщо відома величина потоку, то можливо визначити швидкість відкачки в будь-якому місці вакуумної системи за відомим тиском в цьому місці

; (9.6)

якщо відомий тиск на впускному патрубку насоса, то швидкість його дії за даним тиском дорівнюватиме

; (9.7)

якщо відомий тиск в камері відкачки, то швидкість відкачки об’єкта за даним тиском дорівнюватиме

. (9.8)

З цієї ж умови випливає, що швидкість відкачки об’єкта завжди менша швидкодії насоса, якщо насос приєднується до об’єкта відкачки за допомогою вакуумпровода, оскільки вакуумпровід здійснює опір відкачці, тому <. У зв’язку з цим швидкість відкачки об’єкта ще називають ефективною швидкодією насосу =.

 

 

9.2. Головне рівняння вакуумної техніки

Швидкість відкачки об’єкта, провідність вакуумпровода і швидкодія насоса змінюються відповідно до зміни тиску при відкачці вакуумної системи. Визначимо, чи існує залежність між цими величинами. Для цього визначимо з умови (9.5) швидкодію насоса і швидкість відкачки об’єкта через провідність вакуумпровода і відповідні тиски:

;

,

а потім виключимо з цих рівнянь величину тиску і отримаємо, що

,

тобто

, (9.9)

або

. (9.10)

Рівняння (9.10) або (9.9) називають головним рівнянням вакуумної техніки і воно зв’язує швидкість відкачки об’єкта з швидкодією насоса і провідністю вакуумпровода, що з’єднує насос з об’єктом відкачки.

З головного рівняння вакуумної техніки випливають такі наслідки:

якщо провідність вакуупровода дуже велика, тобто , то ;

якщо провідність вакуупровода дуже мала, тобто , то

і якщо , то .

Для характеристики ефективності використання вакумного насоса вводять величину , що називається коефіцієнтом використання насоса:

 

=. (9.11)

Рис. 9.2.

Якщо ввести коефіцієнт використання насоса в головне рівняння вакуумної техніки, то отримаємо такі корисні співвідношення:

; (9.12)

. (9.13)

Максимальна величина коефіцієнта використання насосу дорівнює одиниці, що наочно видно з графічної залежності , яка наведена на рис. 9.2.

Головне рівняння вакуумної техніки і наведені співвідношення корисні при розрахунках і конструюванні вакуумних систем.

 

 

Запитання для самоперевірки

 

1. Дайте визначення головних характеристик відкачки вакуумної системи.

2. Виведіть головне рівняння вакуумної техніки.

3. Які наслідки випливають з головного рівняння вакуумної техніки?

4. Що називають коефіцієнтом використання вакуумного насоса?

5. Запишіть головне рівняння вакуумної техніки, застосовуючи коефіцієнт використання насоса.

 

Лекція десята

ТЕХНІКА ОТРИМАННЯ ВАКУУМУ

ВАКУУМНІ НАСОСИ

Вакуум різного ступеня отримують головним чином за допомогою вакуумних насосів.

Вакумним насосом називають пристрій, що слугує для видалення газових молекул з будь-якого об’єму, тобто для відкачки газу. Деякі спеціальні вакуумні насоси призначаються для перекачки газів з одного об’єма до іншого.

Оскільки ступені вакууму дуже відрізняються за величиною тиску, то будова і принципи роботи вакуумних насосів для отримання вакууму відповідного ступеня мають суттєві відмінності. Але головні параметри, що характеризують насоси, загальні.

 

10.1. Головні параметри вакуумних насосів

 

Для ефективної експлуатації насосів необхідно знати їх головні параметри. До головних параметрів насосів відносяться: початковий тиск, швидкодія насоса, найбільший випускний тиск, граничний тиск і робочий тиск, продуктивність насоса.

Початковим тиском насосаназивається тиск, при якому він починає нормально працювати. Для відкачки об’єма треба видалити з нього молекули газу в оточуючу атмосферу, тобто перебороти протидію зовнішнього тиску. Деякі насоси можуть видаляти газ безпосередньо в атмосферу і їх називають форвакуумними, а інші не можуть створити протидію атмосферному тиску і при нормальній роботі створюють протитиск, що значно менший від атмосферного. Зазвичай такі насоси створюють високий вакуум і не можуть працювати самостійно, тому їх приєднують послідовно з форвакуумним. Початковий тиск ще називають тиском запуску насоса (рис.10.1).

Рис.10.1.

Найбільшим випускним тиском насоса називається такий тиск на випускному патрубку, при перевищенні якого насос перестає нормально працювати, оскільки зовнішній газ в цьому випадку проривається з боку випускного патрубка до насоса. Очевидно, що у форвакуумних насосів цей тиск трохи більший за атмосферний, тоді як у інших насосів він значно менший.

Граничним тиском називають найменший тиск, який може створити насос при тривалій роботі. Слід відрізняти граничний тиск насоса, тобто найменший тиск, який створюється при тривалій роботі насосом на впускному патрубку, що від’єднаний від вакуумної системи, і граничний тиск об’єкта, тобто найменший тиск, який створюється у вакуумній камері при тривалій відкачці. Перший залежить від конструктивних особливостей і газовиділення матеріалів насоса, а другий - ще й від вакуумної системи.

Робочий тиск насоса поділяють на найменший і найбільший. Найменший робочий тиск - це мінімальний тиск, за яким насос зберігає номінальну швидкодію при тривалій роботі. Зазвичай, найменший робочий тиск приблизно на порядок більше граничного. Використання насоса для роботи в межах між граничним і найменшим робочим тиском економічно невигідно. Найбільший робочий тиск - це максимальний тиск, за яким насос зберігає номінальну швидкодію при тривалій роботі. Цей тиск менший за тиск запуска і з економічних міркувань використання насоса найбільш вигідне при роботі в межах робочого тиску.

Продуктивністю насоса називають величину потока газу, що потрапляє до насоса за тиском на впускному патрубку, тобто добуток швидкодії насоса на впускний тиск:

. (10.1)

 

10.2. Розрахунок швидкодії вакуумного насоса

Як було вже зазначено, швидкодія насоса визначається завжди за відповідним тиском. Для значної частини насосів швидкодія дуже залежить від тиску газа, що відкачується. Але існують насоси, швидкодія яких незначно змінюється в широких межах тиску.

Рис.10.2.

Швидкодію насоса можна знайти експериментально. Справді, розглянемо таку теоретичну вакуумну систему (рис.10.2), що складається з поршневого насоса і камери відкачки, об’ємом V, яка безпосередньо приєднана до впускного патрубка насоса і тиск газа в ній . Будемо вважати, що температура газу не змінюється при відкачці, отже його стани можна описати за законом Бойля-Маріотта. При роботі насоса протягом проміжку часу з камери буде видалено газу об’ємом , що приведе до зниження тиску на . Оскільки , то можна записати

==.

Нехтуючи нескінченно малою величиною другого порядку, отримаємо

=,

тобто

.

Поділимо на обидві частини рівняння, тоді отримаємо

. (10.2)

Після розподілу змінних і проведення інтегрування в межах тисків від до , які відповідають моментам часу і , матимемо

. (10.3)

Рівняння (10.3) називають формулою Геде, за допомогою якої можна розраховувати швидкодію насоса за умови, що майже не змінюється в інтервалі .

Оскільки реальні насоси мають граничний тиск, що конструктивно обумовлений шкідливим простором і негерметичностями в місцях доторкання рухомих частин, то відлік тиску слід вести не від нуля, а від величини граничного тиску. Тоді, після внесення поправки, формула (10.3) буде більш точнішою

. (10.4)

Слід зауважити, що газовиділення і натікання при цьому не враховуються.

Якщо перейдемо до екпоненціальної функції, то отримаємо закон зменшення тиску в камері відкачки, що має об’єм V, за умови, що швидкодія залишається сталою, а початковий тиск дорівнює .

. (10.4)

Рис.10.3.

Як видно на рис. 10.3, навіть при такій умові, як би тривало не працював цей теоретичний насос, тиск на впускному патрубку його не зменшується до нуля, а наближається асимптотично до граничного.

 

10.3. Експериментальне визначення швидкодії насоса.

Метод постійного об’єму

 

Існують два методиекспериментального визначення швидкодії насоса: метод постійного об’єму і метод постійного тиску.

Метод постійного об’єму полягає в тому, що до насоса безпосередньо приєднують вакуумну камеру (рис.10.4, а), об’єм якої V, і проводять відкачку при безперервному вимірюванні тиска манометром М для того, щоб побудувати криву відкачки, тобто залежність (рис. 10.3).

Швидкодія насоса для будь-якого проміжка часу і тиску визначають за формулою (10.4).

10.4. Метод постійного тиску

 

Метод постійного тиску полягає в тому, що до впускного патрубка насоса приєднують манометр М, а до нього через мікрометричний кран довгий скляний капілярК, діаметром d.

Рис. 10.4.

При працюючому насосі поступово регулюють микрометричним краном (натікачем KН) газовий потік з атмосфери так, щоб встановився і залишався незмінним робочий тиск , що покаже манометр М (рис.10.4, б). Як тільки такий режим роботи застабілізується, у капіляр вводять краплю ртуті, яка буде покажчиком її положення, і вимірюють проміжок часу t, за який крапля переміститься на довжину l. Оскільки діаметр капілярної трубки відомий, то можна визначити об’єм газу V, що буде відкачаний з трубки за час t:

. (10.5)

При незмінному тиску, що встановився при відкачці, поток газу також буде сталим, тобто

. (10.6)

де - атмосферний тиск.

Таким чином, швидкодію насоса, що вимірюється за тиском Торр, можна розрахувати за формулою

. (10.7)

10.5. Класифікація вакуумних насосів

 

При конструюванні вакуумних насосів використовують різні фізичні явища і закони, що дозволяють здійснити видалення газів з об’єктів відкачки.

До насосів, в яких використовується закон Бойля-Маріотта, відносяться:

а) поршневий насос;

б) насос Шпренгеля;

в) обертовий ртутний насос Геде;

г) пластинчаті й золотникові насоси;

д) двороторні насоси Рутса.

До насосів, в яких використовується в’язкість газу, відносяться пароструминні ежекторні насоси.

До насосів, в яких використовується молекулярна течія газу, відносяться:

а) механічні молекулярні насоси Гольвека і Зігбана;

б) дифузійні насоси.

Існують насоси, в яких використовується іонізація газів, а також насоси, що створюють вакуум за допомогою поглинання газів (іонно-сорбційні, електророзрядні, кріогенні).

 

10.5.1. Насоси, що працюють на основі закону Бойля-Маріотта. Поршневий насос

Рис.10.5.

Перші вакуумні насоси були поршневого типу. Такі насоси використовував фон Герніке ще в 1650 р. у своїх знаменитих дослідах з відокремленням півкуль. Цей насос складається з поршня і циліндра, в якому два отвора з клапанами, що відкриваються: один - в атмосферу; другий - в середину циліндра (рис.10.5). При кожному русі поршня вниз, а потім вверх повітря з вакуумної камери відкачується в атмосферу. Між поршнем, коли він знаходиться у верхньому положенні і торкається поверхні циліндра і клапаном , завжди є простір, що виникає з конструктивних особливостей (нерівності поверхонь). Цей об’єм називають шкідливим простором, оскільки він впливає на граничний тиск насоса.

Дійсно, якщо позначимо шкідливий простір через , а об’єм камери через , то коли поршень почне рухатися вверх тиск в шкідливаму просторі буде дорівнювати 760 Торр і тоді, у відповідності з законом Бойля-Маріотта, можна записати, що

, (10.8)

і знайти самий низький тиск, який може створити насос:

Торр. (10.9)

Цей тиск дійсно буде самим низьким, оскільки клапан відкривається тільки за умови, що тиск у камері відкачки буде більшим за .

Швидкодія поршневого насоса за тискомпри циклах відкачки за секунду дорівнюватиме

. (10.10)

Як видно з наведеної формули, швидкодія насоса буде наближатися до нуля, коли тиск досягне граничного значення.

У кінці XIX ст., після внесення різних удосконалень з метою підвищення герметичності, поршневі насоси використовувалися в промисловому виробництві освітлювальних ламп. Граничний тиск таких насосів знаходиться в межах від 0,1 до 1 Торр, тому вони були замінені пластинчатими обертовими насосами.