Получение вакуума — общие сведения

By Leak Detector On Ноя 15, 2020

ПОЛУЧЕНИЕ ВАКУУМА — ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

и его значение в производстве электровакуумных приборов

Развитие методов получения вакуума было вызвано к жизни непрерывным совершенствованием производства электровакуумных приборов, родоначальником которых является лампа накаливания, предложенная русским электротехником А. Н. Лодыгиным в 1872 г. Приступая к изучению методов получения вакуума, необходимо выяснить его значение для современных электровакуумных приборов.

Большинство современных вакуумных приборов требует создания и поддержания в них в течение всего срока службы сравнительно высокого разрежения. Так, для нормальной работы приемно-усилительных электронных ламп давление остаточных газов в них не должно превышать ~10~⁶ мм рт. ст. Это связано с тем, что в таких лампах используется электронная эмиссия накаленных катодов, чувствительных к уровню давления остаточных газов. Наличие в приборе химически активных газов (даже при давлении ~10“⁵ мм рт. ст.) иногда приводит к так называемому «отравлению» эффективного термокатода, связанному с потерей эмиссии, и прибор становится непригодным к дальнейшей работе.

Другой причиной, по которой необходимо понижать давление в вакуумных электронных приборах, является ионная бомбардировка. В самом деле, токопрохождение в приборе с недостаточно высоким вакуумом обязательно сопровождается образованием в объеме положительных ионов остаточных газов. Хотя их и не так много, но, проходя значительные разности потенциалов, прежде чем попасть на катод, они могут ускоряться до сравнительно больших энергий и производить медленное разрушающее действие на катод вакуумного прибора, изменяя его параметры и сокращая срок службы.

Современные требования к вакууму

В газоразрядных приборах требования к вакууму не менее жестки, несмотря на то, что после откачки-они наполняются специальными (в основном инертными) газами до сравнительно больших давлений. Работа газоразрядного прибора может быть нормальной, если в нем присутствуют определенные газы и при определенном давлении. Наличие даже небольших количеств посторонних газов часто крайне опасно. Так, наличие примесей в разрядной трубке гелий-неонового лазера приводит к разрушению инверсной заселенности возбужденных уровней, и прибор перестает генерировать. В ртутных выпрямителях примеси других газов повышают вероятность обратных зажиганий (пробой в обратном направлении), в газотронах— отравляют накаливаемый катод и т. д.

Возросшие требования к надежности электровакуумных и газоразрядных приборов также повысили уровень требований к рабочему вакууму в них. Что касается уровня разрежения в современных вакуумных приборах, то опыт показывает, что, например, в лампе накаливания давление должно быть не хуже 1(Н — 1Q-⁵ мм рт. ст., в электронных приемно-усилительных лампах — не выше 10“⁶— 1Q-⁷ мм рт. ст., в электронно-лучевых приборах — меньше 10~⁷ мм рт. ст., а в приборах с повышенной надежностью желателен вакуум не хуже 10"¹¹ мм рт. ст. Парциальное давление примесей остаточных газов в газоразрядных приборах также не должно превышать Ю"⁶ мм рт. ст.

Из приведенных примеров видно, что разработка методов получения вакуума имеет важное значение в производстве электровакуумных приборов. Поэтому не случайно физика и техника вакуума в настоящее время во многом определяют успехи различных отраслей электронной промышленности.

и некоторые параметры вакуумных систем

Для создания высокого вакуума в каком-либо экспериментальном приборе, который обычно представляет собой стеклянный или металлический объем с герметиче-

Поиятие о процессе откачки

ски впаянными электродами, из него нужно удалить газ. Для удаления (откачки) газа необходимо иметь в своем распоряжении простейшую вакуумную систему (рис. II.1). Она состоит по крайней мере из трех элементов: откачного средства / (вакуумного насоса), трубки 2, соединяющей насос с откачиваемым объемом (ва-куумпровод), и откачиваемого объема 3.

Будем считать, что вакуумная система герметична (не натекает), а внутри ее нет источников газовыделения. До включения вакуумного насоса давление во всей системе одинаково и газ (при макроскопическом рассмотрении) в целом остается неподвижным, хотя все молекулы прини

мают участие в тепловом (хаотическом) движении. Это состояние, как мы видели выше, можно характеризовать абсолютной температурой как мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. При отсутствии теплообмена с внешней средой температуру газа в рассматриваемой системе также можно считать постоянной.

Включение откачивающего устройства, работа которого основана на принципе непрерывного выбрасывания порций газа через выпускной патрубок 4 в атмосферу, приведет к тому, что на место удаленного газа вследствие теплового движения молекул будет непрерывно поступать газ по вакуумпроводу 2 из откачиваемого объекта 3, Таким образом, при включении вакуумного насоса начнется перемещение газа, и количество его в системе будет непрерывно уменьшаться. Поскольку объем вакуумной системы и температура газа остаются неизменными, то уменьшение количества газа приведет к понижению давления в вакуумной системе, величину которого можно определить из закона Бойля — Мариотта

откуда

Понижение давления при откачке, описываемое выражением (II.1), соответствует статическому состоянию, когда из вакуумной системы удалено количество молекул газа (/Vo — 7V|). Но так как процесс откачки продолжается непрерывно, то в вакуумпроводе у входного патрубка вакуумного насоса давление р будет ниже, чем давление р2 на другом его конце у откачиваемого объекта. Следовательно, в динамическом режиме (процесс откачки не прекращается) на концах вакуумпровода создается и поддерживается разность давлений (р₂—Pi), которую принято называть движущей разностью давлений.

Исследования процессов течения газов по трубам (вакуумпроводам) показывают, что движущая разность давлений (р₂— Pi) возникает из-за того, что вакуумпро-вод оказывает сопротивление потоку газа, подобно сопротивлению проводника электрическому току. Поэтому движущую разность давлений по формальной аналогии с законом Ома можно назвать падением давления вдоль вакуумпровода.

Если воспользоваться понятием потока Q как количества газа, проходящего через поперечное сечение вакуум-провода за единицу времени, то сопротивление вакуум-провода R можно выразить через параметры Q и (р₂—р^)

Однако в вакуумной технике удобнее пользоваться не сопротивлением вакуумпровода /?, а величиной, обратной сопротивлению,— 1/7?, которую по аналогии с проводимостью электрического проводника называют пропускной способностью вакуумпровода U,

Таким образом, пропускная способность вакуумпровода характеризуется количеством газа, протекающим че-

При наличии вакуумпровода’ с сопротивлением R быстрота снижения давления у откачиваемого объема будет меньше, ч-ем у входа в насос. Следовательно, эффективность насоса не будет полностью использоваться, поэтому приходится вводить понятие быстроты откачки объема S_o.

По аналогии с (II.4) можно записать где dV₀ — бесконечно малый объем газа, поступающий в вакуумпровод из откачиваемого объема за бесконечно малый промежуток времени dt. Это выражение также характеризует изменение объема газа, поступающего за единицу времени из откачиваемого объема в вакуумпровод при давлении р2 у его входа.

Величины S_H и S_o обычно измеряются в объемных единицах за единицу времени. Так как для вакуумпровода количество газа, проходящего через его поперечное сечение в единицу времени, есть величина постоянная и является определением потока Q, то произведение Р (-у-) так

рез любое его сечение за единицу времени при движущей разности давлений, равной единице. Пропускная способность, как мы видели выше, зависит от режимов течения газа и геометрических размеров вакуумпровода.

Для количественной характеристики степени улучшения вакуума в откачиваемой системе удобно пользоваться такими параметрами, как быстрота действия насоса S_n и быстрота откачки объема S_o.

Быстротой действия насоса называют объем газа, поступающий в единицу времени из вакуумпровода в насос при впускном давлении р. Математически это можно выразить следующим образом:

же должно иметь постоянное значение и может служить количественным выражением потока Q. Здесь р —давление газа в каком-либо сечении вакуумпровода; V/t— объем газа, проходящего через это сечение за единицу времени. Таким образом,

Таким образом, произведение piS_n выражает собой поток газа у входа в насос и называется производительностью насоса при давлении рь

Можно также ввести понятие быстроты действия вакуумной системы S в любом данном сечении вакуумпровода при давлении р. Тогда аналогично (П.7) произведение

характеризует поток газа в рассматриваемом месте вакуумпровода.

Из выражения (II.8) следует, что, зная поток газа Q, можно определить быстроту откачивающего действия в любом сечении вакуумной системы, если как-то измерить давление в этом месте.

Воспользовавшись выражениями (II.7) и (II.3), можно написать

Применив (П-6) к сечению входного патрубка насоса, получим

Вычитая из первого равенства второе и решая относительно-^-, получаем

Это уравнение, связывающее основные параметры вакуумной системы — быстроту откачки объема S_o, быстроту действия насоса 5_И и пропускную способность соединительного вакуумпровода У, называется основным уравне-

нием вакуумной техники. Оно позволяет определять быстроту откачивающего действия объема, если известны 5_И, U, и оценивать необходимую пропускную способность вакуумпровода при заданных S_H и S_o.

Методы определения быстроты действия вакуумных насосов

Для большинства реальных насосов быстрота действия S_u зависит от давления и не является постоянной величиной. Постоянной ее можно считать только для ин

тервалов давлений, протяженность которых зависит от типа насоса. Поэтому для простоты рассмотрим вначале теоретический насос, для которого быстрота действия S_n является величиной постоянной (не зависящей от давления) и найдем за

кон, по которому будет изменяться давление в откачиваемом объеме во времени.

Пусть газ из резервуара V- (рис. II.2) откачивается простейшим поршневым насосом. Тогда по истечении малого промежутка времени di при перемещении поршня вниз из положения I в положение II из откачиваемого объема V в рабочую камеру насоса перейдет некоторый элементарный объем газа dV_n. Так как температура системы остается неизменной, то, применяя закон Бойля — Мариотта, убеждаемся, что в откачиваемом объеме давление уменьшилось на величину dp, и можем записать

Отсюда, пренебрегая произведением малых-величин dpdV, найдем

Умножив и разделив левую часть уравнения (11.11) па dt, получим

Согласно определению = — З_н, тогда уравнение (11,12) можно переписать в виде

где С — константа интегрирования, которую можно определить из начальных условий. Пусть при t=0 (начало работы насоса) давление в объеме V равно ро. Тогда из (11.14) С=1пр₀ и окончательно

Таким образом, если исследуемый объем откачивается насосом с постоянной быстротой действия, то закон изменения давления в нем будет выражаться экспоненциальной функцией (11.15), график которой показан на рис. П.З. Отсюда следует, что даже теоретическим насосом (З_п= = const во всем интервале давлений) нельзя получить совершенный вакуум, так как экспонента все время приближается к оси абсцисс, ио никогда не пересекает ее.

Из закона изменения давления (11.15) можно получить выражение для быстроты действия теоретического насоса. Для этого нужно взять какой-то момент времени /ь которому соответствует давление pi (рис. 11.3), тогда

Поскольку по условию Sn=const (теоретический насос), то, интегрируя уравнение (11.13), получаем

Переходя к -рассмотрению реальных насосов, нужно помнить, что теперь быстрота действия является функцией давления и только для ограниченного интервала давлений, протяженность которого зависит от типа выбранного насоса, постоянна (рис. II.4). Вторая особенность вакуумных насосов состоит в том, что при некотором входном давлении быстрота действия их становится равной нулю. Это давление называют предельным р_а, и

оно также является одним из параметров любого реального насоса.

Почему же быстрота действия реального насоса при достижении предельного давления становится равной нулю? Принципиальные причины здесь две: механические дефекты конструкции (негерметичности, вредные пространства — полости, расположенные вблизи впускного и выпускного отверстий, из которых газ при откачке не удаляется, и т. д.) и наличие паров рабочих жидкостей и смазок.

Изучая закон изменения давления в объеме V при откачке реальным насосом, можно строго пользоваться выражениями (11.15) и (11.16). в интервале р_а—Рь (рис. II.4), в котором быстрота действия остается постоянной величиной. Что касается участков, примыкающих к области ab, то здесь следует вводить понятие о средней быстроте действия насоса на небольших интервалах времени (/₂—Л), когда давление изменяется не очень сильно. Если моментам времени /j и Л соответствуют давления pi и р₂, то среднюю быстроту действия насоса в этом интервале следует вычислять по формуле где рп — предельное давление для выбранного типа насоса.

Первый метод определения быстроты действия насоса (по формуле (11.17)) называется методом постоянного объема и сводится к снятию экспериментальных зависимостей p=f[t). Для этого откачиваемый объем 1 с манометром 2 присоединяется непосредственно к входному патрубку насоса 3 без дополнительных ваку-умпроводов (рис. II.5).

Качественный ход кривой изменения давления реального насоса показан на рис. II.6.

Так как S_n изменяется с изменение р, то наиболее удобно (в методе постоянного объема) определять величину Зн из графика зависимости ]np=f(t) путем нахождения тангенса угла наклона касательной к полученной кривой. В самом деле, из выражения (11.13) следует

Из рассмотренного выше видно, что метод постоянного объема пригоден в тех случаях, когда речь идет об определении быстроты действия насосов малой производительности. К ним относятся насосы предварительного разрежения, которые рассматриваются ниже.

Для высокопроизводительных вакуумных насосов метод постоянного объема уже не пригоден, так как на-

талкивается на серьезные затруднения в получении экспериментальных зависимостей р =f(t). В основном это связано с инерционностью датчиков вакуумметров, так как при большой скорости откачки время реакции прибора, измеряющего давление, сравнимо со временем изменения давления в объеме и получаемые экспериментальные кривые уже не будут соответствовать действительному изменению давления. При оценке быстроты действия этой группы вакуумных насосов применяют метод постоянного давления. Идея его состоит в следующем. К входному отверстию насоса 1 (рис. II.8), быстроту действия которого требуется определить, присоединяются объем 2 с манометром 3 и боковая трубка с регулируемым иатекателем 4. Вход натекателя 4 сообщается с атмосферой через тонкую трубку (капилляр) би.кранб. При работающем насосе 1 и открытом кране 6 натека-телем 4 можно отрегулировать такое количество поступающего в насос воздуха, чтобы манометр 3 показал требуемое стабильное давление р. Затем в трубку 5 впускается капля ртути, кран 6 закрывается, и с этого момента времени ti капля ртути начинает перемещаться по трубке 5. Перекрывая натекатель 4 или сообщая систему с атмосферой краном 6_У можно остановить передвижение капли ртути в трубке 5. Зная диаметр трубки cl и отмечая расстояние /, которое капля ртути прошла за время (/₂— ^), вычисляют объем газа V_a, откачанного насосом из трубки 5 при атмосферном давлении. В нашем случае

Чтобы создать разрежение (вакуум) в откачиваемом объеме, нужно уменьшить в нем общее количество газа. Это достигается либо- удалением некоторой части газа путем приложения к нему внешних сил, либо связыванием газа одним из механизмов сорбции (физическая и химическая адсорбция, абсорбция и поглощение газа в разряде).

В первом случае удаление газа осуществляется каким-либо рабочим механизмом, например поршнем в поршневом насосе, струей воды в водоструйном .насосе и др. Во втором случае поглощение газа достигается или регулируемым введением связывающих веществ (распыление химически активных металлов), или ионизацией газа в разряде и необратимым связыванием образовавшихся ионов твердыми и парообразными поглотителями (геттерами).

Различные конструкции возможных рабочих схем откачных устройств, основанных на этих принципах (вакуумные насосы), условно можно разделить на две группы: 1) насосы, удаляющие газ или пар из объема, начиная с атмосферного давления (насосы предварительного разрежения); 2) насосы, начинающие работать только при условии, что в откачиваемом объеме уже достигнуто необходимое предварительное разрежение.

Классификацпя вакуумных насосов и их параметры

Тогда на основании равенства потоков газа Q_a по трубке 5 при атмосферном давлении и в любом сечении объема 2 при давлении р (обозначим его через Qu) можно записать Q_a = Qn. Ио так как по (II.6) и (II.7)

то

Как видно из вышеизложенного, метод постоянного объема можно также называть методом постоянного потока, поскольку определение быстроты действия насоса в конечном счете сводится к использованию равенства потоков в различных участках неразветвлеиного вакуумпровода, ведущего к насосу. Этот метод пригоден и для определения быстроты откачки вакуумной системы в любой ее точке, где имеется манометр, контролирующий равновесное давление р.

Хотя такая классификация вакуумных насосов и удобна с точки зрения их практического применения, однако она не отражает физической стороны явлений, использованных при конструировании насосов. Поэтому мы воспользуемся классификацией, где необходимо знание физических законов, положенных в основу работы различных типов вакуумных насосов. Исходя из этого принципа, большинство современных насосов можно разделить на пять групп:

1. Насосы, работа которых основана на использовании закона Бойля — Мариотта. К ним относятся механические насосы, в частности поршневые, капельные ртутные, вращательные ртутные, пластинчатые, пластинчатые газобалластиые.
2. Насосы, работа которых основана на использовании внутреннего трения: водоструйные, пароэжекторные.
3. Молекулярные насосы: механические молекулярные, диффузионные.
4. Насосы, в которых используется ионизация газа.
5. Насосы, работа которых основана на физико-химическом связывании газов: ионно-сорбционные, электро-разрядные, адсорбционные, конденсационные (криогенные) .

Прежде чем приступить к описанию принципа работы отдельных групп вакуумных насосов, необходимо определить основные параметры, знание которых позволяет сравнивать различные конструкции. К ним относятся: начальное давление р_0> наибольшее выпускное давление рвып, предельное давление р_п и быстрота действия насоса S_H. •

Начальное давление (ро) —это наибольшее давление со стороны входного патрубка насоса, с которого он начинает нормально работать. Как увидим ниже, некоторые типы насосов могут работать с атмосферного давления (водоструйные, поршневые, пластинчатые и др.), а другие требуют более низкого давления — предварительного разрежения (вращательный ртутный, молекулярный и др.).

Наибольшее выпускное давление (р_Вып) — такое давление у выходного отверстия насоса, превышение которого приводит к прекращению нормальной работы насоса. Параметр р_пьш относится к вакуумным насосам, где применяются механическое перемещение и сжатие газа (перед его выталкиванием), которое всегда должно превышать некоторую определенную величину. В связи с этим часто приходится применять комбинированные системы, в которых выпускное давление одного насоса равно начальному (входному) давлению другого.

вакуум течеискатель