II. Теоретическое введение.

Свойства газа, находящегося в сосуде, во многом определяются соотношением между длиной свободного пути молекул (λ) и характерным линейным размером сосуда (d). Это соотношение положено в основу определения степени вакуума (низкий, средний, высокий).

Низкий вакуум представляет собой состояние разреженного газа, при котором длина свободного пути молекул значительно меньше размеров сосуда (λ << d). Средний вакуум имеет место в случае λ ≈ d. Высокий вакуум соответствует состоянию газа, характеризующемуся значительным превышением длины свободного пути молекул над размерами сосуда (λ >> d). В этом состоянии взаимные столкновения молекул практически отсутствуют, и молекулы без столкновения по прямой линии пролетают от одной стенки сосуда до другой. Чем меньше расстояние между стенками, тем, очевидно, раньше, т.е. при большем давлении, наступает этот момент.

В лабораторной практике наиболее часто используются вакуумные системы, в которых объем основной вакуумной камеры составляет от нескольких литров до нескольких десятков литров, поэтому к высоковакуумным лабораторным системам относятся установки, в которых остаточное давление газа не превышает примерно 10^-2 Па. При комнатной температуре длина свободного пути молекул воздуха при этом давлении равна 0,6 м.

Конструкции вакуумных установок различного назначения, в которых используются масляные средства откачки (диффузионные паромасляные насосы и механические насосы с масляным уплотнением), весьма разнообразны (например, вакуумные электрические печи сопротивления, вакуумные электронно-лучевые печи, ускорители элементарных частиц, камеры для имитации условий космического пространства). Однако все они имеют следующие основные узлы: откачиваемый объем (например, рабочая камера печи), вакуумный агрегат (или агрегаты), насос (насосы или централизованную систему) предварительного разрежения для создания форвакуума, соединительные трубопроводы, краны для перекрытия отдельных участков и узлов системы, контрольно-измерительные приборы.

В некоторых случаях, например, при большой быстроте действия диффузионного насоса и сравнительно небольшой быстроте действия механического масляного насоса между диффузионным и механическим насосами устанавливают камеру предварительного разрежения или бустерный насос. Это бывает необходимо также в случае возможных больших выделений газов во время технологического процесса, осуществляемого при высоком вакууме. Оснащение установки дополнительными устройствами имеет целью получение более высокого вакуума или более удобное проведение операций при эксплуатации (быстрая смена образцов, перемещение их в вакууме и т. д.). Однако при этом из-за усложнения установки теряется часть ее производительности при тех же насосах, растет стоимость установки.

Порядок включения отдельных устройств каждой вакуумной системы строго определен. Для всех вакуумных систем, откачка которых производится диффузионным и механическим масляным насосами, обязательными являются предварительная откачка системы механическим насосом до давления, величина которого должна быть меньше или равна максимальному давлению выпуска диффузионного насоса.

В ряде случаев бывает необходимо экспериментально определить быстроту откачки газов из основной вакуумной камеры установки. Быстротой откачки объекта S₀ называется объем газа, поступающий в единицу времени из объекта откачки в вакуумпровод при данном давлении Р₀ в откачиваемом объекте.

Быстрота откачки объекта зависит от давления, и следует относить ее значение к определенному моменту времени. Следовательно, для определения быстроты откачки объекта необходимо брать бесконечно малый промежуток времени dτ, в течение которого из откачиваемого объекта в вакуумпровод входит бесконечно малый объем газа dV₀.

Таким образом, при давлении в объекте, равном Р₀.

Быстрота откачки какого-либо объекта отличается от быстроты действия насоса, который ведет откачку воздуха из системы. Быстротой откачивающего действия вакуумного насоса S_Н при данном впускном давлении Р₁ называется объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени при этом давлении, т.е. при Р₁. Причина различия заключается в наличии сопротивления движению газов в вакуумпроводе, соединяющем откачиваемый объект с насосом. Быстрота откачки насоса S₀, быстрота действия насоса S_Н и проводимость (U) вакуумпровода между объектом откачки и насосом связаны основным уравнением вакуумной техники:

(9.1)

В настоящей работе используется первый метод, рассмотрим его. Количество газа, находящегося в откачиваемом объекте объемом V₀ при давлении P, равно PV₀. При откачке за время dτ количество газа в объекте уменьшается на d(PV₀) = V₀dP. Уменьшение количества газа в объекте за время dτ равно количеству газа, поступающего из объекта в вакуумпровод (PS₀dτ), следовательно, PS₀dτ = –V₀dP или:

(9.2)

Таким образом:

(9.3)

или, переходя к десятичным логарифмам:

(9.4)