3511

откачки в некоторой другой точке и проводимости части системы между ними. В частности, для скорости откачки Spи связывающей трубки с проводимостью С предельная скорость откачки дается выражением:

Аналогично можно показать, что для нескольких каналов или трубок с проводимостями Cl, С2 и т. д. полная проводимость равна

Проводимость С для данного канала или трубы зависит от размеров канала или трубы, а также от молекулярного веса

газа и его абсолютной температуры.

В общем случае С = Kd3/L(Т/М)1/2и для воздуха при 20° С

с dиL в см (dnL— диаметр и длина, соответственно)

или

с dиL в дюймах.

Вышеприведенное рассмотрение справедливо для длинных прямых труб и стационарных условий, при которых приложенная газовая нагрузка постоянна и больше, чем скорость адсорбции или десорбции со стенок.

Если мы имеем дело с какими-либо другими формами каналов, то должны применяться другие подходы, например метод Монте-Карло.

11

Метод Монте-Карло

Проводимость для произвольной геометрии может быть вычислена с помощью метода Монте-Карло, который состоит из прослеживания беспорядочного движения большого числа независимых частиц и усреднения по общему числу. Основные предположения:

1)преобладают стационарные условия;

2)потоки не изменяются во времени;

2) поток молекулярного или кнудсеновского типа, где частицы соударяются только со стенками, а не друг с другом.

Метод Монте-Карло, в общем случае, представляет из себя некую группу численных методов, которые применяются для изучения случайных процессов. Смысл метода состоит в том, чтобы описать нужный процесс математической моделью, используя генератор случайных чисел, модель при этом многократно обсчитывается, данные которые были получены в процессе вычисления, используются для получения вероятностных характеристик рассматриваемых процессов.

Данный метод подходит не только для описания движения молекул вдоль труб, также он подходит и для описания других процессов.

Вопросы

1.Величина, имеющая фундаментальное значение в вакуумных измерениях.

2.В чем измеряется скорость откачки.

3.Состав воздуха на уровне моря.

4.Закон Авогадро.

5.В чем суть поведения молекул газов при уменьшении давления.

6.Формула скорости любого устройства, создающего

вакуум.

7.Применение метода Монте-Карло.

12

2.ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА

2.1.НАСОСЫ

2.1.1.Общие вопросы

Внастоящее время известно много различных типов вакуумных насосов. Одни из них являются насосами в обычном смысле этого слова, другие — нет. В наиболее общем смысле откачка есть любое действие, с помощью которого уменьшается число молекул газовой фазы в вакуумной системе. Оно включает выброс молекул из системы или просто конденсацию их в твердую фазу внутри системы. Последняя функция может быть названа захватом, геттерированием, или захоронением, и выполняется она геттеро-ионными и криогенными насосами. Как геттерирование, так и конденсация охлаждением являются старыми, хорошо известными физическими явлениями, но они лежат в основе самых современных достижений вакуумной откачки. Все, что может сделать любой насос, заключается в создании более низкой плотности внутри себя, чем плотность, которая существует в откачиваемой системе. Поскольку он не может быть помещен внутрь системы и экстрагировать молекулы, то он должен просто выжидать, когда молекулы залетят в него. Таким образом, очевидна роль проводимости при определении эффективной скорости откачки. Молекулы могут залетать в насос настолько быстро, насколько позволяет проводимость трубопроводов.

Вслучае геттеро-ионных и криогенных насосов более низкая молекулярная плотность (давление) создается в результате действия механизмов захвата и захоронения молекул,

вособенности, в результате действия первого механизма.

Вслучае диффузионных насосов более низкая молекулярная плотность достигается путем увлечения молекул с помощью направленного потока паров масла к выходу из насоса. Любой высоковакуумный насос, будь то ионный, криогенный, диффузионный, турбомолекулярный или какой-либо другой, сначала создает более низкое давление (плотность) внутри се-

13

бя и затем ожидает молекулы, которые залетают в него и либо захватываются, либо удаляются. Когда давление в системе становится настолько низким, что больше нет общего направленного движения в насос, т. е. наступает динамическое равновесие между количеством молекул, поступающих в насос и возвращающихся в систему, то говорят, что в системе достигнуто предельное давление. Если в системе нет течей, давление может быть очень низким. В общем случае оно будет определяться тем, из каких материалов выполнена система и что помещено внутри нее, а также типом насоса.

2.1.2. Форвакуумные насосы

Одним из существенных компонентов, который должна иметь любая вакуумная система, является устройство, создающее начальное разрежение, начиная от атмосферного давления и доходя до такого вакуума, который практически возможен. В вакуумных системах наиболее широко используемым форвакуумным насосом, несомненно, является механический насос (рис. 2). Механические насосы работают в масляной ванне.

Рис. 2. Пластинчато-роторный насос

14

Пластинчато-роторный насос состоит из цилиндрического ротора R, снабженного двумя скользящими пластинами Р и Р’, соединенными между собой пружиной. Ротор вращается внутри статора S. Благодаря центробежной силе концы пластин находятся в постоянном контакте со стенками. Воздух, содержащийся в камере С, может быть сжат до атмосферного давления и выброшен через клапан М. Вакуумная плотность обеспечивается масляной ванной.

Так как все масла имеют при комнатной температуре заметное давление паров, пары углеводородов диффундируют обратно в систему, когда впускной клапан открыт. Эта обратная диффузия масла может быть минимализирована ловушками, в которых используются материалы, обладающие очень развитой поверхностью при комнатной температуре. Простая, но эффективная ловушка показана на рис. 3. В н ей используется пористый металл для того, чтобы абсорбировать молекулы масла. Никакого отжига или технического обслуживания не требуется. Работает ловушка при комнатной температуре.

Рис. 3. Молекулярное сито

15

Если желательно полностью исключить масло, применяются сорбционные насосы. Их часто используют в лабораторной практике для получения чистого, свободного от масла вакуума. Большинство современных сорбционных насосов откачивают систему от атмосферного давления до давления настолько низкого, что может быть включен ионный насос. Откачивающее действие сорбционных насосов зависит от охлаждаемых абсорбентов, таких как «молекулярные сита», или цеолиты. В качестве охладителя обычно используется жидкий азот. Молекулярные сита имеют исключительно высокую удельную площадь поверхности благодаря их структуре, которая представляет собой каркас с порами атомных размеров. Когда молекулярные сита охлаждены до температуры жидкого азота, они эффективно откачивают большинство газов, включая воздух, вплоть до их насыщения. Регенерация сорбционных форвакуумных насосов может быть проведена прогревом на воздухе в течение нескольких часов при температу-

рах 300-400° С.

Рис. 4. Анализ остаточного газа после предварительной откачки (давление 2 х 10-3 торр): а) без ловушки;

б) с ловушкой

16

Сравнение спектров показывает, что тяжелые массы, соответствующие углеводородам C4H10 и C5H12 (т/е = 58 и72), полностью исчезают. Пики неадсорбированных газов выше, чем стандартный пик, например, кислорода, поскольку общее давление одно и то же. Количество водяных паров уменьшилось от 98 %, когда использовалась ловушка (т/е= 18).

Принципиальным ограничением откачивающей способности молекулярного сита является передача тепла адсорбирующей поверхностью охладителю вследствие теплоизолирующих свойств материала. Таким образом, важными требованиями при описании эффективной сорбции форвакуумного насоса являются следующие:

Рис. 5. Сорбционный насос фирмы «Рибер», модель РА10, и принадлежности к нему: 1 – сорбционный насос; 2 – контейнер для

жидкого азота; 3 – цеолит; 4 – печка для отжига

Максимализация теплопередачи от адсорбирующей поверхности.

1. Максимализация общей поверхности молекулярных сит, которая находится в непосредственном контакте с вакуумом.

17

2.Подбор соответствующего материала, чтобы по возможности увеличить рабочее время между двумя регенерациями.

3.Возможность легкой замены молекулярного сита. Эти требования отчасти противоречивы, и устройство

будет всегда компромиссным. Типичный коммерческий сорбционный насос показан на рис. 6.

Рис. 6. а) Один насос модели РА 10 на объем 45 литров. Один сорбционный насос откачивает 45-литровый объем от атмосферы до давления 10-2 торр (1,33 Па) за 10 мин. б) Два насоса модели РА 10 на объем 100 литров. Два сорбционных насоса откачивают 100-литровый объем до давления 10 торр (0,133 Па) меньше, чем за 10 мин. в) Три насоса модели РА 10

на объем 180 литров

18

Три сорбционных насоса, использованных по очереди, откачивают 180-литровьш объем от атмосферы до давления 10-3 торр (0,133 Па) меньше, чем за 15 мин.

Сорбционные насосы могут быть соединены с сухим механическим насосом. Работа этого типа насоса основана на возвратно-поступательном движении диафрагмы. Он позволяет достигнуть давления в 150торр без всякого риска загрязнения. Это дает возможность:

а) уменьшить число сорбционных насосов; б) реже производить регенерацию этих насосов.

2.1.3. Масляные диффузионные насосы

Паромасляный, или диффузионный, насос, предложенный Ленгмюром, является наиболее распространенным типом вакуумного насоса, который используется на протяжении многих лет и находит широкое применение.

Поток пара в диффузионном насосе работает таким образом, что концентрирует отдельные молекулы газа в определенном месте вакуумной системы.

Работа прибора показана на рис. 7. Пары масла проходят через отражатели и передают часть своего импульса, молекулам газа, вынуждая их двигаться к днищу насоса. Благодаря этому создается повышенная концентрация молекул газа в нижней части насоса, давление возрастает и дает возможность удалить газ механическим насосом.

Чтобы создать поток пара, предварительное разрежение в вакуумной системе должно быть ниже 1 торр. Этот вакуум, конечно, находится почти всегда в пределах, которые обеспечиваются большинством механических насосов.

Стенки диффузионного насоса обычно охлаждаются водой, так что пар, попадающий на стенку, будет конденсироваться и возвращаться в кипятильник.

19

Рис. 7. 1 – к форвакуумному насосу; 2 – отражатели; 3 – водяное охлаждение; 4 – нагреватель;

5 – патрубок

Такие материалы, как вода, ртуть, углеводородные и силиконовые масла, используются для того, чтобы получить потоки паров в этом типе насосов. Обычно между диффузионными насосами и вакуумной камерой располагаются ловушки на жидком азоте, которые применяются вместе с диффузионными насосами и служат для того, чтобы конденсировать пары масла, стремящиеся мигрировать обратно в область высокого вакуума.

Степень и чистота вакуума, требуемые для многих процессов, резко возросли в последние годы. В некоторых применениях, например, в создании фоточувствительных поверхностей, недопустимы даже следы углеводородов. Все более увеличивается количество таких применений, в которых становится очевидным, что лучше было бы с самого начала использовать вакуумные насосы непарового типа, чем пытаться улавливать пары масла из насоса.

20