2 Основы теории вакуумной откачки
Характер течения газа в трубопроводах вакуумной системы зависит от ряда параметров: температура газа и стенок вакуумной системы, абсолютного давления, внутреннего трения в газе и взаимодействия газа с поверхностью, а также от формы и размеров рассматриваемой системы.
Различают три основных вида течения газа: турбулентное (иливихревое),ламинарное (иливязкостное) имолекулярное (или свободномолекулярное). Четкой границы между этими типами течений нет, поскольку существует ряд промежуточных областей переходных течений. При вязкостном режиме течения газа средняя длина свободного пробега молекулλмного меньше характеристического размера элемента вакуумной системы (например, для трубопровода таким размером является его диаметрD). При молекулярном и переходном режимах течения газа средняя длина свободного пробега больше характеристического размера или сравнима с ним.
Области (типы) течения газа в элементах конструкций вакуумных систем принято характеризовать числом Кнудсена:
|
|
Kn = λ / D, |
(4) |
|
где D – характеристический размер элемента конструкции вакуумной системы. | ||
Молекулярному течению соответствует значение числа Кнудсена Kn > 0.33, вязкостному -Kn< 10-2.
Введем в рассмотрение ряд основных понятий вакуумной техники, широко используемых в практике проведения вакуумных исследований:
1. Быстротой откачки сосуда или эффективной быстротой откачкиS0 называется объем газа поступающий в единицу времени из сосуда в трубопровод при данном давленииР в откачиваемом сосуде.
2. Быстротой откачивающего действия (или,быстротой действия) вакуумного насосаSн при данном впускном давленииРн называется объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени при этом давлении.
|
|
S н = dVn / dt , |
(5) |
|
где dVn – объем газа поступающий в насос за времяdt. | ||
3. Количество газа Q'i , протекающего в единицу времени в любом сечении трубопровода называетсяпотоком газа и определяется как произведение давленияРi на объем газа проходящие через это сечениеSiв единицу времени.
|
|
Q i = S i P i. |
(6) |
4. Поток газа протекающий во входном сечении вакуумного насоса Qн называетсяпроизводительностью насоса при данном впускном давлении Рн.
|
|
Q n = S n P n. |
(7) |
5. Проводимостью элемента вакуумной системы Uназывается отношение потока газа, проходящего через элемент вакуумной системы, к разности давлений (P0 - Pn )в концевых сечениях элемента конструкции.
|
|
U = Q / (P0 - Pn ). |
(8) |
6. Сопротивление трубопровода называется величинаW обратная проводимости
|
|
W = 1 / U = (P0 - Pn ) / Q. |
(9) |
На практике, сопротивление сложных вакуумных систем рассчитывается по аналогии с электрическими цепями (используя представления о параллельном и последовательном соединении резисторов).
Быстроту откачки S0 вакуумной системы объемомV0при начальном давленииР0определяют по быстроте действия насосаSни проводимостиUтрубопровода при условии постоянства потокаQ =const.
|
|
Q = S0 P0 = U (P0 - Pn ) = S n P n |
(10) |
Выражение (10) представляет собой основное уравнение вакуумной техники, которое выражает отличие быстроты откачки объекта S0 от быстроты откачки насосаSн при наличии трубопровода с проводимостьюU.
При определении длительности откачки вакуумной системы принято считать, что:
процесс откачки является квазистационарным (т.е. разница давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним давлением в нем);
объем подводящих трубопроводов значительно меньше объема откачиваемого сосуда:
в трубопроводе существует только один тип режима течения и скорость откачки является достаточно медленной функцией времени;
температура откачиваемого газа постоянна и (как правило) равна температуре стенок вакуумной системы).
При откачке за время dt из сосуда объемомV удаляется количество газа S0p dt. За это же время в объем за счет газовыделения (со стенок вакуумной системы) и натекания газа (через элементы герметизации) поступает в систему с постоянной скоростью количество газа равноеQ'Σ dt . Таким образом, суммарное изменение количества газаV dpв системе за времяdt составит:
|
|
V dp = Q'Σ dt - S0 p dt. |
(11) |
Решением этого уравнения (полагая, что Q Σ иS0 не зависят в процессе откачки от давления, а, следовательно, и от продолжительности процесса откачки) является:
|
|
P(t) = Pнач exp(Q'Σ /V - S0 t/ V), |
(12) |
|
где Рнач – начальное давление в системе до начала вакуумной откачки. | ||
При выполнении условия t→ ∞ (стационарный режим откачки) из выражения (12) для остаточного давленияPост в вакуумной системе имеем:
|
|
Pост = Q'Σ / S0 . |
(13) |
Из выражения (13) следует, что величина предельно достижимого вакуума в системе Pостопределяется не продолжительностью процесса откачки, а интенсивностью потока газаQ'Σ, натекающего в объем. и скоростью откачкиS0.
Таким образом газовыделение является одной из важнейших характеристик вакуумной техники. Оно зависит как от самого материала, так и от технологической обработки поверхности. Для большинства конструкционных материалов вакуумных систем скорость газовыделения зависит от температуры поверхности материала, и увеличивается при возрастании температуры. Поэтому эффективным методом снижения интенсивности газовыделения материалов является высокотемпературный прогрев всех элементов вакуумной системы (как правило, при температуре 400˚ С) в течение нескольких часов при условии непрерывной откачки.
При разработке вакуумных объемов и трубопроводов необходимо учитывать, что многие конструкционные материалы при понижении давления начинают довольно интенсивно испаряться сами и выделять абсорбированные (растворенные в них) газы. Кроме того, происходит диффузия газов из внешней среды сквозь материалы, в особенности гелия и водорода. Если для низковакуумных установок эти факторы проявляются незначительным образом, то в высоковакуумных устройствах этим вопросам приходиться уделять высокое внимание.
Наиболее распространенными вакуумными материалами являются: стекло (кварц), нержавеющая сталь, медь, алюминий.
Неразъемные соединения элементов вакуумных систем обычно соединяют электродуговой сваркой в среде аргона или пайкой припоями на основе серебра.
Разъемные соединения (фланцы трубопроводов, смотровые окна и т.д.) герметизируются с помощью специальных уплотнительных прокладок. Для низкого и среднего вакуума в качестве прокладок используются специальные сорта резины, полиэтилен, фторопласт и др. полимерных материалов. В сверхвысоковакуумных вакуумных системах в качестве уплотнительных элементов используют металлические прокладки из свинца, индия, алюминия, меди, золота.