26

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

Институт электронных и информационных систем

Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники

ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА

Методические указания

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2007

1 Параметры вакуумных насосов

Вакуумная техника имеет дело с давлениями примерно от 10^-7 до 10^-10 мм рт. ст. и ниже, что составляет более 10 порядков давления. Такой широкий диапазон не позволяет осуществлять получение вакуума по какому-либо единственному способу.

В настоящее время для получения вакуума применяются:

а) вакуумные насосы различных типов;

б) специальные поглотители, вводимые внутрь откачиваемых приборов;

в) ловушки для паров.

К основным параметрам относятся начальное давление, наибольшее выпускное дав­ление, предельное давление и быстрота действия.

Начальным давлением насоса называ­ется такое его впускное давление, с которого он начинает нормально работать. Например, такие насосы, как вращательные масляные, водоструйные, начинают работать с атмосферного давления, у ряда насосов начальное давление значительно ниже атмосферного, для, них требуется насос предварительного разряжения.

Наибольшим выпускным давлением вакуумного насоса называется такое давле­ние у выпускного отверстия, при котором насос прекращает нормальную работу в виду прорыва газа с выпускной стороны. Этот параметр относится к насосам, кото­рые для выталкивания поступающего в них газа через выпускное отверстие подвергают газ сжатию, т.е. к механическим, пароструйным, ионным насосам.

Насосы, у которых наибольшее выпускное давление ниже атмосферного своим вы­пускным отверстием присоединяют к впускному отверстию насоса предварительного разрежения.

Ввиду того, что момент достижения требуемого начального давления практиче­ски совпадает с моментом достижения необходимого выпускного давления, в справоч­никах по указанным насосам, приводятся значения только наибольшего выпускного дав­ления.

Предельным давлением вакуумного насоса называется то его впускное давление, которое достигается насосом после достаточно длительной откачки вакуумной системы, не имеющей ни натекания извне, ни газовыделения внутренних стенок. Предельное давле­ние можно называть также предельным вакуумом

Наличие нижнего предела давления, достигаемого насосом, объясняется тем, что в процессе работы насоса по мере снижения давления в вакуумной системе рано или поздно наступает, такой момент, когда газовый поток, поступающий из откачиваемого объ­ема в насос, становится равным обратному потоку газообразных веществ, поступающему из насоса в откачиваемый объем, и насос начинает работать в холостую.

Причинами обратного потока может быть газоотделение с внутренних стенок насоса, их несовершенная герметичность, выделение газов, растворившихся в рабочих жид­костях.

В механических насосах сказывается также влияние так называемого вредного пространства, т.е. участка внутри насоса, из которого трудно полностью вытеснить попавшие в них газы.

Кроме того, рабочие жидкости насосов сами являются источниками паров, поступающих из насоса в вакуумную систему. Так как рабочие жидкости могут быть раз­личного качества, не связанного с качествами самого насоса, предельный вакуум, как параметр для всех насосов, кроме масляных пароструйных, оценивается только по парциальному давлению остаточных газов, без учета давления паров рабочих жидкостей. Для исключения влияния этих паров при достижении предельного давле­ния, как параметра насоса, давление паров снижают при помощи специальных ловушек. При отсутствии ловушек давление измеряется компрессионным манометром, не отзы­вающимся на наличие в вакуумной системе конденсирующихся паров, в том числе и паров рабочих жидкостей вакуумных насосов.

В справочной литературе по насосам указывается одно значение быстроты действия, её максимальное значение. Наиболее полное представление об изменении быстроты действия насоса S в за­висимости от впускного давления Р можно получить из рассмотрения соответствующему этому насосу кривой S = f(р). Производительность насоса Q определяется соотношением: Q = SР.

2 Пароструйные насосы

Работа пароструйных насосов основана на использовании откачивающего действия струи пара рабочей жидкости. Газ, поступающий в насос из вакуумной сис­темы, попадает в сферу действия струй пара и выталкивается последней в сторону выпускного отверстия. Пароструйные насосы не могут работать самостоятельно, а всегда составляют единый агрегат с насосом предварительного вакуума.

Рассмотрим один из типов пароструйных насосов:

а) Стеклянные пароструйные насосы

На рисунке 1 представлен один из типов стеклянных диффузионных насосов. Это один из первых образцов пароструйных насосов. Они изготовляются из стекла, кото­рое обеспечивает полную герметичность насоса. В качестве рабочей жидкости была взята ртуть, позволяющая легко создавать эффективную паровую струю и в то же время обладающая нужной химической и термической устойчивостью. Диффузионными они называются потому, что молекулы газа попадают в сферу действия струи пара путём диффузии в неё газа из вакуумной системы. Стеклянным паро-диффузионным насосам можно придавать различные формы и размеры.

1 – Испаритель;

2 – Подогреватель;

3 – Трубка;

4 – Сопло;

5 – Холодильник;

6 – Водяная рубашка;

7 – Изогнутая трубка;

8, 9 – Патрубок

Рисунок 1 – Стеклянный диффузионный насос

Ртуть в испарителе 1 подогревателем 2 поддерживается при температуре кипе­ния (предполагается, что необходимое предварительное разрежение уже создано, тем­пература кипящей ртути не превышает 120°С).

Пар поступает в трубку 3, называемую паропроводом, после того, как паро­провод прогреется так, что на его поверхности не происходит конденсации, пар не­прерывно подаётся через сопло 4, которым в данном насосе является просто конец па­ропровода 3. Из сопла 4 пар попадает в холодильник 5, стенки которого непрерывно охлаждаются проточной водой, поступающей в водяную рубашку 6 через нижнюю и выхо­дящей через верхнюю трубку (указано стрелками). Поступление воды именно через ниж­нюю трубку гарантирует полное смывание стенок холодильника даже при малом напоре воды. Попадая на холодные стенки, ртутный пар или пар из высокомолекулярных эфиров конденсируется, и жидкость стекает вниз через изогнутую трубку 7 обратно в испаритель. Таким путём происходит циркуляция рабочей жидкости и непрерывная по­дача струи пара из сопла. Трубка 7 осуществляет затвор, благодаря которому пар из испа­рителя направляется только вверх по паропроводу и не может попасть непосредст­венно в выпускной патрубок. Затвор того же назначения в том или ином конструктив­ном выполнении необходим в пароструйном насосе любой конструкции.

Благодаря изогнутости трубка 7 хорошо, пружинит и предохраняет ее от де­формаций, возникающих из-за разницы в температурах испарителя и холодильника.

Ртуть или эфир как рабочая жидкость должна быть чистой, не должна содер­жать влаги, воздуха и других газообразных примесей. При этом условии пар, выходя­щий из сопла, является средой с парциальным давлением газообразных примесей более низким, чем давление газа в вакуумной системе. Вследствие теплового движения газа из откачиваемого объекта по вакууму-проводу поступает в пароструйный насос (че­рез пропускной патрубок 8). Достигнув конца сопла, газ под разностью парциальных давлений (плотностей) диффундирует в струю и далее частицами пара, вылетающего из сопла, уносится по направлению струи. Количество встречных частиц пара, затруд­няющих диффузию газа в струю, сводится к достаточной быстрой конденсации выходяще­го из сопла пара на стенках холодильника. Для этой же цели выходящие из сопла части­цы должны иметь преимущественное направление вниз, в то же время скорость их должна быть столь большой, чтобы попавшие в струю пара, молекулы газа немедленно стали двигаться вниз со скоростями, превышающими скорости их теплового движения до попадания в струю. Эти условия необходимы для поддержания в струе пара вблизи со­пла минимального парциального давления или плотности газа.

Представление о направлении линии потока ртутного пара из прямого цилинд­рического сопла и о характере распределения плотности пара даёт рисунок 2.

Рисунок 2 – Направление линии потока ртутного пара из прямого цилинд­рического сопла

Пар рабочей жидкости, несмотря на преобладающее движение его частиц вниз, всё же выходит из со­пла расходящейся струей, поэтому, чем дальше от сопла, тем плотность пара меньше, в связи, с чем уменьшается увлекающее действие струи пара, а это в свою очередь, ве­дёт к постепенному возрастанию плотности газа, которая у стенок холодильника боль­ше, чем около сопла, и наибольшего, значения достигает в нижней части холодильника. Однако если насос предварительного разряжения выбран правильно, то нормальная работа диффузионного насоса будет продолжаться непрерывно, т.к. вблизи сопла будет, под­держиваться парциальное давление газа меньшее, чем в вакуумной системе. Специаль­ные исследования (как форма сопла влияет на скорость и направление струи) показали, что лучшие в этом отношении результаты даёт сопло, имеющее сужение, за которым трубка сопла расширяется в конус (рисунок 3.)

1 – Сопло;

2 – Холодильник;

3 – Водяная рубашка;

4 – Патрубок

Рисунок 3 – Трубка сопла, расширяющаяся в конус

Итак, нормальная работа диффузионного насоса зависит от соблюдения следующих условий:

1 Чистоты рабочей жидкости, обеспечивающей парциальное давление газо­образных примесей в струе пара, выходящей из сопла.

2 Достаточно большого динамического давления струи пара, созда­ваемого главным образом за счёт скорости его частиц, чтобы создавалась паровая струя с основным направлением вниз и с достаточной плотностью пара не только в пространстве вблизи сопла, но и у стенок холодильника, а также в нижней части последнего (– плотность ртути или высокомолекулярного эфира,– средняя скорость паров в струе).

3 Достаточно низкого выпускного давления, создаваемого насосом предва­рительного вакуума.

При работе пароструйного насоса любой конструкции одновременно с желатель­ным явлением (проникновение газа из вакуумной системы в струю, пара рабочей жидкости) происходит нежелательное явление-диффузия паров рабочей жидкости в вакуумную систему.

Достоинствами стеклянных пароструйных диффузионных насосов являются: от­носительная простота изготовления (стеклодувная работа) и надежная герметичность, как самого насоса, так и места присоединения его к стеклянной вакуумной системе (спайка).

Однако стеклянные насосы имеют и много недостатков, связанных главным образом с непрочностью стекла в отношении механических и термических воздейст­вий, что затрудняет их использование в производственных условиях (нельзя исполь­зовать мощный подогрев и, следовательно, достигать высоких динамических давлений при выходе пара из сопла). Параметры стеклянных пароструйных диффузионных, на­сосов колеблются в пределах (10^-6 – 10^-8) мм рт. ст.

б) Металлические диффузионные насосы

Металлические пароструйные диффузионные насосы более прочны, имеют большие размеры, следовательно, большую быстроту действия, позволяют использо­вать подогревы больших мощностей, создавая тем самым большие динамические дав­ления пара рабочей жидкости при выходе из сопла.

Практические замечания по работе с пароструйными насосами:

а) Выбор рабочей жидкости

Приведем случаи, когда мы должны пользоваться высокомолекулярными насосами:

1 – когда приходится работать при очень высоких выпускных давлени­ях;

2 – для откачки приборов, работающих на ртутных парах;

3 – для откачки паров, химически воздействующих на органические жидкости;

4 – для откачки приборов, содержащих фото- или вторично-эмиттирующие поверхности и, вообще, предъявляются высокие требования к стабильности эмиттеров;

5 – для откачки приборов, предназначенных для анализа газов, когда есть опасность, что пары органических веществ и, в частности, продукты их разложения могут затемнить результаты анализа.

б) Выбор параметров

На основе параметров пароструйного насоса подбирается насос предвари­тельного разряжения". Насос предварительного разряжения должен быть установлен по возможности ближе к пароструйному насосу, так, чтобы выпускное давление паро­струйного насоса и впускное давление насоса предварительного разряжения можно бы­ло считать совпадающими. Далее, насос предварительного разряжения должен уве­ренно справляться с потоком газа, создаваемого пароструйным насосом, т.е. должно выполняться условие:

,

где – выпускное давление;

–быстрота действия (при этом давле­нии) пароструйного насоса;

и – соответственно те же величины насоса предварительного разряже­ния, причем для нормальной работы пароструйного насос необходимо, чтобыне пре­вышало наибольшего выпускного давления пароструйного насоса.