4 Механические насосы

Вращательные масляные насосы являются механическими с вращающимися порш­нями (роторами) и масляными уплотнителями. По своей конструкции насосы подразделяют­ся на пластинчато-статорные и золотниковые.

Турбомеханические высоковакуумные насосы

В последние годы появились высоковакуумные механические насосы. Небольшая турбинка диаметром в несколько сантиметров вращается со скоростью 30 тысяч оборотов в минуту в цилиндрической трубке, подсоединенной к вакуумной системе. Через два часа ра­боты в системе создается вакуум до 10^-10 мм рт. ст. Для работы турбонасоса требуется пред­варительное разряжение не хуже 10^-4 мм рт. ст.

Геттеры

Для улучшения вакуума используют геттеры. В откачиваемом объеме (усилительные лампы, кинескопы, автоэмиссионные микроскопы и др.), после тщательного обезгаживания в процессе откачки, распыляют на стенки газопоглотители. Это могут быть: магний, барий, стронций, молибден, торий, цирконий, титан и др. вещества. Распыленное вещество образует на поверхности зеркальную поверхность. Атомы остаточных газов, попадая на зеркальную поверхность, адсорбируются. При этом вакуум значительно улучшается. С помощью гетте­ров парциальное давление таких активных газов как кислород, азот, углекислый газ, пары воды и др. можно уменьшить до 10^-12 мм рт. ст. Конструкция и способ распыления вещества геттера могут быть самые разнообразные. Распылять вещество геттера можно высокочастот­ным электромагнитным полем, электронным пучком, прогревом вольфрамовой проволоки, на которую приварены точечной сваркой титановые или какие-либо другие лепестки, элек­трическим током.

7 Техника измерения вакуума

В зависимости от степени разряжения различают методы измерения вакуума. С по­мощью разрядника определяют вакуум при включении форвакуумного насоса (рисунок 6).

Рисунок 6 – Газоразрядная трубка

Одно­временно включается термопарный вакуумметр. С помощью термопарной лампы (рисунок 7) кон­тролируется вакуум для включения диффузионного насоса. Включение ионизационного ма­нометра типа ЛМ-2 производится при достижении вакуума не хуже 10⁴ мм рт. ст. (иначе пере­горит вольфрамовый катод). Откачиваемый прибор прогревается длительное время (до трех суток) при температуре до 450°С (для вакуумных стекол типа ЗС-5). Прибор отпаивается от вакуумного поста при температуре порядка 100°С. После распыления геттера вакуум в авто­эмиссионном микроскопе составляет, как правило, порядка 10^-10 мм рт. ст.

Термопарный манометр ЛТ-2

Термопарный манометр ЛТ-2 широко применяется в промышленности и в научных исследованиях. Манометрическая лампа играет роль датчика, с помощью которого не элек­трическая величина давление измеряется с помощью термо-ЭДС.

Устройство лампы ЛТ-2 показано на рисунке 7. Там же приведена принципиальная электрическая схема электрического прибора.

Рисунок 7 – Термопарная лампа и принципиальная электрическая схема электрического прибора

Манометрическая лампа состоит из стеклянного баллона 1, внутри которого помещена нить накала 2 в виде тонкой платиновой ленты или проволоки, и термопара 3 из хромеля и копеля. Термопара припаяна к средней части нити, благодаря чему между ними осуществляется достаточно хороший тепловой контакт. С помощью трубки 9 лампа напаивается на вакуумный пост, где измеряется давление. Действие лампы ЛТ-2 основано на изменении температуры нити, нагреваемой электрическим током от батареи 5, с изменением давления газа. Указанная зависимость может наблюдаться только в области низких давлений, когда теплопроводность газа зависит от его давления. Об изменении температуры судят по изменению термо-ЭДС термопары, измеряемой милливольтметром 4.

К недостаткам термопарных манометров относятся:

1 Низкая чувствительность, которая ограничивает диапазон измеряемых давлений (до 10^-4 мм рт. ст.).

2 Инерционность: вследствие наличия известной теплоемкости нити накала (включая ее спай с термопарой) при изменении давления газа новый температурный режим устанавливается не сразу, обычно для этого требуется от 15-20 секунд. Таким образом, быстрые процессы термопарным манометром не могут регистрироваться.

Манометрическая лампа – ЛМ-2

Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2 похожа на обычную трех электрод­ную лампу и не превышает по размерам среднюю приемно-усилительную. Внутри баллона 7 (рисунок 8.1) размещены три электрода: катод – 1, анод-сетка – 2, и никелевый цилиндрический коллектор – 3 (собирает положительно заряженные ионы). Вывод коллектора осуществляется че­рез молибденовый ввод – 6 в верхней части баллона, что улучшает изоляцию между коллекто­ром и другими электродами. Молибденовые выводы 4 от катода 1 и 5 от сетки-анода – 2 де­лаются через катодную ножку. Баллон 7 изготовляют из стекла типа ЗС-5 (молибденовое стекло у него коэффициент объемного расширения такой же, как коэффициент объемного расширения у молибдена). Манометрическая лампа ЛМ-2 напаивается на вакуумный пост через патрубок 8. На рисунке 8.2 приведена схема включения ЛМ-2 к вакуумному посту или к при­бору.

Рисунок 8.1 – Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2

Рисунок 8.2 – Схема включения ЛМ-2 к вакуумному посту или к при­бору

На анод-сетку подается положительное анодное напряжение, а на коллектор – отрица­тельное (обычно 10 – 15 % от анодного напряжения). Манометр, собранный по такой схеме, обладает большей чувствительностью, так как электроны, летящие от катода к аноду, совершают колебательное движение между коллектором и анодом. Вероятность ионизации газа при этом резко увеличивается. Ионный ток возрастает.

Каким же образом не электрическая величина давление измеряется с помощью элек­тронной лампы? Из молекулярно-кинетической теории известно, что давление равно:

(1)

где – концентрация молекул газа в откачиваемом объеме;

к – постоянная Больцмана

Т – температура в К.

Понятно, что величина ионного тока пропорциональна концентрации молекул, а, следовательно, и давлению. Лампа ЛМ-2 калибруется по манометру Мак-Леода. Пределы из­мерения вакуума лампой ЛМ-2 составляют от 10^-4 – 10^-8 мм рт. ст. При этом ионный ток кол­лектора изменяется от 100 до 0.005 мкА.

Помни! Длительная работа лампы ЛМ-2 в вакууме порядка 10^-4 мм рт. ст. приводит к перегоранию вольфрамового катода – 1.

Ионизационный манометр ЛМ-12 для измерения сверхвысокого вакуума

В отличие от ЛМ-2 манометрическая лампа ЛМ-12 обладает следующими положи­тельными качествами: одна или две катодные нити – 3 помещены вне сетки-анода, коллектор же ионов в виде тонкой проволоки – 1 расположен по оси лампы внутри сетки-анода – 2 (рисунок 10) при электронном токе в 5мА лампа работает в обычном диапазоне 10^-5 – 10^-10 мм рт. ст..

Рисунок 9 – Манометрическая лампа

Рисунок 10 – Манометрическая лампа ЛМ-12

Расположение коллектора ионов внутри, а не вне сетки-анода оказалось выгодным в том отношении, что уменьшились потери ионов, уходящих к стенкам колбы, большей своей частью они попадают на коллектор.

Главной особенностью ИМ-12 является то, что роль коллектора ионов выполняет очень тонкая вольфрамовая нить – 1, которая из-за небольшой поверхности воспринимает только часть рентгеновского излучения с сетки-анода – 2. Электроны, вылетающие из катода – 3 устремляются к аноду сетки, пролетают сквозь нее, долетают до коллектора, имеющего от­рицательный потенциал, заворачиваются обратно. Так как путь электронов увеличивается, то вероятность ионизации газа тоже увеличивается. Чувствительность лампы резко возрастает и становится выше чувствительности лампы ЛМ-2. С помощью лампы ЛМ-12 можно измерить предельный вакуум до 5 10^-11 мм рт. ст.

Оценку качества вакуума (парциального давления) определяют так же с помощью масс-спектрометров и автоэмиссионных микроскопов (до 10^-12 ммрт. ст.).

8 Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! Вакуумный пост изготовлен из стекла. При работе на нем прояв­лять максимум осторожности. При включении высокого напряжения от установки "Разряд" следить, чтобы прово­да, подключенные к газоразрядной трубке, не перекрещивались. Не касаться руками прово­дов во время подачи высокого напряжения. При включении печи обогрева в процессе откачки прибора, корпус ее должен быть заземлен.

9 Задание

1 Ознакомиться с конструкцией одного из типов форвакуумного насоса (в разобран­ном виде).

2 Ознакомиться с устройством металлического и стеклянного пароструйного насоса, вакуумными ловушками, вакуумными стеклянными кранами.

3 Изучить вакуумный пост, все его детали. Проследить путь прохождения откачивае­мого газа из прибора (рисунок 12).

4 Ознакомиться с принципом действия и работой термопарных и ионизационных вакуумметров типа ВИТ-1А. Определить ток накала в термопарной лампе ЛТ-2. Подключить к шнуру прибора ВИТ-1А лампу ЛМ-2 и согласно описанию проверить ее работоспособность.

5 Подключить высокое напряжение от установки "Разряд" к газоразрядной трубке. Убедиться в отсутствии в трубке свечения газа. Включить форвакуумный насос и повернуть на мгновение вакуумный кран на откачку газа и вновь закрыть. Добиться появления светя­щегося "шнура". Зарисовать, сравнить с видами разряда на рисунок 6. Оценить давление газа в газоразрядной трубке.

6 Включить форвакуумный насос и после достижения предельного вакуума (порядка 10^-2 мм. рт. ст.), включить диффузионный насос. Последовательность операций смотри в инст­рукции. Давление в системе определить по графику зависимости рисунок 11.

ВНИМАНИЕ! Пуск диффузионного насоса производить только в присутствии преподавателя или инженера!

7 Через 30 – 40 минут работы диффузионного насоса подать высокое напряжение на га­зоразрядную трубку. Убедиться в отсутствии свечения газа в трубке (давление в приборе при этом будет не хуже 10^-4 мм. рт. ст.). Включить в электрическую сеть вакуумметр ВИТ-1 и изме­рить давление в системе с помощью ионизационной лампы ЛМ-2, согласно прилагаемой ин­струкции.

8 Поставить печь обогрева на вакуумный пост, предварительно убедиться, что тер­мопара установлена на уровне обогреваемого прибора. Включить электропитание печи обог­рева. Температуру обогрева установить по электронному потенциометру 100 – 150°С. Про­следить резкое ухудшение вакуума в системе по мере роста температуры в печи обогрева.

9 Выключить вакуумный пост согласно прилагаемых инструкций.

Рисунок 11 – Зависимость давления Р от ЭДС термопары

1 – АЭ микроскоп;

2 – натекатель кислорода;

3 – геттер;

4 – манометрическая лампа ПМИ-2;

5 – перетяжка для отпайки прибора;

6 – обогреваемая ловушка;

7 – ловушка диффузионного насоса;

8 – трехступенчатый диффузионный насос;

9 – форвакуумная ловушка;

10 – форбаллон;

11 – вакуумный кран;

12 – форвакуумный насос типа ВН – 461 М;

а – печь для прогрева прибора;

б – автономная печь прогрева геттера;

в – печь обогрева ловушки;

г – печь диффузионного насоса

Рисунок 12 – Схема вакуумной установки для откачки прибора

10 Указания по эксплуатации

1 До присоединения лампы к вакуумной системе, не вскрывая ее, включить лампу в измерительную схему манометра и установить величину номинального тока нагревателя, соответствующего ЭДС термоэлемента равной 10 мВ.

2 Отключить лампу от манометра и, обрезав конец трубки, содержащей газо­поглотитель, присоединить лампу к вакуумной системе, а затем включить в схему манометра. В процессе эксплуатации лампы следить за током нагревателя, кото­рый должен быть равен номинальному, соответствующему ЭДС равной 10 мВ.

3 При измерении давления воздуха для перевода показаний приборов определяющие величину ЭДС, на значения давлений, пользоваться приложенной к лампе типовой градировочной кривой.

4 При длительной эксплуатации лампы, особенно в условиях ее загрязне­ния (парами масла и т. д.), должна производиться корректировка номинального тока подогревателя. Для этого необходимо откачать лампу до давления ниже 1·10^-4 мм. рт. ст. и определить ток накала, соответствующий ЭДС = 10 мВ.

Количество платины в ЛТ-2 – 10.415 грамм на 1000 штук (теоретическая норма).

11 Контрольные вопросы

1 Что такое вакуум?

2 Записать основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.

3 Объяснить при каких условиях зажигается самостоятельный разряд, прекращается самостоятельный разряд. Объяснить физические процессы, происходящие в объе­ме с самостоятельным разрядом.

4 Описать принцип работы термопарной-ЛТ-2 и ионизационной-ЛМ-2 лампы.

5 Объяснить работу механических форвакуумных насосов.

6 Принцип работы диффузионных пароструйных насосов.

7 Принцип работы геттеров, электро- и магнито-разрядных насосов и других высоковакуумных насосов.