Криовакуумная техника

(КУРС ЛЕКЦИЙ)

г. Новосибирск, 2010

Лекция №1

Вакуумная техника – прикладная наука, которая изучает получение и сохранение вакуума, технику проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов.

В переводе с латинского "Вакуум" означает пустоту.

Началом научного этапа развития вакуумной техники можно считать 1643г, когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. В 1672 году Отто фон Герике изобретает механический поршневой вакуумный насос с водяным уплотнителем.

Наконец, в 80-х годах 19 века начинается технологический этап создания вакуумных приборов и техники. В этот период начинают изобретаться различные типы вакуумных насосов (вращательный, криосорбционный, молекулярный, диффузионный).

В СССР становление вакуумной техники началось с развития электроники и новых методов физики.

Первые области ее промышленного применения – откачка осветительных электроламп и электровакуумных приборов, но с появлением транзисторов электронная промышленность нашла новое применение вакуумному оборудованию в производстве высокочистых материалов.

Металлургия тоже нашла применение вакуумной технике. Для получения таких металлов, как титан, ниобий, тантал, цирконий, бериллий и их сплавов, необходимо получать разрежение около 10^-2…10^-4 Па(~ 10^-4…10^-6мм рт.ст.).

В химической промышленности применение вакуумных сушильных аппаратов позволяет резко увеличить выпуск таких ценнейших материалов, как синтетические волокна, полиэтилен, органические растворители. Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира, используемые в квантовых генераторах, создаются с применением вакуумной техники.

В фармацевтической и пищевой промышленности вакуумная техника широко применяется для производства антибиотиков, синтетических гормонов, витаминов, лечебных сывороток и получения многих других ценнейших продуктов.

Консервирование пищевых продуктов с сохранением их вкусовых и питательных свойств.

В легкой промышленности с помощью вакуума получают пластмассы с новыми свойствами, фольгу, бумагу и ткани. Металлизация тканей в вакууме позволяет создавать новые и красивые материалы с высокой отражательной способностью (например, материалы для пожарного оборудования с металлизированной внешней стороной).

В оптической промышленности с помощью напыления тонких слоев в вакууме изготовляют высококачественную оптику, оптические и бытовые алюминированные зеркала.

В строительной промышленности вакуум используется при изготовлении кирпича-сырца методом пластического формования.

В атомной промышленности вакуумная техника позволяет более глубоко изучать строение вещества.

В освоении космоса с достижением сверхвысокого вакуума в камерах имитации космического пространства в условиях земной атмосферы стало возможным изучение космоса.

1.1. Понятие о вакууме

Состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного (10⁵Па), называется вакуумом. В технике вакуум получают с помощью вакуумных насосов различных принципов действия. При давлениях, близких к атмосферному, вакуум количественно может быть определен как разность

Р_вак = Р_атм – Р_абс,

где Р_атм – атмосферное давление, Па;

Р_абс- абсолютное давление, Па.

В этих случаях для количественного измерения вакуума используют мановакуумметры.

При абсолютном давлении, отличающемся от атмосферного более чем на два порядка, разность Р_атм – Р_абс остается практически постоянной и поэтому не может служить количественной характеристикой разреженного газа. В этих условиях вакуум количественно определяется абсолютным давлением газа. При малых давлениях, которые непосредственно уже не могут быть измерены мановакуумметрами, состояние газа может быть охарактеризовано количеством молекул в единице объема, т.е. молекулярной концентрацией.

В этой области давлений основные закономерности течения газов базируются на законах кинетической теории газов, основу которой составляет представление о газе как о совокупности молекул, находящихся в непрерывном движении и взаимодействующих между собой как упругие тела.

Газообразное вещество называется газом, если его температура выше критической; паром – если его температура ниже критической.

В табл.1.1 приведены критические температуры некоторых веществ.

Таблица 1.1

Критические температуры веществ

Вещество	Критическая температура, 0С	Вещество	Критическая температура, 0С
Гелий	– 267,8	Криптон	– 62,5
Водород	– 241	Ксенон	+14,7
Неон	– 228	Двуокись углерода	+31
Азот	– 147	Вода	+365
Кислород	– 118	Ртуть	+1450
Аргон	– 122,4	Железо	+3700

Поскольку комнатная температура колеблется в пределах от 15 до 25⁰С, то такие вещества, как гелий, водород, азот, кислород, аргон, криптон следует считать постоянными газами, которые не будут конденсироваться ни при каком сжатии. Такие же газообразные вещества, как ксенон и двуокись углерода, к постоянным газам уже отнести нельзя, так как их критические температуры близки к комнатной. Поскольку вода, ртуть и все металлы имеют достаточно высокие критические температуры, следует говорить только о парах этих веществ.