1.3.4. Швидкість сорбції

Якщо прийняти за рівноважний стан а= 0,99 а_ (а – питома кількість поглинутого газу, віднесена до одиниці поверхні або об’єму адсорбента), то час досягнення сорбційної рівноваги при початковій умові Θ₀ = 0:

.

При адсорбції азоту на графіті для р = 1,33·10⁴ Па; Т = 293 К; а_m = 9,6·10¹⁸ м^-2; f = 1; = 10^-13 с одержимо t_p = 3·10^-11 с, що свідчить про практично миттєве встановлення адсорбційної рівноваги при високих тисках чи температурах.

При низьких тисках чи температурах адсорбційна рівновага встановлюється досить повільно. Так, для парів масла (М = 422 г/моль) при р= 1,3·10^-9 Па; Т = 298 К; Q_a = 92 кДж/моль; а_m= 6,67·10¹⁷ м^-2 одержуємо t_p = 10⁴ с, тобто величину, співмірну з часом експерименту.

Швидкість сорбції:

,

(це рівняння справедливе для сорбції газів чи парів при Θ₀  1, тобто в умовах малих ступенів покриття).

Якщо Θ₀ >1, то ,

де - швидкість конденсації газу на поверхні, покритій моношаром; – швидкість випаровування з поверхні, покритої моношаром (- час конденсації; визначається теплотою конденсації )

1.3.5. Розчинність газів у твердих тілах

Концентрація газів, розчинених в твердому тілі, залежить від його температури, тиску і типу кристалічної гратки. В металах, для яких між атомами кристалічної гратки характерний гомополярний металічний зв’язок між електропозитивними атомами, залежність розчинності від тиску і температури має такий вигляд:

,

де n – кількість атомів у молекулі газу; Q_s – енергія активації при розчиненні; S₀ – постійний коефіцієнт (плюс – для газів, що утворюють з даним металом хімічну сполуку; знак мінус – для газів, які утворюють істинні розчини).

В неметалах, атоми кристалічної гратки яких зв’язані між собою іонним або ковалентним зв’язком, розчинення газів відбувається в молекулярному стані. Утворюються істинні розчини, і залежність розчинності газів від температури і тиску має вигляд:

.

1.3.6 Дифузія газів у твердих тілах

Абсорбційний процес розчинення газів у твердих тілах здійснюється за рахунок дифузії молекул газу в кристалічну гратку або по границях зерен. Дифузійний потік пропорційний градієнту концентрації. Оскільки для стаціонарного газового потоку через стінку товщиною 2h градієнт концентрації ds/dx = (S₁ – S₂)/(2h), то

q= -D·ds/dx = ,

де q – кількість молекул, які проходять в одиницю часу через одиницю площі поперечного перетину в напрямку осі x; D – коефіцієнт дифузії; S₁,S₂ – концентрація газу на границях стінки.

Коефіцієнт D сильно зростає при підвищенні температури:

,

де Q_D – енергія активації при дифузії; n – кількість атомів у молекулі газу для металів, для неметалів n=1; D₀ – коефіцієнт пропорційності, який не залежить від температури.

Для стінок вакуумної камери, крім нестаціонарного газовиділення із об’єму матеріалу, буде спостерігатись газопроникність – додатковий потік, який є наслідком різниці тисків газу в об’ємах, розділених перегородкою.

Розділ 4. Одержання вакууму та вимірювання тисків

1.4.1. Вакуумна система та її принципіальна схема. Основні параметри вакуумних насосів

Розглянемо класифікацію вакуумних насосів за призначенням.

Насоси поділяються на високовакуумні та низьковакуумні. А в залежності від фізичних закономірностей, які лежать в основі роботи насосів, – на механічні, сорбційні та іонні.

Серед механічних насосів можна виділити об’ємні насоси та молекулярні, принцип дії яких базується на передачі кількості руху молекулам газу від рухомих поверхонь.

Насоси об’ємного типу здійснюють відкачку за рахунок періодичної зміни об’єму робочої камери. Розрізняють конструкційні варіанти: поршневий, рідинно-кільцевий та ротаційний.

Серед насосів з передачею кількості руху молекулам газу розрізняють: водоструминні, ежекторні, дифузійні, та молекулярні. Їх характеристики можна розрахувати на основі закономірностей внутрішнього тертя в газах.

Рис. 1.1. Схема вакуумної системи.

Сорбційні явища у вакуумі широко використовуються для відкачки газів із вакуумних систем. На принципі хемосорбції базується робота випарову­вальних насосів. Фізична адсорбція та конденсація використовуються для відкачки газів кріосорбційними насосами: адсорбційними і конденсаційними.

Направлений рух попередньо заряджених молекул газу під дією електричного поля є основою роботи іонних насосів. Принцип дії іонної відкачки разом із сорбційною використовується в конструкціях іонно-сорбційних насосів.

Розглянемо схему найпростішої вакуумної системи (рис. 1.1), яка складається із відкачуваного об’єкта 1; манометричних перетворювачів 2 і 3; насоса 4; з’єднувального трубопроводу 5. Газ тече із відкачуваного об’єкта в насос за рахунок різниці тисків (Р₁-Р₂), Р₁>Р₂.

Основними параметрами будь-якого вакуумного насосу є: швидкість дії, граничний тиск, найменший робочий тиск, найбільший робочий тиск, найбільший тиск запуску та найбільший випускний тиск.

Швидкість відкачки насоса (S_i) у довільному перерізі з’єднувального трубопроводу можна визначити, як об’єм газу, який проходить через цей переріз в одиницю часу:

S_i=dV_i/dt.

Швидкістю відкачки об’єкта, або ефективною швидкістю відкачки насоса, називається об’єм газу, який поступає в одиницю часу із відкачуваного об’єкта в трубопровід через переріз І при тиску Р₁

S_еф.=dV₁/dt.

Швидкість дії насоса – це об’єм газу який видаляється насосом в одиницю часу через вихідний патрубок (переріз ІІ) при тиску Р₂

S_Н=dV₂/dt.

Відношення ефективної швидкості відкачки до швидкості дії називається коефіцієнтом використання насоса:

К_в=S_еф./S_Н.

Продуктивністю насоса називається потік газу, який проходить через його вхідний переріз.

Для стаціонарного потоку виконується умова суцільності:

Q=P₂S_H=P₁S_eф=P_iS_i.

Встановимо зв’язок між трьома основними характеристиками вакуумної системи: швидкістю дії насоса (S_H), ефективною швидкістю відкачки насоса (S_еф.) і провідністю вакуумної системи між насосом і відкачуваним об’єктом (U).

Відповідно до останньої формули і того, що Q=U(P₁-P₂), можна записати:

S_H=Q/P₂= U(P₁-P₂)/P₂;

S_еф.=Q/P₁= U(P₁-P₂)/P₁;

Якщо переписати у вигляді:

то після того як відняти від другого виразу перший одержимо:

.

Це рівняння називають основним рівнянням вакуумної техніки.

Його можна переписати у вигляді:

S_еф.=S_HU/(S_H+U).

При умові S_H=U із останнього виразу одержимо, що S_еф.=0,5S_H . Якщо U, то S_еф.S_H; при U0 S_еф.0.

Ввівши в основне рівняння коефіцієнт використання насоса К_в, одержимо два корисних співвідношення:

К_в=U/(S_H+U);

U=S_HK_в/(1-K_в).

Графічна інтерпретація рівняння (передостаннього) зображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Залежність коефіцієнта використан­ня насоса від відношення провідності до швидкос­ті дії насоса.

Максимальне значен­ня коефіцієнта викорис­тання насоса дорівнює одиниці.

Граничний тиск насоса (Р_гр.) – це мінімальний тиск, який може забезпечити насос, працюючи без відкачуваного об’єкта. Швидкість дії насоса при наближенні до граничного тиску прямує до нуля. Граничний тиск більшості вакуумних насосів визначається газовиділенням матеріалів, з яких виготовлений насос, перетіканням газів через щілини та іншими явищами, що виникають в процесі відкачки.

Найменший (Р_м) та найбільший (Р_б) робочий тиск вакуумного насоса – це мінімальний та максимальний тиск, при якому насос тривалий час зберігає номінальну швидкість дії.

Найменший робочий тиск приблизно на порядок вищий від граничного тиску. Використання насоса для роботи при тисках між граничним і найменшим робочим економічно невиправдано внаслідок погіршення його питомих характеристик.

В робочому діапазоні від найменшого до найбільшого робочого тиску забезпечується ефективне застосування насоса для відкачки вакуумних установок.

Робочі діапазони тисків вакуумних насосів в основному визначаються їх принципом дії і приблизно дорівнюють:

1. Обертальні насоси: (10^-3)10^-1-10⁵ Па;

2. Двороторні насоси: 10^-3-10² Па;

3. Молекулярні насоси: (10^-8)10^-7-10 Па;

4. Ежекторні насоси: 10^-1-10⁴ Па;

5. Дифузійні насоси: (10^-9)10^-7-10^-1 Па;

6. Адсорбційні насоси: (10^-10)10^-2-10⁵ Па;

7. Випаровувальні насоси: 10^-8-10^-2 Па;

8. Іонно-сорбційні насоси: 10^-10-10^-2 Па;

9. Конденсаційні насоси: (10^-12)10^-10-10^-5(10^-1) Па.

Дужки відповідають лабораторним зразкам насосів.

Тиск запуску вакуумного насоса (Р_з) – максимальний тиск у вхідному перерізі насоса, при якому він може розпочати роботу.

Рис. 1.3. Основна харак­теристика вакуумного насоса – залежність швидкості дії від тиску на вході в насос.

Тиск запуску помітно перевищує найбільший робочий тиск. Для деяких типів насосів, наприклад магніторозрядних, ця різниця може досягати 2-3 порядків.

Найбільший випускний тиск (Р_в) – максимальний тиск у вихідному перерізі насоса, при якому він може здійснювати відкачку. Цей параметр не використовується для деяких типів сорбційних насосів, які поглинають газ в об’ємі насоса.

Параметри вакуумних насосів показані на основній характеристиці вакуумного насоса – залежності швидкості дії від вхідного тиску (рис. 1.3).

Експериментальне визначення основної характеристики вакуумного насоса може здійснюватись двома методами: стаціонарним методом постійного тиску і квазістаціонарним методом постійного об’єму.