МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ - ЧАСТЬ 3

Скорость молекул

< v >=



8RT

πµ

=



8

· 8.31 · 300

3.14

· 28 · 10

−3

= 168.4 м/с.

(31)

Длина свободного пробега

λ =

1

√

2nσ

=

1

√

2nσ

=

1

1.4

· 3.3 · 10

16

· 10

−15

= 0.02 см.

(32)

Тогда коэффициент диффузии

D =

λ < v >

3

=

0.02

· 16840

3

= 112.3 см

2

/с.

(33)

Время диффузионного ухода

t

∼

x

2

D

=

0.25

· 0.25

112.3

= 5

· 10

−4

= 0.5 мс << f

−1

.

(34)

Таким образом, в уравнение баланса для частиц должна

включаться гибель частиц на стенке, если только нет более
быстрых процессов, уводящих частицы из объема.

Все повторенные законы и соотношения являются основой

для рассмотрения процессов откачки, течения газа и измерений
давления в системе.

1.3.

Общие сведения о вакуумных насосах

Обсудим вопрос о том, какими насосами может быть осуществ-
лен процесс откачки.

По принципу действия промышленные вакуумные насосы

делятся на пять основных групп:

• насосы объемного действия;

12

Рис. 1. Области действия вакуумных насосов

• струйные насосы;

• кинетические насосы (турбонасосы);

• сорбционные насосы;

• крионасосы.

Для расчета вакуумных систем и правильного выбора ваку-

умных насосов необходимо представлять себе особенности раз-
личных типов насосов.

Механические насосы, или насосы объемного действия, от-

качивают газ от атмосферного давления до 10

−3

торр. Их

устройство достаточно просто. Вращающийся ротор периоди-
чески набирает газ в полость всасывания через входной патру-
бок и выбрасывает его в выходной патрубок. Масло обеспечи-
вает смазку, частичное охлаждение механизма насоса и ваку-
умное уплотнение.

Струйные насосы делятся на

13

• эжекторные, которые используют в области давлений от

атмосферного до 10

−1

Па;

• бустерные (10 − 10

−2

Па);

• диффузионные (10

−2

Па и ниже).

Общая схема работы всех струйных насосов одинакова: ра-

бочая жидкость нагревается, испаряется и пар поднимается по
паропроводящей трубе в сопло. Из сопла пар с большой ско-
ростью истекает в пространство рабочей камеры. Пар конден-
сируется, конденсат по сливной трубке возвращается в кипя-
тильник, а газ, захваченный струей, выбрасывается через вы-
пускной патрубок. При этом механизм захвата молекул отка-
чиваемого газа может быть как вязкостным (при высоких дав-
лениях), так и диффузионным (при низких).

Турбонасосы представляют собой осевую многоступенча-

тую роторно-статорную конструкцию, формирующую поток
газа в направлении с входа насоса на его выпуск. Лопатки пла-
стин роторов и статоров профилированы специальным образом
(содержат косые пазы под углом 45

0

к плоскости либо сами ло-

патки наклонены под углом 45

0

) так, чтобы молекулы газа про-

ходили преимущественно в направлении откачки. Для быстрых
молекул скорость, сообщаемая роторно-статорной системой, не
очень велика по сравнению с тепловой скоростью молекул, и,
следовательно, велик обратный поток. Тяжелые молекулы уда-
ляются лучше. Сопоставление масс-спектров остаточного газа
для диффузионного и турбомолекулярного насосов показыва-
ют, что в диффузионном насосе гораздо богаче спектр тяже-
лых фракций, соответствующих продуктам разложения масла.
Втурбомолекулярном же насосе основным остаточным газом
является водород. При давлениях 10

−6

Па и ниже на работу

турбомолекулярного насоса начинает оказывать влияние во-
дород, выделяющийся из стенок корпуса и перетекающий со
стороны форвакуумной полости насоса.

Сорбционные насосы по принципу действия делятся на

14

• адсорбционные;

• геттерные и испарительные геттерные;

• электродуговые сорбционные;

• геттерно-ионные;

• магнитные электроразрядные.

Адсорбционные насосы представляют собой адсорбент, по-

мещенный в сосуд с жидким азотом так, чтобы равновесное
давление над поверхностью адсорбента было как можно ниже.
Врезультате физической адсорбции наиболее эффективно по-
глощаются молекулы газа с диаметром, меньшим характерного
диаметра пор (0.5 нм). Как правило, все цеолиты плохо погло-
щают инертные газы и газы с низкой точкой кипения (H

2

, He,

Ne). Предельное остаточное давление такого насоса зависит от
адсорбционной емкости адсорбента. К недостаткам эксплуата-
ции можно отнести использование жидкого азота, требование
периодической регенерации и значительное время охлаждения.

Геттерные и испарительные геттерные насосы работают на

эффекте хемосорбции химических реакций и растворения га-
за в материале геттера. Наиболее часто в геттерных насосах
применяют циркониево-алюминиевые сплавы, в испаритель-
ных геттерных насосах используется титановая пленка, образу-
ющаяся при испарении титана электронным пучком. Электро-
дуговой сорбционный насос основан на образовании на корпусе
насоса титановой пленки вследствие электродугового разложе-
ния титана. Электрическая дуга при этом зажигается между
геттером (катодом) и анодом. Вгеттерно-ионных насосах про-
водится дополнительная ионизация инертных газов для улуч-
шения их удаления. Магнитные электроразрядные насосы в ка-
честве распылителя титана используют электрический разряд
в магнитном поле, что позволяет эффективно убирать ионы
инертных газов.

15