Вакуумная техника,получение, измерение и применение давлений порядка тысячной нормального атмосферного давления и более низких. Вакуумная техника, методы которой когда-то не выходили за пределы

ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА, получение, измерение и применение давлений порядка тысячной нормального атмосферного давления и более низких. Вакуумная техника, методы которой когда-то не выходили за пределы научной лаборатории, в настоящее время применяется во многих отраслях промышленности. Первые области ее промышленного применения – откачка осветительных электроламп и электровакуумных приборов – по-прежнему имеют важное значение, но с появлением транзисторов электронная промышленность нашла новое применение вакуумному оборудованию в производстве высокочистых материалов. Металлургия тоже нашла применение вакуумной технике: вакуумной плавкой металлы очищаются от растворенных газов и летучих примесей; в тех случаях, когда требуется исключить возможность окисления и других загрязнений поверхности, в вакууме проводят отжиг и термообработку. Без вакуумной техники было бы невозможно производство в больших масштабах химически чистых и жаропрочных металлических материалов. Пленки металлов и других веществ, напыляемые в вакууме, находят применение в самых разных отраслях промышленности – от производства детских игрушек до технологии оптических приборов и электронных компонентов. В химической промышленности молекулярная дистилляция при низких температурах, ставшая возможной благодаря понижению давления в перегонном кубе, позволила получать вещества, которые разлагаются, если перегонять их при атмосферном давлении. В медицине, биологии, пищевой промышленности так называемая сублимационная сушка позволяет обезвоживать при низких температурах в вакууме материалы, которые разрушаются при температурах, необходимых для сушки другими способами. Наконец, без вакуумной техники не могла бы существовать атомная промышленность, где она применяется, в частности, для разделения изотопов, обработки материалов и откачки вакуумного оборудования.

Получение низких давлений, насосы. Вращательные масляные насосы. Для получения вакуума, достигающего одной миллионной атмосферного давления, по-прежнему применяются вращательные масляные насосы. Их конструкции разнообразны, а быстрота откачки составляет от 0,3 до 300 л/с. На рис. 1 схематически изображен (в разрезе) такой насос одной из широко распространенных конструкций. Цилиндрический ротор R эксцентрично вращается в цилиндрическом же корпусе с входным и выходным патрубками (в последнем установлен обратный клапан N). В пазах ротора R сидят две пластинки V и V ¢, которые прижимаются пружинами к внутренним стенкам корпуса. Вся система погружена в масло, которое служит смазкой и обеспечивает уплотнение зазоров между внутренними стенками корпуса и деталями ротора. Газ из откачиваемого объема, захваченный в полости A (после того, как верхняя пластинка прошла входное отверстие), при дальнейшем повороте ротора сжимается, пока под его давлением не откроется обратный клапан, и выпускается наружу через масло внешней камеры. Такой процесс повторяется два раза за один оборот ротора.

Насос описанного типа неэффективен при откачке воздуха, содержащего конденсирующиеся пары (обычно это пары воды), так как высокая степень сжатия, необходимая для выхлопа в атмосферу, может приводить к их конденсации в камере насоса. Вместе с маслом конденсат затем снова попадает на вход насоса.

Это исключается в «газобалластных» насосах. В таких насосах в сжимаемый объем A через однопутевой клапан вводится контролируемое количество воздуха или другого неконденсирующегося газа. Балластный газ «разбавляет» конденсирующиеся пары, и поэтому при максимальной степени сжатия давление паров не достигает давления насыщения, при котором происходит конденсация. Количество паров, которое может быть откачано, зависит от количества дозы добавляемого балластного газа, но последняя не может быть очень велика, так как с ее увеличением ухудшается предельный вакуум насоса.

Вращательные масляные насосы применяются отдельно, когда не требуется очень низких давлений, а также в сочетании с двухроторными насосами Рутса и диффузионными высоковакуумными насосами, которые не могут работать при атмосферном давлении на выходе.

Двухроторные насосы. Для некоторых процессов в промышленности требуется очень большая быстрота откачки, хотя бы и не при очень низких давлениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса. Схема такого насоса представлена на рис. 2. Два длинных ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подогнанными деталями конструкции. Ротор вращается с частотой до 50 об/с, и высокая быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного. Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой охлаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим.

Диффузионные насосы. В большинстве высоковакуумных откачных систем применяются диффузионые насосы, действующие по тому же принципу, что и старый конденсационный насос Ленгмюра. Упрощенная схема диффузионного насоса представлена на рис. 3. Это вертикальная цилиндрическая труба, открытым верхним концом A соединенная с откачиваемым объемом. На нижнем конце электроплитка нагревает в кипятильнике B рабочую жидкость, которая при этом испаряется. Пары рабочей жидкости проходят по трубке V вверх, где через кольцевое сопло выходят в виде кольцевой струи под углом к стенкам корпуса. На стенках, охлаждаемых снаружи змеевиком с холодной водой, они конденсируются, и образовавшаяся жидкость стекает по стенке обратно в кипятильник. Молекулы газа из откачиваемого объема, случайно, из-за хаотичности своего движения влетающие во входное отверстие A насоса, попадают в струю пара и увлекаются ею вниз, где они удаляются вспомогательным механическим насосом, присоединенным к выходному патрубку диффузионного. Вероятность же случайного прохождения молекул газа через струю пара снизу вверх весьма мала.

Если давление под струей пара выше некоторого предельно допустимого значения, то струя размывается и ее откачивающее действие ослабевает. Поэтому от вспомогательного насоса требуется, чтобы он не только отводил все откачиваемое количество газа, но и поддерживал достаточно низким указанное давление. Для снижения требований к предельному вакууму вспомогательного насоса диффузионные насосы делают многоступенными. Несколько кольцевых сопел располагают на разной высоте и рассчитывают их так, чтобы предельно допустимое давление после самого нижнего сопла было достаточно высоким без уменьшения количества газа, проходящего через струю первого сопла. Схема четырехступенного насоса такого типа представлена на рис. 4. Конструкции подобных насосов весьма разнообразны в деталях; выпускаются насосы самых разных типоразмеров с быстротой откачки от нескольких литров в секунду до 20 000 л/с.

Первоначально все конденсационные насосы были ртутными, но в 1928 Ч.Берч показал, что в качестве рабочей жидкости можно использовать и высококипящие дистилляты нефти. В ртутных насосах необходима низкотемпературная входная отражательная ловушка, которая не пропускала бы в откачиваемый объем пары ртути. Масла же с более низким давлением пара позволяют обходиться простой отражательной ловушкой, охлаждаемой водой, благодаря чему они и получили широкое распространение. В настоящее время в качестве рабочих жидкостей диффузионных насосов используются в основном сложные эфиры органических кислот и кремнийорганические (силиконовые) жидкости, поскольку они химически стойки и имеют крайне низкое давление паров. Ртутные же насосы применяются лишь в тех случаях, когда пары ртути не рассматриваются как загрязнение.

Турбомолекулярные насосы. Современный вариант молекулярного насоса Геде (1913) не вносит ни масляных, ни ртутных загрязнений. Это, в сущности, турбина с 30 роторными секциями и таким же числом статорных. Частота вращения ротора – порядка 20 000 об/с, зазоры между ротором и статором меньше 0,1 мм. Турбомолекулярный насос не может работать с выхлопом в атмосферу и нуждается во вспомогательном насосе предварительного разрежения.

В лабораториях и на особо чистых производствах получили широкое распространение насосы трех других типов. Все они, в отличие от предыдущих, не сжимают газ и вытесняют его наружу, а улавливают и удерживают молекулы газа. Два из них – титановый геттерный и сорбционно-ионный – требуют для своей работы предварительного разрежения порядка 10^–5 атмосферного давления.

Титановые геттерные насосы. На начальном этапе производства электронных ламп после их откачки для дополнительного понижения давления в уже запаянном баллоне применялись «геттеры» – пленки химически активных веществ, например бария, которые химически связывают молекулы воздуха, вступающие с ними в контакт. Один из трех упомянутых методов откачки основан на непрерывном обновлении геттера. Геттерным материалом служит титан. В насосе одного типа он напыляется испарением титановой проволоки, подводимой к месту контакта с раскаленной поверхностью. Инертные газы, такие, как аргон и гелий, плохо поглощаются свежеобразованной титановой пленкой, если их атомы предварительно не ионизованы. Для ионизации предусматривают электроды, подобные электродам ионизационного манометра (см. ниже). Такие насосы имеют то преимущество, что они не нуждаются в отражательных и охлаждаемых ловушках; требуется лишь вращательный насос предварительного разрежения.

Ионные насосы. Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов эффективны оба механизма, а для инертных – только первый. Коллекторные поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов, бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных газов.

Быстрота откачки ионных насосов составляет от 1000 до 10 000 л/с. Поскольку в таких насосах нет рабочей жидкости, они вносят гораздо меньше загрязнений, чем самые лучшие диффузионные. К недостаткам же их можно отнести то, что химически активные газы они откачивают гораздо быстрее инертных и отдают обратно небольшую часть откачанного газа.

Криосорбционные насосы. Насосы такого типа представляют собой, в сущности, ловушки с цеолитами – пористыми сорбентами, поглощающими молекулы газа за счет физической адсорбции при охлаждении; они требуют для своей работы жидкого азота. Однако криосорбционные насосы позволяют откачивать систему от атмосферного давления примерно до одной миллионной его. Такой насос достаточно прогреть, чтобы удалить весь откачанный им газ, и он снова будет готов к работе.

Измерение низких давлений. Обычные манометры, например жидкостные, очевидно, недостаточно чувствительны для вакуумной техники, где давления нередко соответствуют, скажем, одной миллионной миллиметра водяного столба. Вместо них применяются различные вакуумные манометры (вакуумметры), основанные на разных физических принципах. Однако почти все они не являются «абсолютными» приборами, т.е. требуют градуировки. Чаще всего для градуировки вакуумных манометров применяется простой ртутный манометр, предложенный еще в 1874 Г.Мак-Леодом. В компрессионном манометре Мак-Леода (рис. 5) имеется стеклянный баллон известного объема, который сначала соединяют трубкой A с вакуумной системой, чтобы наполнить его газом, давление которого требуется измерить. Затем, поднимая уровень ртути в трубке, этот известный объем газа отсекают и сжимают в капилляре до значительно меньшего объема, в котором давление газа сильно повышается. Манометр сконструирован так, что окончательное давление можно измерить по разности высот ртути в капиллярных трубках C и D, и эта величина совместно с значениями начального и конечного объемов позволяет вычислить первоначальное давление. Отношение объемов (до и после сжатия) можно сделать достаточно большим для измерения давлений порядка 10^–8 атмосферного.

Манометр Мак-Леода неудобен для измерений рабочего давления в технологических вакуумных установках. Для этого чаще всего пользуются термопарными вакуумметрами, вакуумметрами Пирани (вакуумметрами сопротивления) и разными вариантами ионизационного манометра. Термопарный вакуумметр измеряет температуру горячего спая термопары (находящегося в вакууме), нагреваемого током постоянной силы. Температура этого спая (а следовательно, и ЭДС термопары) зависит от давления газа, так как от давления зависит его теплопроводность. В вакуумметре Пирани используется проволочка, закрепленная в баллоне, соединяемом с системой, в которой требуется измерить давление. Проволочка нагревается током, и несложная электронная схема измеряет ее сопротивление. Сопротивление зависит от температуры проволочки, а поскольку тепловые потери проволочки зависят от давления газа в баллоне, выходной прибор, показывающий сопротивление, можно проградуировать в единицах давления. Как и в случае термопарного вакуумметра, требуется отдельная градуировка для каждого газа.

Ионизационные манометры ионизуют газ, собирают положительно заряженные ионы и измеряют ток ионов; этот ток является мерой полного давления в системе. Три описываемых далее типа ионизационных манометров различаются способом ионизации.

В триодном ионизационном манометре имеются три электрода, подобных электродам вакуумной электронной лампы-триода. Катод прямого накала испускает электроны, которые ускоряются в поле другого электрода, поддерживаемого под положительным потенциалом ок. 150 В. На пути к этому электроду электроны сталкиваются с молекулами газа и часть их ионизуют, выбивая их электроны и тем самым превращая в положительные ионы. Положительные ионы собираются третьим электродом, потенциал которого отрицателен; ток этого электрода является мерой скорости поступления ионов. При неизменном токе эмиссии электронов из катода скорость образования ионов пропорциональна давлению газа. Манометры такого типа особой конструкции позволяют измерять давления порядка 10^–15 атмосферного. При таком давлении средняя длина свободного пробега молекулы (между двумя столкновениями) имеет порядок 100 000 км.

В магнитном электроразрядном вакуумметре «холодный» катод и анод помещены в магнитное поле. Свободные электроны, всегда образующиеся в газе вследствие хаотического движения молекул, притягиваются к аноду малых размеров, но магнитное поле вынуждает их двигаться по спирали вокруг анода. Сталкиваясь с молекулами газа, они ионизуют часть их. К ним присоединяются электроны, освобождающиеся в результате ионизации, и в конце концов они попадают на анод; ток положительных ионов на катод служит мерой давления.

В ионизационном манометре третьего типа молекулы газа ионизуются альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным изотопом, небольшое количество которого помещается в измерительную головку вакуумметра. Скорость образования альфа-частиц постоянна, а потому число ионизованных молекул любого газа, поступающих на ионный коллектор в единицу времени, пропорционально давлению этого газа.

Поскольку разные газы неодинаково поддаются ионизации, ионизационные манометры требуют отдельной градуировки для каждого газа. В условиях промышленного производства эти различия часто не принимаются во внимание.

Струйные насосы. Принцип действия. Когда жидкость (или газ) протекает по трубе, имеющей сужение, давление в сужении оказывается ниже, чем в остальных частях трубы (если при этом скорость потока в сужении не достигает скорости звука). Впервые это было установлено итальянским физиком Дж.Вентури (1746–1822), по имени которого была названа трубка, основанная на данном явлении. Если откачиваемый объем присоединить к трубе в месте ее сужения, то газ из него будет переходить в область пониженного давления и уноситься струей жидкости. См. также НАСОСЫ; СТРУЙНАЯ ТЕХНИКА.

Пароструйные эжекторы. Простой лабораторный «водяной» насос откачивает воздух с помощью воды, протекающей по трубке с сужением. В промышленности же получили широкое распространение эжекторы, рабочей средой которых служит водяной пар. Такие пароструйные эжекторы применяются в самых разнообразных процессах, требующих пониженных температур и давлений. Промышленность выпускает пароструйные эжекторы различных типоразмеров с разным числом ступеней, позволяющие откачивать в промышленных масштабах жидкости и газы из технологических аппаратов, поддерживая в них пониженное давление. Основные преимущества таких насосов – простота конструкции, практически исключающая необходимость в ремонте и обслуживании, высокая производительность, хорошие вакуумные характеристики, малое потребление энергии и низкая стоимость. Диапазон рабочего вакуума – от атмосферного давления до 10^–4 атмосферного и ниже. Схема пароструйного эжектора простой промышленной конструкции представлена на рис. 6.

Новые методы. Криогенный насос. В криогенном вакуумном насосе используются крайне низкие температуры. Действие насоса основано на том, что интенсивность хаотического движения молекул уменьшается при понижении температуры. Такой насос представляет собой камеру с металлическим сосудом, закрепленным в нижней ее части. Через сосуд циркулирует жидкий гелий, температура которого равна 4,2 К (–268,96° C). Металлические радиационные экраны закрывают сосуд от теплового излучения, но пропускают молекулы газа. Молекула газа, попадающая на поверхность сосуда с гелием, теряет свою кинетическую энергию и остается на этой поверхности.

Криогенный насос может работать в любом положении и устанавливается без соединительных трубопроводов, снижающих быстроту откачки. Такой насос незаменим при откачке больших камер, в которых имитируются космические условия.

Криогенные насосы могут создавать давления ниже 10^–11 мм рт. ст. Давление порядка 10^–13 мм рт. ст. можно получить, просто частично погрузив небольшую стеклянную вакуумную систему в жидкий гелий.

ЛИТЕРАТУРА

Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М., 1964
Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М., 1975
Основы вакуумной техники. М., 1981
Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М., 1982

Дата добавления: 2015-08-28