§ 50. ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА

Устройства, применяемые для удаления газов и паров из замкнутого объема с целью создания в нем вакуума, называют вакуумными насосами. Обычно откачку газа от атмосферного давления до осуществляют механическими форвакуумными насосами, до диффузионными насосами. Для получения большего вакуума применяют специальные методы, в частности поглощение и связывание молекул газа особыми веществами — гетерами (например, щелочноземельными металлами). К основным параметрам вакуумных насосов относятся: предельный вакуум, который они могут создать; производительность (количество газа, удаляемого насосом в единицу времени, в быстрота откачки (отношение производительности к давлению во впускном отверстии насоса) и др.

Форвакуумные насосы. В качестве насосов предварительного разрежения чаще всего используют ротационные масляные насосы. Такого рода насос состоит из полого металлического цилиндра (рис. 5.1), внутри которого вращается эксцентрически второй сплошной цилиндр (ротор) 2, верхняя часть которого прилегает к внутренней поверхности наружного цилиндра. В прорези ротора входят две лопасти 3, прижимаемые пружиной к внутренней поверхности наружного цилиндра.

При вращении ротора после прохождения одной из лопастей всасывающей трубки 4 воздух из откачиваемого пространства вследствие расширения поступает в полость насоса (где

Рис. 5.1.

давление газа меньше). Когда перед трубкой 4 пройдет вторая лопасть, поступивший перед этим газ будет вытолкнут из насоса через выпускной патрубок 5. Эту операцию лопасти проделывают поочередно. Выходное отверстие снабжено клапаном 6, препятствующим обратному поступлению газа. Для лучшей герметичности и смазки вращающихся частей насос заключают в кожух, наполненный маслом.

Диффузионные насосы. Для получения высокого вакуума чаще всего используют диффузионные (пароструйные) насосы. Простейшая схема такого типа насоса (ртутного) изображена на рисунке 5.2. Вследствие подогрева ртути 1 (обычно электрическим током) струя ртутных паров поступает через трубку 2 в полость 5, охлаждаемою проточной водой 3. Трубка 4 соединяет насос с сосудом, из которого откачивают газ и в котором форвакуумным насосом уже создан предварительный вакуум. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю ртути и увлекаются ею в нижнюю часть полости 5. Ртутные пары в нижней части полости 5 конденсируются, а молекулы газа удаляются форвакуумным насосом, присоединенным к трубке 6. Сконденсировавшаяся ртуть по трубке 7 поступает обратно в резервуар 1. В последнее время в подобных насосах вместо ртути с успехом применяют органические жидкости (масла) с низким давлением паров при комнатной температуре (паромас-ляные насосы). Предельно высокий для диффузионных насосов вакуум удается получить только путем вымораживания паров ртути (масел) жидким азотом в специальных ловушках, через которые проходит впускной патрубок 4 (на рисунке 5.2 ловушка не показана).

Измерение вакуума. Манометры для измерения давлений ниже 1 атм называются - вакуумметрами. Для измерения давлений от 760 до десятых долей мм рт. ст. могут быть использованы

Рис. 5.2.

Рис. 5.3.

открытые жидкостные манометры или механические деформационные вакуумметры, устройство которых в принципе не отличается от устройства металлических барометров. Для измерения малых давлений от 0,1 до чаще всего используются вакуумметры Мак-Леода, основанные на законе Бойля — Мариотта (§ 10) и называемые в технической литературе компрессионными манометрами.

На зависимости теплопроводности вакуума от давления газа основано устройство теплоэлектрического вакуумметра Пирани.

Коэффициент теплопроводности газов в известных пределах изменения давления не зависит от плотности. Но если свободный пробег молекул соизмерим с размерами сосуда, то при дальнейшем разрежении газа коэффициент теплопроводности уменьшается. Манометр Пираии (рис. 5.3), основанный на этом явлении, по устройству сходен с лампочкой накаливания. Его баллон имеет отводную трубку для соединения прибора с вакуумным сосудом. Металлическая нить ракуумметра 2 нагревается электрическим током неизменной силы. При разрежении газа вследствие уменьшения теплопроводности среды уменьшается отвод теплоты от нити, поэтому температура нити увеличивается по мере разрежения. Повышение температуры сказывается на увеличении электрического сопротивления нити. Таким образом, по изменению сопротивления нити прибора можно судить об изменении давления газа. Так как теплопроводность различных газов неодинакова, то манометр Пирани требует предварительной градуировки, при этом для каждого из исследуемых газов должна быть своя градуировочная кривая.

Рис. 5.4.

На рисунке 5.4 приведена схема установки, служащей для получения высокого вакуума. Форвакуумный нассс через шланг и кран связан с диффузионным насосом Отвод А служит для присоединения манометра предварительного вакуума. К диффузионному насосу примыкает ловушка В, охлаждаемая жидким азотом для вымораживания паров рабочей жидкости, которые могли бы проникнуть в откачиваемый объем. Трубка через кран ведет к объему V, в котором создается высокий вакуум. Отросток С служит для подсоединения манометра высокого вакуума.