19. ВАКУУМ. ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА

Состояние разрежения газа, при котором молекулярные соударения или вовсе отсутствуют, или же являются немногочисленными по сравнению с числом соударений молекул со стенками сосуда, называется вакуумом. Очевидно, что состояние вакуума будет достигаться в зависимости от размеров сосуда при разных давлениях. В обычных физических приборах вакуум достигается при давлениях порядка или

Однако в узких капиллярных трубках диаметром он достигается уже при давлениях порядка от 0,7 до или Получение высокого вакуума имеет большой теоретический и практический интерес. Изучение поведения газов в состоянии высокого разрежения позволяет лучше понять их свойства. Практическое значение высокого вакуума связано с тем, что большинство электронных приборов — радиолампы, телевизионные трубки и т. д. — требуют для нормальной работы создания в них высокого вакуума.

Для получения высокого вакуума давление в откачиваемом сосуде первоначально понижается с помощью так называемых насосов предварительного вакуума. В качестве насосов предварительного вакуума чаще всего используются ротационные масляные насосы. Насос состоит из металлического цилиндра (рис. 27), внутри которого вращается эксцентрически расположенный цилиндрический ротор 2. В верхней части поверхность ротора плотно прилегает к внутренней поверхности цилиндра (на рисунке

для наглядности между цилиндрами изображен зазор). В специальную прорезь ротора входят лопасти 3, прижимаемые пружиной к внутренней поверхности цилиндра.

При вращении ротора одна из лопастей, создавая разрежение, засасывает газ из откачиваемого сосуда в полость насоса, после чего вторая лопасть, захватив наполнившую насос порцию газа, выталкивает ее через выходное отверстие 4. Эту операцию лопасти насоса проделывают поочередно. Выходное отверстие снабжено клапаном 5, препятствующим обратному поступлению воздуха в полость насоса. Для лучшей герметичности и смазки вращающихся частей насос заключают в кожух, наполненный маслом.

Рис. 27. Устройство ротационного масляного насоса.

Рис. 28. Устройство молекулярного насоса.

С помощью ротационного масляного насоса можно создать разрежение, при котором остаточное давление откачиваемого газа составляет около 0,01 мм рт. ст., или (отдельные образцы насоса могут обеспечивать остаточное давление до 0,005 мм рт. ст.).

Для получения более высокого вакуума применяют молекулярные насосы. В металлическом цилиндре молекулярного насоса (рис. 28), с хорошо обработанной внутренней поверхностью, быстро вращается второй цилиндр. За исключением небольшого участка зазор между обоими цилиндрами очень мал (порядка Молекулы откачиваемого газа попадают через входное отверстие в расширенную часть зазора, ударяются о быстро движущуюся поверхность внутреннего цилиндра, приобретают дополнительную скорость в направлении вращения и увлекаются к выходному отверстию 2. Насос работает производительно только в том случае, если в сосуде, из которого откачивается газ, предварительно уже создано разрежение (форвакуум). Молекулярный насос позволяет получить остаточное давление до или

Наибольшее распространение для получения высокого вакуума имеют различные пароструйные насосы, конструкции

Рис. 29. Устройство пароструйного насоса.

Рис. 30. Манометр Мак-Леода.

которых весьма разнообразны. Схема одного из распространенных ртутных пароструйных насосов изображена на рисунке 29. Находящаяся в сосуде ртуть нагревается при помощи газовой горелки или электрического нагревателя. Пары кипящей ртути вырываются из сопла 2 и попадают в холодильник, охлаждаемый водой, протекающей по специальной рубашке 3. Трубка 4 соединяет насос с сосудом, из которого откачивают газ и в котором при помощи ротационного масляного насоса уже создан предварительный вакуум. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю ртути, механически увлекаются ею, частично прилипают — адсорбируются — на поверхности мельчайших капелек ртути, вместе с ними попадают в нижнюю часть трубки, выделяются вновь при слиянии маленьких капелек ртути в большие и откачиваются насосом предварительного вакуума. Струя ртутных паров препятствует обратному движению молекул газа, механически отбрасывая их.

Ртутные пароструйные насосы отличаются очень большой производительностью. Некоторые из них могут откачивать газ со скоростью, измеряемой сотнями литров в секунду. Учитывая особенности механизма действия пароструйных насосов, их называют также диффузионными насосами. Следует, однако, помнить что механизм действия этих насосов сложен и не может быть объяснен каким-то одним явлением. С помощью ртутного диффузионного насоса можно достигнуть вакуума порядка В последнее время в пароструйных насосах вместо ртути с

успехом применяют органические жидкости с малой упругостью пара (парафины, дибутилфталат и др.).

Для изменения высокого вакуума обычные манометры не пригодны. Широкое применение для этой цели находит манометр Мак-Леода (рис. 30), действие которого основывается на увеличении измеряемого давления в результате уменьшения объема, занимаемого некоторой порцией газа. Основная часть этого прибора — стеклянный баллон снабженный в верхней части узким капилляром 2, а снизу — отводной трубкой, соединяющей манометр с сосудом, в котором измеряют давление. Давления газа в баллоне и в сосуде, из которого откачивают газ, в момент измерения одинаковы. Для измерения давления поднимают вверх наполненный ртутью сосуд 3, соединенный с баллоном резиновой трубкой, и отделяют с помощью ртути, поднимающейся вверх по отводной трубке, то количество газа, которое при измеряемом давлении занимало объем баллона У. Продолжая поднимать дальше сосуд 3, сжимают отделенное таким образом количество газа, переводя его в капилляр 2, до объема с. При изменении объема газа температура его остается постоянной, а давление возрастает до величины которую можно измерить по разности уровней ртути в капиллярах 2 и 4. Согласно Закону Бойля-Мариотта можно написать:

откуда следует:

Если объем баллона 1 много больше объема капилляра, то даже при малом измеряемом давлении величина будет достаточно велика для того, чтобы ее измерить.

Малые давления измеряются еще при помощи так называемых радиационных манометров. В радиационных манометрах используется зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. В определенном интервале давлений теплопроводность газа изменяется при изменении давления практически линейно. В продолговатой стеклянной колбочке, соединенной с сосудом, в котором измеряется давление, на специальной ножке укрепляется тонкая платиновая нить, нагреваемая электрическим током. Температура нити зависит от соотношения между скоростью, с которой нить нагревается, и скоростью, с которой происходит ее охлаждение. Чем выше давление газа в колбочке, тем больше его теплопроводность и тем быстрее остывает нить, а следовательно, тем ниже ее температура. Электрическое сопротивление платиновой нити зависит от ее температуры, и поэтому измерение температуры заменяют измерением сопротивления нити, которое легко выполнить весьма точно. Перед применением радиационный манометр калибруют.