§ 57. Элементы вакуумной техники

Получение низких давлений (высокого вакуума) в объеме того или иного сосуда требует специфических приемов и соответственно специальной аппаратуры. В последнее время приобрели важное значение многие физические и технические процессы, протекающие в условиях очень высокого вакуума. Разработана аппаратура для создания такого вакуума и его поддержания и созданы приборы для измерения очень малых давлений газа.

При помощи современных откачных устройств удалось достигнуть давления около При таком давлении плотность молекул (число молекул в единице объема) составляет примерно:

Правда, такой высокий вакуум можно получить лишь в небольшом объеме в целиком стеклянном сосуде, с поверхности стенок которого длительным нагревом удалены поглощенные газы. Однако и в больших объемах металлической аппаратуры, еще более, чем стекло, склонной поглощать газы, удается создать вакуум, соответствующий давлению

Конечно, можно очень простым в принципе путем создать еще более высокий вакуум, понизив температуру сосуда, в котором этот вакуум должен быть создан, до величины порядка сотых долей градуса (по шкале Кельвина). При такой температуре упругость паров любого вещества ничтожно мала. Даже упругость паров гелия, не твердеющего ни при каких температурах, при этой температуре уже ниже В этих условиях можно сказать, что в сосуде создан полный вакуум. Однако такой способ получения высокого вакуума не может иметь практического значения ввиду сложности и дороговизны средств получения столь низких температур.

Ниже будут кратко описаны применяемые в современной научной и технической практике средства создания высокого вакуума и способы измерения малых давлений.

Насосы. Любое устройство, служащее для откачки газа из какого-либо объема, т. е. для удаления из него газовых молекул, называется насосом

Высоким вакуумом называют давления ниже Это, конечно, условная граница.

Вакуумный насос должен удалять газ из откачиваемого сосуда и выбрасывать его наружу чёрез «выхлоп» насоса, преодолевая при этом наружное давление, которое поэтому называется противодавлением. Чем выше вакуум (т. е. чем ниже давление), которое требуется получить, тем меньше должно быть противодавление у выхлопа насоса.

Не существует таких насосов, которые могли бы откачивать газ до давления порядка (или ниже) и выбрасывать откачиваемый газ в атмосферу, т. е. при противодавлении в Поэтому для создания достаточно низкого противодавления используются насосы предварительного разрежения, или, как их обычно называют, форвакуумные насосы. Их соединяют последовательно с насосом, создающим уже требуемый высокий вакуум, — высоковакуумным насосом.

Форвакуумный насос работает непосредственно против атмосферного давления.

Форвакуумные насосы. Из многих существующих типов форвакуумных насосов наиболее употребительными являются ротационные масляные насосы различных конструкций. Устройство одного из таких насосов и принцип его действия схематически представлены на рис. 68.

Стальной цилиндр (ротор), смазываемый маслом, вращается в цилиндрическом кожухе К, снабженном двумя патрубками — входным и выходным.

Рис. 68.

Центры кожуха и ротора не совпадают; ротор вращается так, что он все время плотно прилегает к внутренней поверхности кожуха в его верхней части. В диаметральной плоскости ротора помещены две плоские пластины-лопасти раздвигаемые пружиной, помещенной между ними. Лопасти плотно прижимаются пружиной к внутренней поверхности кожуха, разделяя его объем на две или три части, в зависимости от положения ротора при его вращении. Когда лопасти находятся в положении, показанном на рис. 68, б, порция газа из откачиваемого объема через входной патрубок входит в кожух. Затем (в положении, показанном на рис. 68, в) эта порция оказывается отделенной от верхнего патрубка в результате поворота ротора, а при дальнейшем

движении ротора она сжимается пластиной В и выталкивается наружу через выпускной клапан в патрубке (см. рис. 68, г). Затем в кожух поступает новая порция газа из откачиваемого объема, и т. д. Легко видеть, что за один оборот ротора воздух из серповидного пространства удаляется лопастями дважды. При помощи такого насоса можно достигнуть на входе давление до 0,05 мм рт. ст.

Другая конструкция форвакуумного насоса показана на рис. 69. Здесь ротор в виде эксцентрика вращается вокруг оси, проходящей через центр кожуха К, но не через центр ротора.

Рис. 69.

Он помещен внутри обоймы снабженной плоской полой пластиной имеющей отверстие 5 в ее широкой части. Поршнем, выталкивающим воздух через выходную трубу, является именно обойма. Пластина проходит через шарнир С, позволяющий ей наклоняться в обе стороны от вертикального положения. При вращении ротора обойма все время касается внутренней поверхности кожуха и вместе с пластиной делит пространство кожуха на две или три части.

На рис. 69, а показан насос в положении, когда газ засасывается из откачиваемого объема через входной патрубок на рис. 69, б — в положении, когда газ выталкивается наружу через выходной патрубок 11. Во время работы насос охлаждается проточной водой, проходящей в пространстве окружающем кожух.

Высоковакуумные насосы. В отличие от описанных механических форвакуумных насосов, в современных высоковакуумных насосах нет никаких движущихся механических частей. Их действие основано на увлечении молекул откачиваемого газа струей паров какой-нибудь жидкости, обычно ртути или масла. Поэтому эти

насосы называются пароструйными. Их часто называют диффузионными, так как их действие связано с диффузией частиц откачиваемого газа в струю пара.

Высоковакуумные насосы этого типа могут работать только при достаточно низком противодавлении, которое и обеспечивается форвакуумным насосом. Поэтому диффузионный насос соединяется последовательно с форвакуумным так, что выхлоп диффузионного насоса присоединяется к входу форвакуумного.

Рис. 70.

Схема устройства паромасляного диффузионного насоса, наиболее распространенного в настоящее время, показана на рис. 70. На дне сосуда С, обычно металлического, находится испаряющаяся жидкость Испарение ее обеспечивается электрическим нагревателем Откачиваемый объем присоединяется к верхнему концу насоса А, а его выхлопной патрубок В — к входной трубе форвакуумного насоса. После того как форвакуумный насос создал нужное давление в насосе и в откачиваемом объеме, включается нагреватель и жидкость начинает интенсивно испаряться. Пар поднимается по трубе помещенной над жидкостью, с большой скоростью выбрасывается из сопла которым заканчивается труба а затем конденсируется на стенках и стекает вниз на дно сосуда; стенки сосуда окружены «рубашкой» внутри которой протекает вода. Нагреватель и холодильник насоса обеспечивают, таким образом, непрерывную циркуляцию пара.

Молекулы откачиваемого газа, поступающие из области А, увлекаются струей пара, выбрасываемого из сопла, переносятся в нижнюю часть насоса, где они попадают в патрубок В, и удаляются форвакуумным насосом в атмосферу.

Основное назначение струи пара сводится к тому, чтобы передать часть своего импульса (количества движения) молекулам откачиваемого газа и направить их вниз к выхлопной трубе. Давление газа на выхлопе высоковакуумного насоса равно, очевидно, давлению, создаваемому форвакуумным насосом, т. е. примерно

Предельное давление, до которого может быть откачан сосуд, соединенный с А, определяется главным образом упругостью паров рабочей жидкости при температуре охлаждающей воды выше сопла. Поэтому в качестве рабочей жидкости высоковакуумных насосов выбирают такие сорта масел, у которых мала упругость паров при комнатной температуре.

Рассмотрим несколько подробнее механизм действия пароструйного насоса.

На рис. 71 в увеличенном масштабе показана часть сопла 5 и прилегающей к нему охлаждаемой стенки корпуса насоса.

Давление в откачиваемом объеме до начала действия насоса уже достаточно мало, чтобы длина свободного пробега молекул была сравнима с размерами входного патрубка А (см. рис. 70), соединяющего насос с откачиваемым объемом. Это значит, что молекулы газа практически не испытывают столкновений друг с другом. Во всяком случае, столкновения молекул со стенками происходят чаще, чем их взаимные столкновения. При этих условиях единственной причиной попадания той или иной молекулы газа в насос, например молекулы а (рис. 71), является случайное совпадение направления скорости этой молекулы с направлением сверху вниз, т. е. от области А к струе пара В. Другими словами, откачиваемый газ диффундирует из откачиваемого сосуда к струе пара (именно поэтому насосы этого типа и называются диффузионными). Если в результате столкновения молекулы а с молекулой пара в струе она попала внутрь струи, то она практически уже не может возвратиться обратно, так как давление пара в струе достаточно велико; оно достигает значения до 10 мм рт. ст. При таком давлении с обратной диффузией молекул газа можно не считаться. Это и значит, что молекулы газа «увлекаются» струей.

Рис. 71.

Конечно, некоторые молекулы газа, столкнувшись с молекулами пара, могут приобрести скорость, направленную от струи. Но это не значит, что они не будут откачаны, так как при одном из следующих столкновений они все же получат нужное направление движения.

Тот факт, что некоторые молекулы получают при столкновении с молекулами пара скорость, направленную обратно к входному патрубку, лишь несколько уменьшает скорость откачки. Работу насоса определяют не эти сравнительно редкие случаи, а то обстоятельство, что молекулы, продиффундировавшие внутрь струи, уже практически возвратиться не могут. А так как скорость диффузии в вакууме, как мы знаем, очень велика, то пароструйные насосы обладают весьма значительной скоростью откачки.

Молекулы, попавшие в струю пара, либо непосредственно выбрасываются ею в сторону форвакуума, либо ударяются о стенку, на которой происходит конденсация пара. При этой конденсации захваченный струей газ освобождается и тоже удаляется форвакуумным насосом,

Обычно пароструйные насосы имеют не одно, а несколько сопел (большей частью 2—3), действующих последовательно (многоступенчатые насосы).

Современные диффузионные насосы позволяют производить откачку до давления порядка а при некоторых условиях можно получить и более низкие давления. Но столь высокий вакуум можно получить при условии полной герметичности всей вакуумной системы. Необходимо также, чтобы поверхности откачиваемого сосуда и других частей вакуумной системы не выделяли газы (не «газили»). Обоим этим условиям, особенно второму, очень трудно удовлетворить на практике. Дело в том, что обычно с поверхности почти любых тел всегда выделяется большее или меньшее количество газов, либо поглощенных (адсорбированных) на поверхности, либо растворенных внутри. При высоком вакууме достаточно выделиться весьма небольшому количеству газов, чтобы заметно изменить давление даже в значительном объеме.

Сорбция газа (геттеры). Ряд веществ обладают способностью поглощать, или, как говорят, сорбировать, значительные количества газов. Типичным примером таких сорбентов служит уголь, способность которого поглощать тяжелые газы давно используется в противогазах. Способность угля поглощать газы определяется, в основном, его очень развитой поверхностью, обусловленной пористой структурой. Для создания большой поверхности уголь подвергают специальной обработке (активируют). Особенно велика сорбционная способность угля при низких температурах. Этим свойством пользуются для откачки газов и для поддержания уже достигнутого высокого вакуума.

Некоторые вещества обладают способностью поглощать вполне определенные газы благодаря тому, что они химически реагируют с ними, образуя твердые соединения. Таким свойством обладает, например, титан который поглощает большие количества водорода. Это свойство титана используется в ряде устройств, где требуется откачивать водород. Вещества-газопоглотители иногда называются геттерами.