Тема 1. Основы вакуумной техники
Основы физики вакуума (равновесная газовая среда)
Распределение Максвелла
(1.1) |
где
(1.2) | |
(1.3) |
где
(1.4) |
Распределения частиц по скоростям и энергиям
(1.5) | |
(1.6) |
. | (1.7) |
где
. | (1.8) |
Макроскопические характеристики газовой среды
(1.9) | |
(1.10) | |
(1.11) | |
(1.12) | |
(1.13) | |
Для N 2 при T = 273 K: 402, 453 и 492 м/с.
Потоки в газе
Плотность величины А → An
Плотность потока величины А →
Таблица 1 | |||
Характеристика газовой среды | Физическая величина | ||
Масса | Импульс | Энергия | |
Плотность | r = nm | ||
Плотность потока |
1. Перенос массы (плотность потока массы)
(1.14) |
Поток газа на стенку в м–3/c: для атм. воздуха при T = 298 К и p = 105 Па
n = 2.7×1025 м–3, » 450 м/с
J w = 3.0×1027 м–2×с–1, V w» 110 м3/(м2×с).
2. Перенос энергии
Средняя энергия частицы
(1.15) |
Плотность потока энергии
3. Перенос импульса (плотность потока импульса)
(1.16) |
, |
(1.17) | |
(1.18) | |
P = 1/3(P 1 + P 2 + P 3) = nkT | (1.19) |
Распределение Больцмана
(1.20) | |
(1.21) |
(1.22) | |
(1.23) |
Распределение Максвелла–Больцмана
(1.24) | |
(1.25) | |
(1.26) | |
(1.27) |
Средняя длина свободного пробега частицы
(1.28) |
(1.29) | |
(1.30) | |
(1.31) | |
(1.32) |
(1.33) |
Степени вакуума | Kn | |
Низкий | «1 | |
Средний | ≈ 1 | |
Высокий | » 1 | |
Сверхвысокий | » 1, θ < R 0 | |
Вязкость (перенос импульса)
(1.34) | |
(1.35) | |
(1.36) |
(1.37) |
Теплопроводность (перенос энергии)
(1.38) | |
(1.39) |
(1.40) | |
(1.41) | |
(1.42) |
Диффузия (перенос массы)
(1.43) | |
(1.44) |
(1.45) |
Режимы течения газа
, м3 Па/c | (1.46) |
, м3/c |
Поток может носить вязкостный (ламинарный), молекулярный или промежуточный характер. Критерий Kn:
Степени вакуума | Kn |
Низкий | «1 |
Средний | ≈ 1 |
Высокий | » 1 |
Проводимость элементов вакуумной системы
1.3.1. Вязкостный режим
Уравнение Пуазейля:.
(1.47) | |
(1.48) | |
(1.49) |
Для воздуха.
(1.50) |
Молекулярный режим
(1.51) | |
(1.52) |
При A (x) =const, H (x) = const
(1.53) |
Для цилиндрическойтрубы
(1.54) |
Промежуточный режим
(1.55) |
(1.56) |
1.4. Основное уравнение вакуумной техники
S 0 = dV 1/ dt = Q / p 1,м3/с | (1.57) |
S эф = dV 2/ dt = Q / p 2,м3/с | (1.58) |
1/ S эф – 1/ S 0 = 1/ U | (1.59) |
S эф < S 0 |
Откачка вакуумного объема
d (pV)/ dt = Q вх – Q вых | (1.60) |
Vdp/dt = Q вх– S эф p 2. | (1.61) |
Начальное условие. p (0) = p 0:
(1.62) | |
(1.63) |
Вакуумные насосы
По назначению:
– низковакуумные (102…104) Па;
– среднего вакуума (10-1…102) Па;
– высоковакуумные (10-10…10-1) Па.
По принципу действия:
– механические (объемные и молекулярные);
– струйные;
– электрофизические;
– сорбционные.
Основные параметры:
– номинальная быстрота действия S 0;
– предельное давление p пр;
– наимененьшее рабочее давление p мин, при котором S = S 0;
– наибольшее рабочее давление p макс, при котором S = S 0;
– давление запуска p зап;
– наибольшее выпускное давление p вып
– эффективная быстрота действия S эф
– коэффициент использования:
(1.64) |
– производительность насоса:
(1.65) |
Объемная откачка
Удаление газа из вакуумной камеры за счет циклического изменения объема камеры насоса.
цикл I (0– t 1) – объем камеры увеличивается, всасывание в нее газа, давление сохраняется на уровне минимального значения p пр;
цикл II (t 1 – t 2) – объем камеры уменьшается, сжатие газа, давление возрастает до атмосферного p а;
цикл III (t 2– t 3) – выброс газа в атмосферу. За полный оборот ротора в каждой из двух камер происходят все три цикла.
Молекулярная откачка
Удаление газа из вакуумной камеры с помощью движущейся поверхности.
Условия:
– u ст > ;
– малые зазоры (менее 0.1 мм), чтобы уменьшить обратное перетекание газа;
– молекулярный режим течения газа в канале
Предельное давление:
(1.66) |
где U к – проводимость канала ~ ; S max – максимальная быстрота действия ~ u ст.
Для понижения p пр: T ↓, u ст ↑, p 1↓
Другой вариант:
Проводимость наклонного канала в движущейся стенке зависит от направления течения газа:
1) p 1 > p 2.
2) P лев > P пр = f (α, u ст)
Предельное давление:
(1.67) |
где P 12– вероятность попадания молекулы газа в канал, падающей на стенку справа.
Струйная откачка
1.6.4. Физические методы откачки
1. Хемосорбция на пленках активных металлов (Ti, Zr, Ta и др.)
Теплота сорбции газов на титане в кДж/моль
H2 | CO | N2 | O2 | CO2 | Ar | Kr | Xe |
19.3 | 8.38 | 16.8 | 35.5 |
2. Ионная откачка
3. Ионно-сорбционная откачка
4. Магниторазрядная откачка
5. Криогенная откачка
а) криоадсорбция: S 0 = 0.002–0.01 м3/с, p пр = 10–2– 1 Па
б) криоконденсация: S 0 = 0.025–4.1 м3/с, p пр = 10–10– 10–8 Па
Измерение давления
Измерение общего давления
Вакуумметр
Тепловой вакуумметр
(1.68) |
(1.69) |
(1.70) |
(1.71) | |
(1.72) |
Газ | N2 | O2 | Ar | H2O | H2 | He |
qi | 1.06 | 1.06 | 1.08 | 0.63 | 0.274 | 0.57 |
Термопарный вакуумметр