Вакуумные системы

Для образования вакуума используют специальные вакуумные системы, включающие механические форвакуумные, диффузные и сорбционно-ионные насосы.

Современная вакуумная техника имеет дело с давлениями до 133 · 10-10 Па и ниже. Важное значение приобретают различные физические и технические процессы, которые происходят в условиях вакуума.

Характеристики вакуумных систем

Основные технические характеристики вакуумных систем следующие:

• предельный (граничный) вакуум – максимальное разрежение, которое можно достичь при непрерывной длительной работе системы, если нет притока газа извне или газирования материала внутри насоса;
• начальное давление $р_0$ – давление на входном (всасывающем) патрубке системы или насоса, при котором они начинают нормально работать;
• максимальное выпускное давление $р_{max}$ – давление на выходе выпускного клапана, при превышении которого система насос прекращает действие;
• скорость откачки $v$ – объем газа, откачиваемого насосом из сосуда за единицу времени при заданном значении давления на входе в трубопровод насоса.

Схема вакуумной системы

Схема простейшей вакуумной системы представлен на рисунке ниже, где 1 - объем, который откачивается; 2 - трубопровод; 3, 4 - выпускной и впускной патрубки насоса; 5 - насос.

В процессе откачки происходит уменьшение давления одновременно во всех местах вакуумной системы, но, как показывает опыт, это происходит быстрее в конце трубопровода (следовательно, $р_1 > р_2$).

Разница давлений $Δр = р_1 - р_2$ возникает из-за того, что трубопровод сопротивляется течению газа. Аналогично закона Ома соотношение между разницей давлений $Δр$ и силой потока газа $Q$ можно записать в виде

$Q = Δр/R = UΔр,$

где $R$ - сопротивление трубопровода течения газа;

$U$ - пропускная способность трубопровода.

Вакуумные насосы

Для получения предварительного разрежения газа используют форвакуумные насосы. Среди многих типов таких насосов наиболее распространены ротационные масляные насосы различных конструкций. С их помощью получают давления до 133 10-2 Па. Чтобы достичь давления порядка 133 · 10-7 Па, последовательно с форвакуумным насосом включают пароструйные диффузионно-конденсационные насосы.

Принцип работы этих насосов основан на использовании всасывающе-диффузионного действия струи пара рабочей жидкости с последующей откачкой молекул газа форвакуумным насосом. Пар рабочей жидкости конденсируется в нижней части объема насоса вследствие охлаждения.

Чтобы достичь еще более высокого вакуума (до 133 · 10-11 Па), применяют сорбционно-ионные насосы. В таких насосах используется ударная ионизация газа, который поступает в насос с откачиваемого объема, а затем с помощью электрических и магнитных полей создается движение ионов, направленное к выпускному отверстию. Предельный вакуум повышает использование сорбции ионов, молекул газа силикагеля, активным углем и другими веществами.

Такие сорбенты называют гетерами.

Титан, например, интенсивно поглощает водород. Как гетеры используют барий, кальций, стронций, торий, цирконий, тантал и другие металлы, а также их соединения.

Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!

Тест по теме «Вакуумные системы»