Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Июня 2013 в 08:08, реферат
Научный этап в развитии вакуумной техники начинается еще с 1643 года, когда в Италии Торричели измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О.Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения исследований свойств разреженного газа.
В 1873 г. А.Лодыгин изобрел первый электровакуумный прибор - лампу накаливания с угольным электродом. В 1883 г. Т.Эдиссон открыл термоэлектронную эмиссию.
В начале ХХ века были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы - вращательный, криосорбционный, молекулярный, диффузионный.
Рис. 2.15.
Диффузионный насос, рис.2.16., состоит из кипятильника 1, диффузионного сопла 2, закрепленного на паропроводе 6, холодильника 4, впускного и выпускного патрубков 3 и 5. Пары рабочей жидкости из кипятильника проходят по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации образовавшейся парогазовой смеси выделившийся газ откачивается через выпускной патрубок насосом предварительного разрежения, а сконденсировавшийся пар стекает по стенкам в кипятильник.
Рис.2.16.
Зависимость характеристик насоса от параметров диффузионного сопла: зазора а и угла наклона α, рис. 2.17.
Рис .2.17.
При превышении зазором "а" своего оптимального значения ао уменьшается скорость струи у стенок, что ведет к увеличению обратного потока откачиваемого газа. Существует и оптимальная величина угла α.
Основная характеристика пароструйного насоса - зависимость быстроты действия от давления на входе в насос, рис. 2.18. В средней области рабочих
Рис. 2.18.
давлений быстрота действия постоянна и равна Smax. При приближении давления к предельному быстрота действия стремится к 0 из-за наличия обратного потока газов и паров в откачиваемом объеме. При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается в связи со снижением
скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном
входном давлении Рз стремится к нулю.
Предельное давление насоса Рпр при низких давлениях на выходном патрубке Рвых, мало зависит от последнего, рис. 2.19.
При равенстве выпускного давления и давления паровой струи Ркр наступает срыв характеристики насоса, поэтому и необходимо предварительное вакуумирование.
Рис. 2.19.
При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости струи пара быстрота действия возрастает, достигая максимального значения при Nопт, а затем снижается из-за увеличения плотности паровой струи, рис.2.20. Максимальное выпускное давление насоса Ркр при увеличении мощности непрерывно возрастает, см. рис. 2.21.
Рис. 2.21.
Применяют многоступенчатые насосы, например насос с двумя диффузионными ступенями 1, 2 и эжекторной 4 ступенью откачки, рис. 2.22. На схеме 3 - холодильник, 5 - кипятильник, общий для всех ступеней.
Рис. 2.22.
К рабочим жидкостям пароструйных насосов предьявляют следующие требования: 1) минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная при рабочей температуре в кипятильнике; 2) стойкость к разложению при нагревании; 3) минимальная способность растворять газы; 4) химическая стойкость к откачиваемым газам; 5) малая теплота парообразования.
Минимальная упругость паров при
20ºС нужна для получения
В качестве рабочей жидкости применяют ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганические соединения. Ртуть (Р1, Р2), стойка к окислению, однородна по составу, не разлагается, не растворяет газы и обладает высокой упругостью паров при нагреве. Но ртуть ядовита, химически активна к цветным металлам и обладает высокой упругостью паров при 20ºС.
Минеральные масла (ВМ1, ВМ5) получают из нефти. Характеризуются низкой упругостью пара при комнатной температуре и удовлетворительной термостойкостью, однако они образуют смолистые налеты на деталях насоса и окисляются.
Эфиры и кремнийорганические жидкости имеют очень низкое давление паров при комнатной температуре и высокую стойкость к окислению, но они дороги, поэтому применяются ограниченно - для получения сверхвысокого вакуума.
При использовании неоднородных по составу или термически нестабильных жидкостей применяют насосы с фракционирующими устройствами, выделяющими более тяжелые фракции с низкой упругостью пара для работы в первой ступени откачки, рис. 2.23.
Рис. 2.23.
Ловушки
Так как предельное давление пароструйных насосов обусловлено обратным потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, его можно уменьшить, применяя ловушки: конденсирующие, диссоциирующие, адсорбирующие. Ловушка должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: обладать максимальным защитным действием и наибольшей удельной проводимостью.
Для охлаждения конденсирующих ловушек, рис. 2.24., применяют воду; смесь льда и NaCl - позволяет достичь -18ºС; смесь льда и CaCl2 - позволяет достичь -48ºС; твердую углекислоту со спиртом -78ºС; фреон -120ºС; жидкий воздух -183ºС; жидкий азот -186ºС.
Рис. 2.24.
В диссоциирующих ловушках углеводороды разлагаются на легкооткачиваемые газы Н2, СО, СО2 и твердый углерод, который осаждается на стенках ловушки. Диссоциирующие поверхности разогреваются пропусканием тока.
В электронных диссоциирующих ловушках молекулы рабочей жидкости ионизируются в разряде с холодным или горячим катодом и при этом разлагаются. Эффективность ловушек зависит от плотности электронного тока.
Сорбционные ловушки поглощают пары масел поверхностями пористых адсорбентов: активных углей, цеолитов, силикагелей и т.д. азот и кислород при комнатной температуре адсорбируются мало. Очищают ловушку прогревом в вакууме примерно до 300ºС.
2.4. Физико-химические методы
чем у механических, технико-экономическими показателями.
Существенное преимущество физико-химических насосов перед механическими заключается в возможности устранения загрязнения откачиваемой камеры парами рабочих жидкостей, которые присутствуют во многих механических насосах для смазки и герметизации.
Ионная откачка
Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Для передачи молекулам импульса скорости в направлении насоса предварительного разрежения можно использовать силу воздействия постоянного электрического поля. Нейтральные молекулы ионизируются α-, β-, и γ-излучением. Наиболее эффективно β-излучение, осуществляемое за счет средств электронной бомбардировки. Газ, поступающий в насос, рис. 2.25., ионизируется в пространстве ионизации 1, а затем с помощью ускоряющих электродов 2, к которым приложена разность потенциалов U (В), направляется к выходному патрубку насоса. Здесь ионы нейтрализуются и откачиваются насосом предварительного вакуума.
Рис. 2.25.
Производительность насоса
Qн = kTI+/q-U(Pвых-Pвх), (2.14)
где Pвх - давление на входе, Pвых - давление на выходе из насоса, q - заряд иона; I+ - ионный ток в цепи ускоряющих электродов, U - проводимость насоса. Быстрота откачки насоса
Sн = Qн/Pвх. (2.15)
Из-за трудностей ионизации газов при низких давлениях насосы получили малое распространение.
Хемосорбционная откачка
Хемосорбционная откачка осуществляется путем поглощения активных газов на поверхности металлов. Наибольшее распространение для хемосорбционной откачки получили следующие металлы: Ti, Zr, Ta, Ba, Mo, W, Hf, Er. Теплота адсорбции Qа зависит от рода газа; например титан лучше поглощает кислород, азот и углекислый газ, не поглощает инертные газы. Для увеличения поверхности металла при его взаимодействии с откачиваемыми газами используется распыление металла, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды и корпус насоса. Возможность непрерывного обновления напыленной пленки увеличивает срок службы насоса.
Поглощение газов пленками может носить поверхностный (обычно при низких температурах) или объемный (при высоких температурах) характер. При поверхностном - количество сорбированного газа прямо пропорционально времени сорбции. Объемное поглощение происходит за счет диффузии газа в пленку, и количество поглощенного газа пропорционально корню квадратному из времени сорбции. Сорбционные характеристики пленок зависят от условий их образования: пленка осажденная при низкой температуре, имеет пористую структуру, что приводит к повышению скорости поглощения газов.
Испарительные насосы
Конструкция испарительного насоса в основном определяется типом испарителя. Испарители бывают прямоканальные, подогревные, электронно-лучевые и дуговые.
В качестве прямоканального испарителя используется биметаллическая проволока с молибденовым керном, на который иодидным способом осажден слой титана, рис. 2.26.
Рис. 2.26.
Подогревный испаритель представляет собой сферическую оболочку из активного металла, рис. 2.27., внутри которой вставлен проволочный нагреватель. Для титана максимальная рабочая температура таких нагревателей составляет 1150ºС, что обеспечивает максимальную скорость испарения 1 мг/с.
Рис. 2.27.
Электронно-лучевой испаритель представляет собой электронную Ti пушку с вольфрамовым катодом 1, помещенную в поперечное магнитное поле, рис. 2.28.
Рис. 2.28.
Это позволяет разместить пушку вне зоны нанесения активного металла. Между пушкой и мишенью приложено высокое напряжение. Максимальная скорость испарения - до 30 мг/с.
В дуговых испарителях активный металл распыляется в катодном пятне дуги постоянного тока, рис. 2.29. Катодное пятно хаотически перемещается по поверхности охлаждаемого водой катода из титана. Плотность тока в пятне до 10 А/см2. Дуга горит в парах испаряемого материала, что позволяет поддерживать разряд в условиях сверхвысокого вакуума. Возбуждение дуги происходит, например, при коротком замыкании подвижного электрода. Ток дуги 100...180 А. Напряжение источника 30...50 В. Скорость испарения 20 мг/с.
Рис. 2.29.
Испарительный насос, рис. 2.30, состоит из корпуса 4, в котором располагается испаритель 5. Атомы активного металла, вылетающие из испарителя, конденсируются на экранах 2 и обеспечивают откачку химически активных газов. Экран 3 защищает откачиваемый объект от проникновения паров испаряемого материала. Экраны 2 для повышения быстроты откачки могут охлаждаться жидким азотом.
Рис. 2.30.
Предельное давление в испарительных насосах 10-7Па, а при охлаждении жидким азотом 10-11 Па. Верхний предел рабочих давлений 0,01 Па. Максимальная быстрота действия при откачке водорода достигает 200000 л/с. Применение насосов испарительного типа неэффективно при откачке продуктов органического происхождения и инертных газов.
Криогенные насосы
Криоконденсационная откачка возможна при условии, что давление откачиваемого пара в вакуумной системе выше давления его насыщенных паров в насосе. Предельное давление криоконденсационной откачки зависит от температуры поверхности, на которой происходит конденсация откачиваемого газа, и достигает 10-9 Па.
Криоадсорбционная откачка осуществляется адсорбцией газов на охлаждаемых адсорбентах. Для откачки применяются адсорбенты с большой площадью внутренней поверхности - активные угли, цеолиты, силикагели.
Криоадсорбционные насосы погружного типа используются для работы в низком вакууме а заливного - для работы в высоком вакууме, рис. 2.31.
Разница в конструкции состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагента 5 в насосах погружного типа выполняют сьемным, а в насосах заливного типа вакуум, создаваемый самим насосом, используется для теплоизоляции. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2.
рис. 2.31.
В полость 2 криоконденсационного насоса, рис. 2.32., заливается низкотемпературный криоагент (жидкий гелий или водород), в полость 3 - высокотемпературный криоагент (жидкий азот). Экраны 1 защищают поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлаждаемой поверхности.
Температура кипения при атмосферном давлении гелия - 4,2 К, водорода - 20,4 К, азота - 77 К.
Рис. 2.32.
Ионно-сорбционные насосы
При ионно-сорбционной откачке используют два способа поглощения газа: внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов.
Насос с независимым распылением активного металла состоит из корпуса 6, рис. 2.33. Электроны, вылетающие из термокатода 1, направляются на распылитель 4 и анодную сетку 2, к которым приложено высокое напряжение. Электронная бомбардировка распылителя греет его до температуры испарения находящегося в нем активного металла. При этом электроны, направляющиеся к анодной сетке, совершают до попадания в нее несколько колебаний, ионизируя путем соударений молекулы остаточных газов. Управляющая сетка 3 служит для поддержания постоянства эмиссионного тока. Ионизированный газ хорошо сорбируется активным металлом, напыленным на поверхность стенки корпуса, и ионной откачкой путем внедрения положительных ионов в стенку корпуса.