8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

Основы вакуумной техники

Основы вакуумной техники

И.В.БЕЛОКРЫЛОВ

Конспект лекций

  1. Физика вакуума

1.1. Основные термины и определения

Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление (разница между атмосферным и вакуумным). Вакуумная техника – прикладная наука, рассматривающая проблемы изучения и поддержания вакуума, а так же вопросы разработки конструирования и применение вакуумных систем и их элементов.
Вакуум бывает: низкий; средний; высокий; сверхвысокий.
Низкий и средний вакуум используются в осветительных приборах. Высокий – используется в приемно-усилительных генераторных лампах.
Сверхвысокий вакуум используется в металлургии (плавка и переплавка в вакууме) для получения различных сплавов, для получения сверхчистых веществ, полупроводников, диэлектриков и т. д.; кристаллизация (искусственные сапфиры); диффузионная сварка (для соединения деталей из металлов с сильно различающимися температурами плавления).

 

 Химическая промышленность –  вакуумные сушильные аппараты, вакуумные фильтры, кристаллизирующие вакуумные аппараты.
Электротехническая промышленность производство кабелей, электродвигателей с использованием вакуумной пропитки.
Оптическая промышленность – производство зеркал (вакуумное алюминирование), просветленная оптика, производство биноклей, очков и т. д.
Пищевая промышленность –  вакуумные упаковки, доильные аппараты, пылесосы.
Транспорт –  вакуумные усилители тормозных систем.
Медицина –  производство и хранение медикаментов.
Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновения молекул газа со стенками ограничивающего сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризуется отношением средней длины свободного пути молекул к характерному размеру сосуда. Это число называется числом Кнудсена.

,

где:  – средняя длина свободного пути молекулы; l – характерный размер сосуда.
На основании числа Кнудсена идет деление по степеням вакуума. Степень вакуума определяется равновесным давлением, которое устанавливается в откачиваемом объеме под действием противоположных процессов, откачки газа насосом и поступления газа в объем за счет натекания через неплотности диффузионных и технологических газовыделений и  проницаемости газа через стенки сосуда.
Низкий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно меньше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 10 до 100 МПа.
Средний вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул приближенно равна характерному линейному размеру сосуда. Эта область давлений от 100 до 0,1 МПа.
Высокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно больше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 0,1 до 10 МПа.
Сверхвысокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности первоначально свободной от абсорбирующего газа за время, существующее для рабочего процесса.
Газ – состояние вещества, при котором движение молекул практически неограниченно межмолекулярными силами и занимает весь объем.
Давление в точке газового пространства – отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения. Откачка – уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств поглощающих газ.
Время откачки – время необходимое для уменьшения давления в откачивающей системе насосом конкретного типа.
Остаточный газ – газ оставшийся после откачки в вакуумной системе.
Предельное остаточное давление – наименьшее давление, которое может быть достигнуто при конкретных устройств для откачки.
Форвакуум – вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.
Молекулярная концентрация – число молекул газа в единице объема.
Длина свободного пути молекулы – длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Средняя длина свободного пути молекулы – среднеарифметическое расстояние, которое молекула проходит между двумя последними столкновениями.
Диффузия газа – движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.
Коэффициент диффузии – отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентраций.
Вязкостное течение – течение газа в канале при условии, когда длина свободного пути молекулы очень мала по сравнению с наименьшим поперечным сечением канала.
Температурная транспирация – течение газа между соединенными сосудами.
Поток молекул – число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени. Плотность потока молекул – отношение результирующего потока молекул к поверхности, которую он пересекает.
Результирующий поток молекул – отношение потока молекул определенного разностью между числом молекул пересекающих поверхность за данный интервал температуры в заданном направлении  и числом молекул через эту поверхность в обратном направлении к этому времени.
Массовый поток газа – масса газа пресекающего определенную поверхность за единицу времени.
Проводимость – отношение потока к разности средних давлений в двух сечениях потока при  изотермическом равновесии. Сопротивление величина обратная проводимости.
Сорбция – поглощение газа или пара твердым веществом или жидкостью. Десорбция-обратный процесс.
Коэффициент аккомодации – отношение средней энергии реально передаваемой поверхности налетающими частицами средней энергии, которая может быть передана в случае достижения полного теплового равновесия.
Частота столкновений – отношение числа сталкивающихся с поверхностью молекул в заданный интервал времени к этому интервалу и площади поверхности.
Скорость прилипания – число молекул, сорбированных на единице площади поверхности в единицу времени.
Время удерживания – среднее время, в течении которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.
Миграция – движение молекулы на поверхности.
Газовыделение – самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.
Обезгаживание – принудительное удаление газа из материала.
Проницаемость твердой перегородки – отношение потока газа через перегородку к потоку через тоже течение при отсутствии перегородки является  функцией давления по обе стороны перегородки и ее структуры.
Коэффициент проницаемости – отношение произведения проницаемости на толщину перегородки к ее площади.
Натекание – проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый сосуд.

1.2. Давление в вакууме

Основой физики вакуума являются следующие постулаты:
1. Газ состоит из отдельных, движущихся молекул.
2. Существует постоянное распределение молекул газа по скоростям, т. е. одной и той же скоростью обладает всегда одинаковое число молекул.
3. При движении молекул газа нет  преимущественных  направлений, пространство газовых молекул изотропно.
4. Температура газа величина пропорциональная средней кинетической энергии его молекул.
5. При взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа  абсорбируется.
При взаимодействии газа с поверхностью твердого тела нормальная составляющая изменения количества движения молекулы будет равна:,
где θ –  угол между нормалью  поверхности и вектором скорости; v –  скорость молекулы; m – масса молекулы.
Рассмотрим случай, когда между поверхностью и газовой средой существует энергетическое равновесие, в этом случае суммарное изменение количества движения абсорбированной и десорбированной молекул будет равняется .
Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность:

,                              (1.1)

где: Δt – время взаимодействия молекулы с поверхностью; ΔF – площадь поверхности.
Число молекул в элементарном объеме dV, движущихся в направлении площадки ΔF, пропорционально согласно третьему постулату, пропорционально телесному углу dW, под которым из центра dV видна площадка ΔF.

.                                            (1.2)
Телесный угол
,                                          (1.3)
где r – расстояние между выделенным объектом и поверхностью.
Объем в полярной системе координат:

                                    (1.4)

Давление газа на поверхность найдем интегрированием по объему полусферы, из которой молекулы достигают поверхности за время Δt с радиусом .
С учетом (1.1)  получаем:

                                          (1.5)

Подставляя (1.2), (1.3), (1.4) в (1.5), получим:

 ,                (1.6)

где n – молекулярная концентрация.
Согласно постулату 2, введем вместо постоянной среднеквадратичную скорость молекулы.

,
тогда

                                      (1.7).
Учитывая, что плотность газа ρ=nm, получим              .
Условия равновесия, использованные при выводе уравнения (1.7) могут, не выполнятся, например, в случае конденсирующей поверхности, с которой из-за очень большого времени адсорбции не происходит десорбция молекул газа, и наоборот, тело в космическом пространстве десорбирует молекулы с поверхности, а количеством молекул ударяющихся об это тело, можно пренебречь. В этих случаях необходимо точно знать соотношение потоков падающих и вылетающих молекул газа.

1.3. Газовые законы

Если в объеме находится смесь из К газов, то давление смеси:

                                     (1.8)

или                                                     (1.9) – закон Дальтона.

Т. к. температура, согласно 4 постулату, пропорциональна кинетической энергии молекулы, можно записать ,
где с – некоторая постоянная.
Тогда (1.7) можно записать в виде:
.
Обозначим     ,     тогда                                                           (1.10),
а средняя кинетическая энергия молекулы:

                                             (1.11)

Уравнение (1.10) называют уравнением газового состояния, оно связывает три основных параметра: давление, молекулярную концентрацию и температуру. Константа k=1.38∙10-23Дж/к – постоянная Больцмана.
Уравнение (1.10) также можно представить в виде:

,                                             (1.12),
где М – молекулярная масса газа; V – объём газа; NA=М/m=6.02∙1028 к моль-1 – число Авагадро; R=kNA=8.31∙103, Дж/Кмоль – универсальная газовая постоянная.
1.4. Частота соударений молекул с поверхностью

Число молекул, соударяющихся об единицу поверхности в единицу времени:

                  (1.13)

С учетом функции распределения молекул по скоростям получаем

,                                          (1.14)

где  Vар – средняя арифметическая скорость.
Объем газа, ударяющегося об единицу поверхности в единицу времени можно выразить через частоту соударений и молекулярную концентрацию

                                            (1.15)

Данное выражение не зависит от давления и определяет максимальную быстроту действия идеального вакуумного насоса, откачивающего все молекулы газа, которые попадают в него через входное отверстие.

1.5. Распределение молекул газа по скоростям

При соударении друг с другом или со стенками вакуумной камеры молекулы изменяют свои скорости, как по величине, так и по направлению. Используя гипотезы о стационарном распределении по скоростям  и изотропности пространства, Максвелл получил функцию распределения молекул по скоростям

 ,                       (1.16)

где dnV – число молекул скорости, которых находятся в пределах от V до 0.
Скорость, при которой наблюдаются максимальные функции распределения, называют наиболее вероятной скоростью

.                                          (1.17)

Если ввести обозначения  , то получим  .
Используются безразмерная дифференциальная – f(c)=dnV/(ndc) b и интегральная  – F(c)= функции распределения молекул по скоростям.
В расчетах также используют среднеарифметическую скорость

                                               (1.18)
и среднеквадратичную
                                             (1.19).

Соотношение между скоростями Vвер, Vар, Vкв составляет 1:1,128:1,225.

Таблица 1.1.
Среднеарифметические скорости газов при различных температурах


Газ

Vар, м/с

4,2К

77К

293К

600К

Воздух

54

235

460

661

Азот

56

245

470

672

Кислород

53

225

440

629

Неон

67

285

555

792

Углерод

45

195

375

536

Водород

210

906

1770

2524

Гелий

150

640

1250

1685

Метан

75

320

625

889

Вода

70

300

590

839

Кроме распределения по скоростям молекул  имеются функции распределения по энергии
;

;                                        (1.20)

,                                         (1.21),
здесь .
Существуют наиболее вероятная энергия и среднеарифметическая .
1.6. Средняя длина свободного пути

Направленный молекулярный поток, содержащий в начальный момент N0 молекул газа с хаотично движущимися молекулами с частотой К за время dt, уменьшается на величину:
, интегрируя, получаем .

                                               (1.22)

Средняя длина свободного пути молекул газа , определяемая как отношение скорости молекул к числу столкновений в единицу времени.  – длина пути молекулы за время t, столкновение произойдет в том случае, если расстояние между центрами молекул будет не более диаметра молекулы . Будем считать, что одна молекула имеет  радиус , а все остальные математические точки с нулевым радиусом. При движении со скоростью  с молекулярной концентрацией n, за одну секунду такая воображаемая молекула опишет объем , и испытает  столкновений. Средняя длина свободного пути в таком случае будет равна
.                                            (1.23)

С учетом относительных скоростей движения молекулы газа, которые не учитывались при выводе уравнения (1.23), для длины свободного пути можно получить более точное выражение
.                              (1.24)

Из (1.24) видно, что при постоянной молекулярной концентрации, длина свободного пути не должна зависеть от температуры.
Однако из опытных данных следует, что при n = const, средняя длина свободного пути увеличивается , данный фактор учитывается введением дополнительного модуля, тогда
 ,                                      (1.25)

где С – постоянная Сезерленда, равная температуре при которой, в случае постоянной молекулярной концентрации газа, средняя длина свободного пути молекул уменьшается вдвое по сравнению со значением соответствующей бесконечно большой температуре [K] .
Для учета взаимодействия молекул между собой вводят понятие эффективного диаметра молекулы dТ, который уменьшается с увеличением температуры

                                              (1.26)
Таблица 1.2.
Характеристики молекул некоторых газов

Газ

m·1026, кг

dM·1010, м

С, К

dT, при t, К

600

293

77

4,2

N2

4,65

2,74

116

2,99

3,24

4,34

14,7

O2

5,31

3,01

125

3,31

3,60

4,88

16,7

CO2

7,31

3,36

254

4,01

4,59

6,97

26,3

Ne

3,35

2,35

56

2,46

2,56

3,09

8,90

H2

0,33

2,41

84

2,56

2,73

3,48

11

H2O

2,99

2,53

659

3,66

4,56

7,82

31,8

Воздух

4,81

3,13

112

3,41

3,68

4,90

16,5

He

0,66

1,94

80

2,07

2,19

2,77

8,69

Уравнение (1.25) с учетом (1.26) можно записать в виде:
.

Используя уравнение состояния (1.10), (1.26) можно записать в виде:

           (1.27)

Для воздуха, при Т=293 К, и Р=1Па из (1.27), L1= 6,7·10-3 МПа.
L1 – средняя длина свободного пути при Р=1Па.
При любом другом давлении
                                                (1.28)
При расчетах длины свободного пути при различных температурах и постоянном давлении из (1.27) можно получить

                              (1.29)

Таблица 1.3.
Средняя длина свободного пути молекулы при давлении 1Па

Газ

L1·103 при t, К

600

293

77

4,2

N2

20,8

8,67

1,26

0,0061

O2

16,9

7,02

1,00

0,0047

CO2

16,7

4,32

0,492

0,0019

Ne

30,7

13,9

2,50

0,0165

H2

28,2

12,2

0,197

0,0108

H2O

13,9

4,38

0,391

0,0013

Воздух

16,0

6,72

0,995

0,0048

He

43,6

19,1

3,13

0,0174

В случаи смеси двух газов с массой молекул m1 и m2, L1 молекулы массой m1 рассчитывают по формуле:

;                  (1.30)

.

В случае, если n1« n2, получаем

.                       (1.31)

Формула Больцмана для определения давления воздуха  на различной высоте z

.                                 (1.32)

{jlcomments}

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 5 – 7 июня 2018

ООО «ВАКТРОН» и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова приглашают сотрудников предприятий принять участие в программе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 5 – 7 июня 2018 года.

Основы течеискания и вакуумной техникиЛекторы курса:

  1. Преподаватели университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» — расчетные и исследовательские задачи
  2. Сотрудники компании ВАКТРОН — разработка систем течеискания и вакуумирования
  3. Представители завода «Измеритель» — сервис и запчасти для течеискателей ТИ
  4. Специалисты метрологической организации — поверка и калибровка в течеискании
  5. Представители аттестационного центра — аттестация персонала и лаборатории NDT
  6. Инженеры по сервису ULVAC, NOLEK и PEDRO GIL — модернизация и обслуживание вакуумных насосов и аналитических систем

Базовые темы обучения:

  • Вакуумная техника и контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Ремонт вакуумных печей и напылительных установок
  • Автоматические линии контроля герметичности».

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с посещением сервисного участка ВАКТРОН. Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и программу курса (DOC)
Политика конфиденциальности


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.