Вакуумна техніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Вакуумна техніка

Вакуумна техніка, сукупність методів і апаратури для здобуття, підтримки і контролю вакууму.

  Історія розвитку фізики і хімії, а також ряду галузей промисловості нерозривно пов'язана з розвитком Ст т. Герон з Александрії (ймовірно, 1 ст) описує пристосування ( мал. 1 і 2 ), які можна вважати прототипами пневматичних механізмів, використаних пізніше для створення розрідження. Перші досліди з вакуумом відносяться до 40-м-коду рр. 16 ст У 1654 німецький учений О. фон Геріке поставив досвід з Магдебурзькими півкулями, наочно показавши існування атмосферного тиску. Насос, яким він користувався, був першим насосом для здобуття вакууму ( мал. 3 ).

загрузка...

  Виготовлення ламп розжарювання (1879) викликав подальший розвиток Ст т. Значний вклад в Ст т. вніс німецьке вчене Ст Геде. У 1905 він вперше застосував обертальний ртутний насос, в 1913 створив перший молекулярний насос ( мал. 4 ), в 1915 опублікував звіт про дифузійний насос ( мал. 5 ). У 1916 американський учений Ленгмюр створив конденсаційний парортутний насос ( мал. 6 ).

  Швидкий розвиток Ст т. пов'язаний з розвитком електроніки, ядерної енергетики, прискорювальної техніки. Сучасні досягнення в області вакуумної дистиляції, широке поширення вакуумно-металургійних і вакуумно-хімічних процесів, роботи в області керованих термоядерних реакцій, техніка здобуття тонких плівок, особливо чистих матеріалів для космічних літальних апаратів і випробування цих апаратів в умовах, близьких до космічних, сталі можливі лише завдяки високому рівню розвитку сучасною Ст т. У червні 1958 в Бельгії відбувся перший Міжнародний конгрес із Ст т., вирішенням якого було створення Міжнародного суспільства по вакуумній фізиці і вакуумній техніці.

  Вакуумна система, або вакуумна установка, є ємкістю, сполученою з вакуумними насосами, і включає вакуумметри, вакуумну арматуру, течєїськателі і ін. пристрою. Вибір типа вакуумного насоса для підтримки вакууму при забезпеченні заданого процесу визначається робочим діапазоном тиску насоса і його граничним тиском; прудкістю відкачування насоса в заданому діапазоні ( мал. 7 ). Порядок здобуття високого вакууму наступний: механічними форвакуумнимі насосами від атмосферного тиску до 10 -1 н / м-код 2 (10 -3 мм рт. ст. ); дифузійними насосами до 10 -5 н / м-код 2 (10 -7 мм рт. ст. ); іонно-сорбційними насосами до 10 -9 н / м-код 2 (10 -11 мм рт. ст .). Досягнення тиску порядку 10 -6 —10 -7 н / м-код 2 (10 -8 10 -9 мм рт. ст. ) і менше неможливо без попереднього видалення газу із стінок відкачуваного об'єму.

  При послідовному з'єднанні насосів кількість газу Q = p 1 s 1 = p 2 S 2 = .... p i S i , де p i впускний тиск; s i — прудкість відкачування. При цьому насоси вибирають так, щоб впускний тиск в кожному подальшому було свідомо менше і не досягало допустимого випускного тиску попереднього. Повнота використання насосів у вакуумній системі визначається прудкістю відкачування насоса s n і опором каналу, що сполучає насос з відкачуваним елементом вакуумної системи. Ефективна прудкість відкачування

 

  де

 

  — пропускна спроможність вакуумпровода, величина, зворотна опору (вимірюється в одиницях прудкості відкачування, л / сік ). Отже, завжди s еф < s н ; s еф < u. Існує наступна залежність між кількістю газу, Q, що протікає через вакуумпровод = p i S i , пропускний здатністю вакуумпровода u і різницею тиску на його кінцях: Q = u ( p 2 — p 1 ). Значення u в загальному випадку визначається природою газу, його станом, геометрією вакуумпровода і режимом перебігу газу.

  В установках, в яких необхідна прудкість відкачування настільки значительна, що не може бути забезпечена насосами, встановленими поза відкачуваним об'ємом, використовують поглинаючі властивості розпорошеного металу, наприклад титану, аналогічно тому, як це має місце в іонно-сорбційних насосах. Усередині відкачуваного об'єму встановлюють один або декілька випарників, за допомогою яких на внутрішніх стінках камери осідає титан. Для видалення газу, що не поглинається титаном, до відкачуваного об'єму приєднують дифузійний насос.

  Одним із завдань Ст т. є вимір малого тиску до 10 -12 н / м-код 2 (10 -14 мм рт. ст. ) і нижче і досягнення герметичності вакуумної системи, особливо в місцях з'єднання окремих її елементів. Вимір настільки малого тиску вимагає спеціальної апаратури (див. Вакуумметрія ). Виявлення течі здійснюється спеціальними течєїськателямі.

  Ст т. широко застосовують як в промисловості, так і в лабораторній практиці. Наприклад, масове виробництво різних електровакуумних приладів нерозривно пов'язане з вдосконаленням здобуття високого вакууму і можливістю його підтримки. Виготовлення цих приладів вимагає видалення газів (знегажування) і використання геттеров для збереження вакууму. Вакуумну обробку таких приладів виробляють на багатопозиційних карусельних откачних автоматах. Прилади проходят позиції: установку, відкачування, прогрівши і знегажування з метою видалення з внутрішніх поверхонь адсорбованих газів, розпиляло геттерірующих речовин, відпаювання і знімання. Очищення і розділення високомолекулярних кремнійорганічних з'єднань, продуктів полімеризації, масляних фракцій нафти, складних ефірів, спирту, концентратів вітамінів і ін. продуктів виробляють у вакуумі 10 -1 н / м-код 2 (10 -3 мм рт. ст. ). У вакуумі ведуть знегажування і просочують ізоляційні матеріали, заливають конденсатори і трансформатори, просочують кабелі, сушать речовини (наприклад, пластмаси), які при атмосферному тиску не висушуються. У вакуумі також сушать при кімнатній і підвищеній температурах і в замороженому стані методом сублімації термочутливих речовин (яєчний білок, ферменти, жіноче молоко, антибіотики, культури бактерій, вакцини і т.д.). Вакуумними насосами видаляють розчинники з речовин, не що допускають нагрівання (наприклад, вибухові речовини), і підвищують концентрацію розчинів.

  Вакуум знайшов вживання при тому, що термічному або катодному розпиляло металу для нанесення покриттів і металізації різних матеріалів, наприклад у виробництві оптичних і побутових дзеркал, ялинкових іграшок, відбивачів автомобільних і літакових фар, прикрас з металів і пластмас. У вакуумі виробляють обробку тканин при фарбуванні, металізацію паперу кераміки, матриць грамофонних пластинок і напівпровідникових матеріалів, нанесення захисних і декоративних плівок в робочому діапазоні тиску 10 -2 —10 -4 н / м-код 2 (10 -4 —10 -6 мм рт. ст. ).

  В металургії у вакуумі відновлюють метали з руд і їх хімічних сполук, виробляють плавку, рафінування і дегазацію металів (див. Вакуумна плавка, Дегазація стали ). Процеси плавки, випару і перегонки металів у вакуумі лежать в основі здобуття матеріалів високої чистоти. Для цього в металургії застосовують високопродуктивні багатопластинчаті пароежекторниє насоси і бустерні (пароструминні і механічні) з робочим тиском до 10 -2 н / м-код 2 (10 -4 мм рт. ст. ).

  Засоби Ст т. в сучасній експериментальній фізиці забезпечують роботи еоектрофізичних приладів і установок, в яких здійснюється рух пучків заряджених часток. Лише у надвисокому вакуумі можливі дослідження фізичних властивостей поверхонь твердих тіл, а також деякі дослідження, що вимагають здобуття газів високої чистоти.

  У установках з відкачуваними об'ємами в сотні м-коду 3 здійснюють безперервне відкачування безліччю (до декількох десятків) паралельно працюючих високопродуктивних насосів з прудкістю відкачування від сотень до десятків м 3 /сек . Поряд з дифузійними насосами широко застосовуються іонно-сорбційні, такі, що володіють великою прудкістю відкачування і залишковим тиском нижче 10 -8 н / м-код 2 (10 -10 мм. рт. ст. ).

  Вирішення багатьох складних проблем наука і техніка вимагає досягнення тиску 10 -14 н / м-код 2 (10 -16 мм рт. ст. ) і нижче, а також виміри такого тиску. Для цього необхідні досконалі вимірювальні прилади, високочутливі методи перевірки герметичності і створення достатніх ущільнень в апаратурі для надвисокого вакууму, підготовка і очищення поверхонь відкачуваних об'ємів, яка виключає виділення цими поверхнями забруднюючих газів.

  Літ.: Вакуумне устаткування і вакуумна техніка, під ред. А. Гутрі і Р. Уокерлінг, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1951; Яккель Р., Здобуття і вимір вакууму, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1952; Ланіс Ст А., Льовіна Л. Е., Техніка вакуумних випробувань, 2 видавництва, М. — Л., 1963; Дешман С. Наукові основи вакуумної техніки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Королев Би. І., Основи вакуумної техніки, 5 видавництво, М. — Л., 1964; Піпко А. І., Пліськовський Ст Я., Пенчко Е. А., Устаткування для відкачування вакуумних приладів, М. — Л., 1965.

  І. С. Рабіновіч.

Мал. 6. Перший конденсаційний парортутний насос Ленгмюра: 1 — колба з ртуттю; 2 — ізолююча сорочка; 3 — трубка для відведення пари ртуті; 4 — канал для відведення пари, що сконденсувалася; 5 — пастка; 6 — трубка для під'єднування насоса до відкачуваного об'єму.

Мал. 4. Молекулярний насос Геде: 1 — випускний патрубок; 2 — впускний патрубок; 3 — ротор; 4 — корпус.

Мал. 5. Перший дифузійний насос: 1 — випарник; 2 — паропровід; 3, 5 — вхід і вихід проточної води; 4 — дифузійна щілина; 6 — термометр; 7 — випускна трубка; 8 — ртутний затвор; 9 — патрубок першого відкачування; 10 — впускна трубка.

Мал. 1 (зліва). Шприц Герона. Мал. 2 (справа). Колба Герона для створення розрідження.

Мал. 3. Насос, застосований Геріке в досвіді з Магдебурзькими півкулями. Гравюра 17 ст

Мал. 7. Зони дії різних вакуумних насосів (у н/м 2 ): 1 — водокільцях; 2 — поршневих; 3 — паромасляних бустерних; 4 — механічних бустерних; 5 — дифузійних; 6 — іонно-сорбційних.