2.6 Електричні явища у вакуумі

Проходження електричного струму через гази супроводжується переміщенням електронів і позитивних іонів під дією зовнішнього електричного поля. При відсутності цього поля енергетичний розподіл електронів, іонів і нейтральних молекул однаковий.

Середню довжину вільного пробігу електронів у вакуумі можна розрахувати так само як і для молекул за формулою (1.18```). Але, урахування того, що маса і діаметр електронів значно менший ніж у молекул, можна отримати спрощений вираз:

, (2.22)

де n - концентрація молекул газу; d - ефективний діаметр молекул газу.

Іонізація молекул залишкових газів з утворенням вільних електронів і позитивних іонів можлива під дією випромінювання з енергією, що перевищує енергію іонізації. Найчастіше для іонізації надлишкових газів використовується електронне бомбардування. Процес іонізації характеризується ефективністю іонізації молекул ( ), тобто числом пар іонів утворених одним електроном на шляху в один метр при тиску 1Па. Залежність від прискорюючої напруги U представлена на рисунку (2.9) і має характерний максимум, що відповідає енергіям електронів 100-150 еВ. Молекули з великими атомними числами мають більш високі значення ефективності іонізації.

Електропровідність газового проміжку при самостійному розряді залежить від тиску. При низькому вакуумі електрони під дією зовнішнього електричного поля не встигають отримати енергію необхідну для іонізації молекул газу(мала СДВП).Електропровідність газу мала.

При високому вакуумі в зв’язку з малою кількість заряджених частинок електропровідність газу ще менша.

Рис. 2.9. Залежність ефективності іонізації молекул газів електронним бомбардуванням від прискорюючої напруги

В області середнього вакууму спостерігаються найбільші значення електропровідності газів. Проходження електричного струму через розрідженні гази в області середнього вакууму супроводжується світінням газу, яке залежить від роду газу і тиску. Це явище використовується для визначення тиску і складу газу. Наприклад, при тисках 10³Па розряд має вигляд тонкого шнура, який при тисках 10²Па заповнює весь простір розрядної трубки. Про рід газу можна судити за кольором розряду: повітря світиться голубим, кисень – жовтим, гелій – рожевим, пари води – блакитно-білим, аргон – фіолетовим, неон – червоним.

2.7 Теоретичні основи процесу відкачування

До початку роботи вакуумного насосу тиск по всій вакуумній системі (рис.2.10) однаковий і газ нерухомий. З початком роботи насосу газ переміщується з робочого об’єму по трубопровіднику в насос. При цьому кількість газу у вакуумній системі безперервно зменшується. Оскільки об’єм системи і температура газу залишаються практично незмінними, відбувається зниження тиску у вакуумній системі. Тиск на вході в насос (Р₂) стає нижчим, ніж тиск на виході з робочого об’єму (Р₁). Різницю тисків Р₁-Р₂ називають рухомою різницею тисків.

Рис.2.10. Схема вакуумної системи: 1 - робочий об’єм; 2, 3 – манометричні перетворювачі; 4 – насос; 5 – з’єднувальний трубопровід

Швидкістю відкачування насоса (S_і) в довільному перерізі (і) називають об’єм газу, який проходить через даний переріз за одиницю часу:

. (2.23)

Швидкістю відкачування об’єкта (робочої камери) або ефективною швидкістю відкачування називається об’єм газу, що надходить за одиницю часу з відкачуваного об’єкта у трубопровід через переріз І при тиску Р₁ і відповідно:

. (2.24)

Швидкістю дії насоса (швидкістю відкачування) називається об’єм газу, що видаляється насосом за одиницю часу через переріз ІІ (вихідний патрубок) при тиску Р₂:

. (2.25)

Відношення швидкості відкачування об’єкта до швидкісті дії насоса називається коефіцієнтом використання насоса:

. (2.26)

Продуктивність вакуумного насоса Q називається потік газу, що проходить через його вхідний переріз. Для стаціонарного потоку виконується умова неперервності течії:

(2.27)

Вимірюється у м³Па/с.

Провідністю елемента вакуумної системи називається відношення кількості газу, що протікає через елемент за одиницю часу до різниці тисків на його кінцях:

. (2.28)

Опором елемента вакуумної системи називається величина обернена до його провідності:

. (2.29)

Якщо ділянки трубопроводу з різними поперечними перерізами та довжинами з’єднати послідовно то. зазвичай окремо розраховуються провідності ділянок, а загальна провідність трубопроводу і його опір визначаються за формулами:

або . (2.30)

Якщо ділянки трубопроводу з різними поперечними перерізами та довжинами з’єднати паралельно то зазвичай окремо розраховується провідності ділянок, а загальна провідність трубопроводу і його опір визначаються за формулами:

або . (2.31)

Встановимо зв'язок між трьома основними характеристиками вакуумної системи: швидкістю дії насоса S_н, ефективною швидкістю відкачування об'єкта S_еф і провідністю вакуумної системи між насосом і відкачуваним об'єктом U:

,

(2.32)

.

Якщо переписати співвідношення (2.32) у вигляді

;

,

то, після віднімання першого виразу від другого, отримаємо основне рівняння вакуумної техніки

. (2.33)

Дане рівняння можна подати у вигляді зручному для аналізу:

. (2.34)

Отже, якщо S_н=U то з формули (2.34) отримаємо, що S_еф=0,5S_н. Якщо U→, то S_ефS_н. При низькій провідності системи U0 і, як наслідок, ефективність відкачки S_еф0. Це дозволяє розуміти , як властивість спричиняти опір проходженню потоку газу або рідини.

Граничний тиск насоса р_гр - це мінімальний тиск, який може забезпечити насос, працюючи без відкачуваного об'єкта. У вакуумній техніці тиск р_гр називають граничним вакуумом. Швидкість дії насоса при наближенні до граничного тиску наближається до нуля. Неможливість безмежного пониження тиску обумовлюється тим, що кожен реальний насос характеризується натіканням (зворотним потоком) газів або парів на власний вхід. Зворотний потік може складатися з парів робочої речовини, які проникають через механізм насоса, газів, що виділяються з конструктивних матеріалів, та газів, що натікають з довколишнього середовища через ущільнення. З пониженням тиску потік відкачуваного газу, який проходить через насос, зменшується, тоді як зворотний потік залишається практично сталим і тому настає момент, коли вони стають рівними і тиск на вході насоса перестає зменшуватися.

Найменший робочий тиск вакуумного насоса р_м - це мінімальний тиск, при якому насос тривалий час зберігає номінальну швидкість дії. Найменший робочий тиск приблизно на порядок вищий за граничний. Використання насоса для роботи при тисках між граничним та найменшим робочим економічно невигідно через погіршення його питомих характеристик.

Найбільший робочий тиск вакуумного насоса р_б - це максимальний тиск, при якому насос тривалий час зберігає номінальну швидкість дії. У робочому діапазоні від найменшого до найбільшого робочого тиску забезпечується ефективне застосування насоса для відкачки вакуумних установок.

Тиск запуску вакуумного насоса р₃ - це максимальний тиск у вхідному перерізі насоса, при якому він може починати роботу. Тиск запуску помітно перевищує найбільший робочий тиск. Для деяких типів насосів, наприклад магніторозрядних, ця різниця може досягати 2-3 порядків. Не всі насоси можуть починати роботу з атмосферного тиску; для деяких потрібно попереднє розрідження - "форвакуум".

Найбільший випускний тиск р_в - максимальний тиск у вихідному перерізі насоса, при якому він може здійснювати відкачку. Усі прилади, в яких найбільший випускний тиск нижчий за атмосферний, повинні мати на виході так званий форвакуумний насос, який створює необхідний форвакуум. Цей параметр особливо важливий для струминних насосів, в яких перевищення найбільшого випускного тиску 10^-2-1 мм рт.ст. може призвести до руйнування струменя пари та попадання великої кількості пари робочої рідини у відкачуваний об'єкт. Відзначимо, що найбільший випускний тиск струминних насосів практично співпадає з найбільшим тиском запуску. Як форвакуумні насоси найчастіше використовуються насоси об'ємної дії, наприклад, Механічні вакуумні насоси з масляним ущільненням.

Вакуумні насоси можна розділити за діапазонами тисків, в яких вони мають оптимальну швидкість дії, тобто за робочими тисками. На рис. 2.11 умовно показані вказані області тисків для найбільш поширених типів насосів.

Рис.2.11. Діапазони робочих тисків вакуумних насосів

У нижній частині рисунка наведено шкалу ступенів вакууму. Насоси, які працюють у діапазоні 760 - 1 мм рт. ст. називають низьковакуумними. До них належать поршневі, водоструминні (рідинно-струминні), Механічні пластинчасті та деякі типи адсорбційних насосів.

За час відкачування вакуумної системи тиск газу зменшується і одночасно змінюються режими течії газу. При порівняно високих тисках та значних швидкостях спостерігається турбулентний режим течії газу. Він характеризується хаотичним, неоднорідним рухом мас що взаємодіють між собою.

При поступовому зменшенні тиску швидкість течії газу також зменшується. міняється характер потоку: утворюються шари газу що переміщуються паралельно, швидкість переміщення цих шарів поступово зростає від нуля до максимуму в напрямку від стінки трубопроводу до його осі. Така течія називається ламінарною або вязкісною.

Перехід від турбулентної течії до в’язкісної визначається досягненням критичного значення деякої безрозмірної величини – числа Рейнольдса.

, (2.35)

де - середня швидкість газу; d - діаметр трубопроводу; p - тиск газу; - густина газу; - коефіцієнт динамічної в’язкості; Q - потік газу; A - площа поперечного перерізу трубопроводу.

При обчисленні числа Рейнольдса зручніше користуватись співвідношенням вираженим через потік газу:

, (2.35`)

де m - маса молекули; k - стала Больцмана; T – температура.

Критичним вважають значення Re=2200, вище якого може існувати тільки турбулентний режим течії.