Свойства вакуума |
Особенности вакуумных систем |
контрольно-измерительная аппаратура |
Течеискатели |
Вакуумные материалы |
Уплотнители и и смазки |
Вакуумные вентили и переходники |
Запорные устройства |
Способы соединения вакуумных систем |
Общие принципы |
Подбор вакуумных насосов |
Масляные средства откачки |
Вакуумометрические приборы |
Вакуумные установки |
Сорбционные средства откачки |
Физические явления в вакууме |
Течение газа в вакуумных системах |
В целом о вакууме и вакуумных системах - Свойства вакуума | ||||||
Поток газа. Процесс откачки подразумевает удаление некоторой массы газа из вакуумируемого сосуда. Скорость откачки, или поток газа, определяется скоростью, с которой уменьшается давление в сосуде. Если первоначально сосуд содержал N молекул массой m каждая, то скорость изменения массы газа в сосуде равна
Подставляя выражение для N из (1.1), получим
В реальных условиях можно считать, что в процессе откачки ни сам газ, ни его температура не изменяются, поэтому
Величины давления и температуры легко измеряются, поэтому поток газа Q удобно выразить в виде
Таким образом, измеряя Q в каждом конкретном случае при постоянных m и Т, можно определить массовый расход газа:
где Q измеряется в Па*м3*с-1.
Если существует перепад давлений в отверстии или канале при постоянной температуре, то через него всегда будет истекать газ, содержащийся в объеме. В условиях молекулярного течения поток газа Q через канал прямо пропорционален разности давлений:
где С — коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров канала и называемый коэффициентом проводимости. Таким образом, уравнение (1.17) является определением проводимости. Из этого определения следует, что общая проводимость/ С двух каналов с проводимостями C1 и C2 равна: C = C1 + C2 при параллельном соединении и (1.18) 1/C= 1/C1 +1/C2 при последовательном соединении. (1.19) Рассмотрим два сосуда большого объема, с общей перегородкой, в которой имеется небольшое отверстие. Диаметр отверстия значительно меньше длины свободного пробега молекул. Если объемы сосудов настолько велики, что поток газа сквозь отверстие не вносит существеного изменения в распределение молекул в камерах, то давление внутри каждого сосуда можно считать постоянным. Если температура сосудов одинакова, а давление разное, то в условиях установившегося течения общее число молекул, вытекающих из сосуда высокого давления в сосуд низкого давления за единицу времени, согласно (1.9), определяется выражением Следовательно, массовый расход газа равен
Используя выражение (1.16), получим
Приравнивая выражения (1.21) и (1.17), найдем коэффициент проводимости отверстия:
Таким образом, проводимость отверстия зависит от температуры, массы молекул газа и площади отверстия. Течение газа через канал в условиях молекулярного течения означает, что молекулы газа при протекании по каналу сталкиваются, главным образом, со стенками канала и весьма редко — друг с другом. Обычно принимают, что поверхность стенки по отношению к молекуле не является гладкой. Поэтому, хотя удары молекул о стенку упругие, закон зеркального отражения для них не выполняется. Таким образом, молекулы после столкновения с поверхностью рассеиваются диффузно, в результате чего их распределение по углу 0 относительно нормали определяется законом косинуса. Исходя из этого, можно получить вы- Если канал не бесконечен, но достаточно длинен для того, чтобы можно было пренебречь влиянием открытых концов, то расход можно считать постоянным и, следовательно, dp/dx можно заменить на (p1—p2)/L, где L — длина канала. Таким образом, проводимость длинного канала определяется выражением
Для коротких каналов, у которых площади проходных сечений сравнимы с площадью стенок, Дэшман показал, что приближенное значение коэффициента проводимости определяется комбинацией проводимостей канала и отверстий. Используя выражение для коэффициента проводимости (1.19) при последовательном соединении каналов и выражения (1.22) и (1.24), можно получить эффективный коэффициент проводимости короткого канала:
На рис. 1.2 представлены результаты расчета коэффициента проводимости коротких каналов, выполненного Клаузингом. Более точные расчеты с использованием ЭВМ, проведенные Коуллом для каналов кругового сечения, подтвердили удовлетворительную достоверность данных Клаузинга для большинства конкретных случаев. При определении общей проводимости вакуумной системы по проводимостям ее элементов необходимо иметь в виду, что представленные выше выражения справедливы в предположении, что концы каналов открыты в большие объемы, т. е. ничем не ограничены, и что градиент давления вдоль канала остается постоянным. На практике эти условия не выполняются, особенно для каналов с переменным диаметром, вследствие чего возникают погрешности при расчете проводимости. В случаях, когда необходимо знать точное значение коэффициента проводимости канала сложной конфигурации, следует использовать, как упоминалось выше, численные методы, позволяющие определять вероятностный массоперенос с учетом реальных траекторий движения частиц в системе. |
= | |