Тропатрон

Тропатрон належать до радіочастотних мас-спектрометрів, за допомогою яких можна вимірювати не тільки парціальні тиски складових суміші газів, але й повний тиск цієї суміші.

Ці газові аналізатори за принципом роботи ще називають хронопролітними. Вони виготовляються у вигляді лампи-датчика (рис. 16.4), відкритої з одного боку для приєднання до вакуумної системи і з вмонтованими в ній у відповідній послідовності електродами, такими як вольфрамовий катод, що служить для емісії електронів, які після прискорення позитивним електричним полем анода (А) у вигляді сітки будуть створювати іонізацію залишкових газів, що надходять до простору між катодом і анодом через відкриту частину. Іони, що створилися поблизу анода, прискорюються від’ємним електричним полем першої сітки (С ) у напрямі до наступних трьох сіток, на які подається регульована високочастотна напруга. Ці сітки вмонтовані так, що відстань між ними однакова. Оскільки ці три сітки мають однаковий потенціал, то іони, що потрапляють до області їх розміщення, будуть рухатися рівномірно і матимуть постійні швидкості, що залежать тільки від їх масових чисел і від однакової для них прискорюючої напруги сітки С . Таким чином, різниця у швидкостях іонів залежатиме лише від їх масових

чисел. Більш важкі іони будуть рухатися повільніше, ніж менш важкі, але всі вони матимуть однакову енергію. Якщо подати на ці сітки високочастотну напругу навіть з невеликою амплітудою, то найбільшу енергію отримають іони, період прольоту трисіточного простору яких співпадатиме з періодом високочастотної напруги, тобто резонансні іони. Інші іони після прольоту сітки С будуть мати меншу енергію і не зможуть подолати гальмуючий бар’єр, створений від’ємною напругою сітки С , розміщеної поблизу останнього електрода, який називать колектором іонів (Кл). Іони, що подолали гальмуючий бар’єр сітки С , створюють пік іонного струму. Шляхом регулювання частоти коливань високочастотної напруги можна отримати піки струмів для іонів з масовими числами від 2 до 100 а. о. м.

Іони, які після виникнення в іонізаційному просторі потрапили на сітку С створюють іонний струм, величина якого пропорційна загальному тиску суміші газів, що потрапили з вакуумної системи до аналізатора. За допомогою тропатрона можна вимірювати тиски в діапазоні Торр.

У наш час існують і інші різноманітні конструктивні типи газоаналізаторів – вімірювачів парціальних тисків, але принцип їх роботи в загальному подібний до роботи розглянутих мас-спектрометрів.

Запитання для самоперевірки

1. Який тиск називають парціальним?

1. Як поділяються газоаналізатори залежно від фізичних ефектів, що в них використовуються?

2. Поясніть будову і принцип роботи мас-аналізатора з магнітним розподілом іонів.

3. Що називають масовим числом?

4. Поясніть будову і принцип роботи омегатрона.

5. Поясніть будову і принцип роботи тропатрона.

Лекція сімнадцята

ВАКУУМНІ СИСТЕМИ І ЕЛЕМЕНТИ ЇХ РОЗРАХУНКУ

17. 1. Основні елементи вакуумних систем

Широка потреба використання вакууму стала причиною розробки й створення вакуумних установок як для наукових досліджень, так і для застосування у промисловості. Вакуумна установка складається з вакуумної системи і ряду допоміжних пристроїв, що забезпечують як її роботу, так і специфічні функціі, заради яких розроблялась та, чи інша установка. Отже поняття “вакуумна установка” є більш широким, ніж “вакуумна система”.

Вакуумною системою називають систему взаємно зв’язаних за допомогою вакуумпроводів приладів і пристроїв для створення, вимірювання ступенів вакуума і комутаціі газових потоків. Вакуумні системи можуть мати різне призначення і використовуються як з метою знегаження електровакуумних приладів, до яких відносяться і джерела світла, так і в різних технологічних установках промислового виробництва.

Рис.17.1

До основних елементів вакуумних систем належать вакуумні насоси, вакуумні камери, (наприклад, з герметичним ущільнювачем 1, рис. 17.1, а), конденсійні або виморожувальні (кріогенні) уловлювачі пари різних рідин (кріогенна, рис. 17.1, б) і такі комутаційні пристрої, як клапани (керований електромагнітнітом та з сільфоном, що служить як для герметизаціі, так і для передачі механічних переміщень до вакууму, рис. 17.1, в), вакуумні крани, вентилі, затвори, дозатори газових потоків (натікувачі) (гольчатий дозатор, рис. 17.1, г), вакуумні вводи переміщень (сильфони), вакуумні оглядові вікна і вакуумні з’єднання.

17. 2. Типові вакуумні системи

Численні вакуумні системи можна розподілити за ступенем отриманого вакууму на низько-, середньо-, високовакуумні й надвисокого вакууму.

Низьковакуумні систем мають в основному один низьковакуумний насос і робочий тиск, що створюється у них не нижче за ~ Торр.

Середньовакуумні системи мають два насоси, один з яких створює низький (попередній) вакуум, а інший – середній вакуум, тому такі системи ще називають системами низького й середнього вакууму. Робочий тиск у таких системах можна знизити до ~ Торр.

Рис. 17.2

Високовакуумні системи дозволяють створювати як високий вакуум, так і попередні ступені вакуума. Вони мають додатково до всіх елементів середньовакуумних систем ще високовакуумний насос і дозволяють знизити тиск до ~ Торр. Прикладом такої вакуумної системи може бути наведена на рис. 17.2. До її складу входять такі елементи: обертовий насос низького вакууму 1, комутаційні клапани 2 - 9, уловлювачі пари 10, 12, форвакуумний балон 13, манометричні перетворювачі 14 – 19, насоси для отримання середнього 20 і високого 21 вакууму, увід переміщень 22, електричний увід 22, газоаналізатор 24, технологічна вакуумна камера 25 і кріогенний уловлювач 26. Уловлювач пари 10 запобігає потраплянню пари робочої рідини насоса 20 до обертового насоса 1, уловлювач 11 запобігає потраплянню пари робочої рідини насоса 21 до вакуумної камери, а уловлювач 12 запобігає як потраплянню пари робочої рідини насоса 20 до вакуумної камери, так і пари робочої рідини насоса 21 до насоса 20. Кріогенний уловлювач 26 дозволяє підвищити ступінь вакууму. Манометричні перетворювачі 14 - 19 необхідні як для перевірки і контролю роботи вакуумних насосів, так і для визначення тиску у форвакуумному балоні та вакуумній камері, відповідно. За допомогою комутаційних клапанів можна використовувати вакуумну систему для отримання у вакуумній камері окремо відповідного ступеня вакууму, тобто або низького, або середнього, або високого, підключаючи до роботи той чи інший вакуумний насос. При створенні середнього вакууму наявність форвакуумного балона запобігає порушенню роботи системи при виникненні короткочасної зупинки в роботі низьковакуумного насоса.

Вакуумні системи, в яких можна створювати тиск нижчий ніж у високовакуумних відносяться до систем надвисокого вакууму. Вони обов’язково мають вакуумні камери, що можуть прогріватися з метою зменшення газовиділення конструктивних елементів.

17. 3. Розрахунок тривалості відкачки вакуумної системи

Спочатку отримаємо загальну формулу розрахунку тривалості відкачки. Для цього позначимо об’єм вакуумної системи, у якій буде створюватися вакуум, як , а швидкість її відкачки за тиском , як . Будемо вважати, що натікання та газовиділення відсутні, а зниження тиску в процесі відкачки відбувається за політропним законом, тобто

= Const, (17.1)

де n – показник політропи. Після диференціювання цього рівняння і наступного розділення на проміжок часу отримаємо, з урахуванням, що = ,

==; (17.2)

– приведений об’єм.

Оскільки швидкість відкачкипов’язана з провідністю вакуумпровода U і швидкодією насоса головним рівнянням вакуумної техніки, то для визначення тривалості відкачки можна використовувати формулу

=. (17.3)

Залежно від співвідношення провідності вакуумпровода і швидкодії насоса формула може мати різні варіанти:

а) тривалість відкачки, якщо провідність вакуумпровода значно більша за швидкодію насоса (U>> ).

Це може бути, якщо вакуумпровід короткий і має великий діаметр. Тоді величиною 1/ U можна знехтувати і визначати тривалість відкачки за формулою

=. (17.4)

Після інтегрування в межах (, ); (, ), де швидкодія насоса має середнє значення отримаємо

2, 3. (17.5)

Очевидно, для зменшення похибки підрахунку залежно від вибору середнього значення , необхідно розділити межі інтегрування на декілька послідовних відповідно менших відрізків з окремим вибраним середнім значенням залежно від змінення швидкодії насоса. Тоді загальна тривалість відкачки дорівнюватиме сумі відповідно окремо знайдених. Щоб знати як змінюється швидкодія насоса залежно від тиску, необхідно використовувати паспортні дані вибраного насоса.

Слід зазначити, що в міру зниження тиску у вакуумній системі він може наблизитися до граничного тиску насоса. Тому на останньому - відрізку, якщо < 10, під знаком логарифма слід брати відношення (-)/(-);

б) тривалість відкачки, якщо провідність вакуумпровода значно менша за швидкодію насоса (U<< ).

У цьому випадку можна знехтувати величиною 1/, і тоді

=. (17.6)

Оскільки провідність вакуумпровода залежить від режиму течії газу, то це треба враховувати, і тоді:

1) тривалість відкачкипри молекулярному режимі (провідність не залежить від тиску) визначається за формулою

= 2, 3 , (17.7)

якщо < 10, то під знаком логарифма слід також брати зазначене вище відношення;

2) при молекулярно-в ’ язкісному режимі провідність вакуумпровода залежить від середнього тиску у вакуумпроводі і її можна визначити за формулою

=+122 + 1, 36, (17.8)

де можна прийняти рівним від 0,8 на межі в’язкісного режиму до 1 на межі молекулярного режиму; l – довжина, - діаметр вакуумпровода (м), відповідно; Па,і тоді тривалість відкачки буде визначатися за формулою

= 2, 3 . (17.9)

Оскільки визначення провідності вакуумпровода при цьому режимі течії газу включає і проміжні режими, то тривалість відкачки за наведеною вище формулою можна визначати також окремо для молекулярного або в’язкісного режиму.

При в’язкісному режимі провідність вакуумпровода діаметром (м) і довжиною (м) за середнім тиском =(Торр) визначається простішим виразом: , де

; (17.10)

- середня довжина вільного пробігу молекул газу, визначена за тиском в 1 Торр.

У цьому випадку, використовуючи загальну формулу (17.3), після інтегрування отримаємо, що тривалість відкачки при в ’ язкісному режимі.

==+

+ 2, 3 . (17.11)

Рис. 17-3.

Як приклад розрахунку вакуумних систем розглянемо розрахунок тривалості відкачки повітря при тепрературі 20С від атмосферного тиску 760 Торр (1, 01 Па) до необхідного тиску 4 Торр (5, 32 Па) у вакуумній системі, що наведена на рис. 17.3. Ця вакуумна система складається з циліндричної вакуумної камери 1 відповідних розмірів, розміщеної на підтримуючій плиті 2, з’єднувального перехідного циліндричного патрубка 3 відповідних розмірів, корпуса вакуумного затвора 4, через який приєднується високовакуумний насос, електромагнітного клапана 5, обертового вакуумного насоса 6 та вакуумного трубопровода 7, що має два коліна 8 і 9 з кутом згину 90. Вакуумний трубопровід має діаметр 3, 2 см і загальну довжину 1, 04 м.

Рис.

Вказаний необхідний тиск може бути створений за допомогою механічного обертового насоса ВН-2 МГ попередного вакууму. За паспортними даними залежність швидкодії цього насоса має вигляд, наведений на рис. 17.4.

Будемо вважати, що газовиділення зі стінок вакуумної камери є постійною величиною і дорівнює 1, 88 л. Торр / с (2, 43 м Па / с).

Спочатку визначемо межі за тиском режимів течії газа, за якими буде відбуватися відкачка:

1) межа між в’язкісним і молекулярно-в’язкісним режимами

= 0, 312 Торр (41, 6 Па),

2) межа між молекулярно-в’язкісним і молекулярним режимами

= 4, 7 Торр (0, 624 Па).

Рис. 17.4

Перш ніж розраховувати тривалість відкачки від атмосферного тиску до межі, коли починається в’язкісний режим, порівняємо провідність вакуумпровода і швидкодію насоса.

Швидкодія насоса у цих межах дорівнює 5, 8 л / с (див. рис. 17.4) а провідність вакуумпровода

1, 88=72 л / с,

тобто остання значно більша.

Тепер знаходимо загальний об’єм, що відкачується, а потім приведений об’єм, враховуючи, що коефіцієнт політропи для повітря n = 1, 2 і остаточно тривалість відкачки

=++==(400500+260200+320320) = 99, 2 л,

== 82, 7 л,

= 2, 3= 95 с.

Далі знайдемо тривалість відкачки в межах в’язкісного і молекулярно- в’язкісного режиму, тобто від 1 Торр до 0, 312 Торр.

Спочатку знайдемо загальну провідність вакуумпровода та послідовно з’єднаного з ним електромагнітного клапана ДУ-32 (l =120 мм, d = 32 мм) для в’язкісного режиму.

Вплив наявності колін на вакуупроводі враховуємо введенням ефективної довжини за формулою , де n – число колін.

Провідність вакуумпровода знайдемо за формулою

= 1, 36(м / с),

а клапана -

= 1, 36(м / с),

де m – уточнювальний множник, що вибираємо в межах від 2 до 3.

Загальну провідність вакуумної магістралі знаходимо за формулою послідовного з’єднання

=,

1, 04 + 1, 330, 032 = 1, 125 м;

= 1, 36= 5, 27 м / с = 52, 7 л / с;

= 1, 36= 0, 1977 м / с = 198 л / с;

== 41, 6 л / с.

Використовуємо формулу (17.11) і знаходимо тривалість відкачки у в’язкісному режимі:

=+ 2, 3= 19, 5 с.

Тепер залишилося знайти тривалість відкачки до заданого тиску, тобто від 0, 312 Торр до 4 Торр.

Оскільки ці межі тиску відповідають молекулярно-в’язкісному режиму течії газу, то необхідно буде використовувати і відповідні формули для розрахунку провідностей вакуумпровода і клапана, а також враховувати зміну швидкодії насоса. У з’вязку з цим поділимо цей діапазон тиску на такі відрізки: 1– від 41,6 Па до 20 Па; 2 – від 20 Па до 10 Па; 3 – від 10 Па до 5, 32 Па і на кожному знайдемо середній тиск.

При розрахунках на останньому відрізку необхідно врахувати граничний тиск насоса ВН-2 МГ (= 3, 06 Па) і задане газовиділення.

Провідність вакуумпровода у молекулярно-в’язкісному режимі знайдемо за формулою

= 1, 36+ 122;

провідність клапана –

= +,

де - середній тиск на відповідному відрізку, , - провідність клапана у в’язкісному і молекулярному режимі відповідно. Провідність клапана у молекулярному режимі визначається як 10 % від провідності отвору, тобто = 0, 1, де S – площа отвора. Для повітря ця формула буде такою = 9, 1.

Виконаємо відповідні розрахунки для першого відрізка, на якому

== = 30, 8 Па;

=1, 3630, 8 + 1220, 8 = 0, 042 м / с;

= += 0, 148 м / с;

== 0, 033 м / с.

Оскільки середня швидкодія насоса на цьому відрізку приблизно така, як і раніше, то відповідно до загальної формули тривалість відкачки на цьому відрізку буде

= 2, 3= 12, 3 с.

Розраховуємо тривалість відкачки на другому відрізку, на якому = 15 Па:

=1, 3615 + 1220, 9 = 0, 022 м / с;

= += 0, 076 м / с;

== 0, 017 м / с.

Середня швидкодія насоса на цьому відрізку 4, 5 л / с (рис. 17.4), тому тривалість відкачки

= 2, 3= 16, 2 с.

На останньому відрізку, де середній тиск = 7, 66 Па, необхідно врахувати зростання граничного тиску, що досягається у вакуумній системі через газовиділення зі стінок вакуумної системи (або конструктивних елементів).

Спочатку аналогічно знаходимо загальну провідність вакуумної магістралі

=1, 367, 66 + 1221.0 = 0, 0133 м / с;

= += 0, 042 м / с;

== 0, 01 м / с.

Середня швидкодія насоса на цьому відрізку 1, 6 л / с, тому відповідна середня швидкість відкачки системи буде

== 1, 38 л / с.

Додатковий до граничного тиск, що створюється потоком газовиділення, це =, а граничний тиск насоса ВН-2МГ = 3, 06 Па і тоді загальний граничний тиск у вакуумній системі буде

= += 2, 43 / 0, 00138 + 3, 06 = 3, 24 Па

Тривалість відкачки на останньому відрізку

= 2, 3= 70, 85 с.

Остаточно загальна тривалість відкачки вакуумної системи від атмосферного тиску до заданого буде

=++++= 95 +19, 5 +12, 3 +16, 2 +70, 85 214 с.

Запитання для самоперевірки

1. З яких головних елементів складається вакуумна система?

2. Як розрізняють численні вакуумні системи за ступенем отримуємого вакууму і чим вони відрізняються?

3. Який газовий закон називають політропним?

4. Наведіть загальний вираз для розрахунку часу відкачки ваккумної системи

5. Коли необхідно враховувати вплив граничного тиска при розрахунках часу відкачки?

6. Як знаходять додатковий до граничного тиск, що створюється газовиділенням в вакуумній системі?

7. Як враховується зчини вакуумних магістралей?

ЛІТЕРАТУРА

1. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. – М.: Мир, 1964. – 715 с.

2. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Высш.шк., 1990. – 320 с.

3. Ворончев Т.А., Соболев В.Д.. Физические основы электровакуумной техники. - М.: Высш.шк., 1967. – 352 с.

4. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лифшиц Е.М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика..- М.: Наука, 1969. – 400 с.

5. Фролов Е.С., Русак Ф.А. и др.. Вакуумные системы и их элементы.- М.: Машиностроение, 1968. – 192 с.

6. Королев Б.И. и др.. Основы вакуумной техники.- М.: Наука, 1975. – 463 с.

7. Данилин Б.С. Минайчев В.Е. Основы конструирование вакуумных систем.- М.: Энергия, 1971. – 304 с.

8. Шепілко Є.В. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курса Ваккумна техніка. Харків: ХДАМГ, 2003

9. Волкова З.П., Хотин В.М. Материалы электровакуумного производства.- Л.: Энергия, 1980. – 216 с.

10. Данилин Б.С. Вакуумное нанесение тонких пленок.- М.: Энергия, 1967. – 312 с.

11. Минайчев В.Е. Вакуумное оборудование для нанесения пленок.- М.: Энергия, 1978. – 304 с.

ЗМІСТ

Передмова……………………………………………………………………..
Лекція перша.	Головні параметри та опис стану газів………….
Лекція друга.	Молекулярно-кінетична теорія газів.
Лекція третя.	Число молекул, що ударяються в стінку. Течія газу через отвір у тонкій стінці. Закон Грехема.
Лекція четверта.	Явища переносу в газах…………………………..
Лекція п’ята.	Течія газу через вакуумні магістралі……………
Лекція шоста.	Основні визначення фізико-хімічних явищ при низьких тисках оточуючих газів…………………
Лекція сьома.	Хімічні явища у вакуумі………………………….
Лекція восьма.	Сорбційні явища…………………………………..
Лекція дев’ята.	Теоретичні основи процесу відкачки……………
Лекція десята.	Техніка отримання вакууму. Вакумні насоси…..
Лекція одинадцята.	Обертові насоси…………………………………..
Лекція дванадцята.	Пароструминні насоси……………………………
Лекція тринадцята.	Насоси високого вакууму………………………..
Лекція чотирнадцята.	Вимірювання низьких тисків…………………….
Лекція п’ятнадцята.	Теплові манометричні перетворювачі…………..
Лекція шістнадцята.	Вимірювання парціальних тисків………………..
Лекція сімнадцята.	Вакуумні системи і елементи їх розрахунку……
Література…………………………………………………………………….

Навчальне видання

Конспект лекцій з курсу “Електротехнологічні установки та пристрої. Вакуумна техніка” (для студентів денної форми навчання спеціальності “Світлотехніка і джерела світла”, спеціалізації 7.090606).

Автор Євген Володимирович Шепілко

Редактор М.З. Аляб’єв

План 2005, поз.42

____________________________________________________________________

Підп. до друку 13.04.2005 Формат 60х84 1/16. Папір офісний

Друк на ризографі. Обл.-вид. арк. 5, 0. Умовн.-друк. арк. 4,2. Наклад 100 прим. Замовл. №. Ціна договірна.

____________________________________________________________________

61002, Харків, ХНАМГ, вул. Революціі, 12

Сектор оперативної поліграфії ІОЦ ХНАМГ

61002, Харків, вул.Революції, 12

Дата добавления: 2014-01-07