20596

Ионно-сорбционная откачка

Лекция

Физика

Этот способ удаления газа получил название ионной откачки. Максимальная удельная геометрическая быстрота ионной откачки может быть определена по формуле: где μ коэффициент внедрения ионов удельная частота бомбардировки плотность ионного тока q электрический заряд; n молекулярная концентрация газа. Сорбционная активность этих пленок используется для хемосорбционной откачки. Поглощение инертных газов пленками практически не происходит что требует для их удаления применения вспомогательных средств откачки наиболее удобными...

Русский

2013-07-31

361.5 KB

3 чел.

125

Ионно-сорбционная откачка

Ионно-сорбционная откачка использует два способа поглощения газа:

  •  внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля;
  •  химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов.

Высокоэнергетические ионы или нейтральные частицы, бомбардируя твердое тело, проникает в него на ширину, достаточную для его растворения. Этот способ удаления газа получил название «ионной откачки».

На рис.   Показано равновесное распределение концентрации при ионной откачке в объеме неограниченной пластины толщиной 2R, расположенной внутри корпуса.  

Максимальная удельная геометрическая быстрота ионной откачки может быть определена по формуле:

,

где μ- коэффициент внедрения ионов,

- удельная частота бомбардировки,

- плотность ионного тока, q- ??? электрический заряд; n - молекулярная концентрация  газа.

Коэффициент внедрения учитывает частичное отражение и рассеивание, возникающее при ионной бомбардировке. Коэффициент внедрения сильно зависит от температуры тела и слабо - от плотности тока и ускоряющего напряжения. Значение  наблюдается для Тi, z2 при Т~300÷500К.

Максимальное значение концентрации растворенного газа при ионной откачке можно определить из условия равновесия газовых потоков:

 

;     ,

 D - коэффициент диффузии паров в твердом теле. Градиенты концентраций определяются соотношением:

;

,

где hE- глубина внедрения ионов; Е- ускоряющее напряжение; Smax и S0- максимальная и начальная концентрация поглощенного газа; с=(0,7÷1)нм/кв.

Так как величина h мала по сравнению с 2R, то величиной N2 можно пренебречь.

.

Отсюда следует выражение для максимальной концентрации растворенного газа:

.

Если величина Smax, превышает максимально возможную в данных условиях растворимость газа в металле, то поглощенный газ начинает объединяться в пузырьки, вызывая разрыв металла. Это явление получило название «блистер-эффект». 

По известному значению Smax можно подсчитать общее количество газа, которое будет поглощено единицей поверхности:

.

Во время ионной бомбардировки среди многих физических процессов наблюдается распыление материала, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды и корпус насоса. Сорбционная активность этих пленок используется для хемосорбционной откачки. Показателем активности сорбционной пленки является теплота адсорбции поглощенного газа на материале пленки.

Все газы, кроме инертных поглощаются за счет сорбции. Поглощение инертных газов пленками практически не происходит, что требует для их удаления применения вспомогательных средств откачки, наиболее удобными из которых является ионная откачка.

Наибольшее распространение в качестве распыляемых материалов получили: Ti, Zr, Ta, Ba, Mo, W, Fr/

Для повышения эффективности хемосорбционной откачки тепла часто ??? из специальных испарителей независимо от ионной откачки.

Поглощение газов ??? может носить поверхностный или объемный характер. При поверхностном поглощении на начальном участке сорбционной кривой количество сорбированного газа пропорционально времени сорбции; при объемном поглощении – за счет диффузии газов ???- кратно квадратному из времени сорбции.

Расчет и проектирование вакуумных систем

Вакуумная система состоит из пароструйных и вращательных насосов . В откачиваемом объеме 1 вакуум 10-5÷10-3Па создается пароструйным насосом 8. Ловушка 16 (охлаждается азотом) снижает обратный поток паров рабочей жидкости насоса и откачиваемый объем. Затвор 4 отсоединяет объем и позволяет проверять эффективность ловушки по манометру 5, работоспособность насоса по манометрам 6 и 7.

Манометр 7 – термопарный, 6- позиционный. Манометры 2,3 измеряют вакуум в процессе откачки, а при отключенной вакуумной системе позволяют замерить натекание и газовыделение в откачиваемом объекте. Ловушка 10 охлажденная водой снижает загрязнение высоковакуумного насоса парами рабочей жидкости.

Работу вращательного насоса 14 можно проверить при закрытых клапанах 12 и 15 по манометру 13. клапан 15 применяется для напуска атмосферного воздуха в механический насос во время его остановки для предотвращения попадания рабочей жидкости насоса в вакуумную систему. Автоматический клапан 11 закрывается при случайном отключении электросети и остановке вращательного насоса. Клапан 15 при этом автоматически открывается.

Основными недостатками этой схемы являются: высокое предельное давление (>10-5Па), загрязнение откачиваемой камеры парами рабочей жидкости насоса; малая быстрота откачки; большое количество вспомогательной аппаратуры; большой расход электроэнергии.

Преимущества- высокая надежность.

Для снижения предельного давления и уменьшения загрязненности парами масла откачиваемого объекта, его можно предварительно прогреть.  (1,2,3,4,16) – прогревать. Температура прогрева ~400÷4500С.

Эксплуатация такой системы с двумя азотными ловушками или сорбционной ловушки позволяет получать вакуум ~10-8÷ 10-9Па.

Комбинированная система откачки

Получение сверхвысокого вакуума осуществляется с помощью сорбционного 1, пароструйного 10 и вращательного насоса 13, причем ??? давление в откачиваемом объеме ~10-9Па. Вся сверхвысоковакуумная часть системы 15(3,6,2,5,4) прогревается с целью обезгаживания.При прогреве системы она откачивается вспомогательной откачивающей системой (7,5,9,10,11,12,13,14).

Давление запуска сорбционных насосов ~10-3÷10-4Па, что позволяет использовать любые типы сорбционных насосов и, в частности, ионно-миттерные, имеющие наиболее низкое давление запуска.

Преимущества: надежность запуска сорбционных насосов; низкое предельное давление за счет обезгаживания всех объектов и сорбционного насоса.

Недостатки: возможность загрязнения откачиваемого объекта  парами рабочей жидкости пароструйного насоса; ухудшение параметров сорбционных насосов, за счет загрязнения электродов продуктами крекинга паров масел в газовом разряде.

Безмасляная сорбционная откачка

В этом случае запуск и обезгаживание сорбционного насоса 12 производится с помощью двух последовательно работающих адсорбционных насосов. Один из них 7 откачивает атмосферный воздух из объекта 1 и вакуумной системы, а второй 8 поглощает газы, выделяющиеся при прогреве сверхвысоковакуумной системы.

Клапаны 5,9 предназначены коммутации насосов, а клапан 6- для выпуска откачиваемого газа в атмосферу. Обезгаживание системы можно проводить при Р~10-1Па, т.к. окисления не происходит вследствие того, что спектр остаточных газов адсорбционных насосов содержит в основном инертные газы и водород. Температура обезгаживания ~300÷4000С.

 

Выбор коэффициентов использования насоса

Отношение эффективности быстроты откачки насоса к быстроте откачки во входном патрубке называется коэффициентом использования насоса.

Вводя коэффициент  использования насоса в основное уравнение вакуумной техники, получим:

 Определение оптимального значения коэффициента использования для любой вакуумной системы проводится исходя из экономических соображений. При этом, необходимо учитывать, что приувеличении коэффициента использования уменьшаются затраты, связанные с приобретением и эксплуатацией вакуумных насосов, но увеличиваются расходы на изготовление трубопроводов и арматуры.  

Стоимость откачки одного литра газовой смеси, (кот/л):

где - срок окупаемости; - стоимость насоса; - стоимость трубопроводов, затворов, ловушек и другой вспомогательной аппаратуры; - эксплуатационные расходы на насос; - эксплуатационные расходы на аппаратуру; - постоянные.

Уравнение можно представить в виде:

,

где ;   

;

;  

или проинтегрировав по :

Для упрощения положим .

Тогда имеем:

или для :

,

где

представляет собой отношение затрат на приобретение и эксплуатацию аппаратуры к затратам на приобретение и эксплуатацию насосов.

Если , т.к. всегда меньше 1, найдем .

Зависимость  приведена на рис.   

Определение суммарного газовыделения и натекания

Газовый поток, откачиваемый насосом, во время работы вакуумной установки представим в виде:

,

где - газовыделение конструкционных материалов;

-натекание через оболочку камеры;

- техническое газовыделение;

- поток газа, находившегося в вакуумной камере до начала процесса откачки.

Газовыделение из конструкционных материалов происходит за счет процессов: адсорбционного газовыделения; диффузионного газовыделения; газопроницаемости. Их расчет мы рассмотрели ранее.

Адсорбционного газовыделение деталей, прошедших вакуумную откачку непосредственно в вакуумной камере, можно пренебречь. Особенно нежелательным является газовыделение паров воды и масла. Конструктивным способом уменьшения этих явлений является использование загрузочных устройств.

Диффузионное газовыделение можно существенно снизить путем обезгаживания установки за счет ее прогрева при температуре ~400÷10000С.

Газопроницаемость зависит от толщины вакуумных материалов. Ее нужно обязательно учитывать для деталей, имеющих малую толщину, сильфонов, мембран и др.  

Конструктивным способом уменьшения газопроницаемости является использование установок с двойным вакуумом.

Для определения удельного газовыделения можно воспользоваться формулой:

, где

Материалы

Обработка

Удельное газовыделение после часа откачки q,

А

В

Х18Н10Т

без обработки

1,75·10-4

-3,4

7,3·10-5

--

обезгаживание,

 t=15 час, Т=4500С

10-810-10

-

-

Сталь45

без обработки, хромирование, обезгаживание,

t=15 час, Т=4500С

4,1·10-4

1,3·10-7

10-810-10

-3,2

-

-

4,2·10-5

-

-

Медь

без обработки, обезгаживание,

t=15 час, Т=4500С

2·10-4

10-810-10

-3,5

-

4,0·10-5

-

Латунь

без обработки

3,3·10-4

-3,4

3,1·10-5

Алюминий

без обработки

6·10-6

-

-

Никель

без обработки

7·10-6

-

-

Резина вахуп

без обработки

10-2

-

-

Фторопласт

без обработки

3·10-4

-

-

Тогда суммарное газовыделение в вакуумной камере (ВК) можно рассчитать:

,

где  - удельное газовыделение в ВК;

-площади поверхностей соответствующих материалов, обращенных в вакуум; n- число материалов.

Натекание через оболочку ВК происходит как по разборным, так и неразборным соединениям, которые не могут обеспечить герметичность, так и по сплошному материалу.

- наименьший поток, регистрируют ???, m- число проверяемых соединений; кв=0,10,3.

Технологически газовыделение связано с типом обрабатываемого объема и способом осуществления технологического процесса. В проектировочных расчетах const.

Все составляющие газового потока, являются функцией времени работы установки.

0-t1- время неустановившегося режима работы Qpv существует также здесь.

Выбор вакуумных насосов

Выбор вакуумных насосов производится при установившемся режиме работы при заданном газовом потоке и рабочем давлении. При этом условием установившегося режима является равенство быстрот откачки и газовыделения.

,

где - быстрота газовыделения;

- эффективная быстрота откачки насоса; Р- рабочее давление; - коэффициент использования насоса; - быстрота откачки насоса при давлении Р;

Быстроту откачки насоса при давлении Р можно определить, рассматривая производительность насоса  Q как разницу прямого Qп и обратного Qоб потоков в трубопроводе:

где - минимальная быстрота откачки газа.

При , Q=0;  ,

Тогда

, или

.

Воспользовавшись уравнением сплошного потока

Возвращаясь к предположению об установившемся характере течения газа, получим:

,

откуда можно найти быстроту откачки насоса , указываемую в каталогах на вакуумное оборудование:

Это уравнение при заданных Q, ки, Р можно  использовать для выбора вакуумных насосов по быстроте откачки ( при этом необходимо иметь в виду, чтобы Рпр<< kиР). По этой формуле можно выбрать и все последующие насосы. При этом рабочим давлением  

I-го насоса Р=Рi будет максимальное выпускное давление предыдущего насоса, а для сорбционных насосов их давление запуска Рв(I-1):

,

где - коэффициент запаса .

Определение конструктивных размеров соединительных трубопроводов и

Арматуры

Для определения общей проводимости трубопровода от насоса до откачиваемого объекта воспользуемся равнением:

,

где - общая проводимость вакуумной системы от насоса до объекта.

  Быстрота действия насоса в этом выражении выбирается из таблиц с запасом

К=1,21,6.

Если на участке   вакуумной системы от насоса до объекта имеется несколько последовательно соединенных элементов – трубопроводов , клапанов, ловушек и т.п. (m элементов), то:

.

Если , то , т.е. общая проводимость трубопровода всегда меньше, чем проводимость любого из элементов.

При параллельном соединении элементов вакуумной системы:

Когда проводимости отдельных элементов трубопровода найдены, необходимо задать им конструктивные размеры.

При определении размеров трубопровода, его длинной задаются исходя из условия размещения элементов вакуумной системы. Диаметры трубопроводов и отверстий рассчитываются по их проводимости из формул (приведены в разделе «проводимость»).

Режим течения можно выбрать по рабочему давлению и диаметру входного патрубка насоса.

Сложные элементы- ловушка, клапаны, затворы- чаще всего выбираются стандартными по известной проводимости. В тех случаях, когда это позволяет, разрабатывают нестандартные элементы.

Проводимость или вероятность происхождения элемента вакуумной системы молекулой газа в молекулярном режиме течения:

,

где - проводимость элемента;

- проводимость входного отверстия.

,

можно представить в виде функции, зависящей от отношения размеров элементов: d1; l1- длина и диаметр трубопроводов;   -диаметр входного отверстия.

Значение указанной функции известно, т.к. известна проводимость элемента и диаметр входного отверстия , обычно равный диаметру предыдущего элемента.

Рассмотрим пример расчета проводимости ловушки с непрочными щитками:

Сопротивление такой ловушки при молекулярном режиме течения можно представить как сумму сопротивлений четырех отверстий диаметром , имеющих проводимость (л/с) и трубопровода - (л/с);

,

где ;       ( d и l в м )

.

Рассчитаем проводимость элемента, зависящую только от соотношения геометрических элементов.

Так как U задано, а  выбирается равным диаметру предшествующего элемента, то, если задано соотношение , проходимость элемента будет известна. Воспользовавшись тем, что , можно найти наружный диаметр ловушки:

,

а затем и все остальные размеры.

Расчет форвакуумного баллона

Форвакуумный баллон устанавливается между высоковакуумным насосом и насосом предварительного разрежения. Он позволяет выключить на длительное время вращательный насос во время работы установки. Поток газа, откачиваемый высоковакуумным насосом, попадает в форбаллон и увеличивает давление в нем от минимального Рн, которое достигается при работающем форвакуумном насосе, до максимального   Рк , близкого к максимальному выпускному давлению высоковакуумного насоса. Промежуток времени, в течение которого может быть отключен вращательный насос, удобно выбирать равным времени установившегося режима установки. 

Если поток газа, проходящий через вакуумный насос, идет на повышение давления в форбаллоне, то можно записать уравнение сохранения массы:

где - объем форбаллона; -время работы насоса после отключения форвакуумного насоса.

Объем форбаллона получается из уравнения:

.

Здесь ;      ,

где - максимальное выпускное давление высоковакуумного насоса; - быстрота откачки вращательного насоса; - коэффициент использования вращательного насоса при откачке форбаллона при давлении .

Если в форбаллоне расположить адсорбент, количество поглощенного газа, а котором:

,

где - объем адсорбента [см3];

- коэффициент адсорбции при температуре Т (для активированного угля К293=102103; К77=106107), то уравнение для рабочего форбаллона с адсорбентом , можно записать в виде:

, откуда

,

где - время работы форвакуумного баллона с адсорбентом. Если весь баллон заполнен адсорбентом, то . С учетом пористости адсорбента , объем форбаллона рассчитываем из уравнения:

.

Продолжительность форбаллона при его заполнении адсорбентом возрастает:

.

Т=293К; К293=103; .

Т=77К; К77=106;   .

Таким образом, применение адсорбента уменьшает требуемую величину объема форбаллона.

Расчет длительности откачки приквазистационарном течении газа и постоянном газовыделении и натекании

Стационарным течением газа называется такое, когда давление и поток неизменны по времени, а режим течения газа одинаков по всей длине трубопровода.

В реальных условиях это трудно соблюсти. Поэтому для упрощения расчетов будем определять длительность откачки для квазистационарного течения газа .

 Квазистационарным течением газа будем называть такое, при котором разность давления на концах трубопровода мала по  сравнению со средним давлением в нем, объем трубопровода значительно меньше объема откачиваемого сосуда и в трубопроводе в каждый момент времени существует только один режим течения газа.

Будем считать, что процесс откачки прорисходит так медленно, что температура газа в сосуде постоянна и равна температуре стенок сосуда- Т. Тогда за время dt из сосуда 1 объема v удаляется количество газа, равное SэPdt, где Р- давление в сосуде 1(Р=var в процессе откачки);  

 Sэ - эффективная скорость откачки.

За этот же промежуток времени в объем сосуда поступает с постоянной скоростью количество пара, равное:

,

где , - газовыделение; - газонатекание.

Изменение количества газа в сосуде за время dt составит

, где V- объем сосуда.

Таким образом, уравнение материального баланса, имеет вид:

.

Или после разделения переменных:

 

откуда в предположении, что и  не меняются , найдем

,

где - начальное давление в сосуде.

При очень быстрой откачке изменение состояний газа в сосуде политропическое и поэтому, можно получить:

,

где n- показатель политропы.

Из выражения для t следует, что при длительной откачке, т.е. при  , имеем:

, т.е.  , где

- наименьшее давление, которое может быть достигнуто в системе.

По этим формулам длительность откачки определяется для случая, когда  и .

В тех случаях, когда  и  в процессе откачки, весь период откачки разбивают на отдельные участки по давлению, внутри каждого из которых газовыделение, натекание, эффективную быстроту откачки можно принимать постоянными. При этом:

,

где t - общее время откачки,R – число участков, на которые разбит период откачки, ti – длительность откачки на I-ом участке, определенное по вышеприведенным формулам.

Расчет времени неустановившегося режима работы вакуумной системы

Будем считать, что течение газа происходит изотермически , т.е. PV=const.

Продифференцировав это выражение, поделив обе его части на dt и учитывая, что , получим:

.

Проинтегрируем это выражение в пределах от t1 до  t2  и от P1 до  P2. В результате получим для времени неустановившегося режима работы установки:

В общем случае быстрота откачки объема S в подынтегральном выражении есть функция давления:

,

где - быстрота откачки насоса;

- коэффициент использования насоса;

 проводимость между насосом и откачиваемым объемом; Р- текущее давление; Q – суммарное газовыделение и натекание.

Рассмотрим частные случаи:

  1.  S=const; U=const; Q0; Такой случай возможен для высоковакуумных насосов при молекулярном режиме течения газа по трубопроводу, когда Sн=const; U=const; Q0; Тогда из полученного уравнения ,      ,

  1.  Sн=const; U=CP; Q0; Этот случай характерен для работы вращательных насосов при вязкостном режиме течения газа по трубопроводу. Получим:

.

Поскольку Q нельзя считать равным нулю, необходимо пользоваться графо-аналитическим методом расчета времени откачки, Построим графики эффективной быстроты откачки вакуумных насосов в откачиваемом объеме  и быстрот газовыделения и натекания .

Разобьем весь диапазон давлений от атмосферного до рабочего на несколько участков: P1; P2;    Pi; Pi+1, в каждом из которых определим в первом приближении среднюю величину:

Время откачки в этом случае может быть определено по формуле:

                   

                                      ,

где n- число участков, на которые разбит весь диапазон изменения давления в установке.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7282. Економічна система суспільства. Типи і еволюція економічних систем 53 KB
  Тема 4. Економічна система суспільства План лекції Економічна система: її сутність та структурні елементи. Типи і еволюція економічних систем. Сучасні тенденції в розвитку економічних систем. Економічна система: її сутність та с...
7283. Колективні договори й угоди 125.5 KB
  Лекція 5. Колективні договори й угоди § 1. Поняття колективного договору В усіх країнах колективний договір традиційно розглядається як бажаний засіб фіксації заробітної плати та інших умов найму, регулювання відносин між підприємцями і працівниками...
7284. Діловий протокол. Зовнішній вигляд ділової жінки, чоловіка 71.5 KB
  Тема: Діловий протокол План Візитні картки: типи, ціль, місце використання. Ділові подарунки: значення, вибір, оформлення. Зовнішній вигляд ділової жінки, чоловіка. Візитні картки стали незамінним засобом ділового спілкування. Їх п...
7285. Попит, пропозиція, їх взаємовідносини 122.5 KB
  Попит, пропозиція, їх взаємовідносини План: Попит, його види, закон попиту, детермінанти попиту. Еластичність попиту. Види еластичності. Пропозиція, її види, закон пропозиції, детермінанти пропозиції. Еластичність п...
7286. Студентське самоврядування як невідємна складова демократизації вищої школи 118 KB
  Структура і організація роботи органів студентського самоврядування вищого навчального закладу. На сьогоднішній день права і обовязки студентів вищих навчальних закладів України закріплюються в таких основних нормативно-правових актах.
7287. Правоохоронна та правозахисна діяльність посадових осіб органів внутрішніх справ 136.5 KB
  Правоохоронна та правозахисна діяльність посадових осіб органів внутрішніх справ План лекції 1. Діяльність органів внутрішніх справ щодо захисту прав і свобод людини. 2. Функції ы завдання органів внутрішніх справ при забезпеченні прав і свобод люди...
7288. Тісто прісне здобне і вироби з нього 51.5 KB
  Тісто прісне здобне і вироби з нього. Тісто прісне здобне і вироби з нього (рецептура, режим замішування). Пиріжки печені з різноманітними фаршами, технологія їх приготування. Тарталетки, технологія приготування...
7289. Комунікативна діяльність людини 84.5 KB
  Комунікативна діяльність людини Мовне спілкування в еволюції людини. Відмінності комунікації людей і тварин. Гіпотези про походження мови. І. Мовне спілкування в еволюції людини. Чарльз Дарвін назвав людину дивом і славою сві...
7290. Точка в системі трьох площин проектування 402 KB
  Точка в системі трьох площин проектування При виконанні комплексних креслень у ряді випадків буває недостатньо зображень на двох площинах проекцій, тому доводиться будувати третю проекцію. Введемо в систему П1П2 ще одну перпендикулярну площину - про...