ВАКУУМ

ОХОТА ЗА МОЛЕКУЛАМИ

Ри высоком вакууме еще более эффективны так называе­мые диффузионные насосы, при работе которых исполь­зуется способность газов распространяться по всем направ­лениям. При помощи этих насосов достигнуты наивысшие значения вакуума. Распространение газов в любом объеме обусловлено тем, что молекулы газа находятся в непрерыв­ном движении. Если привести в соприкосновение два газа, то постепенно они перемешаются и состав газовой смеси выравнивается. Самопроизвольное распространение одного газа в другом — смешивание газов — называется диффузией, что значит распространение, простирание. Это свойство га­зов чрезвычайно важно в нашей жизни. Представим себе на минуту, что было бы, если бы газы не смешивались между собой. Состав воздуха на планете был бы переменным.

Воздух, как известно, состоит примерно из 75 кислорода и 4/5 азота. При отсутствии диффузии в одной местности зем­ного шара был бы избыток кислорода, а в другой недостаток. В самых нижних слоях атмосферы преобладало бы содержа­ние углекислого газа, выделяющегося при многочисленных процессах производства, людьми при дыхании и растения­ми в процессе роста. Образовались бы целые долины, запол­ненные тяжелыми газами, в которых невозможна была бы никакая жизнь. Чем больше добывалось бы и сжигалось угля, нефти, торфа, тем большие пространства были бы заполнены мертвым газом — углекислотой. Явление диффу­зии подтверждает молекулярное строение вещества и пока­зывает, что в газах силы сцепления между частицами неве­лики, а молекулы газа непрерывно движутся. Диффузия газов широко используется в технике, в том числе в технике получения высокого вакуума, где на этом свойстве газов по­строена работа так называемых диффузионных насосов, да­ющих наивысший вакуум.

В 1915 г. профессор Боровик в России и независимо от него известный американский ученый Ленгмюр предложили конструкцию высоковакуумного насоса, основанного на ис­пользовании явления диффузии. В диффузионных насосах газ удаляется за счет диффузии его (проникновения) в струю пара, которой он и уносится. Для работы такого на­соса достаточно, чтобы давление газа на входе было выше давления его в струе пара.

Диффузионные насосы требуют обязательного предвари­тельного разрежения на входе в них. Лучше всего они рабо­тают при вакууме не менее 10“2 мм ртутного столба. На рис. 17 показано, почему необходимо такое разрежение для работы диффузионного насоса. При малом вакууме количе­ство молекул будет большим и свободный пробег их очень мал; при этом наблюдается обычное вязкое течение жидкости или пара, при котором молекулы, выходящие из сопла, будут распространяться во все стороны, как показано на рис. 17, б. Если разрежение слишком высокое, то в струе рабочего пара свободный пробег молекул будет больше размеров сосуда и они, двигаясь прямолинейно и ударяясь о стенки сосуда, не будут захватывать молекул газа (рис. 17, а). Для работы диффузионного насоса необходимо полумолекулярное те­чение, при котором создается направленный поток пара рабо­чей жидкости; этот пар захватывает диффундирующие моле­кулы газа (рис. 17, в).

Устройство диффузионного насоса весьма сходно с устройством пароструйного насоса эжекторного типа. Ос- новное различие заключается в конструкции сопчла. На рис. 18 показано схематично устройство современного диффузионного двухступенного насоса. Цилиндрический корпус насоса соединен с отка- Чиваемым объемом широкой гор- ловиной 1. В нижней части кор- пуса расположен нагреватель 7, залитый ртутью 5. Сопла 2 и 4 служат для выпуска паров рту- ти. Газ, диффундирующий в струю ртутного пара, отделяется от него после конденсации ртути на I I

Охлаждаемых водяной рубашкой 3 стенках корпуса. Из объ­ема второй камеры газ выкачивается пароструйным эжектор­ным или механическим насосом по трубе 6. Пароструйные многоступенные насосы конструируются таким образом, что в одном корпусе монтируются последовательно и эжек­торные, и диффузионные сопла. В качестве рабочих жидкостей в пароструйных насосах применяются вещества химически устойчивые, имеющие возможно меньшее давление паров при обычной температуре

И возможно более инертные. В первое время такой жидко­стью была только ртуть. В дальнейшем найдены более удобные вещества — специальные масла. Пары ртути ядо­виты; проникая даже в небольших количествах в окружаю­щую атмосферу, они могут отравлять людей. При обычной температуре пары ртути имеют давление порядка 1 • 10~3 мм ртутного столба, и для достижения предельного вакуума необходима их конденсация в специальных ловушках. Те­перь в качестве рабочей жидкости применяются специаль­ные масла, имеющие давление пара порядка 10~ъ мм ртут­ного столба.

Когда вместо ртути начали применять масла, имеющие давление пара всего МО”8 мм ртутного столба, казалось, что все в порядке. Но и здесь встретились трудности. Дело в том, что масла представляют собой не индивидуальное со­единение, а смесь из различных веществ, отличающихся своими свойствами. Различаются они и температурами кипе­ния. Поэтому пароструйный насос представляет, по суще­ству, непрерывно действующий перегонный аппарат, в ко­тором идет все время перегонка и конденсация масла. При кипений масла из него в первую очередь испаряются более легкокипящие составные части, а состав остатка масла и температура кипения его изменяются. Значит, насос необ­ходимо непрерывно регулировать, т. е. повышать температу­ру нагрева масла. Но и это свойство масел было исполь­зовано в новейших конструкциях насосов, в которых во время работы насоса производится разгонка масла на фрак­ции и каждая из них используется в отдельной ступени насоса.

На рис. 19 показаны области вакуума, в которых рабо­тают насосы различных конструкций. Но ни механически­ми, ни пароструйными насосами не удается выловить и удалить молекулы газа, когда их остается мало. Через малей­шие лазейки они возвращаются обратно, и для каждого на­соса наступает критическая точка, при которой он откачи­вает газа столько же, сколько его возвращается обратно. В этот момент и достигается предельное разрежение для дан­ного насоса. Достижению высокого вакуума мешает и то, что рабочие жидкости способны испаряться, и при обычных температурах над их поверхностью всегда находится некото­рое количество паров жидкости.

А что делать, если нужен еще более высокий вакуум? Для этого изобретаются новые способы. На пути газа и пд-
ров устанавливаются специальные ловушки, в которых при помощи жидкого азота создается очень низкая темпера­тура.

При низкой температуре сжижаются многие вещества — из разреженного пространства полностью удаляются водяной пар, углекислота и большая часть паров рабочей жидкости (ртути, масла). Ловушки позволяют довести остаточное дав­ление до Ь10'7 мм ртутного столба.

Вид насосав

Создание высокого вакуума в современных установках достигается соединением ряда насосов различной конструк­ции с таким расчетом, чтобы каждый из них работал в наи­лучших для него условиях. На рис. 20 представлена типич­ная схема высоковакуумной установки, в которой последо­вательно соединяются ротационный масляный и высокова­куумный насосы и ловушки.

Но мало удалить молекулы газа, свободно передвигаю­щиеся в объеме. Чтобы поддерживать в какой-либо системе высокий вакуум, необходимо удалить из нее остатки газов и пары жидкостей, удерживаемые на поверхности стенок или поглощенные в материале стенок. Оказывается, что все твердые вещества на своей поверхности удерживают тончай­шую пленку молекул жидкостей или газов. Пленка служит источником молекул, снижающих вакуум. Опытная провер­ка показала, что на стенках стеклянной колбы электролампы
содержится такое количество испаряющихся веществ, ко­торого достаточно, чтобы уменьшить вакуум в ней в несколько сот раз. Буквально все твердые вещества, из кото­рых изготавливаются различные вакуумные приборы, способ­ны поглощать газы. Даже стекло, которое в обычной жизни нам представляется совершенно плотным и непроницаемым,

Способно поглощать заметные количества воды. Веще­ство, поглощенное материалом или удерживаемое на его по­верхности, при откачке медленно выделяется, замедляя про­цесс вакуумирования и затрудняя получение высокого ва­куума. Чтобы облегчить удаление поглощенных веществ, применяют кратковременное нагревание вакуум-приборов, что ускоряет выделение газов. Всякий вновь вакуумируе - мый аппарат требует длительной предварительной откачки воздуха, пока не будет достигнут максимально возможный

Вакуум. Длительная непрерывная откачка называется «тре­нировкой», аппарат как бы приучается для работы при высо­ком вакууме.

И все же для многих отраслей современной техники тре­буется еще больший вакуум. Ни механическим насосом, ни струей пара, ни охлаждением не удается поймать молекулы, когда их становится мало. Хотя при вакууме 10 мм ртут­ного столба в каждом кубическом миллиметре содержится свыше 300 ООО молекул, уловить их оказывается очень трудно. Через малейшие щели просачиваются новые порции газа. Даже те малейшие количества газа, которые находи­лись на поверхности стенок сосудов, ощутимо повышают давление. Так, в стеклянной лампе после откачки до вакуу­ма 1 • 10“4 мм ртутного столба на ее стенках остается в 500 раз больше молекул, чем в объеме лампы.