Михайлов В.П. - Учебное пособие по курсу ФОЭТ, страница 3

или .

1. Найдем время откачки t_o:

- для идеальной системы (P_K –> 0 при t–>).

Для реальной системы (при t –>, P–>P’):

,

где Р' – предельное давление системы ( );

Q_ост. – остаточное газовыделение в системе.

1. Определим уравнения кривых откачки для идеальной и реальной систем:

- идеальная система,

- реальная система.

1. Перейдем к десятичным логарифмам:

,

тогда .

Пример:

Дано: Объем камеры – 10 л. (10^-2 м³)

(для насоса 2НВР-5ДM),

P_o = 10⁵ Па, P_K = 10¹ Па, Р' = 1,310^-2 Па

Найти: t_o

=18,4 c.

Измерение давления вакуумной среды

Диапазон давлений, используемый в вакуумных и электронных технологиях – 10⁵…10^-12 Па. Полное давление измеряют вакуумметрами, состоящими из преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). Вакуумметры могут быть классифицированы по методу измерения и принципу действия.

По методу измерения – вакуумметры прямого и косвенного измерения.

По принципу действия – жидкостные, деформационные, тепловые, электронные, магнитные и др.

В качестве примера рассмотрим термоэлектронный (ионизационный) преобразователь для измерения ВВ (Р_изм. = 1…10^-5 Па).

Ризм. = 1…10-5 Па 1 – вольфрамовый катод; 2 – сетка анод; 3– коллектор ионов.

Найдем уравнение ионизационного преобразователя. Число образованных ионов:

,

где Р – давление, Па;

n_e – число электронов;

 - эффективность ионизации, м^-1Па^-1;

l – длина траектории, м.

Эффективность ионизации  - количество ионов, образованных электроном при давлении 1 Па и длине траектории электрона равной 1 м.

Разделив уравнение на время t, получим уравнение ионизационного преобразователя:

, ,

где I_u,I_e – ионный и электронный ток, А;

k – чувствительность ионизационного преобразователя ( , Па^-1).

Чувствительность ионизационного преобразователя – кол-во ионов, образованных электроном при давлении 1 Па.

Таким образом: ,

где К_а – постоянная ионизационного преобразователя, AПа^-1.

Чувствительность К ионизационного преобразователя ПМИ-2 к различным газам

Газ	N2	O2	Ar	He	H2	CO
К, Па-1	0,22	0,23	0,27	0,025	0,082	0,24

Массовый состав атмосферного воздуха и парциальные давления компонентов (Т = 298 К)

Газ	N2	O2	Ar	He	H2	CO2
Массовая доля, %	75,5	23,1	1,28	7,210-5	310-6	510-2
Парц. давления, Па	7,9104	21104	9,4102	5,510-1	5,110-2	3,3102

Сорбционные и термовакуумные процессы

Термовакуумными называются процессы, которые обеспечивают получение требуемого давления и состава рабочей среды в вакуумированном объёме и сохранение этих параметров в течение регламентированного периода времени.

К ним относят:

1. удаление газов и паров из вакуумированного объема;

2. обезгаживающий прогрев материалов, находящихся в вакууме;

3. обработка катодов;

4. герметизация приборов;

5. удаление микродисперсных частиц.

Физические явления при обезгаживании материалов

Сорбция – процесс поглощения газов материалами.

Адсорбция – явление прилипания молекул и атомов газа к поверхности тела.

Абсорбция – явление проникновения молекул и атомов газа внутрь твердого или жидкого тела, т.е. растворение газа в объёме материала.

Физическая адсорбция обусловлена силами Ван-дер-Ваальса между молекулами газа и адсорбента (притяжением молекул с постоянными и индуцируемыми диполями), при t = 20 C.

Хемосорбция – поверхностное поглощение газов за счет химического взаимодействия (валентных сил).

Сорбент – поглощающее вещество.

Сорбат – поглощаемое вещество.

Десорбция (газовыделение) – явление, обратно сорбции, состоящее в освобождении сорбированных газов с поверхности или из толщи материала.

Потенциальная энергия взаимодействия молекул газа

с поверхностью твердого тела

1 – физическая адсорбция 2 – хемосорбция 3 – потенциальная энергия высокоэнергетических свободных молекул  - потенциальная энергия физической адсорбции акт – энергия активации для диссоциации молекул на атомы х – потенциальная энергия хемосорбции

Если наиболее вероятная энергия молекул , то они будут колебаться внутри первой потенциальной ямы (k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

Если молекулам сообщить энергию _ (например, путём нагрева), то они удалятся из 1-ой потенциальной ямы. При сообщении им энергии , молекулы диссоциируют на атомы и попадают во 2-ую потенциальную яму за счет химического взаимодействия. Для удаления хемосорбированных молекул с поверхности им необходимо сообщить энергию десорбции .

Следующим этапом процесса поглощения является абсорбция, которая характеризуется переходом хемосорбированных молекул внутрь материала.

Таким образом, процесс сорбции протекает в следующем порядке: физическая адсорбция –> хемосорбция –> абсорбция.

Следует отметить, что если свободные молекулы газа обладают энергией не менее _акт, то они могут хемосорбироваться минуя этап физической абсорбции (кривая 3).

Скорость адсорбции (для чистой поверхности, т.е. для 0)

Из молекулярно-кинетической теории газов известно, что число молекул N₁, ударившихся в единицу времени о единицу поверхности равно:

С учетом коэффициента прилипания

Это выражение определяет скорость адсорбции.

Вывод: Скорость адсорбции пропорциональна p и обратно пропорциональна .

Скорость десорбции

Время пребывания молекулы (атома) на поверхности:

где - минимальное время пребывания молекулы (атома) на поверхности, определяемое периодом теплового колебания молекул

Q_дес - энергия активации десорбции, т. е. энергия, которую необходимо сообщить 1-му молю молекул газа для десорбции с поверхности;

R - универсальная газовая постоянная;

T_mел - абсолютная температура тела.

Скорость десорбции может быть определена как:

где - общее число адсорбированных молекул (атомов) газа на единицу поверхности;

N_дес - количество молекул (атомов), десорбирующих в единицу времени с единицы поверхности.

Вывод: Скорость десорбции резко (экспоненциально) растет с увеличением T_mел.

При неизменных параметрах p, T, T_mел через некоторое время устанавливается состояние равновесия, т. е. N_адс = N_дес.

Таким образом:

Вывод: общее число адсорбированных молекул (атомов) газа на единице поверхности пропорционально давлению газа Р и резко (экспоненциально) уменьшается при увеличении температуры тела T_mел.

Растворимость газов в твердых телах. Газопоглощение и газовыделение на границе «газ – твердое тело»

Растворимость - свойство газа растворяться до насыщения в определенном объеме твердого тела.

1. Растворимость зависит от свойств газа и материала.

1. В неметаллах газ растворяется в молекулярном состоянии и объемная концентрация газа С пропорциональна давлению p: С = S · p, где S - коэффициент растворимости.

1. В металлах молекулы газа сначала диссоциируют на атомы, а потом растворяются. Поэтому для двухатомных газов объемная концентрация газа C пропорциональна p^1/2: C = S · p^1/2.

В общем случае С = S · p^1/j, где j - число атомов в молекуле газа (закон Фрейндлиха).

Коэффициент растворимости:

где S₀ - константа растворимости; j - число атомов в молекуле газа, для металла j=2, а для неметалла j=1; Q_S - энергия активации растворимости (занак “+” - для газов, образующих с материалом химические соединения (H₂ в Ti); знак “-” - для газов, образующих истинные растворы (H₂ в Fe, Cu, Ni, газы в металлах).

Диффузия газов в твердых телах

Газ, растворенный в твердом теле, диффундирует из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией за счет явления диффузии.

Стационарный процесс диффузии имеет место, когда концентрация газа С неизменна во времени в каждой точке твердого тела (С(t) = const). Этот процесс описывается 1-м законом Фика. Удельный поток газа через единичную площадку:

где С - концентрация газа в точке на расстоянии Х от начала координат; D - коэффициент диффузии, м²/с.

Если D не зависит от Х, то: