Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Проинтегрировав это выражение, получим: Ю=Л',е «' = дгье '', -к~ -р Часть !. Вакуумная и плазменная электроника Пз «гормулы (2.15) видно, что при постоянной молекулярной концентрации ллина своого пробега не должна зависеть от температуры. Эксперименты показывают, что при бедно ' посто стоянной молекулярной концентрации с увеличением температуры длина свободного проое бега увеличивается. Поэтому в (2.15) целесообразно ввести дополнительный множитель н тогда ! ч(2пк И„',(1ч 6э/Р) ' (2.16) где С вЂ” - постоянная, равная температуре, при которой в случае постоянной молекулярной концентрации газа средняя ллина свободного пробега молекул уменьшается вдвое по сравнению со значением, соответствующим бесконечно большой температуре.
Для учета взаимодействия молекул газа межлу собой (взанмного притяхгения) вволят понятие эффективного лиаметра молекулы г(г: (; == г(,„(! ч ('(гт) . Эффективный диаметр молекулы уменьшасгся с увеличением температуры газа. Тогда формулу (2.16) можно представить в виде (,, 67х!О" (. =: — ' .= р Р (2. ! 7а) тле Р измеряется в паскалях, а ( --- в метрах. Для расчета длины свободного пробега молекул газа при различных температурах и постоянном давлении можно получить следующее выражение: (, =(,— г «'(7,' г П) (2.! 3) '7;,г(Т. Г.) ' В табл. 2.2 приведены срелние длины своболного пробега молекул различных газов. В случае смеси двух газов, молекулы которых имеют массы ьп и пгг, среднюю длину своболного пробега (., частицы с массой пг, рассчитывают по формуле: (2.19) (л = пг г~ч ~Т Здесь г(г — — эффективный диаметР молекУл с массой т; и когшентРацней пй !( г(г =- — (г( + г( ), где г( — эффективный диаметр молекулы с массой тг и концентра- 2~ лией пг.
(. =. чг2к г(,п Используя уравнение газового состояния, значение (. можно преобразовать; И' г)'!'г 1 (2.17) . ч(22рл г(нг(1+ С(7') Ч2 лрг(;„(7'+С") Для воздуха при комнепной температуре (Т-- 293 К) и давлении 1 Па из (2,17) следует, что (ч = 6 7х ! 0 ' мПа. При люболг другом лавлении 3, Физика и техника вакуума ЗЗ Таблица 2.2.
Средняя длина свободного пробега молекул газов прн давлении 1 Па 1.,10>, мПа при 1, К Газы Т 600 293 77 ~ 4,2 1 >10>, мПа при 1, К Газы 600 293 77 4,2 31> 28,2 12,2 0,197; 0,0308 е Г 105 Нг 20,8 8,67 1,26 0,0063 Ог Лг ! 6,9 7,02 1.00 >,93 ' 0,44 ~ 0,0017 2- 0,0047 367 679 ( 0933 30,7 0,0042 Н О 33,9 4,38 ~ 0,391 0,0033 Воздух ~ 36,0 0,995 ' 0.0048 0.0039 Г>,72 Не 43,6 39,3 3 33 ~ 00374 33„9 2,50 0,0165 5,52 0„693 0,0029 Кг 34,! ! ! =- 7 г Г клгсу„ь(11--ь >л» /лгг (2.20) Процессы в вакууме сильно зависят от соотношения между числом взаимных столкнове- ний ь(олекул и числом столкновений молекул со стенками вакуумной системы.
Частота столкновений между молекулами Ки обратно пропорциональна средней длине свободного пробега: Км = '»/7 . Из общего числа соударений молекул со стенками камеры лгчК(4, приходящихся на л(с молекул, рассчить(ваегся среднее число соударений со стенкой К,; приходящихся в единицу времени на одну молелулу: Кв = >3пА/341') = гея/с(,(,, где А — — плошадь поверхности сзенок, соприкасаюп(ихся с рагреженным газом; 3: — объем камеры; Ы„, = — — эффекп>нный размер вакуумной камеры. 4К Для молекул газа внутри сферического сосуда диаметром О эффективный размер камеры с( (, = 2 О (3, для трубы бесконечной длины с диаметром О получим с(„, = О, а для лвух бесконечных параллельных поверхностей, расположенных на расстоянии О друг от друга, — — с(„, = 2О .
Отношение К, ( Км называется критерием Кнудсена: К„= Кс/К„, = (/7,» 33 зависимости от значения критерия Кнулсепа различают вакуум низкий, средний и высокий. ((и>кий вакуум -- это состояние газа, при котором взаимные столкновения между молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумной камеры. зв >70> Первое слагаемое в знаменателе (2.19) зависит от столкновения одинаковых частиц с мас- сой глп а второе — от столкновения частиц с массами лг> и тг.
Если и, «лг, то получим более простое выражение: Часть б Вакуумная и плазменная электронике 'Такое состояние газа соответствует критерию Кнудсена К„«1. При этом длина свобод- ного пробега молекул газа значительно меньше размеров вакуумной камеры. Из условия изменения режима течения газа принимают К„< 5 х10 ' .
Грег)ной вакуум — это состояние газа, когла частоты соударений молекул друг с другом и со стенками вакуумной камеры одинаковы, при этом Л = Н,й, а К„=1. яьюокии вак))п! — это состояние газа, при котором столкновения молекул газа со стенками вакуумной камеры преоблалают над взаимными столкновениями молекул газа. При этом К„>1. Из условия изменения режима течения га!а принимают К„>1,5, Тогда -з условие существования среднего вакуума можно записать в виде 5х10 < К <1,5 (табл.
2.3), Таблица 2.3 Степень вакуума Средний Высокий Низкий Критерий Кнулсеиа ) К„« 1, б « ~Г,~, К„>1, !.> Ы,е К„=1, б = Ы,,е Таблица 2.4 Степень вакуума ~ Низкий ! Средний Высокий Сверхвысокий <!0 Область Па ) - !00 мм рт. ст. >1 100 — !О ', 10 ' — !О ' <1О ' !О' — 1О' 1 — !О' 2.2. Методы создания вакуума Получение, измерение и поддержание вакуума являются процессами вакуумной техники, определяющими успехи при создании приборов и устройств вакуумной электроники.
В основу процессов получения вакуума положены два принципа: 1-! удаление газов из откачиваемого объема; 'ь! связывание газов за счет либо их конленсации при низких температурах, либо за счет связывания на стенках объема специальными материалами. Из этих определений следует, что степени вакуума — понятия относительные; олному и тому же давлени!о могут соответствовать различные степени вакуума )в зависимости от соотношения Л!г),е ). Отсюда следует, что каждый разработчик или технолог должен со- четать особеююсти в поведении газа, зависящие от соотношения между б и д,е, с необхо- димыми требованиями к абсолютному значению лавления газа.
Г!ри практической работе в производстве элелтровакуумных приборов, расчете и конст- руировании вакуумных систем степени вакуума зачастую характеризуют приближенно абсолютными значениями давлений (табл. 2.4). Олнако эти области давлений соответствуют лишь степени трудности, а также различию способов их получения, но никак не связаны с различиями в свойствах и поведении газа. я,Физика и техника вакуума На первом принципе основана работа традиционных вакуумных механических насосов, относящихся к насосам объемного типа. Механические насосы с масляным уплотнением позволяют захватить порцию газа из рабочего объема и перенести ее в сторону выпуска и выоросить в атмосферу через клапан.
Это насосы вращательного тина и они классифицируются на: пластинчато-роторные, пластинчато-статорные, пластинчато-статориые с пластиной в виде поршня и золотннковые или плунжерные. Во всех этих типах насосов зазоры между трущимися деталями уплотняет масло, которое предотвращает поступление в камеру атмосферного воздуха. Вместе с тем лгасло содерл<ит растворенные газы, которые выделяются в откачиваемом объеме и определяют остаточное давление. Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением используются для получения вакуума в области давлений от 760 до 10 ' мм рт. ст.
В этом же диапазоне давлений работают двухроторные вакуумные насосы, которые более экономичны. Конструкция лвухроторных насосов состоит из двух фигурных роторов, профиль которых напоминает правильные восьмерки. Роторы синхронно враьцаются в общем корпусе навстречу друг другу, выбрасывая порцию газа из откачиваемого объема.
К механическим насосам относятся и турбомолекулярные насосы, принцип действия которых основан на сообщении молекулам газа направленной дополнительной скорости быстро движущейся твердой поверхностью (рис. 2.4). Газ увлекается лопастями насоса в направлении вращения ротора и им сообщается механический импульс. а) б) Рис. 2И. Схема механизма откачки в системе ротор-статор (в), траектории частиц газа (б) и устройства турбомолекулярного насоса (е] в) Часть б Вакуумная и плазменная электроника Конструкция турбомолекулярного насоса состоит из статорных т' и роторных 2 дисков грие, 2.4, о).
В дисках имеются косые прорези, зеркально расположенные на статорных и роторных лисках. Молекулы газа отражаготся от середины ротора к краям, получая импульс от лопастей. Толщины дисков составляют несколько миллиметров, а зазоры не более миллиметра. Диски имеют большое число параллельно работающих прорезей, которые позволяют достичь высокой производительности. Откачка газа производится в поперечном направлении. Общая схема турбомолекулярного насоса представлена на рнс. 2.4, б. -з Основное их предназначение — — получение вакуума в диапазоне 1Π— -1О мм рт. ст, Турбомолекулярные насосы лучше от.качивают тяжелые газы, чем легкие.
К газоперемещающему типу насосов относятся струйные насосы. Они делятся на жидко- струйные насосы, газоструйные насосы и пароструйныс насосы. Первые действующие вакуумные насосы бьщи водоструйными, действие которых основывается на увлечении газа струей волы. Прн высокой скорости струи создается разряжение, в которое увлекаются молекулы газа. Наибольшее распространение получили пароструйные насосы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
