Практикум МолФ

Виміри коефіцієнта об’ємного розширення α виконати при кількох

значеннях тиску Ρ . Тиск Ρ змінюють нагнітаючи повітря в спільну частину трубок 1 та 2, або випускаючи його.

РОБОТА №12

ОДЕРЖАННЯ І ВИМІРЮВАННЯ ВИСОКОГО ВАКУУМУ

Вступ. Робота відноситься до теми “Ультрарозріджені гази” в курсі молекулярної фізики.

Теоретичні відомості.

Говорять, що в посудині одержано вакуум або ультрарозріджений газ тоді, коли довжина вільного пробігу молекул газу λ перевищує лінійні розміри l

посудини

Тут d - ефективний розмір молекул, n - концентрація молекул. Властивості ультрарозрідженого газу відрізняються від властивостей

газу в стані, коли зіткнення між молекулами відбувається досить часто. В вакуумі молекули не стикаються між собою, а обмінюються енергією та імпульсом тільки зі стінками посудини. Внаслідок цього коефіцієнти теплопровідності і в’язкості ультрарозрідженого газу окрім того, що вони вводяться іншим способом порівняно зі звичайним, нерозрідженим газом, будуть лінійно залежати від для того концентрації (а значить і тиску) газу. Докладно це питання розглянуто , наприклад в [1]. Зауважимо, що саме залежність коефіцієнта теплопровідності від тиску покладена в основу роботи термопарного манометра.

Опис методу. Низькі тиски широко використовуються як в лабораторних дослідженнях, так і в техніці. Різного роду вакуумні насоси з застосуванням

деяких додаткових прийомів дозволяють одержувати тиски до10−13 −10−14 мм. рт. ст. Такий широкий діапазон не дозволяє одержувати вакуум і вимірювати його яким-небудь одним способом. Області тисків, в яких найбільш раціонально застосовуються вакуумні насоси прийнятих в даний час типів показані на рис.1. Вакуумні насоси, що застосовуються для відкачки газу, поділяють на

два класи:

а) форвакуумні насоси, які починають працювати з атмосферного тиску і викидають відкачуваний газ прямо в атмосферу. Форвакуумні насоси створюють

розрідження порядку 10−3 мм. рт. ст.; б) високовакуумні насоси, які починають працювати після попереднього

розрідження і викидають відкачуваний газ в область пониженого тиску. Ці насоси

дають розрідження до 10−8 −10−9 мм. рт. ст. У вакуумних установках в послідовному з’єднанні застосовуються насоси обох типів.

I. Форвакуумні насоси

Форвакуумні насоси – це механічні насоси з поршнем і масляним ущільненням, звідки і походить їх назва – “обертальні масляні” насоси. Існує кілька типів таких насосів: пластинчасто-роторні, пластинчасто-статорні, золотникові. Розглянемо будову і принцип дії насосів першого типу. Схема конструкції цих насосів показана на рис.2. В камері А на ексцентричній осі насаджено барабан В. В прорізи барабану вставлені ножі NN, які розпираються пружиною С і пришліфовані до стінок камери А. Камера А через патрубок V сполучається з відкачуваним об’ємом. Крім того камера А має широкий отвір F, що закривається клапаном К. Простір між камерою А і зовнішнім кожухом заливається маслом, яке служить для заповнення зазорів, що існують внаслідок недосконалості прошліфовки.

При обертанні барабана В в напрямі, вказаному стрілкою, повітря, що знаходиться в просторі І, стискується і через клапан К виштовхується назовні. В цей час нова порція повітря з відкачуваного об’єму засмоктується в насос через патрубок V. При обертанні барабана це повітря ножами NN відокремлюється від трубки V, стискується, виштовхується і т.д.

При зупинці насоса трубку V слід з’єднати з атмосферою, бо масло через клапан К і трубку V може попасти всередину вакуумної установки. На практиці це здійснюється за допомогою спеціального крана (див. нижче).

Останнім часом застосовують гетерні форвакуумні насоси. Такі насоси являють собою колбу з нержавіючої сталі, горловина якої за допомогою крана сполучається з відкачуваною системою або з атмосферою. Всередині колби на сітках насипано гранули цеоліту – речовини з великою активною поверхнею. При охолодженні колби рідким азотом цеоліт вбирає повітря з відкачуваної системи. Після цього колбу відключають від вакуумної установки, сполучають з атмосферою і нагрівають до 200-300˚С. При цьому з гранул цеоліту виділяється адсорбоване повітря, тиск в насосі збільшується, і виділене з цеоліту повітря поступає в атмосферу. Після цього цеолітовий насос знов готовий до відкачування системи. Отже такі насоси працюють періодично. Як правило, паралельно працюють два насоси: коли в одному цеоліт регенерують, другий – відкачує.

ІІ. Високовакуумні насоси

Серед високовакуумних насосів найбільш поширеними є пароструминні дифузійні насоси. Для пояснення принципу дії цих насосів розглянемо схему ртутного дифузійного насоса (рис.3). Ртуть, налита в посудину А підігрівається. Її пара піднімаючись по трубці В, виривається із сопла L, конденсується на

охолоджуваних водою стінках резервуару С і по трубці М стікає назад в посудину А. Струмінь пари ртуті, що виривається із сопла L, захоплює молекули газу, які дифундують з відкачуваної посудини через трубку D, переносить їх у нижню частину резервуару С, звідки газ відкачується форвакуумним насосом через трубку N. В зворотному напрямі відкачуваний газ не проникає, бо його молекули при цьому повинні були б здійснити нескінчену кількість зіткнень з молекулами пари ртуті, що рухаються суцільним потоком. Звідси ясно, що для роботи пароструминного насоса динамічний тиск пари ртуті повинен бути більшим за тиск в форвакуумній частині насоса.

Дифузійні насоси мають той недолік, що у відкачуваний об’єм все ж попадає пара робочої рідини насоса. Тиск насиченої пари ртуті при кімнатній

температурі дорівнює 10−3 мм.рт.ст. Таким чином, самі по собі дифузійні ртутні

насоси не можуть створити тиск, нижчий за 10−3 мм.рт.ст. Щоб запобігти цьому недоліку, між насосом і відкачуваним об’ємом розташовують “уловлювач”, який охолоджують рідким азотом. При температурі кипіння азоту (-196˚С) пара ртуті кристалізується на стінках уловлювача і у відкачаний об’єм попадає тільки насичена пара, що знаходиться над твердою поверхнею ртуті. Тиск цієї пари значно нижчий від тиску насиченої пари над рідкою поверхнею.

Оскільки пара ртуті є шкідливою для людського організму, в дифузійних насосах, як правило, замість ртуті використовуються важколетні органічні масла. Такого роду насоси мають назву прамасляних. Застосовувані масла мають при

кімнатній температурі пружність пари порядку 10−5 −10−7 мм.рт.ст.

На рис.4 зображена схема насоса ММ-40, що використовується в нашій установці. В верхнє сопло А пара масла подається по паропроводу В. Круглий металевий циліндр D, що охоплює паропровід В, внизу має розширення. В це розширення встановлено розподільчий циліндр Е так, щоб віддалі між стінками всіх циліндрів були однаковими. В паропроводах B, D і в розподільчому циліндрі є отвори O, дещо зсунуті по відношенню один до одного. Таким чином, все масло розподіляється по чотирьох коаксіальних камерах: І – камера в циліндрі B, ІІ – кільцева між циліндрами В і Е, ІІІ – кільцева між циліндрами Е і D, ІV – кільцева камера між циліндром D і стінкою корпуса насоса. Спочатку у всіх камерах насоса масло має однаковий склад. При нагріванні раніше за все випаровуються легкі його фракції. Пара конденсується на стінках корпуса, що охолоджується водою, і стікає в камеру IV. Випаровування в цій камері слабке, тому що сюди безперервно поступає охолоджене масло. Крім того, пара, що виходить з цієї камери затримується манжетою G. Таким чином, в центральній круговій камері залишаються найбільш важкі фракції, а в сопло А, найближче до відкачуваного об’єкту попадає пара тільки цих важких фракцій. Граничний

вакуум, що досягається насосом ММ-40А, - 10−5 мм.рт.ст. Для роботи насоса необхідно досягти попереднього розрідження 10−2 мм.рт.ст., швидкість відкачки

насоса 40 л в сек. при тиску 10−4 мм.рт.ст. Треба зауважити, що на відміну від ртуті, масло боїться перегрівання і контакту в нагрітому стані з атмосферою, тому що при цьому воно окислюється, важкі фракції розкладаються на більш легкі, і тиск насиченої пари підвищується. Останнім часом розроблені нові силіконові масла на основі кремнійорганічних сполук. Ці масла мають велику стійкість, витримують тривале зіткнення з атмосферою в нагрітому стані, а також допускають значного перегрівання. Насоси на цих маслах дозволять одержувати

розрідження до 10−8 −10−9 мм. рт. ст.

Існують високовакуумні насоси молекулярного типу, в яких розрідження досягається завдяки обертанню ротора, підвішеного в магнітному полі. Ці насоси

дають граничне розрідження 10−9 −10−10 мм. рт. ст. Особливістю цих насосів є “чистота” вакууму: це означає, що в залишковій атмосфері відсутні пари робочої рідини насоса.

Принцип дії цих насосів пояснюється рисунком 5. Камера 2 з’єднується з відкачуваним об’ємом патрубком 5. В камері 2 в полі соленоїдів 3 підвішено ротор І. Зазор між ротором і камерою становить 10 100 мк. Ротор може

обертатися в полі статорних обмоток з частотою 1 104 − 2 104 об/хв. Молекули відкачуваного повітря в зазорі набувають швидкості в напрямі обертання, наближаються до патрубка 4, звідки і відкачуються форвакуумним (цеолітовим) насосом.

Вимірювання вакууму

В залежності від діапазону вимірюваних тисків користуються різними типами манометрів, принцип роботи яких ґрунтується на залежності того чи іншого фізичного явища від тиску. На рис.6 показані області застосування найбільш вживаних типів манометрів. В даній роботі застосовуються термопарний і іонізаційний манометри.

Термопарний манометр.

Термопарний манометр є одним з видів теплових манометрів. Робота його основана на залежності теплопровідності газу від тиску. Термопарний манометр являє собою скляну, або металеву лампу Л (рис.7) з патрубком для приєднання до відкачуваної системи. На двох вводах НН в лампі вмонтовано нагрівник (нитка, що розжарюється електричним струмом), а на двох інших

вводах ТТ – термопару, яка приварюється до нагрівника одним спаєм. Схема включення термопарного манометра показана на рис.8. За допомогою реостата R по міліамперметру встановлюють струм, що нагріває спай термопари ТТ. Безпосередньо до виводів термопари підключено мілівольтметр, який служить для вимірювання термоелектрорушійної сили в колі термопари.

Принцип дії манометра полягає в тому, що при достатньо низькому тиску теплопровідність газу починає залежати від тиску. При зменшенні тиску, зменшується теплопровідність газу, що приводить до збільшення температури гарячого спаю термопари, а значить і термоелектрорушійної сили в колі. До кожного манометра завод-виготовлювач додає градуювальну криву залежності термоелектрорушійної сили манометра від тиску. За допомогою термопарного манометра вимірюється вакуум в області 10-1 – 10-4 мм.рт.ст.

Іонізаційний манометр.

Іонізаційний манометр являє собою трьохелектродну лампу, що сполучається з відкачуваним об‘ємом. Принципова схема вимірювальної частини манометра зображена на рис.9. Прилад Аэ служить для вимірювання струму в колі сітка-катод. Зовнішній циліндричний електрод К є колектором іонів, а прилад Аи призначений для вимірювання іонного струму через колектор.

Емітовані розжареним катодом електрони створюють електронний струм, що реєструється приладом Аэ. При достатній різниці потенціалів катодсітка зіткнення електронів з молекулами газу приводить до іонізації останніх. Кількість додатніх іонів, що утворюються при цьому, пропорціональна величині електронного струму Ιе; а також концентрації молекул газу, тобто тиску. Додатні іони рухаються до колектора К, який має від‘ємний щодо сітки потенціал, утворюючи іонний струм, що реєструється приладом Аи .

При зменшенні тиску зменшується імовірність зіткнення електронів з молекулами газу, що веде до зменшення іонного струму. Щоб збільшити іонний струм при малих тисках збільшують пробіг електронів. Це досягається завдяки додатньому потенціалу сітки відносно катода і анода. Електрони, що вилітають з катода, прискорюються сіткою, частина їх захоплюється сіткою, а частина попадає в коло анода, гальмується і повертається до сітки, причому частина з цих електронів проскакує сітку, гальмується катодом, знов летить в напрямі до сітки і т.п. Отже, електрони здійснюють коливний рух навколо сітки, завдяки цьому збільшується ймовірність іонізації, зростає чутливість манометра.

Як показано дослідом, при досить високому вакуумі відношення іонного струму Іі до електронного Іе прямо пропорціональне тиску Р , тобто

I i = a P

Ie

При вимірюванні тиску величину електронного струму підтримують постійною, тому P = K I i , тобто тиск визначається по величині іонного струму.

Іонізаційний манометр використовується для вимірювання тисків в області 10-4- 10-7 мм.рт.ст. , або навіть до 10-12 мм.рт.ст. Треба мати на увазі, що включення

іонізаційного манометра при тисках більших від 10-4 мм.рт..ст. виводить манометр з ладу, через те, що згорає вольфрамовий катод лампи.

Вимірювальні схеми термопарного і іонізаційного манометрів, об‘єднані в приладі ВИТ-1, який і використовується в даній роботі.

Опис вакуумної установки.

Вакуумна установка в даній роботі має елементи звичайного вакуумного устаткування, її схема показана на рис.10. Тут використані такі позначення: ФН – форвакуумний насос, ВН – високовакуумний насос, Р – розрядна трубка, М – відкачуваний об‘єм, ЛМ-2 і ЛТ-2 – відповідно лампи іонізаційного і термопарного манометрів, Л – уловлювач, К1 і К2 – вакуумні крани. Кран К1 дозволяє з‘єднувати форвакуумний насос або з установкою, або з атмосферою. В процесі відкачки він з‘єднує насос з установкою. При виключенні форвакуумного насоса кран К1 необхідно поставити в таке положення, щоб форвакуумний насос був сполучений з атмосферою. Інакше атмосферний тиск витисне масло із внутрішніх частин насоса в трубку, яка з‘єднує насос з установкою. Кран К2 може з‘єднувати відкачуваний об‘єм з атмосферою, або з насосами.

Завдання роботи. Визначити граничне розрідження, яке досягається за допомогою форвакуумного насоса, і встановити зв‘язок між тиском і характером свічення газу в розрядній трубці.

При виконанні цього завдання працює тільки форвакуумний насос. Тиск вимірюють термопарним вакуумметром ВТ-2А, а також оцінюють якісно по характеру свічення в розрядній трубці.

Порядок виконання роботи.

1.Детально ознайомитись з будовою вакуумної установки. 2.Підготувати до роботи вакуумметр ВТ-2А (Дивись інструкцію по

експлуатації ВТ-2А )

3.Ознайомитись з будовою вакуумних кранів.

4.За допомогою крана К2 впустити повітря в вакуумну установку, після чого встановити кран К2 в таке положення, щоб він з‘єднував відкачуваний об‘єм М з насосами.

5.Включити форвакуумний насос. Насос пускають в хід і зупиняють за допомогою перемикача, змонтованого на установці. Відразу після включення насоса кран К1 встановлюють в нейтральне положення, в якому він відокремлює форвакуумний насос і від установки, і від атмосфери.

6.Провести ступінчасту відкачку системи, сполучаючи і роз‘єднуючи її з насосом за допомогою крана К1. Відкачувати систему 2-5 с. В інтервалах, коли насос відключається від установки (Кран К1 в нейтральному положенні), вимірюють тиск в системі вакуумметром ВТ-2А (див. інструкцію), а також вивчають характер свічення газу в розряднику (відмічають і колір, і форму свічення). Розрядник включають періодично на короткий час для дослідження свічення газу. Ступінчасту відкачку ведуть до граничного розрідження, яке дає форвакуумний насос.

Завдання роботи 2. Одержання і вимірювання високого вакууму.

Порядок виконання роботи.

1.Після досягнення граничного форвакууму (близько 10-3 мм.рт.ст.) можна включати нагрівник високовакуумного насоса. Перед цим необхідно пустити воду в систему охолодження насоса. Під час роботи насоса необхідно слідкувати за надходженням води і в разі припинення подачі води слід відразу відключити нагрівник високовакуумного насоса.

2.Поки масло насоса нагрівається, слід підготуватись до вимірювання тиску іонізаційним манометром за допомогою ВИТ-1А (див. інструкцію).

Включати іонізаційний манометр можна тільки тоді, коли тиск в системі стане менший за 1·10-3 мм.рт.ст.

Переконавшись за допомогою термопарного вакуумметра ВТ-2А, що тиск в системі не перевищує 10-3 мм.рт.ст., включають за інструкцією вакуумметр ВИТ-1А і вимірюють вакуум в системі.

3.Після досягнення і вимірювання високого вакууму виключають нагрівник високовакуумного насоса. Надходження води в систему охолодження не припиняють до повного охолодження насоса. Після охолодження високовакуумного насоса форвакуумний насос зупиняють і одночасно з‘єднують його з атмосферою за допомогою крана К1.

Література :

1.Савльєв И.В., Курс общей физики. М.; Наука, 1987, с. 416-418.

2.Королёв б.И., Кузнецов В.И., Пипко А И., Плисковский В.Ф., Основы вакуумной техники. М..;Энергия, 1975.