Откачка газов из объема прибора

В первые секунды откачки при высоком давлении и высокой скорости откачки (особенно в системах с большими диаметрами трубопроводов) в системе имеет место турбулентное движение газа. Оно характеризуется завихрениями и беспорядочным перемещением газа.

В дальнейшем по мере снижения давления в системе перемешивание газа прекращается. Газ практически разделяется на отдельные слои, которые имеют различную скорость течения и перемещаются параллельно друг другу. Этот режим течения газа называется ламинарным. При ламинарном режиме скорость слоя газа у стенок трубопровода равна нулю; скорость слоя газа в середине трубопроводов максимальная, остальные слои газа имеют одну из промежуточных скоростей. Между слоями газа, перемещающимися друг относительно друга с разными скоростями (скользящими друг по другу), возникают силы трения. Ввиду того, что внутреннее трение и, следовательно, вязкость определяют характер перемещения газов при ламинарном течении, это течение называют также вязкостным.

Ламинарный (вязкостный) режим течения газа имеет место при следующем соотношении между давлением газа й диаметром вакуумного трубопровода: dP 70, где d — диаметр трубопровода, см; Р — среднее давление в вакуумном трубопроводе, Па.

При дальнейшем уменьшении давления, когда длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с поперечными размерами трубопроводов, наступает молекулярный режим течения газов. При молекулярном режиме отсутствуют скольжение и перемещение слоев газа параллельно друг другу. Течение газа представляет собой движение молекул от одной стенки трубопровода к другой с последующим рассеиванием их от стенок в произвольном направлении.

Суммарным результатом молекулярного течения является скольжение рассеянных молекул газа по стенкам трубопровода. Таким образом, при молекулярном режиме наблюдается картина, обратная вязкостному: наибольшую скорость вдоль трубопровода достигают молекулы газа у его стенок, в то время как в центре трубопровода эта скорость равна нулю.

Откачка газов из приборов, отпаиваемых при высоком вакууме, проходит последовательно стадии вязкостного, молекулярно-вязкостного и молекулярного режимов.

На рис. 27.12 показаны изменения давлений в приборе (кривая /) и в вакуумной системе в процессе вакуумной обработки прибора (кривая 2).

На первом этапе вакуумной обработки (участок А) происходит откачка атмосферного воздуха из объема прибора и из вакуумной системы (операции 4 и 5 в табл. 27.1). Длительность этого этапа — несколько секунд. Штенгель оказывает некоторое сопротивление потоку атмосферного воздуха, откачиваемого из прибора, поэтому давление остаточных газов в приборе несколько превышает давление в вакуумной системе (обычно на один порядок). Однако состав остаточных газов и паров в приборе и в вакуумной системе один и тот же. Следует отметить, что в начальный период откачки (при большой скорости откачки) резко снижается температура внутри оболочки прибора; при этом влага, содержащаяся в остаточных газах, может конденсироваться на катоде с образованием кристалликов льда, что приводит к появлению трещин и кратеров в оксидном покрытии. Чтобы исключить конденсацию влаги, рекомендуется перед вакуумной обработкой оболочки наполнять сухим азотом или просушивать колбу при Т = 60+70°С.

На втором этапе вакуумной обработки (участок Б) происходит обезгаживание оболочки покрытий и арматуры прибора (операции 7 и 8 в табл. 27.1). В процессе обезгаживания вакуумная система находится при комнатной температуре, а прибор нагревается до высоких температур. Повышение давления в системе и в приборе в начале второго этапа вакуумной обработки обусловлено сильным газовыделением из обезгаживаемых деталей. На этой стадии откачиваемый газ течет по вакуумным трубопроводам в вязкостном режиме. При вязкостном режиме происходит соприкосновение и трение газов о стенки прибора и вакуумных трубопроводов, что приводит к сорбции газов и паров стеклянными и металлическими поверхностями. Ввиду того, что стенки вакуумной системы холодные и имеют большую поверхность, на них сорбируется гораздо больше газов и паров, чем в приборе. На стенках трубопроводов преимущественно сорбируются хлор, фтор, пары воды, углеводороды (в частности, пары рабочих масел насосов), т. е. газы и пары, которые имеют большое «сродство» с материалом трубопроводов. Поэтому в процессе обезгаживания не только давление, но и состав остаточных газов в приборе и в вакуумной системе становится разным.

На третьем этапе вакуумной обработки (участок В) продолжается удаление газов и паров из деталей и объема прибора, снижается суммарное давление остаточных газов в приборе и вакуумной системе (операция 9 в табл. 27.1). Однако молекулы фтора, хлора и других газов, которые на этапе обезгаживания сорбировались стенками трубопроводов, вновь выделяются в объем вакуумной системы. Хотя суммарное давление остаточных газов в вакуумной системе ниже суммарного давления остаточных газов в приборе, парциальное давление хлора, фтора, углеводородов, паров и воды в вакуумной системе становится выше, чем в приборе. Под действием разности концентраций и парциальных давлений начинается обратная диффузия этих газов и паров из вакуумной системы в прибор навстречу основному потоку откачиваемых газов. Обратная диффузия газов и паров из системы в прибор возможна только на третьем этапе вакуумной обработки, когда из-за уменьшения суммарного давления наступает молекулярный режим течения газов. При молекулярном режиме поведение каждого отдельного газа не зависит от давления и наличия в приборе и в системе других газов и определяется только парциальным давлением именно этого газа.

Таким образом, при большой длительности откачки улучшается суммарный вакуум в приборе, но одновременно увеличивается содержание отдельных наиболее агрессивных и вредных для прибора газов и паров, т. е. ухудшается качественный состав остаточных газов. Поэтому желательно отпаивать прибор от вакуумной системы, не дожидаясь предельно достижимого вакуума. Дальнейшее снижение давления остаточных газов в приборе достигается после распыления газопоглотителя и «жестчения» газов при тренировке прибора.

Следует отметить, что по мере увеличения диаметра штенгеля прибора ускоряется процесс откачки на участках А и Б кривой (положительный фактор), но резко увеличивается обратная диффузия газов из системы в прибор на участке В (отрицательный фактор).

Однако обратная диффузия газов из вакуумной системы в прибор протекает наиболее интенсивно, если суммарное давление остаточных газов в приборе по какой-либо причине становится меньше суммарного давления остаточных газов в вакуумной системе.

Суммарное давление в приборе может оказаться ниже давления в вакуумной системе в следующих случаях:

при быстром охлаждении стеклянных или металлических оболочек, покрытий и деталей после их обезгаживания (при этом холодная поверхность начинает интенсивно сорбировать газ, т. е. работает как газопоглотитель);

в момент вспышки газового разряда при индукционном прогреве деталей (при этом образуются атомы и ионы, которые энергично сорбируются оболочкой и деталями прибора);

при перегреве и преждевременном распылении газопоглотителя в приборе до его спаивания с вакуумной установкой;

при переактивировании оксидного покрытия и образовании свободного бария в оксидном покрытии прибора, напаянного на вакуумную установку. Свободный барий является активным газопоглотителем, связывающим остаточные газы, что приводит к отравлению катода и засасыванию газов и паров из системы в прибор. Поэтому рекомендуется окончательное активирование катода производить уже после отпайки прибора с вакуумной установки и распыления газопоглотителя (например, при тренировке прибора). Практика показывает, что катоды, имеющие высокую эмиссию до спаивания прибора с вакуумной системы (т. е. катоды, в которых свободный барий образовался уже непосредственно в процессе вакуумной обработки), обычно «отрав- I ляются» газами и имеют малый срок службы.

Поглощение газов, паров и других загрязнений деталями ЭВП происходит в результате процессов сорбции и химических реакций. Поэтому газы и пары могут находиться в деталях в виде пленок на поверхности твердого раствора или газовых пузырей внутри материала, в виде химических соединений с материалом деталей.

В процессе хранения и эксплуатации приборов может происходить процесс десорбции, т. е. выделение в объем прибора газов и паров, ранее поглощенных деталями приборов.

Процесс десорбции усиливается по мере повышения температуры и уменьшения давления данного газа в приборе. Десорбция может вызываться не только нагревом, но и бомбардировкой деталей ионами, электронами или фотонами.