Metody otrzymywania i

pomiaru próżni –

systematyka,

porównanie

Szymon Kamycki 117654

Próżnia - definicje

• Dosłowne znaczenie

Przestrzeń pozbawiona materii

• Definicja wg techniki

Stan gazu, którego ciśnienie jest
mniejsze od atmosferycznego

Próżnia – zakresy ciśnień

• Niska: 100 – 10 mmHg – droga swobodna

cząsteczki znaczenie mniejsza od naczynia w
którym się znajduje

• Średnia: 10 – 1 mmHg – droga swobodna

porównywalna z rozmiarami naczynia

• Wysoka: 1 – 0,01 mmHg – droga swobodna

znacznie większa od rozmiarów naczynia

• Bardzo wysoka: < 0,01 mmHg –

prawdopodobieństwo zderzenia dwóch cząsteczek
pomijalnie małe

Jednostki ciśnienia

• 1 Pa = 1 N/m

2

,

• 1 atm. = 1013,27 hPa

• 1 Tor = 1 mmHg = 133 Pa

Pompy próżniowe – podział

• Zasada działania:

mechaniczne: objętościowe, molekularne,
turbomolekularne
strumieniowe: dyfuzyjne
sorpcyjne.

• Uzyskiwana próżnia końcowa:

pompy próżni wstępnej,
pompy pośrednie,
pompy wysokiej próżni.

• Sposób pompowania:

pompy przepompowujące gaz,
pompy magazynujące gaz.

Pompy objętościowe –
olejowe
Pompa łopatkowa - budowa

Stator

Łopatka

Wał napędowy

Sprężyna
Pokrywa

Wirnik

Przewód
wlotowy

Zawór
wylotowy

Pompy objętościowe –
olejowe
Pompa łopatkowa – praca
pompy

Faza zasysania gazu

Faza przetaczania gazu

Faza kompresji gazu

Faza wydechu

Pompy objętościowe –

olejowe

Pompa łopatkowa –

parametry

• Geometryczna prędkość

pompowania

• Teoretyczna szybkość

pompowania

• Maksymalny stopień kompresji

z

g

V

n

S





2



















p

p

S

S

g

t

1

m

z

V

a

V

p

p

K









0

max

Objętość martwa

Pompy objętościowe –

olejowe

Pompa suwakowa

Przegubowe mocowanie suwaka

Zawór wylotowy

Wał napędowy wirnika

Wirnik

Stator

H

2

O

H

2

O

Suwak

Tuleja

suwak
a

Pompy objętościowe –
olejowe
Pompa suwakowa – praca
pompy

Faza zasysania gazu

Faza przetaczania gazu

Faza kompresji gazu

Faza wydechu

Pompy objętościowe –

olejowe

Pompa Roots’a - budowa

1, 3 – tłok pompy

2 – korpus pompy

a – objętość wlotowa

b – objętość przetaczana

c – objętość wylotowa

Pompy objętościowe –

olejowe

Pompa Roots’a - parametry

• Geometryczna szybkość

pompowania

z

g

V

n

S





4

pompa Rootsa

p

w

=p

∞

1800

1500

1200

900

600

300

0

S

R

S

w

[m

3

/h]

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

p=p



pompa próżni
wstępnej

p[Pa]

n=3000-6000
[1/min]

Pompy objętościowe – suche
Pompa membranowa

Zawór

Membrana

Charakterystyka pompowania

10

5

10

4

10

3

10

2

0,01

0,1

1

5

p[Pa]

S[m

3

/h]

n=1500 [1/min]

Znane szerzej pod nazwą

DIVAC

Pompy objętościowe – suche
Pompa śrubowa

1, 2. Dwie śruby (lewo- i prawoskrętna)
3. Łożysko
4. Komora sprężania
5. Wlot
6. Kanał ciśnieniowy
7. Wylot gazów
8. Komory chłodnicze
9. Korpus pompy
10. Wlot gazu/płynu chłodniczego

Charakterystyka pompowania

10

5

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

10

-1

0

200

400

600

800

1000

S [m

3

/h]

p [Pa]

Pompy objętościowe – suche
Pompa spiralna

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

p[Pa
]

49

35

14

7













h

m

S

3

I

II

Pompy objętościowe

Pompa z pierścieniem

wodnym

1.Pierścień wodny

2.Wirnik łopatkowy

3.Korpus pompy

4.Otwór wlotowy

5.Otwór wylotowy

Wirnik zamocowany mimośrodowo.

Pompowanie gazu gdy przestrzeń statora staje się największa.

Kompresja w momencie zmniejszania się przestrzeni nie wypełnionej wodą.

p

∞

=20 – 30 hPa

Pompy molekularne

Ogólna zasada działania

• Nadawanie cząsteczkom momentu kierunkowego przez

szybko wirującą powierzchnię wirnika

• Dzięki temu między wlotem a wylotem ustala się pewna

różnica ciśnień.

Wlot

Wylot

Przegroda

Wirnik

Stator

h

s



















h

u.l

k

exp

p

p

K

0

max

dla h

s

=0

u – prędkość obwodowa wirnika

l – długość kanału pompującego

h – szerokość kanału pompującego

a

8v

3

k 

V

a

– prędkość średnia

arytmetyczna cząsteczek
gazu

Pompa molekularna

Gaudego

kanał wylotowy

kanał wlotowy

kanał pompujący

przegroda

wałek napędowy

wirnik

stator

rowki smarujące

Pompa molekularna

Siegbahna

kolekto
ry
wlotow
e

wlot pompy

kanały pompujące w statorze

stator

wirnik

wałek napędowy

łożyska wirnika

kanały wylotowe

Pompy turbomolekularne

Zasada działania

wlot

wylot wlot

wylot

α

β

γ

α
'

β
'

γ
'

'

'











Właściwości kierunkowe tarczy:

• cząsteczki gazu padają na
skraj tarczy (n>>v

p

)

• podczas przelotu między
łopatkami nie ulegają
wzajemnym zderzeniom (L

śr

>>

l)

Efekt pompowania uzyskuje się
dzięki:

• nadawaniu cząsteczkom gazu
pędu
w kierunku wylotu pompy

• kierunkowość tarczy

Pompy turbomolekularne

WLOT

WYLOT

oś
wirnika

łożysko

łożysk
o

silni
k

K

m a x

M

0

2

3

4

5

6

1 0

0

1 0

2

1 0

4

1 0

6

1 0

8

1 0

1 0

A r

N

2

N e

H e

H

2

M – m a s a m o lo w a

1 0

1 2

1

Pompa dyfuzyjna - budowa

1 – grzejnik

2 – parnik

3 – obudowa pompy

4 – przewody chłodzące

6 – cząsteczki gazu

5 – kołnierz wysokiej próżni

7 – strumień par

8 – wylot gazów

A-D – stopnie pompy

Pompa dyfuzyjna – zasada

działania

• Ukierunkowany przekaz pędu od cząsteczek par

cieczy pompującej do cząsteczek pompowanego
ośrodka.

• Podgrzanie cieczy do momentu intensywnego

parowania

• Pary kierowane są ku górze pompy przez zespół

dysz

• Cząsteczki gazu dyfundują do strumienia par i

zderzają się z nimi

• Cząsteczki gazu uzyskują pęd skierowany ku dołowi

do obszaru o większym ciśnieniu

• Odpompowywany gaz usuwany jest przez pompę

próżni wstępnej

• Pary oleju uderzają w chłodzone ścianki pompy,

ulegają skropleniu i wracają do rezerwuaru

Pompa dyfuzyjna – zasada

działania

Czynniki zakłócające proces

pompowania

• Dyfuzja gazu z obszaru próżni

wstępnej do obszaru

opróżnianego

• Strumień wsteczny par oleju

• Transport gazu przez kondensat

Pompy dyfuzyjne –

właściwości oleju

• duża masa molowa
• niskie ciśnienie pary nasyconej w

temperaturze pokojowej

• duża stabilność termiczna (duża

energia dysocjacji)

• mała aktywność chemiczna
• mała tendencja do rozpuszczania

gazów

• mała wartość ciepła parowania

Pompy sublimacyjne

Pręty Ti-Mo

Kołnierz

Przewody prądowe

Pompy jonowo – sorpcyjne

-

+

B

anoda

katoda

jony
elektrony

atomy Ti
cząsteczki gazu

Zjawiska zachodzące na
katodzie:

•rozpylanie materiału
katody

•emisja elektronów
wtórnych

•wnikanie jonów w warstwę
Ti

•odbicia jonów z
równoczesną neutralizacją

Zjawiska zachodzące na anodzie:

•napylanie warstwy Ti
•adsorpcja chemiczna na warstwie Ti
•zagrzebywanie cząsteczek gazu
•wnikanie jonów odbitych od katody

Pompa jonowo – sorpcyjna z
gorącą katodą

anoda

katoda

katoda

pole

magnetyczne

zjonizowany

gaz

Jonizacja gazu

polem

elektrycznym

Zjonizowane cząsteczki

gazu są bardziej

aktywne chemicznie

Pompy jonowo – sorpcyjne –
zasada działania

Duża (kilka kV) różnica potencjałów anoda - katoda

Przyśpieszenie elektronów emitowanych z katody

Odbicie od siatki

Przejście w obszar pola

hamującego (między siatką

i korpusem)

Elektrony wytracają pęd i wracają w kier. siatki

Przejście w obszar pola
hamującego (między siatką
i katodą)

Odbicie od siatki

Chmura oscylujących elektronów

Zderzenia z cz. gazu -> jonizacja gazu

Neutralizacja i powrót do obszaru jonizacji

Wbicie się w naparowywaną warstwę tytanu

Pompy kriosorpcyjne -
mechanizmy

Kriokondensacja -

fizyczne wiązanie atomów lub

cząsteczek gazu na powierzchni pokrytej uprzednio
warstwą tego samego gazu; energia wiązania równa
jest ciepłu parowania

Kriosorpcja -

fizyczne wiązanie atomów lub

cząsteczek gazu na czystej powierzchni ciała
stałego lub innego kondensatu; energia wiązania
równa jest energii desorpcji (E

d

>E

p

)

Kriopułapkowanie -

fizyczne wiązanie atomów lub

cząsteczek trudno kondensującego gazu przez
„zagrzebywanie ich w ciągle narastającej
warstwie łatwo kondensującego gazu (np. H

2

w

Ar)

Cząsteczki gazu trudno
kondensującego

Cząsteczki gazu łatwo
kondensującego

Chłodziarka Gifforda
McMahona

1, 2 – zbiorniki wyrównawcze

3 – regenerator

4 – cylinder boczny z tłokiem

5 – sprężarka

7 – zawór wylotowy

6 – zawór wlotowy

A – część wysokotemperaturowa cylindra

B – część niskotemperaturowa cylindra

Uzyskiwana temperatura – 35 K
Niezawodne ze względu na prostotę konstrukcji.

4 fazy pracy:
1.Napełnianie gazem
2.Przetaczanie gazu
3.Wypływ swobodny gazu
4.Opróżnianie komory zimnej

Pompa kriosorpcyjna -
budowa

ekran

kondensor

I stopień

II stopień

kompresor

Porównanie parametrów
pomp

Pompa

p

∞

[Pa]

S

N

[l/s]

Membranowa

10

4

kilka

Tłokowa

400

kilkadzie

siąt

Roots’a

60

kilkadzie

siąt

Pazurowe

15

kilkadzie

siąt

Śrubowe

<1

600

Spiralne

>10

3

kilkadzie

siąt

Dyfuzyjne

10

-

5

10

-7

12,5 -

60000

Molekularne

10

-4

1,5 – 80

Turbomolekul

arne

10

-

6

10

-8

50 - 900

Sublimacyjne

< 10

-8

Bardzo

duża

Jonowe

< 10

-8

12 - 1000

Kriosorpcyjne

10

-

7

10

-8

350 -

60000

Próżniomierze

Próżniomierze

hydrostatyczne

p

atm

p

x

ρ.g.h

p

p

atm

x





h

p

0

<< p

x

p

x

h

ρ.g.h

p

p

0

x





Próżniomierz rurkowy

p

x

1. Rurka Bourdona
2. Króciec
3. Obudowa
4. Cięgno
5. Korek
6. Przekładnia zębata
7. Wskazówka

Kąt skręcenia
rurki

 = f(F) = f(p)

= f(p

x

)

Dolny zakres pomiarowy ograniczony przez opory tarcia.

Obniżenie zakresu pomiarowego przez:

Zastąpienie rurki metalowej spiralą kwarcową

Odczyt mechaniczny zastąpić odczytem optycznym

Próżniomierz membranowy

osłona
próżniowa

dźwign
ia

p

x

popycha
cz

obudo
wa

skal
a

sprężyn
ka

wskazów
ka

membra
na

Ugięcie membrany y
= f(p)

Pomiar ciśnienia:

Próżniomierz membranowy

- pojemnościowy

p

x

p

0

membra
na

 50 m

elektrod
a

stała

izolatory

gniazdo

Membranę stanowi okładka
kondensatora.

Odczyt ciśnienia to odczyt pojemności.

0,010

0,008

0,006

0,004

0,002

0,0

0

p

p

C

δC

p[Pa]

4 mm

2

2 mm

2

Zależność względnej zmiany
pojemności od w funkcji
ciśnienia.

Próżniomierz oporowy

R

x

Wzrost ciśnienia

Wzrost ilości cząsteczek powietrza

Wzrost ilości ciepła

odprowadzanego z

włókna

Maleje temperatura włókna

Maleje oporność rezystora R

x

2 metody pomiaru:

• metoda stałej temperatury

• metoda stałego napięcia

Ograniczenie dolnego zakresu pomiarowego – zdolność pomiaru małych napięć.

Ograniczenie górnego zakresu pomiarowego – wzrost średniej drogi
swobodnej cząsteczek, zbyt szybkie zmniejszanie się temperatury
włókna

Próżniomierz

termoelektryczny

•

•



•

V

p

x

Miarą ciśnienia

jest

siła

elektromotoryczna jest

wprostproporcjonalna do ciśnienia.

Stosowana termopary:

Pt-PtRh
Cu-CuNi (konstantan 45% Ni)
CuNi-NiCr (nichrom 80% Ni)

Ograniczenie zakresu pomiarowego:

• czułość zastosowanego miernika napięcia

• zmiany prądu grzejnego termopary

Próżniomierze jonizacyjne

z gorącą katodą

katod
a

kolektor
elektronów

kolektor
jonów

p

x

osłona
próżniowa

+

+

+

+

+

•

•

•

•

+U

k

e

-U

kj

I

ke

I

kj

I

k

katoda kolektor
elektronów

kolektor
jonów

I

kj

=I

j

+I

x

Gdzie: I

j

~ p

x

I

x

= I

f

+ I

d

=const.

I

ke

=I

k

+I

ej

Współczynnik

czułości

kj

x

j

x

ke

I

273

c =η

L =

T

p .I

ke

x

x

kj

I

p

c

I







Ograniczenie zakresu

pomiarowego od strony

niskich ciśnień

I

x

=I

f

+

I

d

I

j

I

kj

p[Pa]

10

-6

10

-

5

I

f



I

ke

I

d

 I

ke

Prąd
fotoelektryczny

Prąd desorpcyjny























x

x

d

f

ke

x

x

kj

p

c

c

c

I

p

c

I

1

Charakterystykę liniowa dla

1

,

0





x

x

d

f

p

c

c

c

f

d

x min lin

x

c +c

p

=10

c

Ograniczenie zakresu

pomiarowego od strony

wysokich ciśnień

10

-2

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

3

p[Pa]

10

-3

10

-6

10

-4

10

-5

10

-7

10

-8

10

-9

I

kj

[A]

2 zjawiska:

• rekombinacja jonów z wolnymi
elektronami

• maleje Lśr, maleje ilość
procesów jonizacji na rzecz
przechodzenia cząsteczek w stan
wzbudzenia, maleje efektywność
jonizacji i czułość próżniomierza

• może wystąpić zapłon
wyładowania jarzeniowego

Charakterystyka

liniowa dla:

c

x

p

x

 0,1

Stąd, górna granica zakresu
pomiarowego

x max lin

x

0,1

p

=

c

Próżniomierz jonizacyjny z
zimną katodą

•

•

B

U[kV]

R

I

p[Pa]

10

-6

10

-

5

I

x

=I

u

+I

e

p

I

j

10

-1

10

0

+

_

p

x

wtyk w.n.

magnes

katod
a

anoda

U

I =

R

n

x

I ~p

n =
11,2

-2

x

dI

A

10

dp

Pa

� �

�

� �

� �

I

u

– prąd upływności izolatora

I

ep

– prąd emisji

polowej

izolator

Zakresy pomiarowe

próżniomierzy

10

-11

10

-10

10

-9

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

1 10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

p.
rurkowe

p.
membranow
e

p.
hydrostatycz
ne

p.
pojemnościo
we

p.
kompresyjn
e

p.
lepkościow
e

p.
cieplnoprzewodności
owe

p.
konwekcyjne

p. jonowe z gorącymi
katodami

p. jonowe z zimnymi
katodami

p
[Pa]

Dziękuję!