真空系統(tǒng)的抽氣方程
真空系統(tǒng)的任務(wù)就是抽除被抽容器中的各種氣體。我們可以把被抽容器中所產(chǎn)生的各種氣體的流量稱為真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷。那么真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷究竟來(lái)自哪些方面呢?或者說(shuō)真空室內(nèi)究竟有哪些氣源呢?總起來(lái)說(shuō),可以歸納為下述幾個(gè)方面:
(1)被抽容器內(nèi)原有的空間大氣,若容器的容積為Vm3,抽氣初始?jí)簭?qiáng)為PoPa,則容器內(nèi)原有的大氣量為VP0Pa·m3;
(2)被抽容器內(nèi)一旦被抽空,暴露于真空下的各種材料構(gòu)件的表面就將把原來(lái)在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來(lái),這部分氣體來(lái)源我們稱之為放氣,單位時(shí)間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3/s來(lái)示;
實(shí)驗(yàn)表明,材料表面單位時(shí)間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用式(27)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算。
真空室內(nèi)暴露于真空下的構(gòu)件表面,可能有多種材料。所以總的表面放氣流量Qf為式(49)。
(3)大氣通過(guò)容器壁結(jié)構(gòu)材料向真空室內(nèi)滲透的氣體流量,以QsPa·m3/s表示。滲透的氣流量即是大氣通過(guò)容器壁結(jié)構(gòu)材料擴(kuò)散到容器中的氣體流量。氣體的這種滲透是有選擇性的,例如:氫只有分離為原子才能透過(guò)鈀、鐵、鎳和鋁;氫對(duì)鋼的滲透將隨鋼中含碳量的增加而增加。氦分子能透過(guò)玻璃。氫、氮、氧和氬、氖、氦能透過(guò)透明的石英。一切氣體都能透過(guò)有機(jī)聚合物,如橡膠、塑料等。但是所有的隋性氣體都不能透過(guò)金屬。除了有選擇性之外,滲透氣流量Qs還與溫度、氣體的分壓強(qiáng)有關(guān)。在材料種類、溫度和氣體分壓強(qiáng)確定時(shí),滲透氣流量Qs是個(gè)微小的定值。
(4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量QZPa·m3/s。空氣中水分或工藝中的液體在真空狀態(tài)下蒸發(fā)出來(lái),這是在低真空范圍內(nèi)常常發(fā)生的現(xiàn)象。在高真空條件下,特別是在高溫裝置中,固體和液體都有一定的飽和蒸氣壓。當(dāng)溫度一定時(shí),材料的飽和蒸氣壓是一定的,因而蒸發(fā)的氣流量也是個(gè)常量。
(5)大氣通過(guò)各種真空密封的連接處,通過(guò)各種漏隙通道泄漏進(jìn)入真空室的漏氣流量QLPa·m3/s。對(duì)于確定的真空裝置,漏氣流量QL是個(gè)常數(shù)。漏氣流量通常可通過(guò)所說(shuō)的壓升率,即單位時(shí)間內(nèi)容器中的壓強(qiáng)增長(zhǎng)率Px來(lái)計(jì)算式(28)。
當(dāng)真空泵啟動(dòng)之后,真空系統(tǒng)即對(duì)被抽容器抽氣。此時(shí),真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速若以Se表示,容器中的壓力以P表示,則單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即是SeP。容器中的壓強(qiáng)變化率為dP/dt,容器內(nèi)的氣體減少量即是V dP/dt。根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡,可列出如下方程(29)。
這個(gè)方程稱為真空系統(tǒng)抽氣方程。式中V是被抽容器的容積,由于隨著抽氣時(shí)間t的增長(zhǎng),容器內(nèi)的壓力P降低,所以容器內(nèi)的壓強(qiáng)變化率dP/dt是個(gè)負(fù)值。因而V dP/dt是個(gè)負(fù)值,這表示容器內(nèi)的氣體減少量。放氣流量Qf,滲透氣流量Qs,蒸發(fā)的氣流量Qz和漏氣流量QL都是使容器內(nèi)氣體量增多的氣流量。SeP則是真空系統(tǒng)將容器內(nèi)氣體抽出的氣流量,所以方程中記為一SeP。
對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)、加工制造良好的真空系統(tǒng),抽氣方程(29)中的放氣Qf滲氣Qs、漏氣QL和蒸氣Qz的氣流量都是微小的。因此抽氣初期(粗真空和低真空階段)真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。隨著容器中壓強(qiáng)的降低,原有的大氣迅速減少,當(dāng)抽空至1~10-1Pa時(shí),容器中殘存的氣體主要是漏放氣,而且主要的氣體成分是水蒸汽。如果用油封式機(jī)械泵抽氣,則試驗(yàn)表明,在幾十~幾Pa時(shí),還將出現(xiàn)泵油大量返流的現(xiàn)象。