§ 4.5.1. Молекулярная откачка

Удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей называется молекулярной откачкой. Существуют две схемы молекулярной откачки.

  Первая (рис. 4.21) представляет собой откачку через канал, одна из стенок которого совершает относительное перемещение со скоростью и_р параллельно оси канала. Молекулы газа, находящиеся в канале, соударяются с движущейся поверхностью, получая приращение количества движения в направлении насоса предварительного разрежения. При этом создается перепад давлений: p₂>p₁  

где F_K — площадь поперечного сечения канала; у — коэффициент, учитывающий соотношения движущейся и неподвижной частей периметра канала.

Принимая число соударений молекул с движущимися и неподвижными поверхностями одинаковым, определим долю молекул, непрерывно получающих приращение скорости, в виде

где f_д и f_н — движущаяся и неподвижная части периметра поперечного сечения канала. Для прямоугольного канала с а=2,5 см, b = 1 см и v_р=165 м/с, согласно (4.23) л (4.24), получим S_max= 23 л/с.

Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме (Q = const) можно записать в виде разности прямого и обратного потоков:

где С=U_кl_к; U_K — проводимость канала с неподвижными сторонами; /_к — длина канала.

Перепишем уравнение (4.25) в новых обозначениях:

С учетом граничного условия p=p₁ при l=0 решение (4.26) может быть записано в виде  

Тогда в конце канала при l=l_к давление

Учитывая, что Q=p₁S_H, из последнего выражения для быстроты действия получим следующую формулу:

Из (4.27) следует линейная зависимость между быстротой действия и коэффициентом компрессии р₁/р₂, показанная на рис. 4.22. При равенстве давлений Р₁= р₂ быстрота действия максимальна: S_н=S_тах, а при S_н=-0 и p₁=p_np имеет место наибольший коэффициент компрессии

В связи с тем, что проводимость каналов U_K при молекулярном режиме течения пропорциональна √T/М максимальный коэффициент компрессии возрастает с увеличением молекулярной массы и снижением температуры газа.

Зависимость К_тах и S_max от стороны канала а при a=b, v_p= 200 м/с, l=1 м показана на рис. 4.23.

  Для прямоугольного канала а=2,5 см, Ь=1 см при lк=55 см и vр=165 м/с по формуле (4.28) максимальное значение коэффициента компрессии Р_в/Р_пр=1010. Таким образом, данная схема молекулярной откачки удобна для получения больших коэффициентов компрессии при малых быстротах откачки.

При увеличении молекулярной массы откачиваемого газа К_max возрастает, a S_max остается без изменения. Таким образом, насос более эффективно откачивает тяжелые газы.