Вавилова закон

Вид материала

Закон

Содержание Вакуумная спектроскопия Вакуумный насос Рис. 4. Многопластинчатый насос. Рис. 6. Двухроторный насос (насос Рутса). Рис. 7. Пароструйный насос. Рис. 8. Насос Ленгмюра. Рис. 10. Геттерно-ионные насосы ГИН; 1 — центр. анод; 2 — прогреваемый анод; 3 — катоды; 4 — прямоканальные испари­тели. Рис. 11. Ячейка Пеннинга. Основные параметры вакуумных насосов Вакуумный пробой Валентная зона Твёрдое тело. Ван-де-граафа генератор Диаграмма состояния в-ва в координатах р — V: t

Подобный материал:

• Н. И. Вавилова аналитический отчет, 217.51kb.
• Урок по общей биологии в 11 классе «Дело академика Вавилова», 851.64kb.
• Селекция- одомашнивание, 126.51kb.
• Уважаемые коллеги!, 64.43kb.
• Українське товариство генетиків І селекціонерів ім. М.І. Вавилова, 45.97kb.
• «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова», 377.27kb.
• Саратовский Государственный Аграрный Университет им. Н. И. Вавилова. Кафедра Акушерства, 248.61kb.
• О. Б. Ширяев Институт общей физики ран, 119991, Москва, ул. Вавилова,, 20.28kb.
• Главное управление образования, 70.84kb.
• Издательский дом, 529.99kb.

ВАКУУМНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ,

спектроскопия коротковолновой УФ области и мягкого рентгеновского из­лучения (от 2•10² до 0,4—0,6 нм). В этой, т. н. вакуумной, области спектра воздух обладает сильным поглощением, и для исследования спектров в ней применяют вакуум­ные спектральные приборы, оптич. части и приёмник которых поме­щены в вакуумированную (до 10^-5 мм рт. ст.) камеру или камеру, напол­ненную инертным газом.

Спектры, наблюдаемые в b. c., об­условлены электронными квантовыми переходами в одно- и многократно ионизов. атомах, а также в нек-рых молекулах. В b. с. изучают спектры испускания и поглощения для полу­чения информации об уровнях энер­гии ионов и молекул, для система­тики спектров. Методы В. с. исполь­зуют для изучения процессов в высо­котемпературной плазме. Исследова­ние с помощью методов В. с. много­зарядных ионов имеет большое зна­чение для расшифровки спектров звёзд, туманностей и др. космических объектов.

63


Спектр. приборы и методы b.c. обладают рядом специфич. особеннос­тей. Не существует оптич. материа­лов, прозрачных во всей вакуумной области, поэтому, напр., приборы с призмами и линзами из кристаллов LiF и CaF₂ применяются лишь до длин волн 1,1•10² и 1,25•10² нм. В бо­лее KB области в кач-ве оптич. эле­ментов применяются дифракц. решёт­ки (в т. ч. кристаллы, напр. слюда).

Для фотографирования спектров в В. с. применяют т. н. шумановские фотопластинки с большим содержа­нием бромистого серебра и очень ма­лым содержанием желатины (жела­тина фотоэмульсии обычных пласти­нок обладает сильным поглощением в вакуумной области). Применяют также сенсибилизиров. фотопластин­ки. В кач-ве приёмников в В. с. ис­пользуются и счётчики ионизирующих излучений.

Источником излучения в В. с. обычно служит высоковольтная ва­куумная, или «горячая», искра, полу­чаемая при напряжении св. 5•10⁴ В в искровом промежутке ок. 1 мм.

• См. лит. при ст. Ультрафиолетовая спек­троскопия. Рентгеновская спектроскопия.

ВАКУУМНЫЙ НАСОС, устройство для удаления газов и паров из замк­нутого объёма с целью получения ва­куума. В. н. делятся на проточные, к-рые удаляют газ из откачиваемого объёма наружу, и сорбционные, свя­зывающие газ внутри насоса. Сущест­вуют также спец. имплантационные, палладиевые и каталитич. В. н. для откачки водорода. Осн. параметры В. н.: 1) предель­ное остаточное дав­ление р_ост; 2) бы­строта откачки S — объём газа, откачи­ваемый в ед. вре­мени при определ. впускном давлении



Рис. 1. Области дейст­вия разл. типов ваку­умных насосов: 1 — водокольцевых; 2 — поршневых; 3 — паро-масляных бустерных; 4 — механических бустерных; 5 — диффу­зионных; 6 — сорбционных.


3) производительность Q — кол-во газа (помимо паров рабочей жид­кости), удаляемое В. н. в ед. време­ни при определённом p_вп(Q=Sр_вп); 4) наибольшее давление запуска р_зап, при к-ром В. н. может начать рабо­тать; 5) наибольшее выпускное дав­ление p_макс, при к-ром В. н. ещё может осуществлять откачку. В. н. бывают форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при р_зап=760 мм рт. ст.) и высоко­вакуумные, создающие высокий и

сверхвысокий вакуум, иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) В. н. (рис. 1).

По принципу действия проточные В. н. подразделяются на механиче­ские, струйные (эжекторные и паро­струйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные. Механиче­ские В. н.— форвакуумные, они ос­нованы на всасывании откачиваемого газа при периодич. увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объё­ма и сжатии газа до давлений, доста­точных для открывания выпускных клапанов.



Рис. 2. Поршневой насос: V₀ — отка­чиваемый объём; П — поршень.



Рис. 3. Враща­тельный водокольцевой насос.


Механич. В. н. бывают поршневые (рис. 2) и вращательные. Во вращательных водокольцевых В. н. (рис. 3) вода центробежной си­лой прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцо 7 и рабочую камеру 2 (свободную от воды). Газ откачивается в результате изменения объёма рабочей камеры между лопат­ками ротора. Эти насосы могут отка­чивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и др. взрывоопасные газы.



Рис. 4. Многопластинчатый насос.

Многопластин­чатые В. н. (рис. 4) также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези к-рого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к

внутр. поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяю­щимся объёмом. У наиболее распро­странённых вращат. В. н. (рис. 5) — насосах Геде, внутр. объём заполнен маслом, к-рое служит смазкой и пре­пятствует натеканию воздуха в об­ласть низкого давления за счёт обра­зования плёнки между вращающи­мися и неподвижными частями. Кон­денсация или растворение газов и па-



Рис. 5. Вращательные масляные насосы: а — пластинчато-роторный; б — пластинчато-статорный; в — плунжерный; 1 — ста­тор; 2 — ротор; 3 — разделительная плас­тина; 4 — пружина; 5 — выпускной клапан; 6 — рычаг; 7 — плунжер; 8 — золотник.


ров в масле ухудшает параметры В. н. Это предотвращается напуском в рабочую камеру В. н. (после отде­ления её от впускного отверстия) атм. воздуха в таком кол-ве, чтобы к мо­менту выхлопа парц. давление паров не достигало давления насыщения.



Рис. 6. Двухроторный насос (насос Рутса).

Действие двухроторных В. н. (насоса Рутса) основано на встречном враще­нии двух роторов (рис. 6) (предварит. разрежение 5—1 мм рт. ст.).

В струйных В.н. откачивае­мый газ всасывается струёй жидкости

64


или пара. Различают эжекторные (вихревые) и пароструйные В. н. В эжекторных В. н. газ увлекается турбулентной струёй жидкости (воды) или пара (воды или ртути), истекаю­щей со сверхзвук. скоростью из сопла эжектора (рис. 7) за счёт турбулент­ного перемешивания или вязкостного трения граничных слоев струи и от­качиваемого газа в камере смешения. Парогазовая смесь из камеры смешения поступает в расширяющийся диф­фузор, где скорость потока умень­шается, а статич. давление становится значительно выше, чем давление вса­сывания.



Рис. 7. Пароструйный насос.


В вихревых В. н. исполь­зуется разрежение, развивающееся вдоль оси вихревого потока, созда­ваемого сжатым воздухом или пере­гретым паром.

В пароструйных В. н.— насо­сах Ленгмюра (рис. 8) струя пара 2 (ма­сло, Hg), истекая с большой скоростью



Рис. 8. Насос Ленгмюра.

из сопла 1, захватывает откачиваемый газ, увлекает его к охлаждаемым стен­кам рабочей камеры 3, где пар кон­денсируется. Конденсат по сливной трубе 4 возвращается в кипятильник 5. Газ, увлекаемый струёй к стенкам

камеры, сжимается и выбрасывается к форвакуумному насосу. Захват газа (в диапазоне р~10^-1—10^-2 мм рт. ст.) происходит за счёт вязкост­ного трения между поверхностными слоями струи и прилегающими слоями газа; при р<10^-3 мм рт. ст.— за счёт диффузии газа в струю и конвективного переноса молекул газа струёй в сторону форвакуума. При этом часть молекул откачиваемого газа, стал­киваясь с движущимися навстречу бо­лее тяжёлыми (рассеянными из струи) молекулами пара, отражается обрат­но. Часть газа, попавшего в струю, оказывается растворённой в конден­сате и вместе с ним попадает в кипя­тильник, откуда затем выносится с па­рами через сопло. Этот процесс огра­ничивает получаемое р_ост. Для очист­ки конденсата от растворённого в нём газа применяется фракционирование рабочей жидкости внутри насоса. Хар-ки пароструйных В. н. зависят как от св-в рабочей жидкости, так и от массы молекул и откачиваемого газа. В составе остаточных газов, помимо паров Н₂O, СО, СO₂ и О₂, есть мно­жество углеводородных соединений и радикалов с массовым числом до 250 или пары Hg. Применяя в этих В. н. ловушки, удаляют углеводороды и пары Hg, что позволяет получить более низкое p_ост. Пароструйные В. н. делятся на бустерные (вязкост­ное трение и диффузия) и диффузион­ные (молекулярный режим).

В турбомолекулярных В. н. молекулы откачиваемого газа увлекаются быстро вращающимся ро­тором (скорость к-рого сравнима со скоростью теплового движения моле­кул), улавливаются и удаляются из откачиваемого объёма. Перепад дав­ления между входом в насос и выхо­дом из него пропорц. скорости и длине движущейся поверхности, соприка­сающейся с потоком газа, и мол. весу газа. Такой насос напоминает гори­зонтальный (рис. 9) или вертикаль­ный осевой многоступенчатый ком­прессор. Роторные и статорные диски такого насоса имеют радиальные косые прорези, боковые стенки к-рых на­клонены относительно плоскости дис­ка под углом 15—90°, причём прорези роторных дисков зеркальны относи­тельно прорезей статорных дисков. При быстроте вращения ротора 6 600— 90 000 об/мин молекулы газа полу­чают дополнит. скорость и увлекаются в каналы, образуемые прорезями в дисках, в направлении откачки. Осн. остаточный газ — Н₂; есть небольшое кол-во СО, N₂ и СO₂; тяжёлые угле­водородные соединения не обнаружи­ваются.

В сорбционных В.н. газ обычно остаётся внутри В.н. в свя­занном виде на сорбирующих поверх­ностях или в подповерхностных слоях; S пропорц. площади сорбирующей по­верхности; p_ост зависит от процессов десорбции. Сорбц. В. н. подразде­ляются на адсорбционные, сорбционные с термич. распылением (геттерные, сублимационные), сорбционные с нераспыляемым геттером (ленточ­ные), сорбционно-ионные (геттерно-ионные, ГИН), магниторазрядные (насос Пеннинга, ионно-распылительный) и криогенные. Возможны комбинации сорбционных геттерных В. н.

В адсорбционных В.н. связывание газа происходит на по­верхностях пористых материалов (цеолит, реже активный уголь, силикагель) при темп-ре окружающей среды или пониженной (113—77 К).



Исполь­зуются они как самостоятельные с p_ост~10^-9 мм рт. ст. (10^-7 Па) или как форвакуумные насосы с р_ост от 60 до 10^-4 мм рт. ст. (до 10^-2 Па).

В сорбционных испарительных (геттерных) В. н. поглощающая поверх­ность создаётся напылением химически активных металлов (Ва, Ti, Zr, Та, Mo и др.). Образующиеся плёнки по­глощают большинство газов, присут­ствующих в вакуумных системах (O₂, СO, СО₂, пары Н₂O), за счёт образо­вания хим. соединений, хемосорбции (Н₂) и растворения. Инертные газы и углеводороды практически не поглощаются, их удаляют вспомога­тельным пароструйным В. н. или ион­ной откачкой. Но полностью освобо­диться от углеводородов (напр., от СН₄) не удаётся, они синтезируются на поверхности плёнки поглотителя, играющей роль катализатора. Это не позволяет получить р_ост меньше 10^-9—10^-11 мм рт. ст. Однако при напылении Ti на охлаждаемые (ниже 77 К) поверхности не только сни­жается кол-во Н₂ и др. газов, но и прекращается образование СН₄, что позволяет получить p_ост~10^-11—10^-13 мм рт. ст. Такие насосы требуют p_зап~10^-4 мм рт. ст. и в сочетании с диффузионным или магниторазрядным В. н. создают сверхвысокий ва­куум при S до 10⁶ л/с.

В сорбционных нераспыляемых (ленточных) В. н. поглощение осу­ществляется за счёт хемосорбции плёнкой высокопористых сплавов ак­тивных металлов и композитных мате­риалов (напр., Zr+Al), наносимой в виде мелкодисперсного порошка на металлич. и диэлектрич. подложки. Такой геттер обладает интенсивным

65


диффузионным переносом сорбиров. газов в толщу плёнки, возрастающим с повышением темп-ры. Такие насосы позволяют получить р_ост~10^-11 — 10^-13 мм рт. ст. при откачке активных тазов при S_уд до 1 л/с•см².

В сорбционно-ионных В.н. молекулы газа ионизуются при соу­дарении с эл-нами, эмиттированными накалёнными катодами. В В. н. типа ГИН положит. ионы, ускоренные электрич. полем, внедряются в покрываю­щий стенки насоса слой конденсиро­ванного сорбента и «замуровываются» его свежими слоями (рис. 10).



Рис. 10. Геттерно-ионные насосы ГИН; 1 — центр. анод; 2 — прогреваемый анод; 3 — катоды; 4 — прямоканальные испари­тели.


В насо­сах типа «Орбитрон» электрич. поле несимметрично относительно корпуса насоса и катода, и эмиттируемые ка­тодом эл-ны движутся по орбитам достаточно долго, что увеличивает вероятность ионизации. Кроме того, часть эл-нов, траектории к-рых про­ходят вблизи центрального титанового стержневого анода, попадает на него, разогревая его до темп-ры, до­статочной для сублимации Ti.



Рис. 11. Ячейка Пеннинга.


При р<10^-6 мм рт. ст. испаряется неск. атомов Ti на одну молекулу откачи­ваемого газа; S достигает 10⁶ л/с. При р>10^-6 мм рт. ст. скорость ис­парения Ti недостаточна для обеспе­чения его избытка на поверхности поглощения, и 5 резко падает; р_зап~10^-4 мм рт. ст.

В магниторазрядных В. н. рабочим элементом явл. газо­разрядная ячейка — ячейка Пен­нинга, состоящая из «ячеистого» анода (рис. 11), расположенного меж­ду катодными пластинами, покрытыми Ti. Ячейка помещена в магн. поле В~900—3000 Гс, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды высокого напряжения (от 3 до 7 кВ) между ними зажигается разряд, эл-ны движутся по сложным спиралям, что увеличивает вероят­ность ионизации в высоком вакууме (~10^-12—10^-14 мм рт. ст.). Ускорен­ные электрич. полем ионы бомбарди­руют катоды, вызывая катодное рас­пыление; при этом часть ионов внед­ряется в катоды, а часть — нейтрали­зуется и, обладая достаточной энер­гией, отражается от поверхности ка­тода, попадает на анод и «замуровы­вается» распыляемым материалом ка­тодов. Активные газы откачиваются сорбционным и ионным способами, инертные — ионным, причём часть их «замуровывается» на аноде. Величина разрядного тока в этих насосах пропорц. давлению, S зависит от числа ячеек (каждую ячейку можно рас-

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ



сматривать как самостоят. насос с S от 0,25 до 1 л/с).

Действие криогенных (конденса­ционных) В. н. основано на конден­сации и адсорбции паров и газов на поверхностях, охлаждаемых до низ­ких темп-р, когда давление насыщ. паров откачиваемого в-ва ниже дав­ления, к-рое необходимо создать в от­качиваемом объёме. Криогенный В. н, состоит из: криопанели; защитного экрана, охлаждаемого до темп-р, про­межуточных между темп-рой криопанели и стенки корпуса, и служащего для снижения тепловых нагрузок на криопанель от теплового излучения стенок корпуса насоса; системы ох­лаждения. Для откачки газов, не­конденсируемых в насосе, применяют вспомогательный пароструйный насос с ловушкой или сорбционно-ионный насос.

• Дэшман С., Научные основы вакуум­ной техники, пер. с англ., М., 1964; Пау­эр Б. Д., Высоковакуумные откачные уст­ройства, пер. с англ.,М.,1969; Пипко А.И., Основы вакуумной техники, 2 изд., М., 1981; Грошковский Я., Техника высокого вакуума, пер. с польск., М., 1975; III у м с к и й К. П., Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения, 2 изд., М., 1974; Контор Е. И., Геттерные и ионно-геттерные насосы, М., 1977; Василь­ев Г. А., Магниторазрядные насосы, М., 1970; Минайчев В, Е., Вакуумные крионасосы, М., 1976.

Е. И. Контор.

ВАКУУМНЫЙ ПРОБОЙ, процесс воз­никновения самостоятельного разряда при высокой разности потенциалов между электродами, находящимися первоначально в таком вакууме, при к-ром длины пробега ч-ц много больше межэлектродного расстояния, так что объёмная ионизация остаточного газа практически отсутствует. Развитие В. п. может начаться с теплового взрыва естественных (или искусствен­ных) микроостриёв на катоде (см. Взрывная электронная эмиссия) за счёт токов автоэлектронной эмиссии. При этом вблизи катода образуется облако плазмы. Бомбардируемый эл-нами плазмы анод разогревается и поставляет в пр-во пары металла, ионизация к-рых приводит к возник­новению разряда. Если мощность ис­точника тока достаточно велика, то заключит. стадией В. п. явл. вакуум­ная дуга. Развитию В. п. могут спо­собствовать диэлектрич. вкрапления и адсорбиров. плёнки на поверхности электродов.

Л. А. Сена.

ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА, энергетич. об­ласть разрешённых электронных со­стояний в тв. теле; при абс. нуле темп-ры целиком заполнена валент­ными эл-нами (см. Зонная теория). Эл-ны В. з. дают вклад в энергию связи кристалла, его диэлектрическую проницаемость, определяют погло­щение света в кристалле; в электро­проводности и др. процессах переноса эл-ны заполненной В. з. при Т0К участия не принимают. Под влиянием теплового движения (Г0К), а также внеш. воздействий (освещение, облу­чение эл-нами, введение примесей и т. п.) обычно небольшая часть эл-нов

66


переходит из В. з. в проводимости зону или на примесные уровни в за­прещённой зоне. В результате в верх. части В. з. появляется нек-рое число незаполненных электронных состоя­ний (дырок), и эл-ны В. з. получают возможность участвовать в электро­проводности.

• См. лит. при ст. Твёрдое тело.

Э. М. Эпштейн.

ВАЛЕНТНОСТЬ (от лат. valentia — сила), способность атомов элементов к образованию химических связей; ко­личественно характеризуется числом. В. можно рассматривать как способ­ность атома отдавать или присоеди­нять определ. число эл-нов внеш. электронных оболочек (валентных эл-нов). В случае ионной связи В.— это число отданных или присоединённых данным атомом эл-нов; в случае ковалентной связи В. равна числу об­обществлённых электронных пар. Мн. элементы могут иметь различную В. в зависимости от того, в какие соеди­нения они входят. В этом случае часто пользуются термином «степень окисления», или «окислительное чис­ло». Иногда В. явл. понятием услов­ным и не может быть количественно охарактеризована.

• См. лит. при ст. Молекула.

В. Г. Дашевский.

ВАН-ДЕ-ГРААФА ГЕНЕРАТОР, см. в ст. Электростатический генератор.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА УРАВНЕНИЕ,

одно из первых уравнений состояния реального газа. Предложено в 1873 голл. физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом (J. D. van der Waals). Для моля газа, имеющего объём V при темп-ре Т и давлении р, имеет вид:

(p+a/V²)(V-b)=RT,

где R — универсальная газовая по­стоянная, а a и b — эксперим. кон­станты, учитывающие отклонение св-в реального газа от св-в идеального. Так, член a/V² имеет размерность дав­ления и учитывает притяжение моле­кул в результате межмолекулярного взаимодействия, а константа b — по­правка на собств. объём молекул, учитывающая отталкивание молекул на близких расстояниях. При боль­ших V (а также для разреж. газов) константами а и & можно пренебречь и В. у. переходит в ур-ние состояния идеального газа (см. Клапейрона урав­нение).

В. у. явл. приближённым и коли­чественно определяет св-ва реальных газов лишь в области высоких Т и низких р. Однако качественно оно позволяет описывать поведение газа при высоких р, конденсацию газа и критич. состояние.

На рисунке приведены изотермы, рассчитанные по В. у. При низких Т все три корня В. у.— действитель­ные, а выше критич. темп-ры (Т_к) остаётся лишь один действит. корень. Это означает, что при Т>Т_К в-во может находиться только в одном (газообразном) состоянии, а при Т<Т_К — в трёх состояниях (двух стабильных — жидком V_ж и газообраз­ном V_г — и одном нестабильном). Точки прямой ас отвечают равнове­сию жидкости и её насыщ. пара. В ус­ловиях равновесия, напр. в состоя­нии, соответствующем точке b, отно­сит, кол-ва жидкости и пара опреде­ляются отношением отрезков вс/ва («правило моментов»). Равновесию фаз при определ. Т соответствует давле­ние насыщ. пара р_нп и интервал объёмов отV_ж до V_r.



Диаграмма состояния в-ва в координатах р — V: t_1, Т₂, Т₃, Т_к — изотермы, рассчи­танные по ур-нию Ван-дер-Ваальса; К — критич. точка. Линия dKe (спинодаль) очер­чивает область неустойчивых состояний.


При более низких р (за областью, где возможно одновре­менное существование газа и жид­кости) изотерма характеризует св-ва газа. Левая, почти вертик. часть изо­термы отражает малую сжимаемость жидкости. Участки ad и еc (и анало­гичные участки др. изотерм) относятся соотв. к перегретой жидкости и пере­охлаждённому пару (метастабильные состояния). Участок de физически неосуществим, т. к. здесь происходит увеличение V при увеличении р. Совокупность точек а, а', а" и с, с', с", . . . определяет кривую, наз. бинодалью, к-рая очерчивает об­ласть совместного существования газа и жидкости. В критич. точке К пара­метры Т_к, р_к и V_к имеют значения, характерные для данного в-ва. Од­нако если в В. у. ввести относит. ве­личины Т/Т_к, р/р_к и V/V_K, то можно получить т. н. приведённое В. у., к-рое явл. универсальным.