Как стать автором
Обновить

Комментарии 53

Концентрированная информация от специалиста в своей области - и без картинок за нее большое спасибо, ну а если добавите картинок, показывающих какую-то техническую опять же суть - будет еще лучше.
Еще раз спасибо за ваши статьи.

Некоторое количество иллюстраций — не повредит ни одной научно-популярной статье.

Попробовал нарисовать иллюстрацию. Прошу не судить строго "художника".

Может тут есть знающие? Не знаю как гуглить такое: энергетически выгоднее сжимать газ для хранения в баллоне, или же таки выкачивать оттуда всё, чтобы создать вакуум?
Почему интересует: есть пневмотехника, раньше даже была пневмопочта. Так вот, вдруг дошло, что можно ведь и не "дуть", а втягивать. Что выгоднее?

при использовании в качестве аккумулятора энергии или толкателя сжатого воздуха вы можете неограниченно ( теоретически ) увеличивать силу воздействия. При использовании вакуума максимальная сила воздействия определяется атмосферным давлением ( 760 мм. рт. ст. или 100000 Н/м2 )

Да, именно поэтому вакуумные усилители тормозов применяют только в легковых автомобилях. В грузовых, где усилия гораздо больше, этого уже недостаточно, вот откуда пневмосистема с избыточным давлением, а не разрежением.

хороший пример!

В тормозной системе автомобиля движущей средой тормозных механизмов является не вакуум, а гидравлическая жидкость, и давление в ней гораздо больше, чем в пневмосистеме грузовика.

И тем не менее, в легковых автомобилях давление на движущую среду тормозных механизмов создаётся при помощи вакуумного усилителя, который использует энергию вакуума, создаваемого двигателем, а в грузовиках источником энергии является тот или иной вид компрессора. Разве не так?

Да, вы правы, давление создаётся при помощи вакуумного усилителя, но, как я выше уже заметил, оно в десятки раз больше, чем создаваемое воздушным компрессором.

"Разве не так?"

Именно так, говорю как профессионал в области автомобилестроения с 1978. Только Вы, коллега, и разбираетесь в устройстве автомобиля и физических процессах, протекающих при работе его систем, в отличие от минусующих и оспаривающих.

Без конкретной задачи дать общий ответ - нельзя. Потому что хотя уже приведенное соображение о влиянии разности давлений внутри и снаружи сосуда - совершенно справедливо, это не единственный фактор, который требуется рассмотреть. Например, есть аргумент в пользу хранения сжатого газа - механика устройства баллона. Прочную и легкую конструкцию из волоконного композита создать легко, потому что волокно в наполненном баллоне работает на растяжение. А если из баллона начать откачивать - на изгиб. Однако, сжатый газ может превращаться в жидкость, что может быть, в определенных условиях, нежелательно для конструкции.

Разрушительный потенциал сжатого воздуха может быть выше, чем у вакуумированной трубы. С точки зрения безопасности надувать может быть опаснее (если конечно избыточное) давление большое

Пневмопочта работала и с вакуумом тоже =)

Центральная идея в том, что у вас есть станция которая ближе к центру системы, и она создает избыток или разрежение в трубе, а есть абоненты к которым тянутся только трубы (ну и заслонки на пересечниях)

Чтобы капсула двигалась от станции к абоненту - в трубе создается избыточное давление, а чтобы от абонента к станции - разрежение.

При разнице давлений сильно меньше 1й атмосферы энергозатраты почти идентичны. Далее удельные энергозатраты для вакуума растут по мере приближения к теоретическому потолку в 1 атмосферу.

По этой же причине даже небольшое избыточное давление проще хранить и дозировано подавать в систему. Плюс возможность использование сжиженного газа, например широко используемый для этих целей жидкий углекислый газ. С получением жидкого вакуума есть определенные технологические сложности.

Надо представить себе поршневой водяной насос. Всасывать он может с глубины максимум 10 метров, чуть меньше, а нагнетать - столб сколько угодно высок, пока уплотнен поршень, хватает сил и не разрушился насос.

Спасибо за шикарную статью, надеюсь что продолжение будет.

Да конечно можно немного добавить фото и картинок датчиков.

В "Практике современной физической лаборатории" Стронга (1948-й год) предлагается практическая схема вакуумметра из двух лампочек накаливания. Лампочки используются вакуумные (сейчас такие бывают еще?), одна вскрывается и подсоединяется к вакуумной системе, вторая остается запаянной как образцовая. Обе лампочки включаются в измерительный мост.

Маломощные лампы накаливания (≤25Вт) еще можно встретить вакуумные. Также, предположительно с вакуумными баллонами обязаны быть лампы для внутренней подсветки микроволновок.

Наличие вакуума можно примерно оценить посредством помещения лампы в напряженное ВЧ поле (есть свечение — вакуум плохой, нет свечения — вакуум хороший… или давление близко к атмосферному).

У меня светились все, которые попались в руки, даже маленькие, на 12 В. Но правда лампочек от микроволновки не было, интересно было бы узнать)))

Лампы подсветки микроволновок находятся за пределами камеры за экраном сетчатым, иначе бы микроволны искрили по арматуре и спирали.

Да, есть такие мостовые схемы тепловых вакуумметров.

Такой специалист как бы должен знать, что газ разреженный (разрежённый).
Это клоуны разряженные.

замечание принимается, а способ, которым вы его сделали, является хамским.

Статья замечательная. Спасибо. Конкретно в картинках хотелось бы некоторого количества графиков. Думаю, так нагляднее.

Добавлен график ВАХ датчика Пирани

Добавлена картинка с изменением градуировочной кривой магнито-разрядного датчика от действия различных факторов.

И картинки и фото однозначно сделают текст и лучше и понятнее, мне так кажется. Тем более что область техники редкая если не сказать экзотическая

Статья хорошая и полезная, автору спасибо за дело образования читающей и думающей публики. Ошибки и неточности сопровождают весь текст статьи.

Датчики для измерения вакуума бывают абсолютные (им пофиг на состав газа) и остальные (они то как-раз зависят от состава газа. Делать абсолютные датчики для измерения малых давлений - ещё та проблема и чем лучше вакуум, тем труднее.

Автору надо было бы начать с изложения принципа работы самого простого датчика - термопарного. А так как у него есть шкала от 0 до 100, то в технических статьях можно встретить понятие 100% вакуума.

Советский манометр с датчиком Пирани измерял давления от атмосферного до 10^(-3?) Торр (дома я, а не на работе). Шкала от давления - нелинейная.

Есть такое понятие длина свободного пробега, т.е. время между столкновениями частицами газа. Отсюда сразу становиться ясно, какой нужен вакуум для данных линейных размеров прибора.

Сверхвысокий вакуум можно получить и в установках имеющих нагревательные элементы. Я использовал электронную пушку для нагрева образа с мощностью 500 Вт. И вакуум был лучше, чем 10^(-7) Торр. Терпение и длительный прогрев. А уж использование внешнего прогрева установок при температуре 150-300 С - это классика и давление там будет очень приличное , т.е. лучше 10^(-6) Торр.

Энергия ионизации атома уменьшается ли с ростом номера в таблице Менделеева? От лития к цезию... и ... от гелия к ксенону. Смотри картинку. С молекулами все хитрее.

Хорошее дополнение, спасибо. Хочу только сказать, что статья не ставила целью объять необъятное.

Так по поводу тепловых измерений в области низкого вакуума мельком было упомянуто, что существует тепло-конвекционный метод измерения давления. Тепловые датчики в области низкого вакуума как раз в таком режиме работают.

По поводу приведённой вами зависимости энергии ионизации от номера элемента, то даже в ней видно, что тенденция снижения этой энергии от номера существует, хотя, безусловно, на фоне этой тенденции действуют и другие более локальные закономерности, связанные с упаковкой электронных оболочек вокруг ядра атома. С другой стороны, как правило вакуумные системы и вакуумные датчики обычно работают с газами, а не с парами металлов или металлоидов, поэтому в части газообразных веществ обсуждаемая зависимость ещё более характерна.

По поводу нагревающихся элементов. Действительно, многие вакуумные установки имеют нагревающиеся элементы для обезгаживания своих элементов. И действительно, чем дольше греешь, тем более низкое давление можно получить. Однако, это не отменяет общий принцип, что чем холоднее элементы вакуумной установки, тем проще получить низкое и свехнизкое давление. И тут предварительный прогрев элементов вакуумной системы с последующим остыванием позволяет добиться лучших результатов.

По поводу термопарного датчика. Во первых, он не самый простой, а технически сложнее датчика Пирани, который состоит только из закреплённой на держателях нити и внешнего корпуса. Термопарный же датчик состоит из нити и термопары, измеряющей температуру нити. Безусловно, термопарный датчик удобнее для изучения школярами, так как представляет из себя более удобную техническую систему для лабораторных работ по изучению теплового способа измерения вакуума. По крайней мере, принцип работы термопарного датчика может усвоить ученик, ранее пропустивший лекцию про зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

По поводу "шкалы датчика". Вообще-то, по моему скромному мнению, ни у одного датчика не может быть никакой шкалы. Понятие "шкала" применимо только к измерительному прибору. У датчиков же имеется измерительная характеристика, да и то, строго говоря, не у всех датчиков, а только у тех, которые фактически являются преобразователями одной физической величины (в данном случае давления) в другую физическую величину ( применительно в датчикам давления это может быть угол поворота стрелки, высота столба жидкости или некая электрическая величина, как сопротивление, разность потенциалов и т.п. ).

Зависимость для газов: чем больше молекула - тем меньше энергия ионизации? Не все так просто. В принципе тенденция есть, но возьмём просто почти одинаковые молекулы: анилин и метилбензол (толуол), у них энергии ионизации отличаются значительно: 7.7 и 8.7 эВ, а диметилбензола (ксилол) порядка 8.5 эВ. А молекула диметилбензола будет больше, чему анилина. Молекула нафталина (Ei=8.2 эВ) явно будет больше, чем молекула анилина.

Я когда-то встречал работу, где была линейная зависимость чувствительности ионизационного датчика от размера молекулы. Но молекул там было приведено немного.

Я бы не стал при помощи ионизационного вакуумметра измерять давление сложных молекулярных газов, поскольку кроме ионизации будут вовсю происходить процессы разложения этих газов на более простые молекулы.

Мне кажется, что для измерения малых давлений сложных молекулярных газов необходимо использовать не ионизационные методы. Например, существуют датчики давления, работающие по принципу рассеяния электронов низких ( единицы эВ ) энергий на нейтральных молекулах. Я собираюсь упомянуть пример такого датчика в следующих публикациях.

  1. Какие есть манометры в установке, такие и есть. Так сложилось исторически с советских времён. Только ионизационные датчики и давление органических молекул от 10^(-8) до 10^(-6) Торр. Недостаток финансирования, а точнее отсутствие оного.

  2. Датчик на рассеянии электронов с низкими энергиями - это интересно.

Извините за личный вопрос: почему Рязанский радиотехнический институт, а не Пермский политех или московские вузы?

Это отдельная и личная история молодого человека. Дело в том, что моя мама (а она меня одна воспитывала) работала в приёмной комиссии Пермского политехнического института, поэтому у неё сомнений в том, куда будет поступать сын, не возникало. Но сын 8 и 9-й класс проучился в ЗФТШ МФТИ, потом, правда в 10-м классе забросил эту учёбу, но амбиции остались. Поэтому, проявив норов, поехал поступать в МФТИ на третий поток вслед за своим приятелем-золотым медалистом, который до этого уехал туда поступать. Приятель завалил экзамены, но поскольку в МФТИ вступительные экзамены были раньше других ВУЗов, то подался в МВТУ и, как медалист по льготе, поступил. Я же экзамены сдал, набрав 15 баллов, и поступил бы, если бы в анкете указал, что "не нуждаюсь в общежитии". Но так для нуждающихся в общежитии проходной бал был 16 и "фанера над Парижем пролетела". Сдавать больше мне экзамены в другие ВУЗы не хотелось, а тут купцы бегали из разных около-московских ВУЗов ( Из Иваново, из Рязани, из Тулы ), наперебой предлагая податься с набранными баллами к ним, что я и сделал к ужасу своей мамы, выбрав РРТИ. Вообще-то, мама была права, если с высоты моего возраста смотреть на всё. Голодать, знаете ли, хреново после 18 лет, когда алименты от папы перестали поступать. Но там была дальше армия, а после армии была уже работа на полставки на кафедре в должности сперва лаборанта, а на 5-м курсе уже на инженерной. Да и стипендия тогда была повышенная, как отличнику. А в МФТИ я после уже вернулся, уже в рамках сотрудничества с кафедрой вакуумной электроники и профессором Шешиным Евгением Павловичем.

Автор указывает, что в западных магниторазрядных датчиках занижают погрешность измерения, но каких-то технических деталей, обосновывающих данное утверждение, автор не приводит. Из общих соображений, конечно, можно что-то попробовать гадать на тему "доедет то колесо до Москвы, али не доедет", но в инженерной практике часто встречаются ситуации, когда вроде бы на первый взгляд "не так" работающаяя система оказывается вполне правильно работающей. А вся проблема здесь в качестве расчёта и дальнейшей реализации прибора. Поэтому голословно обвинять западные изделия в некошерности нельзя. Это не только может не соответствовать действительности, но и тренирует неподготовленного читателя верить броским фразам, неподкреплённым практически ничем, кроме авторитета автора.

Было бы неплохо подтвердить авторитет автора и привести какие-то более вменяемые доказательства, нежели "общие соображения".

А вообще, отсутствие у человека дотошности в области специализации говорит о потенциальных проблемах в случаях, когда ему снова не захочется погружаться в детали. Соответственно - авторитет автора, на мой взгляд, несколько проседает.

Общие соображения - это достаточно важная в технике вещь. Автор же привёл в качестве общий соображений аргумент о том, что электронный и ионный ток в магниторазрядном датчике текут в одной и той же электрической цепи (порождают один и тот же никаким образом не разделимый электрический ток). Это безусловно порождает неопределённость сигнала датчика и показаний прибора, который преобразует сигнал такого датчика в величину измеряемого давления. Понятно, что существуют различные ухищрения для того, что бы косвенно оценить пригодность датчика к измерениям. Например, в ряде магниторазрядных вакуумметрах сравниваются между собой сигналы магниторазрядного датчика в инверсно-магнетронном и магнетронном режимах. Существуют магниторазрядные датчики со специальным инициирующим газовый разряд радиоизотопным источником внутри. Но вообще, на мой личный взгляд, данный вид датчиков очень удобен для продажи под серьёзным брендом, так как доказательств неточной работы датчика ( вакуумметра ) пользователь никаких представить не может, а сертификат Реестра средств измерений ... вот он! Поэтому, пользователь сам дурак.

Но ещё раз скажу, что приведённое мнение является личным мнением автора, абсолютно такого же типа, как бессмысленность (например) игры в казино или в карты с джентльменами.

Касаемо практического опыта автора, то, применительно к магниторазрядным датчикам он достаточно большой. Всё же, участие в обслуживании 2-х откачных кинескопных машин с датчиком типа ПММ на каждой из 180 откачных позиций в машине в течении нескольких лет.

Характеристика любого магниторазрядного датчика выглядит вообще так, как приведено выше. Давление перехода и роста тока с повышением давления к спаду тока с повышением давления, приведено в качестве примера и от конструкции к конструкции может изменяться.

Спасибо за развёрнутый ответ. Но в нём вы всё же подтвердили, что ваша оценка западных датчиков базируется на вашем опыте, а не на объективной проверке, которую трудно провести большинству пользователей датчиков.

И хорошо, что в ответе вы добавили "на мой личный взгляд", это снимает вопросы о подтверждении. Но если бы так же было бы и в статье, то и всего этого диалога бы не возникло. Надеюсь, вы поступите правильно при публикации статей в будущем.

"Более того, стиль изложения автором намеренно основан на рассказах о собственном опыте и включает личные оценочные суждения. Данный блог, не является учебником или сборником научных статей. " - это и написано буквально в первом абзаце.

Являясь фанатом вакуумной техники с удовольствием прочел статью. Среди предметов, которые я преподаю на физики-техническом факультете Северо-Осетинского государственного университета есть предмет "Основы вакуумной техники". Хорошая статья. Жду продолжения.

Сегодня на запале, и видя интерес к тематике тут, написал вторую часть. И понял, что будут и следующие части, так как информации много, что бы поделиться.

Знаете или нет: иногда датчики давления ставят вне пределов установки, т.е. они присоединены через трубку к установке. Давление там будет хуже, чем в установке. Также там давление будет хуже за счёт локального нагрева ионизационного датчика при работе катода и ускоренного пучка электронов. Когда надо было получить давление лучше, чем 10^(-10) Торр , я датчики выключал.

Кстати, можно использовать насос НОРД в качестве датчика давления: качает и по току давление в нем измеряется.

Хорошее дополнение. Так и есть. Мельком где-то упоминал про неоднозначность показаний, но коснусь этого более полно.

А зачем вообще измерять давление применительно к вакууму? Давление это же термодинамическая величина, а при наличии "одной частицы на куб.см" (с)Wiki (пусть даже миллиарда) о какой термодинамике может идти речь? Да и смысл достижения высокого вакуума в том, чтобы .. эмм.. "вредные" частицы не мешали летать "полезным", а с этой точки зрения зачем знать давление, которое к тому же зависит от температуры. Лучше же знать сколько "вредных" частиц в ед. объема, нет?

В принципе, вы отчасти правы. Но традиции сильнее. Я не знаю ни одного прибора, который был бы сертифицирован, как средство измерения, и измерял бы концентрацию молекул газа в единице объёма. Впрочем, физико-химическое воздействие "вредных" молекул на, допустим, некие поверхности с "полезными" молекулами зависит не только от концентрации, но, часто, и от скорости движения "вредных". В связи с этим, полагаю, в технологических процессах выработались какие-то критерии, связанные именно с давлением газа, хотя, безусловно, в области высокого и сверхвысокго вакуума говорить о термодинамике сложно.

С другой стороны, как я писал, всё определяется так же линейными размерами пространства, где мы ведём физический эксперимент ( наблюдение ). Так, полагаю, что в пространстве многокилометровых размеров и без земной гравитации газ при давлениях, соответствующих нашим земным понятиям высокого вакуума вполне способен вести себя, как термодинамическая система. Разве не так?

Ну термодинамика предполагает, что речь идет о непрерывных величинах, а не об отдельных ударах молекул по стенкам. Поэтому для сверхнизкого давления уже будут заметны флуктуации... но если долго усреднять по времени , то в принципе совпадет с классикой.
Но с этой точки зрения величина объема на степень приближения к термодинамике не влияет - хотя для получения заданного давления в большой объем надо запустить больше частиц, но частота ударов молекул по стенкам на единицу площади от этого не изменится.

в технологических процессах выработались какие-то критерии, связанные именно с давлением газа

Если бы концентрация давала какие-то преимущества.. а так шило на мыло менять конечно смысла нет.

Узрел очепятку. Прошу устранить.

Средний вакуум ( 760 - 10-3 Торр)

Если я правильно понял суть.

средний вакуум, это от 1 до 10-3 Торр

Очень интересно, большое спасибо за материал.

И отдельное спасибо за стиль изложения - научно-технические мемуары в стиле писем Капицы.

В мощных клистронах используются встроенные электроразрядные вакуумные насосы, глубина вакуума индицировалась током вакиона. Это ионизационный метод, насколько я понимаю?

Не совсем понимаю, как работает встроенный насос и куда он девает остаточный газ.

КУ-318 здоровенная халабуда, стояла в ТВ передатчиках Ильмень, 25/2.5 кВт.

Металлокерамика, через которую натекает и мудреная процедура по вводу в эксплуатацию с хранения в специальном "шкафе тренировки клистронов", накал, ступенчатое повышение на коллекторе, насос этот... Какие процессы примерно происходят?

Лампы тренировал, там, вроде бы, остаточные газы чуть отравляют катод и тем уходят, не мешая электронам и не вызывая разрядов, так?

Встроенный насос девает остаточный газ, запаковывая его в какой химически активный металл. Обычно для "хранения" откачанного остаточного газа используют титан, поскольку он инертен на атмосфере за счёт плёнки окисла на поверхности и очень активен, когда эта плёнка разрушена.

В принципе, практически все вакуумные приборы ( ЭВП ) имеют внутреннюю систему откачки остаточного газа после того, когда прибор спаяют с вакуумного поста.

Просто в одних приборах ( не так часто ) эта система сделана в виде отдельной конструкции с анодом, катодом, магнитом (бывает) и с выводами для подключения внешнего источника напряжения. И такую конструкцию называют - магниторазрязный насос.

А в большинстве ЭВП обычно просто либо встраивается специально подготовленный в виде этакой "губки" из титана элемент, который нагревается после отпайки прибора с поста при помощи внешнего ВЧ-индуктора примерно до 600 градусов Цельсия. Вся "гадость" с его поверхности уходит в глубину "губки" и этот элемент становится очень активным для поглощения газа. Так же, во многих приборах используются для поглощения остаточного газа плёнки бария или того же титана, которые распыляются либо из контейнера со сплавом бария с алюминием (Альбаний), либо из титановой проволоки, нагреваемой до перегорания электротоком (как в плавком предохранителе). Понятно, что ни титан, не щелочной металл поглотить инертный газ в виде нейтральных молекул не может (а гелий в любой вакуумный прибор, например, постоянно натекает из атмосферы), но сама работа прибора ионизирует газ, что приводит к поглощению и инертных газов. Такие системы откачки отпаянных ЭВП называются - геттерные.

Иногда бывает, когда делают трёхступенчатую систему откачки. Т.е. сперва откачивают насосом, затем спаивают, но оставляют присоединённым к прибору небольшой магниторазрядный насос, а затем уже после разных технологических процедур спаивают или скусывают и его, а в приборе остаётся геттер.

А в большинстве ЭВП обычно просто либо встраивается специально подготовленный в виде этакой "губки" из титана элемент, который нагревается после отпайки прибора с поста при помощи внешнего ВЧ-индуктора примерно до 600 градусов Цельсия. 

Но это не геттер, правильно? Нет металлизации на стекле. Точно не помню, каки-то 6Н19П, что ли, без металлизации и кажется, что без вакуума. Когда-то баловались разными мелкими ламповыми усилителями.

Спасибо за пояснение, постоянно действующий донасос надо там, где постоянно натекает. По току судили о глубине вакуума в клистроне.

Собственно, Вы про что-то подобное тут упоминали, мол измерение вакуума влияет на сам вакуум, добавляя газ в объём или убавляя.

Есть два виде газопоглотителей (геттеров) для ЭВП:

1) Распыляемые - это такие, когда активный металл распыляется внутри баллона прибора (вы описали, как "металлизация колбы", но может напыляться и не на стекло, главное, что бы эта плёнка ничего не закоротила в приборе нужного). Обычно распыляют барий, но бывает, что и титан.

2) Не распыляемый геттер - это, когда титан содержится в некой металлической пористой губке. За счёт пор там эффективная площадь поверхности для поглощения газа может быть даже выше, чем в распыляемом геттере. Но такой геттер имеет более низкую скорость поглощения газа. С другой стороны, его можно несколько раз активировать (нагревать) и снова делать готовым к работе.

Зарегистрируйтесь на Хабре , чтобы оставить комментарий

Публикации

Истории