Kol kas aš su savo skaitytojais keliavau vakuumo didinimo linkme nesusimąstydamas, kokiu būdu aš keisiu dujų slėgį. Manau, kad dabar pats laikas pagalvoti, kaip aš tą vakuumo didinimą, t.y. dujų slėgio mažinimą, techniškai įgyvendinsiu.

Tiesa, jei dar neskaitėtė pirmosios straipsnio dalies, tą galite padaryti paspaudę šią nuorodą.

O šiam tikslui naudojami specialūs įtaisai, vadinami vakuuminiais siurbliais. Tačiau, deja, nėra ir negali būti tokio vakuuminio siurblio, kuris galėtų efektyviai veikti visame šiuo metu naudojamame vakuumo slėgių intervale. Tad man teks jums papasakoti apie pagrindines, tačiau toli gražu ne visas šiuo metu naudojamas vakuuminių siurblių rūšis ir jų veikimo fizikinius principus.

Mažo vakuumo slėgių intervale plačiausiai naudojami tūrinio veikimo siurbliai. Tokiame siurblyje yra viena ar kelios kintančio tūrio darbinės kameros. Kameros tūriui didėjant, ji sujungiama su vakuumuojamuoju indu, iš kurio dalis dujų patenka į siurblį. Po to siurblio darbinė kamera atjungiama nuo vakuumuojamojo indo, joje esančios dujos suslegiamos ir pašalinamos į atmosferą . Taip veikiantys siurbliai yra efektyvūs mažo ir vidutinio vakuumo slėgių intervaluose. Keletas galimų konstrukcijų pateiktos 1 paveikslėlyje. Kairėje jo pusėje matome diafragminį siurblį. Jame darbinėskameros tūris keičiamas deformuojant lanksčią dujoms neskaidrią diafragmą. Dešinėje pavaizduotame spiraliniame siurblyje kintančio tūrio kameros formuojamos tarp stacionarios ir jai identiškos judančios spiralių. Abiem atvejais geltonomis rodyklėmis pavaizduotos dujų patekimo, o raudonomis – dujų šalinimo angos ir kryptys.

Toliau retinant dujas tenka atsižvelgti į tai, kad dideliame vakuume pakinta dujų tekėjimas: didėja vamzdyno pasipriešinimas kryptingam dujų judėjimui. Be to, tenka įvertinti papildomas dujas, atsirandančias pasikeitus adsorbuoto jų sluoksnio pusiausvyrai, t.y. „atplyštančias“ (fizikai sako: desorbuojamas) nuo visų išretintų dujų aplinkoje esančių kietųjų kūnų paviršių. Ir dar viena bėda – tos dujos desorbuojamos palaipsniui, tad jų šalinimas gali daug kartų padidinti vakuumavimo proceso trukmę. Ir vis dėlto didelį vakuumą gauti reikia. Jis būtinas daugybėje šiuolaikinių technologijų. Šiai problemai spręsti buvo pasiūlyti kitokius fizikinius principus panaudojantys vakuuminiai siurbliai. Plačiausiai šiuo metu naudojama tokių siurblių rūšis yra kinetiniai vakuuminiai siurbliai. Jų sukuriamas dujų pernešimo efektas gaunamas šalinamoms dujoms kontaktuojant su kryptingai judančiais kietais kūnais (tai gali būti kietojo kūno paviršius, garų čiurkšlė). 2 paveikslėlyje matome vieną galimų kinetinių siurblių rūšių – šiuolaikinį turbomolekulinį siurblį. Jame kryptingą judėjimo komponentę dujų molekulės įgyja sąveikaudamos su greitai besisukančio rotoriaus sparnuote (turbina).

Šie siurbliai gali būti sukonstruoti taip, kad efektyviai veiktų didelio vakuumo slėgių intervale ir, atrodytų, jais turėtų būti pasiekiami kiek norima maži slėgiai. Deja, taip nėra. Stengiantis gauti mažesnį kaip 10^-6 Pa slėgį tenka įvertinti tai, kad vis didesnę šalinamų dujų dalį sudaro desorbuojamos (nuo vidinių vakuumuojamos sistemos, taip pat ir siurblių paviršių) dujos. Tampa ženklus dujų kiekis, prasiskverbiantis per įvairius sandariklius (pvz., tarpines). Pagaliau net ir kokybiškiausiame metale, iš kurio gaminamos vakuuminės sistemos, yra ištirpusių dujų, kurios, kintant sąlygoms, gali skirtis į aplinką.

Dėl paminėtų priežasčių siekiant superdidelio vakuumo teko iš esmės pakeisti pačią vakuumuojamą sistemą – sukonstruoti ją iš vakuume lydytų metalų ir specialių stiklo bei keramikos rūšių taip, kad būtų sandaresnė , pvz., vietoje guminių naudoti iš minkšto metalo (vario ar aliuminio) pagamintas tarpines. Teko ieškoti priemonių, kaip valdyti sorbcijos – desorbcijos procesus. Pagaliau superdideliam vakuumui gauti buvo sukurti ir panaudoti kitais fizikiniais principais veikiantys siurbliai, kurie apibendrintai vadinami sulaikančiais dujas siurbliais. Pats šis pavadinimas sako, kad jie ne pašalina nepageidautinas dujas, bet jas sulaiko. Kaip? Dujas galima šaldyti iki tokios žemos temperatūros, kad jos taps skysčiu ar kietu kūnu (tiesa, ir šiuo atveju virš to skysčio ar šerkšno liks šiek tiek dujų – taip vadinami sotieji tos medžiagos garai) , tačiau labai žemas – vadinamąsias kriogenines – temperatūras atitinka labai žemi soties garų slėgiai.

Išimtį sudaro helis ir vandenilis. Tačiau ir šios dujos ant šaltų paviršių geriau sulaikomos jas absorbuojant. Taip – užšaldant – sulaikantys dujas siurbliai vadinami kriogeniniais siurbliais. Tokio siurblio galima konstrukcija pateikta 3 paveikslėlyje. Jame pirmoji pakopa (pavaizduota mėlyna spalva) aušinama skystu azotu (skystėjimo temperatūra 77,3 K), antroji pakopa (balta, pavaizduota raudoname fone, jos temperatūra veikiant siurbliui 3 – 5 K) aušinama skystu heliu. Galima dujas sulaikyti ir kitaip – su vakuumuojamuoju indu susijusiame tūryje (ar pačiame inde) garinant, sublimuojant ar kitaip pervedant į atominį dujinį būvį chemiškai aktyvų metalą (pvz., titaną). Šis metalas chemiškai reaguoja su daugeliu dujų sudarydamas nelakius junginius, kurie nusėda plėve ant gretimų kietųjų kūnų paviršių. Taip veikia sublimaciniai, panašiai – gėrikliniai (geteriniai) vakuuminiai siurbliai.

Pastebėta, kad ženkliai pakeitus kietojo kūno, kurio paviršius kontaktuoja su dujomis, absoliutinę temperatūrą, keičiasi tame paviršiuje adsorbuotų dujų kiekis. Lenktyniaujantieji dėl kuo mažesnio slėgio gavimo šį reiškinį panaudoja dvejopai. Kad pagreitėtų adsorbuotų ant vidinių vakuuminio indo paviršių dujų desorbcija, visas šis indas vakuumavimo metu pakaitinamas (dažniausiai iki 100 –250 ^oC) stimuliuojant dujų atsiskyrimą, o po to, prieš atliekant matavimo ar technologinį procesą, vėl ataušinamas. Temperatūra valdant adsorbcijos procesą dideliu paviršiaus plotu pasižyminčiame kietajame kūne pavyksta realizuoti ir dujų sulaikymą. Taip veikia absorbciniai vakuuminiai siurbliai.

KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto)
Fizikos katedros
Docentas dr. Sigitas Joneliūnas

Komentarai (0)