Вакуумная техника

Вакуумная инженерия — это область техники , которая занимается практическим использованием вакуума в промышленных и научных целях. Вакуум может повысить производительность и производительность процессов, которые в противном случае выполнялись бы при нормальном давлении воздуха, или сделать возможными процессы, которые невозможно было бы осуществить в присутствии воздуха. Методы вакуумной инженерии широко применяются при обработке материалов, такой как сушка или фильтрация, химическая обработка, нанесение металлических покрытий на объекты, производство электронных устройств и ламп накаливания, а также в научных исследованиях. Ключевые достижения современной науки берут свое начало благодаря использованию вакуумной техники, будь то открытие фундаментальной физики с использованием ускорителей частиц (да, нужно эвакуировать пространство, где элементарные частицы сталкиваются), передового аналитического оборудования, используемого для изучения физических свойств материалов. или вакуумные камеры, внутри которых размещаются криогенные системы для выполнения операций в твердотельных кубитах для квантовых вычислений. Вакуумная техника также имеет большое значение для производственных технологий.

Вакуумные методы различаются в зависимости от желаемого вакуумного давления, которого необходимо достичь. Для «грубого» вакуума, давления более 100 Паскалей, можно использовать традиционные методы анализа, материалы, насосы и измерительные приборы, тогда как в системах сверхвысокого вакуума используется специальное оборудование для достижения давлений ниже одной миллионной паскаля. При таком низком давлении даже металлы могут выделять достаточно газа, чтобы вызвать серьезное загрязнение.

Конструкция и механизм

Вакуумные системы обычно состоят из манометров, пароструйных насосов, пароуловителей и клапанов, а также других удлинительных трубопроводов. Сосуд, работающий в вакуумной системе, может относиться к любому из этих типов, например, к технологическому резервуару, имитатору пара, ускорителю частиц или к пространству любого другого типа, имеющему закрытую камеру для поддержания давления газа в системе ниже атмосферного. Поскольку в закрытой камере создается вакуум способность выдерживать внешнее атмосферное давление , обычной мерой предосторожности для этого типа конструкции является . Наряду с эффектом коробления или разрушения внешняя оболочка вакуумной камеры будет тщательно оценена, и любые признаки ухудшения будут исправлены путем увеличения толщины самой оболочки. Основными материалами, используемыми для создания вакуума, обычно являются мягкая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Другие секции, такие как стекло, используются в качестве смотрового стекла, смотровых окон и иногда для электроизоляции. Внутренняя часть вакуумной камеры всегда должна быть гладкой, без ржавчины и дефектов.Растворители под высоким давлением обычно используются для удаления излишков масла и загрязнений, которые отрицательно влияют на вакуум. Поскольку вакуумная камера находится в закрытом пространстве, во избежание каких-либо опасностей или опасностей во время чистки можно использовать только специальные моющие средства. Любая вакуумная камера всегда должна иметь определенное количество входных и смотровых окон. Обычно они имеют форму фланцевого соединения для крепления насосов, трубопроводов или любых других деталей, необходимых для работы системы. Чрезвычайно важным является расчет герметичности вакуумной камеры. Сама камера должна быть герметичной, чтобы поддерживать идеальный вакуум. Это обеспечивается посредством процесса проверки утечек, обычно с использованием масс -спектрометра . течеискателя ^[1] Все отверстия и соединения также снабжены уплотнительными кольцами и прокладками, чтобы предотвратить дальнейшую возможную утечку воздуха в систему.

Технология

В вакуумной технике используются методы и оборудование, которые различаются в зависимости от уровня используемого вакуума. Давление, слегка пониженное по сравнению с атмосферным давлением, может использоваться для регулирования воздушного потока в системах вентиляции или в системах погрузочно-разгрузочных работ. Вакуумы низкого давления могут использоваться для вакуумного выпаривания при обработке пищевых продуктов без чрезмерного нагрева. Высшие степени вакуума используются для дегазации, вакуумной металлургии, производства лампочек и электронно-лучевых трубок. Для обработки некоторых полупроводников требуется так называемый «сверхвысокий» вакуум; самые «жесткие» вакуумы с самым низким давлением производятся для экспериментов по физике, где даже несколько случайных атомов воздуха могут помешать проводимому эксперименту.

Используемое оборудование меняется в зависимости от уменьшения давления. На смену воздуходувкам приходят различные виды поршневых и роторных насосов. Для некоторых важных применений паровой эжектор может быстро откачать большой технологический резервуар до грубого вакуума, достаточного для некоторых процессов или в качестве предварительного для более полных процессов откачки. Изобретение насоса Шпренгеля стало решающим шагом в разработке ламп накаливания, поскольку оно позволило создать более высокий, чем ранее, вакуум, что продлило срок службы лампочек. При более высоких уровнях вакуума (меньших давлениях) используются диффузионные, абсорбционные, криогенные насосы. Насосы больше похожи на «компрессоры», поскольку они собирают разреженные газы в вакуумной камере и выталкивают их в выхлопные газы с гораздо более высоким давлением и меньшим объемом. В вакуумной системе может использоваться цепочка из двух или более различных типов вакуумных насосов, при этом один «черновой» насос удаляет большую часть массы воздуха из системы, а дополнительные ступени обрабатывают относительно меньшие количества воздуха на нижних и нижних уровнях. давления. В некоторых случаях химический элемент используется для соединения с воздухом, остающимся в корпусе после откачки. Например, в электронном В вакуумных трубках металлический «геттер» нагревался индукционным способом для удаления воздуха, оставшегося после первоначальной откачки и закрытия трубок. «Геттер» также будет медленно удалять любой газ, выделяющийся внутри трубки в течение оставшегося срока ее службы, поддерживая достаточно хороший вакуум.

Приложения

Вакуумная технология — это метод, используемый для удаления воздуха из закрытого объема путем создания перепада давления между закрытым объемом и некоторым вентиляционным отверстием, причем последним вентиляционным отверстием является открытая атмосфера. ^[2] При использовании промышленной вакуумной системы этот перепад давления создается вакуумным насосом или генератором. На основе идеи вакуума, открытой в 17 веке, были созданы разнообразные технические изобретения. Они варьируются от насосов для создания вакуума до рентгеновских трубок, которые позже были внедрены в медицинскую сферу для использования в качестве источников рентгеновского излучения . Вакуумная среда стала играть важную роль в научных исследованиях, поскольку новые открытия делаются, оглядываясь назад на основы давления. Идея «идеального вакуума» не может быть реализована, но очень близко приближена к технологическим открытиям начала 20-го века. Сегодня в вакуумной технике используется целый ряд различных материалов: от алюминия до циркония и практически всего, что между ними. Может быть распространено мнение, что вакуумная технология имеет дело только с клапанами, фланцами и другими вакуумными компонентами, но новые научные открытия часто делаются с помощью этих традиционных вакуумных технологий, особенно в сфере высоких технологий. Вакуумная техника используется для сложные полупроводники , силовые устройства, логика памяти и фотоэлектрические элементы .

Еще одно техническое изобретение — вакуумный насос. Такое изобретение используется для удаления молекул газа из герметичного объема, оставляя после себя частичный вакуум. В одном приложении используется более одного вакуумного насоса для создания плавного потока. Плавный поток используется, чтобы обеспечить свободный путь, созданный с помощью вакуума для удаления любых молекул воздуха, мешающих процессу. В этом процессе будет использоваться вакуум, чтобы попытаться создать идеальный вакуум. Такой тип вакуума, как частичный вакуум, может быть вызван использованием насосов объемного типа. Насос объемного действия способен переносить газовую нагрузку от входа к выходному отверстию, но из-за ограничений его конструкции он может достигать только относительно низкого вакуума. Чтобы достичь более высокого вакуума, необходимо использовать другие методы. Использование нескольких насосов, например, последующая быстрая откачка насосом объемного типа, создаст гораздо лучший вакуум, чем использование одного насоса. Комбинация используемых насосов обычно определяется потребностью в вакууме в системе. Некоторые приложения в химической, фармацевтической, нефтегазовой и других отраслях промышленности требуют сложных технологические вакуумные системы .

Материалы

Материалы для использования в вакуумных системах должны быть тщательно оценены. ^[3] Многие материалы имеют определенную степень пористости, которая не имеет значения при обычном давлении, но при неправильном использовании постоянно пропускает незначительное количество воздуха в вакуумную систему. Некоторые предметы, например резина и пластик, выделяют в вакуум газы , которые могут загрязнить систему. При высоких и сверхвысоких уровнях вакуума даже металлы необходимо тщательно выбирать: молекулы воздуха и влага могут прилипать к поверхности металлов, а любой захваченный газ внутри металла может просачиваться на поверхность под вакуумом. В некоторых вакуумных системах для герметизации зазоров в соединениях достаточно простого покрытия малолетучей смазкой, но при сверхвысоком вакууме фитинги необходимо тщательно обрабатывать и полировать, чтобы свести к минимуму количество захваченного газа. Обычной практикой является запекание компонентов системы высокого вакуума; при высоких температурах газы и влага, прилипшие к поверхности, удаляются. Однако это требование влияет на то, какие материалы можно использовать. Для применений с низким давлением можно постобработать даже пластик , напечатанный на 3D-принтере, для создания вакуумных систем. ^[4]

Ускорители частиц являются крупнейшими системами сверхвысокого вакуума и могут достигать километров в длину. ^[5]

Вакуумные системы изучались давно, поэтому в настоящее время свойства основных материалов, используемых в электронных лампах ( углерод , керамика , медь , стекло , графит , железо , слюда , никель , драгоценные металлы , тугоплавкие металлы , сталь и все соответствующие сплавы ) и хорошо изучены, включая методы их соединения и способы решения распространенных проблем, таких как вторичная эмиссия и пробой напряжения. ^[6]

История

Слово «вакуум» происходит от латинского слова «vacua», что переводится как «пустой». Физики используют вакуум для описания частично пустого пространства, из которого из одного контейнера удаляются воздух или некоторые другие газы. Идея вакуума, связанная с пустым пространством, была высказана еще в V веке греческими философами. Аристотель (384–322 до н. э.) был тем, кто придумал, что вакуум является невозможным когда-либо в природе. создавать. ^[7] Эта идея сохранялась на протяжении веков до 17 века, когда были открыты вакуумная технология и физика. В середине 17 века Евангелиста Торричелли изучал свойства вакуума, создаваемого ртутным столбом в стеклянной трубке; это стало барометром , инструментом для наблюдения за изменениями атмосферного давления воздуха. Отто фон Герике эффектно продемонстрировал влияние атмосферного давления в 1654 году, когда упряжки лошадей не смогли разделить два полушария диаметром 20 дюймов, которые были соединены вместе и эвакуированы. В 1698 году Томас Савери запатентовал паровой насос, в котором за счет конденсации пара создавался низкоуровневый вакуум для откачки воды из шахт. Аппарат был усовершенствован атмосферным двигателем Ньюкомена 1712 года; хотя это было неэффективно, оно позволило эксплуатировать угольные шахты, которые в противном случае были бы затоплены грунтовыми водами. В 1564–1642 годах знаменитый учёный Галилей был одним из первых физиков, проведших эксперименты по выработке измеряемых сил для создания вакуума с помощью поршня в цилиндре. Это было большим открытием для учёного, которым поделились среди других. французский учёный и философ Блез Паскаль использовал открытую идею для дальнейших исследований вакуума. Открытия Паскаля были похожи на исследования Торричелли, поскольку Паскаль использовал аналогичные методы для создания вакуума с помощью ртути. Так продолжалось до 1661 года, когда мэр города Магдебурга использовал это открытие для изобретения или модернизации новых идей. Мэр Отто фон Герике создал первый воздушный насос, модифицировал идею водяных насосов, а также модифицировал манометры. В настоящее время вакуумная техника обеспечивает решение всех потребностей в производстве тонких пленок в машиностроении. Этот метод проектирования обычно используется для нужд исследований и разработок или крупномасштабного производства материалов.

Вакуум использовался в экспериментальных целях для приведения в движение поездов.

Насосная технология застопорилась до тех пор, пока в середине 19 века Гейслер и Спренгл не открыли, наконец, доступ к режиму высокого вакуума. Это привело к изучению электрических разрядов в вакууме, открытию катодных лучей, открытию рентгеновских лучей и открытию электрона. Фотоэлектрический эффект наблюдался в высоком вакууме, что стало ключевым открытием, приведшим к формулированию квантовой механики и большей части современной физики.

См. также

Ссылки

^ Атта, К.М. Ван (1965). Вакуумная наука и техника . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. п. 303.
^ Вакуумная технология . Гидравлика и пневматика. 2017. С. 83–86.
^ Сгобба, Стефано (2006). «Материалы для высоковакуумной техники, обзор» . doi : 10.5170/CERN-2007-003.117 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Мэйвилл, Пирс Дж.; Пецюк, Алексей Л.; Пирс, Джошуа М. (2022). «Термическая постобработка 3D-печатных полипропиленовых деталей для вакуумных систем» . Журнал производства и обработки материалов . 6 (5): 98. дои : 10.3390/jmmp6050098 . ISSN 2504-4494 .
^ Карл Жустен (редактор), C. Бенджамин Нахостин (перевод), Справочник по вакуумной технологии , John Wiley & Sons, 2016 г. ISBN 3527688242 , главы 1, 2
^ Справочник материалов и техники вакуумных приборов .
^ Марквардт, Н. (1999). «Введение в принципы физики вакуума» (PDF) . doi : 10.5170/CERN-1999-005.1 . S2CID 40823120 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2018 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1] Атта, К.М. Ван (1965). Вакуумная наука и техника . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. п. 303.

[2] Вакуумная технология . Гидравлика и пневматика. 2017. С. 83–86.

[3] Сгобба, Стефано (2006). «Материалы для высоковакуумной техники, обзор» . doi : 10.5170/CERN-2007-003.117 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[4] Мэйвилл, Пирс Дж.; Пецюк, Алексей Л.; Пирс, Джошуа М. (2022). «Термическая постобработка 3D-печатных полипропиленовых деталей для вакуумных систем» . Журнал производства и обработки материалов . 6 (5): 98. дои : 10.3390/jmmp6050098 . ISSN 2504-4494 .

[5] Карл Жустен (редактор), C. Бенджамин Нахостин (перевод), Справочник по вакуумной технологии , John Wiley & Sons, 2016 г. ISBN 3527688242 , главы 1, 2

[6] Справочник материалов и техники вакуумных приборов .

[7] Марквардт, Н. (1999). «Введение в принципы физики вакуума» (PDF) . doi : 10.5170/CERN-1999-005.1 . S2CID 40823120 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2018 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]