Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây: Thông tin liên hệ:

Khi đọc qua tài liệu này, nếu phát hiện sai sót hoặc nội dung kém chất lượng xin hãy thông báo để chúng tôi sửa chữa hoặc thay thế bằng một tài liệu cùng chủ đề của tác giả khác. Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây: http://mientayvn.com/tai_lieu_da_dich.html Thông tin liên hệ: Yahoo mail: thanhlam1910_006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

NHỮNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA KHÍ I. NHỮNG PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA LYÙ THUYẾT ĐỘNG CHẤT KHÍ: Lyù thuyeát ñoäng hoïc chaát khí moâ taû ñaëc tính cuûa phaân töû chaát khí trong theå tích. Giaû thuyeát cô baûn cuûa noù laø phaân töû khí luoân chuyeån ñoäng hoãn loïan, va chaïm ñaøn hoài vôùi nhau vaø vôùi thaønh bình chöùa noù. ÔÛ ñaây, chuùng ta chæ giôùi haïn nhöõng vaán ñeà cô baûn coù taàm quan troïng ñoái vôùi vaät lyù chaân khoâng. Nhöõng haèng soá ñöôïc duøng ñeå tính toaùn trong kyõ thuaät chaân khoâng laø: - Haèng soá boltzomann k : 1,38.10-16 erg/ 0 K 1,0.10 - torr.l/ 0 K 1,37.10-3 N.m/ 0 K - Haèng soá khí R : 6 torr.l/ 0 K.mol g.cal / 0 K.mol 8,6 N.m / 0 K - soá phaân töû trong 1 lít Vôùi p=1 torr, 93 0 K :3,3.10 19 - soá phaân töû trong mol ( soá Avogadro) : 6.03.10 3 - Theå tích moät mol vôùi 760 torr, 73 0 K :.4 l - Naêng löôïng cuûa khí vôùi : 0.6 Kcal/ mol 93 0 K : 0,06 ev 1 ev=3 Kca/mol 10 Kjoul /mol - Lôùp ñôn phaân töû vôùi 93 0 K: 5.10 14 phaân töû /cm 1,5.10-5 torr.l/cm,0.10-6 N.m /m Phaân töû löôïng M cuûa moät chaát khí baèng tyû soá giöõa khoái löôïng phaân töû m 0 cuûa phaân tö khí ñoù vôùi (1/1) khoái löôïng phaân töû cuûa khí 6C1 (mo(c) = 1,63.10 4 gr), töùc laø: M m ( gr) 0 (1/1).1,63.10 4gr Noù laø moät ñaïi löôïng khoâng thöù nguyeân. Ví duï. M cuûa 0 laø 3, cuûa N laø 8. I.1.1 Phöông trình traïng thaùi: Traïng thaùi khí ñöôïc ñaëc tröng bôûi ba thoâng soá cô baûn : aùp suaát p, theå tích V vaø nhieät ñoä T. Phöông trình bieåu dieãn söï lieân heä giöõa chuùng ñöôïc goïi laø phöông trình traïng thaùi : pv = NkT (1.1) Trong ñoù N laø toång soá nhöõng phaân töû gioáng nhau ñoái vôùi taát caû caùc khí vôùi nhöõng giaù trò xaùc ñònh p, V vaø T, thöøa soá k laø haèng soá Bolzomann. Töø (1.1) suy ra raèng, vôùi p =1 torr, T =93 0 K, thì soá phaân töû trong 1 lít khí baèng : pv 1 19 N 3,3.10 kt 1,03.10.93 Cuõng coù theå vieát phöông trình 1.1 trong daïng: P = nkt (1.a) ÔÛ ñoù n soá phaân töû trong 1 ñôn vò theå tích, vaø : pv = n M RT (1.b)

ÔÛ ñoù n M so ámol, coøn R haèng soá khí: (1.3) ÔÛ ñoù A M soá phaân töû trong 1 mol, hay soá Avogadro. Vôùi aùp suaát 760 torr vaø 0 0 C, moät mol cuûa khí baát kyø chieám theå tích baèng.4 lít. Moät caùch chaët cheõ, phöông trình (1.1) chæ thoûa maõn ñoái vôùi chaát khí lyù töôûng, trong ñoù phaân töû töông taùc vôùi nhau nhö vaät theå ñaøn hoài. Trong chaân khoâng, taát caû khí thöïc ñeàu gioáng khí lyù töôûng, khi ñieàu kieän chöa gaàn ñeán ñieàu kieän hôi baõo hoøa, töùc laø khi aùp suaát nhoû thua aùp suaát hôi trong traïng thaùi caân baèng vôùi pha raén hay loûng ôû nhieät ñoä laøm vieäc. pv laø ñoäng naêng chuyeån ñoäng cuûa phaân töû khí vaø chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä. Neáu phaân töû goàm nhieàu ngöyeân töû, thì naêng löôïng cuûa noù, ngoaøi chuyeån ñoäng tònh tieán, coøn theâm chuyeån ñoäng quay. Ñieàu ñoù laøm nhieät dung rieâng, töùc nhieät löôïng caàn thieát ñeå ñoát noùng M gr khí leân 1 0 K ( vôùi V= const). C v ÔÛ ñoù: R R n = J Giöõa Cp = 3 (1 ) R 8, 315.10 4,187.10 = 0 vôùi khí moät nguyeân töû; 7 7 n cal. mol. K = (/3) vôùi khí hai nguyeân töû; = 1 vôùi khí ba nguyeân tö;û = 5/3 vôùi khí nhieàu nguyeân töû; C v vaø Cp coù moái lieân heä : C v + Rn(1+ )= 5 3 Töø ñoù C C P V R n 5 3 3(1 ) 1 1 Vôùi khí moät nguyeân töû =1.67; vôùi khí hai nguyeân töû =1.44, vôùi khí ba nguyeân töû =1.33. I.1.. Söï khaùc nhau giöõa khí vaø hôi: Trong kyõ thuaät chaân khoâng khoâng chæ coù nhöõng vaán ñeà veà khí loaõng maø coøn coù nhöõng vaán ñeà veà hôi kim loaïi vaø hôi caùc vaät chaát khaùc. Hôi ñoù laø teân goïi cuûa traïng thaùi khí trong ñieàu kieän, khi pha khí ôû traïng thaùi caân baèng vôùi pha loûng hay pha raén cuûa cuøng vaät chaát ñoù. Tuy nhieân, baèng con ñöôøng bieán ñoåi nhieät ñoä, söï caân baèng ñoù coù theå bò phaù vôõ, khi ñoù khaùi nieäm hôi maát heát yù nghóa treân. Tieâu chuaån ñeå phaân bieät khí vaø hôi laø nhieät ñoä tôùi haïn, töùc laø vôùi nhieät ñoä cao hôn ñoù thì vaät chaát coù theå ôû traïng thaùi khí vaø khoâng coù khaû naêng hoäi tuï. Nhö vaäy traïng thaùi khí cuûa vaät chaát ñöôïc goïi laø hôi neáu neáu nhieät ñoä cuûa noù thaáp hôn nhieät ñoä tôùi haïn, vaø ñöôïc goïi laø khí neáu nhieät ñoä cuûa noù lôùn hôn nhieät ñoä tôùi haïn. Nhieät ñoä phoøng trung bình (0 0 C) lôùn hôn raát nhieàu nhieät ñoä tôùi haïn cuûa vaät chaát Hydro(Tk= - 41 0 C), helium (Tk= -68.8 0 C). Vì vaäy trong ñieàu kieän thöôøng chuùng ñöôïc goïi laø khí. Tuy nhieân nhöõng traïng thaùi khí cuûa vaät chaát khaùc, nhö Xenon (Tk= -14.7 0 C). CO (Tk= -31 0 C) khoâng theå xeáp vaøo khí " khoâng ñoåi" ñöôïc vì nhieät ñoä tôùi haïn cuûa chuùng gaàn nhieät ñoä phoøng. Ngöôøi ta thöôøng duøng thuaät ngöõ "hôi nöôùc"," hôi thuûy ngaân"," hôi daàu", " hôi kim loaïi". Vì raèng nhieät ñoä tôùi haïn cuûa caùc vaät chaát naøy raát lôùn hôn nhieät ñoä phoøng( baûng 1.1). tuy nhieân, vôùi quan ñieåm nhieät ñoäng hoïc cuûa söï chuyeån pha, thì thuaät ngöõ hôi vaø khí laø töông ñöông ñöông nhau.

Caàn nhôù raèng, nhöõng ñònh luaät khí chæ aùp duïng cho hôi khi chuùng khoâng ôû traïng thaùi baõo hoøa, vaø ñuùng chæ tröôùc thôøi ñieåm baõo hoøa. Hôi baõo hoøa chæ thoûa maõn ñònh luaät Avogadro, ñònh luaät Danton, töùc laø nhöõng ñònh luaät khoâng lieân quan ñeán söï bieán ñoåi thoâng soá traïng thaùi. Baûng 1.1 Nhieät ñoä tôùi haïn cuûa moät soá chaát Vaät chaát Nhieät ñoä tôùi haïn 0 C Vaät chaát He -67.8 Kr -6.5 H -41 Xe -14.7 Ne -8 CO 31 N -147 H O 365 C -118 Hg 1450 Ar -1.4 Fe 3700 Nhieät ñoä tôùi haïn 0 C I.1.3 Naêng löôïng vaø vaän toác cuûa phaân töû: Do phaân töû luoân va chaïm vôùi nhau, neân daãn ñeán söï phaân boá theo vaän toác vaø ñöôïc Maxwell thieát laäp ñaàu tieân. Söï phaân boá ñoù phuï thuoäc vaøo khoái löôïng cuûa phaân töû vaø nhieät ñoä. AÙp suaát p ñöôïc gaây neân bôûi xung löôïng cuûa phaân töû khi va chaïm vôùi thaønh bình. Deã daøng chöùng minh raèng: p=(1/3)nmv m: khoái löôïng phaân töû v : vaän toá trung bình bình phöông Töø ñoù suy ra, ñoäng naêng chuyeån ñoäng tònh tieán cuûa phaân töû baèng : (m/) v =(3/)kT (1.4a) Vaø v =(3/kT/m) 1/ = 15800(T/M) 1/ cm/sec (1.5) Trong ñoù M =ma M - phaân töû löôïng Vaän toác trung bình soá hoïc baèng: 8kT 1/ v = ( ) =14551(T/M) 1/ (1.6) m I.1.4 Soá phaân töû ñaäp leân beà maët: Trong nhieàu pheùp tính toaùn caàn bieát v soá phaân töû ñaäp leân moät ñôn vò theå tích beà maët trong 1 s. Töø (1.a) vaø (1.6): 8kT 1/ v=1/4nv =n/4 ( ) =p( mkt) 1/ m = 3.5.10 Ptorr(MT) -1/ (1.7) Töø phöông trình 1.7 ta coù theå nhaän ñöôïc khoái löôïng Mv vaø theå tích Vv ñaäp leân moät ñôn vò theå tích treân beà maët trong 1 s: Mv =m*v =M*v/A M =5.833.10 -/ p(m/t) 1/ gr/(cm.sec ) (1.7a) Vv= V/ N v =v*kt/p = 3638(T/M) 1/ cm 3 /(cm.sec) I.1.5 Höôùng cuûa vaän toác phaân töû sau khi va chaïm beà maët: Nhieàu thí nghieäm chöùng toû raèng phaân töû khí sau khi va chaïm vôùi beà maët seõ bay ra theo höôùng khoâng lieân quan gì vôùi goùc tôùi cuûa chuùng, maø tuaân theo ñònh luaät "cosin" N = n 0 cos ÔÛ ñoù n 0 laø soá phaân töû bay ra trong moät ñôn vò thôøi gian theo höôùng tröïc giao vôùi beà maët ( höôùng x treân hình 1.1) N soá phaân töû bay ra döôùi goùc ñoái vôùi höôùng tröïc giao

hình 1.1 Định luật phaân bố theo goùc của phaân tử khí sau khi va chạm với bề mặt Ñònh luaät treân ñöôïc ruùt ra töø cô cheá va chaïm, theo cô cheá naøy phaân töû khi va chaïm vôùi beà maët khoâng phaûn xaïtheo hình caàu raén ñaøn hoài maø ñöôïc giöõ laïi bôûi löïc dính keát trong moät khoaûng thôøi gian naøo ñoù. Sau ñoù döôùi aûnh höôûng cuûa chuyeån ñoäng nhieät trong theå raén, chuùng seõ ñi ra khoûi beà maët theo ñònh luaät xaùc xuaát söï bay hôi. I.1.6: Quaõng ñöôøng bay töï do trung bình: Theo lyù thuyeát ñoäng hoïc coå ñieån khoaûng ñöôøng bay töï do trung bình cuûa moät haït khí thöù nhaát coù baùn kính a1, vaän toác v1 vôùi noàng ñoä khoâng lôùn, chuyeån ñoäng trong khí thöù hai coù noàng ñoä Nv, baùn kính a, vaän toác v baèng: =1/(N v (a 1 + a ) * ( 1+v /v 1 ) 1/ ) (1.8) Töø 1.8 suy ra raèng khoaûng ñöôøng bay tự do trung bình cuûa phaân töû khí trong khí ñôn chaát( töùc laø a1=a vaø v1=v) coù daïng: 0 = 1/( nd 1/ ) (1.9a) Hay 0 = KT/( pd 1/ ) (1.9b) Trong ñoù: d: ñöôøng kính phaân töû(baûng 1.) Vôùi ñôn vò (cm, 0 K,cm, torr) 0 = 1.03-19 *10/( 1/ )*T/(d p) (1.9c) ÔÛ nhieät ñoä phoøng ( T= 93 0 K) ñoái vôùi khí coù ñöôøng kính phaân töû d =3.7.10-8 cm (Ar,O,., khoâng khí ) coù: 0 = 5*10-3 /p vôùi ñôn vò (cm,torr) (1.9d)

Neáu xem ñieän töû laø hình caàu raén ñaøn hoài coù kích thöôùc voâ cuøng nhoû (a<< a) vaø do khoái löôïng nhoû neân v>> v,thí töø (1.8) ta cuõng nhaän ñöôïc moät khoaûng ñöôøng töï do trung bình e cuûa ñieän töû trong khoâng khí: e =4* 1/ * 0 (1.9e) Bieåu thöùc 1.9e cho ta ñaùnh giaù theo côõ baäc ñaïi löïông e vì raèng taùn xaï cuûa ñieän töû bôûi phaân töû phaûi ñöôïc bieåu dieãn tính chaát soùng cuûa noù.tính chaát ñoù laøm cho e phaûi phuï thuoäc vaøo vaän toác ñieän töû, nhaát laø khi vaän toác cuûa noù nhoû Khí H He H O Ne CO N Khoâng O Ar CO Kr Xe Hg khí M d,nm.016 0.75 4.003 0.18 18.0 0.486 0.18 0.6 8.01 0.38 8.0 0.38 8.89 0.371 3 0.364 39.94 0.367 44.01 0.465 83.7 0.415 131.3 0.491 00.6 0.66 Baûng 1. phaân töû lƣợng M vaø ñöôøng kính phaân töû( hay soøâ nguyeâh töû) d cuûa nhöõng phaân töû khí( hay hôi ) thöôøng gaëp. I.1.7: söï phaân boá quaõng ñöôøng töï do: Haõy khaûo saùt n o haït chuyeån ñoäng trong khoâng khí vôùi vaän toác v theo höôùng x. neáu quaõng ñöông töï do trung bình baèng thì treân khoaûng cach dx seõ xaûy ra(dx/ )n va chaïm. Giaû thuyeát raèng cöù moãi va chaïm laø moät haït ñi ra khoûi nhoùm, khi ñoù soá haït bò giaûm treân khoaûng caùch dx baèng : dn = - n(dx/ ) ( x / ) Cho neân : n = n o e (1.10) Hình 1. trình baøy ñònh luaät 1.10. töø hình veõ ta thaáy raèng soá haït coù khoaûng ñöôøng töï do lôùn hôn laø khoâng lôùn. Ví duï chæ coù 36,6% soá haït coù khoaûng ñöôøng töï do lôùn hôn, vaø gaàn 5% soá haït coù khoaûng ñöôøng töï do lôùn hôn 3, hay 0,67% soá haït coù khoaûng ñöôøng töï do lôùn hôn 5,.

0.5 1 1.5.5 3 Hình 1. Ñònh luaät phaân boá khoaûng ñöôøng töï do cuûa phaân töû khí. (n/ n o )-soá haït töông ñoái coù khoaûng ñöôøng töï do lôùn hôn x. phaàn haït coù khoaûng ñöôøng töï do naèm giöõa x + dx baèng : dn 1 ( x / ) e dx (1.10a) n 0 Ñoù laø haøm phaân boá theo khoaûng ñöôøng bay töï do. I.1.8. Caùc hieän töôïng truyeàn: Khi tham gia chuyeån ñoäng nhieät, caùc phaân töû coù theå truyeàn töø choã naøy sang choã khaùc, va chaïm laãn nhau truyeàn cho nhau ñoäng löôïng, naêng löôïng. Tuøy theo quaù trình truyeàn ñeå laøm ñoàng nhaát chaát khí, ta chia laøm maáy hieän töôïng sau : I.1.8.1 Hieän töôïng truyeàn nhieät: Quaù trình truyeàn laøm cho chaát khí ñoàng nhaát veà nhieät ñoä goïi laø quaù trình truyeàn nhieät. Löôïng nhieät do khí truyeàn qua moät ñôn vò theå tích trong moät ñôn vò thôøi gian baèng : q= - grad(t) ôû ñoù laø heä soá truyeàn nhieät vaø baèng : ôû ñoù = (1/3) vc v (1.11) C v : nhieät dung rieâng cuûa chaát khí töø (1.11) suy ra raèng khoâng phuï thuoäc vaøo aùp suaát khí vi thay ñoåi khi aùp suaát thay ñoåi. Tuy nhieân khi aùp suaát giaûm ñeán möùc naøo ñoù, thì khoaûng ñöôøng töï do trung bình cuûa ña soá phaàn töû khoâng phuï thuoäc vaøo aùp suaát nöõa, vaø heä soá baét ñaàu giaûm khi aùp suaát giaûm. Khi naøy thì phaân töû va chaïm vôùi thaønh bình laø chuû yeáu. Ñoù laø mieàn truyeàn nhieät phaân töû. Neáu phaân töû coù nhieät ñoä T1 va chaïm vôùi thaønh bình coù nhieät ñoä T ( T>T1), thì vaän toác laøm laïnh seõ tæ leä vôùi soá phaân töû ñaäp leân töôøng trong moät ñôn vò thôøi gian vaø hieäu soá (T-T1). Nhöng phaân töû coù theå ñi ra khoûi thaønh bình tröôùc khi caân baèng nhieät ñoä vôùi noù. Vì vaäy caàn bieát moät ñieàu quan troïng laø : bao nhieâu phaàn naêng löôïng cuûa phaân töû trao cho thaønh bình, vaø ngöôïc laïi. Ñeå thöïc hieän ñieàu ñoù, ngöôøi ta döaï vaøo heä soá ñieàu tieát ñaëc tröng cho ñoä hieäu duïng truyeàn nhieät vôùi moät va chaïm vôùi thaønh bình. Neáu T laø nhieät ñoä cuûa phaân töû sau khi va chaïm thì:

T T T T 1 1 (1.1) Khi T =T thì =1 töùc laø khaû naêng truyeàn nhieät laø cöïc ñaïi. Do ñoù laø tyû soá giöõa khaû naêng truyeàn nhieät thöïc teá cuûa khí vôùi khaû naêng cöïc ñaïi cuûa noù. Heä soá ñieàu tieát phuï thuoäc vaøo vaät lieäu cuûa thaønh bình, traïng thaùi beà maët cuûa noù vaø loaïi khí ( baûng 1.3) Baûng 1.3 : heä soá ñieàu tieát Beà maët Khí Pt (nhaün boùng) Pt (nhaùm) W (nhaùm) H CO N Ne Hg (hôi) Ar He Kr O 0.36 0.78 0.9 0.8 0.8 0.8 0.44 0.9 0.84 0.71 0.98 0.8 0.7 1.0 0.9 0.5 0.5 0.96 0.0 0.85 0.57 0.8 0.95 0.85 0.3 0.5 0.3 0.9 0.8 0.9 Töø phöông trình (1.4) vaø (1.7) suy ra raèng, vaän toác laøm laïnh baèng: Q (3/ ) v k ( T T ) T 1 b( T T1) p TM 1 (1.13) ÔÛ ñoù b laø haèng soá, phuï thuoäc vaøo heä ñôn vò. Nhö ñaïi löôïng QT tæ leä thuaän vôùi aùp suaát. Ñònh luaät ñoù laø cô sôû trong aùp keá nhieät ñieän trong cheá ñoä phaân töû. Neáu giaûm aùp suaát hôn nöõa thì soá phaân töû seõ khoâng ñuû ñeå truyeàn moät löôïng nhieät ñaùng keå. Trong luùc naøy truyeàn nhieät do böùc xaï laø chuû yeáu. Naêng löôïng böùc xaï toaøn phaàn treân moät ñôn vò dieän tích beà maët coù: 4 QT T v (1.14) : HAÈNG SOÁ =5,67.10-1 : tæ soá giöõa khaû naêng böùc xaï cuûa beà maët cho tröôùc vôùi böùc xaï vaät ñen tuyeät ñoái( 0 <= <=1). Khi 4 nhieät doä lôùn, thì truyeàn nhieät böùc xa vaãn quan troïng ngay caû khi aùp suaát lôùn vì Q ~ T. I.1.8.: Hieän töôïng noäi ma saùt: Quaù trình truyeàn laøm cho chaát khí ñoàng nhaát veà vaän toác chuyeån ñoäng höôùng ñöôïc goïi laø quaù trình noäi ma saùt. Löïc noäi ma saùt taùc ñoäng leân moät ñôn vò beà maët laø: f = - grad(u ) ôû ñoù : : heä soá ma saùt u : vaän toác ñònh höôùng cuûa phaân töû =(1/3) v. (1.15)

Töø (1.15) suy ra raèng heä soá noäi ma saùt khoâng phuï thuoäc vaøo aùp suaát. Khi aùp suaát thaáp heä soá heát yù nghóa. Vì raèng phaân töû khoâng va chaïm laãn nhau neân khoâng trao ñoåi naêng löôïng vôùi nhau. I.1.8.3: Hieän töôïng khuyeách taùn: Quaù trình truyeàn laø cho chaát khí ñoàng nhaát veà khoái löôïng rieâng vaø aùp suaát ñöôïc goïi laø quaù trình khuyeách taùn. Soá phaân töû truyeàn theo höôùng coù noàng ñoä nhoû trong moät ñôn vò thôøi gian qua moät ñôn vò dieän tích baèng : V D = - D grad( ) (1.16) D heä soá khueách taùn vaø baèng D=(1/3) v (1.17) Neáu phaân töû chæ va chaïm vôùi thaønh bình, maø doïc theo ñoù toàn taïi gradien nhieät ñoä thì trong khí seõ toàn taïi gradien aùp suaát. Hieän töôïng ñoù goïi laø nhieät khueách taùn. Giaû söû raèng buoàng coù nhieät ñoä khaùc nhau ñöôïc noái lieàn bôûi moät oáng.neáu ñuû aùp suaát, thì seõ coù moät doøng phaân töû khueách taùn nhieät trong oáng töø buoàng coù nhieät ñoä cao sang buoàng coù nhieät ñoä thaáp. Ñieàu kieän caân baèng ñoøi hoûi soá phaân töû chuyeån ñoäng. Theo moãi höôùng phaûi baèng nhau. Nhö vaäy töø phöông trình (1.7) suy ra raèng: p /p 1 = (T /T 1 ) 1/ (1.18) Trong tröôøng hôïp, khi khoâng phaûi taát caû heä ñeàu coù nhieät ñoä phoøng, ñeå thuaän lôïi hôn ta haõy khaûo saùt söï bieán ñoåi maät ñoä thay cho aùp suaát. Ví duï ôû phaûn öùng nhieät haïch, ôû ñoù aùp suaát khoaûng 1 atmosphere nhöng maät ñoä haït chæ baèng 10 14 haït / cm 3.ÔÛ nhieät ñoä phoøng soá haït ñoù töông öùng vôùi aùp suaát khoaûng 3*10-3 torr. Noù thaønh laäp chaân khoâng cuûa aùp suaáp cao moät caùch ñoäc ñaùo. Ngoaøi ra, ña soá ñeøn aùp keá chæ thò qua maät ñoä khí, chöù khoâng phaûi qua aùp suaát cuûa noù. Ñoái vôùi tröôøng hôïp nhieät khueách taùn n /n 1 = (T 1 /T ) 1/ (1.19) Caàn chuù yù hieän töôïng nheät khueách taùn khi ño aùp suaát trong theå tích coù nhieät ñoä cuûa ñeøn aùp keá.ví duï: aùp suaát trong theå tích chaân khoâng ñöôïc ñoát noùng seõ cao hôn aùp suaát trong ñeøn aùp keá ôû nhieät ñoä phoøng coøn maät ñoä thì ngöôïc laïi seõ nhoû hôn

I. NHỮNG TƢƠNG TÁC TRONG KHÍ: I..1. Các dạng tƣơng tác: Có dạng tƣơng tác cơ bản giữa các hạt: Tƣơng tác yếu tồn tại trên khoảng cách lớn giữa các hạt và đƣợc gây nên bởi lực yếu với bán kình tƣơng tác lớn (lực Van der walls). Tƣơng tác mạnh tƣơng ứng với bán kình tƣơng tác nhỏ(lực hóa trị). I... Lực và năng lƣợng tƣơng tác giữa các hạt: Lực tƣơng tác F và năng lƣợng tƣơng tác E có thể là tĩnh điện hay lƣợng tử. Chúng sẽ biến đổi tùy thuộc vào khoảng cách giữa các hạt: khi khoảng cách giữa các hạt giảm thí lực hút sẽ biến sang lực đẩy. Sự phụ thuộc của năng lƣợng E vào khoảng cách r đƣợc xác định bởi dạng: F(r) = F(r)dr (1.0) Khi cân bằng, lực hút F_ và lực đẩy F+ thỏa mãn hệ thức: F - + F + =0 (1.1) Khi đó các hạt sẽ nằm trên khoảng cách ở đó thế năng F(r) có giá trị cực tiểu. I..3. Năng lƣợng liên kết: Năng lƣợng cần thiết để thắng lƣc liên kết giữa các hạt và tách chúng ra xa nhau, đƣợc gọi là năng lƣợng liên kết. Năng lƣợng đó bằng: F = F(r)dr (1.) Nó có thể biểu diễn theo các đơn vị khác nhau: cơ, nhiệt hay điện. Thƣờng nó đƣợc biểu diễn theo đơn vị nhiệt của 1 mol vật chất và đƣợc kì hiệu bằng H (Kcal/mol). Năng lƣợng biểu diễn theo ev thí tình cho 1 nguyên tử (hay phân tử). Sự liên hệ giữa hai đơn vị năng lƣợng trên có dạng: H(cal) = E(erg)/J (1.a) Ở đó: J=4,187.10 7 erg.cal -1 1Kcal = 0,6.10 3 ev; ví một mol chứa 6,03.10 3 hạt,nên: 1Kcal.mol -1 = 0.6.10 3 /6,03.10 3 = 0,043 ev/hạt Khi các nguyên tử hợp nhất thành phân tử thí luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. Ngƣợc lại, khi phá vỡ mối liên kết giữa các hạt thí phải cung cấp cho chúng 1 năng lƣợng tƣơng ứng. Khi chuyển từ liên kết mạnh sang liên kết yếu, cũng xảy ra sự tỏa nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt). I..4. Lực và liên kết Van der waals: Lực Van der waals xuất hiện khi tƣơng tác giữa các hạt ở dạng trung hòa điện. Khi các hạt đến gần nhau thí chúng sẽ bị phân cực và do đó sinh ra lực hút tƣơng hỗ giữa các đipôn điện. Lực hút đó có thể có 3 dạng: Lực hút đipôn, nếu hai hạt đều có momen điện không đổi. Lực hút này phụ thuộc vào sự định hƣớng về góc giữa các đipôn. Lực cảm ứng, nếu một trong hai hạt có momen điện không đổi. Khi hạt này tiến lại gần hạt chƣa có momen điện, thí do cảm ứng, hạt thứ hai sẽ nhận đƣợc momen điện và lực tƣơng tác sẽ sinh ra giữa chúng. Lực tán sắc, nếu cả hai hạt không phân cực, nhƣng do sự thăng giáng của momen điện giữa hai hạt trung hòa mà sinh ra lực hút tƣơng hỗ. Momen đipôn chỉ xuất hiện khi nào tâm trọng lực của điện tìch điện tử không trùng với tâm điện tìch dƣơng của hạt nhân nguyên tử. Đại lƣợng và hƣớng của momen đipôn này sẽ biến đổi tuần hoàn và ví tất cả các hƣớng của nguyên tử cô lập có xác suất bằng nhau, nên trung bình theo thời gian, giá trị của momen đipôn này bằng 0. Nếu bây giờ một nguyên tử có momen đipôn tức thời rơi vào trƣờng của một nguyên tử khác cũng có momen đipôn tức thời, thí sẽ sinh ra đipôn cảm ứng bổ

sung mà chu kỳ biến đổi của nó tiếp sau chu kỳ biến đổi của đipôn gây cảm ứng..sự nhiễu loạn có tình chu kỳ của dao động điện tử đó có thể khảo sát tƣơng tự hiệu ứng tán sắc. Lực hút của ba dạng trên đều tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt theo bậc 7: F - = -a/r7 (1.3) Năng lƣợng tƣơng ứng với lực này không vƣợt quá 10 kcal/mol (0,43 ev/hạt). Khi khoảng cách của chúng tƣơng đƣơng với kìch thƣớc của hạt thí hiện tƣợng trở nên phức tạp, ví sinh ra sự tƣơng tác trao đổi lƣợng tử. Dƣới tác động của lực hút, hai hạt sẽ tiến lại gần nhau cho đến khi lực hút này cân bằng với lực đẩy. Lực đẩy xuất hiện khi tƣơng tác giữa các hạt nhân tích điện dƣơng hay giữa các lớp điện tử của nguyên tử (hoặc phân tử). Nó tỉ lệ nghịch với khoảng cách r theo bậc u,ở đó u > 9: F + = b / r u (1.4) Sự cân bằng giữa lực hút và lực đẩy đƣợc thành lập với khoảng cách r ở giữa tâm của hai hạt và tƣơng ứng với thế năng cực tiểu của hệ. Hính 1.3 trính bày đƣờng cong phụ thuộc vào khoảng cách r giữa các hạt của năng lƣợng E, lực hút F -, lực đẩy F + sự cân bằng giữa chúng. Giá trị E = 0 tƣơng ứng với r =. Tƣơng tác Van der waals vừa nêu trên thƣờng xảy ra với nguyên tử khì trơ (đặc biệt với He,Ar,Ne) cũng nhƣ với phân tử gồm hai nguyên tử (H,O, N,Cl ) và một vài nguyên tố hóa học khác ở trạng thái lỏng hoặc rắn. Lực Van der waals tăng với nguyên tố nguyên tử khối tăng, ví khi đó kìch thƣớc lớp điện tử tăng làm nguyên tử biến dạng lớn, tức là sự phân cực lớn, những lực này giảm khi tăng nhiệt độ. Lực Van der waals có thể sinh ra giữa các hạt khì và hơi với các nguyên tử hay phân tử của bề mặt cấu trúc vĩ mô (vì dụ bề mặt tinh thể, mạng tinh thể, kim loại.v.v ). Những tầm kìch hoạt của cấu trúc bề mặt có khả năng liên kết với các hạt khì nhờ lực Van der waals. Những hạt khì khi dịch chuyển gần bề mặt sẽ bị hút đến gần những nút của bề mặt này (hính 1.4) và sẽ liên kết với nhau. Sau khi bề mặt đã bị phủ một lớp đơn phân tử khì thí lực tƣơng tác sẽ trở nên rất yếu. Khi hạt phân cực (vì dụ phân tử hơi nƣớc, ocid carbon, amoniac.v.v ) tiến lại gần bề mặt vật thể không phân cực (vì dụ kim loai), thí trong vật thể sẽ sinh ra đipôn đối xứng gƣơng có dấu ngƣợc với đipôn hạt khì (hính 1.5) và do đó sẽ tồn tại lực hút giữa chúng. Lực hút này càng lớn khi cực tình của đipôn càng lớn.

Hính 1.3: Sự phụ thuộc của năng lƣợng liên kết E vào khoảng cách r giữa hai tâm của hạt.e min -năng lƣợng cực tiểu của hệ, tƣơng ứng với khoảng cách r o.với nhiệt độ T, phân tử sẽ dao động trong khoảng a- d:điểm c tƣơng ứng với khoảng cách có xác suất lớn nhất giữa hai tâm phân tử r o. Hính 1.4: Lực Van der waals tác động lên phân tử khì trên bề mặt thể rắn Hính 1.5:Ánh xạ gƣơng của đipôn trên thể rắn không phân cực Để làm vì dụ,bảng 1.4a trính bày những giá trị r o và E min của khì một nguyên tử và nhiều nguyên tử trong trƣờng hợp ngƣng tụ và bay hơi (tƣơng tác yếu). Dƣới tác động của lực Van der waals, sự liên kết yếu của các hạt có thể là giai đoạn chuyển tiếp để xuất hiện liên kết mạnh hơn nếu gặp điều kiện thuận lợi.vì dụ, hạt với liên kết nguyên tử có thể thành lập từ các nguyên tử hoạt tình đồng loạt (H,N,O), hay hạt với liên kết hóa học có thể thành lập từ các nguyên tử khác loại (nếu cung cấp thêm năng lƣợng, vì dụ C + O =CO). Bảng 1.4a. Khoảng cách giữa tâm của hạt ro và năng lƣợng liên kết (ngƣng tụ) E min của một số khí. Hạt He-He H H N N O O Ar-Ar CO-CO Kr-Kr CO -CO Thông số liên kết Ro (10-8 cm).56.93 3.86 3.43 3.4 3.59 3.61 3.97 E min (ev) 0.88 3.18 7.89 9.76 10.7 9.5 16.3 16.3 E min (kcal/mol) 0.003 0.0735 0.18 0.55 0.46 0.19 0.377 0.377 Bảng 1.4b trính bày giá trị ro và E min của liên kết mạnh (hóa học) đối với phân tử hai nguyên tử. Từ hai bảng 1.4a và 1.4b ta thấy rằng, khoảng cách giữa hai nguyên tử trong phân tử rất nhỏ, còn năng lƣợng liên kết giữa chúng thí rất lớn so với trƣờng hợp ngƣng tụ. Vì dụ, đối với phân tử H :H H có r o =,93.10-8 cm, còn E min = 0,0735 kcal/mol, trong khi đó, đối với H trong phân tử H+H = H có r o = 0,74.10-8 cm còn E min = 103 kcal/mol. Bảng 1.4b Khoảng cách ro giữa tâm của phân tử và năng lƣợng liên kết (phân ly) Emin đối với một số khí hai nguyên tử. Phân tử Cl H N C CO Thông số liên kết Ro (10-8 cm).0 0.75 1. 1.1 1.13 E min (ev).48 4.5 5.1 7.4 11.1 E min (Kcal/mol) 57.1 103 117 170 56 I..5. Nguyên tử và phân tử: Nguyên tử trong điều kiện tự nhiên thƣờng ìt gặp ở dạng hạt độc lập (trừ khì trung hòa và hơi kim loại), ví dƣới tác động của lực hút tƣơng hỗ chúng thƣờng hợp nhất thành phân tử hay tập hợp hạt lớn hơn. Tập hợp cực tiểu của nguyên tử là phân tử, còn tập hợp lớn nhất là mạng tinh thể. Nguyên tử có độ bền lớn nhất là khì trơ, lớp điện tử ngoài cùng của chúng là hoàn toàn chứa đầy. Ví vậy chúng không thành lập hợp nhất bền vững hơn với các nguyên tử khác.

Những nguyên tử có lớp điện tử ngoài cùng không chứa đầy có khuynh hƣớng muốn hợp nhất với các nguyên tử khácđể tạo lập hệ với lớp điện tử chứa đầy. Điều đó xảy ra bằng con đƣờng đẩy ra ngoài những điện tử thừa hay lấy thêm điện tử cho lớp ngoài cùng chƣa chứa đầy, đẩy lớp ngoài cùng của chúng có cấu trúc giống cấu trúc khì trơ trong bảng hệ thống tuần hoàn. Hợp nhất nguyên tử (hay phân tử) đƣợc xảy ra trên cơ sở đó. Phân tử có thể đƣợc cấu tạo từ những nguyên từ cùng loại (O, O, H ), hay khác loại (CH 4, HCl). Nguyên tử (tạo thành phân tử) liên kết với nhau bằng tƣơng tác của điện tử hóa trị. Tùy thuộc vào số nguyên tử trong phân tử mà ngƣời ta phân loại phân tử một nguyên tử, phân tử hai nguyên tử vv Dạng phân tử càng phức tạp, khi số nguyên tử tạo thành nó càng nhiều. Phân tử hai nguyên tử có vài bậc tự do, nhờ vậy nó có thể mang nhiều tình chất vật lý khác (phụ thuộc vào dạng dao động nhiệt). Hính 1.6 Sự phân bố nguyên tử trong phân tử O 3,CO, H O Phân tử đƣợc cấu tạo từ các nguyên tử cùng loại, có quan hệ với phân tử không cực tình. Những phân tử, đƣợc cấu tạo từ các nguyên tử khác loại là những phân tử có cực tình. Vì dụ: những phân tử CO, HCl là những phân tử đồng cực (một cực), còn những phân tử nhƣ NaCl, K SO 4 là những phân tử dị cực (đa cực). Nếu nguyên tử đƣợc biểu diễn theo dạng cầu, thí phân tử có dạng phức tạp hơn. Phân tử nguyên tử thƣờng có dạng Ellipsoid. Những phân tử đƣợc cấu tạo từ những nguyên tử cùng loại có đặc trƣng là điện tử phân bố đối xứng đối với hạt nhân, do đó không xuất hiện cực tình ở các phân tử này. Ngƣợc lại, trong trƣờng hợp phân tử gồm các nguyên tử khác loại thí điện tử hóa trị có thể dịch chuyển về một phìa đối với hạt nhân, do đó phân tử có cực tình.(đipôn). I..6 Liên kết nguyên tử: Liên kết nguyên tử (liên kết đồng hóa trị) xảy ra giữa các nguyên tử đồng loại, không có cực tình. Dƣới tác động của lực Van der waals, những nguyên tử này dịch lại gần nhau đến mức để lớp điện tử hóa trị của chúng bắt đầu ảnh hƣởng nhau, thí có thể sinh ra lực liên kết giữa chúng bằng những cặp điện tử hóa trị cho quỹ đạo chung. Năng lƣợng xác định và khoảng cách xác định giữa hai tâm của nguyên tử là đặc trƣng cho loại liên kết này. Số cặp điện tử chung phụ thuộc vào loại nguyên tử. Do liên kết này mà hạt sinh ra sẽ không có cực tình, tức là hạt ở trạng thái trung hòa điện, và có dạng đối xứng cầu. Liên kết nguyên tử không xảy ra trong khì trơ (một nguyên tử). Hính 1.7. Sự liên kết giữa các nguyên tử cùng loại: một cặp(h,cl ); hai cặp (O ) và ba cặp (N ). Muốn tách phân tử thành các nguyên tử, cần cung cấp cho nó một năng lƣợng để thắng trƣớc hết-liên kết đồng hóa trị và sau đó - lực Van der waals (đƣợc gọi là năng lƣợng phân ly). I..7. Năng lƣợng kích hoạt: Thông thƣờng liên kết van der waals là giai đoạn chuyển tiếp để dẫn đến liên kết mạnh hơn của lực tƣơng tác lƣợng tử. Để liên kết mạnh này có thể xảy ra, cần cung cấp một năng lƣợng bổ sung-năng lƣợng kìch hoạt E a. Tƣơng tác lƣợng tử thƣờng đƣợc khởi đầu bằng sự tăng nhiệt độ.

Hính 1.8. trính bày giản đồ biến đổi năng lƣợng của hệ khì chuyển từ liên kết vật lý sang liên kết hóa học sau khi đã nhận đƣợc năng lƣợng kìch hoạt. Khi hệ chuyển từ trạng thái liên kết mạnh sang trạng thái liên kết yếu hơn, thí năng lƣợng thừa thƣờng tỏa ra dƣới dạng nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt). Chuyển từ liên kết vật lý sang liên kết hóa học phải cung cấp cho hệ một năng lƣợng E a. Liên kết hóa học tƣơng ứng với khoảng cách giữa các hạt nhỏ hơn. Hính 1.8:Giản đồ năng lƣợng của hệ nguyên tử hay phân tử với liên kết vật lý và liên kết hóa học. I..8. Liên kết giữa các nguyên tử có cực tính giống nhau: Để xảy ra liên kết giữa các nguyên tử khác loại nhƣng có cực tình giống nhau (vì dụ liên kết của các phân tử CO, CH 4, HCl ) lực Van der waals chƣa đủ mà cần cung cấp thêm năng lƣợng kìch hoạt. Tƣơng tác đó có thể dẫn đến sự thành lập phân tử không cực tình (vì dụ CH 4,hình 1.9a) hay phân tử có cực tình do sự sắp xếp cặp điện tử chung bất đối xứng (vì dụ HCl,hính 1.9b). Tiếp theo sau liên kết giữa các nguyên tử có cực tình giống nhau (theo thứ tự mức năng lƣợng tăng dần) là liên kết ion. Hính 1.9:Sơ đồ liên kết giữa các nguyên tử có cực tình giống nhau a.phân tử CH 4 b.phân tử HCl I..9. Liên kết ion (liên kết dị cực): Liên kết ion xuất hiện giữa các nguyên tử khác loại: nguyên tử điện dƣơng có lớp điện tử hóa trị không chứa đầy với nguyên tử điện âm có thừa điện tử hóa trị. Hính 1.10. Liên kết ion giữa các nguyên tử khác loại a.phân tử NaCl b.phân tử TiO

Khi hai nguyên tử khác loại trên gần nhau, thí phần điện tử thừa từ lớp hóa trị của nguyên tử điện âm chuyển qua lớp hóa trị chƣa chứa đầy của nguyên tử điện dƣơng. Phân tử đƣợc thành lập nhƣ vậy là một hệ bền vững với liên kết hóa học mạnh và lớp điện tử ngoài đƣợc chứa đầy. Nói cách khác, hệ đó tƣơng đƣơng với hai cực và giữa chúng tồn tại lực hút rất lớn. Phân tử bây giờ là một đipôn, nó có khả năng hợp nhất với những đipôn nhƣ vậy để thành lập tinh thể đồng nhất. Năng lƣợng liên kết ion lớn hơn năng lƣợng liên kết đồng hóa trị. Khả năng thành lập phân tử lƣỡng cực trên đã làm xuất hiện các hợp chất hóa học nhƣ dạng muối và ocid (cũng nhƣ kim loại, nguyên tố kiềm và kiềm thổ với nguyên tố không kim loại) I..10. Phân ly phân tử: Năng lƣợng cần thiết để tách sự liên kết, nói chung bằng năng lƣợng liên kết (có tình thêm năng lƣợng kìch hoạt). Nó đƣợc gọi là năng lƣợng phân ly. Năng lƣợng đó có thể bằng nhiều dạng khác nhau: nhiệt, va chạm điện tử Bảng 1.4b trính bày những giá trị của năng lƣợng phân ly của 1 số phân tử hai nguyên tử. Trong trƣờng hợp phân ly do nhiệt thí chỉ có 15% phân tử bị phân ly. Nếu phân tử CO va chạm với catod đốt nóng, thì tỉ lệ phân ly tăng lên rất lớn. Khi hạt khì va chạm với điện tử thí sẽ xảy ra nhiều hiện tƣợng phức tạp: ion hóa phân tử, phân ly phân tử, ion hóa phân tử đã phân ly. Những hiện tƣợng đó cũng xảy ra khi điện tử va chạm với khì hấp thụ. Với hợp chất hóa học, phân ly chủ yếu là phân ly hóa học. Nó xảy ra chủ yếu cũng là do tăng nhiệt độ, thỉnh thoảng cũng do bắn phá điện tử. Bảng 1.4c trính bày năng lƣợng phân ly E của phân tử hai nguyên tử và gốc phân tử. Trang 8 Phân tử E,eV Phân tử E,eV Phân tử E,eV C 4.9 ± 0.3 HBr 3.75 ± 0.0 Na 0.75 ±0.03 CN 8.1 ± 0.3 HF 5.8 ± 0. NaCl 4.4 ±0.05 F 1.6 ± 0.35 HI 3.06 ± 0.01 OH 4.45 ± 0. H.649 Hg 0.06 ± 0.03 S 4.4 ± 0.1 HCl 4.431 NO 6.493 ± 0.05 SH 3.85 ± 0. Trang 9 1..11 Hoạt hoá chất khí. Khả năng hạt khì tham gia tƣơng tác phụ thuộc vào trạng thái điện của chúng.tức là phụ thuộc vào độ hoạt hoá cùa chúng. Khi đƣợc hoạt hoá là khì mà phân tử của nó đã đƣợc phân ly thành nguyên tử riêng biệt hay một nhóm nguyên tử có lớp điện tử hoá trị không chứa đầy (phân tử phân ly), hoặc khì mà nguyên tử hay phân tử của nó ở trạng thái kìch thìch,trạng thái siêu bền. 1..1 Sự kìch thìch và ion hoá : Những quá trính này có thể liên hợp tuỳ ý - vìdụ : kìch thìch và ion hoá nguyên tử, phân tử, nguyên tử và ion do va chạm với điện tử, ion hay các hạt trung hoà. Trong không khì phóng điện ở áp suất thấp, sự kìch thìch và ion hoá do ion và nguyên tử nói chung không đáng kể, ví năng lƣợng của chúng trong trƣờng hợp này rất nhỏ so với điện tử. Cơ chế của kìch thìch và ion hoá do va chạm điện tử : Cơ chế của quá trính nhƣ sau : khi chuyển động gần đến nguyên tử hay hạt khác, điện tử va chạm, bằng điện trƣờng của mính, tƣơng tác trực tiếp với một trong những điện tử liên kết trong nguyên tử gần mính nhất. Điện tử liên kết đó sẽ dịch chuyển xa hạt nhân (lớp điện tử bị biến dạng phân cực nguyên tử). Với điều đó. điện tử va chạm bị tán xạ, tức là bị lệch khỏi hƣớng ban đầu của mính. Nếu lực tƣơng

tác đó đủ lớn và đủ lâu thí điện tử liên kết có thể bị đƣa lên mức năng lƣợng cao hơn hay hoàn toàn bị tách ra khỏi nguyên tử. Sự tƣơng tác đó mang đặc trƣng lƣợng tử, tức là chỉ có thể hấp thu những năng lƣợng xác định. E = hv - hv 1 Ở đó hv và hv 1 - năng lƣợng của mức kìch thìch và mức cơ bản năng lƣợng thừa cùa nó đƣợc mang đi trong dạng động năng của hai hạt.sự dịch chuyển của điện tử liên kết trong nguyên tử tƣơng ứng với sự phân cực nguyên tử. Độ phân cực tăng khi nguyên tử số tăng Hạt bị kìch thìch lên mức năng lƣợng cao hơn, thƣờng lƣu lại khoảng 10-7 -10-8 sec thí điện tử tự phát chuyển mức thấp hơn và kèm theo bức xạ lƣợng tử ánh sáng. Tuy nhiên không phải điện tử luôn luôn có khả năng chuyển mức tự phát. còn tồn tại, nhƣ ngƣời ta thƣờng gọi, mức năng lƣợng siêu bền, tức là theo nguyên tắc lựa chọn lƣợng tử thí chuyển từ mức đó là cấm khi rơi vào những mức đó, điện tử phải đợi đến khi có va chạm mới để chuyển nó sang mức khác. Thời gian lƣu lại của điện tử ở trạng thái siêu bền phụ thuộc vào áp suất khì, sự có mặt các tạp khì v.v Thời gian đó khoảng 10 - -10-4 sec. Cho nên đối với điện tử siêu bền, sau thời gian đó nhất thiết phải gặp va chạm bổ sung với hạt khác hay hấp thụ lƣợng tử bức xạ. Lúc này, nguyên tử có thể chuyển lên bậc kìch thìch cao hơn. điều đó cũng có thể xảy ra đối với nguyên tử không siêu bền.quá trính đó đƣợc gọi là kìch thìch từng bậc, ion hoá từng bậc cũng xảy ra tƣơng tự. Ion hoá nguyên tử, phân tử làm sản sinh ion. ngoài ion một điện tìch (tức là khì một điện tử bị tách ra khỏi phân tử hay nguyên tử).thƣờng có ion.3 điện tìch.sự thành lập ion nhƣ thế đƣợc gọi là ion hoá nhiều bậc. Nếu hạt va chạm với điện tử rất nhanh, thí cùng với ion hoá thông thƣờng còn có thể xãy ra trƣờng hợp là tách điện tử từ các lớp điện tử bên ngoài.khi đó, một trong những điện tử ở lớp ngoài sẽ nhảy vào chiếm chổ trống đồng thời bức xạ lƣợng tử rơntghen. Nhƣ đã nói trên, quá trính kìch thìch và ion hoá (nói chung là va chạm không đàn hồi ) phải tuân theo những quy luật lƣợng tử. một cách định tình quá trính đó có thể viết nhƣ sau.xác suất chuyển mức, vìdụ bên trong lớp điện tử của nguyên tử, phụ thuộc vào thời gian của hạt bay đến trong vùng tƣơng tác của trƣờng nguyên tử : T = b/v r. (1.6) Ở đó b bán kình tƣơng tác (b ~ 10-8 cm) ; V r - vận tốc tƣơng đối của hạt. Thời gian đó phải tƣơng đƣơng với thời gian cần thiết để điện tử chuyển mức từ quỹ đạo này lên quỹ đạo khác hay tách nó khỏi nguyên tử theo lý thuyết lƣợng tử, chuyển mức đƣợc thực hiện sau thời gian : T = h/ E (1.7) Ở đó E - đại lƣợng biến đổi nội năng toàn phần của hệ. Nếu T > T, thí điện tử kịp chuyển chổ trong nguyên tử, tức là lớp điện tử đầu tiên bị biến dạng một ìt, sau đó trở về trạng thái bính thƣờng. điều đó tƣơng ứng với va chạm đàn hồi. Điều kiện tối ƣu để va chạm không đàn hồi là. T = T Hay E = hv r /b (1.8) Xác suất ion hoá f i hay kích thích f b là tỉ số ion hoá hay kìch thìch với tổng số lần va chạm. Hàm số biểu diễn sự phụ thuộc giữa xác suất ion hoá hay kìch thìch với năng lƣợng của hạt bay đến đƣợc gọi là hàm ion hoá hay hàm số kìch thìch. Ngoài xác suất ion hoá,trong sách báo còn gặp đại lƣợng, nhƣ đƣợc gọi,hệ số ion hoá tƣơng đối ε i.ε i bằng số điện tử hay ion đƣợc tạo nên bởi một điện tử trên 1 cm đƣờng đi của nó với áp suất p = 1 torr và nhiệt độ T = 0 o c. khi đó :. ε i = f i /λ e

Đƣa đại lƣợng ε i vào thí có thuận lợi hơn ví có thể xác định nó trực tiếp bằng thực nghiệm. Tiết diện hiệu dụng ion hoá và kìch thìch ζ i và ζ b đối với một nguyên tử liên hệ với tiết diện va chạm đàn hồi truyền xung lực ζ m bởi hệ thức :. ζ i = ζ m. f i (1.9a). ζ b = ζ m. f b (1.9b) Nhƣ vậy, ε i bằng tiết diện hiệu dụng ion hoá Q i trong một đơn vị thể tìch :. ε i = n. ζ m. f i =Q f i =Q i (1.30). (Ở đó n = 3.56 10 16 phân tử /cm 3, với p =1 torr và 0 o c ). Q - tiết diện va chạm toàn phần (nζ m ) của phân tử khì trong 1 cm 3 (cm /cm 3 ). Q = (1/ λ e ), ở đó λ e - quãng đƣờng tự do trung bính của điện tử. Hệ số ion hoá tƣơng đối (cũng nhƣ hàm số ion hoá hay hàm số kìch thìch ) phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của điện tử và do đó nó phụ thuộc vào thế gia tốc V :. ε i = f(v) (1.31) Dạng phụ thuộc đó đối với một vài trạng thái khì thƣờng gặp trong hệ chân không đƣợc trính bày trên hình 1.11. Hình 1.11 - sự phụ 0 thuộc của Hg hệ số ion hoá tƣơng đối theo năng Ca 10 lƣợng điện tử ev đối với một số 5 khí 3 N thƣờng gặp, điều kiện p = 1 torr và T = 73 o k H Ar 1 Na Ne 0.5 0.3 0. He H 0.1 10 3 5 10 3 5 10 3 3 5 10 4 cặp ion/cm/torr ε i, năng lƣợng điện tử, ev Từ híng 1.11 thấy rằng, hiệu dụng ion hoá tăng khi tăng năng lƣợng điện tử, nhƣng chỉ tăng đến một thời gian nhất định nào đó, rồi bắt đầu giảm.cực đại sẽ tƣơng ứng với điều kiện tối ƣu (1.8) Đối với các đƣờng cong trên hính vẽ có một đặc trƣng là xác suất của quá trính chỉ khác không bắt đầu từ một giá trị năng lƣợng xác định : đó là thế ion hoá V i Lý thuyết đơn giản để tình tiết diện hiệu dụng ion hoá cũng nhƣ kìch thìch do va chạm điện tử là lý thuýêt gần đúng bord. Tuy nhiên, do tình chất phức tạp và tình gần đúng của lý thuyết này, nên ngƣời ta chỉ dùng những đƣờng cong thực nghiệm với dạng xấp xỉ sau :. ε i (v) = α(v-v i ) exp(-(v-v i )/β) (1.3) Ở đó α và β - những hằng số phụ thuộc vào loại khì. Bảng 1.5 trính bày những hằng số sau đâycủa một vài khì trƣờng gặp:

bảng 1.5 khí A o Q eo V i V im Q im α o β λ o λ o υ o đơn vị nt cm -1 ev ev cm -1 ev -1 ev cm cm see -1 H 13, 15,4 70 3,7 1,33.10-7,55.10-6.10 9 H e 4 13,5 4,5 10 1,3 1,31.10-7,41.10 -,5.10 9 N e 0 15, 1,5 170 3,0,5.10-3 300 1,16.10-6,57.10 - - A r 40,7 15,7 100 13 1,3.10-110 7,73.10-3 4,38.10 - K r 84 48,0 14,0 3,67.10-3,08.10 - - X e 131 67,0 1,1,50.10-3 1,50.10 - - H g 01 56,0 10,4 100 17 8,6.10-3 100 4,88.10-3,76.10-1,7.10 10 N 8 6,0 15,8 110 11 7,8.10-3 160 6,33.10-3 3,58.10 - - N a 3,0 5,14 3,7 8,07.10-3 4,57.10-8.10 10 C a 133 300,0 3,89 9,8 5,8.10-4 3,3.10-3 1,6.10 11 Q eo =(1/λ eo ) -số va chạm của điện tử trên đoạn đƣờng 1 cm với áp suất khì p = 1 torr và nhiệt độ 0 o c (theo phƣơng trính (1.9c)). V i - thế ion hoá. V m - thế tƣơng ứng với tiết diện ion hoá cực đại ; Q im - giá trị tiết diện ion hoá cực đại với p = 1 torr và T = 0 o c và α o và β ở đó α= Q eo.α o. V o - tầng số va chạm của điện tử với phân tử khì ở điều kiện p=1 torr và T = 0 o c (chỉ đối với khì có ìt phụ thuộc vào vận tốc điện tử ).. λ o - quảng đƣờng tự do trung bính của hạt khì (phƣơng trính (1.9a)) ở điều kiện p = 1 torr và T = 0 o c. λ eo - quảng đƣờng tự do trung bính của điện tử trong không khì (phƣơng trính (1.9c)) ở điều kiện p = 1 torr và T = 0 o c. Sự kìch thìch và ion hoá phân tử: Đối với phân tử ngoài những quá trính cơ bản nhƣ đối với nguyên tử, chúng phải tuân theo một vài quy luật riêng, phản ảnh sự tƣơng tác giữa 3 dạng chuyển động trong phân tử : điện tử, quay và dao động.chúng ta hãy khảo sát phân tử gồm hai nguyên tử, nhƣ H,O,N.chúng thƣờng gặp trong kỹ thuật chân không.

Nhờ có lực tƣơng tác giữa điện tìch của hạt nhân và điện tử, mà nguyên tử trong phân tử đƣợc gĩƣ lại ở trạng thái cân bằng (xem hính1.3) Năng lƣợng toàn phần của phân tử không chỉ phụ thuộc vào thế năng có thể là chuyển động dao động và chuyển động quay. tuy nhiên năng lƣợng phụ thuộc vào sự chuyển động của điện tử là thành phần lớn nhất. Nếu phân tử đƣợc kìch thìch - điện tử đƣợc chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn.thí do sự phân bố điện tìch của điện tử trong điện tử thay đổi mà đƣờng cong thế năng biến đổi, và khoảng cách cân bằng có thể dịch chuyển sang phìa này hay phìa khác. Chuyển động dao động (và quay) trong phân tử cũng tuân theo quy luật lƣợng tử, tức là khì dao động, khoảng cách giữa hai hạt nhân biến đổi và do đó thế năng gián đoạn. do cấu trúc đơn giản nhất, những phân tử này chỉ có một dạng chuyển động dao động dao động đối xứng dọc trục phân tử.ví rằng phân tử nguyên tử có hai hạt nhân giống nhau (H, O, N, ) nên chúng không có momen đipôn điện. dịch chuyển đipôn điện giữ các mức dao động kìch thìch là cấm, nên những trạng thái này rất lớn. hình 1.1 : đƣờng cong trạng thái thế năng đối với trạng thái trạng thái phân tử nguyên tử điện tử trong H 4 p u 0 H+H + + H 1s g n = 3 năng lƣợng 16 H+H * tƣơng tác p1 Πu n = 1 p 1 u s 3 g 8 p 3 u H+H + 4 n =1 1s 1 g 0 1 3 Trên hình (1.1) trình bày đƣờng cong thế năng của các trạng thái điện tử trong phân tử H. trạng thái cơ bản trong phân tử H là 1s 1 g. khi này spin của hai điện tử trong trạng thái 1s có hƣớng song song ngƣợc chiều, do đó nó chỉ có một mức duy nhất.mức tiếp theo là mức kìch thìch p 3 u khi một điện tử kìch thìch lên mức p và hai spin của hai điện tử có hƣớng song song cùng chiều (mức nhóm 3) đó là trạng thái không bền. Để tách xa hai nguyên tử H từ trạng thái cơ bản (không kìch thìch điện tử của phân tử ) cần tốn một năng lƣợng 4.4 ev đó là phân ly do nhiệt. Còn phân ly do va chạm điện tử hay do prôton do ion hoá thí không thể xãy ra do biến đổi các mức năng lƣợng dao động mà không đồng thời kìch thìch điện tử. Theo nguyên lý Franck Condon để kìch thìch nguyên tử H từ trạng thái dao động cơ bản của trạng thái điện tử cơ bản lên trạng thái kìch thìch điện tử p 3 u cần phải tốn một năng lƣợng tối thiểu là 8.9ev khi điện tử chuyển lên trạng thái không bền này. thí H sẽ phân ly thành hai nguyên tử với động năng mỗi hạt rất lớn :.5eV.Nếu phân tử H đƣợc từ trạng thái kìch thìch điện tử cao hơn nữa. thí các nguyên tử phân ly ở trạng thái kìch thìch hay ion. Ion H + bền vững có thể đƣợc thành lập do va chạm với điện tử có năng lƣợng 15.8 ev, cao hơn năng lƣợng ion hoá V i (V i = 15.4 ev ) đƣợc xác định từ phổ phân tử, ví nhƣ trên hính (1.1).cực tiểu đƣờng cong thế năng bị dịch chuyển về phìa phải. Để thành lập nguyên tử kìch thìch H + từ H cần tốn 15eV để thành lập ion H + từ H, cần tốn 18.1 ev. để ion hoá hoàn toàn H thành H + cần tốn 50 ev. ion đƣợc thành lập sau khi phân ly nhận đƣợc động năng rất lớn.

Đƣờng cong thế năng đối với phân tử O, N cũng có dạng tƣơng tự nhƣ đối với H. Nhƣ vậy, khi va chạm với điện tử, phân tử gồm hai nguyên tử có thể bị kìch thìch,ion hoá và phân ly.tiết diện đƣợc hiệu dụng thành lập ion phân tử lớn hơn khoảng 10 lần tiết diện hiệu dụng ion hoá và phân ly thành ion nguyên tử, ngay cả khi vận tốc điện tử lớn. 1.3 Phóng điện qua khì: Muốn cho dòng điện đi qua khì cần phải có mặt của các hạt mang điện trong đó.các hạt mang điện có thể đƣơc tạo nên nhờ ion hoá chất khì bởi một nguồn nào đó ở bên ngoài, hoặc ion hoá bởi điện trƣờng ở ngay trong khoảng phóng điện. Có dạng phóng điện là phóng điện không tự lập và phóng điện tự lập. Dạng phóng điện không tự lập là dạng phóng điện mà nó không thể tồn tại đƣợc nếu không có nguồn ion hoá chất khì bên ngoài điều đó có nghĩa là khi nguồn ion hoá bên ngoài ngừng tác động, thí phóng điện sẽ ngừng mặt dù ở hai đầu điện cực còn hiệu điện thế. Dạng phóng điện tự lập là dạng phóng điện có thể tồn tại dù không có nguồn ion hoá bên ngoài. Để duy trí phóng điện, những điện tử và ion đƣợc thành lập trong khì và trên các điện cực cần đƣợc tác động của điện trƣờng ngoài. Chuyển từ dạng phóng điện không tự lập sang dạng dạng phóng điện tự lập gọi là môi phóng điện Những hệ số đặc trƣng cho quá trính ion hoá trong phóng điện là : Hệ số α - số điện tử đƣợc thành lập bởi một điện tử trên đƣờng đi 1 cm theo hƣớng ngƣợc lại hƣớng điện trƣờng do va chạm với hạt khì (còn đƣợc gọi là hệ số ion hoá Townsend ); Hệ số β - số điên tử đƣợc thành lập do ion dƣơng trên đƣờng đi 1 cm theo hƣớng điện trƣờng. Thƣờng quá trình này rất nhỏ so với quá trính chỉ khi điện trƣờng đủ lớn mới cần tình nó. Hệ số γ - số điện tử phát xạ từ bề mặt kim loại do một ion đập lên nó (hệ số phát xạ điện tử ion ). Hệ số δ - số điện tử phát xạ từ bề mặt kim loại do một bức xạ lƣợng tử đập vào. Ngoài hệ số α còn đƣa vào một hệ số : η = α/e =( α/p)/(e/p) (1.33) khí A 1/cm.torr B v/cm.torr miền E/p v/cm.torr Vi volt η là số ion đƣợc hành lập bởi một điện tử khi nó đi qua hiệu thế bằng 1 volt. Đại lƣợng (1/ η) xác định năng lƣợng trung bính (theo volt ) tiêu hao bởi một điện tử cho1 lần ion hoá. 1.3.1 hệ số ion hoá Townsend (hệ số α) Để tình hệ số α chúng ta giả thiết rằng, sau mỗi lần va chạm với phân tử khì điện tử có vận tốc bằng không. Nhƣ vậy, sau khi đi qua đoạn đƣờng x theo hƣớng của trƣờng điện tử lại có thể ion hoá chất khì nếu thoã mãn điều kiện : eex > = ev i hay X >=(V i /E) (1.34) theo (1.10a)phần điện tử có quãng đƣờng tự do nằm trong khoảng x đến x+dx bằng (dn/n )=(1/λ e )e (-x/λe) dx (1.35) phần điện tử đó tƣơng ứng với số va chạm giữa với các loại khì trong khoảng x đến x + dx. Nếu giả thiết thêm rằng, tất cả điện tử thoã mãn điều kiện (1.34) điều ion hoá chất khì, thí số ion hoá trên một đơn vị độ dài tại điểm x = (V i /E)bằng hệ số α. Khi đó từ (1.35)và (1.34) ta có : Α = 1/λ e exp(-v i /Eλ e ) (1.36) Kì hiệu : 1/pλ e = 1/λ eo = A ; B = V i /λ eo

Thì : (α/p) = Aexp{-B/(E/p)}. (1.37) Đó là dạng Townsend đối với quá trính ion hoá chất khì. Mặc dù đã dùng nhiều giả thiết đơn giản, nhƣng dạng (1.37) đủ chình xác dùng trong miền giới hạn (E/p) (xem bảng 1.6) Bảng 1.6 các hằng số A và B của phƣơng trính (1.37) H 5 139-1000 15.4 N 1 34 100-600 15.5 O 1 34 100-600 1. CO 0 466 500-1000 13.7 k.khí 15 365 100-800 13.7 HO 13 90 150-1000 1.6 HCl 5 380 00-1000 1.6 He 3 34 0-150 4.5 Ne 4 100 100-400 1.5 Ar 14 180 100-600 15.7 Kr 17 40 100-1000 14 Xe 6 350 00-800 1.1 Hg 10 370 00-600 10.4 Ở đó các sai số khác nhau đã bù trừ tốt cho nhau. Từ phƣơng trính (1.37) thấy rằng.(α/p) là một hàm của (E/p). sự phụ thuộc đó trính bày trên 1.13. Hình 1.13đƣờng cong phụ thuộc α/p = f(e/p) α/p đối với không khì cặpion/cm.torr 10 8. 8 6 4 0 00 400 600 800 1000 Mỗi chất khì đều tồn tại một đại lƣợng tối ƣu 1/η max - gọi là hằng số Stoletow. Đại lƣợng 1/η max đó sẽ tƣơng ứng điểm s : điểm tiếp tuyến giữa đƣờng cong α/p với đƣờng thẳng xuất phát từ toạ độ ban đầu (hính 1.13). có thể chứng minh đƣợc điều đó. Cực đại α khi e = cónt phải thoã mãn điều kiện : dα/dp=f(e/p)+p.ә[e/p]/ә(e/p).ә(e/p)/әp=0

ví rằng (E / p) E f(e / p) = (α / p) ; = - p p Nên : (α / p) (α / p) (1.38) = (E / p) (E / p) Điểm tiếp tuyến giữa đƣờng thẳng OS với đƣờng cong (α / p) = f(e / p) thỏa mãn biểu thức (1.38). Nếu hàm f(e / p) đƣợc xác định bởi (1.37) thí điểm STOLETOW (điểm S) (E / po) = B. Khi đó αmax = (Ap o /e). 1.3.. Hệ số phát xạ điển tử - ion (hệ số γ): Hệ số γ là tỉ số giữa dòng điện tử phát xạ với dòng ion đập lên bề mặt kim loại, nó phụ thuộc vào vật liệu bề mặt, loại cạnh ion oanh tạc và động năng của chúng. γ 5-10 Cu + He + Ne 5-10 He + Ni γ 5 + Ar - - - - - - + Li 10 10 0 50 100 00 500 v ev 5-10 5 Cs + -3 10 100 00 300 500 700 Hình 1.14 : trình bày đƣờng cong phụ thuộc của hệ số γ theo năng lƣợng ion He+, Ne+, Ar+ và Li+ oanh tạc lên bề mặt Cu. Hình 1.15 : He+ và Cs+ oanh tạc lên bề mặt Ni. Từ hai hính trên thấy rằng, nếu kéo dài đƣờng cong γ đối với kim loại kiềm đến giá trị γ = 0, thí sẽ tồn tại những giá trị năng lƣợng cực tiểu của ion, tức là dƣới những giá trị đó thí không có phát xạ điện tử ion. Ngƣợc lại đối với ion khì trơ và một số chất khác, ngay cả động năng của ion bằng không, hệ số γ vẫn lớn hơn không, tức là phát xạ điện tử vẫn tồn tại khi cả những ion rất chậm tiến gần đến bề mặt. Những điều vừa nói trên chứng tỏ rằng, có hai quá trính phát xạ khác nhau : phát xạ điện tử do động năng của ion - phát xạ động năng và phát xạ điện tử do năng lƣợng đƣợc giải phóng khi ion bị trung hòa trên bề mặt kim loại - phát xạ thế năng. Có hai quan điểm phổ biến về cơ chế phát xạ động năng : - Do ion va chạm với nguyên tử kim loại, điện tử của lớp điện tử trong nguyên tử này nhận đƣợc năng lƣợng đủ lớn để vƣợt qua hàng rào thế năng trên bề mặt kim loại (thuyết Frenken). - Phát xạ động năng là kết quả của ion hóa bề mặt do va chạm với ion (thuyết Mogulic). Cơ chế phát xạ thế năng chình là hiệu ứng trung hòa Auger trên bề mặt kim loại (mục 3.6. chƣơng III). v ev

Giá trị γ của một số ion khi trƣờng rút gọn thấp (E/p = 10v/cm. torr) đối với các bề mặt kim loại khác nhau đƣợc trính bày trên bảng 1.7. Bảng 1.7: Hệ số g với (E/p) = 10 (v/cm.torr) Kim loại He + Ne + Ar + Kr + Fe 0,015 0,0 0,58 0,61 Pt 0,01 0,3 0,03 0,0 Ni 0,05 0,031 0,058 0,053 1.3.3. Hiện tƣợng khuếch đại dòng - lý thuyết thác lũ điện tử Townsend : Hãy giả thiết rằng : hóa bên ngoài không ion hóa chất - Nguồn ion tìch, mà chỉ xuất hiện dƣới dạng, vì khì trong thể quang điện tử từ catod. dụ phát xạ chất khì chỉ do va chạm với điện tử. - Ion hóa điện tử catod còn do tác động của K - Phát xạ ion dƣơng. quá trình γ bởi khi đi qua khoảng dx theo hƣớng Ox Mỗi điện tử Nếu n điện tử thí ion hóa nαdx. Do sẽ ion hóa αdx. tăng lên trong lớp dx là : đó số điện tử (1.39) Dn = αndx α không phụ thuộc vào x, thì : Từ đó, nếu α αdx 0 αx n = n e = n e (1.40) 1 1 n n điện tử đầu tiên thoát ra từ kim loại Ở đó n 1 - số xạ điện tử hay phát xạ quang điện (vì dụ, do phát có n 1 e αd. Nhƣ vậy, từ catod đến anod, n tử). Đến anod theo định luật (1.40). số điện tử tăng là thác lũ điện tử, ion dƣơng đƣợc và đƣợc gọi 0 x x+dx d x hóa chất khì bởi điện tử chuyển động thành lập do ion catod và đập lên bề mặt nó làm phát theo hƣớng về Hình 1.16 : Dòng thác lũ diện ion dƣơng làm phát xã γ điện tử mới xạ điện tử. Mỗi tử đi qua khoảng phóng điện Những điện tử mới này lại gây nên từ bề mặt catod. khí, những ion mới sinh ra lại ion hóa chất chuyển động về catod làm phát xạ những nhóm điện tử mới khác. Nhƣ vậy, nồng độ điện tử cứ tăng mãi. Hãy tình số tăng điện tử trong phóng điện có độ rộng d : Chu kì 1 Chu kì Chu kì 3 Catod Trong khí Anod 1 điện tử thoát ra từ catod (e αd - 1) ion sinh ra e αd điện tử đến e αd ion đến γ(e αd γ(e αd - 1) γ(e αd - 1)e αd điện tử ion sinh ra - 1) điện tử đi đến γ(e αd - 1) ion đến γ (e αd - 1) γ (e αd - 1) 3 γ (e αd - 1) e αd điện tử ion sinh ra điện tử đi đến

Nhƣ vậy, tổng số điện tử đến anod do một điện tử đầu tiên thoát ra từ catod là: e αd {1 + γ(e αd - 1) + γ (e αd - 1) +...} = e αd {1 + µ+ µ +...} = e αd /(1-µ) (1.41) µ = γ (e αd - 1) ở đó µ đƣợc gọi là hệ số tăng điện tử Nếu có n o điện tử thoát ra đầu tiên từ 1cm catod trong 1 sec dƣới tác động của nguồn ion hóa bên ngoài thì : αd na a e = = αd no io 1-(e -1) Từ đó mật độ dòng anod là : αd e (1.43) i a = i o αd 1-(e -1) Hệ số e αd αd 1-(e -1) đƣợc gọi là hệ số khuếch đại dòng trong phóng điện. Dòng tại một điểm bất kỳ giữa anod và catod là : (1.44) i = i i + i e = z i n i eu i - en e u e Ở đó u 1 và u e - vận tốc chuyển động hƣớng của ion và điện tử ; n i và n e - nồng độ ion và điện tử. Tỉ số giữa i i và i e biến đổi từ anod đến catod. Càng gần anod dòng điện tử i e càng lớn và dòng ion i i càng bé. Tuy nhiên dòng toàn phần i luôn luôn không đổi khắp tiết diện ống phóng điện. Điều kiện để chuyển từ phóng điện không tự lập sang phóng điện tự lập là i o = 0. Để i a là một đại lƣợng hữu hạn, cần thiết có điều kiện : 1 - γ(e αd - 1) = 0 (1.45) Hay γ(e αd - 1) = 1 Nói cách khác, điều kiện để chuyển từ phóng điện không tự lập sang phóng điện tự lập là hệ số tăng điện tử bằng 1. Trƣờng hợp không đồng nhất, điều kiện đó có dạng : (1.46) γ α αdx 0 e -1 = 1 Thế hiệu giữa hai điện cực cần thiết để thỏa mãn điều kiện (1.46) đƣợc gọi là thế mồi phóng điện tự lập. Lý thuyết Townsend cho phép xác định điều kiện phóng điện nhƣng không thể từ nó để tím mật độ dòng, phân bố thế trong khoảng phóng điện tự lập, ví khi thỏa mãn điều kiện (1.46) thí nồng độ n a, mật độ dòng i a theo biểu thức (1.4) và (1.43) sẽ tiến tới vô cực. 1.3.4. Vai trò điện tích không gian - lý thuyết bổ xung Rogowski: Rogowski đã bổ xung lý thuyết Townsend bằng con đƣờng tình ảnh hƣởng của trƣờng điện tìch không gian. Một cách định tình, có thể giải thìch cơ chế của sự chuyển từ phóng điện không tự lập sang phóng điện tựlập theo lý thuyết đó nhƣ sau. Ví thác lũ điện tử tăng từ catod đến anod, nên gần anod hạt tải điện sinh ra do ion hóa nhiều hơn. Điện tử có tình linh hoạt lớn, nên đi vào anod nhanh chóng, còn ion có độ linh động bé hơn, nên còn lại trong phóng điện. Điện trƣờng đều đầu tiên của phóng điện bị biến dạng bởi điện tìch không gian ion dƣơng (hính 1.17). Sau thác lũ điện tử thứ nhất, trƣờng bị biến dạng chƣa lớn (đƣờng ). Sau thác lũ thứ hai, biến dạng đó trở nên lớn hơn (đƣờng 3). Sau thác lũ thứ ba, lại càng lớn,... Cƣờng độ điện trƣờng gần catod tăng, còn ở phìa anod - yếu dần đi. Do đó ở ion hóa giảm, ngƣợc lại ở catod ion hóa tăng. Điện tìch ion lại chuyển đến gần catod. Quá trính đó tiếp tục đến khoảng cách nào? Hãy khảo sát đồng thời hai hàm số : (α/p) = f(e/p) và µ=f(e/p) V(x) 3 1 V a

44 s s 0 i=i Hình 1.18 : Sự phụ thuộc của α/p và theo E/p trong quá trình mồi phóng điện. (1.47) Giá trị µ theo (1.41) đƣợc xác định bởi đại lƣợng d 0 αdx = d d d 0 αdx α'dx + αdx = α'd' 0 d' Từ hính 1.18 thấy rằng : - Trên đoạn OS của đƣờng cong α/p = f(e/p) có tỉ số (α' / p) α' = α'd' (E'/ p) E' tăng Điều đó có nghĩa rằng, α tăng nhanh hơn d giảm. Từ (1.41) suy ra, µ tăng. - Trên đoạn SB : (α' / p) α' = α'd' (E'/ p) E' giảm Điều đó có nghĩa rằng, trong miền này α tăng chậm hơn d giảm. Nhƣ vậy µ tƣơng ứng giảm. Nếu phóng điện ở trạng thái tƣơng ứng với điểm A và A, ở đó µ = 1, điện tìch không gian ngẫu nhiên tăng lên một ìt và d tƣơng ứng giảm, thí d tăng, tức là µ tăng. Ở trạng thái cân bằng này, điện tìch không gian nhỏ, trƣờng trong phóng điện gần đồng nhất, là trạng thái ổn định. Từ đó suy ra rằng, nếu cƣờng độ đủ lớn để phóng điện đạt đến trạng thái A, ở đó thỏa mãn điều kiện Townsend (µ = 1) thí nó không dừng lại ở đó mà tiếp tục phát triển theo hƣớng tăng điện tìch không gian và dòng. Sự phát triển này rất mạnh, sau đó đạt đến trạng thái B, ở đây lại một lần nữa µ = 1, nhƣng trƣờng ở gần catod là lớn. Trạng thái cân 0

bằng này là ổn định, ví rằng, vì dụ, do thăng giáng trƣờng tăng, thí µ sẽ nhỏ thua 1, thác lũ sẽ yếu đi và do đó trƣờng sẽ giảm. Rõ ràng rằng, trạng thái trở về B chỉ do ngẫu nhiên trƣờng giảm. Nhƣ vậy, trạng thái cân bằng ổn định chỉ ở tại BB với trƣờng lớn và sụt thế catod lớn. Nhờ lý thuyết Rogowski mà ta dễ dàng hiểu đƣợc những đặc tình của phóng điện ẩn : sụt thế catod lớn, gradien thế trong cột dƣơng nhỏ 1.3.5. Định luật Pasen - mồi phóng điện : Thế mồi phóng điện tự lập Vm đƣợc xác định bởi điều kiện (1.46) hay (1.48) e αd (1 + (1/γ)) Đƣa (1.48) vào (1.37), điều kiện mỗi phóng điện có dạng : (1.49) ad = Apde -(Bpd/Vm) = ln (1 + (1/γ)) Hệ số γ nhƣ trên đã thấy phụ thuộc rất nhiều vào loại khì, vật liệu làm catod và đa số trƣờng hợp không phụ thuộc vào thế hiệu V. Thực tế có thể xem γ = const đối với hiệu thế giữa hai điện cực. Từ đó : (1.50) Ln (1 + (1/γ)) = const = M Và thế mồi phóng điện có dạng : B(pd) (1.51) Vm = ln(pd)-ln(m/a) Từ (1.51) suy ra rằng đối với một khì cho trƣớc, thế mồi phóng điện tự lập không phụ thuộc vào p và d riêng biệt, mà phụ thuộc vào tìch số (pd). Đó là định luật Pasen. Vm,volt 3.10 10 4 Điện cực Fe 4 không khí 3.10 H Ar 3 10 3 3.10 Ne Ne+0,1/Ar 10 0,3 1 3 10 30 100 300 1000 (pd),torr.cm Hình 1.19 : Đƣờng cong Pasen đối với phóng điện giữa hai điện cực phẳng (Fe) trong các khí khác nhau. Định luật Pasen là trƣờng hợp riêng của định luật đồng dạng phóng điện khì Lực dòng trong phóng điện đồng dạng nhau phải bằng nhau khi thế nhiệu trên khoảng phóng điện giống nhau. Hính (1.19) trính bày những đƣờng cong thực nghiệm Vm = f(pd) đối với các khì khác nhau trong khoảng phóng điện với điện cực phẳng bằng Fe. Từ hính vẽ thấy rằng, tất cả đƣờng cong Vm đều có cực tiểu và tọa độ của chúng đƣợc xác định bởi biểu thức : (1.5) (1.53) (pd) min =,7 ln 1+(1/γ) A (Vm) min =,7. (B / A). ln (1 + (1/γ))

Từ phƣơng trính (1.53) suy ra rằng : (Vm) min phụ thuộc vào loại khì (qua hằng số A và B), vào vật liệu catod (qua hệ số γ). Nhƣ vậy, thế mồi phóng điện càng thấp đối với khì có thể ion hóa Vi nhỏ mà catod có hệ số γ lớn. Hính 1.0 trính bày những đƣờng cong thực nghiệm Vm = f(pd) trong khì Ar với những catod bằng kim loại khác nhau. Từ hính vẽ thấy rằng, cặp khì - kim loại có (Vi - Ø) càng lớn thí thế mồi cực tiểu (Vm)min càng nhỏ (Ø - công thoát điện tử của kim loại). Thật vậy, từ chƣơng III (mục 36) ta sẽ thấy rằng hệ số γ tăng tỉ lệ với đại lƣợng (Vi - Ø). Vm,volt 3.10 10 3.10 10 3.10 H Ar Ne Ne+0,1/Ar 10 0,3 1 3 10 30 100 300 1000 (pd),torr.cm Hình 1.0 :Đƣờng cong Pasen trong khí Ar đối với catod bằng kim loại khác nhau giữa điện cực phẳng (Khì Ar có thể ion hóa Vi = 15,7eV ; các kim loại catod có công thoát điện tử Ø Fe = 4,77 ev.øpt = 5,3 ev, Ø Ba =,5 ev và Ø Na =,34 ev). 1.3.6. Đặc trƣng toàn phần của phóng điện trong khí : Sau khi mồi phóng điện, nhiều quá trính thành lập và tái hợp các hạt tải điện khác nhau xảy ra trong khoảng phóng điện rất phức tạp. Ví vậy chúng ta hãy phân tìch các dạng phóng điện khác nhau trên cơ sở đƣờng đặc trƣng thực nghiệm Vol - Ampère. Một phần tử bắt buộc phải có khi đóng mạch điện của một dụng cụ khì phóng điện bất kỳ là điện trở tải R (hính 1.1). Ý nghĩa của nó sẽ đƣợc giải thìch dƣới đây. K A Hình 1.1 : Sơ đồ đóng mạch của dụng cụ phóng điện khí. Ia V R E Bắt đầu từ không, chúng ta hãy tăng thế và xây dựng đƣờng đặc trƣng Volt - Ampère Ia = f(va) (hình 1.) Ia,A1 1 L -1 K

Phóng điện hồ quang Phóng điện hồ quang Phóng điện ẩn bất thƣờng Phóng điện ẩn bính thƣờng Phóng điện tự lập Miền chuyển tiếp Phóng điện Townsend Phóng điện không tự lập Hình 1. : Đƣờng đặc trƣng Volt- Ampere của phóng điện khí. a/ Đầu tiên chúng ta quan sát đoạn OA : dòng rất nhỏ và tăng khi thế tăng. Dòng đó sinh ra độ dẫn điện của khì. Nhƣ đã biết, một thể tìch khì ở điều kiện thƣờng luôn luôn có chứa một số điện tử và ion (1cm 3 khí quyển trên mặt biển, trung bính có gần 10 3 ion âm và dƣơng, đƣợc tạo nên bởi tia vũ trụ, tƣ tử ngoại và phóng xạ của môi trƣờng bao quanh). Khi tất cả các hạt tải điện tự do trên đều đạt đến các điện cực thí dòng sẽ bão hòa (đoạn AB). Trang 48 Treân ñoaïn OAB, phoùng ñieän khoâng thaáy ñöôïc (phoùng ñieän toái ) vì vaän toác kích thích nguyeân töû khí quùa beù.phoùng ñieän laø khoâng töï laäp, vì chuùng phuï thuoäc vaøo nguoàn goác böùc xaï beân ngoaøi. Noù laø nguyeân nhaân cô baûn cuûa hieän töôïng doø dieän töû caùc vaät theå mang ñieän, vaø thôøi kyø ñaàu cuûa raát nhieàu daïng phoùng ñieän khaùc. b/ Neáu tieáp tuïc taêng theá thì doøng laïi baét ñaàu taêng. Ñieàu ñoù xaûy ra do ion vaø ñieän töû ñöôïc gia toác, seõ gaây neân ion hoùa phaân töû khí. Söï khueách ñaïi doøng ñoù ñaõ ñöôïc duøng trong teá baøo quang ñieän chöùa khí vaø trong oáng ñeám Geiger-Muller.Tuy nhieân nguoàn ion hoùa töï nhieân beân ngoaøi vaãn coøn caàn thieát ñeå duy trì phoùng ñieän, neân noù laø phoùng ñieän khoâng töï laäp vaø ñöôïc goïi laø phoùng ñieän Townsend (ñoaïn BC). Söï chieáu saùng cuûa khí trong phoùng ñieän naøy cuõng coøn raát yeáu. c/khi theá ñaït ñeán ñieåm C, thì doøng taêng ñoät bieán, phoùng ñieän chieáu saùng r61t maïnh : theá Va ñaõ ñaït ñeán gía trò moài phoùng ñieän Vm.Söï ñaùnh thuûng ñieän xaûy ra do naêng löôïng vaø soá ion ñöôïc thaønh

laäp trong theå tích ñuû ñeå duy trì phoùng ñieän khí : phoùng ñieän töï laäp. Doøng trong mieàncde töông öùng vôùi ñieän trôû noäi aâm hay baèng khoâng, neân khoâng theå oån ñònh. Doøng chæ oån ñòng baét ñaàu töø ñieåm E, khí nhôø coù ñieän trôû taûi R, theá ñaàu oáng phoùng haï xuoáng ñeán gía trò töông öùng. d/ Treân ñoaïn EF, ñieän trôû noäi laïi baét ñaàu coù gía trò döông, neân phoùng ñieän trong mieàn naøy laø oån ñònh: phoùng ñieän aån bình thöôøng.maëc duø coù ñieän trôû noäi döông, nhöng giaù trò raát nhoû. THeá chaùy khoâng phuï thuoäc vaøo ñaïi löôïng doøng, vì phaàn beà maët catod tham gia vaøo phoùng ñieän tæ leä vôùi doøng: ñieåm E chæ moät phaàn catod chieáu saùng, coøn ñieåm F taát caû beà maët catod chieáu saùng.nhôø tính chaát naøy maø phoùng ñieän aån bình thöôøng (vôùi aùp suaát töø 5-40 torr) ñöôïc duøng roäng raõi ñeå laøm ñeøn oån aùp. Neáu tieáp tuïc taéng theá töø ñieåm F ñeán ñieåm G, thì ta coù mieàn phoùng ñieän aån baát thöôøng. Do söï oanh taïc cuûa ion maø catod bò ñoát noùng ( cuõng nhö catod bò phuùn xaï töùc laø böùc nhöõng nguyeân töû kim loaïi treân beà maët catod). Ñaëc tröng cô baûn cuûa mieàn naøy laø taêng suit theá phoùng ñieän thì doøng phoùng ñieän taêng. Taát caû mieàn CDEFG ñöôïc goïi laø mieàn phoùng ñieän töû laäp. c/ Taïi ñieåm G, catod bò ñoát noùng ñeán möùc coù theå phaùt xaï nhieät ñieän töû. Nhôø ñoù maø soá ñieän töû ban ñaàu ôû catod taêng raát lôùn vaø phoùng ñieän chuyeån sang daïng phoùng ñieän hoà quang(ñoan KL). Ñoaïn GK laø mieàn chuyeån tieáp,noù coù ñieän trôû noäi aâm, neân cuõng laø ñoaïn phoùng ñieän khoâng oån ñònh. Söï khaùc nhau cô baûn giöõa phoùng ñieän hoà quang vaø phoùng ñieän aån laø: -ÔÛ phoùng ñieän hoà quang, suït theá catod raát nhoû, do do hieäu öùng phaùt xaï ñieän töû catod: -Doøng phoùng ñieän raát lôùn vaø suït theá treân ñoaïn phoùng ñieän nhoû -Phoùng ñieän hoà quang coù theå toàn taïi ôû aùp suaát thaáp cuõng nhö ôû aùp suaát cao. Noùi chung ngöôøi ta phaân bieät ba loaïi phoùng ñieän hoà quang: 1-Phoùng ñieän hoà quang nhieät ñieän töû:, catod ñöôïc chính phoùng ñieän ñoát noùng ñeán nhieät ñoä phaùt xaï ( ñoaïn Kl). Ñieån hình cho phoùng xaï hoà quang nhieät ñieän töû laø hoà quang Petrov vôùi caùc ñieän cöïc thang ñöôïc ñoát noùng ôû aùp suaát khí quyeån, vaø hoà quang vôùi caùc ñieän cöïc kim loaïi khoù noùng chaûy ñöôïc ñoát noùng ôû aùp suaát thaáp -Hoà quang ñeøn chöùa khí:coù catod ñöôïc ñoát noùng töø nguoàn beân ngoaøi. Sauk hi thoùat khoûi catod, ñieän töû ñöôïc gia toác trong mieàn suït theá catod, nhaän ñöôïc naêg löôïng caàn thieát ñeå ion hoùa chaát khí vaø thaønh laäp plasma 3-Hoà quang phaùt xaï laïnh:coù catod baèng kim loaïi deã oùng chaûy, nhieät ñoä noùng chaûy cuûa noù thaáp thua raát nhieàu nhieät ñoä phaùt xaï nhieät ñieän töû ( ñoàng, baïc, thuûy ngaân ).Ñaëc tröng cuûa loaïi hoà quang naøy laø söï coù maët cuûa veát catod - noù laø nguoàn phaùt xaï laïnh ( phaùt xaï töï ñoäng) vôùi ñieän tröôøng khoaûng 106 v/cm.tröôøng ñoù sih ra do ñieän tích khoâg gian döôg raát lôùn ñònh söù taïi veát catod I.3.7.Ñieàu kieän phoùng ñieän oån ñònh: Khi chuyeån töø daïng phoùng ñieän naøy sang daïng phoùng ñieän khaùc,thì doøng Ia bieán ñoåi ñoät bieán. Doøng ñoù caàn ñöôïc haïn cheá baèng ñieän trôû ngoaøi R (hình 1.1). Roõ raøng raèng, toång soá suït theá phoùng ñieän V a vaø treân ñieän trôû taûi I a R phaûi baèng theá nguoàn nuoâi, töùc laø: =V a +I a R

Phöông trình (1.54) cho ta khaû naêng xaùc ñònh ñaïi löôïng suït theá treân phoùng ñieän neáu bieát doøng, nhöng khoâng theå bieát ñoù laø daïng phoùng ñieän naøo, vì töø hình (1.), ta thaáy noù laø moät haøm ña trò. Haõy khaøo saùt ñöôøng ñaëc tröng Volt- Ampere V=f(I)(hình 1.3). Ta coù theå veõ ñöôøng thaúng thoûa maõn phöông trình: V = - IR (1.55) Roõ raøng raèng, taïi nhöõng giao ñieåm giöõa ñöôøng thaúng (1.55) vôùi ñöôøng ñaëc tröng Volt-Ampere thoûa maõn ñaúng thöùc (1.54), nhöng trong thöïc teá chæ coù 1 ñieåm thoûa maõn ñieàu kieän phoùng ñieän oån ñònh : dv R + > 0 di Töø (1.54) vaø töø hình 1.3, ta coù: ( R= Va) Ia = tg (1.57) Coøn (dv/di) taïi giao ñieåm laø ñieän trôû noäi R i cuûa phoùng ñieän. Khi ñoù, ñieàu kieän phoùng ñieän oån ñònh (1.56) coù theå vieát döôùi daïng: R + R i > 0 (1.58) Nhö vaäy, phoùng ñieän seõ oån ñònh taïi ñoaïn ñaëc tröng Volt-Ampere naøo maø toång ñieän trôû ngoaøi vaø ñieän trôû noäi laø lôùn hôn khoâng. Töø ñoù suy ra raèng, ñieän trôû taûi R phaûi luoân luoân lôùn hôn ñieän trôû noäi treân ñoaïn ñaëc tröng Volt- Ampere caàn söû duïng 1.3.8 Nhöõng ñaëc tröng cuûa phoùng ñieän aån : Khaùc vôùi phoùng ñieän Townsed. Phoùng ñieän töï laäp ñöôïc phaân boá treân moät soá mieàn vôùi ñieàu kieän hoøan toaøn khaùc nhau. Söï khaùc nhau ñoù ñöôïc phaûn aùnh leâ tính chaát quang hoïc cuûa chuùng. Coù theå phaân bieät caùc mieàn khaùc nhau ñoù baèg cöôøng ñoä chieáu saùng hay thaønh phaàn phoå cuûa chuùng. Treân hình 1.4 trình baøy nhöõng mieàn ñaëc tröng cuûa phoùng ñieän aån (hình 1.4a) söï phaân boá theá( ñöôøng cong b) vaø ñieän tröôøng ( ñöôøng cong c), söï phaân boá maät ñoä ñieän tích khoâg gian(ñöôøng cong d)vaø söï phaân boá cöôøng ñoä chieáu saùng ( ñöôøg cong e). Noù goàm caùc mieàn sau ñaây:

a/ Mieàn phoùng ñieän tieáp can vôùi catod ñöôïc goïi laø mieàn catod. Mieàn catod coøn coù khoâng gian toái Aston (1), lôùp chieáu saùng catod thöù nhaát () vaø khoâng gian toái thöù hai (3): b/ Lôùp chieáu saùng thöù hai(4) vaø khoâng gian toái Faraday: c/coät döông phoùng ñieän (6) Neáu ñaàu tieân coät anod ôû vò trí A 1 roài taêng khoaûng caùch d giöõa anod vaø catod, thì chuùng ta thaáy xuaát hieän coät döông coù ñoä chieáu saùng ñoàng nhaát, trong luùc ñoù hình aûnh thöïc teá cuûa catod khoâng bieán ñoåi. Tieáp tuïc taêng khoaûng caùch d, thì chæ taêng ñoä daøi cuûa coät döông. Tuy nhieân neáu dòch chuyeån anod thì vò trí A 1 sang phía traùi, thì hình aûnh phoùng ñieän cuûa catod chæ bieán ñoåi khi anod ñaït ñeán ñieåm M. YIeáp tuïc giaûm khoaûng caùch d giöõa hai dieän cöïc thì theá phoùng ñieän taêng nhanh vaø sau ñoù coù theå taét Hình 1:4: Caáu taïo cuûa phoùng ñieän aån vaø catod laïnh(ví duï:oáng phoùng ñieän khí Ne vôùi p= 1 torr, doøng I a =10-4 a, V a =500 volt ) 1. Khoâng gian toái Aston

. Lôùp chieáu saùng catod thöù nhaát 3. Khoâng gian toái catod thöù hai 4. Lôùp chieáu saùng catod thöù hai 5. Khoâng gian toái Faraday 6. Coát döông Nhö vaäy chuùng ta coù theå khaúng ñònh raèng, phaàn quan troïng nhaát cho söï toàn taïi cuûa phoùng ñeän aån laø mieàn catod, ôû ñoù taäp trung haàu heát ñieän theá cuûa khoaûng phoùng ñieän.suït theá catod V c trong phoùng ñieän aån khaù lôùn vaø ñöôïc taïo neân bôûi ion döông (xem lyù thuyeát boå xung Rogowski). Nhöõng ion döông naøy phaûi ñöôïc gia toác ñeán naêng löôïng caàn thieát ñeå ñaûm baûo ñaïi löôïng phaùt xaï ñieän töû ion thoûa maõn ñieàu kieän moài phoùng ñieän (I.46) Mieàn catod: Ñieän töû phaùt xaï töø catod vôùi vaän toác ban ñaàu nhoû. Chuùng thaønh laäp gaàn beá maët catod moät lôùp ñieän tích khoâng gian aâm(ñöôøng cong d) Thaønh phaàn chuû yeáu cuûa doøng trong mieàn naøy laø ion döông. Vì vaäy, ñieän tích khoâng gian ñoåi daàu ôû vò trí gaàn catod vaø sau ñoù laø ñieän tích khoâng gian döông keùo daøi ñeán mieàn catod. Ñieän tích khoâng gian döông dñoù ñaõ taïo neân gradient theá khaù lôùn ( ñöôøng cong c). Vì vaäy ñieän töû töø khoâng gian toái Aston ñöôïc gia toác maïnh. LO&1p chieáu saùng catod thöù nhaát ()xuaát hieän ôû vò trí, khi ñieän töû nhaän ñöôïc naêng löôïng ñuû kích thích nguyeân töû khí. Nhöõng ñieän töû chöa bò va chaïm treân ñoaïn ñöôøng naøy ( khi ñoù naêng löôïng cuûa chuùng töông öùng vôùi gía trò cöïc ñaïi cuûa haøm kích thích ) vaãn tieáp tuïc chuyeån ñoäng nhöng xaùc xuaát kích thích nguyeân töû raát beù, vì luùc naøy haøm kích thích ñaõ giaûm nhanh. Tuy nhieân xaùc suaát ion hoùa bay giôø laïi lôùn vaø trong khoâng gian toái catod thöù hai (3) ñieän töû va chaïm ion hoùa chaát khí laø chuû yeáu. Thaùc luõ ñieän töû ñöôïc thaønh laäp. Ñeán bieân cuoái cuûa khoâng gian toái catod thöù hai ( taïi dieåm M), thaønh phaàn chuû yeáu cuûa doøng laø ñieän töû. Maëc duø vaän toác trung bình cuûa ñieän töû ôû ñaây lôùn, nhöng noàng ñoä cuûa chuùng ñuû laøm giaûm nhanh ñieän tích khoâng gian döông ( ñöôøng cong d) Theá hieäu trong mieàn catod coù ñoä daøi dc ñöôïc goïi laø suït theá catod V c.noù töông öùng vôøi theá moài phoùng ñieän cöïc tieåu Vmin (V c luoân luoân nhoû hôn Vmin moät ít). Neáu tröôùc khi moài phoùng ñieän, tích soá (pd) ôû veá phaûi cuû ñöôøng cong Pasen, thì sau khi moài phoùng ñieän phaàn lôùn theá hieäu taâp trung vaøo mieàn catod. Dñoä daøi dc nhoû thua ñoä daøi oâng phoùng ñieän phaàn lôùn theá ñieän taäp trung vaøo mieàn catod. Ñoä daøi dc nhoû thua ñoä daøi oáng phoùng ñieän d. Ñieàu ñoù coù nghóa raèng phoùng ñieän ñaõ töï thieát laäp moät anod hieäu duïng treân khoaûng caùch dc keå töø catod. Luùc naøy pd c (pd) min. Nhö vaäy, caáu hình phoùng ĐIỆn toái öu ñöôïc taïo neân ñeå duy trì doøng ion hoùa trong mieàn catod vôùi theá hieäu cöïc tieåu coù theå coù. Töø ñoù roõ raøng, dc phaûi tyû leä nghòch vôùi aùp suaát p: ñeå luoân luoân baûo ñaûm pd c coù giaù trò toái öu Do vaäy, phoùng ñieä aån vôùi pd >pd c, thì coù daïng phoå bieán nhö hình 1.4 Vôùi pd = pd c, thì mieàn catod chieám ñaày caû khoûa ng phoùng ñieän Vôùi pd < pd c, thì theá hieäu treân hai ñieän cöïc phaûi taêng, töông öùng vôùi nhaùnh traùi cuû ñöôøng cong Pasen Lôùp chieáu saùng catod thöù hai vaø khoâng gian toái Faraday: Treân bieân cuoái cuûa khoâng gian toái catdo thöù hai, maät ñoä ñieän töû taêng ñeán gía trò ñuû ñeå duy trì doøng toaøn phaàn vaø baét ñaàu thaønh laäp ñieän tích khoâng gian aâm. Gradien theá hieäu daàn ñeán gía trò aâm vaø ñaït tôùi cöïc ñaïi aâm taïi ñieåm ñieän tích khoâng gian ñoåi daáu. Do ñoù, ñieån töû khi ra khoûi khoâng gian toái catod thöù hai khoâng coøn ñöôïc tieáp tuïc gia toác nöõa. Naêng löôïng cuûa chuùng bò tieâu hao chuû yeáu do kích thích vaø ion hoùa töø ñoù thaønh laäp lôùp chieáu saùng catod thöù hai (4). Ñieän töû caøng bò haõm thì ñieän tích

khoâng gian aâm caøng daàn ñeán cöïc ñaïi vaø naêng löôïng cuûa chuùng khoâng coøn ñuû khaû naêng ñeå kích thích vaø ion hoùa. Töø ñoù, khoâng gian toái Faraday (5) ñöôïc thaønh laäp. Maät ñoä dieän töû trong khoâng gian toái Faraday bij giaûm do taùi hôïp vaø khueách taùn cho ñeán khi ñieän tích khoâng gian baèng khoâng. Khi ñoù, cöôøng ñoä ñieän tröôøng E coù giaù trò khoâng ñoåi vaø coät döông phoùng ñieän (6) baét dtöø vò trí aáy Phoùng ñieän khoù (Theo tieáng Ñöùc : Behin derte Entladung ) Nhö treân ñaõ noùi muoán duy trì phoùng ñieän töï laäp khi (pd) < (pd c ) thì Va giöõa hai ñieän cöïc phaûi taêng (hìng 1.5), vì trong tröôøng hôïp naøy ñieän töû thöù nhaát khoâng theå thaønh laäp ñuû soá ion do ion hoùa chaát khí trong theå tích. Caàn thieát phaûi taêng tröôøng ñeå taêng heä soá. Ñoù laø daïng phoùng ñieän khoù HIeäu öùng phoùng ñieän ñöôøng voøng xuaát hieän cuõng do nguyeâ nhaân töông töï. Vôùi (pd) nhoû ñeán möùc c > d, phoùng ñieän seõ dieãn ra theo ñöôøng voøng. Vì chæ coù nhö vaäy, ñieän töû môùi coù ñuû soá va chaïm ion hoùa caàn thieát ñeå duy trì phoùng ñieän khi chuyeån ñoäng töø catod ñeán anod ( hình 1.6) Hieäu öùng phoùng ñieän ñöôøng voøng treân ñöôïc duøng, ví duï trong thieát bò phaûn xaï catod kim loaïi. Ion oanh taïc leân catod laøm phuùn xaï nguyeân töû kim loaïi töø noù. Nhôø coù ñoäng naêng ban ñaàu, chuùng seõ laéng ñoäng treân baûn ñaët döôùi catod ( ví duï baûn phaúng ñieän moâi) (hình 1.7). Löôïng phuùn xaï catod tæ leä vôùi doøng phoùng ñieän vaø suït theá catod( xem cuï theå ôø muïc 3.7) Hình 1.5. Söï phuï thuoäc cuûa suït theá catod Vo theo khoaûng caùch (pd) vôùi caùc giaù trò maät ñoä doøng töông ñoái (j/p ) trong phoùng ñieän khoù, coù catod laïnh baèng Fe

Thieát bò duøng ñeå quan saùt hieäu öùng phoùng ñieän voøng Hình 1.6 ñöôøng phoùng ñieän vôùi e >d döôøng phoùnh ñieän vôùi e <d e Khoaûng ñöôøng töï do trung bình cuûa ñieän töû

Hình 1.7 : Thieát bò duøng ñeå phuùn xaï catod 1.Phoùng ñieän khoù.lôùp kim loaïi 3.Baûn caùch ñieän 4.OÁng noái heä chaân khoâng 5.Nguyeân töû kim loaïi 6.Ion khí

CHÖÔNG : CHEÁ ÑOÄ CHAÛY CUÛA KHÍ Trong chöông naøy chuùng ta seõ khaûo saùt söï chaûy cuûa khí qua loã maøn chaùn vaø oáng daãn chaân khoâng nhö moät haøm cuûa hieäu aùp suaát. Ñieàu ñoù dace bieät quan troïng khi tính söï phaân boá aùp suaát trong heä chaân khoâng, ôû cheá ñoä ñoäng vôùi aùp suaát töøng vuøng khoâng xaùc ñònh KHi khoaûng ñöôøng töï do trung bình cuûa phaân töû baét ñaàu lôùn hôn kích thöôùc cuûa loå maøn chaén hay cuûa oáng daãn, th9ì cheá ñoäc chaûy bieán ñoåi ( xem 1.8) Chuyeån töø cheá ñoä nhôùt sang cheá ñoä phaân töû laø quaù trình daàn daàn.1 DOØNG KHOÁI LÖÔÏNG VAØ ÑOÄ DAÃN Doøng khí Q qua beà maët seõ baèng vaän toác theå tích chaûy nhaân vôùi aùp suaát Q= p (dv/dt) Nhö ñaõ noùi ôû (1.1) pv laø naêng löôïng cuûa khí. Cho neân Q xaùc ñònh doøng naêng löôïng hay coâng suaát cuûa khí. Nhöng trong tröôøng hôïp naøy, chuùng ta caàn bieát doøng khoái löôïng, töùc laø soá phaân töû ñi qua beà maët töông öùng cuûa Q. Vì raèng, p=nkt, neân doøng khoái löôïng baèng : N(dV/dt)=Q(KT) -1 (.1a) Thöù ngöyeân cuûa Q torr. 1/sec. Thoâng thöôøng ngöôøi ta duøng Q nhieàu hôn laø (Q/KT). Vì ña soá tính toaùn ñeàu laáy theo hieät ñoä phoøng Ñoä daãn C cuûa oáng daãn chaân khoâng noái lieàn vôùi hai heä chaân khoâng ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc : C= (Q/ p) Ñaïi löôïng nghòch ñaûo cuûa ñoä daãn ñöôïc goïi laø trôû khaùng. Ñoä daõn laø moät ñaëc tröng cô baûn cuûa oáng daãn hay loã maøn chaén, vì vaäy trong chöông naøy ta seõ tính toaùn cuï theå. ÔÛ ñaây coù söï töông töï giöõa doøng khí vaø doøng ñieän : C- töông öùng vôùi ñoä daãn ñieän, coøn p- töông öùng vôùi hieäu soá ñieän theá. Cuõng nhu6 trong maïch ñieän, chuùng ta coù theå öùng duïng ñònh luaät noái maïch song song vaø noái tieáp cho oáng daãn chaân khoâng:

C = C1 +C ñoái vôùi noái song song (.3) (1/C) = (1/C1) +(1/C) ñoái vôùi noái noái tieáp (.4). SÖÏ CHAÛY CUÛA KHÍ DOÏC THEO OÁNG DAÃN..1 Cheá ñoä nhôùt TRong cheá ñoä naøy, soá va chaïm giöõa phaân töû vôùi nhau raát lôùn so vôùi va chaïm giöõa phaân töû vôùi thaønh bình. Do va chaïm, phaân töû hoaøn toaøn maát heát vaän toác ñònh höôùng cuûa mình vaø chuùng chuyeån ñoäng doïc theo tieát dieän ngang vôùi oáng daãn vôùi vaän toác khaùc nhau Giaû söû oáng daãn coù ñoä daøi l vaø baùn kính R. Haõy tính doøng chaûy khí qua oáng döôùi taùc ñoäng cuûa hieäu aùp suaát (p 1 -p ), ôû ñoù p 1 p Haõy xeùt moät nguyeân toá khí hình truï bao quanh ñöôøng truïc (hình.1) Khi cheá ñoä chaûy cuûa khí ôû traïng thaùi caân baèng, thì löïc taùc duïng leân nguy6en toá hình truï ñoù cuõng ôû traïng thaùi caân baèng. Nhöõng löïc ñoù chia laøm hai daïng : -Löïc chuyeån ñoäng sinh ra do hieäu aùp suaát (p 1 -p ) treân tieát dieän ngang cuûa nguyeân toá f 1 =(p 1 -p ) r - Löïc haõm sih ra do ma saùt noäi : f= - r l (du/dr) ôû ñoù rl beà maët bap quanh nguyeân toá hình truï ; u- vaän toác chuyeån khí Khi traïng thaùi caân baèng ñöôïc thaønh laäp thì f 1 =f. Cho neân : (p 1 p )pr = - r l (du/dr), hay (p 1 p )r = - l (du/dr) Sau khi tích phaân ta coù: (p1 p) r / = - lu +C Töø ñieàu kieän : khi r=r thì u= 0, ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc C. TÖØ ñoù: u= ( p 1 p )( R 4 l Nhö vaäy söï bieán ñoåi cuûa vaän toác doïc theo baùn kính thoaû maõn ñònh luaät parabol(hình.) Theå tích V 1 cuûa khí chaûy doïc theo oáng daãn trong moät ñôn vò thôøi gian baèng : R 4 pr V1 = u rdr = (p 1 -p ) (.6) 8 l 0 Töø (.1), ta nhaän ñi7ôïc doønh khí chaûy qua oáng daãn : r )

4 R Q= 8 l p (p 1 -p ) (.7) ÔÛ ñoù p- aùp suaát trung bình trong oáng daãn Töø (.) ta coù ñoä daõn chaân khoâng C: Nhö vaäy ñoä daõn khoâng nhöõng phuï thuoäc vaøo kích thöôùc hình hòc cuûa oáng daãn vaø ñoä nhôùt cuûa khí, maø coøn phu thuoäc vaøo aùp suaát trung bình p trong oáng daãn Treân baûng.1, trình baøy giaù trò ñoä nhôùt cuûa moät vaøi khí ôû 0 0 C vaø giaù trò ñoä daõn cuûa chuùng so vôùi khí N Trên bảng.1, trính bày giá trị độ nhớt của một vài khì ở 0 0 C và giá trị độ dãn của chúng so với khí N C = 4 R 8 l p

N O Không khí H He Khí η C khí /C N Khí η C khí /C N 175 1 Ar 0,79 03 0,86 CO 147 1, 18 0.96 Hg 94 1,9 88 35 0,75 196 0,89 Bảng.1 Độ nhớt η ở 0 0 C và độ dẫn tƣơng đối của một vài khì. Đối với N ở 0 0 C, D=R, l theo cm, và p theo torr thì: Trang 59 C 4 188 D p (.9) l (1/sec)...Chế độ phân tử: Trong chế độ này thực tế phân tử không va chạm với nhau,giữa chúng không trao đổi năng lƣợng cho nhau,do đó khái niệm về độ nhớt mất hết ý nghĩa. Với kìch thƣớc phân tử thành bính là gồ ghề.cho nên khi va chạm với thành bính phân tử có thể phản xạ theo các hƣớng. Dƣới tác động của hiệu suất ở hai đầu ống dẫn,khì chuyển động theo hƣớng đến nơi có nồng độ thấp. Những lực cân bằng là: Lực chuyển động đối với toàn tiết diện hính trụ : f 1 =(P 1 -P )*πr Lực hãm bằng động lƣợng của tất cả các hạt đập lên thành bính trong một đơn vị thời gian: f = A*n t *m*u n t :số phân tử va chạm với thành bính trong một đơn vị thời gian trên một diện tìch đơn vị của nó. A:diện tìch bề mặt thành bình u:vận tốc dịch chuyển của khì dọc theo ống dẫn. Đặt n t bằng : n t =(1/4)*n*v

Thì : f =( *R/)*l*m*n* v *u Khi trạng thái cân bằng đƣợc thiết lập thí : f 1 =f từ đó: (p 1 -p )*π*r = ( *R/)*l*m*n* v *u Do đó: u = * R l * m* n* v *(p 1-p ) Hay: R*( p1 p) * R* T u = * p* l * M Thể tìch v 1 của khì chảy dọc theo ống dẫn trong một đơn vị thời gian bằng: (.11) V 1 = π*r *u = 3 * *( 1 ) * * R p p R T * p* l * M Chúng ta đang giả thuyết rằng tất cả các phân tử đều va chạm vuông góc với thành bính,nhƣng trong thực tế không nhƣ thế nên ta phải hiệu chỉnh tat hay π bằng 8/3. (.1) V 1 = 3 8 ( 1 ) R p p RT 3pl M (.13) Q = 3 8 ( 1 ) R p p RT 3l M Và (.14) C = 3 8R RT 3l M Với N ở 93 0 K : Còn (.15) C = 1,3 D l 3 (1/sec) với D=R..3.Chế độ nhớt-phân tử: Trong miền áp suất trung bính (λ R),sự chảy của khì chịu ảnh hƣởng của cả nội ma sát và cả sự truyền phân tử.chế độ chuyển tiếp đó đƣợc gọi là chế độ nhớt - phân tử.trong chế độ này không có khả

năng nhận đƣợc nghiệm chình xác của bài toán về sự chảy của khì dọc theo ống dẫn.ví vậy trong thực tế ngƣời ta dung dạng thực nghiệm do Knudsen thiết lập: (.16) C mt = C m b + C t Ở đó C t và C m là độ dẫn ở chế độ nhớt và chế độ phân tử.b hàm phụ thuộc vào đƣờng kình ống dẫn D và quãng đƣờng tự do trung bính λ (.17) b = 1,5( D / ) 1 3,1( D / ) Khi (D/λ) lớn b 0,8 (biên của chế độ nhớt) thí số hạng phân tử trong (.16) có thể bỏ qua so với số hạng nhớt nhớt.khi (D/λ) nhỏ,b 1 thí độ dẫn nhớt - phân tử C mt đƣợc xác định bằng số hạng phân tử. Hính 4.3.Sự phụ thuộc của độ dẫn chân không hính trụ có đƣờng kình khác nhau (l = 100 ) theo áp suất với 3 chế độ chảy của khì : Từ chuẩn Knudsen Kn (xem chƣơng IV) có thể thành lập dạng xác định của chế độ chảy khác nhau: Chế độ nhớt : Kn 100 hay p (1/D) (đối với không khì ở 0 0 C ) Chế độ nhớt phân tử : 1 Kn 100 hay (1/D) p (1/00D) Chế độ phân tử : Kn 1 hay p (1/00D) I - nhớt ; II - nhớt phân tử ; III phân tử.

Biểu thức (.16) có thể viết dƣới dạng thuận lợi hơn : (.18) C mt =C m (b+ C t C ) m Đƣa (.9) (.15) và (1.9d) vào hệ thức (C t /C m ) trong (.18) ta nhận đƣợc độ dẫn C mt của không khì ở nhiệt độ phòng: (.19) C mt = C m (b + 0.147 ) Dạng (.19) đúng cho ống dẫn hính trụ dài cả 3 chế độ chảy của khì. Đặc trƣng của (.19) trong khoảng áp suất rộng đƣợc trính bày trong hính 4.3..3.SỰ CHẢY CỦA KHÍ QUA LỖ MÀN CHẮN: Lỗ màn chắn đƣợc hiểu là ống dẫn có độ dài l rất nhỏ so với đƣờng kình D.3.1.Chế độ nhớt : ( 0.01D) và đƣợc đặt trên tƣờng ngăn cách vùng riêng biệt và giả thuyết rằng các vùng đó có thể tìch rất lớn ( hính 4.4a ) a) b) a) nối hai thể tích rất lớn b) lỗ nối thể tích rất lớn với thể tích giới hạn Hính 4.4: các dạng lỗ màn chắn. Trong chế độ nhớt,khi khì chảy đoạn nhiệt, định luật bảo toàn năng lƣợng có thể biểu diễn bằng sự biến đổi động năng và biến đổi entanpi của nó : G = G(I 1-I )

Ở đó G dòng khí ; vận tốc khì ở lối ra của lỗ ;I 1 và I entanpi của khì trƣớc và sau khi Dùng biểu thức I =C β T, thí phƣơng trính bảo toàn năng lƣợng có dạng : chảy qua lỗ. (.0) Dùng pv = (RT/M) ; (R/M) = C p C v T (1 ) CpT1 T1 = (C p /C v ) và (v 1 /v ) = (p /p 1 ) (1/γ) Ở đó V - thể tìch riêng, để biến đổi (.0): pv 1 1 1 1 p p 1 ( 1)/ Dòng khí qua lỗ (gr/sec) với vận tốc : (.1) G A V p A V 1 (1/ ) ( 1)/ r 1 r ; r = (p /p 1 ) 1 Ở đó A - diện tìch bề mặt lỗ RT1 Từ phƣơng trính trạng thái khì suy ra : V 1 = Mp Khi đó (.1) có thể viết : 1 (.) G Ap 1 M RT 1 Nếu dùng đơn vị (torr.sec -1 )thí biểu thức (.) có dạng : (.a) Q GRT M Ap RT M 1 1 1 Ở chế độ nhớt,khi giảm áp suất p (r = (p /p 1 ) 1) thí lƣợng khì chảy qua lỗ và vận tốc của nó trong miêng p sẽ tăng cho đến khi (p /p 1 ) đạt đến giá trị tới hạn,tƣơng ứng với vận tốc âm.nếu quá trính chảy là đoạn nhiệt,thí giá trị tới hạn đó bằng : (.3) r k ( 1) 1

Đối với không khì và khì nguyên tử γ=1,4 ví vậy r k =0,58; đối với khì một nguyên tử γ = 1,67 thì r k = 0,437 ; đối với khì 3 nguyên tử γ = 1,3 thí r k = 0.546. Sự giảm áp suất tiếp theo sẽ không ảnh hƣởng tới lƣợng khì chảy qua lỗ.trong miền áp suất r = (p /p 1 ) > r k độ dẫn đƣợc xác định : (.4) C ot Q A RT ( p p ) 1 r M 1 1 Đối với không khì và khì nguyên tử γ = 1,4 ta có : (.5) T Cot 4,1r 1 r M 0,7 1 0,3 A 1 r Dùng đồ thị của hàm : Fr () r (1 r ) 0,7 0,3 1 r Hính 4.5 giúp ta thuận lợi cho việc tình toán độ dẫn của lỗ trong chế độ nhớt. Đối với không khì ở nhiệt độ phòng (M=9,T = 93 0 k): C 76,6r 1 r ot 0,7 0,3 A 1 r (.6a) với 1 r 0,5 (.6b) C ot A 0 1 r với 0,5 > r 0,1 (.6c) C ot = 0A ; với 0,1 > r > 0 (Đơn vị là sec -1 cm - ) Từ (.6c)suy ra rằng với r nhỏ độ dẫn C ot không phụ thuộc vào p 1 và p.

Trong tình toán thiết kế với hệ số dự trữ lớn,trong gần đúng bậc nhất C ot =0A không phụ thuộc vào r.khi đó với lỗ tròn : C ot =16D Trong hệ chân không thƣờng làm việc ở chế độ dừng r 0,8. Điều đó tƣơng ứng với C ot =83A lớn hơn khoảng 4 lần so với tình toán thiết kế..3..chế độ phân tử : Dòng khì chảy qua lỗ theo hƣớng ngƣợc nhau sẽ không bằng nhau. Từ phƣơng trính (.1) và (1.7) suy ra rằng dòng khì chảy theo một hƣớng bằng : Q p ( dv / dt) KT ( dn / dt) KT (1/ 4 nva) p A i i i RT M Dòng khì tổng cộng bằng: (.7) Q ( p p ) A 1 RT M Từ (.): Com A RT M Hay : (.8) T Com 3,64A M Ở đó A tình theo cm Nhƣ vậy độ dẫn trong chế độ phân tử chỉ phụ thuộc vào kìch thƣớc hính học của ống dẫn hay lỗ màn chắn,nhiệt độ và loại khì chứ không phụ thuộc vào áp suất nhƣ trong chế độ nhớt. Đối với không khì ở nhiệt độ phòng (.9) C om =11,6A Nếu màn chắn là lỗ tròn D tính theo cm C om =9,1D.3..Chế độ nhớt phân tử :

Tƣơng tự (.16) độ dẫn lỗ màn chắn trong trƣờng hợp này thoả dạng KnudenL: C omt =b C omt + C ot Đối với không khì ở nhiệt độ phòng : C omt Cot 11,6 A( b ) C om (.30) b hàm phụ thuộc vào D va λ theo (.17) Bây giờ hãy khảo sát độ dẫn của lỗ trên tƣờng có kìch thƣớc hữu hạn. Từ định luật thứ của nhiệt động lực học, ống dẫn với lỗ trong trƣờng hợp này phải có độ dẫn giống nhau khi khì chảy theo hai hƣớng : 1 1 1 C C C A A A A 1 1 (.31) Trong đó A1 C A C độ dẫn của lỗ với diện tìch A1 và A từ phìa thể tìch vô hạn tƣơng ứng ; CAA 1 độ dẫn có lỗ điện tìch A1 từ phìa ống dẫn C C A1 A1 A1 A Chú ý : (.3) C AA 1 CA 1 A 1 A 1 Khi đó nghiệm.31 có dạng : CHƢƠNG III NHỮNG QUÁ TRÌNH TRÊN BỀ MẶT CHẤT RẮN ~ ~

Trong chƣơng này chúng ta sẽ khảo sát ảnh hƣởng của thành bính và các bề mặt khác lên thành phần của khì còn lại trong hệ chân không. Áp suất càng thấp thí ảnh hƣởng đó càng đóng vai trò quan trọng.thực tế no xác định áp suất và thành phần khì còn lại.thƣờng khì bị hấp thụ trên tất cả các bề mặt, sau đó nó có thể giải hấp. Để thực hiện điều đó cần cung cấp một năng lƣợng cần thiết bằng nhiệt hay bằng sự bắn phá của các hạt, hay của photon.một nguồn nhả khì khác là khì hòa tan trong vật thể rắn.những khì này khuếch tán đến bề mặt.khì từ bên ngoài cũng có thể khuếch tán xuyên qua thành bính để vào hệ chân không. Đầu tiên ta hãy khảo sát độ thấm khì và sự khuếch tán, sau đó sẽ khảo sát sự hấp thụ và giải hấp từ bề mặt kể cả sự bay hơi.cuối cùng chúng ta sẽ khảo sát sự tƣơng tác của ion trên bề mặt. 3.1. Độ thấm khì : Khi nồng độ hòa tan của khì trong thể rắn nhỏ thƣờng chúng thoả mãn định luật Fick : c = s o p n (3.1) Trong đó c nồng độ ; s o độ hòa tan ; p áp suất khì trên mặt, còn n=1 (đối với thể rắn không phải kim loại ). Khi hoà tan trong kim loại phân tử hai nguyên tử sẽ bị phân ly.từ định luật tác động khối lƣợng suy ra rằng,trong trƣờng hợp này nồng độ tỉ lệ với hay n=0,5.nồng độ đƣợc đo theo torr, N/m hay atmosphere. Đó là lƣợng khì theo torr.cm 3, N.m,hay atmosphere.cm 3 ở 93 o K tức là theo đơn vị PV ở điều kiện bính thƣờng đƣợc hòa tan trong 1 cm 3 của vật chất. Độ hòa tan s o là lƣợng khì ( cm 3 ) hòa tan trong 1 cm 3 của vật chất. Độ hòa tan s 0 là lƣợng khì ( cm 3 ) hòa tan trong 1 cm 3 vật chất ở nhiệt độ và áp suất bính thƣờng (93 o K 1atm).Khi n=1 thì s o không thứ nguyên.khi n=0,5 thí s o có thứ nguyên (atm) 1/.Nếu khì hoà tan trong thể rắn có tồn tại gradient áp suất thí trong điều kiện dừng sự khuếch tán của khì sẽ thoả mãn định luật khuếch tán thứ nhất của Fick Q= D(dc/dx) (3.) Trong đó Q dòng khì đi qua một đơn vị diện tìch trong một đơn vị thời gian, còn D hệ số khuếch tán cm/sec.dấu trừ có nghĩa rằng hƣớng của dòng khì ngƣợc với hƣớng của gradient nồng độ. Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức : D = D o exp(-e/rt) (3.3)

E năng lƣợng kìch hoạt của sự khuếch tán thƣờng tình theo Kcal/mol ; R hằng số khì ; D o hệ số tỉ lệ. Sự thấm khì ở trạng thái cân bằng hay không cân bằng vào thể rắn đƣợc gây nên bởi sự hoà tan và sự khuếch tán.quá trính đó có thể khảo sát trên cơ sở phƣơng trính (3.). Hãy xét một đơn vị tiết diện ngang bên trong bản phẳng có diện tìch rất lớn và có độ dày d. Áp suất hai phìa bản phẳng là p 1 và p Bảng 3.1: Độ thấm khì của các vật thể khác nhau. Vật thể Thủy tinh Độ thấm khì He,H,D,O,Ne, Ar thấm qua SiO khá mạnh.vận tốc khuếch tán của khì tỉ lệ thuận với p. Kim loại Khì trơ không thấm qua kim loại,khuếch tán lớn nhất là H, đặc biệt khuếch tán vào Pd. O thấm qua Ag. H thấm qua Fe khi bị ăn mòn,khi điện phân,.v.v vận tốc của quá trính tỉ lệ với Bán dẫn H và He thấm qua Ge và Si. Sự thấm khì của Ne và Ar là đặc biệt nhỏ. Vận tốc thấm khì của H tỉ lệ với Polyme Tất cả các khì dễ dàng thấm qua tất cả polymer Vận tôc thấm khì của nƣớc tƣơng đối lớn Vận tốc thấm khì của tất cả các khì tỉ lệ với p Trên bảng 3.1 trính bày những tình chất về độ thấm khì của các thể rán khác nhau. Từ (3.1) suy ra rằng nồng độ trên bề mặt sẽ bằng c 1 =s o p n 1 và c =s o p n từ (3.)suy ra rằng : (3.4) d Q dx 0 c c D dc 1 Q Ds o p p v à n n 1 (3.5) d Trang 68

Trang 69 = 1 đối với vật thể không phải kim loại,và n = ½ đối với phân Ở đó n nguyên tử trong kim loại.hằng số thấm khì K =Ds o thƣờng tử diễn lƣợng khì trong 1cm 3 (ở điều kiện biễu thƣờng) khuếch tán 1cm của tiết diện ngang bản phẳng có độ dày 1cm trong 1 séc với hiệu áp suất bằng 1 atmosphere. Trong đa số trƣờng hợp,sự cân bằng nói chung không đạt đƣợc,hay chỉ đạt đƣợc sau một thời gian rất dài,do hệ số D nhỏ. Ví vậy cần thiết khảo sát trạng thái của hệ tại mỗi thời điểm. Định luật thứ hai của Fick khẳng định rằng : (3.6) C c D x t Chúng ta hãy khảo sát một vài trƣờng hợp điển hính, có liên quan đến kỹ thuật chân không. Đầu tiên chúng ta hãy khảo sát sự thấm khì trong trƣờng hợp biễu diễn theo phƣơng trính (3.5).Tại thời điểm t = 0,một phìa của bản phẳng có áp suất không đổi P 1 tƣơng ứng với nồng độ c 1 trên mặt phẳng đó,còn phìa khác của bản phẳng là chân không.từ đó ta có thể giải phƣơng trính (3.6) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên sau đây: c = 0 ; 0 = x = d ; t = 0 c = 0 ; x = 0 ; t > 0 c = c 1 ; x = d ; t > 0 nghiệm của phƣơng trính có dạng : c x c ( 1) n x n Dt 3.7) d n d d n 1 1 (, ) sin exp c x t 1

Vận tốc tức thời của sự thấm khì đạt tại thời điểm t bằng : Q D c x x 0 Dc1 c1d n n ( 1) exp d d d 1 Dt (3.8) Lƣợng khì thấm vào hệ bằng : Q 0 t D c x 0 x 0 dt n c Dt c d c d ( 1) n exp d n d 1 1 1 6 1 DT (3.9) Ví rằng : 1 ( 1) n n 1 Khi t lớn biểu thức đó có dạng : Q 0 cd 1 d t d 6D (3.10) Nếu xây dựng đƣờng cong phụ thuộc giữa Q 0 và t (hính 3.1) thí ta có thể tím đuợc sự trễ thời gian L = (d /6D) và tình đƣợc D.

Hình 3.1:-sự phụ thuộc của lƣợng khì thấm qua thành bính phẳng vào hệ chân không theo thời gian.ap suất bên ngoài không đổi;ap suầt ban đầu trong chân không có thể bỏ qua. Trên hính 3. trính bày sự phụ thuộc của hằng số thấm khì vào nhiệt độ ở những kim loại và khì khác nhau. Trên bảng 3. trính bày độ thấm khì của một vài loại cao su đệm chân không. Độ thấm khì tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng,do hệ số khuếch tán (phƣơng trính (3.3)) có số hạng luỹ thừa. Bảng 3. Độ thấm khí cao su đệm đối với không khì. Vật chất Độ thấm khí cm /sec Cao su butyl C 4 H 9 Kel F Cao su nguyen chất Cao su Silicon 3,.10-8 8.10-8 44.10-8 450.10-8 Hình 3.:-sự phụ thuộc của K vào T đối với khì phân tử

1.H - Pd.H - Ni 3.H - Mo 4.N - Fe 5.N - Mo 6.Co - Fe 7.H - Fe 8. 9.H - thép không rỉ 300 10.H - thép không rỉ 400 Ở đây, cũng nhƣ trong các nghiệm khác của phƣơng trính (3.6) C và Q 0 là hàm số của tìch Dt, chứ không phải riêng t.từ đó suy ra rằng,bằng phƣơng pháp tăng nhiệt độ (do đó tăng D) ta có thể nhận đƣợc Q 0 lớn hơn trong khoảng thời gian ngắn 3.. SỰ KHUẾCH TÁN CỦA KHÍ TỪ BẢNG PHẲNG CÓ KÍCH THƢỚC VÔ CỰC: Một trƣờng hợp phổ biến khác là khử khì từ bảng phẳng dày.bảng phẳng nhƣ vậy thƣờng là thành bính của bính hút khì.tại thời điểm đầu tiên,nồng độ khì khắp bảng phẳng là giống nhau và bằng c0.khi t = 0,phìa chân không có áp suất khì còn lại rất nhỏ,có thể bỏ qua.nhƣ vậy,giải phƣơng trính (3.6) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên nhƣ sau: c = c0 x = 0 t = 0 (khì bão hoà khắp bảng phẳng dày) c = 0 x = 0 t > 0 Nghiệm của nó có dạng : DT 1 y 0 0 0 C( x, t) c e dy c erf x x Dt (3.11) Vận tốc tức thời của sự nhả khì tại thời điểm t bằng:

Q c D C D t 1 1 0 (3.1) x x 0 Nếu thời gian hút khì nối liền với bơm có vận tốc hút khì bằng S,thí Q = ps (1/) ( 1/) p C0D t (3.13) Hệ thức có đặc trƣng cho quá trính khuếch tán.trong thời gian khử khì,áp suất tỉ lệ nghịch với t.lƣợng khì toàn phần nhả ra khỏi bảng phẳng bằng: t c 1 1 0 D dt C0 Dt x (3.14) 0 x 0 Q Ngƣợc lại khi nồng độ đạt đến giá trị cân bằng C 0 thí cũng một lƣợng khì nhƣ vậy từ khì quyển khuếch tán vào bảng phẳng đã hòan toàn đƣợc khử khì.nếu viết Q 0 dƣới dạng hàm số của t1/,và đƣa (3.3) vào (3.14) thì độ dốc của đƣờng cong đó bằng : m 1 0 0 E 1,13C D exp RT (3.15) 1 0 0 log m log(1,13 C D ) 0,434E RT (3.16) Sau khi xác định m đối với các nhiệt độ khác nhau,ta có thể vẽ đƣợc đƣờng cong logm = f(1/t).từ độ dốc của đƣờng cong đó ta có thể xác định đƣợc năng lƣợng kìch hoạt E. Từ lý thuyết trên,suy ra rằng,khử khì ở nhiệt độ cao là hiệu dụng hơn.hai đèn thủy tinh đƣợc đốt nóng đến 5300C và 4650C trong 1 giờ. Sau đó tiếp tục đốt nóng đèn khử khì ở nhiệt độ thấp thêm giờ ½ nữa với 4000C.Thấy rằng,lƣợng hơi nƣớc thoát ra sau này lớn hơn lần trƣớc khoảng,5 lần

3.3 SỰ KHUẾCH TÁN CỦA KHÍ TỪ BẲNG PHẲNG CÓ KÍCH THƢỚC HỮU HẠN Chúng ta hãy giải phƣơng trính (3.6) đối với một đơn vị tiết diện ngang của bảng phẳng có chiều dày d.tại thời điểm ban đầu (t = 0),nồng độ bằng C 0 và không đổi khắp trong bảng phẳng.khi t = 0, áp suất ở hai phìa bảng phẳng rất thấp.điều kiện ban đầu và điều kiện biên là : C = C0 0 = x = d t = 0 C = 0 x = 0 và x = d t > 0 Hính 3.3 : Sự phân bố tƣơng đối của nồng độ khì trong bảng phẳng có kìch thƣớc hữu hạn với độ dày d theo các thông số Dt/d không thứ nguyên Nghiệm phƣong trính có dạng : 4 1 (n 1) (n 1) C C0 n 1 sin x.exp Dt d d (3.17) 0 phẳng bằng : Sự phụ thuộc của C = f(x,t) đƣợc trính bày trên hính 3.3. Dòng khì tức thời từ hai bề mặt bảng C 8 CD (n 1) Dt (3.18) x d d 0 Q D exp x 0 0 Lƣợng khì toàn phần thoát ra từ bảng phẳng :

Q D 0 t c x 0 x 0 dt 8 (n 1) C d n Dt d 0 1 ( 1) exp 0 (3.19) Ví rằng : Q 0 cũng là lƣợng khì đƣợc hấp thụ của bề mặt đã khử khì với áp suất tƣơng ứng với nồng độ C 0 Hính 3.4 : Hệ số khuếch tán của hệ khì kim loại 1. H Pd. N Fe 3. CO Ni 4. H Ni 5. H Fe 6. O Ni 7. O Fe 8. H Thép không rỉ 300 9. H Thép không rỉ 400

Giai đoạn đầu của quá trính,khi nồng độ khì tại tâm của bảng phẳng còn gần bằng C 0 (xem hình 3.3) thì phƣơng trính (3.14) là trƣờng hợp riêng của phƣơng trính (3.19).Từ một trong những phƣơng trính đó suy ra rằng,phân tử khì thoát ra (Q 0 / C 0 d ) là hàm số của (Dt/ d ). Hai phƣơng trính đó đƣợc so sánh trong bảng 3.. Ngay cả khi loại khoảng /3 khì ra,sai khác giữa chúng chỉ 1,6%. Bảng 3. : Sự khử khì từ bảng phẳng có kìch thƣớc hữu hạn.sai khác giứa hai phƣơng trính (3.14) và (3.19) và phần khì bị khử. Dt d Q0 Q0 C d (3.14) C d (3.19) 0 0 Q0 Cd(3.19) 0 Q0 Cd(3.19) 0 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.15 0.0 0.5 0.3 0.009 0.0057 0.014 0.016 0.03 0.07 0.14 0.1 0.9 0.55 0.59 0.63 0.67 0.70 0.8 0.89 0.93 0.96 Hệ số khuếch tán đƣợc trính bày trên hính 3.4

3.4 HẤP PHỤ VÀ NHIỆT GIẢI HẤP: Trên bất kí bề mặt thể rắn hay thể lỏng đều có lực hút tác dụng vuông góc với nó.ví vậy,khi phân tử khì đập lên bề mặt chúng sẽ bị hấp phụ.với những điều kiện xác định ( nhiệt độ và áp suất) khì đó sẽ giải hấp và nó là nguồn chủ yếu của khì còn lại trong hệ chân không.số phân tử hấp phụ trên thành bính lớn hơn trong thể tìch thành bính rất nhiều,khoảng vài trăm đến vài vạn lần.chình ví vậy,hiện tƣợng hấp phụ đƣợc dùng trong bơm bề mặt. Khi nguyên tử hay phân tử tự do tiến gần đến bề mặt thể rắn thí mức năng lƣợng gián đoạn của điện tử ngoài cùng bị nhiễu loạn.tùy thuộc sự tƣơng tác giữa điện tử với bề mặt trong quá trính hấp phụ.ngƣời ta chia làm 3 dạng :hấp phụ vật lý,hấp phụ hóa học yếu và hấp phụ hóa học mạnh. 3.4.1 Hấp phụ vật lý: Khi lớp điện tử của nguyên tử bị hấp phụ hoàn toàn chứa đầy điện tử (vì dụ khì trơ) thí sẽ không xảy ra một sự trao đổi điện tử nào giữa bề mặt thể rắn với nguyên tử khì.tuy nhiên,nếu ái lực điện tử của bề mặt khá lớn thí nguyên tử khì có thể bị phân cực yếu.đó là trƣờng hợp hấp phụ vật lý Những định luật cơ bản của hấp phụ vật lý là : a) Lực liên kết giữa nguyên tử bị hấp phụ với bề mặt thể rắn là lực VanderWaals.Ví vậy năng lƣợng liên kết của chúng thƣờng nhỏ (3 4 Kcal/mol).Trên hính 3.5 trính bày thế năng của phân tử khi hấp phụ

vật lý.giữa bề mặt với phân tử có lực hút tác động và trạng thái cân bằng của chúng là cực tiểu thế.năng lƣợng đó là nhiệt hấp phụ Ha.Nó bằng năng lựợng giải hấp Eg và có thể đo bằng calo-kế. b) Trong quá trính hấp phụ vật lý,năng lƣợng tự do và entropy S giảm,ví rằng hấp phụ là tự phát và phân tử mất một bậc tự do.biến đổi năng lƣợng bằng U = F + TS.Ví vậy đại lƣợng U là âm.còn hấp phụ là quá trính tỏa nhiệt.từ định luật dịch chuyển cân bằng suy ra rằng -Hấp phụ tăng khi tăng áp suất -Hấp phụ tăng khi giảm nhiệt độ Hính 3.5: Thế năng của phân tử khi hấp phụ không kìch hoạt r là khoảng cách giữa phân tử với bề mặt 3.4. Hấp phụ hóa học yếu : Khi công thoát điện tử của bề mặt kim loại lớn,và mật độ điện tử của nó trên mức d phải lớn hơn mật độ điện tử trên mức s và mức p,thí lực liên kết giữa kim loại với nguyên tử khì thƣờng theo dạng liên kết đồng hóa trị.đó là hấp phụ hóa học yếu.vì dụ hấp phụ H trên Ni.Khác với trƣờng hợp hấp phụ vật lý,hấp phụ hóa học yếu có đặc trƣng là lớp điện tử của nguyên tử bị hấp phụ có thể bị xuyên sâu vào lớp điện tử của kim loại.kim loại và nguyên tử bị hấp phụ đều bỏ ra một điện tử có spin ngƣợc dấu nhau cho quỹ đạo liên kết.do đó năng lƣợng liên kết trong trƣờng hợp này lớn hơn trƣờng hợp hấp phụ vật lý,thƣờng vào khoảng 30 45 Kcal/mol 3.4.3 Hấp phụ hóa học mạnh : Trong trƣờng hợp này cần phân biệt hai khả năng :

a)khi công thoát điện tử của kim loại lớn hơn mức năng lƣợng ion hóa Vi của nguyên tử bị hấp phụ.khi đó vùng năng lƣợng Z(E) của nguyên tử bị hấp phụ (tƣơng ứng với mức năng lƣợng điện tử hóa trị của nguyên tử khi còn cách xa bề mặt kim loại) hoàn toàn nằm trên mức năng lƣợng Fermi.Do đó điện tử hóa trị của nguyên tử bị hấp phụ chuyển qua bề mặt kim loại,và lớp bề mặt điện tìch âm,nguyên tử tích điện dƣơng.lực liên kết ở đây theo dạng dị cực. Nếu số hạt bị hấp phụ còn nhỏ và khoảng cách d giữa bề mặt kim loại với nguyên tử khì bị hấp phụ lớn thí năng lƣợng liên kết giữa chúng có dạng : E V c d ( i ) ( 4 ) Đại lƣợng ( V i ) tƣơng ứng với năng lƣợng dịch chuyển điện tử hóa trị từ nguyên tử khì sang bề mặt kim loại (hính 3.6a).Đại lƣợng ( c 4 ) d tƣơng ứng với năng lƣợng do lực ảnh điện giữa chúng. b)khi công thoát nhỏ thua mức năng lƣợng ion hóa V i của nguyên tử bị hấp phụ.khi đó điện tử từ kim loại chuyển qua nguyên tử khì và lớp bề mặt tìch điện dƣơng.còn nguyên tử tìch điện âm (hính 3.6b) Hình3.6

Năng lƣợng liên kết dị cực bây giờ bằng: E ( S ) ( c 4 d ) Ở đó S là ái lực điện tử của nguyên tử bị hấp phụ Nhƣ vậy năng lƣợng liên kết trong trƣờng hợp này là lớn nhất so với trƣờng hợp trên,có thể đạt tới 00 Kcal/mol (36Kcal/mol đối với O hấp phụ trên bề mặt Ti) Hấp phụ hóa học thƣờng cần có năng lƣợng kìch hoạt (hính 3.7 a).trong trƣờng hợp này,đầu tiên xảy ra hấp phụ vật lý (E Φ năng lƣợng hấp phụ vật lý).nếu năng lƣợng cung cấp đủ lớn thí hạt chuyển sang hấp phụ hóa học có kìch hoạt.năng lƣợng giải hấp bằng : Eg Ea H c Ở đó H c nhiệt hấp phụ,và E a năng lƣợng kìch hoạt.với hấp phụ hóa học có kìch hoạt thí lƣợng khì bị hấp phụ sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Phân tử có thể phân ly và sau đó hấp phụ hóa học nhƣ nguyên tử.hính ảnh đó đƣợc trính bày trên hính 3.7b,c.Ở đó D năng lƣợng phân ly,còn E g năng lƣợng kìch hoạt giải hấp nguyên tử.nếu E g < D thí hấp phụ là thu nhiệt (hính 3.7b) ; Nếu E g > D thí hấp phụ là tỏa nhiệt (hính 3.7c). Hydro hấp thụ trên bề mặt Wolfram dƣới dạng nguyên tử. Sự phân ly H trên sợi chỉ Wolfram đƣợc đốt nóng là một thì dụ về giải hấp nguyên tử. Năng lƣợng phân ly D H 105 Kcal/mol,nhiệt hấp phụ hydro trên Wolfram H c = 46 Kcal/mol.Từ 3.7c suy ra rằng E g = D + H c =151 Kcal/mol.Giá trị Eg đƣợc đo bằng 74 Kcal/mol. Nguyên tử hấp phụ trên bề mặt đều có độ linh động xác định.chúng có thể dịch chuyển khắp bề mặt nhƣ khì chuyển động theo chiều,ví rằng năng lƣợng liên kết ở đây tƣơng đối nhỏ.khi nguyên tử bị hấp phụ va chạm với nhau,chúng có thể tái hợp và giải hấp dƣới dạng phân tử.khi nhiệt độ nhỏ thua 10 3 0 K thí hydro giải hấp từ Wolfram dƣới dạng phân tử H.Dạng giải hấp nguyên tử hay phân tử

nhiều hơn,phụ thuộc vào nhiều điều kiện,nhƣng đặc biệt là nhiệt độ và áp suất.trên bảng 3.3 3.5 trình bày những số liệu về hấp phụ hóa học của các khì khác nhau trên nhiều kim loại ở nhiệt độ phòng,năng lƣợng kìch hoạt của dịch chuyển bề mặt và nhiệt hấp phụ. Trang 79 Năng lượng E g E a Hình a E Þ H c Khoảng cách từ bề mặt Năng lượng E g E a D H c E Þ Khoảng cách từ bề mặt hình b

Năng lượng E g E a D E Þ H c Kim loại Khoảng cách từ bề mặt hình c Hình 3.7 thế năng của hấp phụ hoá học có kích thích Bảng 3.3:Hấp phụ hoá học của khí trên kim loại ở nhiệt độ phòng Khí N H CO C H 4 C H O CO CH 4 Ag - Al + + Au + + + + Ba + + + + + + + Ca + + + + + + Cd - - - + Co + + + Cu - - + + + + Cr - + + + + + Fe + + + + + - - Hg - - In - - - - + Mg + Mn + Mo + + + + + + + Nb + + + + Ni - + + + + + - Pb - - - - - + Pd - + + + + + + Pt - + + + + + Rh - - + + + + + Sn - - - - - + Sr - Ta + + + + + + + Ti + + - + + + - + W + + + + + + + Zn - - - - - - - - Zr + + + + + + * : các kì hiệu khác nhau của hai tác giả

Ghi chú : dấu + :khì hấp phụ hoá học trên bề mặt kim loại - : khì không hấp phụ hoá học Bảng 3.4 :năng lƣợng kích hoạt bề mặt E m và năng lƣợng giải hấp E g của màng mỏng hấp thụ Màng mỏng trên E m E g E m / E g kim loại Kcal/mol Cs trên W 14 64 0. W trên W (110) 13 134 0.10 Ba trên W 15 87 0.17 O trên W 30 147 0.0 H trên W 16 74 0. N trên W 35 155 0.3 CO trên W 65 ~ 100 0.70 Xe trên W 3.8 9 0.4 Kr trên W 1.1 4.5 0.4 Ar trên W 0.6 1.9 0.3 H trên W 7 67 0.11 Bảng 3.5 :Nhiệt giải hấp(kcal/mol) của màng mỏng Hấp phụ hoá học H c Hấp phụ hoá học H c Rb trên W 60 O trên Ni 115 Cs trên W 64 H trên Ni 30 B trên W 140 NH 3 trên Ni 36 H trên W 46 CO trên Ni 35 O trên W 194 H trên Fe 3 CO trên W 100 N trên Fe 40 N trên W 85 H trên Pt 7 CO trên W 1 O trên Pt 67 NH 3 trên W 70 H trên Ir 6 H trên Ta 46 H trên Rh 6 Ag trên Mo 35 H trên Pd 7 Ni trên Mo 48 H trên Co 4 H trên Mo 40 H trên Cu 8 Hấp phụ vật lý H A Hấp phụ vật lý H A Xe trên W 8-9 Xe trên Mo ~ 8 Kr trên W ~ 4.5 Xe trên Ta ~ 5.3 Ar trên W ~ 1.9 3.4.4 Động học của sự hấp phụ

Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề động học của sự hấp thụ.hãy khảo sát sự tƣơng tác giữa khì với một đơn vị diện tìch bề mặt (cm ).: Vận tốc hấp phụ cùa phân tử : dn a = sv= sp(πmkt) -1/ dt =3,5. 10 sp.(mt) -1/ (1/s.cm ) (3.0) trong đó v là số phân tử đập lên một đơn vị diên tìch bề mặt,và đƣợc xác định theo phƣơng trính (1.7) s là hệ số dình (đƣợc xác định nhƣ xác xuất hấp phụ của phân tử đập vào ) Nếu ta nhân kt cho hai vế của phƣơng trính (3.0) thí lƣợng khì ở nhiệt độ T đƣợc biểu diễn theo : d pv dt a =3,64 sp T M torr.l / s.cm T =0,485 sp N.m/s.cm M (với T nhiệt độ của phân tử đập vào ) ở áp suất p,nhiệt độ T,thể tìch V,chứa n a phân tử, thí nhiệt độ bề mặt có thể khác. Đối với N ở nhiệt độ phòng và p=10-6 torr,có : S = 3,9. 10 14 (1/s.cm ). Đƣờng kình khì động của phân tử N bằng 3,8.10-8 cm ( bảng 1.1) Để đơn giản ta giả thiết rằng :trong lớp đơn phân tử đƣờng kình khì động bằng khoảng cách giữa các tâm của N. Ví vậy trong một lớp đơn chứa N 0 =7,3.10 14 phân tử.nếu s=1 và p=10-6 torr thí một lớp đơn đƣợc thành lập trong khoảng thời gian s. Tuy nhiên N o phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt,đặc biệt phụ thuộc vào hằng số mạng tinh thể của chất hấp phụ và kìch thƣớc phân tử. Sau này lấy trung bính N 0 = 5.10 14 phân tử, số hạt đó tƣơng ứng với 1,5.10-5 torr, ở nhiệt độ phòng ; s_ hàm số của tâm hấp phụ trên bề mặt cụ thể. Sau khi thành lập lớp đơn thứ nhất thí s và H a sẽ biến đổi. Chúng ta hãy khảo sát trƣờng hợp hấp phụ chƣa đầy một lớp đơn và giải hấp không kèm theo quá trính tái hợp Vận tốc giải hấp tỉ lệ với số phân tử trên bề mặt và tỉ lệ nghịch với thời gian trung bính lƣu lại t s của chúng trong trạng thái hấp thụ : d pv dt g dn g dt 1,5.10-5 = N 0 ts t s (3.) hay ở nhiệt độ phòng: torr.l/s.cm (3.3)

=.10 - N.m/s ts với θ _độ hấp phụ. Frenkel chứng minh rằng : Eg t s =η 0.exp (3.4) RT với η 0 : chu kí dao động theo hƣớng vuông gốc với bề mặt phân tử và gần bằng 10-13 s.từ đó : dn g =N 0. θη -1 Eg 0..exp ( 3.5) dt RT Phƣơng trính (3.5 ) có thể áp dụng cho khí thành lập trên bề mặt của chất hấp phụ với điều kiện nhỏ thua một lớp đơn do hấp phụ vật lý hay hấp phụ hoá học bậc nhất Giải hấp phân tử của nguyên tử bị hấp phụ có: dn g = r ( N 0. θ) Eg exp dt RT (3.6) s s Với r _ hằng số vận tốc. dn Do có phụ thuộc vào t s mà ( g ) biến đổi trong miền rộng.trên hình 3.8 trình bày sự phụ thuộc dt của t s =f(e g ) theo phƣơng trính 3.4 với T là thông số Để đánh giá ảnh hƣởng của sự giải hấp lên hệ chân không cao,ta hãy tính sự nhã khí của hệ do giải hấp bậc nhất của lớp đơn bên trong bề mặt thành bình với những điều kiện sau đây: V=1 lit,a=100 cm ; s=0,5 ;T=95 0 K và vận tốc bơm của hệ là S=1lit /s. Phƣơng trính cơ bản biểu diễn qiá trình hút khí là : -V dp = dt (s.p Q g ) trong đó Q g là vận tốc dòng nhả khí của hệ.mặt khác : dn g =N 0. θη -1 Eg 0..exp dt RT hay V dp dt = N 0. θ.η -1 E 0..exp g g RT (K.T) = Q g mà Q g không phụ thuộc vào thời gian nên : s s P =P o exp S V t với P 0 = Q g A hay P = 1 N 0.. 0. K.T S exp E g RT.exp S V t P = 1 N 0.. 0. K.T A exp - Eg RT S t V Trên hình 3.9 trình bày sự biến đổi của áp suất trong hệ theo E g. Nếu E g <15 Kcal/mol thì khí dễ dàng bị hút.điều đó tƣơng ứng với tất cả các khí hấp phụ vật lý. Nếu E g > 5Kcal/mol thì sự nhả khì không đáng kể Nếu 15< E g < 5 Kcal/mol thì khí bị hút chậm do quá trình nhả khí dài Thông số xác định là tỉ số (E g / T) : 0,083 <(E g / T) < 0,05.Vì vậy để hút các khí giải hấp chậm (15< E g < 5 Kcal/mol ) cần phải đốt nóng với nhiệt độ không nhỏ hơn 300 0 C Với nhiệt độ đó,tất cả các khì co E g = 30Kcal/mol sẽ giải hấp nhanh nhƣ khì có E g =15Kcal/mol

ở nhiệt độ phòng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng,đốt nóng đến 300 0-400 0 C thí nhả khì sẽ giảm đi rất nhiều Bây giờ chúng ta sẽ khào sát sự cân bằng giữa hấp phụ và giải hấp khi hấp phụ bậc nhất không cần kìch hoạt và bậc phủ chƣa đầy một lớp đơn Từ (3.0) và ( 3.5) ta có thể xác định số phân tử trên một cm diện tìch của bề mặt : N 0. θ = 3,5.10 s.p (MT ) -1/ Eg η 0. exp ( 3.7) RT hay θ = 7. 10 7.s.p. (MT ) -1/ Eg η 0. exp ( 3.8 ) RTs với T _ nhiệt độ khí ; T s là nhiệt độ bề mặt Từ kết quả nhận đƣợc ta có thể rút ra 3 nhận xét sau: a) Phƣơng trính (3.8 ) xác định lƣợng khí cực đại có thể hấp phụ vật lý với nhiệt độ phòng. Với E g = 8 Kcal/mol,thí thời gian lƣu lại của phân tử trên bề mặt bằng 10-7 s (hính 3.8).Nếu s=1 va M = 131 (Xe),ta có : θ = 0,036.P(torr)= 4,7.P (N/m ) Nhƣ vậy trong điều kiện áp suất thấp thì khí bị hấp phụ rất ít_ nhỏ thua 10-7 lớp đơn nếu áp suất P = 10-6 torr. Rõ ràng rằng hấp phụ vật lý,đặc biệt là hấp phụ khì trơ với nhiệt độ phòng có thể bỏ qua. b) Khi tăng nhiệt độ,thí những khì có E g lớn hơn bắt đầu giải hấp. Hiệu ứng đó đƣợc dùng để làm sạch sợi đốt kim loại Wolfram bằng phƣơng pháp đốt nóng xung với nhiệt độ lớn trong chân không cao.với T s =400 0 K; s=0,5 ; M> và P=10-7 torr(1,33.10-5 N/m ) thì θ<10-3 đối với E g < 1010 Kcal/mol Phƣơng pháp đốt nóng xung cũng đƣợc dùng để nghiên cứu quá trính giải hấp.do θ phụ thuộc vào hàm mũ vào T s,nên khì có năng lƣợng giải hấp E g sẽ giải hấp rất nhanh khi nhiệt độ đạt đến giá trị T s c) Khi nhiệt độ thấp thí bậc phủ. θ trở nên lớn,ngay cả năng lƣợng E g nhỏ nhƣ trong trƣờng hợp hấp phụ vật lý.nhiều công trính chứng tỏ rằng lƣợng khì He hấp phụ vật lý trên thuỷ tinh ở nh iệy độ 4, 0 K rất lớn Với thể tìch của hệ băng 0,5 lìt, áp suất riêng phần ban đầu của He:P= 5.10-10 torr (6,7.10-8 N/m ) thí áp suất cuối cùng có thể đạt đên10-33 torr(1,33.10-31 N/m ).Hiện tƣợng hấp phụ ở nhiệt độ thấp đƣợc dùng trong bơm hấp phụ ngƣng tụ. Hình 3.8 Sự phụ thuộc của thời gian lưu lại của nguỵên tử trên bề mặt theo năng lượng giải hấp s 7 10 t s( (second) 1 ev 5 10 3 10 1 10 77 0 K 300 0 K 700 0 K 10 1 10 3 10 5 10 7 10 9 10 11 13 10 0 10 0 30 40 E g

E g :năng lƣợng giải hấp (Kcal/mol) 0 Hình 3.9 Quá trình bơm của hệ lý tưởng : V=1Lít ; S p = 1/second ;T=95 K ; A= 100cm :mật độ phủ ban đầu tƣơng ứng với một lớp đơn P torr 10-5 10-6 10-7 E g = 18 E g = 0 10-8 E g =17 10-9 10-10 E g _ = 15 E g = 3 10-11 E g =5 10-1 0 50 100 Phút 3.5 Sự bay hơi và sự ngƣng tụ: Hat khì hấp phụ trên bề mặt thể rắn có thể giải hấp dƣới ảnh hƣởng của dao động nhiệt của phân tử.hạt của vật rắn cũng có thể tách khỏi bề mặt của nó và thành lập hơi. Quá trính đó đƣợc gọi là bay hơi. Cũng nhƣ quá trính giải hấp,bay hơi đòi hỏi tiêu hao một năng lƣơng cần thiết để thắng lực lien kết giữa các hạt vơi bề măt vật rắn. Quá trính ngƣợc lại,khi hạt va chạm với bề mặt thể rắn thí sẽ dình vào nó gọi là ngƣng tụ.quá trính đó xảy ra kèm theo sự toã nhiệt. 3.5.1 Nhiệt bay hơi và nhiệt ngƣng tụ : Năng lƣợng cần thiết để biến đổi một đơn vị khối lƣợng của vật chất ở nhiệt độ T thành hơi bão hoà cùng nhiệt độ đó, đƣợc gọi là nhiệt riêng của sự bay hơi ở nhiệt độ đó Nếu trong bính có thể tìch V (không có khì )có 1 g vật chất ở nhiệt độ T,thí khi tăng nhiệt độ dt, áp suất hơi sẽ tăng một lƣợng dp,tức là: dp P = dt với V =const T dp từ đó : P = T (3.30) dt Ví thể tìch hơi bằng V thí lƣợng của nó trong đơn vị PV, đặc trƣng cho năng lƣợng bay hơi,có : PV = VT dp = W b dt Trong đơn vị nhiệt,năng lƣợng đó bằng : H b = 1 dp VT (3.31) J dt 3.5. Áp suất bão hoà của hơi: trong đó J = 4,187.10 7 erg erg H( cal) W cal J đó cũng là lƣợng nhiệt toã ra khi ngƣng tụ Từ phƣơng trính trạng thái của khì,ta có : V =R 0 T P Đƣa phƣơng trính này vào (3.31)ta nhận đƣợc:

dp p =J Hb RT dt o Sau khi phân tích ta có : Hb lnp = const - J [R n = R o /J ] RT o từ đó đƣa đến phƣơng trính : P v =P 0 exp H b b J =P 0 exp RT B Hay lnp v = A - (3.31a) T Đó là phƣơng trính cơ bản biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất hơi bão hoà theo nhiệt độ bề mặt vật thể.bảng (3.6a)trính bày các giá trị A,B,nhiệt độ nóng chảy T c và áp suất hơi bão hoà P c tƣơng ứng,nhiệt độ sôi T s, vận tốc bay hơi W của một số nguyên tố ở nhiệt độ tƣơng ứng với áp suất bão hoà 10-1 torr.bảng (3.6b) trính bày các giá trị A,B đối với chất hũƣ cơ thƣờng dùng Từ phƣơng trính (3.31a) có thể thiết lập đƣờng cong biễn diễn sự phụ thuộc của áp suất hơi trên bề mặt vật thể theo nhiệt độ của nó. Nguyên tố A B T c ( 0 K) P c (torr) T s ( 0 K)với P=760 torr o H RT n g W cm 3. s Ag 8,85 1470 130 5.10-3 450 Al 8,97 15940 933 60 7,9.10-7 (với 1480 0 K) Au 8,89 17580 1338 5.10-5 930 B 10,07 960 570.10-3 80 C 1,73 40300 460 460 CO 9,70 1110 1760 6,7.10-370 Cs 6,91 3800 30,610-6 960 Cu 8,96 16980 1370,6.10-4 850 1,.10-6 (với 1545 0 K) Cr 1,06 0000 1,1.10-6 (với 1665 0 K) Fe 9,44 19970 1810 3.10-3010 1,1.10-6 (với 1740 0 K) Ga 8,41 13840 303 rất nhỏ 370 Ge 8,71 18030 10 7.10-7 970 In 8,3 1480 48 370 Ir 10,07 3130 730 5.10-5070 La 8,60 0850 1193 070 Mg 8,64 7650 93,5.10-6 1380 Mo 8,64 30850 900 8.10-3 5090 Ni 9,75 0960 175 5.10-3 3070 1,.10-6 (với 1670 0 K) Pd 8,78 19710 1830 1,1.10-3830 Pt 9,53 760 640 1,7.10-4 4400 Re 10,10 40000 3450,5.10-5900 Si 9,70 1300 1710 1.10-3 3070 Ta 7,04 4010 370 6.10-3 4400 Th 9,5 8440 100 9,3.10-5 3770 Ti 9,50 330 000 5.10-7 3570 W 9,40 40680 3640,.10-600 Zn 10,00 14870 1,9.10-6 (với 615 0 K) Nhiệt độ ghi chú trong dấu ngoặc tƣơng ứng với áp suất bão hoà 10 - torr Bảng 3.6b

Chất hữu cơ A B PV (với 930K), torr Nhựa teflon 4.3 3400 <10-7 Cao su butyl (C4H9) 11.4 4900 <10-5 Polyetylen 7.4 4500 <10-7 Chất đàn hồi vinyl 11.5 5900 <10-8 10 Bảng 103.7 0 T, 0 K p H O torr 90 10-13 7,5.10-15 143 7.10-9 173 1.10-5 195 0,5.10-3 3 3.10-33 10-1 p Hg T, 0 K p H O torr 10-7 43 0,3 3.10-18 53 0,8 8.10-15 63,4.10-11 73 4,6 3.10-9 83 9, 5.10-7 93 17,5.10-6 303 3 313 55 p Hg 6.10-6.10-5 7.10-5.10-4 4.10-4 13.10-3 3.10-3 6.10-3 10-10 -4 10-6 10-8 10-10 10-1 Hính 3.10a Sự phụ thuộc của áp suất hơi vào nhiệt độ đối với những kim loại thƣờng dùng trong kỹ thuật chân không (so sánh với HO và C)

10-10 -3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 180 0 60 500 600 Hính 3.10b Sự phụ thuộc của áp suất hơi vào nhiệt độ đối với một số chất hữu cơ 1- -Picsin 3-4- Teflon 5-Apiezon S 6-Xilicon Hính 3.10c Sự phụ thuộc của áp suất hơi vào nhiệt độ đối với một số Oxit kim loại và AgCl 10 10 1 10 0

Hình 3.10a, 3.10b, 3.10c và 3.10d trình bày sự phụ thuộc đó của hơi và khí thƣờng gặp trong kỹ 10-4 thuật chân 10-6 không. Từ hính 10-8 3.10a và 3.10d 10-10 thấy rằng kim loại 600 có áp 700 suất hơi thấp nhất làw vàvà cao nhất Hg; còn khì có áp suất hơi thấp nhất là He. Để áp suất hơi nƣớc nhỏ thua 10-1 torr, thí phải làm lạnh nƣớc đá đến 100K. Dây dẫn kim loại W với T = 6000K (tƣơng đƣơng với nhiệt độ sợi đốt W trong đèn đốt sáng) có áp suất hơi trong khoảng 10-8torr. Aùp suất hơi Hg (bảng 3.7) ở nhiệt độ phòng khoảng 10-3torr nhƣng với nhiệt độ N lỏng (780K) thí đặc biệt nhỏ~10-7torr. Hính 3.10b trính bày sự phụ thuộc của áp suất theo nhiệt độ đối với một số chất hữu cơ. Aùp suất hơi của các chất tổng hợp hữu cơ, nhƣ chất matit, mỡ bôi trơn, dầu phụ thuộc rất lớn vào thành phần cấu tạo, phƣơng pháp chế tạo và nhiệt độ đốt nóng hệ chân không. Sự bay hơi của thể rắn hay lỏng tƣơng tự giải hấp thụ vật lý, chúng đều phụ thuộc theo hàm mũ của H/RT. 3.5.3. Vận tốc bay hơi: Để phân tử thể rắn hay lỏng bay hơi, cần phải cung cấp cho nó một năng lƣợng. Điều đó đƣợc giải thìch rằng giữa các phân tử có tồn tại lực hút khá lớn. Tuy nhiên, khi T > 00K phân tử luôn luôn có biên độ dao động lớn hơn không. Khi tăng năng lƣợng, biên độ dao động của phân tử tăng và khi nó lớn đến mức nào đó thí một số phân tử sẽ vƣợt qua lực hút của phân tử bên cạnh và bay hơi. Nhƣng ta biết rằng, nếu vật thể tiếp xúc với hơi của mính thí trạng thái cân bằng sẽ đƣợc thành lập khi hơi đạt đến áp suất bảo hòa. Thật vậy, ví phân tử hơi cũng chuyển động nhiệt nên một số sẽ va chạm với vật thể và lại ngƣng tụ. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, thí vận tốc bay hơi W sẽ bằng vận tốc ngƣng tụ, hay theo phƣơng trình (3.0): (3.3) W = msvpv( m KT)-1/ = 0,058sVpVtorr(M/T0K)1/ g/cm.sec Đối với kim loại khi ở trạng thái cân bằng với hơi của chình nó thí sv = 1. Tuy nhiên, nếu vật thể đƣợc giữ trong hệ bơm chân không, thí trạng thái cân bằng sẽ không thiết lập : vận tốc ngƣng tụ sẽ bị giảm đi, nhƣng vận tốc bay hơi thí không bị ảnh hƣởng gí. Nhƣ vậy, biểu thức (3.3) biểu diễn vận tốc bay hơi của vật thể trong chân không. Nếu chân không trong hệ chứa vật thể kém, áp suất hơi còn lại của nó bằng p1 > 1 torr, thí vận tốc bay hơi sẽ giảm và bằng :

(3.33) W = (pv p1)msv( mkt)-1/ Cuối cùng, nếu bay hơi xảy ra trong hệ có chứa khì khác loại với áp suất p, thí nhƣ thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, vận tốc bay hơi giảm rất nhanh, ví phân tử khì hãm sự khuếch tán của phân tử hơi. Áp suất hơi bảo hòa pv biến đổi rất nhanh khi nhiệt độ biến đổi. Điều đó làm vận tốc bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ lớn hơn T-1/. Phƣơng trính (3.3) cho phép ta xác định trƣớc vận tốc phát triển của màn mỏng chế tạo bằng phƣơng pháp bốc bay. Cũng có thể dùng nó để xác định áp suất nhỏ của hơi từ mẫu bị hao khối lƣợng. Nếu hạt tiếp xúc nhiệt kém với thành bính, thí dƣới tác động của áp suất thấp, sự bay hơi nhanh chóng sẽ làm lạnh rất lớn. Do đó, vận tốc bay hơi sẽ giảm đến khi thiết lập đƣợc trạng thái cân bằng giữa lƣợng nhiệt của thành bính trao cho hạt với lƣợng nhiệt cần thiết để bay hơi. Nếu trong hệ chân không có nƣớc thí hiệu ứng đó sẽ là khó khăn cho việc bơm nó ra khỏi hệ. Ví vậy cần thiết phải dùng nguồn đốt nóng hệ từ bên ngoài, nếu không nƣớc có thể bị đóng băng. Hình 3.10d P, toor 100 10 0 10-1 Thành phần không khí khô(áp suất riêng phần) 10-10 -4 10-6 10-9 N : 593 torr O : 150,5 Ar : 7,1 Ne : 1,37.10 - Kr : 8,4.10-4 H : 5,8.10-4 10-11 1 1,5 3 6 10 0 30 50 70 90 100

3.6. TRUNG HÕA ION TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI (PHÁT XẠ THẾ NĂNG ĐIỆN TỬ THỨ CẤP) Khi ion hay nguyên tử kìch thìch tiến lại gần bề mặt kim loại, thí ion có thể bị trung hòa, còn nguyên tử kìch thìch hoặc chuyển về trạng thái cơ bản hoặc ion hóa cộng hƣởng. Những quá trính đó có liên quan trực tiếp và đóng vai trò quan trọng trong hiện tƣơng phát xạ thứ cấp, trong phóng điện khì, trong quá trính tƣơng tác của plasma với bề mặt điện cực, trong cơ chế ion hoá bề mặt và trong bơm ion getter. Phân tìch những số liệu thực nghiệm đối với ion có năng lƣợng nhỏ cho phép ta kết luận rằng dịch chuyển điện tử trong quá trính trên hầu nhƣ không phụ thuộc vào động năng của hạt đập vào mà chỉ đƣợc xác định bởi thế năng kìch thìch của nó. Những quá trính trên có thể chia làm 4 dạng dịch chuyển điện tử sau : trung hòa cộng hƣởng, ion hóa cộng hƣởng, trung hòa Auger và phục hồi Auger. Trung hòa cộng hƣởng và ion hóa cộng hƣởng: 3.6.1. Nếu có một hệ gồm ion A+ đập vào và tất cả điện tử trong kim loại Ne, thí quá trính trung hòa cộng hƣởng có thể viết dƣới dạng sau : (3.34) A+ + Nem A* + (N-1)em ở đó A* - nguyên tử kìch thìch đƣợc N số điện tử trong kim loại, thí quá trính (3.34) có thể xảy ra khi thỏa mãn điều kiện : < EM1 < Wa ở đó - công thoát điện tử trung bính của kim loại (hính 3.11) và EM1 năng lƣợngcủa điện tử trong kim loại Hình 3.11. Giản đồ năng lƣợng trính bày quá trình trung hòa cộng hƣởng (dịch chuyển 1) và ion hóa cộng hƣởng của nguyên tử kìch thìch (dịch chuyển ) khi hạt tiến đến gần bề mặt kim loại W a W 1 Kim loại r Nguyên tử Giản đồ năng lƣợng trên hính 3.11 trính bày quá trính trung hoà cộng hƣởng. Mũi tên bằng nét liền biểu diễn quá trính dịch chuyển điện tử theo cơ chế đó. Mũi tên bằng nét chấm chấm biểu diễn quá trính ion hóa cộng hƣởng của nguyên tử kìch thìch khi đến gần bề mặt kim loại, tức là quá trính : (3.35) A* A+ + em Đối với khì trơ ion hóa cộng hƣởng có thể xảy ra chỉ trong trƣờng hợp nếu nguyên tử kìch thìch thỏa mãn điều kiện : < EM1

Sự phục hồi Auger : 3.6.. Nguyên tử kìch thìch A* đƣợc thành lập theo quá trính (3.34) trƣớc hết có thể phục hồi Auger gần bề mặt kim loại, nếu thỏa mãn điều kiện Vi >, ở đó Vi năng lƣợng ion hóa của nguyên tử đập vào. Quá trính hồi phục Auger có thể biểu diễn nhƣ sau : (3.36) A* + Nem A + e + (N 1) em Ở đây e điện tử thứ cấp thoát ra từ bề mặt kim loại. Giản đồ năng lƣợng trên hính 3.1 trính bày quá trính hồi phục Auger đối với nguyên tử siêu bền He (3S) trên bề mặt kim loại Mo. Quá trính trao đổi điện tử đƣợc trính bày bằng những đƣờng thẳng liên tục. Từ hính 3.1 ta thấy rằng, năng lƣợng cực đại (Ee) của điện tử phát xạ thứ cấp đƣợc xác định bởi hệ thức : (3.37) (Ee)max = E* - Còn năng lƣợng cực tiểu : (Ee)min = E* - Wa (3.38) (Ee)min = 0 khi E* < Wa ở đó E* - mức năng lƣợng kìch thìch. Từ (3.36) thấy rằng, điện tử thứ cấp có thể phát xạ đƣợc khi thỏa mãn điều kiện : (3.39) E* > e=e * -E m1 -E m =4,3eV V i =E x M W a 3 S V i =4,6eV M o V i =4,6 M o K x M =19,7 r He 1S He 1S Hính 3.1 Dịch chuyển điện tử trong quá trính hồi phục Auger đối với ion He+ đập vào bề mặt kim loại Mo a/ Giai đoạn thứ nhất : Trung hòa cộng hƣởng của điện tử thứ nhất lên mức năng lƣợng siêu bền 3S của nguyên tử He mức năng lƣợng kìch thìch duy nhất thoả mãn điều kiện < EM1 < Wa b/ Giai đoạn thứ hai : Nguyên tử kìch thìch trở về trạng thái cơ bản do quá trính Auger : điện tử dẫn điện tử thứ hai chuyển qua trạng thái cơ bản của nguyên tử bằng hiệu ứng đƣờng hầm, đồng thời trao năng lƣợng thừa của mính cho điện tử siêu bền, kìch thìch nó lên miền năng lƣợng liên tục. Cũng có thể có trƣờng hợp nguyên tử kìch thìch bị phân hủy mà không cần trao đổi điện tử giữa kim loại với ion. Khi đó điện tử siêu bền trở về trạng thái cơ bản, đồng thời kìch thìch điện tử thứ hai trong kim loại lên vùng năng lƣợng liên tục. Tuy nhiên xác suất quá trính này rất nhỏ so với quá trính hồi phục Auger. Trung hòa Auger : 3.6.3. Cơ chế trung hòa Auger một giai đoạn nhƣ sau : điện tử dẫn điện thứ nhất chuyển qua trạng thái cơ bản của ion bằng hiệu ứng đƣờng hầm, trung hòa nó đồng thới trao năng lƣợng thừa cho điện tử thứ hai trong vùng dẫn điện, kìch thìch nó lên miền năng lƣợng liên tục. Quá trính trung hòa Auger có thể biểu diễn nhƣ sau :

(3.40) A+ + Nem A + e- + (N ) em Giản đồ năng lƣợng của nó đƣợc trính bày trên hính 3.13. Điện trƣờng thẳng liên tục biểu diễn quá trính dịch chuyển điện tử. Động năng của điện tử phát xạ thứ cấp bằng Ee = Vi Em1 Em. Rõ ràng rằng, động năng cực đại của nó bằng : (3.41) (Ee)max = Vi - và động năng cực tiểu : Hình 3.13. Giản đồ năng lƣợng trính bày quá trình trung hòa Auger của ion khi tiến gần bề mặt kim loại. Điện tử dẫn điện thứ 1 trực tiếp dịch chuyển qua đƣờng hầm vào trạng thái cơ bản của ion. Năng lƣợng thừa sẽ trao cho điện tử thứ. Nếu điện tử thứ thoát ra khỏi kim loại thí động năng của nó ngoài kim loại bằng Ee W a M o E m e=e * -E m1 -E m r Nguyên tử (3.4) (Ee)max = Vi Wa ; (Ee)max = 0 khi Vi < Wa Nhƣ vậy, điện tử thứ cấp có thể phát xạ đƣợc khi thỏa mãn điều kiện (3.43) Vi > Còn trung hòa ion do cơ chế này có thể xảy ra khi Vi >, mặc dù khi thỏa mãn điều kiện < Vi < Wa thì quá trình trung hòa cộng hƣởng có xác suất lớn hơn. Trên hính 3.14 trính bày đƣờng cong phụ thuộc giữa hệ số phát xạ điện tử thứ cấp với năng lƣợng E của ion đập vào. Trong khoảng năng lƣợng từ 0 đến 103 ev, hệ số với Ar+, Kr+, Xe+ hầu nhƣ không phụ thuộc vào động năng của ion và chúng ta có thể xem rằng cơ chế thành lập điện tử thứ cấp ở đây là phát xạ thế năng. Thì nghiệm với nhiều cặp khì kim loại, đã quan sát đƣợc rằng hệ số tăng đơn điệu với thế năng (Vi - ) của hệ (hính 3.15). Nhƣ vậy, từ (3.41) suy ra rằng ở đây quá trính trung hòa Auger đóng vai trò quan trọng (phần lớn ion khi tiến gần bề mặt kim loại sẽ trung hòa Auger và phản xạ dƣới dạng nguyên tử trung hòa). Hiện tƣợng này đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế hút khì trơ của bơm ion getter. Tuy nhiên, nó cũng làm ảnh hƣởng lên thế của thành bính và vỏ thủy tinh, dòng colector trong áp kế ion hóa và khối phổ kế.

0,3 0,6 0,4 0,0 0,16 0,1 He + Ne + W M o Hình 3.14 Hệ số = f(e) của ion khí trơ đối với bề mặt tinh khiết nguyên tử W và Mo 0,08 0,04 0 00 600 800 1000,eV γ 3 4 16 8 0 4 6 8 10 1 14 PHÚN XẠ CATOD : 3.7. Phún xạ catod là quá trính bứt nguyên tử hay phân tử của chất catod dƣới sự bắn phá của ion dƣơng. Có hai cơ chế về phún xạ catod : - Phún xạ cơ học : Ion khi va chạm với nguyên tử cotod có thể trao một phần xung lƣợng của mính. Nguyên tử catod có bứt khỏi mạng tinh thể nếu đại lƣợng và hƣớng của xung lƣợng nhận đƣợc thỏa mãn điều kiện cần thiết. Phún xạ cơ học thƣờng xảy ra đối với kim loại khó nóng chảy (Mo, Ta, Ti ) - Phún xạ nhiệt : nguyên tử catod có thể bốc bay do sự đốt nóng định xứvật chất catod của ion đến nhiệt độ bay hơi của nó. Phún xạ nhiệt thƣờng xảy ra với kim loại có nhiệt độ bay hơi thấp (Sn, Cd, Pb, Zn, Bi ). Trong đa số thực nghiệm, phún xạ nhiệt không đóng vai trò quan trọng ví dƣới đây chúng ta sẽ nói về phún xạ cơ học.

Phún xạ catod đƣợc đặc trƣng bởi hệ số phún xạ N tỉ số giữa nguyên tử bị phún xạ na với số ion nj đập kên bề măt catod : (3.44) N = (na / nj) Nếu khối lƣợng của vật chất phún xạ bằng m, còn khối lƣợng nguyên tử của nó bằng thí : Na = ( m / ) Lƣợng ion một điện tìch nj đƣợc xác định bởi đại lƣợng dòng i1 và thời gian oanh tạc t Trang 99 Lƣợng ion một điện tìch n i đƣợc xác định bởi đại lƣợng dòng i 1 và thời gian oanh tạc t : N= n a n i ( ( i m / ) t / e) 1 ni i e 1 t Từ đó (3.43a) Theo định nghĩa (3.43), hệ số phún xạ katot đƣợc biểu diển theo số nguyên tử\ion.tuy nhiên hệ số phún xạ còn đƣợc biểu diển theo g\c (ký hiệu qua N ) từ hệ thức thực nghiệm : m =N i 1 t Dễ dàng thấy rằng : N =N(µ\e) (3.44) Hệ số phún xạ N (hay N ) phụ thuộc vào vật chất làm katot, loại ion và năng lƣợng của chúng, góc đập của ion trên bề mặt katot, cũng nhƣ áp suất khì bao quanh. 3.7.1. Năng lƣợng ngƣỡng của quá trính phún xạ: Thực nghiệm qua sát đƣợc rằng, quá trính phún xạ luôn có năng lƣợng ngƣỡng E o, tức là năng lƣợng ion nhỏ thua giá tri E o thí phún xạ không xảy ra.giá trị ngƣỡng của ion oanh tạc lên bia đa tinh thể theo hƣớng trực giao với bề mặt, đƣợc trính bày trên bảng (3.6). Bảng 3.6 Ion oanh tạc Bia kim loại Nhiệt thăng hoa Giá trị ngƣỡng thực nghiệm (ev) Ag + Ag Au Ta W Co (ev).8 3.9 8.0 8.8 4.4 Stuart và Wehner 15 0 6 33 5 Mogylic.H.D 4 13 13 6 Xe + Ag Au Ta W Co.8 3.9 8.0 8.8 4.4 17 18 30 30 Hg + Ag Au Ta W Co.8 3.9 8.0 8.8 4.4 40 40 30 30 37 7.

Từ bảng 3.6 suy ra rằng, đại lƣợng ngƣỡng hầu nhƣ không phụ thuộc vào tỉ số khối lƣợng ion và khối lƣợng nguyên tử bia, mặc dù ta có thể nghĩ rằng, giá trị ngƣỡng sẽ cực tiểu khi khối lƣợng ion và nguyên tử bia bằng nhau. Những giá trị ngƣỡng đó gần bằng giá trị ngƣỡng của sự dịch chuyển nguyên tử trong mạng tinh thể. Đối với đa số kim loại thí khoảng 0 đền 5eV. Những chất có nhiệt thăng hoa thấp (Ag,Au) có giá trị ngƣỡng thấp hơn những chất có nhiệt thang hoa cao (Ta,W). 3.7.. Sự phụ thuộc vào năng lƣợng ion : Khi năng lƣợng ion nhỏ, quá trính phún xạ chỉ xảy ra do sự va chạm giũa ion và nguyên tử trên các lớp đầu tiên của bề mặt bia. Ví xác suất va chạm gần bề mặt sẽ tỷ lệ nghịch với khoảng đƣờng tự do trung bính (E) của ion trong kim loại, còn năng lƣợng trao cho nguyên tử với va chạm đầu tiên sẽ tỷ lệ nghịch với E max, nên hệ số phun xạ có thể viết : E max N~ ( E) E max = 4mM (M m) K Mm N= E ( E) ( M m ) ee (3.45) Ở đó (3.46) Hay (3.47) Ở đó K hằng số phụ thuộc vao đặc trƣng kim loai, (E) đƣợc xác định theo dạng : 1 (3.48) n R 0 Trong đó n o - số nguyên tử trong một thể tìch bia. R - khoảng cách gần nhất giữa hai hạt va chạm. m và M - khối lƣợng ion và nguyên tử va chạm. Khi năng lƣợng ion nhỏ đến mức thong số va chạm b rất lớn hơn bán kình màn chắn hạt nhân do lớp điện tử bao quanh a (bán kình Borh) và a >>h\µv i,trong đó µ =mm\(m+m) khối lƣợng rút gọn ; v i vận tốc của ion thí va cham ion và nguyên tử kim loại có thể xem nhƣ va chạm giữa hính cầu rắn. Khi đó tƣơng ứng với điều kiện trên, năng lƣợng ion phải thõa mãn điều kiện : M m E<E A =E R Z 1 Z ((Z 1 ) /3 + (Z ) /3 ) 1/ M (3.49) Trong đó E R - năng lƣợng Rudberg (13.6 ev) Z 1,Z số điễn tìch của ion, nguyên tử kim loại R bán kình va chạm đƣợc xác định bởi hệ thức : Z Z R a E 1 = e exp( ) R (3.50)

Với E M = E năng lƣợng chuyển động tƣơng đối của hạt va chạm. m M Bảng 3.7 trính bày những giá trị E A đối với nhƣng cặp ion kim loại thƣờng gặp : Ion oanh tạc Bia Ag Bia Cu E A (kev) E A (kev) H + + H D + He + N + O + Ne + Ar + Xe + 4.8 9.9 4.9 10.1 41.1 48.5 63.7 140.5 796.6 5.4.6 5.6 4.4 9.0 39.0 93.4 63 Bảng 3.7 :Những giá trị tới hạn đối với va chạm ion Miền hình cầu rắn :E < E A ; Miền màn chắn chủ yếu : E > E A Từ (3.47), (3.48), (3.50) có thể rút ra các kết luận quan trọng sau : a/ Hệ số phún xạ sẽ tỷ lệ với dại lƣợng [mm\(m + M) ] và lớn nhất khi m =M. b/với mỗi cặp ion kim loai cho trƣớc, hệ số phún xạ tăng khi năng lƣợng ion tăng, rồi sau đó tiến dấn đến giá trị bão hòa.giá trị năng lƣợng tƣơng ứng giá trị bão hòa, càng nhỏ với ion có khối lƣợng càng nhỏ. N, Ngtử\ion Ar + Hình 3.16 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo năng lượng E của các ion khí trơ khi oanh tạc lên bia Ag.,0 Kr + 1,5 Ne + 1,0 0,5 He + 0 100 00 300 E (ev) Hình 3.17 Sự phụ thuộc cua hệ số phún xạ N theo năng lượng E của ion Ar + khi oanh tạc lên bia khác nhau.

Hình 3.18 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo năng lượng E của ion Xe+ khi oanh tạc lên các bia khác nhau. Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N\(1+ ) theo năng lượng E của ion Hg + khi oanh tạc lên các bia khác nhau.

Những đƣờng cong thực nghiệm từ hính 3.17 đến hính 3.1 đã phù hợp với những nhận xét nêu trên. Khi năng lƣợng ion lơn đến mức để thông số va chạm b rất nhỏ so với bán kình màn chắn Borh a và b >> h\µv thí cơ chế truyền xung lƣợng sẽ biến đổi. Bây giờ tƣơng tác không thể xem nhƣ va chạm hính cầu rắn, mà là tƣơng tác Coulomb của điện tìch ion với hạt nhân có màn chắn yếu của bia.do tiết diên va chạm Coulomb giảm khi năng lƣợng ion tăng và khi nguyên tử số của nguyên tử bia giảm, nên hệ số phún xạ phải biến đổi tƣơng ứng. Xe + Ar Kr + + Hình 3.0 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ theo năng lượng E của ion khí trơ khi oanh tạc lên bia Ag Ne + He + Hình 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo năng lượng E của ion Ar + khi oanh tạc lên các bia khác nhau Hình 3. Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo năng lượng của ion nhẹ khi oanh tạc lên bia Cu. He + D + Hính 3. trính bày sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo năng + + lƣợng của ion D và He trên bia

Cu.Rõ rang rằng,hệ số N giảm heo năng lƣợng trong miền E > E A. 3.7.3 Sự phụ thuộc vào áp suất : Hính 3.3 trính bày sự phụ thuộc của hệ số phún xạ vào áp suất của khì còn lại, khì ion Ar + với năng lƣợng 150 ev oanh tạc lên bia kim loại Ni.Thấy rằng,tăng áp suất thí hệ số phún xa giảm.nguyên nhân chủ yếu của hiện tƣợng trên là sự thành lập một lớp hấp thụ khì trên bề mặt bia,và lớp hấp phụ đó làm cản trở quá trính phún xạ từ bia. Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ theo áp suất khí ion Ar + với năng lượng 150 ev oanh tạc lên bia Ni. Hình 3.4 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo áp suất khí Ne trong phóng điện ẩn với các loại katot khác nhau. Hệ số phún xạ katot cũng giảm rất nhanh khi tăng áp suất khì trong đèn Ne (hính 3.4).Điều đó giải thìch rằng, các hạt nguyên tử phún xạ quay trở về katot do va chạm đàn hồi với nguyên tử khì. 3.7.4 Sự phụ thuộc vào mật độ dòng ion : Ảnh hƣởng của lớp màn mỏng khì hấp thụ trên bề mặt bia cũng dung để giải thìch sự phủ thuộc của hệ số phún xạ N theo mật độ dòng ion j đập vào. Hính 3.5 trính bày sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo mật độ dòng j đối với bia Cu,khi oanh tạc bởi ion Kr +, Ar + và Si + có năng lƣợng A0keV. Sự biến đổi nhanh của hàm N với mật độ dòng thấp ( j <10 µa\cm ) chủ yếu do nguyên nhân sau : dòng ion khi đập vào bề mặt bia đã bức lớp hấp thụ trên bề mặt của nó. Điều đó đƣợc khẳng định bởi sự đánh giá sau : Với j = 10µA\cm ;N = 9 nguyên tử \ion thí mỗi giây có gần 6.10 14 nguyên tử phún xạ từ 1cm bề mặt.nhƣng với áp suất là 4.10-6 torr có 1,8.10 15 nguyên tử\cm.s đập lên bề mặt bia.nếu những nguyên tử khì còn lại hấp phụ hóa học trên bề mặt, thí màn hấp phụ đó sẽ gây khó khăn cho quá trính phún xạ. Chỉ

khi tăng mật độ đồng ion (30µA\cm ) thí số nguyên tử phún xạ từ bề mặt mới vƣợt số nguyên tử khì còn lại đập lên bề măt bia. Hình 3.5 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo mật độ dòng j đối với bia Cu, khi oanh tạc bởi ion Kr +, Ar + và Si + Kr + Ar + Si + Ngtu\cm s Cũng có thể đạt đƣợc hiệu úng trên băng cách hạ áp suất xuống thấp hơn.trong trƣờng hợp này phải làm sạch bề mặt bia, ìt nhất bằng sự bắn phá của chùm ion hay bằng nhiệt giải hấp. Chú ý rằng, khi có màn mỏng oxit trên bề măt bia của một số kim loại (Mg,Al,Be,Ba) thí hệ số phún xạ giảm đến hang chục hay hàng trăm lần. Những giá trị ngƣỡng E o thí lại ìt phụ thuộc vào trạng thái bề mặt bia. 3.7.5 Sự phụ thuôc vào cấu trúc nguyên tử của bia và của ion : Trên hính 3.6 trính bày sự phụ thuộc của N theo nguyên tử số cua 8 nguyên tố bia khi bị ion Ar + với năng lƣợng 400eV oanh tạc.đặc trƣng cơ bản của nó là N tăng trong giới hạn 1 chu kỳ của bảng tuần hoàn Mendeleev. nguyên tử số Hình 3.6 Giá trị N của 8 nguyên tố bia khi bị ion Ar + với năng lượng 400eV oanh tạc.

Hệ số phún xạ tăng có liên quan đến mức độ chúa đầy của lớp điện tử,đăc biệt lớp d. Khi lớp điện tử dƣợc chứa đầy,bề mặt bia sẽ kém trong suốt hơn đối với sự bán phá của một ion cho trƣớc.ở đây cho ta thấy độ xuyên sâu của ion đóng vai trò rất quan trọng, hệ số phún xạ lớn nhất đối với những bia có độ trong suốt kém nhất Cu (4s 3d 10 ), Ag(5s 3d 10 ), Au(6s 3d 10 ). Cũng có tình chất tƣơng tƣ trên đối với cấu trúc nguyên tử của ion oanh tạc (hính 3.7). Đối với bia đơn tinh thể,cấu trúc của đơn tinh thể cũng ảnh hƣởng lớn đến hệ số phún xạ N. Thực nghiệm và lý thuyêt đã chứng minh đƣợc rằng : nguyên tử phún xạ từ bia đơn tinh thể chủ yếu theo hƣớng chúng phân bố gần nhất (hƣớng đƣợc bó chặt nhất ). Hệ số phún xạ lớn nhất đối với bia có mạng lập phƣơng tâm diện và bé nhất đối với mạng lục giác và mang loại kim cƣơng. nguyên tử số Hính 3.7 Sự phụ thuộc của hệ số phún xạ N theo số nguyên tử số của các ion có năng lượng 30KeV khi oanh tạc lên bia Ag và Cu. Trang 108 3.7.6.Sự phân bố theo góc của hạt phún xạ: Vấn đề này rất quan trọng trong ứng dụng thực tế, đặc biệt để nhận đƣợc màng mỏng cao bằng phƣơng pháp phún xạ. Hính 3.8 trính bày giản đồ độc cực của sự phân bố theo góc của các hạt phún xạ từ bia Ni,Pt,Fe và Mo do ion Hg + với năng lƣợng 100,50,500,750,1000eV oanh tạc.trong giản đồ này, diện tìch đƣợc giới hạn bởi mỗi đƣờng cong độc cực sẽ tỉ lệ với hệ số phún xạ.những dạng đƣờng cong riêng biệt trên hính vẽ chứng tỏ sự phân bố khác xa định luật cosin,phần lớn các hạt phún xạ theo hƣớng song song với bề mặt bia và ìt hơn theo hƣớng trực giao với nó.hiệu ứng đó rất rõ đối với trƣờng hợp bia Mo và Fe(mạng lập phƣơng tâm khối) và ìt hơn đối với trƣờng hợp Ni và Pt (mạng lập phƣơng tâm mặt).

1000 Pt 750 500 50 100 1000 MO Ni 750 750 500 500 50 50 100 150 Hình 3.8:Giản đồ độc cực của sự phân bố theo góc của các Fe hạt phún xạ từ bia Pt,Ni,Mo,Fe do ion Hg + 1000 với năng lƣợng 100 (hay 150) oanh tạc. Từ hính vẽ (3.8) thấy rằng càng tăng năng lƣợng ion,sự phân bố góc của hạt nhân phún xạ càng gần đến định luật cosin.nhiều 750 nghiên cứu khác chứng tỏ rằng khi năng lƣợng ion lớn hơn 1KeV thí sự phân bố theo góc của các hạt phún xạ sẽ chuyển từ dƣới cosin sang trên cosin -tức là so với sự phân bố cosin thí phần lớn các 500 hạt phún xạ theo hƣớng trực giao với bề mặt bia và ìt hơn theo hƣớng song song với nó. Ngày nay chƣa có lý thuyết nào giải thìch đƣợc qui luật phân bố theo góc của các hạt phún xạ.tuy nhiên,những qui luật đó đã 50chứng tỏ rằng lý thuyết nhiệt phún xạ cũng không thìch hợp để mô tả quá trính phún xạ. Hiện nay,vấn 150 đề phún xạ katot đang đƣợc nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật nghiên cứu để ứng dụng.sự xói mòn bề mặt do phún xạ là một hiện tƣợng rất có hại. Vì dụ:trong phản ứng nhiệt hạch có điều khiển nguyên tử phún xạ từ bề mặt trong của thiết bị sẽ làm bẩn plasma và làm lạnh nó.phún xạ từ mặt ngoài của các con tàu vũ trụ gây nên bởi các dòng hạt là một tai hoạ nghiêm trọng.trong các đèn điện tử có katot đốt gián tiếp,phún xạ katot do ion của các khì còn lại có có thể rút ngắn rất nhiều tuổi thọ của đèn. Ngƣợc lại,ngƣời ta cũng dùng hiện tƣợng phún xạ để chế tạo màng mỏng của hầu hết các chất,chế tạo bơm ion getter,làm sạch bề mặt trong chân không.vv

CHƢƠNG IV NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BƠM CHÂN KHÔNG 4.1 KHÁI NIỆM VỀ BẬC CHÂN KHÔNG,BƠM CHÂN KHÔNG VÀ SỰ PHÂN LOẠI: 4.1.1. KHÁI NIỆM VỀ BẬC CHÂN KHÔNG: Nhiều quá trính vật lý trong chân không phụ thuộc rất lớn vào tỷ số va chạm giữa số va chạm tƣơng hỗ của các phân tử và số va chạm của phân tử đó với thành buồng của hệ chân không. Tần số va chạm giữa các phân tửvm v vm = 0 Từ tổng số va chạm của phân tử với thành buồng (n dàng tình đƣợc số va chạm trung bính C F)/4 xảy ra do nv phân tử trong hệ sẽ dễ của phân tử với thành buồng trong một đơn vị thời gian: ở đó F-diện tìch bề mặt thành buồng chân không;v-thể tìch buồng; d eff C = vf 4V v d eff =(4V/F)-kìch thƣớc hiệu dụng của buồng. Với buồng chân không là hính cầu có đƣờng kình D,thí kìch thƣớc hiệu dụng của buồng d eff =/3D;với buồng là ống hính trụ dài có đƣờng kình D,thí d eff =D. Tỷ số ( C / vm )đƣợc gọi là chuẩn số Knudsen: K n = C 0 m d eff Tuỳ thuộc vào giá trị của chuẩn độ không thứ nguyên K n,mà ngƣời ta phân biệt bậc chân không :thấp,trung bính và cao. Chân không thấp đƣợc hiểu là trạng thái khì, ở đó va chạm tƣơng hỗ giữa các phân tử khì vm lớn hơn va chạm của chúng với thành buồng C :K n <<1.Khi đó 0 << d eff.trong quá trính tạo màng bằng nhiệt bốc bay ở chân không thấp,sự va chạm của phân tử khì với phân tử hơi bốc bay không cho ta nhận đƣợc trên thành buồng hính ảnh của màn chắn đặt trên đƣờng bay của chùm hơi. Chân không trung bình-đó là trạng thái khí khi vm C hay K n 1.Khi đó 0 d eff. Chân không cao đó là trạng thái khì khi vm << C,hay K n>>1.trong trƣờng hợp này hình ảnh màn chắn chùm phân tử hơi trên thành bính khá rõ nét.

Chân không siêu cao có thể hiểu là miền chân không cao, ở đó phân tử bề măt bị phủ bởi khì hấp phụ không lớn hơn đại lƣợng cho trƣớc R o. Điều kiện tồn tại chân không siêu cao có thể viết dƣới dạng: d eff 0 >>1 <R 0 ở đó độ hấp phụ, đƣợc xác định từ (3.8) Nếu R 0 =10-3, để thoả mãn bất đẳng thức thứ của điều kiện trên đối với H O và dầu chân không (có nhiệt giải hấp E g 0Kcal/mol) từ (3.8) suy ra rằng áp suất trong buồng chân không phải nhỏ thua 10-11 torr. 4.1..BƠM CHÂN KHÔNG VÀ SỰ PHÂN LOẠI: Bơm chân không là thiết bị dùng để hút khì và hơi của các vật chất khác nhau ra khỏi thể tìch cần hút bằng chuyển động cơ học,hay tạo sự liên kết chúng bằng cơ chế hấp thu(hấp phụ vật lý,hoá học,hấp thụ,hấp phụ ion do phóng điện khì ) Theo quan điểm thực tiễn có thể chia các loại bơm trên ra làm nhóm: 1)Bơm hút khì hay hơi từ thể tìch cần hút,bắt đầu từ áp suất khì quyển(bơm sơ cấp). )Bơm làm việc đƣợc chỉ với điều kiện khi trong thể tìch cần hút đạt đƣợc chân không ban đầu(áp suất khởi động). Theo quan điểm khoa học có thể phân loại bơm chân không ra làm 5 nhóm: 1.Bơm làm việc trên cơ sở định luật Boi-Mariot..Bơm làm việc trên cơ sở định luật ma sát nội trong không khì. 3.Bơm phân tử:cơ và khuếch tán. 4.Bơm làm việc nhờ ion hoá chất khì. 5.Bơm bề mặt. Mỗi loại bơm chân không thƣờng chỉ có khả năng làm việc chỉ trong một miền áp suất giới hạn nên quá trính hút khì thƣờng gồm nhiều giai đoạn và mỗi giai đoạn đƣợc dùng một loại bơm khác nhau.trên hính 4.1 trính bày các miền áp suất làm việc của những loại bơm thƣờng đƣợc dùng nhiều nhất. Những thông số cơ bản của mỗi loại bơm chân không là:vận tốc bơm, áp suất tới hạn, áp suất khởi động, áp suất làm việc nhỏ nhất, áp suất làm việc lớn nhất. Vận tốc bơm S i (còn đƣợc gọi là tốc độ tác dụng) tại một tiết diện bất kỳ của ống nối có thể xác định nhƣ thể tìch khi đi qua tiết diện đó trong một đơn vị thời gian. S i =(dv/dt)

Bơm ngƣng tụ Bơm ion getter Bơm phân tử Bơm khuếch tán thuỷ ngân Bơm khuếch tán dầu Bơm phun tia hơi dầu Bơm phun tia hơi nƣớc Bơm hấp phụ Bơm quay rotor Bơm quay dầu vòng nƣớc 10 3 10 O 10-4 10-8 10-1 P,torr Hính 4.1.Khoảng áp suất làm việc của các loại bơm. Năng suất bơm là vận tốc dòng khì đi qua tiết diện ở lối vào của bơm. Đối với dòng dừng, điều kiện liên tục đƣợc thoả mãn: Q=P S H =P S eff =P i S i Ở đó S H -vận tốc bơm tại lối vào của bơm (tiết diện II); S eff - vận tốc bơm tại lối ra của guồng bơm chân không (tiết diện I).(xem hính 4.). H ính 4..Sơ đồ hệ chân không 1.Buồng chân không..bơm chân không. 3. Ống nối Áp suất tới hạn P n của bơm là áp suất cực tiểu m à bơm có thể đạt đƣợckhi không hút buồng chân không. Áp suất tới hạn đƣợc xác định bởi sự nhả khì của vật 3 liệu chế tạo bơm, bởi sự lọt khì qua khe và các hiện tƣợng khác sinhra trong quá trính bơm. Áp suất làm việc nhỏ nhất P min của

bơm chân không là áp suất cực tiểu mà bơm bảo toàn vận tốc bơm bính thƣờng trong một thời gian dài. Áp suất làm việc lớn nhất P max là áp suất cực đại, ở đó bơm vẫn bảo toàn vận tốc bơm bính thƣờng trong thời gian dài. Trong khoảng áp suất (P max -P min ) bơm sẽ làm việc hiệu dụng. Ápsuất khởi động P o của bơm là áp suất cực đại tại lối vào của bơm, ở đó bơm có thể bắt đầu làm việc. Các thông số của bơm chân không đƣợc trính bày trên đƣờng đặc trƣng cơ bản của nó S H =f(p).(hình 4.3). Hính 4.3: Đặc trƣng cơ bản s của bơm chân không S H P n P min P max P 0 Sự phụ thuộc của vận tốc b theo áp suất ở lối vào của bơm 4..QUÁ TRÌNH HÚT KHÍ 4..1.SỰ HÚT KHÍ TỪ THỂ TÍCH TẬP TRUNG: Trên hính 4.4 trính bày sơ đồ hút khì từ thể tìch V.Khái niệm bơm là đối với tất cả các hệ hút khì,kể cả ống dẫn chân không ở áp suất thấp có tồn tại hai nguồn khì cơ bản: +Q g -khì giải hấp từ bề mặt. +Q n -khì từ bên ngoài xuyên vào hệ. Để phân tìch tác dụng của hệ,ta hãy thay bơm thực tế bằng một bơm lý tƣởng có vận tốc hút khì S và nguồn khì Q u từ nguồn bơm chảy ngƣợc vào hệ.nhƣ vậy,có 3 nguồn khì với vận tốc nhả khì Q g,q n,q u.phƣơng trính cơ bản biểu diễn quá trính hút khì là: -VdP=dt(SP-Q g -Q n -Q u ) P Q g SP Q ng Q r Hình 4.4-Sự cân bằng hút khì Lƣợng khì trong hệ giảm trong khoảng thời gian dt bằng lƣợng khì đi qua bơm trừ luợng khì nhả từ ba nguồn. Đƣa dấu trừ vào là do dp âm-điều đó tƣơng ứng với áp suất giảm.sau khi kết thúc giai đoạn đầu của sự hút khì thí Q g,q n,q u là những nguồn khì duy nhất còn lại trong thể tìchv. Cuối cùng trạng thái cân bằng sẽ đƣợc thành lập,sau dó áp suất sẽ không còn giảm nữa.khi đạt đến áp suất tới hạn P n thì dp/dt=0 và: P n S=Q g +Q n +Q u (4.) Từ đó: S= Q P n (4.3)

Chúng ta có thể xác định vận tốc hiệu dụng của sự hút khì S eff khi có tình ảnh hƣởng của các nguồn khì khác nhau.từ phƣơng trính (4.) suy ra rằng PS eff = SP - Q = S(P-P n ); (4.4) Pn S eff =S(1- ) (4.5) p Ở đó S eff là hàm số của áp suất,và nó sẽ bằng không khi áp suất đạt tới giá trị tới hạn. Nếu hệ chân không đƣợc chế tạo tốt,q n có thể bỏ qua.p n đƣợc xác định bởi Q u và Q g. Nguồn khì Q n thƣờng không đổi,còn Q g và Q u thí biến đổi chậm theo thời gian.nếu khảo sát trong thời gian nào đó để Q có thể bỏ qua hoặc là một đại lƣợng không đổi thí ta có thể tìch phân phƣơng trính (4.1) với S=const(sau khi đã đƣa phƣơng trính (4.3) vào nó).kết quả nhận đƣợc: P-P n =(P 0 -P n )exp(- V S t) (4.6) Ở đó P 0 -áp suất trong hệ khi t=0 và rất lớn so với P n,ví vậy: P=P 0 exp(- V S t) + Pn (4.7) Khi P>>P n thí hằng số thời gian =V/S. Đại lƣợng đó rất thuận lợi cho việc đánh giá độ hiệu dụng của hệ bơm. Nếu bơm có vận tốc hút khì S đƣợc nối liền với hệ cần hút khì bằng ống dẫn có độ dãn C, thí vận tốc hút khì của hệ theo (.4) bằng: S c = sc s c (4.8) Từ đó suy ra độ dãn C phải đủ lớn để có thể dùng toàn bộ vận tốc hút khì của bơm.thƣờng C 10S.Nếu khả năng đó không đạt đƣợc mà hệ cần vận tốc hút khì lớn thí phải dùng bơm bề mặt,vì dụ nhƣ bẫy lạnh hay bơm hấp phụ,getter.từ phƣơng trính (.8) suy ra rằng bề mặt A(cm ) sẽ hấp phụ hay ngƣng tụ tất cả khì với vận tốc hút khì: S=3,64(T/M) 1/ A (l/s) Đối với khì N ở 0 o C có S=11,8A (l/s) Thời gian đầu của sự hút khì,dòng khì chảy theo chế độ nhớt,ví vậy ban đầu C phụ thuộc vào áp suất. Điều đó làm cho phƣơng trính (4.1) không thể lấy tìch phân.tuy nhiên do trở kháng của ống dẫn chân không trong chế độ nhớt là nhỏ nên thời gian đầu hút khì C >> S và S C =S. 4...SỰ HÚT KHÍ TỪ THỂ TÍCH PHÂN BỐ. Phìa trên chúng ta khảo sát hệ có thể tìch tập trung,khi độ dẫn của bính cần hút khì là rất lớn,còn thể tìch của ống nố rất nhỏ,có thể bỏ qua.bây giờ chúng ta sẽ khảo sát ống dẫn có thể tìch phân bố và thành bính của nó luôn luôn nhả khì.

Trên hính 4.5 trính bày ống dẫn có độ dài L,một đầu hàn kìn còn một đầu nối liền với bơm có vận tốc hút khì S.Gỉa thiết rằng bơm là lý tƣởng,tức là Q u =0,và ống d64n là kìn tuyệt đối.nhƣ vậy,một nguôn nhả khì duy nhấtcòn lại là Q g. Hãy đƣa vào các giá trị riêng về vận tốc nhả khì q = (Q g /L)và độ dẫn c=cl.thể tìch của ống dẫn trên một đơn vị độ dài v = (V/L).Vận tốc của dòng khì bằng (cdp/dx).nếu ta khảo sát một nguyên tố ống dẫn có độ dài dx thí sự biến đổi giữa tiết diện ngang với (x +dx) sẽ bằng vận tốc nhả khì trừ vận tốc hút khì chứa trong thể tìch: c(dp/dx) x+dx -c(dp/dx)x = -(q-vdp/dt).dx (4.9) Ví rằng hƣớng của dòng khì ngƣợc với gradien áp suất nên vế phải của phƣơng trính là âm.dễ dàng thấy rằng nó biểu diễn biến đổi của lƣơng khì trong nguyên tố có độ dài dx. s x X+d x X=c Hính 4.5.Hút khì từ thể tìch phân bố Đầu tiên chúng ta giả thiết rằng q = 0 và dòng theo chế độ phân tử.từ phƣơng trính (4.9) suy ra rằng: c V d P = c dx L V d dx P = dp dt Phƣơng trính này tƣơng tự phƣơng trính khuếch tán(3.6),d tƣơng ứng với CL /V. Để giải nó ta phải biết điều kiện biên và điều kiện ban đầu. Gỉa thiết rằng, đầu tiên áp suất trong ống không đổi và bằng P o.khi t = 0 tại x =0 đƣợc nối liền với bơm có vận tốc hút khì rất lớn (S >> C),từ đó: p 0 x < L t = 0; p 0 p x = 0 t >0 ; 0 x =L t 0 ; dp/ dv 0 Điều kiện cuối đƣợc rút ra từ lý do là dòng khì ở đầu hàn kìn bằng không.nghiệm của phƣơng trính (4.10) có: (x 1) x sin exp L P = P 4 1 o n 0 (n 1) 4 (n 1) C V t (4.11) Biểu thức nhận đƣợc trùng với phƣơng trính (3.17) - biểu diễn sự khuếch tán của khì từ một phìa của bảng phẳng ra ngoài chân không.theo điều kiện đối xứng ở tâm,phải thoả mãn điều kiện : * ( c / x ) = 0 Độ dài L = d/,tức là bằng nửa chiều dày của bản phẳng. Áp suất sẽ cực đại tại x = L, khi đó: P max = 4 C P exp t đối với t >0.1V 0 4V C

Vì khi 4 C V t >0.5 thí có thể bỏ qua các số hạng cao hơn. Nếu cần thiết hút khì,vì dụ N từ ống mao dẫn hính trụ đƣợc gắn liền với bính chân không thí từ (.15) và (4.1) có thể xác định đƣợc hằng số thời gian từ quá trính đó: Vì dụ nhƣ D=10-4 cm,l= cm thì =,6.10-5 (L /D) sec Ở đây Lvà D theo cm. Đối với trƣờng hợp khó khăn nhất là khi: cũng chỉ bằng 1 sec.ví vậy,những lỗ trống mao dẫn bên trong hệ thực tế không phải là nguồn nhả khì lâu,nếu chúng không bị cô lập khỏi thể tìch hút nào đó rất lớn Bây giờ chúng ta sẽ khảo sát điều kiện cân bằng của quá trính hút khì.nếu vận tốc nhả khì là không đổi và bằng q,từ phƣơng trính 4.9 suy ra rằng: c d dx P q (4.14) x =L Điều kiện biên có: dp/ dx 0 x = 0 PS ql Điều kiện thú khẳng định rằng,năng suất của bơm bằng vận tốc nhả khì trong toàn ống Q g.tích phân cho ta: P = q S x c L x L (4.15) *c-nồng độ của khì trong phƣơng trính (3.17) Khuyếch tán của khì từ một phìa của bảng phẳng ra ngoài chân không theo điều kiện đối xứng ở tâm, phải thỏa mãn điều kiện: ( c/ x ) 0 Độ dài L=d/.tức là bằng nửa chiều dài bảng phẳng. áp suất cực đại tại x=l: 4 C Pmax exp( ) t đối với t 0,1 V 4V C (4.1) C Ví rằng khi. t 0,5 thí có thể bỏ qua các số hạng cao hơn. 4 V Nếu cần thiết hút khì, vì dụ N từ ống mao dẫn hính trụ đƣợc gắn liền với bính chân không, thì (.15) và (4.1). Có thể xác định hằng số thời gian của quá trính đó. 5,6.10 ( L / D )sec (4.13) 4 Ở đây L và D theo cm. Đối với trƣờng hợp khó khăn nhất là khì. Vì dụ D 10 cm, L=cm, thì cũng bằng 1sec. ví vậy những lỗ trống bên trong hệ thực tế không phải là nguồn nhả khì lâu nếu chúng không bị cô lập khỏi thể tìch hút khì nào đó rất lớn. Bây giờ chúng ta sẽ khảo sát điều kiện cân bằng của quá trính hút khì, nếu vận tốc nhả khì là không đổi và bằng q. từ phƣơng trính (4.9) suy ra rằng: p c. q (4.14) x

Điều kiện biên nếu có: x=l dp dx 0 x=0 ps ql Điều kiện thứ khẳng định rằng năng suất của bơm bằng vận tốc nhả khì trong ống Qg tích phân (4.15) p cho ta: L x x q{ ( L )} S c (4.16) P max l L ql( ) S c Áp suất p giảm theo dạng parabol từ P max tại x=l đến p=ql/s tại x=0 ở lối ra của bơm. 4..3. Phƣơng pháp đo dòng khí và vận tốc bơm. Trong kỹ thuật chân không, vấn đề xác định dòng khì và vận tốc bơm đóng vai trò quan trọng. Với nhiệt độ khì không đổi, dòng khì có thể xác định bằng biểu thức: d ( PV ) Q p( dv / dt) V ( dp / dt). dt Để đo dòng khì (hay vận tốc bơm) có thể dùng phƣơng pháp thể tìch không đổi (V=const). Với V=const thì: (4.15a) Q= V(dp/dt) Với p=const thí: (4.15b) Q=V(dv/dt) Phƣơng pháp áp suất không đổi có cách đo khác nhau. Sơ đồ (4.6a) dùng để đo dòng khì chảy vào bơm với dụng đo là ống chuẩn độ dầu (buret) 5. Buret làm việc ở áp suất khì quyển nhƣ đƣợc chứng tỏ trên (4.6a), thí sự chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài buret khì biến đổi mức dầu trong nó có thể bỏ qua. Khi đó dòng khì chảy vào bơm của thử nghiệm 1 qua van kim 3 đƣợc xác định (4.15b) Q P at( v / t). Ở đó Pat -là áp suất khì quyển.v thể tìch đƣợc bơm từ buret trong thời gian t. Áp kế dùng đo áp suất p trong buồng chân không đặt trực tiếp trên lối vào của bơm. Kìch thƣớc buồng đƣợc chứng tở trên hính vận tốc bơm đặt tại vị trì đặt áp kế đƣợc xác định từ điều kiện dòng dừng: SH ( Q / P) Pat( V / pt) Van 4 là cần thiết để đẩy dầu ra khỏi buret và lặp lại phép đo. Điều kiện chỉnh đại lƣợng dòng khì chảy vào bơm bằng vam kim, có thể nhận đƣợc áp suất khác nhau ở lối vào của bơm, rằng cho ta khả năng xây dựng đƣờng đặc trƣng cơ bản SH f ( p) Phép đo dòng khì bằng áp kế đƣợc trính bầy trên hính (4.6b). Dòng khì chảy qua bơm thử nghiệm 5 đƣợc đo theo sự chênh lệch áp suất do màn chắn 3 có độ dẫn C tạo nên. Màn chắn đƣợc đặt trong buồng vời kìch thƣớt đƣợc chỉ dẫn trên hính. Áp suất p1 và p đƣợc đo bằng áp kế và 4. Điều chỉnh áp kế p và do đó p1 bằng vam kim 1 và hệ bơm phụ. Vận tốc bơm đƣợc xác định:

Q C( P1 P) SH. P1 P1 Phƣơng pháp áp suất không đổi thƣờng đƣợc dùng khi vận tốc bơm lớn. Với áp suất ở lối vào bơm lớn, thí dùng sơ đồ (4.6a), ví rằng phƣơng pháp áp kế chỉ đo đƣợc với dòng khì bé hơn là buret dầu. Phƣơng pháp thể tìch không đổi là phƣơng pháp giả dừng. Ví trong quá trính đó S H vẫn làm việc ở chế độ không dừng, tức là năng suất bơm biến đổi theo thời gian Thiết kế để thực hiện đo bằng phƣơng pháp này (hính4.7a) rất đơn giản: gồm bơm chân không 1,nối trực tiếp với buồng chân không 3, áp kế. Để tình vận tốc bơm ta cần vẽ đƣờng cong lgp=f(t) với thể tìch V của buồng chân không đã biết. Từ (4.15a) hay trực tiếp từ (4.7)với điều kiện Pn P ta nhận đƣợc : (lg P1 lg P) (4.16) SH.3V ( t t1) Hay SH.3Vtg Ở đó - góc giữa đƣờng tiếp tuyến của đƣờng cong lgp = f(t) với trục t. Nhƣ vậy với vận tốc bơm SH với áp suất khác nhau có thể nhận đƣợc từ (4.16) hay từ đồ thị Chú ý rằng buồng chân không trong phƣơng trính này phải đủ lớn để kịp ghi chỉ số của áp kế theo thời gian. Nhƣ vậy, phƣơng pháp thể tìch không đổi chỉ thuận lợi cho những trƣờng hợp bơm có năng suất nhỏ. Thông thƣờng phƣơng pháp này đƣợc dùng để đo S H của bơm sơ cấp, ví rằng với áp suất thấp hơn thí kết quả đo có thể bị lệch, bởi sự nhả khì của buồng chân không V. 4.3. Phƣơng pháp tạo chân không 4.3.1. Bơm thể tìch: Bơm thể tìch làm việc trên cơ sở định luật Boi-Mariot. Đó là bơm piston, bơm vòng chất lỏng là bơm quay. Trong bơm thể tìch phải thực hiện những công đoạn cơ bản sau đây: 1. Hút khí do vùng mở rộng vùng làm việc của bơm.. Giảm thể tìch vùng làm việc của bơm và nén khì đang nằm trong đó. 3. Đẩy khì nén khỏi vùng làm việc ra ngoài khí quyển hay bơm ban đầu. Sơ đồ làm việc của bơm thể tìch sự phụ thuộc của bơm thể tìch Vk và áp suất Pk trong vùng làm việc của bơm theo thời gian đƣợc trính bày trên hình 4.8 Hình 4.8 Sơ đồ làm việc của bơm thể tìch V k = f(t); Pk = f(t) Pk = f(t) khi dùng bộ phận xả khì tại thời điểm t (xem 4.3.14) Trong khoảng thời gian t1, bơm hút khì (miền I) từ t1 đến t3, nén khì (miền II) và từ t3 đến t4 đẩy khì ra ngoài (miền III) sau đó chu kỳ lặp lại. Vận tốc hính học của bơm thể tìch bằng:

S r =V k n Trong đó: V k là thể tìch làm việc của bơm, n là tần số chu kỳ bơm. Trở kháng của ống dẫn khì vào bơm làm giảm vận tốc bơm (xem biểu thức (4.8)). Vận tốc thực của bơm luôn luôn nhỏ hơn vận tốc hính học do dòng khì chảy ngƣợc vào hệ (xem biểu thức (4.5)). Do đó vận tốc hút bơm thực tế của bơm bằng SrC Pn (4.17) S (1 ) K Sr Sr C C Trong đó: K C(1 Pn / P) /( Sr+C) - Hệ số truyền dẫn. Để tăng vận tốc hút khì, cần thiết tăng V k và C. Tần số chu kỳ bơm n có giá trị tối ƣu của nó. Nếu vƣợt giá trị tối ƣu đó, bơm sẽ cháy hoặc bơm không chứa đầy khì trong vùng làm việc của bơm. Để xác định áp suất tới hạn P n hãy viết phƣơng trính cân bằng vật chất. G 0 + G b = G 1 Trong đó: G 0 là lƣợng khì trong thể tìch cần bơm trƣớc khi bắt đầu bơm. G b là lƣợng khì đi vào thể tìch cần bơm trong quá trính bơm. G 1 là lƣợng khì trong thể tìch cần bơm và trong bơm sau một chu kỳ bơm. Phƣơng trính có thể viết đƣợc dƣới dạng: P 0 V p + 1V b P c = V 1 (V p +V k ) Trong đó: V b thể tìch cần bơm. V b thể tìch không gian có hại. P c áp suất lối ra. 1 hệ số. Tình sự nhả khì của bơm và sự rò khì từ vùng nén sang vùng hút :P 0 áp suất đầu tiên trong thể tìch cần bơm P 1 áp suất cuối trong thể tìch cần bơm. Nghiệm phƣơng trính trên đối với P 1 : Vp Vb Vp P1 P0 1 Pc. Vp Vk Vp Vp Vk Nếu thực hiện thêm 1 chu kỳ tiếp theo, ta có: Vp Vb Vp Vp Vb Vp Vp P P1 1 Pc. P0( ) 1 V[ +( ) ] Vp Vk Vp Vp Vk Vp Vk Vp Vp Vk Vp Vk (4.18) Sau n chu kỳ bơm ta nhận đƣợc : n 1 Vb 1 Pn P0 1 Pc n [1+(V k/avp)] Vp [1+(V k/vp)] m 1 n Khi n thí số hạng tiến đến không, còn số hạng thứ có dạng: n 1 [1+(V )] m 1 k/vp m V V p k Khi đó (4.18a) có thể viết dƣới dạng đơn giản: V P 1 b Pc Vk Từ phƣơng trình trên thấy rằng, áp suất tới hạn đƣợc xác định bởi tỉ lệ giữa thể tích không gian có hại với thể tìch làm việc của bơm, áp suất lối ra và hệ số 1. Hình 4.9 sơ đồ PV

Ví rằng sự nhả khì của bơm gồm: nhả khì từ các chi tiết bơm, nhả khì từ chất hòa tan trong chất lỏng, áp suất bão hòa chất lỏng, lọt khì qua các điểm tiếp xúc trong buồng bơm, nên để áp suất tới hạn P nhỏ cần dùng bẫy để ngăn chặn hơi chất lỏng đi vào thể tìch cần bơm, hay nối bơm để giảm thể tích lối ra. Công suất cần thiết W của bơm quay bằng công suất nén khì đến áp suất lối ra W n (công suất có ìch )và công suất thắng lực ma sát W m. sơ đồ làm việc của bơm theo PV đƣợc trính bày trên hính 4.9. Sơ đồ đó xác định công của một chu kỳ nén. Nhƣ đã biết từ nhiệt động học công nén đối với trƣờng hợp đa biến 1 Pa (m-1)/m (4.19) A P 1 V 1 [( ) -1] m 1 P 1 Trong đó V 1 -thể tìch vùng làm việc của bơm khì lớn nhất :m- chỉ số đa biến :P 1 và P a áp suất hút và thoát. Công của một chu kỳ nén - miền gạch sọc trên hính (4.9). (4.0) A=A +P a V a -P 1 V 1 Trong đó V a là thể tìch vùng làm việc của bơm tại thời điểm đạt đến áp suất P a. Vì quá trính đa biến thỏa mãn hệ thức: m m a a P1V 1 PV nên: (4.1) P a V a -P 1 V 1 PV 1 1 P1 Dựa vào (4.19) và (4.1) vào (4.0) ta nhận đƣợc: (4.) Pa A P 1 V m Pa 1 m 1 P 1 (m-1)/m [( ) -1] (m-1)/m [( ) -1] Ví công suất có ìch bằng: Wn = (A/t) = na Trong đó t=1/n thời gian của một chu kỳ, nên dùng biểu thức (4.) ta có: m P m 1 P Vì S r =V 1 n nên: (m-1)/m W n=nv1p1 [( ) -1] m Pa (m-1)/m W n=srp1 [( ) -1] m 1 P1 (4.3) Tích phân (4.3) tính theo P 1, rồi cho nó bằng 0, ta nhận đƣợc biểu thức Wn m ( 1)/ (1 )/ =Sr ( P m m m m a (1/ m ) P1 1) 0 (4.4) P1 m 1 Phân tích (4.3) và (4.4) suy ra rằng W n =0 với P 1 và P 1 =P a còn có công suất đạt đến giá trị cực đại khi: (4.5) P a 1 Pa 1 ( m 1) / m Đƣờng cong phụ thuộc của công suất có ìch theo áp suất đƣợc trính bày trên hính (4.10) m

Với m=1.: P a =1000 toor, thí công suất cực đại tƣơng ứng với 50 toor, với áp suất thấp (<10 toor), công suất chỉ dùng để thắng lực ma sát với áp suất cao (-760 toor) công suất bơm giảm, ví bơm không đòi hỏi nén lớn. Hãy khảo sát một loại bơm thể tìch thƣờng gặp. 4.3.1.1 Bơm chân không piston: Bơm thực hiện do biến đổi chu kỳ thể tìch hính trụ. Nguyên tắc hoạt động của nó đƣợc trính bày trên hình (4.11). Khi piston chuyển động lên, thí van S 1 mở và thể tìch làm việc của bơm tăng từ giá trị V b (không gian có hạn) đến V max. Khi piston chuyển động xuống, khì sẽ bị nén làm cho van S mở, do đó khì thoát ra ngoài hệ. Áp suất tới hạn của bơm thỏa mãn biểu thức (4.18): Hính 4.11 nguyên tắc hoạt động của bơm piston Bơm piston thông thƣờng với van tự động đóng mở, thì P n từ 30 torr đến 8 torr. Bơm với van trƣợt. áp suất tới hạn thấp hơn. P n ~3 toor đối với bơm 1 cấp và 1 toor đối với bơm cấp. Vận tốc hút của bơm th```ỏa mãn biểu thức (4.17) với C<<S, thí S~10 4000 l/sec. bơm thƣờng làm việc bắt đầu từ áp suất khì quyển. Nhƣợc điểm của bơm piston là quá trính hút khì không đều đặt, không cân bằng, công suất để thắng lực ma sát lớn (00 wat/(l/sec)), và trọng lƣợng lớn (10~0 Kg/(l/sec)). 4.3.1.. Bơm vòng chất lỏng: Bơm vòng chất lỏng còn đƣợc gọi là bơm piston chất lỏng (hính 4.1) Bơm có vỏ hính trụ 1 và bánh xe đặt lệch tâm với nó. Trên bánh xe có gánh chặt những chiếc gầu 6. Khi bánh xe chuyển động, dƣới tác dụng của lực ly tâm, chất lỏng sẽ bị nén vào thành vỏ hính trụ 1 và chúng sẽ tạo thành những vòng chất lỏng 4. Nhƣ vậy đã thành lập những ô riêng biệt có kìch thƣớc không đều nhau giữa vòng chất lỏng với những chiếc gầu. Đầu tiên thể tìch của ô tăng và khì đi qua lổ hút 3 từ một cánh để vào bơm. Sau đó thể tìch của ô giảm, khì bị nén qua lổ thoát 5 và thoát ra ngoài bơm. Để hút không khì với hơi nƣớc, chất lỏng làm việc là nƣớc. Để hút khì Cl-chất lỏng làm việc là H SO 4 đậm đặc vv Loại bơm nàycó cấu tạo và sử dụng đơn giản hơn piston, ví chúng không có van và thiết bị phân phối. Áp suất tới hạn của bơm này đƣợc xác đinh bằng áp suất bão hòa của chất lỏng làm việc. Bơm vòng nƣớc, làm việc ở nhiệt độ nƣớc 0 0 c có áp suất tới hạn ~53 toor đối với bơm 1 bậc và ~3 toor đối với bơm bậc. Bơm có thể làm việc từ áp suất khì quyển. Vận tốc hút trong khoảng từ 5 500 l/sec (với áp suất khì quyển) và giảm khi áp suất giảm (hính 4.13).

Loại bơm vòng nƣớc khá thuận lợi khi sử dụng nó để hút khì bẩn, ẩm, acid và các khì dễ nổ. Hình 4.13 S=f(P)= đặc trƣng của bơm vòng nƣớc. Nhƣợc điểm của chúng là công suất riêng lớn (00 watt/sec) để quay vòng chất lỏng trong bơm. Trọng lƣợng riêng gần 10 Kg /(l/sec). 4.3.1.3. Bơm quay thủy ngân: Nguyên tắc hoạt động của bơm quay thủy ngân đƣợc trính bày trên hính 4.14 Rotor của nó gồm buồng dạng hính xoắn ngoằn ngoèo và quay trong stator hính trụ có chứa thủy ngân đến mức tƣơng ứng. Khi rotor quay theo hƣớng ngƣợc kim đồng hồ, thí thể tìch buồng 5 tăng do đó khì bị hút qua lổ hút a từ buồng phụ 3 này đƣợc nối thông với thể tìch cần hút khì bởi ống 4. Trong lúc đó thể tìch của buồng 6 tiếp tục giảm, ở đấy khì bị nén ví lỗ b đã bị thủy ngân bịt kìn. Do đó khì bị ép vào không gian giữa tƣờng hính xoắn để thoát ra không gian tự do của stator. Không gian này đƣợc nối liền với bơm ban đầu qua ống 7. Chu kỳ trên sẽ lặp lại trong 1/ vòng quay thứ của sator, chỉ khác trƣớc buồng 6 hút khí, còn buồng 5 nén khì ra không gian tự do 1 của stator. Bơm quay thủy ngân đòi hỏi áp suất khởi động P 0 khoảng 10 0 toor, để không cho thủy ngân vào thể tìch cần hút. Vận tốc hút của bơm này, đầu tiên khoảng vài cm 3 /sec, nhƣng sau đó giảm nhanh khi áp suất đạt tới 10-3 toor và chỉ còn lại 0 30 cm 3 /sec khi áp suất đạt tới 10-4 toor. Áp suất tới hạn của loại bơm này đƣợc xác đinh bởi hơi bão hòa Hg. Nếu có bẫy lạnh áp suất tới hạn có thể đạt đƣợc 10-5 toor. Khi dùng bơm này phải thận trọng, ví rằng trong trƣờng hợp bơm đột ngột bị hở thí nó có thể hỏng do Hg va đập mạnh. Hính 4.14 bơm quay thủy ngân Ngày nay bơm quay thủy ngân không còn dùng trong kỹ thuật nữa. 4.3.1.4. Bơm quay không dầu: (Còn đƣợc gọi là bơm quay rotor hay bơm roots): Bơm quay thủy ngân vừa khảo sát trên có vận tốc hút khì nhỏ và hơi thủy ngân dễ dàng rơi vào hệ cần hút khì.những nhƣợc điểm trên dễ dàng loại trừ nếu bơm quay không chứa Hg. Bơm quay rotor không cần bôi trơn,ví rotor và stator không tiếp xúc với nhau do có khe hở đặc biệt nhỏ giữa chúng.sự không kìn đó sẽ làm giảm một ìt vận tốc hút khì và áp suất tới hạn của bơm.tuy nhiên,khi vận tốc của bơm của rotor lớn thí có thể nâng cao vận tốc hút khì và chân không sẽ có độ Sạch rất cao. Hính 4.15 trính bày nguyên tắc hoạt động của bơm quay rotor.hai rotor 1 và có dạng nhƣ hính vẽ để đảm bảo sự đồng bộ khi chúng đồng thời quay (theo chiều các mũi tên). Khe giữa chúng,cũng nhƣ giữa rotor và stator phải đủ nhỏ (khoảng 10-1 -10 - mm).rotor phải định tâm tốt và tần số quay của chúng khoảng.10 3-4.10 3 vòng/phút. Vận tốc hút khì:

Dòng khì theo hƣớng bơm đƣợc tạo bởi rotor có thể xác định theo biểu thức: (4.6) I + =Sp Ở đó S-vận tốc hút khì,s phụ thuộc vào thể tìch làm việc V p giữa rotor và stator (hính 4.15) và tần số quay n của rotor. (4.7) S = nv p Dòng khì theo hƣớng ngƣợc lại đƣợc tạo bởi sự không kìn và có thể xác định theo biểu thức: (4.8) I - = C H (p o -p) Ở đó C H -độ dãn trung bính cảu sự không kìn (tức là của khe),p-áp suất ở lối vào;p o -áp suất ở lối ra. Vận tốc hiệu dụng của sự hút khì đƣợc xác định bằng hiệu số của dòng khì trên: (4.9) I = I + -I - = Sp-C H (p o -p) Từ đó vận tốc của sự hút khì bằng: (4.30) CH p S = I/p = S V 1- SV p0 1 Hình 4.15: 1, Rotor; 3-Stator; V p - thể tìch hốc Trang 130 Mỗi vòng quay của một rotor, lƣợng khì đƣợc bơm bằng V p với áp suất bơm.nhƣ vậy, thể tìch làm việc V p = 4V p Để tăng vận tốc hút khì,cần hƣớng (C H /S) đến giá trị nhỏ nhất.muốn vậy,cần thiết kế khe có giá trị nhỏ đến mức có thể,đồng thời tăng thể tìch buồng bơm và tăng vận tốc quay của rotor. Áp suất tới hạn: Áp suất tới hạn Pn nhận đƣợc khi S =0,từ (4.30) ta có: po (4.31) Pn = 1 ( S / CH ) Thƣờng S>>C H.Với áp suất nhỏ (p o ~1 torr),hệ số nén (p o /p n =S/C H =30-60).Khi tăng áp suất (với p~100 torr) thí độ dãn C H tăng,do đó hệ số nén giảm,thƣờng (p o /p n =10) Từ (4.31) suy ra rằng,với S và C H xác định,áp suất tới hạn pn rất nhạy với sự biến đổi với áp suất ban đầu P o.đó là đặc trƣng nổi bật của bơm quay rotor mà nhiều loại bơm chân không không có.để áp suất tới hạn P n nhỏ,thƣờng ngƣời ta dùng bơm chân không ban đầu cho loại bơm rotor này. Miền ứng dụng: Bơm quay rotor ra đời chƣa lâu so với các loại bơm chân không cơ học. Loại bơm này đƣợc sản xuất với các kìch thƣớcvới các kìch thƣớc khác nhau,có vận tốc hút khì từ 5 lìt/sec hay lớn hơn nữa.với hệ chân không ban đầu tốt,áp suất tới hạn Pn của bơm rotor hai bậc có thể đạt tới 10-4 -10-5 torr và vận tốc hút khì cực đại trong miền áp suất 10-10 -3 torr(hình 4.15b). Loại bơm này thƣờng đƣợc dùng cho những trƣờng hợp cần vận tốc hút khì lớn trong dãy áp suất rộng,nhƣ trong công nghiệp luyện kim,hút khì trong các lò nung,thiết bị chƣng cất,máy ly tâm,thiết bị sấy khô,thiết bị khử chất độc,thiết bị tẩm trong chân không,v.v ngoài ra,bơm rotor còn đƣợc dùng để thay thế bơm làm việc bằng luồng hơi,ví khi đó bắt buộc phải có bẫy lạnh để ngƣng tụ hơi lỏng. Những đặc trƣng riêng của bơm: (0.5-3)kg/(l/sec) và (6-30) watt/(l/sec).

4.3.1.5.Bơm quay dầu: Tùy theo cấu tạo,có thể chia loại bơm quay dầu thành nhiều kiểu:rotor-lá gạt;stator-lá gạt;van trƣợt. 1)Bơm rotor-lá gạt: Cấu tạo:bơm gồm một hính trụ rỗng (stator) và một hính trụ đặc (rotor).hai hính trụ này đặt lệch tâm với nhau và luôn luôn tiếp xúc nhau tại điểm M (hính 4.16).Stator có lỗ:lỗ hút khì và lỗ tỏa khì.hai lá gạt P 1 và P nằm dọc đƣờng kình rotor và luôn luôn tiếp xúc với thành (phìa trong)của Stator nhờ lò xo nén.chúng ngăn thành 3 vùng giữa rotor và stator:vùng hút khì,vùng truyền và vùng tỏa khì. Hoạt động: Khi rotor quay theo hƣớng mũi tên trên hính vẽ thí thể tìch vùng hút khì tăng,do đó áp suất trong thể tìch cần hút khì nối liền với bơm giảm. Khi lá gạt P đạt đến lỗ hút khì,thí vùng hút khì trở thành vùng truyền. Khi lá gạt P 1 đến lỗ tỏa khì,thí vùng truyền trở thành vùng tỏa khì và khì sẽ tỏa ra ngoài theo lỗ tỏa khì. Quá trính đó lặp đi lặp lại tƣơng tự.thể tìch nằm giữa lỗ hút khì và lỗ tỏa khì với điểm M là không gian có hại.thật vậy,khì sẽ bị nén rất mạnh trong không gian có hại bên phải,trong lúc đó khì loãng đƣợc tạo nên trong không gian có hại bên trái.ví vậy khì sẽ lọt qua điểm M. Van,gồm có nút van E phủ khìt lỗ tỏa khì nhờ một lò xo nén.nhờ có van đó mà áp suất trung bính trong vùng tỏa khì giảm,cho nên khì lọt qua điểm M giảm Điều đó đƣợc minh họa trên hính 4.17-trính bày sự biến đổi của áp suất trong vùng hút khì và vùng tỏa khì khi rotor quay.đƣờng cong chứng tỏ rằng: a.áp suất trong vùng hút khì giảm theo định luật hàm mũ (4.7) b.khi khì bắt đầu thoát ra,áp suất p trong vùng tỏa khì lớn hơn một ìt áp suất khì quyển p a (đại lƣợng (p-p a ) bằng lực đẩy van lên);tuy nhiên khoảng thời gian tồn tại áp suất p đó giảm dần qua nhiều vòng quay của rotor,và khi đạt đến áp suất tới hạn,thí van sẽ không nâng lên đƣợc nữa,ví rằng áp suất trong cùng tỏa khì cũng nhỏ nhƣ trong vùng hút khì,do đó khì sẽ không lọt qua điểm M Hình 4.17 Hình 4.16 Toàn bộ bơm đƣợc nhúng trong dầu để tránh khì lọt từ ngoài vào qua khe hở đồng thời có tác dụng làm lạnh bơm khi hoạt động. Nhƣợc điểm của bơm này là có nhiều chỗ tiếp xúc với bề mặt chuyển động và không gian có hại tƣơng đối lớn.ví vậy áp suất tới hạn của nó chỉ vào khoảng 10 - torr. Để giảm áp suất tới hạn,thƣờng ngƣời ta chế tạo bơm hai bậc,tức là hai bơm nối tiếp nhau.áp suất tới hạn của nó có thể đạt tới 10-3 torr. Vận tốc hút khì của kiểu bơm này có: S = m 3 /giờ với p~0,1 torr ở bơm có kìch thƣớc nhỏ nhất. S = 000m 3 /giờ với p~0,1 torr ở bơm có kìch thƣớc lớn nhất. Đặc trƣng riêng của bơm: (10-30)Kg/(l/sec) và (0,1-0,3)Kg/(l/sec)

)Bơm Stator-lá gạt: Trên hính 4.18 trính bày sơ đồ cấu tạo của nó.vỏ bơm là một hính trụ rỗng 1(stator),bên trong nó là một hính trụ rotor hính trụ quay lệch tâm.khi rotor quay thí nó luôn luôn tiếp xúc với thành phía trong của stator.vùng hút khì 3 cách biệt vùng tỏa khì 4 nhờ một lá gạt linh động 5.Lá gạt này tiếp xúc rất sìt với bề mặt rotor nhờ đòn bẩy 6.Khì thoát ra ngoài nhờ lỗ tỏa khì 7.Để giảm khối lƣợng và để trọng tâm rotor trùng với trục quay,ngƣời ta khoét lỗ bên trong nó.nhƣ vậy sẽ tránh khỏi nhịp đập mạnh. Cấu tạo kiểu bơm này có ƣu điểm sau:giảm vị trì trƣợt,không có khe rỗng trong rotor và thể tìch không gian có hại nhỏ nên lƣợng khì lọt qua vùng hút khì giảm và áp suất tới hạn nhỏ hơn.thông thƣờng loại bơm có hai bậc và áp suất tới hạn khoảng 10-4 torr. 3)Bơm van trượt: Về cấu trúc có thể xem bơm này là liên hợp của piston và stator-lá gạt.sơ đồ cấu tạo của nó đƣợc trình bày trên hình 4.19 Bộ phận cơ bản là piston,gồm có bản rỗng 1 đƣợc gắn chặt trên vỏ áo và rotor 3;trục truyền động đặt lệch tâm 4.Bản 1 thực hiện chức năng piston,phìa trên liên kết với khớp nối hính trụ-van trƣợt 7.Van này bảo đảm đu đƣa tự do và chuyển động tịnh tiến qua lại piston.khi rotor 3 quay thí vỏ áo trƣợt theo nó,còn đƣờng tiếp xúc giữa vỏ áo với stator 5 sẽ dịch chuyển lăn theo bề mặt bên trong của nó.điều đó làm giảm sự ma sát và đốt nóng bơm.khi rotor quay theo chiều mũi tên trên hính vẽ,thí vùng hút khì A tăng và khì sẽ đƣợc hút qua lỗ hút khì trong bản 1.Đồng thời khì bị nén trong vùng B và đấy nó ra ngoài khì quyển qua van 6.Chu kỳ làm việc của bơm van trƣợt xảy ra sau vòng quay của rotor.bơm không cần nhiều dầu bôi trơn và làm lạnh.để bôi trơn bề mặt hoạt động và làm tốt hơn độ kìn của bơm,dầu đƣợc cho với lƣợng không lớn vào vòng bìt kìn trục truyền động và buồng làm việc của bơm theo đƣờng ống dẫn dầu riêng biệt. So với các loại bơm quay dầu,bơm van trƣợt có vận tốc hút khì rất lớn nhờ tăng số vòng quay và khì ban đầu đƣợc hút bằng piston. Áp suất tới hạn cỡ 10-3 torr-lớn hơn bơm stator-lá gạt một ìt.ví vậy,ngƣời ta dùng nó trong trƣờng hợp năng suất bơm lớn và áp suất tới hạn không cao.

4)Bơm có bộ phận xả khí: Nếu trong hệ chân không có chứa một lƣợng hơi nƣớc hay chất lỏng dễ bay hơi,thí các loại bơm quay dầu làm việc kém hiệu dụng.điều đó đƣợc giải thìch là,hơi nƣớc chất lỏng bão hòa không thỏa mãn định luật pv=const.khi bị nén,áp suất hơi không biến đổi,nén áp suất tới hạn,hơi sẽ ngƣng tụ và trộn lẫn trong dầu,tạo thành nhũ tƣơng. Ví vậy,ban đầu khối lƣợng của khì sẽ bị hút và áp suất riêng phần của nó trong vùng tỏa khì giảm,van của lỗ tỏa khì bắt đầu mở chậm và sau đó sẽ đóng hoàn toàn. Tác dụng của bộ phận xả khì là dùng khì để thổi hơi chất lỏng.để thực hiện điều đó,hãy cho một lƣợng khì từ khì quyển vào vùng tỏa khì qua lỗ đặc biệt có thể điều chỉnh đƣờng kình của nó đƣợc.bây giờ áp suất riêng phần của khì rất lớn hơn áp suất hơi lỏng,do đó van bắt đầu mở và khì cùng hơi sẽ thoát ra ngoài. Thử hỏi,nếu không có bộ phận xả khì thí bơm quay dầu hút đƣợc bao nhiêu lƣợng hơi chất lỏng? Nếu trong hệ chỉ có hơi,thí bậc nén áp suất cần thiết để mở van lỗ khì: K= p e /p v ở đó p e áp suất mở van; p v -áp suất riêng phần của hơi trong vùng tỏa khì. >p s (p s áp suất bão hòa của hơi tƣơng ứng với nhiệt độ của bơm),thí hơi sẽ ngƣng tụ trƣớc Nếu p e khi van mở. Trong trƣờng hợp tổng quát:hệ gồm có khì và hơi,thí: p e K = ở đó,p g -áp suất riêng phần của khì trong buồng Từ hai phƣơng trính tổng quát trên,ta có thể tím đƣợc giá trị ov cực đại,ở đó hơi có thể bị hút mà p v+pg không ngƣng tụ.giá trị đó bằng: pp s g Pv= p e-ps Hãy khảo sát trƣờng hợp bơm quay dầu hút hơi nƣớc với nhiệt độ bơm 50 0 C,tức là p s = 93 torr và p e =10 3 torr. Khi đó,áp suất cực đại của hơi nƣớc bằng: P v =(93 p g /907) Tức là có thể hút hơi nƣớc 10% của áp suất tổng cộng (p v + p g ) Tăng nhiệt độ của bơm không lớn,có thể p v lớn.vì dụ,với 60 o C,thì p v sẽ bằng 0% áp suất tổng cộng. Khi bơm quay dầu thực hiện chức năng tạo chân không ban đầu cho bơm khuechs tán,thí áp suất hơi cho phép phụ thuộc vào áp suất khởi động của bơm khuếch tán.áp suất khởi động thƣờng 0,5 torr.nhƣ vậy với bơm quay dầu có nhiệt độ làm việc 60 o C thí áp suất hơi nƣớc cho phép không quá 0,1 torr.với hệ chân không bằng thủy tinh,thƣờng nồng độ hơi không vƣợt quá đại lƣợng cho phép trên. Đối với hệ chân không bằng kim loại,đặc biệt hệ dùng để tạo màn trên đế nhựa,lƣợng hơi nƣớc có thể giải hấp ngay cả khi p=1 torr.điều đó dễ làm dầu chân không của bơm nhiễm bẩn ngay cả giai đoạn hút ban đầu. Có thể ngăn chặn sự ngƣng tụ hơi trong bơm quay dầu bằng cách tăng nhiệt độ làm việc của nó.để bơm hơi nƣớc,bơm phải làm việc với nhiệt độ lớn hơn 100 o C,ví khi đó p s mới lớn hơn p e.để bơm các chất dung môi,vì dụ aceton-với nhiệt độ lớn hơn 56 o C. Tuy nhiên tăng nhiệt độ,thí sẽ tăng áp suất tới hạn do tăng áp suất hơi dầu,hay giảm độ nhớt của dầu. Ví vậy,phƣơng pháp ngăn chặn sự ngƣng tụ hơi hiệu dụng nhất là dùng bộ phận xả khì.khì nay,bậc nén áp suất cần thiết để mở van đối với hệ chỉ có hơi bằng: p e (4.3) K= (760 S g/s)+pg ở đó,s g -vận tốc chảy của khì qua bộ phận xả khì; 760 S g/s-có thể xem nhƣ áp suất tạo nên trong vùng tỏa khì do bộ phận xả khì.bậc nén cực đại K max,ở đó hơi chƣa bị ngƣng tụ bằng: (4.33) K max =(p s /p v ) Đƣa K max vào K,ta nhận đƣợc áp suất hơi cực đại tại lối vào của bơm,ở đó hơi bị hút:

760psS g (4.34) Pv = S(pe-p s) Cũng nhƣ vận tốc chảy của bộ phận xả khì: Sg = pvs pe (4.35) 1 760 ps Từ (4.34)có thể suy ra rằng,khả năng bơm hơi chủ yếu đƣợc xác định bởi hệ thức S g /S (đa số bơm có S g /S=0.05-0.1),p s và p e.mong muốn tăng p s và giảm p e. Để làm vì dụ,hãy khỏa sát bơm quay dầu có bộ phận xả khì có S = 450/phút,p e =10 3 torr,làm việc ở 50 o C.Để bơm hơi nƣớc(không có khì)với p v =1 torr,theo (4.35) Sg =5,8/phút (khì ở áp suất khì quyển).(với áp suất thấp,giá trị S giảm nén Sg nhỏ hơn một ìt) Nếu trong khì quyển có hơi nƣớc,vì dụ áp suất riêng phần của nó bằng F,thí hơi nƣớc đi vào vùng tỏa khì trong một đơn vị thời gian bằng FSg.Khi vào bơm,áp suất riêng phần của hơi nƣớc đó giảm đến FS g /S. Nhƣ vậy, dạng (4.35) bây giờ bằng: ps K max = (p v+fs g/s) Và dạng (4.35) có: Sp v(pe-p s) (4.35b) Sg = 760ps-peF Nếu nhiệt độ khì quyển bằng 0 o C,còn độ ẩm tƣơng đối 70% thí F=14 torr.khi đó,theo (4.35b) Sg=7,/phút (thay ví 5,8/phút đối với trƣờng hợp trƣớc) Khi bộ phận xả khì làm việc,thí áp suất tới hạn của bơm có tăng lên,do tăng dòng khì ngƣợc chảy qua khe tiếp xúc giữa các bộ phận trƣợt trong bơm.với bơm quay dầu bậc,khi lỗ xả khì nằm ở bậc áp suất cao,thí dòng khì ngƣợc chảy qua bậc áp suất thấp không lớn. Công suất tiêu hao cho bơm khi bộ phận xả khì làm việc cũng tăng.ở miền áp suất thấp(p<100torr)tăng từ 1,5- lần) Những đặc trƣng của một số bơm quay dầu đƣợc trính bày trên bảng (4.1). 4)Dầu chân không cho bom quay dầu: Dầu dùng cho bơm quay dầu là một loại dầu chuyên biệt,cần thỏa mãn các tình chất sau:

Trang 138 1. có áp suất hơi bão hòa ở nhiệt đô thấp;. có độ linh đọng, độ nhớt và tình bôi trơn tốt; 3. không hòa tan trong khì cần bơm, có tình chịu ẩm cao; 4. ko tƣơng tác với vật liệu chế tạo bơm, có tình trơ hóa học đối với O của không khì; 5. có độ bềm oxy hóa nhiệt cao.dầu chân không BM-4 và BM-6 (Liên xô) trong chừng mực nhất định, thỏa mãn những điều kiện nêu trên. Dầu BM-4 nhận đƣợc từ dầu máy CY bằng chƣng cất chân không.phƣơng pháp đó có thể loại trừ đƣợc 13-15% phần cơ bản dễ bay hơi.nó không đồng nhất về thành phần-là hợp chất hydrocarbon có phân tử lƣợng và độ sôi khác nhau.dầu BM-4 không có độ bền oxyt hóa và chịu ẩm kém. Bảng 4. Đặc trƣng BM-4 BM-6 Dầu xuất phát Áp suất hơi ở 0 0 C torr Áp suất tới hạn của bơm, Nhiệt độ ở đó áp suất hơi Bằng 1.10 - torr, 0 C Độ nhớt động học, 10-6 m /sec với 0 0 C 50 0 C 100 0 C Thành phần phân đoạn (giới hạn nhiệt độ chung cất, 0 C) Đầu tiên Cuối cùng (90%) Độ bền oxyt hóa nhiệt, Đƣợc đánh giá theo độ Tăng của đọ nhớt ở 50 0 C,% Độ hút ẩm, % Nhiệt đọ cháy, 0 C Nhiệt độ đông đặc, 0 C Dầu máy CY 5.10-6 -1.10-5 95-110 10-95 110 370-385 47-57 8-11 130 45 0,60 0,80 06 30-0 Dầu máy C 1.10-8 - 3.10-7 10-3 105 130 165 15 30 40 6 8 140 165 190 10 15-50 0,0-0,30 0 30-15 Trang 139 Dầu BM-6 là sản phẩm của sự chƣng cất trong chân không cao cảu dầu máy C. So với BM-4 thì nó có thành phần đồng nhất hơn. Nó không chứa tạp chất dễ bay hơi; độ bền oxyt hóa và tình chịu ẩm cao hơn BM-4 khoảng 3-4 lần. Những đặc trƣng hóa lý khác của dầu BM-4 và Bm-6 đƣợc trính bày trên bảng 4. 4.3. Bơm làm việc trên cơ sở dùng hiện tƣợng nội ma sát.

4.3..1 Nguyên lý chung. Theo lý thuyết đọng học, nội ma sát (độ nhớt) của khì đƣợc xác định bơi sự truyền xung lƣợng từ lớp phân tử chuyển đọng nhanh sang lớp phân tử chuyển động chậm.nguyên tắc của loại bơm này nhƣ sau: Khi vật chất (chất lỏng hay hơi ) chuyển đọng trong ống dẫn có tiết diện biến đổi, thí sẽ sinh hiện tƣợng sụt áp suất (hinh 4.0) và đƣợc biễu diễn bằng phƣơng trính: P 1 - P = (1/) p (u u 1) đó p 1 và u 1 - áp suất và vận tốc trên tiết diện S 1 ở áp suất và vận tốc trên tiết diện S ; p mật độ ; p và u chất chuyển động. khối của bây giờ cho tiết diện ống có áp suất nhỏ thông Nếu cần bơm, thí khì sẽ hƣớng về miền này và do với thể tìch chúng sẽ bị kéo theo cùng với tia chất của nội ma sát, động. chuyển 4.3.. Bơm chân không tia nƣớc. Trong bơm chân không tia nƣớc (hính 4.1), khi cần hút đƣợc cuốn theo tia nƣớc hoặc chất lỏng bất kí nhờ lực nội ma sát: Nƣớc từ hệ thống nƣớc thành phố (hoặc từ bơm nƣớc ) đƣợc bất vào ống dẫn và tạo thành tia ở cửa vòi phun.tại các vòi phun với vận tốc dòng tia lớn nhất, các phân tử khì bị các tia nƣớc cuốn theo và đẩy ra ngoài.để tránh hơi nƣớc xâm nhập vào thể tìch cần hút khì ; ở ống đãn khì trƣớc khi bơm qua cần dặt thêm chất hút ẩm. Tramg 140 Với vận tốc tia đủ lớn, áp suất tới hạn của bơm có thể đạt torr(không khì áp suất bão hòa của hơi nƣớc) và vận tốc hút trung tới 5 0,05 0,1 1/sec.Nếu không dùng biện pháp để tách hơi nƣớc bình thể tìch cần hút, thí áp suất tới hạn sẽ đƣơocj xác định bằng áp khỏi bão hòa hơi nƣớc với nhiệt độ của bơm. Vì dụ với nhiệt độ của suất 0 0 C, thif aps suất tới hạn bằng 17 torr. nƣớc

Hình 4.1:Bơm chân không tia nƣớc 4.3..3 Bơm phun (ejector) tia hơi. Tên của bơm này có liên quan đến việc dung ejector vòi phun miệng lọc để tạo tia có vận tốc siêu âm (hinh 4.). Hình 4.: sơ đồ bơm phun tia hơi Tia hơi của chất lỏng (Hg, dầu, nƣớc) thoát ra từ vòi phun 1, khi vào buồng sẽ bị nở rộng, và năng lƣợng áp suất của nó chuyển sang năng lƣợng vận tốc của dòng. Vòi phun 1 phải có dạng thìch hợp, để hơi thoát ra từ nó phải đạt vận tốc siêu âm.với diều đó, tia hơi trên biên sẽ tạo thành lớp sáo động, làm tăng cƣờng đọ trộn lẫn giữa khì và hơi, dòng thời trao vận tốc chuyển động hƣớng theo hƣớng của dòng hơi.hỗn hợp hơi và khì đƣợc thành lập từ buồng sex đập vào ống loa 3, ở đó vận tốc sẽ giảm, còn áp suất tăng.ở đây năng lƣợng vận tốc sẽ chuyển sang năng lƣợng áp suất khì thoát ra từ ống loa 3 với áp suất rất lớn hơn áp suất lối vào buồng trộn Trang 141 Vận tốc hút của bơm, có thể xác định theo giản đồ entani entropi (1-S)[1] của hơi làm việc với các thông số cho trƣớc: áp suất lối vào bơm P,áp suất lối ra bơm P 5 cũng nhƣ năng suất hơi G 1. Hình 4.3: giản đồ I-S của hơi làm việc (a), sơ đồ và các thông số dặc trƣng của vòi phun ejector. Đƣờng cong AB trên hính 4.3a xác định áp suất bảo hòa hơi chất lỏng. Từ trạng thái đầu tiên trong buồng đun sôi,hơi (điểm 1 trên đƣờng cong AB,áp suất P, entanpi I 1, tiết diện l trên vòi phun ) nở đoạn nhiệt và chuyển sang trạng thái(điểm ) tƣơng ứng với P, và I trong

thể tìch cần bơm (tiết diện ).Quá trính đoạn nhiệt tƣơng ứng với đƣờng thẳng song song với trục I trên giản đồ I-S.Định luật bảo toàn năng lƣợng đối với quá trính chảy đoạn nhiệt của khì, ở đó công nở bằng lƣợng tăng động năng của chúng,có thể viết dƣới dạng: (4.37) G 1 (I 1 u I ) = G 1 ở đó, u - vận tốc tia hơi tại lối ra của vòi phun trên tiết diện. Khi cần bơm (để đơn giản,chúng ta xem rằng,hơi chất lỏng đƣợc bơm )ở trạng thái có entanpi I 3 (điểm 3 và tiết diện 3). Theo định luật bảo toàn năng lƣợng,sự trộn lẫn giữa dòng khì G với dòng hơi sẽ đƣa đến biến đổi vận tốc: Trang 14 l - I = I (S,p) G 1 u = (G 1 + G ) u 4 ở đó u 4 - vận tốc của hỗn hợp khì hơi trên tiết diện 4 (hính 4.3b) Trong loa giữa tiết diện 4 và 5, hỗn hợp khì hơi sẽ bị nén đoạn nhiệt đến áp suất P 5 ; thêm vào đó điểm 5 tƣơng ứng với tiết diện 5 phải nằm trên đƣờng cong AB.Điều đó có thể dùng để tím điểm 4 bằng giản đồ tƣơng ứng. Trong qua trính nén đoạn nhiệt, đọng năng của tia sẽ chuyển vào entanpi và cho phép ta viết: (G 1 + G ) u 4 = (G 1 + G )(I 5 I 4 ) Từ phƣơng trính (4.37) (4.39), có thể xác định biểu thức về vận tốc hút khì (lý thuyết )của bơm S = G G 1 (I 1 - I I 4 +I 5 ) P P (I 5 - I 4 ) : ở đó p mật đọ khì trên tiết diện. cho vận tốc hút của bơm phụ thuộc vào năng suất vòi phun và tình chất của hơi làm việc. Trong bơm ejector, no nằm trong ko khì khoảng vài chục 1/se đến vài nghín 1/sec. áp suất lối ra cực đại không thể lớn hơn p 1 áp suất hơi làm việc tại buồng đun sôi của bơm.ví vậy, với bơm hơi dầu, nó không quá (1-5 torr) ; còn đối với bơm hơi Hg-(0-40 torr). Không thể tăng hơi nữa áp suất lối ra cực đại của bơm hơi dầu, ví nhiệt độ hơi trong buồng đun sôi bị giới hạn bởi nhiệt độ phân hủy dầu.bơm hơi Hg về nguyên tắc có thể tăng hơi áp suất lối ra đến áp suất khì quyển, nhƣng do mất mát Hg và tình độc hại của nó lớn,nên thƣờng ngƣời ta không dùng. Áp suất tới hạn của bơm là dãy áp suất chân không trung bính (10-1 10 - torr). Có thể xác định kìch thƣớt vòi phun, nếu biết năng suất G 1 của hơi làm việc.đƣa hệ thức tới hạn r k =p /p 1 (.3) vào phƣơng trính (.1), ta nhận đƣợc biểu thức đối với năng suất cực đại của vòi phun:

Trang 143 ở đó p 1 áp suất hơi trong buồng đun sôi ; V 1 thể tìch riêng của hơi trong buồng đun sôi ; A c min tiết diện cực tiểu của vòi phun. Từ đó, tiết diện cực tiểu của vòi phun là: Tiết diện lối ra của vòi phun A c (với vận tốc siêu âm), có thể có tiết diện ngang lớn và đƣợc xác định trực tiếp từ(4.37) nếu tình rằng: u = G 1 V A c ở đó V thể tìch riêng của hơi tại lối ra của vòi. Từ đó: Những đặc trƣng nhiệt động lực học của hơi nƣớc bão hòa (áp suất, thể tìch riêng,entanpi riêng ) đƣợc trính bày trong bảng (10.) của 10. Trên hính 4.4 trính bày bơm ejector hơi dàu một bậc có buồng trộn hính côn, với vận tốc hút =350 1/sec ở áp suất 10-1 - 10 - torr. Áp suất tới hạn khoảng 10 - torr, áp suất khởi động từ 1 3,5 torr,công suất đốt nóng 5 10Kwatt(phụ thuộc áp suất khởi động). Tia hơi dầu sau khi thoát ra khỏi vòi phun 3 sẽ mang theo khì cần bơm và đƣợc ngƣng tụ ở thành bính ống loa 4, dầu chảy qua ống dẫn 7 để vào bính đun sôi 1.Hiệu mức dầu trong bính đun sôi với ống H =150 300 mm,tƣơng ứng với áp suất hơi 10-0 torr.lối ra khỏi bơm có dạt bãy dầu 5 để chân dầu không chảy qua bơm sơ cấp. Trên hính 4.5 trính bày sự phụ thuộc của S theo áp suất lối vào bơm đối vớ công suất đốt khác nhau.đƣờng cong 1, tƣơng ứng với công suất đốt lớn nhất, cho phép có cực đại nhọn ở p 10-1 torr.giam công suất đốt trong giới hạn, ở đó áp suất hơi trong bính còn dủ lớn để bơm ejector hoạt động, thí cực đại của đƣờng cong dịch chuyển vef miền áp suất thấp (đƣờng cong ). khi những điều kiện đó ko thỏa mãn,thí sự phụ thuộc s= f(p) mang đặc trƣng nhƣ bơm khuếch tán dầu (đƣờng dong 3). Ƣu điểm của bơm phun tia hơi dầu là có vận tốc hút lớn trong khoảng áp suất 10-1 10 - torr, tức là trong khoảng áp suất tới hạn của bơm chân không sơ cấp của hệ chân không cao. Trang 144

Bơm phun tì hơi dầu một Hình 4.4: hơi dầu trong bính đun sôi 10- bậc.áp suất xá định bằng cột dầu có đọ 0 torr, đƣợc cao H. dầu; 1.Bính đun sôi.thanh đốt; 3.Vòi phun; 4.Hệ ngƣng tụ; 5.Bẫy dầu; 6.Cách nhiệt; 7.Ống dẫn dầu; 8.Áo nƣớc. Hình 4.5: Đặc trƣng S= f(p) của bơm phun tia hơi dầu với công suất đốt khác nhau. Ví vậy, bơm ejector thƣờng đƣợc đặt giữa bơm chân không cao với bơm sơ cáp, hay dùng để tạo chân không trung bính với thời gian rất ngắn. Chú ý rằng, áp suất tới hạn đối với bơm ejector là đặc trƣng thứ yếu, ví nhiệm vụ cơ bản của bơm này là làm việc trong miền áp suất, ở đó năng suát bơm cực đai. Trang 145 4.3..4 Bơm tăng áp (Booster) (Còn gọi là bơm trung gian hay bơm phụ) Trong bơm booster, cũng nhƣ các loại bơm ejector, đầu tiên khì bị cuốn theo do lực ma sát nội trên lớp biên của tia, sau đó khì khuêchs tán vào tia hơi chất lỏng.bơm booster đƣợc dùng để làm việc trong khoảng áp suất 10-1 10-4 torr với áp suất khởi động tƣơng đối lớn (vài torr), nên chế độ chảy trong

bơm là chế độ nhớt phân tử.ở biên trên của khoảng áp suất này, cơ chế làm việc của biên hoàn toàn do nội lực ma sát, còn ở biên dƣới - quá độ chuyển từ chế độ nhớt - quá độ sang chế độ phân tử. Ví vậy,để vận tốc hút có giá trị lớn trong khoảng áp suất cao, ngƣời ta dùng tia hơi cso mật độ lớn.đồng thời để giữ vận tốc hút không thay đổi trong cả khoảng áp suất làm việc, mật độ tia không đƣợc quá lớn.những yêu cầu có tình mâu thuẫn có có thể thõa mãn nếu dùng bơm nhiều bậc nối tiếp. Bậc cuối, mật độ hơi đƣợc chọn đủ lớn để áp suất khởi động là cực đại, còn các bậc trƣớc đó mật độ hơi tƣơng ứng giảm, ví chúng làm việc trong điều kiện có áp suất nhỏ hơn. Điều kiện làm việc tối ƣu của mỗi bậc riêng biệt là thỏa mãn phƣơng trính liên tục của dòng : Q = S 1 P 1 = S P = S 3 P 3 = =S n P n. ở đó S 1, S,., S n ; P 1, P, P n vận tốc hút và áp suất lối vào của mỗi bậc tƣơng ứng trong bơm nhiều bậc. Để đảm bảo hơi làm việc hiệu dụng, ngƣời ta không dùng vòi phun của những bậc đầu tiên có tình đối xứng trục và thẳng dòng, mà dùng vòi phun xoay ngƣợc có dạng chiếc ô (hinh 4.6).Hơi đi vào ống dẫn,rồi đổi hƣớng ngƣợc lại và đƣợc gia tốc trong vòi phun có tiết diện nhỏ nhất, sau đó khì chảy qua miệng hính vành khăn sẽ đạt đƣợc vận tốc siêu âm. Dùng vòi phun dạng chiếc ô nhƣ trên, cho phép có cấu tạo bơm có kìch thƣớt nhỏ và gọn nhẹ. Trên hính 4.7 trính bày sơ đồ cấu tạo bơm booster 3 bậc, trong đó bậc có dạng chéo ô 1, và một bậc có dạng đối xứng trục,và thẳng dòng,có cùng chung 1 bính đun sôi 3. Để nhận đƣợc một tia hơi có mật độ lớn,cần nâng cao công suất đốt và mặt đáy bính đun sôi phải lớn(tránh hiện tƣợng quá nhiệt đối với dầu) Trang 146 Hình 4.6:phun hơi có dạng chiếc ô Hình 4.7: Bơm booster 3 bậc

Hình 4.8:Đặc trƣng S=f(p) của bơm booster với công suất đốt khác nhau (w1<w<w3). Trang 147 :Bơm booster Hình 4.9 Ss=850 /sec; P 0 =-5 torr; P n =10-3 torr Edwards) (hãng 1. Vòi phun ejector phun khuếch tán.3 Vòi đƣợc làm lạnh trên vòi phun 4. Mũ ngăn dầu 5. Bẫy Trên hình 4.9 trính bày sơ đồ bơm Booster có dạng bơm gọn hơn(hãng Edwards của Anh ). Hơi có mật độ lớn trong bính đun sôi 3 sẽ trực tiếp đi vào vòi phun đối xứng và thẳng dòng, ở đó chúng làm việc trong điều kiện áp suất ngƣợc lớn.còn ô đi vào vòi phun dạng ô 1, không cần mật độ lớn, sẽ đƣợc hạn chế khả năng truyền qua của hơi bằng những màn ngăn đặt biệt trong ống dẫn.

Ví rằng tác động bơm của tia hơi trong bơm booster đƣợc xác định bằng cơ chế nhớt và phân tử, nên sự phụ thuộc của vận tốc hút theo áp suất lối vào sẽ có cực đại (hinh 4.8). Vị trì của cực đại này sẽ dịch chuyển về phìa áp suất cao khi tăng công suất đốt.áp suất khơi động cực đại của bơm booster cũng tăng khi công suất đốt. 4.3..5 Chất lỏng làm việc của bơm ejector và bơm booster. Bơm ejector với vòi phun thẳng dòng thƣờng làm việc với hơi nƣớc có áp suất 3-7atm, mặc dù chúng có thể làm việc với hơi Hg, dầu chuyên dùng và cả không khì khô. Trang 148 Chất lỏng làm việc của bơm Booster thƣờng là dầu vazolin г, dầu khoáng vật BM-3 và hợp chất silic hữu cơ. Dầu vazolin г là sản phẩm chƣng cất từ vazolin trong y học với khoảng nhiệt độ 10 0 C 160 0 C ở chân không 10 - torr.nó có áp suất bão hòa thấp: 5.10-5 1.10-6 ở 0 0 C.Do độ tinh khiết cao, không chứa những tác nhân bền vững trong thiên nhiên và vì vậy dầu dễ bị oxy hóa ỏe nhiết độ làm việc của bơm. Khi bị oxy hóa, dầu có màu đen, độ nhớt tăng và rất khó tẩy sạch cặn nhựa bám trên các chi tiết của bơm.do nhanh bị oxy hóa, thời gian sử dụng dầu trong bơm có năng suất ngắn. Dầu BM-3 nhận đƣợc bằng chƣng cất sản phẩm dầu hỏa (qua tinh chế lại) trong chân không cao.so với dầu -, nó có thành phần đồng nhất hơn, và có độ bền oxyd hóa cao hơn.dùng dầu BM-3 cho phép nhận đƣợc các đặc trƣng tối ƣu của bơm với công suất đốt thấp hơn khoảng 15-0% còn nhiệt độ làm việc trong bính đun sôi thấp hơn khoảng 5-30%.Do đó thời gian sử dụng dầu BM-3 lâu hơn dầu г - Dầu πømc-1 BK - - Đặc trƣng г BM-3 MC-1 Khối lƣợng phtu gr/mol Khối lƣợng riêng gr/cm 3 Áp suất bão hòa ở 0 0 C, torr Áp suất tới hạn của bơm, torr Nhiệt độ,ở đó áp suất bão hòa bằng 10 - Độ nhớt động học ở 50 0 C, 10-6 m /sec Nhiệt hóa hơi gr/kmol 350 0,85 5.10-5 -1.10-6 10-4 70-90 1,5-15,3 1.10-5 0,85 1.10-4 1.10-5 5.10-4 70-80 7-10 1,13.10 5 700 1,00 7.10-5 -1.10-5 65-75 3,6-4,6 1,13.10 5

Trang 149 4.3..6. So sánh giữa các lọai bơm. Bơm Booster đƣợc dùng rộng rãi trong các thiết bị cần năng suất bơm lớn ở khỏang áp suất trung bình (10-1 10-4 torr) nhƣ trong ống khi động lực, lò xấy chân không thiết bị khử độc, thiết bị khử khì độc, thiết bị chƣng cất và thiết bị tẩm ƣớt. ƣu điểm cơ bản của bơm booster là chúng có thể làm việc trong những điều kiện rất khó khăn nhƣ bẩn, bụi, hôi, và không chụi ảnh hƣởng lớn khi các đặc trƣng của bơm sơ cấp kém. Bơm ejector cũng đƣợc ứng dụng trong các thiết bị tƣơng tự trên, nhƣng với kìch thƣớc nhỏ hơn và miền áp suất lớn hơn (10-1 10 - torr) nhƣng từ khi bơm quay rotor ra đời (còn đƣợc gọi là bơm boostor cơ học), ngƣời ta chỉ dùng bơm ejector để làm bơm trung gian cho bơm khuyết tán có năng suất bơm lớn. với điều đó chúng sẽ hạ thấp rất lớn độ nhạy cảm của tòan bộ hệ chân không khi trong dòng khì cần bơm có lƣợng lớn hơi dễ ngƣng tụ, một nguyên nhân phá vỡ chế độ làm việc của bơm cơ học. Tất nhiên khi dùng chúng thí bơm cơ học phải làm việc liên tục với bộ phận xả khì để ngăn sự ngƣng tụ hơi trong vùng nén của bơm. Ngòai ra, dùng bơm ejector thí bơm cơ học ( bậc sơ cấp) chỉ cần lọai rất nhỏ. So với bơm booster cơ học, thí bơm booster tia hơi, ngòai ƣu điểm đã nêu trên( có thể bơm liên tục khì bẩn, bụi, vật rắn), còn một ƣu điểm nổi bậc khác là vận tốc hút khì H của chúng tăng, trong lúc đó đối với bơm booster cơ học giảm. 4.3.3. Bơm phân tử Khi nghiên cứu các lọai bơm thể đến cấu trúc phân tử. khì nhƣ vậy là mội trƣờng liên tục, đứng yên, mặc dù mỗi phân tử trong đó có tham gia chuyển động nhiệt. Bây giờ để nghiên cứu bơm phân tử, chúng ta phải khảo yù thuyết động hoïc chất khì. 4.3.3.1. Bơm phân tử cơ học. 1. Nguyên tắc. Cơ chế làm việc của bơm phân tử cơ học đƣợc dựa trên tình chất va chạm của phân tử khì với bề mặt thể rắn. Khi va chạm, phân tử khì không phản xạ nhƣ quả cấu rắn đàn hồi, mà đƣợc giữ lại trên bề mặt một khỏang thời gian ngắn, sau đó chúng sẽ Trang 150 tách khỏi bề mặt theo mọi hƣớng,thỏa mãn định luật cosin ( xem hính 1.1.5). Nếu bây giờ cho bề mặt thể rắn chuyển dộng, tức là ta đã cung cấp cho hạt va chạm với bề mặt đó một vận tốc truyền theo hƣớng chuyển động của bề mặt. Hãy khảo sát hính trụ với bề mặt rất nhẵn quay trong hính trụ rỗng đứng yên, và cách nhau một khe rất nhỏ. (hính 4.30). Hình 4.30. Sơ đồ phân tử cơ học.

P A P B h A B rotor stator Kênh AB có tiết diện ngang s, độ dày h, nằm dọc theo cung có chiều dài. Để đo áp suất trung bính, ở đầu A và B đƣợc nối liền với áp kế. Có thể thấy rằng khi motor quay trên hƣớng mũi tên trên hính vẽ, thí áp suất ở đầu A giảm, còn áp suất ở đầu B tăng. Hãy tình sự bieán đổi cuûa áp suất đó theo các thông số của hệ trong hai trƣờng hợp: - khi áp suất ở chế ñộ ma sát ( h). - khi áp suất ở chế độ phân tử ( h). Ví rằng ở đâ chúng ta cần biết quá trính của hiện tƣợng, và các đại lƣợng đặc trƣng cho nó, nên có thể ứng dụng những công thức dƣới đây theo tọa độ trụ thay cho dạng có tiết diện vuông góc của kênh. a) Chế độ nội ma sát. Để đơn giản ta thay sự chuyển động cuûa tƣờng đối với khì bằng sự Trang 151 chuyển động của khì đối với tƣờng. Thể tìch khì chuyển động qua tiết diện ngang của kênh trong một đơn vị thời gian, theo (.6) bằng : 4 R s (4.4) V 1 ( pb pa ) ( pb pa ) 8 8 V1=su Mặt khác ta có: Trong đó u là vận tốc của khì đối với tƣờng, từ đó: ( p p ) =8 lu/s. B A

ta thấy rằng hiệu áp suất ở hai đầu A và B không phụ thuộc vào áp suất trung bính trong kênh. Vì dụ: Bơm bắt đầu làm việc với p B =760 torr, thí để chọn giá trị u ( vận tốc quay của rotor) để p A =750 torr. Theo cách lập luận trên ta cũng có thể giả thuyết rằng, với những điều kiện đó, nếu tạo áp suất khởi động p B =10 torr thí có thể nhận p A =0. Tuy nhiên điều đó không đúng ví rằng khi áp suất khì chảy theo chế độ phân tử. b) Chế độ phân tử. Trong trƣờng hợp này, thể tìch khì chảy qua tiết diện ngang trong một đơn vị thời gian theo (.1) bằng : V 1 3 8 ( B A) R p p RT 3pl M V 1 =su pa pb ở đó p = Ngòai ra: Từ đó : Trang 15 p p A B 1 (3/ 4) 1 (3/ 4) ul ul M srt M srt pa 1*) Tỉ số p B Từ phƣơng trính 4.4 ta rút ra những kết luận sau. có thể nhỏ bao nhiêu cũng đƣợc chỉ cần tăng vận tốc u của rotor *) Nếu tăng vận tốc u lớn hơn vận tốc chuyển động nhiệt của phân tử thí số phân tử quay trở lại đặc biệt nhỏ và chế độ họat động của bơm là tối ƣu, muốn vậy thí u > 500 m/sec. Tuy nhiên thực tế chứng tỏ rằng ngay cả khi u=00 m/sec bơm đã làm việc tốt. 3*) Với vận tốc của rotor tƣơng đối không lớn đó. bơm sẽ làm việc với hiệu dụng càng lớn,khi phân tử va chạm với bề mặt rotor càng nhiều. Để thực hiện đƣợc điều đó thí phải lớn hơn độ cao h. Cho nên cần thiết là phải tạo chân không ban đầu.

pa 4*) Phụ thuộc vào cấu tạo cuûa bơm và vận tốc quay của rotor, tỉ số vào khỏang 10-5 => pb 10-7 torr (vì dụ với chân không ban đầu cỡ 1 torr, thí chân không đạt đƣợc khoảng 10-6 torr) 5*) Vận tốc hút khì của bơm phân tử sẻ tỉ lệ với m 1. Thật vậy,nhƣ chúng ta đã biết năng lƣợng trung bính của phân tử chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và (khi nhiệt độ giống nhau) đối với hai khì khác nhau thì: m 1.v =m.v Ví rằng theo nguyên tắc làm việc của bơm phân tử, chình là cung cấp thêm cho phân tử một động lƣợng bổ sung, nên có thể viết: 1/ 1/ S V 1 m M (4.45) ta S V m M 1 1 1 Trong đó S1 và S là vận tốc hút khì của bơm đối với mỗi ì hạt nhân.. Bơm phân tử holweek. Bơm này có cấu tạo đơn giản hơn cả. Nó gồm có hính trụ với bề ngòai rất nhẵn( rotor) quay trong hính trụ rỗng đứng yên(stator) và cách nhau Trang 153 bởi khe có bề rộng không lớn hơn 0.03 mm khe đó phải nhỏ để hạn chế khì chuyển động ngƣợc trở lại miền chân không cao. Trong stator có kênh hính xoắn ốc, độ sâu của nó tăng dần kể từ hai đầu (0.5 mm) đến giữa (1 mm) tức là độ sâu gần phìa chân không ban đầu nhỏ để tăng độ nén khì, còn độ sâu của kênh gần phìa chân không cao lớn hơn để tăng vận tốc hút khì. Những kênh này là đƣờng xóan ốc đối xứng nhau qua đƣờng vòng chu vi giữa stator ( h 4.1). Thể tìch cần hút Chân không ban đầu hộp kín rotor Rotor của động cơ stator Hình 4.31 phần cảm điện Để cho không khì từ bên ngoài lọt vào stator và rotor phân cách nhau bởi hợp kình bằng đồng. Những đặc trƣng của bơm là : Rotor : đƣờng kình 150 mm, chiều dài 0 mm; vận tốc quay450 vòng /phút.

S =500 cm 3 sec và không đổi trong khỏang p =0.1 0.001 torr Áp suất khởi động p 0 = 0 torr Áp suất tới hạn p n =10-6 torr 3. Ƣu nhƣợc điểm của bơm phân tử. a) Ƣu điểm: - thời gian khởi động để bơm làm việc không lâu; - không cần dùng baûy lạnh ví trong bơm không có dầu hay thủy ngân. Trang 154 - vận tốc hút khì khác nhau với loại khì khác nhau( do đó có thể dùng để tách chất đồng vị). b) Nhƣợc điểm: - Đòi hỏi cơ khì chính xác đặc biệt cao, điều đó làm cho giá thành của bơm rất cao. - Bơm dễ hỏng khi có hạt vật rắn (thủy tinh, kim loại ) rôi vào hệ thống rãnh của bơm. 4.3.3. Bơm khuyếch tán: Nguyên tắc họat động của bơm khuyếch tán cũng dựa trên cơ sở truyền xung lực nhƣ bơm phân tử cơ học. sự khác nhau ở đây là, trong bơm khuyếch tán phân tử khì nhận đƣợc xung lực theo một hƣớng chủ yếu, không phải do va chạm với tƣờng chuyển động mà va chạm với phân tử của luồng hơi chất lỏng chảy với vận tốc siêu âm. Cũng có thể xem bơm khuyếch tán thuộc lọai bơm phun tia hơi(4.3..3) làm vịêc ở miền chân không cao, ở đó phân tử khì tự khuyếch tán vào luồng hơi chuyển động và đƣợc phân tử hơi truyền xung lực cho chúng theo hƣớng ra khỏi bơm, nhƣ vậy cơ chế họat động của bơm khuyết tán chình là cơ chế hoạt động của bậc thứ nhất trong bơm booster (hình 4.7). 1) Bơm khuyếch tán thủy ngân: Chất lỏng trong bơm khuyếch tán thời kỳ đầu là thủy ngân, và có nhiều ƣu điểm sau đây: 1.Nó ở trạng thái lỏng với nhiệt độ phòng. khi áp suất môi trƣờng p=1 torr, thí thủy ngân sôi với nhiệt độ t=10 o C;. Nó là chất lỏng rất nặng, không dình ƣớt,do đó dễ dàng quay về bơm và không làm bẩn bơm. 3. Nhiệt thành lập oxid thủy ngân tƣơng đối thấp, nhờ đó mà oxid đƣợc thành lập dễ dàng bị phân ly trong chân không. Bơm khuyết tán thủy ngaân bị hỏng khi không khì rơi vào; 4. Chất lỏng thủy ngân có độ dẫn nhiệt cao, nên bộ phận làm bay hơi có cấu tạo đơn giản; 5. Hơi thủy ngân dễ dàng ngƣng tụ với nhiệt độ 0 0 C. Áp suất hơi bão hòa tƣơng ứng với nhiệt độ đó khỏang 10-3 torr, tức là áp suất cho nhiều trƣờng hợp trong kỹ thuật. Trang 155

Chế tạo bơm khuyết tán thủy ngân bằng thủy tinh hay bằng kim loại đều không khó khăn. chúng ta hãy khảo sát kỷ hơn khuyết tán thủy ngaân bằng thủy tinh - lọai bơm đƣợc dùng nhiều trong kỹ nghệ nƣớc ta. Bơm khuyếch tán thủy tinh bằng thủy ngân có dạng đơn giản nhất ( hính 4.3). thủy ngân trong bính bay hơi đƣợc đốt nóng bằng bếp điện hay bằng đèn khì. Hơi thủy ngân bay lên theo ống thủy tinh cách nhiệt. sau đó phun xuống ống phun AB với vận tốc siêu âm. Phân tử khì từ thể tìch cần hút khì qua khe bính xuyên giữa ống phun AB với thành bơm. Rồi khuyếch tán vào luồng hơi thủy ngân. Do va chạm với phân tử của luồng hơi, phân tử khì nhận đƣợc xung lực bổ xung theo hƣớng chuyển động của luồng, hơi thủy ngân đập vào thành bính đã đƣợc làm lạnh sẽ ngƣng tụ ở đó và sẽ chảy xuống đáy bơm,còn khì khi đƣợc va chạm sẽ bơm sơ cấp hút. Rõ ràng rằng, bơm làm việc theo nguyên tắc mô tả trên chỉ trong trƣờng hợp.nếu khì cần hút chảy qua khe hính xuyến theo chế độ phân tử, ví trong chế độ chảy nội ma sát số va chạm giữa phân tử khì với nhau lớn và luồng hơi khó giản nỡ tự do xuống phìa dƣới. do đó cần thiết tạo chân không ban đầu. khí Thể tìch cần hút nƣớc Bình bay hơi nƣớc Chân không ban đầu thuỷ ngân Hình : 4.3 bếp điện Hình 4.3 Trang 156 Những điều kiện để bơm khuyết tán làm việc tốt là: a) Số va chạm tƣơng hỗ giữa phân tử hơi chất lỏng với phân tử khì phải đủ lớn; b) khi va chạm tƣơng hỗ phân tử khì phải chuyển độn theo hƣớng chân không ban đầu;

c) số phân tử hơi khuyếch tán ngƣợc lại với luồng là cực tiểu ì đ nghĩa thực tiễn sau: P 0 Torr S(l/sec) 1 Áp suất khởi động Po Hình 4.33 0,1 0 300 hat Công suất đốt nóng a*) khoảng đƣờng bay tự do trung bính của hơi chất lỏng phải tƣơng đƣơng với độ rộng của khe hính xuyến. khi đó số va chạm tƣơng hỗ giữa chúng đủ lớn, đồng thời hơi chất lỏng ngƣng tụ trên thành bính bơm đủ nhanh, cho nên chúng không có khả năng truyền lên phìa trên : b*) vận tốc hút khì là cực đại khi tỉ số giữa lƣợng khì khuyết tán ngƣợc với lƣợng khì bị hút là cực tiểu. điều đó có đƣợc trong trƣờng hợp khi mật độ và vận tốc của luồng hơi là lớn nhất. Nhƣ vậy các thông số họat động của bơm phải phụ thuộc vào công suất đốt nóng trong bính thủy ngân. Trên hính 4.33 trính bày sự phụ đó. Vận tốc hút khì giảm khi công suất đốt nóng tăng đƣợc giả thìch là hơi truyền ngƣợc lên khe hình xuyến làm cản trở khì khuyếch tán vào luồng hơi. Hơn nữa vận tốc luồng hơi không đủ lớn cũng tạo khả năng cho phân tử khì khuyếch tán ngƣợc. tuy nhiên khi tăng công suất đốt thí áp suất khởi động tăng. Trang 157 Áp suất tới hạn của bơm khuyết tán thủy ngân trƣớc hết phụ thuộc vào áp suất bão hòa của hơi thủy ngân. Với nhiệt dộ 0 0 C, áp suất tới hạn Pn =10-3 torr. Muốn đạt đƣợc chân không cao cần có "bẩy lạnh" giữ bơm với bính cần hút khì để ngƣng tụ hơi thủy ngân. Thông thƣờng bẫy lạnh bằng N lỏng, và khi đó áp suaát tới hạn có thể đạt tới 10-6 torr. Nhƣợc điểm cơ bản của bơm khuyếch tán thủy ngân là vận tốc hút khì thấp; bắt buộc phải dùng "bẩy lạnh" khi muốn đạt chân không cao. Ngoài ra thủy ngân dễ phản ứng với ñồng, đồng thao, nhôm,.. để thành lập chất hỗn hóng. Điều đó hạn chế vieäcsử dụng kim lọai trong heä chân không.. Bơm khuyếch tán dầu. Để lọai trừ nhƣợc ñiểm của bơm khuyếc tán thủy ngân, sau 0 năm nghiên cứu, ngƣời ta đã thay chát lỏng thủy ngân bằng chất lỏng khác có áp suất hơi bão hòa đaêc biệt nhỏ ở nhiệt độ thông thƣờng. chất đó đƣợc gọi là dầu chân không khuyếch tán. a) Chất lƣợng dầu chân không khuyếch tán:

Dầu chân không khuyếch tán cần phải có những đặc tình sau đây : 1*)Áp suất hơi bõ hòa ở 0 0 C phải đặt biêt nhỏ để có thể không cần dùng bẩy lạnh, đồng thời áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ làm việc của bính bay hơi phỉa đaëc biệt lớn để tăng áp suất khởi động và giảm công suất đốt. *) Độ bền vững của dầu ở nhiệt độ phải lớn( không bị phân hủy khi đốt nóng thƣờng xuyên) và nó không bị oxi hóa khi nó ở nhiệt độ cao mà tiếp xúc với khì quyển. 3*) Độ nhớt của dầu ở trạng thái lỏng không lớn, để sau khi ngƣng tụ nó dễ dàng chảy về đáy bơm. 4*)khả năng hấp thụ khì phải nhỏ; 5*)Độ trơ hóa học phải lớn, tức là chất lỏng và hơi của nó không tƣơng tác với vật liệu của bơm và hệ chân không. Thông thƣờng điều kiện 1*) và 3*) mâu thuẩn với nhau ví dầu có độ nhớt càng lớn thí có áp suất hơi càng nhỏ Ba nhóm dầu chân không khuyếch tán thƣờng đƣợc dùng là dầu khóang vật BM1,BM,BM5BM7(liên xô);apiezon A,B,C(mỹ),este của một số chất hữu cơ Dầu khoáng vật có áp suất bão hòa thấp (10-8 10-9 torr ở 0 o C), nhƣng không đƣợc bền vững đối với quá trính oxi hóa và không Trang 158 đồng nhất về thành phần. Nó là hợp chất nhieàu phaàn coù phaân töû lƣợng khác nhau, nên không có điểm sôi xác định. Đốt quá nhiệt, dầu sẽ bị phân hủy và làm giàu phần dễ bay hơi. Dầu ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với khì quyển sẽ bị oxyd hóa và thành lập những nhóm nhựa và bám trên bề mặt bơm khó tẩy sạch. Dầu BM-1, BM-VÀ BM-5 là sản phẩm của sự chƣng cất dầu vazonlin trong chân không cao. BM- 7 nhận đƣợc từ dầu tuabin 46. so với dầu vazolin, nó có độ bền oxi hóa cao hơn. Những đặc trƣng khác của dấu khóang vật đƣợc trƣng bày trên bảng 4.4 Các đặc BM-1 BM- BM-5 BM-7 trƣng Mật độ ở 0,87 0,87 0,87 0 0 Cgr/cm 3 Khối lƣợng 450 450 450 phân tử gr Áơp suất 4.10-8 4.10-8 1.10-8 -10-9 3.10-8 bảo hòa ở 0 0 C, torr.10-9.10-9 Áp suất tới.10-6 3,5.10-6 1. 10-8 1. 10-6 hạn của bơm,torr Nhiệt độ ở 140-150 140-150 135-155 140-150 đó Pv=10- torr, 0 C Độ nhớt động ở 50 0 C, 10-6 65-69 65-69 68-74 80-95 Bảng 4.4:

Este OØ và OC là sản phẩm của acid ftalic C 6 H 4 (C00H) và acid xebacic COOHH(CH ) 8 COOH với rƣợu cao cấp. chúng ta có áp suất bão hòa ở nhiệt độ phòng cao so với dầu khóang vật, nhƣng là sản phẩm đồng nhất. dầu 0Ø và dấu OC dễ bi5 oxyd hóa hơn so với dầu khóang vật. Gần đây ngƣời ta chế tạo este 5Ø4. Hợp chất đồng phân có độ tinh khiết cao. Nó có áp suất bão hòa thấp(~ 10-10 torr 0 0 C ) có thể duøng ñeå nhận đƣợc chân không siêu cao mà không cần baåy lạnh. Nhƣng do mật độ công suất lớn, nên công suất đốt bính bay hơi tăng khoảng 1.5 lần và giảm độ tiêu hao nƣớc làm lạnh. Nhƣợc điểm của dầu este là độ bền nhiệt và độ bền oxihóa thấp, dễ nhạy cảm với tác động của hơi nƣớc. Những đặc tröng của chúng đƣợc trính bày ở hính 4.5. Chất lỏng silic hữu cơ là hợp chất polime polixiloxan đƣợc cấu tạo Trang 159 từ nhóm chức năng (CH 3 ) SiO.Liên kết giữa nguyên tử Si và nguyên tử O Theo mạch xilicon(từ đó mang tên dầu xilicon) - với lực liên kết khá lơn. Nên dầu silicon có độ bền nhiệt và độ bền oxid hóa cao, trơ hóa học lớn. độ nhớt ìt phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ đông đạc thấp(<-60 0 C ). Bảng 4.5 Những đặ trƣng 0Ø 0C 5Ø4 Mật độ ở 0 o C 0,98 0,91 1, gr/cm3 Khối lƣợng phân 390 46 446 tử, gr Áp suất bão 1.10-7.10-8 1.10-10 hòapv ở 0 o C torr Nhiệt độm,ở đó 10-1 141-143 160-175 Pv=10- torr, o C Áp suất tới hạn 1.10-6 1.10-6 1.10-9 của bơm, torr Độ nhớt động học ở 50 o C,10-6 m /sec 8.5 130 Dầu xilicon công nghệ tt B-1,B- là chất lỏng polietilxiloxan có phần cất hẹp, nhận đƣợc bằng phƣơng pháp chƣng chất không cao, sản phẩm tổng hợp. Trang 160 chú ý trang 160 còn thiếu hình bảng 4.6 Dầu пфmc-vàфm-1 là sản phẩm chƣng cất chân không cao của hợp chất polifenimetilxilocan,có độ bền oxyd nhiệt caohơn cả dầu пэ-b

Chất lỏng xilic hữu cơ không bị phân hủy lơn hay không làm bẩn bề mặt bơm dù khôngkhì nhiều lần rơi vào bơm đang làm việc chúng có độ bền hóa học vơ nƣớc, với phần lơn acid, nhƣng hơi kiềm sẽ biến dầu thành keo hay chất kêt tinh. Những đặc trƣng khác của chúng đƣợc trính bày trên bảng 4.6.s b) cấu tạo của bơm khuếch dầu. Mặc dù nguyên tắc làm việc của bơm khuếch dầu giống nhƣ bơm khuếch tán thủy ngân, nhƣng do nhiều tình chất lì hóa của dầu mà cấu taọ của chúng có khác. 1*) dầu có tình chất dẫn nhiệt kém. Ví vậy đaý bính băy hơi phải có bề mặt rộng và dầu phải đƣợc phân bố khắp bề mặt của đáy. *) dầu có mật độ nhỏ xo với Hg. Ví vậy cần có bộ phận chắn dầubắn lên hệ chân không cần hút. Thƣờng ngƣời ta dùng lá chắn kim loại hính xoắn ốc hay nhiều hính xuyến có đƣờng kình giảm dần đặt phìa trên bơm. Dạng lá chắn nhƣ vậy sẽ không ảnh hƣởng tới vận tốc hút khì. 3*) dầu là một hợp chất hữu cơ phức tạp, dƣới tác động đồng thời của sự giảm áp suất, tăng nhiệt độ và khì hoạt tình hóa học, nó có thể phân hủy thành những chất có áp suất hơi bão hoà lớn. Do đó làm tăng áp suất tới hạn của bơm. Để ngăn chặn bớt quá trính phân hủy đó trƣớc khi cho bơm hoạt động cần phải tạo chân không ban đầu rất tốt so với bơm khuếch tán thủy ngân: 10-1 đến10 - torr. Trong quá trính làm việc, tức là khi bơm ở nhiệt độ cao, tuyệt đối không để cho không khì lọt vào. 4*) cuối cùng để áp suất tới hạn không tăng do sự phân hủy không tránh khỏi của dầu bơm phải có cấu tạo nhƣ thế nào để phần dầu bị phân hủy dễ bay hơi sẽ tập trung trong vùng của bính bay hơi tƣơng ứng với miền chân không ban đầu, còn phần dầu khác sẽ tƣơng ứng với miền chân không cao. Bơm nhƣ vậy gọi là bơm tự chƣng cất (hay tự phân loại dầu). Trên hính 4.34 trính bày sơ đồ nguyên tắc của loại bơm đó. Hình 4.34 Bơm gồm 3 ống phun khuếch tán, mỗi ống có một bính bay hơi riêng biệt. Sau, khi ngƣng tụ, dầu sẽ trở về bính bay hơi bằng một đƣờng ống duy nhất nối liền với 3 bính liên tiếp: bính đầu tiên gần chân không ban đầu và bính cuối cùng gần chân không cao. Do đó phần đầu dễ bay hơi nhất sẽ bay hơi từ phìa áp suất lớn nhất, còn phần dầu có áp suất hơi nhỏ sẽ bay hơi lên ống phun phìa chân không cao. Nguyên tắc tƣơng tự trên đƣợc ứng dụng trong bơm khuếch tán dầu bằng kim loại(hình 4.35).

L Chúng ta thấy rằng trong loại bơm này chỉ có một bính bay hơi, tuy nhiên cac ống phun có đƣờng kình khác nhau đƣợc lồng vào nhau theo đối xứng trục. ống ở giữa là ống phun nằm gần miền chân không cao.nhờ vậy sau khi ngƣng tụ dầu sẽ đi qua miền bao quanh ngoài của bính bay hơi trƣớc tiên, phần dầu có áp suất hơi nhỏ nhất mơi chảy vào giữa. Bộ phận làm lạnh là một ống hính xoắn bằng đồng bao quanh thành bơm. Dòng nƣớc lạnh luôn luôn chảy qua ống hính xoắn đó khi bơm làm việc. Áp suất tới hạn của bơm tự chƣng cất nhỏ hơn khoảng 10 đến 100 lần áp suất tới hạn của bơm khuếch tán thƣờng. Ngoài ra trong trƣờng hợp dầu bị ôxy hóa, bơm tự chƣng cất có thể đạt đƣợc chân không thấp chỉ trong thời gian ngắn (do quá trính tƣ tạo va khử khì trong dầu nhanh). Tất nhiên trong trƣờng hợp dùng dầu khó phân hủy (vì dụ dầu xilycon), bơm tự chƣng cất hầu nhƣ không có gí ƣu việt (ngoài quá trính khử khì trong dầu). Bơm khuêch tán dầu kim loại, cho phép nhận đƣợc áp suất tơì hạn khoảng torr và có vận tốc hút không đổi trong miền áp suất khá rộng torr (hính4.36). vận tốc hút phụ thuộc vào kìch thƣớc bơm,có từ 40 l/sec đến.10 l/sec. công suất đối với bơm có kìch thƣớc nhỏ nhất khoảng 100watt, còn lớn nhát khoảng 6 kw. 3. đặc trƣng cơ bản của bơm khuếch tán. Vaøo A0 x=0 p=p 8 o P n1(x) V 3 P1 x=l p=p 1 L X P1

Đ ể phân tìch những hiện tƣợng xảy ra trong bơm khuếch tán, bề mặt hính phễu của luồng hơi đƣơc thay bằng hính trụ(hính 4.37). giả sử luồng hơi đó chuyển động với vận tốc từ đáy một hính trụ(màng chắn của bơm) đến đáy (đáy ngƣng tụ). nhƣ vậy khì sau khi vào bơm sẽ đập lên màn chắn, khuếch tán vào bên trong luồng hơi và khì đƣợc chuyển về hƣớng bơm ban đầu. áp suất ở lối vào bằng p, còn áp suất ở lối ra bằng,thí.tƣơng ứng với áp suất đó là n và nồng độ của khì tại. Nồng độ của luồng hơi thƣờng rất lơn hơn. Bây gời chúng ta hãy thành lập những phƣơng trính cơ bản biểu diễn sự chảy của khì trong bơm khuếch tán. Chuyển động của khì theo hƣớng bơm có thể biểu diễn bằng biểu thức: (4.46). Và theo hƣớng ngƣợc lại: (4.47) ở đó - lƣợng phân tử khì đi qua 1 đơn vị ( tiết diện của luồng hơi trong 1 đơn vị thời gian(1 sec); - hệ số khuếch tán của khì trong hơi. Áp suất tới hạn của bơm khuéch tán: Từ 4.46 và 4.47 có thể tím áp suất tới hạn. Trạng thái cân bằng đƣợc thành lập khi:,, (4.48) v 1 v1 0 töùc laø v n Dk. ( dn/ dx). ôû ñoù C-haèng soá tích phaân. Haèng soá ñoù coù theå xaùc ñònh tuø ñieàu kieän: p Ví n tỉ lệ p neân: dn dp v dx (4.49) n p Dk Lấy tìch phân(4.49) với,nhận đƣợc: v Lnp= Lnp= x C (4.50). D p ln k vôùi x=0. khi ñoù: p p C=ln p. v x Dk (4.51) Tỉ số: p v p exp( (4.5) p= Dk x) Đó là phƣơng trính phân bố áp suất trong buồng hơi(hính 4.37b). Khi x=l thì p= p 1,tức là áp suất ở lối ra của bơm có dạng: p v exp( Dk ) (4.53a) từ đó áp suất tới hạn: p p1 exp( v Dk L) (4.53b) p1 v exp( p D L ) (4.54) 1 L k Đƣợc gọi là bậc khì nén của luồng hơi.

3 D 16 M 0 M 0, T 6,.10 k M M ( d d ) p 0 0, Trong trƣờng hợp khi >>p, thí: 0 0, (4.55) Đƣa 4.55 vào 4.54 ta nhận đƣợc: p M M ( d d ) 1 0 0, 0 0, exp { C( Lv p ) [ ]} exp{ C. L} (4.56) p M M ở đó C-hằng số với nhiệt độ cho trƣớc. Trên bảng (4.7) trính bày những giá trị của biểu thức trong dấu ở (4.56) đối với 3 khì:,không khì ( và 3 hơi:thủy ngân,dầu xilicon và dầu Apiezon. Bảng 4.7: Những giá trị trong biểu thức (4.56). 0 0, M 0M 0, ( d0 d0, ) Nhöõng giaù trò[ ] trong bieåu thöùc (4.56). M M 0 0,

Hôi Thuûy ngaân Apiezon Xilicon M 0 01 340 550 khí M 0 44 d 0. 10-8 cm,8 3,7 4,7 d 0 H N, O CO 5,1 1 4,5 6,5 9,5,5 10 15 11 3 13 18 Từ bảng 4.7 ta thấy rằng, để nhận đƣợc áp suất tới hạn thấp đối với khì không nên dùng bơm thủy ngân mà nên dùng bơm dầu xilicon.bơm đƣợc chế tạo ngày nay, bậc nén ( ) có thể đạt đƣợc hay lớn hơn. Vận tốc của luồng hơi phụ thuộc vào cấu trúc của vòi phun và vận tốc bay hơi của chất lỏng làm việc. tuy nhiên nhiệt độ bay hơi của chát lỏng trong bính bay hơi và sự phân bố nhiệt độ dọc theo luồng hơi là quan trọng hơn cả. #hinh 4.38a# Hính 4.38a:sự phụ thuộc giữa áp suất, áp suất tới hạn và vận tốc hút khì S với công suất đốt bính bay hơi Hính 4.38b:sự phụ thuộc giữa áp suât tới hạn với áp suất khởi động theo công suất đốt khác nhau. Tăng nhiệt độ binh bay hơi có thể làm tăng vận tôc chuyển động nhiêt của khì, tăng sự tán xạ luồng hơi ở màn chắn, dẫn đến tăng dòng ngƣợc của hơi và hơi dầu có thể đi vào miền chân không cao. Ngƣợc lại nếu luồng hơi yếu(vì dụ công suất bếp đốt chƣa đủ) thí màn chắn trở nên quá yếu đòi hỏi áp suất khởi động thấp và giảm vận tốc bơm. Hính ảnh đó đƣợc minh họ trên hính 4.38a và 4.38b. Vận tốc bơm của bơm khuếch tán. Nếu vận tốc cuẩ luồng hơi bằng, thí vận tốc dòng khì có thể biểu diễn theo dạng:

dv p dt A0 dx p pa v (4.57) dt Q 0 ở đó A 0 -diện tìch vành khuyên màng chắn. Vận tốc bơm tƣơng ứng với dòng Q khi đó: S 0 ( Q / P) v A0 (4.58) Độ dẫn của vành khuyên màng chắn, nhƣ đã biết: C= ( 1/ 4) v A0 (4.59). ôû ñoù v -vaän toác trung bình soá hoïc cuûa khí. Töø phöông trình: (1/S)=(1/C)+( 1/ S 0 ) (4.60) S0C S= C S 0 S C 1 Ta nhận đƣợc vận tốc bơm trong màn chắn: (4.61) Đối với màn chắn lý tƣởng( thí: S=C Tức là vận tốc cực đại của bơm bằng vận tốc của lỗ. Đối với màn chắn bị đóng(,thí: S=0 Hệ thức: 1 1 (4.6) ( C / S ) 1 (1/ 4)( v / ) 0 v đƣợc gọi là hệ số hiệu dụng của màn chắn. Hệ số hiệu dụng màn chắn xác định khả năng bắt chiếm phân tử khì của luồng hơi. Bảng (4.8) trính băỳ các hệ số, đƣợc tình theo dạnh (4.6) đối với một vài loại khì thƣờng gặp tƣơng ứng với một vài giá trị. Bảng 4.8. Hệ số hiệu dụng của màn chắn. caàn Khí huùt H Khoâng khí CO V ôû 300 0 km.sec -1 C/A 0 l.sec - 1710 450 370 1. cm 00 150 100 50 Vaän toác hôi v m.sec 44 0,31 0,6 0,19 0,1 11,6 0,63 0,56 0,46 0,3 9,4 0,68 0,6 0,5 0,35 Từ bảng 4.8 thấy rằng càng lớn đối vói khì có khối lƣợng càng lớn. Vì dụ, hệ số của nhỏ thua không khì cỡ lần. Mặc dù vậy, vận tốc bơm của khì (S= lớn hơn không khì cỡ lần ví độ dẫn của C và lớn hơn không khì cỡ 4 lần. Chọn bơm chân không ban đầu cho bơm khuếch tán. Những thông số của bơm chân không ban đầu tƣơng ứng với một bơm khuếch tán cho trƣớc đƣợc xác định từ phƣơng trính chảy liên tục của khì: Q= p 1S1 ps (4.63) ôû ñoù aùp suaát p1 - aùp suaát loái vaøo cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu(töùc laø aùp suaát loái ra cuûa bôm khueách taùn); p -aùp suaát loái vaøo cuûa bôm khueách taùn (hay aùp suaát laøm vieäc cuûa heä chaân khoâng ). Ñeå bôm khueách taùn laøm vieäc bình thöôøng, phaûi -1 p (4.64) 1S1 ps

Vì S1vàS laø nhöõng haøm cuûa aùp suaát, neân ñieàu kieän(4.64) phaûi thoûa maõn caû tröôøng hôïp xaáu nhaát: p om Slo ( p S) max (4.65) ôû ñoù ( p S) max - naêng suaát laøm vieäc cöïc ñaïi cuûa bôm khueách taùn; pom - aùp suaát khôûi ñoäng cöïc ñaïi cuûa bôm khueách taùn. Slo - vaän toác bôm cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu taïi p= p om Hình 4.39.-Naêng suaát (Sp) cuûa heä bôm khueách taùn () vaø heä bôm chaân khoâng ban ñaàu: 1 a)-bôm quay daàu 1 baäc ; 1 b)-bôm quay daàu baäc; Nhö vaäy vaän toác bôm cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu ñöôïc xaùc ñònh töø ñieàu kieän: ( p S) max Slo (4.66) p Q,torr,sec -1 om 1b 1 10 0 10-1 10 A, A " B B,, C 1a - 10 C " -3 10-4 10 10-5 pom -7 10 10-6 10-5 10-4 10-3 10-10 -1 10 0 10 1 10 3 10 Hình 4.39 Từ giản đồ năng suất của các loại bơm(hình 4.39), dễ dang chọn đƣợc bơm chaân không ban đdầu ứng với một bơm khuếch taán cho trƣớc. Giả sử rằng,aáp suất lối vaào của bơm khuếch tán có giá trị không đổi torr. Năng suất của bơm khuếch taán (S P ) tƣơng ứng với áp suất đó bằng. torr.l. điểm A trên hình 4.34. Năng suất của bơm chân không ban đầu phải không nhỏ hơn. torr.l..từ đƣờng cong Q=f(p) tại điểm Q= torr.l. ta tìm đƣợc áp suất (điểm B ). Nó nhỏ thua thỏa mãn yêu cầu của bơm khuếch tán. Bây giờ vì nguyên nhân nào đó áp suất khí trong hệ tăng lên giá trị.khi đó, năng suất bơm khuếch tán sẽ tăng đén giá trị (điểm A ). Năng suất đó tƣơng ứng với giá trị áp suất ban đầu torr(điểm B ).Trong trƣờng hợp này, nếu vận tốc của bơm quay dầu giảm chút ít cũng có thể đóng bơm khuếch tán.

Từ giản đồ năng suất(4.39) thấy rằng, không thể chọn bơm quay dầu 1 bậc (1a) để làm bơm chân không ban đầu đƣợc. Ngay cả khi áp suất trong hệ, bơm quay dầu 1 bậc trên cũng không đạt đƣợc giá trị áp suất khởi động cực đại của bơm khuếch tán (điểm C ). Có thể nâng cao một ìt sự hiệu dụng của hệ bơm bằng cách tăng công suất lò đốt bơm khuếch tán, tức là làm tăng áp suất khởi động của bơm khuếch tán. 4.3.4 bơm bề mặt. 4.3.4.1. Mở đầu. Nguyeân taéc laøm vieäc cuûa caùc loaïi bôm vöøa mieâu taû laø döïa treân quaù trình vó moâ hay vi moâ cuûa söï truyeàn xung löïc, vaø cuoái cuùng ñeàu baèng con döôøng neùn khí ra ngoaøi khí quyeån. Baây giôø chuùng ta haõy khaûo saùt caùc loaïi bôm maø chuùng huùt khí baèng con ñöôøng lieân keát vôùi beà maët theå raén coù nhieàu tính chaát lí hoùa ñaëc bieät. Nhö vaäy khí vaãn coùn laïi trong heä chaân khoâng nhöng ôû traïng thaùi lieân keát. loaïi bôm naøy coù theå xem laø lyù töôûng neáu taát caû caùc haït khi va chaïm vôùi beà maët ñeàu bò lieân keát vôùi noù. Ví duï, hôi nöôùc ngöng tuï treân beà maët ñöôïc laøm laïnh bôûi N loûng coù theå xem laø bôm huùt lyù töôûng. tuy nhieân beà maët naøy hoaøn toaøn khoâng ngöng tuï He. Noùi chung, chæ coù moät phaàn haït khí lieân keát vôùi beà maët khi va chaïm vôùi noù: v', v c ôû ñoù - laø xaùc suaát lieân keát. söï lieân keát cuûa haït khí vôùi beà maët theå raén ñeàu mang ñaëc tröng hoùa lí vaø phuï thuoäc raùt phöùc taïp vaøo baûn chaát cuûa caùc vaät töông taùc vaø traïng thaùi cuûa chuùng. Hôn nöõa xaùc suaát lieân keát coù theå bieán ñoåi theo thôøi gian. Vì vaäy khoâng coù khaû naêng toång quan nhöõng tính chaát chung cuûa caùc loaïi bôm beà maët. Tuy nhieân chuùng coù hai ñaëc tröng cô baûn sau ñaây: CHƢƠNG V: PHƢƠNG PHÁP ĐO CHÂN KHÔNG Ta nói đo chân không, chình là đo áp suất của khì loãng trong hệ chân không. Dụng cụ đo chân không đƣợc gọi là áp kế. Áp kế mà vạch chia của nó có thể tình toán đƣợc gọi là áp kế tuyệt đối. Đa số áp kế không phải là tuyệt đối, nguyên tắc làm việc của chúng dựa trên những tình chất, định luật vật lý của khì có liên quan tới áp suất của nó. Các vạch chia của áp kế này không thể rút ra từ tình toán chặt chẽ đƣợc mà chỉ bằng cách so sánh thực nghiệm với áp kế tuyệt đối. Dải đo chân không rất rộng, từ áp suất khì quyền đến 10-10 torr hay thấp hơn nữa. Thực tế không có áp kế nào đo đƣợc các dải áp trên. Hiện nay có nhiều loại áp kế: 1. Ap kế dựa trên nguyên tắc tác động cơ học của áp suất: áp kế lỏng, áp kế biến dạng. Áp kế dựa trên định luật Boir Mariot: áp kế Mác-lêod 3. Áp kế dựa trên định luật khì động lực: áp kế phân tử, áp kế độ nhớt, áp kế rung 4. Áp kế dựa trên độ dẫn nhiệt của khì: áp kế điện trở (Pirani), áp kế nhiệt điện 5. Áp kế dựa trên nguyên tắc ion hoá chất khì: ống phóng điện khì, áp kế Pening, áp kế ion hoá catod đốt nóng, áp kế phóng xạ. Dƣới đây ta chỉ nghiên cứu những áp kế thƣờng gặp trong kỹ thuật chân không nhất. 5.1 ÁP KẾ CHẤT LỎNG

Khi áp suất không quá vài chục torr, ngƣời ta thƣờng dùng áp kế chữ U.(hính 5.1). định bởi hiệu số giữa mức lỏng h. Nếu chất lỏng là thuỷ ngân thí áp suất nhận đƣợc trực tiếp bằng mmhg. Khi mức thuỷ ngân bằng nhau có thể xem như gần đạt đến chân không Chúng ta cũng có thể nối hai đầu của ống thuỷ ngân với bính chân không thông qua các khoá K bằng cách này chúng ta có thể hạn chế tạp khì ban đầu sẳn có ở trong ống thuỷ ngân. Hình 5.1 đƣợc Tại nơi mà thuỷ ngân và khì giao nhau sẻ xảy ra hiện tƣợng va chạm giửa các phân tử dẩn tới giản nở trạng thái vậy quá trính nén nén sẻ bị giảm Nếu chất lỏng có tỉ trọng nhỏ hơn Hg thì độ nhạy sẽ tăng lên bằng tỉ số giữa tỉ trọng Hg và tỉ trọng chất lỏng đó. Vì dụ chất lỏng là dầu có = 0,8 g/cm 3 thí độ nhạy sẽ tăng lên 15 lần. Ƣu điểm của áp kế này là cấu tạo đơn giản, phép đo đủ chình xác. 5. ÁP KẾ NÉN (Mác-lêot) 5..1. Nguyên tắc làm việc: Áp kế gồm có: bầu chứa Hg ở bính R bầu này có thể di động lên xuống bính V, ống nén T và ống dẫn qua hệ chân không. Trƣớc khi đo, hạ bính R xuống thấp sao cho Hg hạ xuống dƣới điểm A. Nhƣ vậy bính V thông với hệ chân không cần đo áp kế. Để đo áp suất cần, nâng bính R lên sao cho thuỷ ngân dâng lên trong ống bên phải (ống so sánh) đến mức C. Trong ống T, thuỷ ngân nén khì và dâng lên đến B thấp hơn mức C. Ký hiệu V, thể tìch khì ban đầu chƣa bị nén có áp suất P, còn v, thể tìch khì sau khi bị nén có áp suất p1. (5.1) =>P1=P.V/v Lúc đầu cho áp suất ở V=Pok p = p 1 /(v/v) Khi đó: Nếu p và p1 đƣợc biểu diễn bằng mmhg thí hiệu số mức Hg trong hai ống bằng: giữa h = p 1 = p p 1 = h + p P = (h + p) (v/v) p = h (v/v) (5.3) => Từ đó (5.1) Vì p < h nên Nếu biết V, v có thể tình đƣợc áp suất p. Tỉ số v/v là của áp kế. Áp kế nén có thể chia độ bằng phƣơng pháp sau độ nén Phƣơng pháp chia độ 5... a) Chia độ tuyến tình: Thuỷ ngân đƣợc đƣa lên đến cố định B cách đỉnh ống nén một khoảng ho. Giả sử Hg vạch ống so sánh nâng cao lên đến điểm C cao hơn B là h, khi trong đó: p = (v/v)h = (πd /4V)h o h = C 1 h (5.3) đây: Trong đó: C 1 = (πd /4V)ho hằng số của áp kế với độ chia tuyến tình d: đƣờng kình ống và h là chiều dài ống ; v thể tìch theo d và h

b) Chia độ bính thƣờng: lần này thuỷ ngân đƣợc nâng lên đến vạch cố định E trên ống so sánh, ngang với đỉnh ống nén. Khi đó, thuỷ ngân trong ống nén dâng lên đến mức cách đỉnh của nó là h. (5.4) p = (v/v)h = (πd /4V)h.h = C h Trong trƣờng hợp này: h=ho 5..3. Cấu tạo của áp kế a) Dịch chuyển thuỷ ngân: Có phƣơng pháp dịch chuyển thuỷ ngân 1. Bằng tay di chuyển bầu chứa thuỷ ngân đƣợc nối liền với áp kế bằng ống cao su (hính 5.);. Bằng khoá 3 thông (hính 5.3): cho thông khì quyền với bầu chứa thuỷ ngân cố định để nâng thuỷ ngân và cho bơm chân không với bầu chứa thuỷ ngân khi hạ thuỷ ngân. b) Sự bổ chình hiện tƣợng mao dẫn: Để tránh sai số do sự khác nhau của tình mao dẫn, đƣờng kình ống nén và ống so sánh phải bằng nhau. Nhƣng ống nén ta sẽ khẳng định dƣới đây phải có đƣờng kình nhỏ (cỡ mm), với đƣờng kình đó khả năng truyền qua của ông so sánh rất nhỏ. Nhƣ vậy thời gian để cân bằng áp suất trong hệ chân không với áp suất trong thể tìch V khá lớn. Để tránh khó khăn đó, ngƣời ta cho làm ống thông giữa áp kế với hệ chân không có đƣờng kinh đủ lớn (1 cm) nhƣng thêm một ống so sánh bên cạnh (hính 5.4). Để mở rộng giải đo áp kế, ngƣời ta chế tạo áp kế nhiều bậc. 5..4. Độ nhạy lớn nhất của áp kế: Từ (5.3) và (5.4) suy ra rằng, để áp kế có độ nhạy lớn cần giảm d và tăng V. Nhƣng d không thể nhỏ hơn 0.8mm ví lúc này Hg sẽ dình vào thành ống, còn V không thể lớn hơn 50cm3 (ứng với 3,4kg Hg) ví bầu chứa dễ vỡ. Với những điều kiện giới hạn trên nếu h = 1mm thí p: 10-6 torr. Đó là áp suất nhỏ nhất có thể đo đƣợc của áp kế nén có cấu tạo trong thực tế thƣờng dùng. Ƣu nhƣợc điểm của áp kế nén: Ap kế nén là chuẩn của áp kế khác Một trong những ƣu điểm rất lớn của áp kế nén là độ chia của nó có thể tình toán chình xác. Điều đó cho phép ta dùng nó trong điều kiện tiêu chuẩn đo lƣờng. Tuy nhiên nó có những nhƣợc điểm sau:

1. Đòi hỏi nhiều động tác phức tạp khi sử dụng. Do đó áp kế này không đo áp suất liên tục đƣợc.(do ảnh hƣởng của thủy ngân). Độ nén khì rất lớn (106 106 lần) nên dễ dàng làm ngƣng tụ hơi vật chất (HO, CO ) chúng chuyển về trạng thái lỏng và không thể xác định đƣợc áp suất riêng phần của chúng. 3. Để nhận đƣợc áp suất thấp hơn 10-3 torr (hơi bão hoà Hg) cần có bây lạnh đặt giữa hệ chân không với áp kế nén để kịp ngƣng tụ hơi thuỷ ngân xuyên vào hệ. 5.3. ÁP KẾ NHIỆT ĐIỆN 5.3.1. Nguyên tắc làm việc: Trong chế độ phân tử, hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào áp suất khì. Hiện tƣợn đó đƣợc dùng để xác định áp suất khì. Áp kế loại này là một vỏ đèn bằng thuỷ tinh chứa sợi chỉ đốt nóng bằng dòng điện (hình 5.5a). Trong thời gian làm việc, để nhiệt độ của sợi chỉ đƣợc thiết lập, cần phải tốn một công suất bằng: Q = Q G + Q S + Q M (5.5) Q G : nhiệt tiêu hao do khì mang đi Q S : nhiệt bức xạ Q M : nhiệt tiêu hao nơi tiếp xúc kim loại (trên giá gần sợi chỉ) Sự phụ thuộc của lƣợng nhiệt tiêu hao (hay nhiệt độ sợi chỉ) vào áp suất có 3 miền đặc trƣng (hính ở đó: 5.5b) Hính 5.5: a) Cấu tạo về nguyên tắc của áp kế nhiệt điện. b) Sự phụ thuộc của lƣợng nhiệt tiêu hao Q (hay nhiệt độ sợi chỉ đƣợc đốt nóng) theo áp suất p. Miền I: (áp suất lớn). Khi λ << r (r bán kình của sợi chỉ đƣợc đốt nóng), thí từ phƣơng trính (1.11) suy ra rằng: lƣợng nhiệt tiêu hao Q không phụ thuộc vào áp suất. Miền II: Miền này thoả mãn điều kiện λ > r. Từ (1.13) suy ra rằng trong trƣờng hợp này Q giảm tỉ lệ với áp suất, và do đó nhiệt độ sợi chỉ T tăng tỉ lệ với áp suất. Miền III: (áp suất rất nhỏ λ >> r. Trong trƣờng hợp này nồng độ phân tử rất nhỏ, nên Q G << Q S + Q M. Nhƣ vậy Q = Q S + Q M = const và không phụ thuộc vào áp suất (nếu T = const). Như vậy, nguyên tắc làm việc của áp kế nhiệt điện là xác định sự biến đổi nhiệt độ của sợi chỉ được đốt nóng theo áp suất trong miền II. Sự biến đổi nhiệt độ của sợi chỉ có thể biểu hiện qua sự biến đổi thế điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện (áp kế cặp nhiệt điện) hay qua sự biến đổi điện trở của sợi chỉ (áp kế nhiệt điện trở). Từ biểu thức (1.13) suy ra trong miền áp suất thấp, QG có dạng: (5.6) 5.3.. Những đặc điểm của áp kế nhiệt điện: (T T ) 1 QG A p M

A- hằng số, α hệ số điều tiết, (T T 1 ) hiệu số nhiệt độ giữa sợi đốt với vỏ đèn; M nguyên tử lƣợng. Từ (5.6) thấy rằng, Q G và do đó độ chia của áp kế phụ thuộc vào loại. Ví vậy mỗi loại có đƣờng cong mẫu chia độ riêng. Cũng từ (5.6) thấy rằng, Q G phụ thuộc vào α. Thông thƣờng α << 1 và phụ thuộc vào trạng thái bề mặt và loại khì. Đối với khì H, sợi chỉ bạch kim (Pt) có bề mặt nhẵn thí α = 0,36 và sẽ tăng lên 0,71 khi bề mặt xù xí. Hệ số α sẽ bị biến đổi khi sợi chỉ bị oxit hoá. Ví vậy sợi chỉ thƣờng chế tạo bằng Pt. Tuy nhiên những chất bẩn trong hệ nhƣ dầu v.v.. có thể bám vào sợi chỉ. Như vậy, trong quá trình áp kế làm việc, trạng thái bề mặt sợi chỉ dần dần bị biến đổi, làm biến đổi công suất Q G. Do đó nhiệt độ sợi chỉ luôn biến đổi. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, sau một thời gian làm việc cần hiệu chỉnh dòng đốt. Từ (5.5) thấy rằng, độ nhạy của áp kế càng lớn khì Q G rất lớn hơn (Q S + Q M ). Để giảm Q M sợi đốt phải dài và nhỏ. Để giảm Q S hệ số bức xạ của sợi đốt cần phải nhỏ và nhiệt độ làm việc của nó không cao. Tuy nhiên không nên chọn nhiệt độ sợi đốt quá thấp. Ví khi đó sẽ bị ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng xung quanh. Thông thƣờng nhiệt độ sợi đốt là 00 o C. Áp kế nhiệt điện có tình chất quán tình. Do nhiệt dung của sợi đốt mà nhiệt độ không thiết lập tức thời khi áp suất biến đổi. Thƣờng phải đòi hỏi một thời gian 15 0s. Nhƣ vậy áp kế nhiệt điện không cho phép ta xác định áp suất trong hệ biến đổi nhanh. 5.3.3. Các loại áp kế nhiệt điện: 1. Áp kế cặp nhiệt điện: Trên hính (5.6) trính bày cấu tạo của áp kế cặp nhiệt điện (đèn T-) và sơ đồ nguyên tắc của dụng cụ đo. Áp kế gồm một vỏ đèn bằng thuỷ tinh 1. sợi đốt. cặp nhiệt điện 3. cặp nhiệt điện đƣợc hàn vào giữa sợi đốt, do đó tiếp xúc nhiệt giữa chúng khá tốt. Quá trình sợi chỉ nóng lên nó sẻ tỏa nhiệt =>quá trình hoạt động trong bình tăng =>P tăng (p-t/v, V=const)=>có ảnh hưởng gì?(khi dòng vào sợi chỉ nóng lên dẩn đến truyền nhiệt cho hai trụ dẩn tới quá trình đo).người ta đánh giá nhiệt độ của sợi dây theo cơ chế nào?.(có phải theo áp suất không)cặp nhiệt điện tăng thì nhiệt điện trở tăng?. Sự chia độ đƣợc tiến hành nhƣ sau. Khi hệ chân không đạt đến độ chân không cao (- 10-4 torr), bằng biến trở 6 ta thiết lập dòng đốt nhƣ thế nào để thế điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện 3 10mV (đối với T-). bằng Đại lƣợng dòng đốt nóng đó đƣợc xác định bằng miliampe kế 7 và giữ không đổi trong quá trính tiến hành chia Sau khi xác lập sự liên hệ giữa áp suất (vì dụ nhờ áp kế nén) độ. thế điện động nhiệt điện, ta có đƣờng cong chia độ nhƣ trên với 5.7. hình Từ đƣờng cong thấy rằng, phép đo áp suất bằng áp kế này có độ chình xác lớn chỉ trong khoảng áp suất hẹp (từ 5.10-1 có thể 3 torr). Độ nhạy của áp kế đặc biệt kém trong miền áp suất thấp 10-10 -3 torr. Vì dụ, p biến đổi từ 10-3 torr đến 10-4 torr, thí thể điện p < chỉ biến đổi trong khoảng 0,3mV. động

. Áp kế nhiệt điện trở (áp kế Pirani): Cũng nhƣ áp kế cặp nhiệt điện, áp kế Pirani gồm bộ phận: đèn áp kế và dụng cụ đo điện. Trên hính 5.8 trính bày một dạng cấu tạo thƣờng gặp trong kĩ thuật. Áp kế là một vỏ đèn chứa trụ để gần một hay vài sợi chỉ kim loại (song song) và đốt nóng chúng bằng dòng điện. Dụng cụ đo điện là mạch cầu để đo điện trở: r 1 điện trở của sợi chỉ trong đèn áp kế. Sợi chỉ này phải đƣợc chế tạo bằng kim loại, ngoài những tình chất đã nêu ở 5.3. còn phải có hệ số nhiệt độ lớn, để khi nhiệt độ của sợi chỉ biến đổi, thí điện trở của nó sẽ biến đổi đủ lớn. Kim loại Pt cũng thoả mãn yêu cầu đó; r biến trở làm bằng kim loại có hệ số nhiệt độ đặc biệt nhỏ; r 3 và r 4 điện trở cố định có hệ số nhiệt độ rất nhỏ và r 3 = r 4. Những vật liệu có hệ số nhiệt độ nhỏ là manganin và constantan. Nguồn nuôi mạch cầu đƣợc đƣa vào đầu M và N từ nguồn dòng không đổi 4, và điều chỉnh bằng biến trở 5. Dòng qua sợi chỉ của áp kế đƣợc đo bằng miliampe kế 1, dòng giữa A và B của mạch cầu đƣợc đo bằng miliampe kế. Đo áp suất bằng cầu đo trên đƣợc tiến hành theo thứ tự nhƣ sau: 1. Điều chỉnh r đến giá trị ghi trong lý lịch đèn cao áp kế đối với mỗi giới hạn nhiệt độ phòng,. Đóng mạch cầu và điều chỉnh dòng đốt sợi chỉ I H qua miliampe kế 1 đến giá trị cũng ghi trong lý lịch của áp kế. Dòng đốt đó luôn luôn giữ không đổi trong quá trính đo áp suất. 3. Khi chân không trong hệ đúng thí cầu phải ở trạng thái cân bằng (kim miliampe kế phải ở giá trị 0). Điều đó có nghĩa rằng nhiệt độ sợi chỉ chƣa thay đổi so với khi ở áp suất khì quyển, tức là r 1 = r. 4. Khi áp suất giảm nhiệt độ nên điện trở r 1 tăng, kim miliampe kế bắt đầu dịch chuyển từ 0 về phìa phải. Áp suất càng thấp thí độ dịch chuyển càng lớn. Để giảm ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng xung quanh lên phép đo, ngƣời ta thƣờng dùng áp kế nhiệt điện trở có bổ chình. Trong trƣờng hợp này, r đƣợc thay bằng một áp kế hàn kìn với p < 10-4 torr (bộ phận bổ chình). Nhƣ vậy, sự biến đổi của nhiệt độ môi trƣờng sẽ ảnh hƣởng lên áp kế và bộ phận bổ chình giống nhau. Vì r = const nên r 3 và r 4 phải có chức năng biến trở (hính 5.9a) và vị trì của nó phải chọn thế nào để cầu ở trạng thái cân bằng với áp suất khì quyền. Những thứ tự còn lại để tiến hành phép đo hoàn toàn giống trên. Quá trính chia độ cho áp kế nhiệt điện trở đƣợc tiến hành nhƣ sau: chọn r đối với đèn áp kế thƣờng, hay chọn vị trì biến trở đối với áp kế có bổ chình nhƣ thế nào để khi ở áp suất khì quyển mạch cầu đƣợc cân bằng.

Hình 5.9 Khi đó, dòng đốt I H phải điều chình đến giá trị cho trƣớc đối với mỗi loại áp kế. Sau đó đèn áp kế đƣợc hút chân không với p < 10-4 torr. Nếu kim miliampe kế không chỉ dùng giá trị tới hạn của nó, thí phải hiệu chỉnh dòng I H bằng biến trở để vị trì kim miliampe kế trùng với vạch tới hạn. Đối với áp kế thoả mãn điều kiện trên, thí giá trị đã hiệu chỉnh I H không khác nhiều giá trị I H khi cân bằng ở áp suất khì quyển. Cuối cùng, cho áp suất trong đèn tăng dần, ta có thể thành lập đƣờng cong phụ thuộc giữa áp suất với dòng mạch cầu miliampe kế nhờ một áp kế khác, vì dụ áp kế nén. Đƣờng cong phụ thuộc đó đƣợc trình bày trên hình 5.9b. Cũng có trƣờng hợp áp kế nhiệt điện trở không phải làm việc với I H = const mà với thể ở hai đầu M, N. là hằng số. Tất nhiên sự chia độ của áp kế khác với phƣơng pháp trên. Tuy nhiên áp kế làm việc ở chế độ này có độ nhạy không lớn. Áp kế nhiệt điện thƣờng đƣợc ứng dụng nhƣ chức năng biến tử, tự động đóng mạch đốt của bơm khuếch tán dầu (để loại trừ hiện tƣợng phân huỷ dầu chân không do O ) hay biến tử thời gian ngắt mạch bơm chân không ban đầu. Thời gian đóng đƣợc xác định bởi đại lƣợng áp suất khởi động. CHƢƠNG VI: PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN CỦA KHÍ CÒN LẠI TRONG HỆ CHÂN KHÔNG 6.1 MỞ ĐẦU: Những phƣơng hƣớng nghiên cứu khoa học kĩ thuật ngày nay phần lớn đều ứng dụng vật lý chân không và đặt cho nó một nhiệm vụ mới :xác định chình xác thành phần và lƣợng khì hay hơi trong hệ chân không,phân tìch đồng vị trong kĩ thuật hạt nhân,xác định tuổi của trái đất phân tìch thành phần hợp chất,xác định vận tốc phản ứng hoá học,hoàn thiện chất lƣợng dụng cụ điện tử và bán dẫn trong vô tuyến điện tử.v.v.. đều cần thiết xác đinh chính xác áp suất riêng phầncủa khì hay hơi trong hệ.dụng cụ đo áp suất riêng phần đó đƣợc gọi là khối phổ kế.tất cả dụng cụ này dựa trên nguyên tắc cơ bản là ion hoá chất khì hay hơi trong hệ chân không,rồi tách các ion đƣợc thành lập do ion hoá theo khối lƣợng tƣơng ứng của chúng nhờ tác dụng của điện từ trƣờng.nhƣ vậy dòng ion của các ion có khối lƣợng giống nhau là do áp suất riêng phần của chúng trong hệ.tuy nhiên nói một cách chình xác, đến nay chƣa có khối phổ kế nào xác định đƣợc thành phần thực cuả khì do còn những nhƣơcđiểm sau: Những dụng cụ này xác định khối phổ ion chứ không phải phổ của các thành phần khì.vì dụ những khì nhƣ : N,CO và CH CH (etylen) luôn luôn cho cƣờng độ phổ có khối lƣợng là 8 ( theo tỉ lệ xìch khối lƣợng O = 16 ). Độ nhạy không giống nhau đối với các khì khác nhau ( tƣơng tự áp kế ion hoá ) và độ nhạy tƣơng đối lại phụ thuộc vào cấu tạo và chế độ làm việc của dụng cụ. Khả năng phân giải tốt chỉ trong miền khối lƣợng nhỏ.nếu dụng cụ nào đó có khả năng phân giải tăng,thí độ nhạy của nó lại kém đi. Có thể chia khối kế ra làm 3 loại: -Lệch từ :Qũi đạo của ion dƣơng trong từ trƣờng phụ thuộc vào khối lƣợng ion. -Cộng hƣởng : Tần số cộng hƣởng của ion trong điện trƣờng biến đổi phụ thuộc vào khối lƣợng ion.

-Thời gian bay: Thời gian của ion dƣơng bay qua giữa hai điểm phụ thuộc vào khối lƣợng ion. 4 11 Tất cả các loại khối phổ kế chỉ có thể xác định áp suất riêng phần từ 10 10 torr. Thông số cơ bản của khối phổ kế là khả năng phân giải.khái niệm này đƣợc lấy từ quang phổ.khả năng phân giải bằng,nếu hiệu số khối lƣợng tƣơng đối cực tiểu của hai vạch tách biệt đƣợc xác định bởi hệ thức : m (6.1) m 3 Ở khối phổ kế lệch từ có khả năng phân giải lớn nhất (có thể đạt tới 10 ),ví vậy thƣờng đƣợc dùng để phân tìch chất đồng vị. Đối với hệ chân không,khả năng phân giải chỉ cần đến 50. Một thông số khác không kém phần quan trọng là khoảng khối lƣợng có khả năng phân tìch đƣợc. Đối với hệ chân không,khoảng khối lƣợng chỉ cần từ ( H ) đến 00 (Hg).Khoảng khối lƣợng đó bị giới hạn bởi khả năng phân giải của khối phổ kế kém. Thông số thứ ba là độ nhạy của máy.cũng nhƣ trong các áp kế thông thƣờng, độ nhạy đƣợc biểu diễn theo a / torr.về nguyên tắc độ nhạy của phổ kế là khác nhau đối với các khì khác nhau,nhƣng ví sự khác nhau không lớn lắm nên thƣờng ngƣời ta bỏ qua. 6. KHỐI PHỔ KẾ LỆCH TỪ : 6..1 Khối phổ kế cánh quạt và góc lệch 180 : Ion đứng yên ở trong thế hiệu V,sẽ nhận đƣợc vận tốc bằng: 1/ (6.) v= ( ev / m) Dƣới tác dụng của từ trƣờng đồng nhất,ion đó sẽ chuyển động theo quĩ đạo cong với bán kính : (6.3) R = (1/H) ( mv / c) Từ (6.3) suy ra rằng,nếu V= const thí bán kình quĩ đạo chỉ phụ thuộc vào khối lƣợng của nó và cƣờng độ từ trƣờng.nhƣ vậy,với khối lƣợng từ trƣờng cho trƣớc ion có khối lƣợng khác nhau sẽ tách xa nhau. Phƣơng trính (6.3) đối với ion một điện tìch (e=1) bằng: (6.4) R = 143,6 ( mv / H ) ở đó : m khối lƣợng phân tử ; H từ trƣờng gaurs;v - thế gia tốc (volt) ; R bán kính (cm).từ đó : 4 (6.5) m =,06. 10 ( H / V) R Rõ ràng rằng,khi biến đổi 1 H hay V thí có thể hội tụ những ion có khối lƣợng khác nhau lên bảng hứng ion cố định.trong thực tế,ngƣời ta biến đổi từ trƣờng,ví m H.Vì dụ, để quét từ khoảng khối lƣợng từ 1 đến 100,chỉ cần biến đổi từ trƣờng 10 lần,nếu biến đổi thế tĩnh điện thí phải 100 lần. Trên hình 6.1 trính bày sơ đồ nguyên tắc của khối phổ kế lệch từ cánh quạt và góc lệch 180

Hệ điện cực gia tốc và hội tụ Chùm ion Buồng ion hóa Từ trƣờng vuông góc với mặt vẽ Bản hứng ion Buồng ion hóa 1, -Điện cực hội tụ chùm điện tử.3,4-hệ hội tụ chùm ion.5-buồng ion hóa Bản hứng ion Từ trƣờng vuông góc với mặt vẽ Hình 6.1: a) Khối phổ kế có hính cánh quạt b) Khối phổ kế có hính góc lệch 180 Phân tử khì bị ion hoá do va chạm với chùm điện tử trong buồng ion hoá.ion đƣợc thành lập sẽ chuyển động vào không gian từ trƣờng qua lỗ B 1 mhờ hệ điện cực gia tốc và hội tụ chúng.với V và H xác định thí chỉ có những ion có khối lƣợng tƣơng ứng mới có thể lọt qua lỗ chắn B để đập lên bảng hứng ion.từ dòng ion đo đƣợc trên bảng hứng đó ta có thể xác định đƣợc áp suất riêng phần của chúng.thay đổi H và giữ V không đổi,ta có thể nhận đƣợc phổ khối lƣợng của các phân tử khì còn lại trong hệ,(hính 6.):

4 m = 4 (He) m =8 (Si) 0 10 3.10 3 3.10 3 4.10 3 5.10 3 hình 6. Hình 6. Từ (6.5),ta dễ dàng chứng minh rằng.trong trƣờng hợp lý tƣởng,khả năng phân giải của khối phổ kế lệch từ bằng: m R (6.6) m S S ở đó 1 S 1 và S : độ rộng của lỗ chắn Trong thực tế không có dụng cụ nào đạt đến khả năng phân giải tới hạn đó cả,ví có ba nhƣợc điểm quan trọng sau: a) Không thể điều chỉnh chình xác ống phân tìch. b) Năng lƣợng của ion khi đi vào ống phân tìch không bằng nhau. c) Sự không ổn dịnh của điện thế điều khiển và từ trƣờng. Độ nhạy của khối phổ kế rất nhỏ thua áp kế ion hoá,ví rằng độ dài hiệu dụng của quĩ đạo điện tử trong khối phổ kế ngắn hơn và ion bị mất trong quá trính gia tốc chúng từ buồng ion hoá 1 đến bảng hứng ion.thông thƣờng độ nhạy của khối phổ kế lệch từ 0,1 dến 1,0 torr. 6.. Khối phổ kế trochotron (hay xyclotron): Sự khác nhau duy nhất của khối phổ kế trochotron với khối phổ kế lệch từ vừa mô tả là ở đây tách khối lƣợng ion bằng điện từ trƣờng đồng nhất và trực giao,(hính 6.3). Gỉa thiết rằng E Oy, H Oz và vận tốc ban đầu của ion nằm trong mặt phẳng xoy.phƣơng trính chuyển động có dạng : '' ' mx ( e / c) v H ( e / c) Hy (6.7) x '' ' my ( e / c) v H eey ee ( e / c) Hx y B 1 và B Có thể giải phƣơng trính này bằng phƣơng pháp thay biến số. Đặt : (6.8) x 1 =x ut ở đó : u - hằng số. Ý nghĩa vật lý của sự biến đổi đó là chuyển hệ toạ độ cố định sang hệ toạ độ mới chuyển động với vận tốc u theo hƣớng x. Phƣơng trính (6.7) bây giờ có dạng: '' e ' x1 Hy mc

e e e m mc mc '' ' y E Hx1 Hu Hình 6.3: Sơ đồ nguyên tắc khối phổ kế xyclotron. Nếu chọn u = c (E/H) thí phƣơng trính thứ hai của (6.9) sẽ đơn giản hơn và hệ phƣơng trính có dạng sau: '' ' x y (6.11) ở đó : = (eh/mc). Điện trƣờng trong phƣơng trính thứ hai của (6.9) đã biến mất.nhƣ vậy (6.11) là hệ phƣơng trính chuyển động của ion dƣới tác động của từ trƣờng đồng nhất.trong hệ toạ độ mới ( x 1,y),hạt sẽ chuyển động theo đƣờng tròn.chuyển động tổng hợp của hạt là chuyển động đều với vận tốc u theo trục x đồng thời quay tròn trong mặt phẳng xoy ; chuyển động theo quĩ đạo trochoic. Gỉa sử rằng,những thành phần vận tốc ban đầu của hạt bằng vox và v oy.khi đó nghiệm của (6.11) có dạng: '' ' y x 1 (6.1) v ox v x t oy t 1 1 sin (1 cos ) v v y t t oy ox1 sin (1 cos ) Hay trong hệ toạ đô (x,y): vox ce v ( )sin oy cet x t (1 cos t) H H voy vox ce y sin t (1 cos t) H Trên hính (6.4) trính bày các dạng trochoic của hạt có hƣớng và vận tốc ban đầu khác nhau. Khi y= 0,thì x=d=ut,hay: mc E d eh (6.13) Nhƣ vậy chùm ion đi ra khỏi khe S 1 với vận tốc và hƣớng ban đầu bất kỳ đều hội tụ vào khe S cách khe S 1 một khoảng cách d bằng nhau. Rõ ràng rằng,khối phổ kế trochotron,về nguyên tắc có tình chất hội tụ lý tƣởng.tuy nhiên việc tạo điện trƣờng mạnh,thật đồng nhất trong một khối có thể tìch lớn gặp rất nhiều khó khăn.

(6.13 ) mc E Từ (6.13),có thể xác định khả năng phân giải của nó : d eh m d d Hay : m d S S 1 ở đó : S 1, S _độ rộng của khe S 1 và S. Khả năng phân giải đó là bất biến đối với năng lƣợng và hƣớng ban đầu của chùm ion. Điều đó cho phép ta dùng nguồn ion có độ hiệu dụng lớn hơn so với khối phổ kế lệch từ cánh 0 quạt hay góc lệch 180.Dòng ion ở lối ra S khá lớn. Điều đó cho phép ta đo áp suất riêng phần của khì rất nhỏ bằng phƣơng pháp khuếch đại dòng thông thƣờng,trong lúc đó khối phổ kế lệch 0 từ cánh quạt và góc lệch 180 phải dùng hệ nhân điện tử đặc biệt. E y V o =0 u x z H d hình 6.4 các d?ng qu? d?o khác nhau c?a trochotron Hính 6.4 :Các dạng quỹ đạo khác nhau của trochotron. 6.3 KHỐI PHỔ KẾ CỘNG HƢỞNG (Omegatron): Dùng khối phổ kế lệch từ để xác định áp suất riêng phần của khì còn lai trong hệ chân không thƣờng gặp nhiều khó khăn do chúng phức tạp và cồng kềnh.ví vậy trong những năm gần đây,ngƣời ta đã chế tạo một dụng cụ mới, đơn giản và thuận tiện hơn,dó là Omegatron. Nguyên tắc làm việc của Omegatron dƣợc xây dựng trên quy luật chuyển động của ion trong từ trƣờng không đổi và điện trƣờng biến đổi trực giao.

Sơ đồ nguyên tắc của Omegatron đƣợc trính bày trên hính 6.5.Về nguyên tắc,omegatron làm việc giống cyclotron.trong buồng K có từ trƣờng không đổi đặt vuông góc với điện trƣờng biến đổi.bên ngoài buồng có catod 1; điện tử phát xạ đƣợc gia tốc bằng điện thế dƣơng của collector điện tử đặt đối xứng với catod.chùm điện tử nằm dọc theo đƣờng sức từ trƣơòng sẽ ion hoá phân tử khì trong miền rất hẹp dọc theo trục dụng cụ.ion đƣợc thành lập sẽ tƣơng tác với trƣờng điện từ trong đó. Nếu tần số cyclotron =(eh/mc) của ion trùng dấu với tần số của điện trƣờng,thí nó chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc tăng dần trng mặt phẳng vuông góc với vectơ H. Hính 6.5:Sơ đồ nguyên tắc của Omegatron. 1.catod ;.colector điện tử ; 3.colector ion ; K- bản cao tần;h-vector từ trƣờng ; E-vector cƣờng độ điện trƣờng cao tần 6 (nguồn cao tần volt và gần 10 Hz). Gỉa sử rằng, điện trƣờng biến đổi trong mặt phẳng quỹ đạo có cƣờng độ E E sin t và 0.Khi đó hạt sẽ chuyển động theo quỹ đạo gần xoắn ốc với tần số góc ( )/ và (6.14) r ce ( ) t 0 sin H bán kính: Từ (6.14) suy ra rằng,nếu (những ion có tần số cyclotron nhƣ vậy đựoc gọi là cộg hƣởng ) thí : ce0 (6.15) r t H Cho nên bán kình quỹ đạo chuyển động của ion cộng hƣởng sẽ tăng dần theo thời gian.nếu,thí bán kình quỹ đạo chuyển động của ion không cộng hƣởng sẽ dao động theo thời gian (phƣơng trính 6.14) và bị giới hạn trong miền : ce0 (6.16) rmax H ( ) Nhƣ vậy nếu đặt collector ion tại 3 khoảng cách : (6.17) r0 rmax thí chỉ có những ion cộng hƣởng có khối lƣợng xác định mới đạt đến nó. Biến đổi tần số điện trƣờng hay cƣờng độ từ trƣờng ta có thể đo đƣợc dòng ion tƣơng ứng với các thành phần khì khác nhau trong hệ. Trên hình 6.6 trình bày khối phổ lƣợng của Omegatron.Từ tần số tƣơng ứng với cực đại của dòng ion ta sẽ biết loại khì trong hệ,còn độ cao của cực đại tƣơng ứng với áp suất riêng phần của nó.

m=8 (si) m=4 (He) 1 0 00 400 600 800 kc f (6.19) (6.0) hình 6.6 ph? kh?i lu?nghính c?a6.6 Omegatron :Phổ khối lƣợng của Omegatron. Từ phƣơng trính (6.16) và (6.17) ta có : ce0 rh 0 (6.18) Do đó với cố định,collector ion sẽ ghi nhận những ion trong khoảng : 0 ce rh 0 Ví vậy, khả năng phân giải : m er0 H m c E m Từ (6.0) thấy rằng,khả năng phân giải của Omegatron tỉ lệ thuận với 0 H và tỉ lệ nghịch với E 0 và với m. Cƣờng độ từ trƣờng đƣợc xác định bởi nam châm vĩnh cửu.thƣờng H 000 5000 gauss.trên hính 6.7 trính bày đƣờng cong phụ thuộc của khả năng phân giải và dòng ion cộng hƣởng theo E 0.

? 100 I i? 75 50 5 0 0.1 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Eo, volt /cm hình 6.7 Chọn đại lƣợng E 0 phải tuỳ thuộc vào điều kiện thì nghiệm.nếu cần phân tìch một lƣợng 5 7 khì nhỏ ở áp suất tƣơngđói lớn ( 10 10 torr),thí có thể tăng độ nhạy của Omegatron bằng dòng ion do tăng E 0.Khi đó chuyển động của dòng in cộng hƣởng đến collector: er0 H (6.1) L me0 sẽ giảm,và do đó độ tán xạ của ion do va chạm với các hạt khì sẽ giảm. Khối phổ kế Omegatron là dụng cụ thuận lợi nhất để giải quyết nhiều vấn đề trong miền khối lƣợng m/ c 50. Đối với khì nặng hơn,do độ phân giải quá kém nên ngƣời ta ìt dùng nó. Omegatron có cấu tạo đơn giản nên đƣợc dùng phổ biến trong kĩ thuật chân không.nhƣợc điểm của nó là do thế cao tần chỉ khoảng 1- volt,nên dễ bị ảnh hƣởng của sự biến đổi thế hiệu tiếp xúc giữa các điện cực. Trang 1 6.4 KHỐI PHỔ KẾ THỜI GIAN BAY (Cronotron) Nhƣ đã biết,thời gian gian bay của ion trong không gian tự do phụ thuộc vào khối lƣợng của nó.khối phổ kế dựa trên nguyên tắc đó gọi là khố phổ kế xung hay Cronotron Sơ đồ nguyên tắc của cronotron đƣợc trính bày trên hính 6.7.Nguồn ion sẽ phóng vào ống phận tìch A từng nhóm ion.nhóm ion có thể nhận đƣợc nhƣ chùm ion hóa xung bởi chùm điện tử với khoảng thời gian 10 :-10 sec.khi đi qua thế hiệu gia tốc V ion sẽ chuyển động trong ống phân tìch theo quán tình,thời gian bay của ion từ nguồn đến collector bằng : t l m ev (6.) Nhƣ vậy ion đập lên colector ion dƣới dạng từng nhóm riêng biệt,tƣơng ứng với m/e : đầu tiên nhóm ion nhẹ sau đó nhóm ion nặng hơn. Cho nên cứ mỗi xung trong nguồn ion,thí trên màn dao động ký sẽ xuất hiện phổ khối lƣợng. Đo dòng ion ta biết áp suất riêng phần của nó.khả năng phân giải của dụng cụ bằng : ( / ) ( / ) m m t t (6.3)

colector điện tử A- ống phân tích nhân điện tử với thấu kính tử khí vào colcetor ion catod dao động kế hình 6.7 6.5 KHỐI PHỔ KẾ BỐN CỰC: Khối phổ kế bốn cực còn đƣợc gọi là máy lọc khối lƣợng ( hính 6.8 ).Máy gồm có nguồn ion 1,bộ phân ly và bản hứng ion 3. Ở lối vào và lối ra của bộ phân ly có màn chắn 4, 5 và 6 đóng vai trò nhƣ thấu kình ion. Hình 6.8 :Sơ đồ nguyên tắc của máy lọc khối lƣợng Bộ phân ly gồm có 4 thỏi kim loại hính trụ đặt song song nhau(đƣợc nối với nhau theo cặp đối diện),thế đặt vào giữa hai cặp có dạng : u V V cos t 0 1 (6.4). từ nguồn điện một chiều có thế V 0 và nguồn cao tần với tần số,biên độ V1 Dƣới tác động của thế hiệu này,trong không gian giữa các hính trụ sẽ có điện trƣờng mà sự phân bố thế của nó có dạng : V x y u( x, y, ) V (1 cos ) 1 0 V0 r0 (6.5) ở đây 0 r - nửa khoảng cách giữa hai hính trụ đối diện. Lƣc trƣờng đó sẽ tác động lên ion từ nguồn 1,chúng sẽ chuyển động dọc theo trục và đập lên bản hứng.

Sự chuyển động của hạt có khối lƣợng m với điện tìch e đƣợc biểu diễn theo phƣơng trính : dx e m ( V0 Vi cos ). x 0 (6.6) d r dx 0 e m ( V0 Vi cos ). y 0 d r 0 dz 0 (6.7) m d (6.8) Hệ phƣơng trính này sẽ dẫn đến phƣơng trính có dạng : x'' ( a bcos ) x 0 (6.9) 8eV0 ở đó ; a mr 0 4eV 1 ; b mr0.nghiệm của phƣơng trính này cho ta biểu thứcđối với quỹ đạo của ion.nói chung quỹ đạo có đặc trƣng dao động với biên đô tăng nhanh.ví rằng biên độ của chúng bị giới hạn bới bán kình r 0 nên chỉ những ion với khối lƣợng trong khoảng m và m có biên độ nhỏ thua r 0 mới đạt đến bản hứng.nghiệm ổn định của phƣơng trính sẽ tƣơng ứng với trƣờng hợp đó.những ion với khối lƣợng khác sẽ nhận dƣợc biên độ lớn hơn r 0 và rơi vào hính trụ kim loại.nghiệm không ổn định tƣơng ứng với trƣờng hợp này.nghiệm ổn định có đƣợc khi thông số a và b nằm trong miền gạch sọc trên hính 6.9. 0.3.... a o a.. nghiệm.. 0. nghiệm không ổnđịnh theo y không ổn.. định.. Theo x.... 0.1 nghiệm.. ổn định.... b. 0 0.1 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 6.9 b b o b sự phụ thuộc của a=f(b) Hình 6.9 :Sự phụ thuộc của a=f(b) Để máy có khả năng phân giải lớn cần chọn chế độ làm việc nhƣ thế nào, để ( m' m '') là nhỏ nhất.nhƣ vậy, điểm làm việc ph ải chọn gần P0 ( a0 0, 37; b 0 0, 71) ví rằng trong trƣờng hợp này,m chỉ cần biến đổi một tì là chế độ làm việc sẽ chệch sang miền không ổn định. Đƣờng thẳng qua điểm O của hệ tọa độ có dạng: (a/b)= ( V0 / V 1) =const (6.31) Đối với điểm P 0 : ( a0 / b0 ) (0,37 / 0,71) 0,335, ( V0 '/ V 1 ') 0,168 (6.3)

Khi đó, đối với điểm P có a 0, 37, b=0,71. Đại lƣợng a ' và b ' tƣơng ứng (trên hính 6.9)xác định khoảng m m' m '',tức là khả năng phân gải có : m b' b'' 0,71 (6.33) m b'' b' b'' b' Chuyển P càng gần đến P 0 tức là chuyển b '' càng gần b ',do đó khả năng phân giải càng lớn. Để vẽ đƣợc phổ khối lƣợng,thƣờng ngƣời ta cho V0 const, V1 const và biến đổi tần số ; hay cho const và đồng thời biến đổi V 0 và V 1 ( nhƣng luôn luôn V0 / V1 const ) Độ dài của khối phổ kế bốn cực khoảng 150-350mm; khả năg phân giải 5-100; khoảng 4 1 khối lƣợng đo đƣợc là 1-50 và 10-50;khoảng áp suất làm việc là 10-10 torr.các bộ phận 0 bằng kim loại của máy có thể đốt nóng đến 70 K Một trong những ƣu việt đáng kể của loại khối phổ kế này là năng lƣợng ion có thể khác nhau.ví vậy cũng nhƣ ở khối phổ kế cyclotron,cho phép dùng nguồn ion có hiệu dụng cao. CHƢƠNG VII: SỰ RÒ RỈ CHÂN KHÔNG VÀ PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT CHÚNG 7.1.ĐẶC TÍNH CHUNG 7.1.1. Độ kín của hệ chân không và đánh giá chúng. Khi bơm chân không làm việc đúng thí nguyên nhân cơ bản của sự hạn chế áp suất tới hạn trong chân không là sự nhả khì và sự không kìn của hệ. Đại lƣợng nhả khì của vật liệu khác nhau phụ thuộc nhiệt độ, chất lƣợng gia công bề mặt và tình chất hóa lì của chúng. Khi đóng kìn hệ chân không, sự có mặt của nguồn nhả khì sẽ làm cho áp suất trong hệ tăng theo thời gian (đƣờng cong 1 trên hính 7.1). Đặc trƣng của đƣờng cong 1 là sự bão hòa, khi sự nhã khì và sự hấp phụ khì của thành buồng chân không đạt đến giá trị cân bằng. P p 1 p t t hình 7.1 hình 7. sự biến đổi áp suất đường cong biến đổi theo thời gian trong áp suất trong hệ đóng hệ đã cô lập khởi bơm kín khi có sự nhả khí chân không và rò rỉ Khi hệ chân không đóng kìn bị rò rỉ, thí áp suất tăng tuyến tình với thời gian ( đƣờng cong trên hình 7.1 ). t

Trong thực tế, sự nhã khì và sự rò rỉ của hệ luôn xảy ra đồng thời, ví vậy đƣờng cong p = f(t) thực nghiệm thƣờng có dạng nhƣ trên hính. Để đánh giá sự không kìn của hệ, ngƣời ta đƣa ra khái niệm về đại lƣợng rò rỉ (lọt khì), để xác định lƣợng khì từ khì quyển lọt vào hệ chân không có thể tìch V trong một đơn vị thời gian : B V( p / t ) (7.1) ở đó B độ rò rỉ, p -sự biến đổi áp suất trong thể tìch V đã đƣợc cô lập sau thời gian t ( xem hính 7.). Để xác định độ lọt khì, ngƣời ta xem không khì là khì chuẩn và áp suất bên ngoài hệ bằng 1 atm. Khi đó B đƣợc đặc trựng bằng dòng khì qua lỗ rò từ khì quyển vào hệ chân không. Trong kỹ thuật chân không, đơn vị để đo đại lƣợng rò rỉ thƣờng là torr.l/sec hay mtorr/sec. Nếu độ lọt khì bằng 1 torr.l/sec, thí có nghĩa là,trong hệ đóng kìn có thể tìch 1 lìt,đã hút đƣợc chân không tới hạn,sau 1 sec tăng lên 1 torr. 7.1.. Đại lƣợng rò rỉ tổng cộng cho phép Yêu cầu độ kìn của hệ chân không phụ thuộc vào mục đìch và đặc trƣng của chúng. Trong hệ động học. với vận tồc bơm hiệu dụng So để nhận đƣợc áp suất tới hạn p,thí Bd phải thỏa mãn điều kiện : B S p (7.) d 0 Hay B d SU H p S U ở đó S H vận tốc bơm của bơm, U khả năng truyền đi của ống dẫn chân không nối giữa bơm với hệ. Điều kiện (7.3) chứng tỏ rằng áp suất đòi hỏi của hệ chân không có thể đạt đƣợc khi có sự rò rỉ,nếu chọn đúng bơm và ống dẫn. Đối với hệ chân không tĩnh (hệ đóng kìn hay đã hàn kìn ), đại lƣợng B t đƣợc đánh giá từ đẳng thức : B t H pc V t ở đó V- thể tìch hệ ; t c - thời gian để áp suất tăng từ p tới hạn đến pc cho phép. 7.1.3. Đặc tính của sự chảy khí dọc theo ống mao dẫn. Để xác định lƣợng khì chảy vào hệ chân không, cần biết đặc tình của sự chảy khì qua các khe nhỏ (mao dẫn). Để đơn giản,thƣờng ngƣời ta khảo sát ống mao dẫn hính trụ thẳng có đƣờng kình d, độ dài và giới hạn trong chế độ nhớt phân tử. Từ biểu thức bán thực nghiệm của Knudsen,khả năng truyển qua trong chế độ chảy này bằng : 1 1 Cp U UB bu M ( p ) (7.5) l 1 fp c p (7.3) ở đó độ dài của phần tử ống mao dẫn, ở đó áp suất trung bính bằng p ; U - khả năng truyền qua ống mao dẫn có độ dài ; 3 4 18 d ; d R0 1/ ( ) 6 M C 1 M ( ) RT 0 1/ ; f d M 1,4 ( ) RT 0 (7.6) Khi đó dòng khì đi qua phần tử ống mao dẫn trên một đơn vị thời gian ( dòng Q ) bằng: p 1 Cp Q p U ( p ) 1 fp

ở đó p - hiệu áp suất hai đầu l. Với chế độ cân bằng, dòng khì trên mọi tiết diện ống mao dẫn là hằng số ( Q Q ) ; ví vậy, tìch phân phƣơng trính (7.7) theo độ dài, ta nhận đƣợc : 1 c ( f c) ln(1 ) Q p p fp l f f (7.8) p p 1 ở đó p1, p - áp suất ở ngoài ( cao hơn ) và ở bên trong ống ( thấp hơn) của ống mao dẩn.thƣờng áp suất ở ngoài bằng atm, và có thể xem rằng p<<p1 =0. Đƣa các giá trị bằng các hệ số với T 0 = 300 K vào (7.8), ta nhận đƣợc biểu thức của dòng khì qua ống mao dẫn có tiết diện tròn: 3 10 M M Q d d d l M M 4 b 3 b b 5,3 ( ) 7,5 0,91 ( ) b,torr.l/s (7.9) ở đó M, M b, b, - khối lƣợng phân tử vả hệ số nhớt của không khì và khì cần nghiên cứu ; d- đƣờng kình ống mao dẫn, m ;l- độ dài ống mao dẫn,cm. Kết quả tình toán đối với không khì và He theo dạng ( 7.9 ) với d= 0,01 50 m và = 1cm đƣợc trính bày trên hính 7.3. Ở đây, QHe / Qb - theo trục tọa độ,còn đƣờng kình ống mao dẫn d( m ) và dòng chảy của không khì tƣơng ứng với d theo trục hoành độ. Tình toán trên với giả thiết rằng, rất nhỏ so với áp suất khì quyển. Để kiểm tra cơ sở của sự đơn giản đó,hãy tình toán với vận tốc chảy của khì bên trong ống mao dẫn không thể vƣợt quá vận tốc âm ( khi dãn nở đẳng nhiệt ),giả thiết trên cho ta : p QB 3,7.10 d 3,torr, ở đó Q B - dòng không khì lọt vào hệ,torr.l/sec ; d- đƣờng kình lỗ rò, m. Đại lƣợng p,tƣơng ứng với các giá trị Q B và d đƣợc trính bày ở phần trên của hính 7.3.

3,7.10-3 4,1.10-3 4,5.10-3 4,8.10-3 5,.10-3 5,6.10-3 170 Q 1 /Q 6 7 5 3 1 d μm 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 1.10-5 1.10-6.10-5 3.10-4 1.10-0.6 60 4.5.10 3 470.10 3. Q μ, torr l/see Hình 7.3 tỷ số rò rỉ của khí He và ống mao dẫn hình trụ với đƣờng kính khác nhau ( l=1 cm). Từ hính vẽ thấy rằng,giả thiết về sự bỏ qua trong biểu thức (7.9) chỉ đúng vời d < 50 m. Với d> 50 m không thể bỏ qua p trong các biểu thức (7.8) và (7.9). Tuy nhiên với những điều kiện đó thí có thể bỏ qua các số hạng chứa 3 d và d so với 4 d trong ( 7.8)va ( 7.9). Khi đó dòng rò rỉ có dạng đơn giản sau: Q 10 l p 3 4 b 5,3 d (1 p1,torr.l/sec (7.11) Nếu l( cm) và d ( m ). Đƣa từ (7.10) vào (7.11) ta nhận đƣợc. Bằng phƣơng pháp đó ta nhân đƣợc dòng rò rỉ với d = 100 m, và đƣợc trính bày trên hính 7.3. Tuy nhiên tình toán đó không dùng đƣợc khi d > 100 m. Với kìch thƣớc đó dòng chảy của khì có đặc trƣng xáo trộn, ví phƣơng trính xuất phát từ (7.5) cũng nhƣ các phƣơng trính về lý thuyết động học chất khì không còn đúng nữa. 7.. NHỮNG PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN SỰ RÒ RỈ 7..1.Đặc trƣng tổng quát. Một công đoạn bắt buộc trong chế tạo hệ bơm là kiểm tra của độ kìn của mối nối riêng biệt, và sau đó cả toàn hệ chân không. Phƣơng pháp kiểm tra không chỉ dừng lại ở sự phát hiện và độ rò rỉ,mà phải cho khả năng định vị chung. Ngoài ra phƣơng pháp công nghiệp phải tƣơng đối đơn giản, thao tác thuận lợi với các vật liệu khác nhau. Những phƣơng pháp nén ( thử nghiệm với áp suất thừa) và phóng điện chất khì để phát hiện rò rỉ lớn, có thể thõa mãn nhửng yêu cầu nêu trên. Phƣơng pháp áp kế và phƣơng pháp 5 hàng rào paladin (Pd) để phát hiện độ rò rỉ trung bính ( > 10 torr.l/sec ) ; phƣơng pháp halogen và 6 10 khối phổ dùng phát hiện độ rò thấp hơn,khoảng 10 10 torr.l/sec. Đặc tình chung nhất của các máy phát hiện rò rỉ là khả năng gây phản ứng có tình lọc lựa lên tình chất hóa lì của một vài vật ( trong khì cơ bản mà ngƣời ta gọi là chất thử. Quá trính tím lổ rò nhƣ

sau : biến tử của máy sẽ nhận chất thử xuyên qua lỗ rò và phát tìn hiệu. Qua đại lƣợng tìn hiệu có thể xác định kìch thƣớc lổ rò. Thông số cơ bản của máy phát hiện rò rỉ là độ nhạy của nó. Độ nhạy đƣợc xác định bởikhả năng gây phản ứng với nồng độ chất thử cực tiểu ở môi trƣờng khì quyển. Khả năng lọc lựa của máy càng cao thí phản ứng với chất thử của nó càng rõ nét,do đó độ nhạy của máy càng lớn. Ví vậy cần chọn chất thử nào mà tình chất hóa lì của chúng rất khác với không khì. Máy có độ nhạy cao nhất ( khối phổ kế, halogen, phóng xạ) chỉ gây phản ứng với chất thử, không phụ thuộc vào sự có mặt của không khì,hơi và các khì khác. Phƣơng pháp áp kế có độ nhạy thấp hơn nhiều,chất thử còn gây tìn hiệu trên phông chung,nhƣng phông chung này còn tạo nên bằng khì còn lại trong hệ. Giới hạn có tình định hƣớng về độ nhạy của các phƣơng pháp khác nhau ( sẽ nói rõ hơn ở phần sau) đƣợc trính bày tên hính 7.4. Miền áp suất làm việc B 10 3 10 0 10-3 10-6 10-9 1 10-13 10-6 3 10-7 4a 10-5 4b 10-7 5a 10-5b 10-6 5c 10-7 5d 10-7 6 10-9 7 10-1 8a 10-8b 10-4 hình 7.4.Miền áp suất và độ nhạy giới hạn B (torr.l/sec) của các máy phát hiện rò rỉ Trang 30 Trang 31 7...nhƣng phƣơng pháp dùng áp suất thừa. Những phƣơng pháp phát hiện rò rỉ bằng áp suất thừa rất thuận tiện để kiểm tra nhanh chóng những bộ phận riêng lẻ trƣớc khi lắp ráp toàn hệ. ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp đơn giản nhất là nén không khì và tạo lên áp suất thừa trong hệ,khì lọt qua lỗ sẽ tạo bọt không khì nếu dùng bọt xà phòng hay nhúng trong nƣớc. phƣơng pháp này không chỉ cho phép xác định vị trì rò rỉ,mà có thể đánh giá lƣợng Q chảy qua lỗ rò bằng kìch thƣớc bọt khì.vì dụ,nếu thể tìch thử nghiệm đƣợc nhúng vào chất lỏng,thí dòng khì qua lỗ rò có thể đƣợc xác định bởi phƣơng trính: (7.1) ở đó D o -đƣờng kình bọt khì tại thời điểm bị vỡ;p a -áp suất khì quyển,n-số bọt khì đƣợc thành lập trong thời gian t. Nếu kìch thƣớc bọt nhỏ nhất bằng 1 mm,vận tốc thành lập bọt khì trong 1 phút,thí theo (7.1).dòng khì cực tiểu Q min ~10-15 torr/s. Giữa Q min với độ rò rỉ B có sự liên hệ:

(7.13) ở đó: B, -độ nhớt không khì và khì thử,dùng để nén;p a,p-áp suất khì quyển và áp suất khì nén.từ(7.13)suy ra rằng,đối với không khì với p n =3atm, Q min= 10-15 torr/s,b min ~10-6 torr/s. Độ nhạy của phƣơng pháp nén có thể tăng,nếu ngƣời ta dùng khì tạo áp suất thừa có độ nhớt nhỏ thua độ nhớt không khì,hay tạo không gian chân không trên chất lỏng.trƣờng hợp cuối có thể tăng độ nhạy lên hàng chục lần. Độ nhạy của phƣơng pháp nén có thể tăng hơn nữa,nếu dùng khì amoniac(nh 3 )để tạo áp suất thừa và phủ lên chỗ có khả năng rò rỉ một loại giấy in bằng ánh sáng,ẩm hay bao quanh thể tìch cần thử nghiệm một loại dung dịch fenolftalein.khi đó,dƣới tác dụng của khì amoniac xuyên qua lỗ rò,giấy hay dung dịch sẽ biến đổi mầu đỏ của mính (do phản ứng hóa học)và nhƣ vậy có thể địh vị lỗ rò rỉ.độ nhạy của phƣơng pháp này thƣờng gọi là phƣơng pháp hóa học-phụ thuộc vào thời gian lộ sáng và có thể đạt tới 10-8 torr.l/s Với áp suất thừa bằng hỗn hợp khì-freon hay không khí-he có thể nhận chỉ báo bằng máy phát hiện Halogen hay khối phổ kế.trong trƣờng hợp này,khì xuyên qua lỗ rò sẽ bị hút bằng đầu rò đặc biệt để vào biến tử.độ nhạy của phƣơng pháp này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khì làm việc trong hỗn hợp,vận tốc chuyển động của đầu dò hút khì và áp suất thừa trong hệ. với hỗn hợp không khì freon và máy phát hiện halogen có đầu dò có thể phát hiện độ rò rỉ~10-6 torr.l/s.còn dùng He với khối phổ kế -10 9 torr.l/s. 7..3. phƣơng pháp dùng phóng điện chất khí Rò rỉ trong hệ chân không có thể phát hiện bằng phóng điện với dòng không đổi trong ống phóng điện-áp kế chân không hay phóng điện cao tần không điện cực đƣợc kìch thìch bằng biến thế Tesla.cả hai trƣờng hợp màu sáng phóng điện chất khì phụ thuộc vào áp suất và loại khí. Ống phóng điện thƣờng đƣợc đặt giữa bơm chân không cao và bơm cơ học,chúng làm việc bằng phóng điện ẩn với ánh sáng của cột dƣơng có màu hồng-xanh lục.sau đó,ngƣời ta bôi lên chỗ có khả năng rò rỉ một chất lỏng phù hợp,và quan sát sự biến đổi màu của phóng điện do hơi chất lỏng xuyên qua lỗ rò vào hệ.chất lỏng đƣợc dùng phổ biến nhất là rƣợu,ether,cacbon tetraclorua v.v Thƣờng quan sát sự biến đổi màu bằng mắt,vì vậy,độ biến đổi mầu rõ rệt và do đó độ nhậy của phƣơng pháp này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nhiệm của ngƣời thao tác. Để phát hiện rò rỉ nhỏ,thí hơi chất lỏng nhƣ là rƣợu,ether không đƣợc thuận lợi bằng,vì dụ,metan hay khì axit cacbonic.metan và axit cacbonic có độ nhớt tƣơng đôì nhỏ,kìch thƣớc phân tử không lớn và biến đổi màu phóng điện rất rõ.co rơi vào ống phóng điện,thí ánh sáng của cột dƣơng lập tức biến sang màu đỏ-xanh. Cũng có thể phát hiện rò rỉ bằng tia lửa điện của biến thế Tesla.ngƣời ta rà điện cực cao tần của Tesla học mối hàn thủy tinh.nếu gặp lỗ rò thí tia lửa nhỏ tập trung lại thành vệt sáng mạnh nhƣ chui vào lỗ rò đó.miền ứng dụng phƣơng pháp này chỉ giới hạn đến áp suất 5.10 - torr. 7..4 Phƣơng pháp áp kế Áp kế nhiệt điện và ion hóa thƣờng đƣợc gắn vào hệ chân không,và ngƣời ta có thể dùng chúng để phát hiện chỗ không kìn và đánh giá độ rò rỉ. Khi hệ chân không có rò rỉ làm việc ở trạng thái dừng,thì áp kế thƣờng chỉ áp suất cao hơn giá trị tình toán và áp suất sẽ khác nhau tại các phần khác nhau của hệ. thổi khì thử vào chỗ có khả năng rò rỉ,hay bôi chất lỏng(ether,rƣợu,aceton )có độ truyền qua lỗ rò cao hơn không khì,thí kim dung cụ đo của áp kế sẽ biến đổi rõ rệt.tất nhiên sự biến đổi này cũng phụ thuộc nhiều vào độ nhạy áp kế đối với chất thử. Với áp suất trung bính, thƣờng ngƣời ta dùng áp kế nhiệt điện.trong trƣờng hợp này khì hay hơi thử phải có độ dẫn nhiệt rất lớn hay rất bé so với không khì.thƣờng H đƣợc chọn làm khì thử,ví nó có độ dẫn nhiệt và khả năng truyền qua lỗ rò lớn.khi chúng xuyên qua lỗ rò để vào hệ,thí điều kiện cân bằng nhiệt sẽ biến đổi.do đó kim máy đo của biến tử sẽ bị lệch.áp kế nhiệt điện có khả năng phát hiện độ rò rỉ cỡ 10-4 -10-5 torr.l/s.

Để phát hiện độ rò nhỏ hơn(với chân không<10-3 torr)ngƣời ta dùng áp kế ion hóa.chất thử thƣờng dùng là aceton,ether hay rƣợu. thế ion hóa của phân tử này rất thấp so với khì thƣờng ;do đó,khi chất khì lọt vào hệ,thí kim máy đo sẽ tăng lên rõ rệt.nếu dùng chất thử là He hay Ar,thí ngƣợc lại kim máy đo sẽ giảm xuống,ví thế ion hóa của chúng làm giảm lƣợng ion đập lên biên tử. Có thể tình độ nhạy của phƣơng pháp áp kế trong thể tìch đang bơm.áp suất toàn phần p 1 trƣớc khi chất khì lọt vào trong thể tìch cần bơm là: (7.14) ở đó Q r -dòng rò rỉ; Q -tổng các loại khì khác;s 0 -vận tốc bơm của hệ;p n -áp suất tới hạn. Nếu thay đổi không khì bằng chất thử,thí độ nhạy của áp kế sẽ tăng lên n>1 lần.khi đó,dòng chất khử Q r có thể viết dƣới dạng tƣơng đƣơng: Q r =nq r (7.15) Và áp suất biểu kiến p có dạng: (7.16) Nhƣ vậy sự tăng áp suất biểu kiến là: (p -p 1 ) = p=(1/s 0 )Q r (n-1) (7.17) Từ đó suy ra rằng.độ rò rỉ cực tiểu trong thể tìch đang bơm có dạng (7.18) Khi độ rò rỉ nhỏ,độ nhạy của phƣơng pháp áp kế có thể tăng nếu ta dùng phép đo theo sơ đồ 7.5a Hình 7.5 a) trong hệ V có biến tử b) trong hệ V không có biến tử bơm thể tìch thử nghiệm V qua van K đến áp suất cân bằng p 1,rồi đóng van K.sau thời gian t,áp suất trong thể tìch V tăng đến đại lƣợng p.do đó: V ( p p ) 1 B= (7.19) t Nếu trong thể tìch V không có biên tử,nhƣng trong hệ có thể tìch V 1 nhỏ hơn có biến tử,thí p trong thể tich V sau khi đã khóa K 1 và K có thể xác định đƣợc,nếu ta mở K 1.khi đó: (7.0) p 1 V 1 +p V = p 3 (V+V 1 ) hay (7.1) ở đó p 3 -áp suất cân bằng trong hệ khi mở K 1 với phƣơng pháp áp kế ion hóa B min ~10-6 torr.l/s 7..5. Phƣơng pháp H hay phƣơng pháp hàng rào Paladi(Pd). Phƣơng pháp này dựa trên tình chất của paladi là nó sẽ cho H xuyên qua với nhiệt độ 700-800 0 C,đồng thời ngăn chặn các khì còn lại.đây cũng là phƣơng pháp áp kế ở dạng đặc biệt. Biến tử(hính 7.6)đƣợc gắn trực tiếp vào hệ chân không.thổi H hay hỗn hợp khì có chứa H, vì dụ,(0%h -80%N ) vào vị trì có khả năng rò rỉ.h xuyên qua lỗ rò vào thể tìch thử nghiệm và khuếch tán qua ống mao dẫn Pd(1) đƣợc đốt nóng(800 0 C) bằng sợi đốt(),để vào biến tử của áp kế ion hóa(3).trong lúc đó Pd sẽ ngăn cản không cho các khì khác đi qua.sự

xuất hiện H trong biến tử sẽ làm tăng dòng ion trên mạch colector.h trong biến tử lại đƣợc hút qua lỗ mao dẫn Pd khi đốt nóng đến 800 0 C. Trong biến tử đƣợc sản xuất trong công nghiệp,ống mao dẫn Pd đƣợc thay thế bằng màn chắn Pd(hính 7.7) và đƣợc đốt nóng bằng chùm điện tử,đồng thời màn chán đóng vai trò anod luôn thể. Độ nhạy của phƣơng pháp này bị giới hạn bởi độ nhạy của biến tử đối với H trên phông trung của khì còn lại trong chúng. Nếu tẩy sạch khì của biến tử cẩn thận,độ nhạy có thể đạt tới 10-6 torr/s. 7..6. Phƣơng pháp Halogen. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta dùng tình chất của Pt. Pt đƣợc đốt nóng đến 800-900 0 C ngay trong không khì có hợp chất kiềm thí sẽ phát xạ ion dƣơng. Phát xạ tăng rất lớn khi trong không khì có chứa Halogen(F,Cl,Br,I ) Biến tử của máy(hính 7.8) là một diod hính trụ,anod(1)làm bằng Pt,đƣợc đốt nóng bằng sọi nung.các ion dƣơng tao nên đƣợc thu lại bằng colector(). Nó có thể làm việc trong chân không,cũng nhƣ trong áp suất khì quyển. trong trƣờng hợp thứ nhất,biến tử đƣợc gắn trực tiếp vào hệ chân không và thổi khì thử có chứa Halogen(freon 1,cacbon tetraclorua,tricloetylen v.v ) vào vị trì có khả năng rò rỉ Trong trƣờng hợp thứ hai,khì thử đƣợc nén đến áp suất thừa và dùng đầu dò hính (7.9)để thu hồi khì thử từ trong hệ xuyên qua lỗ rò và ra ngoài khì quyển. khi đầu dò chỉ nhận không khì thuần túy,thí dòng ion chảy qua diod rất nhỏ. Nếu không khì chứa Halogen,thí dòng ion tăng lên rất lớn,đến mức có thể dùng nó để biến đổi tần số nguồn âm-làm tìn hiệu phát hiện lỗ rò nhanh và chính xác. Phƣơng pháp Halogen có độ nhạy cỡ 10-6 -10-7 torr/s và cho phép làm việc ở miền áp suất thấp(10-1 -10-3 torr)khá thuận tiện cho việc tím lỗ rò lớn. 7..7. Phƣơng pháp phổ kế

Khối phổ kế đƣợc dùng để đo áp suất riêng phần(chƣơng VI),cũng có thể dùng để phát hiện rò rỉ. biến tử khối phổ kế đƣợc gắn vào hệ chân không,và cũng thổi khì thử vào chỗ có khả năng rò rỉ.khì thử phải đƣợc chọn loại khì không có,hoặc có với hàm lƣợng rất nhỏ trong thành phần khì quyển; giá thành rẻ và khối lƣợng phân tử nhỏ. Tình chất sau cùng của khì thử không chỉ để vận tốc khuếch tán qua lỗ rò nhanh,mà còn đòi hỏi khối phổ kế có độ phân giải lớn. Khì thử đƣợc dùng phổ biến nhất là He. Nó không có đồng vị,do đó khối phổ kế khì chỉ có 1 vạch,tƣơng ứng với số khối lƣợng là 4. do thành phần He trong khì quyển rất nhỏ(~4.10-3 torr)hàm lƣợng của chúng hấp phụ trên thành hệ chân không cũng không đáng kể.nên tìn hiệu nhận đƣơc trên phông khá thấp,độ nhạy của máy tăng. Khi thổi He qua lỗ rò vào hệ chân không(hính 7.10),thí áp suất Riêng phần cân bằng của He không thiết lập tức thời. đầu tiên,áp suất trong hệ tăng lên một ìt, sau đó giảm do bơm đang làm việc. với những điều kiện đó,sự biến đổi lƣợng khì He(pV) trong thể tìch V đƣợc xác định bởi hệ thức: (7.) ở đó B-dòng He qua lỗ rò;so-vân tốc bơm của hệ;p-áp suất riêng phần He tại thời điểm tùy ý t. Nếu xem rằng V=const.còn p=0; tại thời điểm ban đầu,thí nghiệm của phƣơng trình(7.)cho ta định luật biến đổi áp suất riêng phần He theo thời gian: (7.3) Hính (7.11a)trính bày sự biến đổi áp suất He theo dạng(7.3) Nếu tại thời điểm 1,khì thử ngừng thổi,thí áp suất riêng phần He sẽ giảm(hinh.11b)theo định luật: ở đó (7.4) (7.5)

Áp suất lớn nhất tƣơng ứng với thời điểm t 1,và phụ thuộc vào hệ thức S 0 /V. nhƣ vậy,nếu biến tử đƣợc gắn trực tiếp với thể tìch thử nghiệm(có lỗ rò), thí định luật(7.3) và (7.4) cho ta đặc trƣng thời gian về phản ứng của máy trên lỗ rò. Vì dụ,để nhận đƣợc tìn hiệu,tƣơng ứng với áp suất p bằng 63%áp suất cực đại(p max =B/S 0 khi t 1 = )thí t 1 phải bằng hằng số thời gian (hinh7.11a) Nếu kéo dài thí áp suất riêng phần He trong thể tìch thử nghiệm bằng 95%. Từ đó suy ra rằng,thời gian thổi không nên quá lớn so với,ví điều đó không làm tăng độ nhạy bao nhiêu. Tuy nhiên cũng khong nên chon t 1 quá nhỏ so với,ví điều đó sẽ làm giảm lớn độ nhạy.thƣờng ta chọn: (7.6) Nhƣ vậy,phản ứng của máy dò khối phổ kế lên khì thử phụ thuộc vào tỉ số V/S 0. để thỏa mãn bất đẳng thức (7.6) khi tăng thể tìch V cần tăng S 0. nhƣng tăng S 0 thí lại làm giảm hệ thức B/S 0, do đó làm giảm áp suất riêng phần,tƣơng đƣơng với thời gian thổi t 1 (biểu thức 7.5). để khắc phục điều mâu thuẫn trên,ngƣời ta gắn biến tử trên đƣờng hút khì sơ bộ giữa bơm chân không cao với bơm chân không cơ học(hính 7.1) Trong trƣờng hợp này,độ nhạy của máy đo sẽ phụ thuộc vào áp suất riêng phần p của He trên đƣờng hút chân không sơ bộ,và đƣợc xác định bởi phƣơng trính: (7.7) ở đó V -thể tìch đƣờng hút chân không ban đầu;s 0 -vận tốc hút thể tìch V ;ps 0 -dòng He từ thể tìch thực nghiệm V vào thể tìch V. nghiệm phƣơng trính (7.7),có tình (7.3) với giả thiết V =const và p =0 tại thời điểm ban đầu có dạng: Thƣờng V nhỏ,nên luôn luôn nhỏ thua,do đó p đƣợc xác định bởi số hạng chứa là chủ yếu. Mặt khác,từ phƣơng trính(7.8)suy ra rằng,áp suất cực đại của He ở lối vào biến tử,(p max =B/S 0 )đƣợc xác định bởi vận tốc hút S 0 từ phìa bơm chân không ban đầu.vì vậy,khi gắn biến tử trên đƣờng hút chân không sơ bộ,thực tế sẽ không cần tăng S 0 khi tăng thể tìch thực nghiệm V.

Khi gắn biến tử theo sơ đồ(7.10) và (7.1)cũng có thể làm tăng độ nhạy của chúng,nếu chúng ta dùng tình chất bơm lọc lựa của bơm khuếch tán đối với các chất khì khác nhau. Nhƣ ta đã biết,khi tăng công suất của bơm khuếch tán,thí vận tốc hút khì He của nó vƣợt quá vận tốc hút khì(hính 7.13). trong trƣờng hợp này,nên gắn biến tử theo sơ đồ (7.1)ví p của He ở lối vào biến tử lớn Khi hạ công suất đốt,ngƣợc lại vận tốc bơm không khì hầu nhƣ khong biến đổi,nhƣng vận tốc bơm He thí lại giảm nhanh. Trong trƣờng hợp này,nên gắn biến trở theo sơ đồ(7.10) ví p của He ở lối vào biến tử lớn. Nhƣng ở đây độ quán tình của máy lại tăng Tóm lại,máy dò khối phổ kế He có hai chế độ làm việc:công suất bơm khuếch tán lớn và nhỏ. Dùng chế độ công suất lớn với chế độ quán tình của máy nhỏ,có thể phát hiện độ rò rỉ tƣơng đối lớn,còn chế độ công suất nhỏ cho phép ta đạt đƣợc độ nhạy tới hạn của máy. Trang 40

Hính 4.38a:sự phụ thuộc giữa áp suất, áp suất tới hạn và vận tốc hút khì S với công suất đốt bính bay hơi Hình 4.38b:sự phụ thuộc giữa áp suât tới hạn với áp suất khởi động theo công suất đốt khác nhau. Tăng nhiệt độ binh bay hơi có thể làm tăng vận tôc chuyển động nhiêt của khì, tăng sự tán xạ luồng hơi ở màn chắn, dẫn đến tăng dòng ngƣợc của hơi và hơi dầu có thể đi vào miền chân không cao. Ngƣợc lại nếu luồng hơi yếu(vì dụ công suất bếp đốt chƣa đủ) thí màn chắn trở nên quá yếu đòi hỏi áp suất khởi động thấp và giảm vận tốc bơm. Hính ảnh đó đƣợc minh họ trên hính 4.38a và 4.38b. Vận tốc bơm của bơm khuếch tán. Nếu vận tốc cuẩ luồng hơi bằng, thí vận tốc dòng khì có thể biểu diễn theo dạng: dv A0 dx Q p p pa0 v (4.57) dt dt ở đó A 0 -diện tìch vành khuyên màng chắn. Vận tốc bơm tƣơng ứng với dòng Q khi đó:

S 0 ( Q / P) v A0 (4.58) Độ dẫn của vành khuyên màng chắn, nhƣ đã biết: C= ( 1/ 4) v A0 (4.59). ôû ñoù v -vaän toác trung bình soá hoïc cuûa khí. Töø phöông trình: (1/S)=(1/C)+( 1/ S 0 ) (4.60) S0C S= C S 0 S C 1 Ta nhận đƣợc vận tốc bơm trong màn chắn: (4.61) Đối với màn chắn lý tƣởng( thí: S=C Tức là vận tốc cực đại của bơm bằng vận tốc của lỗ. Đối với màn chắn bị đóng(,thí: S=0 Hệ thức: 1 1 (4.6) ( C / S ) 1 (1/ 4)( v / ) 0 v đƣợc gọi là hệ số hiệu dụng của màn chắn. Hệ số hiệu dụng màn chắn xác định khả năng bắt chiếm phân tử khì của luồng hơi. Bảng (4.8) trính băỳ các hệ số, đƣợc tình theo dạnh (4.6) đối với một vài loại khì thƣờng gặp tƣơng ứng với một vài giá trị. Bảng 4.8. Hệ số hiệu dụng của màn chắn. caàn Khí huùt H Khoâng khí CO V ôû 300 0 km.sec -1 C/A 0 l.sec - 1710 450 370 1. cm 00 150 100 50 Vaän toác hôi v m.sec 44 0,31 0,6 0,19 0,1 11,6 0,63 0,56 0,46 0,3 9,4 0,68 0,6 0,5 0,35 Từ bảng 4.8 thấy rằng càng lớn đối vói khì có khối lƣợng càng lớn. Vì dụ, hệ số của nhỏ thua không khì cỡ lần. Mặc dù vậy, vận tốc bơm của khì (S= lớn hơn không khì cỡ lần ví độ dẫn của C và lớn hơn không khì cỡ 4 lần. Chọn bơm chân không ban đầu cho bơm khuếch tán. Những thông số của bơm chân không ban đầu tƣơng ứng với một bơm khuếch tán cho trƣớc đƣợc xác định từ phƣơng trính chảy liên tục của khì: Q= p 1S1 ps (4.63) ôû ñoù aùp suaát p1 - aùp suaát loái vaøo cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu(töùc laø aùp suaát loái ra cuûa bôm khueách taùn); p -aùp suaát loái vaøo cuûa bôm khueách taùn (hay aùp suaát laøm vieäc cuûa heä chaân khoâng ). Ñeå bôm khueách taùn laøm vieäc bình thöôøng, phaûi -1 Vì S1vàS p (4.64) 1S1 ps laø nhöõng haøm cuûa aùp suaát, neân ñieàu kieän(4.64) phaûi thoûa maõn caû tröôøng hôïp xaáu nhaát: pom Slo ( p S) max (4.65)

ôû ñoù ( p S) max - naêng suaát laøm vieäc cöïc ñaïi cuûa bôm khueách taùn; pom - aùp suaát khôûi ñoäng cöïc ñaïi cuûa bôm khueách taùn. Slo - vaän toác bôm cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu taïi p= p om Hình 4.39.-Naêng suaát (Sp) cuûa heä bôm khueách taùn () vaø heä bôm chaân khoâng ban ñaàu: 1 a)-bôm quay daàu 1 baäc ; 1 b)-bôm quay daàu baäc; Nhö vaäy vaän toác bôm cuûa bôm chaân khoâng ban ñaàu ñöôïc xaùc ñònh töø ñieàu kieän: ( p S) max Q,torr,sec Slo (4.66) -1 p 1 10 0 10-1 10-10 -3 10-4 10 A, A " B om B, 1b C ", C 1a 10-5 pom -7 10 10-6 10-5 10-4 10-3 10-10 -1 10 0 10 1 10 3 10 Hình Từ giản đồ năng suất của các loại bơm(hính 4.39), dễ dàng chọn 4.39đƣợc bơm chân không ban đầu ứng với một bơm khuếch tán cho trƣớc. Giả sử rằng, áp suất lối vào của bơm khuếch tán có giá trị không đổi torr. Năng suất của bơm khuếch tán (S P ) tƣơng ứng với áp suất đó bằng. torr.l. điểm A trên hình 4.34. Năng suất của bơm chân không ban đầu phải không nhỏ hơn. torr.l..từ đƣờng cong Q=f(p) tại điểm Q= torr.l. ta tím đƣợc áp suất (điểm B ). Nó nhỏ thua thỏa mãn yêu cầu của bơm khuếch tán. Bây giờ ví nguyên nhân nào đó áp suất khì trong hệ tăng lên giá trị.khi đó, năng suất bơm khuếch tán sẽ tăng đén giá trị (điểm A ). Năng suất đó tƣơng ứng với giá trị áp suất ban đầu torr(điểm B ).Trong trƣờng hợp này, nếu vận tốc của bơm quay dầu giảm chút ìt cũng có thể đóng bơm khuếch tán. Từ giản đồ năng suất(4.39) thấy rằng, không thể chọn bơm quay dầu 1 bậc (1a) để làm bơm chân không ban đầu đƣợc. Ngay cả khi áp suất trong hệ, bơm quay dầu 1 bậc trên cũng không đạt đƣợc giá trị áp suất khởi động cực đại của bơm khuếch tán (điểm C ). Có thể nâng cao một ìt sự hiệu dụng của hệ bơm bằng cách tăng công suất lò đốt bơm khuếch tán, tức là làm tăng áp suất khởi động của bơm khuếch tán. 4.3.4 bơm bề mặt. 4.3.4.1. Mở đầu.

Nguyeân taéc laøm vieäc cuûa caùc loaïi bôm vöøa mieâu taû laø döïa treân quaù trình vó moâ hay vi moâ cuûa söï truyeàn xung löïc, vaø cuoái cuùng ñeàu baèng con döôøng neùn khí ra ngoaøi khí quyeån. Baây giôø chuùng ta haõy khaûo saùt caùc loaïi bôm maø chuùng huùt khí baèng con ñöôøng lieân keát vôùi beà maët theå raén coù nhieàu tính chaát lí hoùa ñaëc bieät. Nhö vaäy khí vaãn coùn laïi trong heä chaân khoâng nhöng ôû traïng thaùi lieân keát. loaïi bôm naøy coù theå xem laø lyù töôûng neáu taát caû caùc haït khi va chaïm vôùi beà maët ñeàu bò lieân keát vôùi noù. Ví duï, hôi nöôùc ngöng tuï treân beà maët ñöôïc laøm laïnh bôûi N loûng coù theå xem laø bôm huùt lyù töôûng. tuy nhieân beà maët naøy hoaøn toaøn khoâng ngöng tuï He. Noùi chung, chæ coù moät phaàn haït khí lieân keát vôùi beà maët khi va chaïm vôùi noù: v', v c ôû ñoù - laø xaùc suaát lieân keát. söï lieân keát cuûa haït khí vôùi beà maët theå raén ñeàu mang ñaëc tröng hoùa lí vaø phuï thuoäc raùt phöùc taïp vaøo baûn chaát cuûa caùc vaät töông taùc vaø traïng thaùi cuûa chuùng. Hôn nöõa xaùc suaát lieân keát coù theå bieán ñoåi theo thôøi gian. Vì vaäy khoâng coù khaû naêng toång quan nhöõng tính chaát chung cuûa caùc loaïi bôm beà maët. Tuy nhieân chuùng coù hai ñaëc tröng cô baûn sau ñaây: Trang 1 6.4 KHỐI PHỔ KẾ THỜI GIAN BAY (Cronotron) Nhƣ đã biết,thời gian gian bay của ion trong không gian tự do phụ thuộc vào khối lƣợng của nó.khối phổ kế dựa trên nguyên tắc đó gọi là khố phổ kế xung hay Cronotron Sơ đồ nguyên tắc của cronotron đƣợc trính bày trên hình 6.7.Nguồn ion sẽ phóng vào ống phận tìch A từng nhóm ion.nhóm ion có thể nhận đƣợc nhƣ chùm ion hóa xung bởi chùm điện tử với khoảng thời gian 10 :-10 sec.khi đi qua thế hiệu gia tốc V ion sẽ chuyển động trong ống phân tìch theo quán tình,thời gian bay của ion từ nguồn đến collector bằng : t l m ev (6.) Nhƣ vậy ion đập lên colector ion dƣới dạng từng nhóm riêng biệt,tƣơng ứng với m/e : đầu tiên nhóm ion nhẹ sau đó nhóm ion nặng hơn. Cho nên cứ mỗi xung trong nguồn ion,thí trên màn dao động ký sẽ xuất hiện phổ khối lƣợng. Đo dòng ion ta biết áp suất riêng phần của nó.khả năng phân giải của dụng cụ bằng : ( / ) ( / ) m m t t (6.3)

colector điện tử A- ống phân tích nhân điện tử với thấu kính tử khí vào colcetor ion catod dao động kế hình 6.7 6.5 KHỐI PHỔ KẾ BỐN CỰC: Khối phổ kế bốn cực còn đƣợc gọi là máy lọc khối lƣợng ( hính 6.8 ).Máy gồm có nguồn ion 1,bộ phân ly và bản hứng ion 3. Ở lối vào và lối ra của bộ phân ly có màn chắn 4, 5 và 6 đóng vai trò nhƣ thấu kình ion. Hình 6.8 :Sơ đồ nguyên tắc của máy lọc khối lƣợng Bộ phân ly gồm có 4 thỏi kim loại hính trụ đặt song song nhau(đƣợc nối với nhau theo cặp đối diện),thế đặt vào giữa hai cặp có dạng : u V V cos t 0 1 (6.4). từ nguồn điện một chiều có thế V 0 và nguồn cao tần với tần số,biên độ V1 Dƣới tác động của thế hiệu này,trong không gian giữa các hính trụ sẽ có điện trƣờng mà sự phân bố thế của nó có dạng : V x y u( x, y, ) V (1 cos ) 1 0 V0 r0 (6.5) ở đây 0 r - nửa khoảng cách giữa hai hính trụ đối diện. Lƣc trƣờng đó sẽ tác động lên ion từ nguồn 1,chúng sẽ chuyển động dọc theo trục và đập lên bản hứng.

Sự chuyển động của hạt có khối lƣợng m với điện tìch e đƣợc biểu diễn theo phƣơng trính : dx e m ( V0 Vi cos ). x 0 (6.6) d r dx 0 e m ( V0 Vi cos ). y 0 d r 0 dz 0 (6.7) m d (6.8) Hệ phƣơng trính này sẽ dẫn đến phƣơng trính có dạng : x'' ( a bcos ) x 0 (6.9) 8eV0 ở đó ; a mr 0 4eV 1 ; b mr0.nghiệm của phƣơng trính này cho ta biểu thứcđối với quỹ đạo của ion.nói chung quỹ đạo có đặc trƣng dao động với biên đô tăng nhanh.ví rằng biên độ của chúng bị giới hạn bới bán kình r 0 nên chỉ những ion với khối lƣợng trong khoảng m và m có biên độ nhỏ thua r 0 mới đạt đến bản hứng.nghiệm ổn định của phƣơng trính sẽ tƣơng ứng với trƣờng hợp đó.những ion với khối lƣợng khác sẽ nhận dƣợc biên độ lớn hơn r 0 và rơi vào hính trụ kim loại.nghiệm không ổn định tƣơng ứng với trƣờng hợp này.nghiệm ổn định có đƣợc khi thông số a và b nằm trong miền gạch sọc trên hính 6.9. 0.3.... a o a.. nghiệm.. 0. nghiệm không ổnđịnh theo y không ổn.. định.. Theo x.... 0.1 nghiệm.. ổn định.... b. 0 0.1 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 6.9 b b o b sự phụ thuộc của a=f(b) Hình 6.9 :Sự phụ thuộc của a=f(b) Để máy có khả năng phân giải lớn cần chọn chế độ làm việc nhƣ thế nào, để ( m' m '') là nhỏ nhất.nhƣ vậy, điểm làm việc ph ải chọn gần P0 ( a0 0, 37; b 0 0, 71) ví rằng trong trƣờng hợp này,m chỉ cần biến đổi một tì là chế độ làm việc sẽ chệch sang miền không ổn định. Đƣờng thẳng qua điểm O của hệ tọa độ có dạng: (a/b)= ( V0 / V 1) =const (6.31) Đối với điểm P 0 : ( a0 / b0 ) (0,37 / 0,71) 0,335, ( V0 '/ V 1 ') 0,168 (6.3)

Khi đó, đối với điểm P có a 0, 37, b=0,71. Đại lƣợng a ' và b ' tƣơng ứng (trên hính 6.9)xác định khoảng m m' m '',tức là khả năng phân gải có : m b' b'' 0,71 (6.33) m b'' b' b'' b' Chuyển P càng gần đến P 0 tức là chuyển b '' càng gần b ',do đó khả năng phân giải càng lớn. Để vẽ đƣợc phổ khối lƣợng,thƣờng ngƣời ta cho V0 const, V1 const và biến đổi tần số ; hay cho const và đồng thời biến đổi V 0 và V 1 ( nhƣng luôn luôn V0 / V1 const ) Độ dài của khối phổ kế bốn cực khoảng 150-350mm; khả năg phân giải 5-100; khoảng 4 1 khối lƣợng đo đƣợc là 1-50 và 10-50;khoảng áp suất làm việc là 10-10 torr.các bộ phận 0 bằng kim loại của máy có thể đốt nóng đến 70 K Một trong những ƣu việt đáng kể của loại khối phổ kế này là năng lƣợng ion có thể khác nhau.ví vậy cũng nhƣ ở khối phổ kế cyclotron,cho phép dùng nguồn ion có hiệu dụng cao. CHƢƠNG VII: SỰ RÒ RỈ CHÂN KHÔNG VÀ PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT CHÚNG 7.1.ĐẶC TÍNH CHUNG 7.1.1. Độ kín của hệ chân không và đánh giá chúng. Khi bơm chân không làm việc đúng thí nguyên nhân cơ bản của sự hạn chế áp suất tới hạn trong chân không là sự nhả khì và sự không kìn của hệ. Đại lƣợng nhả khì của vật liệu khác nhau phụ thuộc nhiệt độ, chất lƣợng gia công bề mặt và tình chất hóa lì của chúng. Khi đóng kìn hệ chân không, sự có mặt của nguồn nhả khì sẽ làm cho áp suất trong hệ tăng theo thời gian (đƣờng cong 1 trên hính 7.1). Đặc trƣng của đƣờng cong 1 là sự bão hòa, khi sự nhã khì và sự hấp phụ khì của thành buồng chân không đạt đến giá trị cân bằng. P p 1 p t t hình 7.1 hình 7. sự biến đổi áp suất đường cong biến đổi theo thời gian trong áp suất trong hệ đóng hệ đã cô lập khởi bơm kín khi có sự nhả khí chân không và rò rỉ Khi hệ chân không đóng kìn bị rò rỉ, thí áp suất tăng tuyến tình với thời gian ( đƣờng cong trên hình 7.1 ). t

Trong thực tế, sự nhã khì và sự rò rỉ của hệ luôn xảy ra đồng thời, ví vậy đƣờng cong p = f(t) thực nghiệm thƣờng có dạng nhƣ trên hính. Để đánh giá sự không kìn của hệ, ngƣời ta đƣa ra khái niệm về đại lƣợng rò rỉ (lọt khì), để xác định lƣợng khì từ khì quyển lọt vào hệ chân không có thể tìch V trong một đơn vị thời gian : B V( p / t ) (7.1) ở đó B độ rò rỉ, p -sự biến đổi áp suất trong thể tìch V đã đƣợc cô lập sau thời gian t ( xem hính 7.). Để xác định độ lọt khì, ngƣời ta xem không khì là khì chuẩn và áp suất bên ngoài hệ bằng 1 atm. Khi đó B đƣợc đặc trựng bằng dòng khì qua lỗ rò từ khì quyển vào hệ chân không. Trong kỹ thuật chân không, đơn vị để đo đại lƣợng rò rỉ thƣờng là torr.l/sec hay mtorr/sec. Nếu độ lọt khì bằng 1 torr.l/sec, thí có nghĩa là,trong hệ đóng kìn có thể tìch 1 lìt,đã hút đƣợc chân không tới hạn,sau 1 sec tăng lên 1 torr. 7.1.. Đại lƣợng rò rỉ tổng cộng cho phép Yêu cầu độ kìn của hệ chân không phụ thuộc vào mục đìch và đặc trƣng của chúng. Trong hệ động học. với vận tồc bơm hiệu dụng So để nhận đƣợc áp suất tới hạn p,thí Bd phải thỏa mãn điều kiện : B S p (7.) d 0 Hay B d SU H p S U ở đó S H vận tốc bơm của bơm, U khả năng truyền đi của ống dẫn chân không nối giữa bơm với hệ. Điều kiện (7.3) chứng tỏ rằng áp suất đòi hỏi của hệ chân không có thể đạt đƣợc khi có sự rò rỉ,nếu chọn đúng bơm và ống dẫn. Đối với hệ chân không tĩnh (hệ đóng kìn hay đã hàn kìn ), đại lƣợng B t đƣợc đánh giá từ đẳng thức : B t H pc V t ở đó V- thể tìch hệ ; t c - thời gian để áp suất tăng từ p tới hạn đến pc cho phép. 7.1.3. Đặc tính của sự chảy khí dọc theo ống mao dẫn. Để xác định lƣợng khì chảy vào hệ chân không, cần biết đặc tình của sự chảy khì qua các khe nhỏ (mao dẫn). Để đơn giản,thƣờng ngƣời ta khảo sát ống mao dẫn hính trụ thẳng có đƣờng kình d, độ dài và giới hạn trong chế độ nhớt phân tử. Từ biểu thức bán thực nghiệm của Knudsen,khả năng truyển qua trong chế độ chảy này bằng : 1 1 Cp U UB bu M ( p ) (7.5) l 1 fp c p (7.3) ở đó độ dài của phần tử ống mao dẫn, ở đó áp suất trung bính bằng p ; U - khả năng truyền qua ống mao dẫn có độ dài ; 3 4 18 d ; d R0 1/ ( ) 6 M C 1 M ( ) RT 0 1/ ; f d M 1,4 ( ) RT 0 (7.6) Khi đó dòng khì đi qua phần tử ống mao dẫn trên một đơn vị thời gian ( dòng Q ) bằng: p 1 Cp Q p U ( p ) 1 fp

ở đó p - hiệu áp suất hai đầu l. Với chế độ cân bằng, dòng khì trên mọi tiết diện ống mao dẫn là hằng số ( Q Q ) ; ví vậy, tìch phân phƣơng trính (7.7) theo độ dài, ta nhận đƣợc : 1 c ( f c) ln(1 ) Q p p fp l f f (7.8) p p 1 ở đó p1, p - áp suất ở ngoài ( cao hơn ) và ở bên trong ống ( thấp hơn) của ống mao dẩn.thƣờng áp suất ở ngoài bằng atm, và có thể xem rằng p<<p1 =0. Đƣa các giá trị bằng các hệ số với T 0 = 300 K vào (7.8), ta nhận đƣợc biểu thức của dòng khì qua ống mao dẫn có tiết diện tròn: 3 10 M M Q d d d l M M 4 b 3 b b 5,3 ( ) 7,5 0,91 ( ) b,torr.l/s (7.9) ở đó M, M b, b, - khối lƣợng phân tử vả hệ số nhớt của không khì và khì cần nghiên cứu ; d- đƣờng kình ống mao dẫn, m ;l- độ dài ống mao dẫn,cm. Kết quả tình toán đối với không khì và He theo dạng ( 7.9 ) với d= 0,01 50 m và = 1cm đƣợc trính bày trên hính 7.3. Ở đây, QHe / Qb - theo trục tọa độ,còn đƣờng kình ống mao dẫn d( m ) và dòng chảy của không khì tƣơng ứng với d theo trục hoành độ. Tình toán trên với giả thiết rằng, rất nhỏ so với áp suất khì quyển. Để kiểm tra cơ sở của sự đơn giản đó,hãy tình toán với vận tốc chảy của khì bên trong ống mao dẫn không thể vƣợt quá vận tốc âm ( khi dãn nở đẳng nhiệt ),giả thiết trên cho ta : p QB 3,7.10 d 3,torr, ở đó Q B - dòng không khì lọt vào hệ,torr.l/sec ; d- đƣờng kình lỗ rò, m. Đại lƣợng p,tƣơng ứng với các giá trị Q B và d đƣợc trính bày ở phần trên của hính 7.3.

3,7.10-3 4,1.10-3 4,5.10-3 4,8.10-3 5,.10-3 5,6.10-3 170 Q 1 /Q 6 7 5 3 1 d μm 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 1.10-5 1.10-6.10-5 3.10-4 1.10-0.6 60 4.5.10 3 470.10 3. Q μ, torr l/see Hình 7.3 tỷ số rò rỉ của khí He và ống mao dẫn hình trụ với đƣờng kính khác nhau ( l=1 cm). Từ hính vẽ thấy rằng,giả thiết về sự bỏ qua trong biểu thức (7.9) chỉ đúng vời d < 50 m. Với d> 50 m không thể bỏ qua p trong các biểu thức (7.8) và (7.9). Tuy nhiên với những điều kiện đó thí có thể bỏ qua các số hạng chứa 3 d và d so với 4 d trong ( 7.8)va ( 7.9). Khi đó dòng rò rỉ có dạng đơn giản sau: Q 10 l p 3 4 b 5,3 d (1 p1,torr.l/sec (7.11) Nếu l( cm) và d ( m ). Đƣa từ (7.10) vào (7.11) ta nhận đƣợc. Bằng phƣơng pháp đó ta nhân đƣợc dòng rò rỉ với d = 100 m, và đƣợc trính bày trên hính 7.3. Tuy nhiên tình toán đó không dùng đƣợc khi d > 100 m. Với kìch thƣớc đó dòng chảy của khì có đặc trƣng xáo trộn, ví phƣơng trính xuất phát từ (7.5) cũng nhƣ các phƣơng trính về lý thuyết động học chất khì không còn đúng nữa. 7.. NHỮNG PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN SỰ RÒ RỈ 7..1.Đặc trƣng tổng quát. Một công đoạn bắt buộc trong chế tạo hệ bơm là kiểm tra của độ kìn của mối nối riêng biệt, và sau đó cả toàn hệ chân không. Phƣơng pháp kiểm tra không chỉ dừng lại ở sự phát hiện và độ rò rỉ,mà phải cho khả năng định vị chung. Ngoài ra phƣơng pháp công nghiệp phải tƣơng đối đơn giản, thao tác thuận lợi với các vật liệu khác nhau. Những phƣơng pháp nén ( thử nghiệm với áp suất thừa) và phóng điện chất khì để phát hiện rò rỉ lớn, có thể thõa mãn nhửng yêu cầu nêu trên. Phƣơng pháp áp kế và phƣơng pháp 5 hàng rào paladin (Pd) để phát hiện độ rò rỉ trung bính ( > 10 torr.l/sec ) ; phƣơng pháp halogen và 6 10 khối phổ dùng phát hiện độ rò thấp hơn,khoảng 10 10 torr.l/sec. Đặc tình chung nhất của các máy phát hiện rò rỉ là khả năng gây phản ứng có tình lọc lựa lên tình chất hóa lì của một vài vật ( trong khì cơ bản mà ngƣời ta gọi là chất thử. Quá trính tím lổ rò nhƣ

sau : biến tử của máy sẽ nhận chất thử xuyên qua lỗ rò và phát tìn hiệu. Qua đại lƣợng tìn hiệu có thể xác định kìch thƣớc lổ rò. Thông số cơ bản của máy phát hiện rò rỉ là độ nhạy của nó. Độ nhạy đƣợc xác định bởikhả năng gây phản ứng với nồng độ chất thử cực tiểu ở môi trƣờng khì quyển. Khả năng lọc lựa của máy càng cao thí phản ứng với chất thử của nó càng rõ nét,do đó độ nhạy của máy càng lớn. Ví vậy cần chọn chất thử nào mà tình chất hóa lì của chúng rất khác với không khì. Máy có độ nhạy cao nhất ( khối phổ kế, halogen, phóng xạ) chỉ gây phản ứng với chất thử, không phụ thuộc vào sự có mặt của không khì,hơi và các khì khác. Phƣơng pháp áp kế có độ nhạy thấp hơn nhiều,chất thử còn gây tìn hiệu trên phông chung,nhƣng phông chung này còn tạo nên bằng khì còn lại trong hệ. Giới hạn có tình định hƣớng về độ nhạy của các phƣơng pháp khác nhau ( sẽ nói rõ hơn ở phần sau) đƣợc trính bày tên hính 7.4. Miền áp suất làm việc B 10 3 10 0 10-3 10-6 10-9 1 10-13 10-6 3 10-7 4a 10-5 4b 10-7 5a 10-5b 10-6 5c 10-7 5d 10-7 6 10-9 7 10-1 8a 10-8b 10-4 hình 7.4.Miền áp suất và độ nhạy giới hạn B (torr.l/sec) của các máy phát hiện rò rỉ Trang 30 Trang 31 7...nhƣng phƣơng pháp dùng áp suất thừa. Những phƣơng pháp phát hiện rò rỉ bằng áp suất thừa rất thuận tiện để kiểm tra nhanh chóng những bộ phận riêng lẻ trƣớc khi lắp ráp toàn hệ. ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp đơn giản nhất là nén không khì và tạo lên áp suất thừa trong hệ,khì lọt qua lỗ sẽ tạo bọt không khí nếu dùng bọt xà phòng hay nhúng trong nƣớc. phƣơng pháp này không chỉ cho phép xác định vị trì rò rỉ,mà có thể đánh giá lƣợng Q chảy qua lỗ rò bằng kìch thƣớc bọt khì.vì dụ,nếu thể tìch thử nghiệm đƣợc nhúng vào chất lỏng,thí dòng khì qua lỗ rò có thể đƣợc xác định bởi phƣơng trính: (7.1) ở đó D o -đƣờng kình bọt khì tại thời điểm bị vỡ;p a -áp suất khì quyển,n-số bọt khì đƣợc thành lập trong thời gian t. Nếu kìch thƣớc bọt nhỏ nhất bằng 1 mm,vận tốc thành lập bọt khì trong 1 phút,thí theo (7.1).dòng khì cực tiểu Q min ~10-15 torr/s. Giữa Q min với độ rò rỉ B có sự liên hệ:

(7.13) ở đó: B, -độ nhớt không khì và khì thử,dùng để nén;p a,p-áp suất khì quyển và áp suất khì nén.từ(7.13)suy ra rằng,đối với không khì với p n =3atm, Q min= 10-15 torr/s,b min ~10-6 torr/s. Độ nhạy của phƣơng pháp nén có thể tăng,nếu ngƣời ta dùng khì tạo áp suất thừa có độ nhớt nhỏ thua độ nhớt không khì,hay tạo không gian chân không trên chất lỏng.trƣờng hợp cuối có thể tăng độ nhạy lên hàng chục lần. Độ nhạy của phƣơng pháp nén có thể tăng hơn nữa,nếu dùng khì amoniac(nh 3 )để tạo áp suất thừa và phủ lên chỗ có khả năng rò rỉ một loại giấy in bằng ánh sáng,ẩm hay bao quanh thể tìch cần thử nghiệm một loại dung dịch fenolftalein.khi đó,dƣới tác dụng của khì amoniac xuyên qua lỗ rò,giấy hay dung dịch sẽ biến đổi mầu đỏ của mính (do phản ứng hóa học)và nhƣ vậy có thể địh vị lỗ rò rỉ.độ nhạy của phƣơng pháp này thƣờng gọi là phƣơng pháp hóa học-phụ thuộc vào thời gian lộ sáng và có thể đạt tới 10-8 torr.l/s Với áp suất thừa bằng hỗn hợp khì-freon hay không khí-he có thể nhận chỉ báo bằng máy phát hiện Halogen hay khối phổ kế.trong trƣờng hợp này,khì xuyên qua lỗ rò sẽ bị hút bằng đầu rò đặc biệt để vào biến tử.độ nhạy của phƣơng pháp này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khì làm việc trong hỗn hợp,vận tốc chuyển động của đầu dò hút khì và áp suất thừa trong hệ. với hỗn hợp không khì freon và máy phát hiện halogen có đầu dò có thể phát hiện độ rò rỉ~10-6 torr.l/s.còn dùng He với khối phổ kế -10 9 torr.l/s. 7..3. phƣơng pháp dùng phóng điện chất khí Rò rỉ trong hệ chân không có thể phát hiện bằng phóng điện với dòng không đổi trong ống phóng điện-áp kế chân không hay phóng điện cao tần không điện cực đƣợc kìch thìch bằng biến thế Tesla.cả hai trƣờng hợp màu sáng phóng điện chất khì phụ thuộc vào áp suất và loại khí. Ống phóng điện thƣờng đƣợc đặt giữa bơm chân không cao và bơm cơ học,chúng làm việc bằng phóng điện ẩn với ánh sáng của cột dƣơng có màu hồng-xanh lục.sau đó,ngƣời ta bôi lên chỗ có khả năng rò rỉ một chất lỏng phù hợp,và quan sát sự biến đổi màu của phóng điện do hơi chất lỏng xuyên qua lỗ rò vào hệ.chất lỏng đƣợc dùng phổ biến nhất là rƣợu,ether,cacbon tetraclorua v.v Thƣờng quan sát sự biến đổi màu bằng mắt,vì vậy,độ biến đổi mầu rõ rệt và do đó độ nhậy của phƣơng pháp này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nhiệm của ngƣời thao tác. Để phát hiện rò rỉ nhỏ,thí hơi chất lỏng nhƣ là rƣợu,ether không đƣợc thuận lợi bằng,vì dụ,metan hay khì axit cacbonic.metan và axit cacbonic có độ nhớt tƣơng đôì nhỏ,kìch thƣớc phân tử không lớn và biến đổi màu phóng điện rất rõ.co rơi vào ống phóng điện,thí ánh sáng của cột dƣơng lập tức biến sang màu đỏ-xanh. Cũng có thể phát hiện rò rỉ bằng tia lửa điện của biến thế Tesla.ngƣời ta rà điện cực cao tần của Tesla học mối hàn thủy tinh.nếu gặp lỗ rò thí tia lửa nhỏ tập trung lại thành vệt sáng mạnh nhƣ chui vào lỗ rò đó.miền ứng dụng phƣơng pháp này chỉ giới hạn đến áp suất 5.10 - torr. 7..4 Phƣơng pháp áp kế Áp kế nhiệt điện và ion hóa thƣờng đƣợc gắn vào hệ chân không,và ngƣời ta có thể dùng chúng để phát hiện chỗ không kìn và đánh giá độ rò rỉ. Khi hệ chân không có rò rỉ làm việc ở trạng thái dừng,thì áp kế thƣờng chỉ áp suất cao hơn giá trị tình toán và áp suất sẽ khác nhau tại các phần khác nhau của hệ. thổi khì thử vào chỗ có khả năng rò rỉ,hay bôi chất lỏng(ether,rƣợu,aceton )có độ truyền qua lỗ rò cao hơn không khì,thí kim dung cụ đo của áp kế sẽ biến đổi rõ rệt.tất nhiên sự biến đổi này cũng phụ thuộc nhiều vào độ nhạy áp kế đối với chất thử. Với áp suất trung bính, thƣờng ngƣời ta dùng áp kế nhiệt điện.trong trƣờng hợp này khì hay hơi thử phải có độ dẫn nhiệt rất lớn hay rất bé so với không khì.thƣờng H đƣợc chọn làm khí thử,ví nó có độ dẫn nhiệt và khả năng truyền qua lỗ rò lớn.khi chúng xuyên qua lỗ rò để vào hệ,thí điều kiện cân bằng nhiệt sẽ biến đổi.do đó kim máy đo của biến tử sẽ bị lệch.áp kế nhiệt điện có khả năng phát hiện độ rò rỉ cỡ 10-4 -10-5 torr.l/s.

Để phát hiện độ rò nhỏ hơn(với chân không<10-3 torr)ngƣời ta dùng áp kế ion hóa.chất thử thƣờng dùng là aceton,ether hay rƣợu. thế ion hóa của phân tử này rất thấp so với khì thƣờng ;do đó,khi chất khì lọt vào hệ,thí kim máy đo sẽ tăng lên rõ rệt.nếu dùng chất thử là He hay Ar,thí ngƣợc lại kim máy đo sẽ giảm xuống,ví thế ion hóa của chúng làm giảm lƣợng ion đập lên biên tử. Có thể tình độ nhạy của phƣơng pháp áp kế trong thể tìch đang bơm.áp suất toàn phần p 1 trƣớc khi chất khì lọt vào trong thể tìch cần bơm là: (7.14) ở đó Q r -dòng rò rỉ; Q -tổng các loại khì khác;s 0 -vận tốc bơm của hệ;p n -áp suất tới hạn. Nếu thay đổi không khì bằng chất thử,thí độ nhạy của áp kế sẽ tăng lên n>1 lần.khi đó,dòng chất khử Q r có thể viết dƣới dạng tƣơng đƣơng: Q r =nq r (7.15) Và áp suất biểu kiến p có dạng: (7.16) Nhƣ vậy sự tăng áp suất biểu kiến là: (p -p 1 ) = p=(1/s 0 )Q r (n-1) (7.17) Từ đó suy ra rằng.độ rò rỉ cực tiểu trong thể tìch đang bơm có dạng (7.18) Khi độ rò rỉ nhỏ,độ nhạy của phƣơng pháp áp kế có thể tăng nếu ta dùng phép đo theo sơ đồ 7.5a Hình 7.5 a) trong hệ V có biến tử b) trong hệ V không có biến tử bơm thể tìch thử nghiệm V qua van K đến áp suất cân bằng p 1,rồi đóng van K.sau thời gian t,áp suất trong thể tìch V tăng đến đại lƣợng p.do đó: V ( p p ) 1 B= (7.19) t Nếu trong thể tìch V không có biên tử,nhƣng trong hệ có thể tìch V 1 nhỏ hơn có biến tử,thí p trong thể tich V sau khi đã khóa K 1 và K có thể xác định đƣợc,nếu ta mở K 1.khi đó: (7.0) p 1 V 1 +p V = p 3 (V+V 1 ) hay (7.1) ở đó p 3 -áp suất cân bằng trong hệ khi mở K 1 với phƣơng pháp áp kế ion hóa B min ~10-6 torr.l/s 7..5. Phƣơng pháp H hay phƣơng pháp hàng rào Paladi(Pd). Phƣơng pháp này dựa trên tình chất của paladi là nó sẽ cho H xuyên qua với nhiệt độ 700-800 0 C,đồng thời ngăn chặn các khì còn lại.đây cũng là phƣơng pháp áp kế ở dạng đặc biệt. Biến tử(hính 7.6)đƣợc gắn trực tiếp vào hệ chân không.thổi H hay hỗn hợp khì có chứa H, vì dụ,(0%h -80%N ) vào vị trì có khả năng rò rỉ.h xuyên qua lỗ rò vào thể tìch thử nghiệm và khuếch tán qua ống mao dẫn Pd(1) đƣợc đốt nóng(800 0 C) bằng sợi đốt(),để vào biến tử của áp kế ion hóa(3).trong lúc đó Pd sẽ ngăn cản không cho các khì khác đi qua.sự

xuất hiện H trong biến tử sẽ làm tăng dòng ion trên mạch colector.h trong biến tử lại đƣợc hút qua lỗ mao dẫn Pd khi đốt nóng đến 800 0 C. Trong biến tử đƣợc sản xuất trong công nghiệp,ống mao dẫn Pd đƣợc thay thế bằng màn chắn Pd(hính 7.7) và đƣợc đốt nóng bằng chùm điện tử,đồng thời màn chán đóng vai trò anod luôn thể. Độ nhạy của phƣơng pháp này bị giới hạn bởi độ nhạy của biến tử đối với H trên phông trung của khì còn lại trong chúng. Nếu tẩy sạch khì của biến tử cẩn thận,độ nhạy có thể đạt tới 10-6 torr/s. 7..6. Phƣơng pháp Halogen. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta dùng tình chất của Pt. Pt đƣợc đốt nóng đến 800-900 0 C ngay trong không khì có hợp chất kiềm thí sẽ phát xạ ion dƣơng. Phát xạ tăng rất lớn khi trong không khì có chứa Halogen(F,Cl,Br,I ) Biến tử của máy(hính 7.8) là một diod hính trụ,anod(1)làm bằng Pt,đƣợc đốt nóng bằng sọi nung.các ion dƣơng tao nên đƣợc thu lại bằng colector(). Nó có thể làm việc trong chân không,cũng nhƣ trong áp suất khì quyển. trong trƣờng hợp thứ nhất,biến tử đƣợc gắn trực tiếp vào hệ chân không và thổi khì thử có chứa Halogen(freon 1,cacbon tetraclorua,tricloetylen v.v ) vào vị trì có khả năng rò rỉ Trong trƣờng hợp thứ hai,khì thử đƣợc nén đến áp suất thừa và dùng đầu dò hính (7.9)để thu hồi khì thử từ trong hệ xuyên qua lỗ rò và ra ngoài khì quyển. khi đầu dò chỉ nhận không khì thuần túy,thí dòng ion chảy qua diod rất nhỏ. Nếu không khì chứa Halogen,thí dòng ion tăng lên rất lớn,đến mức có thể dùng nó để biến đổi tần số nguồn âm-làm tìn hiệu phát hiện lỗ rò nhanh và chình xác. Phƣơng pháp Halogen có độ nhạy cỡ 10-6 -10-7 torr/s và cho phép làm việc ở miền áp suất thấp(10-1 -10-3 torr)khá thuận tiện cho việc tím lỗ rò lớn. 7..7. Phƣơng pháp phổ kế

Khối phổ kế đƣợc dùng để đo áp suất riêng phần(chƣơng VI),cũng có thể dùng để phát hiện rò rỉ. biến tử khối phổ kế đƣợc gắn vào hệ chân không,và cũng thổi khì thử vào chỗ có khả năng rò rỉ.khì thử phải đƣợc chọn loại khì không có,hoặc có với hàm lƣợng rất nhỏ trong thành phần khì quyển; giá thành rẻ và khối lƣợng phân tử nhỏ. Tình chất sau cùng của khì thử không chỉ để vận tốc khuếch tán qua lỗ rò nhanh,mà còn đòi hỏi khối phổ kế có độ phân giải lớn. Khì thử đƣợc dùng phổ biến nhất là He. Nó không có đồng vị,do đó khối phổ kế khì chỉ có 1 vạch,tƣơng ứng với số khối lƣợng là 4. do thành phần He trong khì quyển rất nhỏ(~4.10-3 torr)hàm lƣợng của chúng hấp phụ trên thành hệ chân không cũng không đáng kể.nên tìn hiệu nhận đƣơc trên phông khá thấp,độ nhạy của máy tăng. Khi thổi He qua lỗ rò vào hệ chân không(hính 7.10),thí áp suất Riêng phần cân bằng của He không thiết lập tức thời. đầu tiên,áp suất trong hệ tăng lên một ìt, sau đó giảm do bơm đang làm việc. với những điều kiện đó,sự biến đổi lƣợng khì He(pV) trong thể tìch V đƣợc xác định bởi hệ thức: (7.) ở đó B-dòng He qua lỗ rò;so-vân tốc bơm của hệ;p-áp suất riêng phần He tại thời điểm tùy ý t. Nếu xem rằng V=const.còn p=0; tại thời điểm ban đầu,thí nghiệm của phƣơng trính(7.)cho ta định luật biến đổi áp suất riêng phần He theo thời gian: (7.3) Hính (7.11a)trính bày sự biến đổi áp suất He theo dạng(7.3) Nếu tại thời điểm 1,khì thử ngừng thổi,thí áp suất riêng phần He sẽ giảm(hinh.11b)theo định luật: ở đó (7.4) (7.5)

Áp suất lớn nhất tƣơng ứng với thời điểm t 1,và phụ thuộc vào hệ thức S 0 /V. nhƣ vậy,nếu biến tử đƣợc gắn trực tiếp với thể tìch thử nghiệm(có lỗ rò), thí định luật(7.3) và (7.4) cho ta đặc trƣng thời gian về phản ứng của máy trên lỗ rò. Vì dụ,để nhận đƣợc tìn hiệu,tƣơng ứng với áp suất p bằng 63%áp suất cực đại(p max =B/S 0 khi t 1 = )thí t 1 phải bằng hằng số thời gian (hinh7.11a) Nếu kéo dài thí áp suất riêng phần He trong thể tìch thử nghiệm bằng 95%. Từ đó suy ra rằng,thời gian thổi không nên quá lớn so với,ví điều đó không làm tăng độ nhạy bao nhiêu. Tuy nhiên cũng khong nên chon t 1 quá nhỏ so với,ví điều đó sẽ làm giảm lớn độ nhạy.thƣờng ta chọn: (7.6) Nhƣ vậy,phản ứng của máy dò khối phổ kế lên khì thử phụ thuộc vào tỉ số V/S 0. để thỏa mãn bất đẳng thức (7.6) khi tăng thể tìch V cần tăng S 0. nhƣng tăng S 0 thí lại làm giảm hệ thức B/S 0, do đó làm giảm áp suất riêng phần,tƣơng đƣơng với thời gian thổi t 1 (biểu thức 7.5). để khắc phục điều mâu thuẫn trên,ngƣời ta gắn biến tử trên đƣờng hút khì sơ bộ giữa bơm chân không cao với bơm chân không cơ học(hính 7.1) Trong trƣờng hợp này,độ nhạy của máy đo sẽ phụ thuộc vào áp suất riêng phần p của He trên đƣờng hút chân không sơ bộ,và đƣợc xác định bởi phƣơng trính: (7.7) ở đó V -thể tìch đƣờng hút chân không ban đầu;s 0 -vận tốc hút thể tìch V ;ps 0 -dòng He từ thể tìch thực nghiệm V vào thể tìch V. nghiệm phƣơng trính (7.7),có tình (7.3) với giả thiết V =const và p =0 tại thời điểm ban đầu có dạng: Thƣờng V nhỏ,nên luôn luôn nhỏ thua,do đó p đƣợc xác định bởi số hạng chứa là chủ yếu. Mặt khác,từ phƣơng trính(7.8)suy ra rằng,áp suất cực đại của He ở lối vào biến tử,(p max =B/S 0 )đƣợc xác định bởi vận tốc hút S 0 từ phìa bơm chân không ban đầu.ví vậy,khi gắn biến tử trên đƣờng hút chân không sơ bộ,thực tế sẽ không cần tăng S 0 khi tăng thể tìch thực nghiệm V.

Khi gắn biến tử theo sơ đồ(7.10) và (7.1)cũng có thể làm tăng độ nhạy của chúng,nếu chúng ta dùng tình chất bơm lọc lựa của bơm khuếch tán đối với các chất khì khác nhau. Nhƣ ta đã biết,khi tăng công suất của bơm khuếch tán,thí vận tốc hút khì He của nó vƣợt quá vận tốc hút khì(hính 7.13). trong trƣờng hợp này,nên gắn biến tử theo sơ đồ (7.1)ví p của He ở lối vào biến tử lớn Khi hạ công suất đốt,ngƣợc lại vận tốc bơm không khì hầu nhƣ khong biến đổi,nhƣng vận tốc bơm He thí lại giảm nhanh. Trong trƣờng hợp này,nên gắn biến trở theo sơ đồ(7.10) ví p của He ở lối vào biến tử lớn. Nhƣng ở đây độ quán tình của máy lại tăng Tóm lại,máy dò khối phổ kế He có hai chế độ làm việc:công suất bơm khuếch tán lớn và nhỏ. Dùng chế độ công suất lớn với chế độ quán tình của máy nhỏ,có thể phát hiện độ rò rỉ tƣơng đối lớn,còn chế độ công suất nhỏ cho phép ta đạt đƣợc độ nhạy tới hạn của máy. CHƢƠNG VIII : HỆ BƠM CHÂN KHÔNG Trang 40 8.1 NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ BƠM CHÂN KHÔNG Để nhận đƣợc bơm chân không thuận lợi nhất hệ bơm chân không cần thỏa mãn 3 yêu cầu quan trọng nhất: khả năng nhận đƣợc độ chân khong cần thiết trong thể tìch cần bơm. Yêu cầu đó chỉ thỏa mãn trong trƣờng hợp nếu chọn đúng bơm chân không và tuân thủ những quy tắc cần thiết về vệ sinh chân không khi lắp ráp và sử dụng hệ khả năng nhận đƣợc vận tốc bơm cần thiết và hệ số dùng bơm cực đại (Hệ số dùng bơm G = S C / S H, ở đó S C và S H - vận tốc bơm thể tìch vận tốc bơm thể tìch cần bơm và vận tốc bơm của bơm chân không ) 3. thuận lợi trong làm việc, đơn giản trong sử dụng 8.. HỆ CHÂN KHÔNG TĨNH VÀ HỆ CHÂN KHÔNG ĐỘNG: Ngƣời ta thƣờng chia hệ chân không ra làm hai loại tĩnh và động. Trong trƣờng hợp thứ nhất, đối tƣợng cần bơm ( vd: đèn điện tử chân không, laser khì, ống phóng điện ) Khi đạt đƣợc chân không tới hạn thí sẽ tách khỏi hệ chân không. Trong trƣờng hợp thứ hai trong trƣờng hợp phải bảo toàn bậc chân không cần thiết suốt thời gian thì nghiệm hay thực hiện qui trính công nghệ, (vd : tạo màn mỏng bằng bốc bay chân không, buồng giả không gian vũ trụ, máy gia tốc..). Từ đó suy ra rằng, đặc trƣng chủ yếu của hê tĩnh ở trạng thái dừng là sự phân bố áp suất trong thể tìch hệ và trong thể tìch dụng cụ cần bơm, nên không cần thiết phải dùng bơm có năng suất cao. Ví vậy, các ống dẫn chân không và các bộ phận khác trong hệ (bẩy, van, ) có thể có độ dãn bé. Nhƣng đối với hệ động, đặc trƣng cúa nó là sự nhả khì liên tục và sự không kìn cucả hệ. Ví vậy, ở đây bơm phải có vân tốc đủ lớn, còn các ống nối, van, bẩy phải có độ dãn chân không cực đại.

Sơ đồ hệ chân không của hai loại đều giống nhau. 8.3 SƠ ĐỒ CÁC HỆ CHÂN KHÔNG ĐIỂN HÌNH VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH. Theo quan điểm ứng dụng, tất cả các bơm chân không có thể chia làm hai loại : Bơm nén khì : tức là loại bơm chuyểnkhối lƣợng khì từ lối vào đến lối ra của bơm. Bơm bề mặt : khì liên kết với chình bơm. Sự khác nhau có tình nguyên tắc của loại bơm nối đó là nguyên nhân của sự khác nhau về lắp ráp hệ chân không : lắp nối tiếp bơm chân không thấp với bơm chân không cao đối với loại thứ hai. Những sơ đồ hệ chân không điển hính đƣợc trính bày trên bảng 8.1 Hệ chân không với bơm phân tử cơ học theo sơ đồ 1 trên bảng 8.1 là hệ chân không không dầu. Thật vậy, nếu khởi động bơm phân tử cơ học ở áp suất p = 10-1 toor và bơm sơ bộ buồng chân không bằng bơm cơ học đến áp suất không nhỏ thua 10-1 torr, thí không quan sát đƣợc hydrocarbon trong phổ áp suất riêng phần. Đặt van kim 6 vào giữa van chắn 5 với bơm phân tử 4 sẽ đơn giản hóa qui trính sử dụng Không cần những biện pháp theo dõi thƣờng xuyên hoạt động của hệ để ngăn chặn kịp thời hơi dầu từ bơm sơ cấp vào buồng chân không Đƣa vào từng lƣợng không khì cần thiết, để giữ áp suất ở lối vào của bơm sơ cấp luôn luôn 10-1 torr, thì sẽ ngăn chặn hiệu quả dòng ngƣợc hơi dầu. sau khi đã khởi động bơm phân tử cơ học, thí chình bơm sẽ tự ngăn chặn tốt hoi dầu xuyên qua hệ. Vận hành thiết bị chân không với bơm phân tử cơ học theo thứ tự sau : Mở bơm cơ học 1 (thƣờng là bơm quay dầu ). Mở van kim 6 Mở van và van chắn 5. Tiến hành bơm thể tìch chân không đến 10 torr. Mở bơm phân tử 4 đóng van kim 6. Tắt hệ đƣợc thƣc hiện theo thứ tự sau : đóng van chắn 5. Tắt bơm phân tử, mở van kim 6, sau khi rotor của bơm phân tử dừng khi đóng van. Đóng van kim 6, tắt bơm cơ học 1. Mở van 3, sau khi xả khì atm vào bơm cơ học thí đóng lại. Đƣờng bơm nhánh buồng chân không 8 đƣợc thực hiện khi bơm phân tử đang làm việc. Với điều đó van 7 mở, van và van chắn 5 đóng Để nhận đƣợc bậc chân không siêu cao (10-9 torr) buồng chân không phải đƣợc đốt nóng đến nhiệt độ 350-400 0 C trong vài giờ. Thƣờng đốt nóng buồng khì bơm phân tử đang hoạt động và đốt nóng đồng thời đến nhiệt độ không cao hơn 100 C. Nếu nhiệt độ quá cao thí stator và các đĩa rotor bằng hợp kim nhôm sẽ bị kết dình lại, nguy hiểm. Hệ chân không với bơm khuếch tán theo sơ đồ trên bảng 8.1 là hệ chân không siều cao. Trong hệ chân không siêu cao, các vòng đệm mặt bìch ở phần chân không cao đƣợc làm bằng kim loại có áp suất bão hòa nhỏ ( < 10-10 torr) để phần chân không cao đó đƣợc đốt nóng với mục đìch tẩy khì. Trong hệ chân không cao. Ví không cần đốt nóng nên các vòng đệm mặt bìch đƣợc làm bằng chất dẻo đàn hồi có áp suất bão hòa < 10-7 torr. Hệ chân không theo sơ đồ tổng quát thƣờng có vận tốc bơm lớn hơn vài nghín lit/s. Hệ chân không theo sơ đồ đơn giản thƣờng vận tốc bơm cỡ vài lit/s đến 10 3 lit/s. Chú ý rằng, nếu không có đƣờng hút sơ bộ buồng chân không 8 qua ống nhánh (van 7), thí sản phẩm trong buồng sẽ bị nhiễm hơi dầu trong thời gian khởi động và tắt máy. Sự nhiễm bẩn đó sẽ lớn hơn nếu bơm từ buồng áp suất khì quyển qua bơm khuếch tán đang đốt nóng. Cũng trong trƣờng hợp này, tổn hao dầu chân không khuếch tán nhanh hơn, cƣờng độ oxy hóa dầu lớn hơn. Tất cả những điều nói trên sẽ rút ngắn thời gian làm viêc giữa hai lần bảo trí, đồng thời cũng tăng nhanh áp suất tới hạn của hệ. Vận hành thiết bị chân không với bơm khuếch tán theo sơ đồ đơn giản cần theo thứ tự sau : Mở bơm quay dầu 1. Mở van 3. Sau khi áp suất đạt đƣợc 10-1 hay 10 - torr thí đốt bơm khuếch tán 4 và cho nƣớc làm lạnh vỏ bơm. Khi áp suất trên bơm khuếch tán đạt đƣợc 10-4 torr và thấp hơn thí làm lạnh bẩy 5. Sau đó đóng van 3, mở van 7 để bơm sơ bộ buồng chân không. Khi buồng đạt đƣợc áp suất 10 - torr, thí đóng van 7, mở van 3 và van chân 6 : buồng chân không đƣợc bơm bởi bơm chân không cao. Bơm buồng chân không bằng bơm quay dầu 1 đến áp suất thấp có thể có của nó chỉ có hại, ví quá trính bơm với p < 10-1 torr, hơi dầu của nó sẽ làm bẩn buồng. Trong lúc đó, bơm khuếch tán dầu sẽ bắt đầu làm việc tốt với p = 10-1 => 10 - torr Tắt máy cũng theo thứ tự sau : đóng van chân 6. Giải lạnh bẫy 5. Tắt hệ đốt bơm khuếch tán 4. Khi vỏ bơm nguội (phần không đƣợc làm lạnh) đến 40 60 o C thí sẽ tắt hệ nứơc làm lạnh bơm. Qua 5 10 phút sẽ đóng van 3. Với thời gian đó, vỏ bơm sẽ đƣợc đốt nóng một ìt từ nhiệt dƣ của bính đun sôi và sẽ ìt

nhiều cân bằng nhiệt độ, sẽ ngăn chặn sự ngƣng tụ hơi nƣớc khi áp suất khì quyển lọt vào. Tắt bơm cơ học. Mở van để xả khì vào bơm rồi đóng lại. Khởi động hệ và đạt đƣợc áp suất tới hạn cần thiết sẽ không khó khăn nếu quá trính vận hành luông tuân thủ những quy tắc đơn giản sau: Không mở nƣớc làm lạnh bơm khuếch tán khi khi bơm ở áp suất khì quyển Không cho bơm lâu buồng chân không qua đƣờng bơm nhánh Cần đóng van chắn trong thời điểm khởi động và tắt bơm Làm lạnh và giải lạnh cho bẩy lạnh khi bơm khuếch tán đang hoạt động Làm lạnh bơm khuếch tán đến nhiệt độ 40 60 o C và phải bơm nó bằng bơm cơ học Trƣớc khi mở buồng chân không tiếp xúc với khì quyển (với thời gian ngắn) cần chứa đầy buồng bằng khí N khô Bảo dƣỡng máy đúng thời hạn quy định Khác với hệ bơm theo sơ đồ đơn giản, hệ bơm năng suất cao (sơ đồ tổng quát) có thêm 1 bơm Booster 9 Đặt giữa bơm khuếch tãn và bơm cơ học 1. Nhƣ đã biết, vận tốc bơm cực đại của bơm booster khoảng 10 - đến 10-3 torr, còn áp suất khởi động của nó khoảng 1 3 torr. Do đó nó sẽ tạo chân không ban đầu tốt cho bơm khuếch tán 4, đồng thời không đòi hỏi bơm cơ học có một áp suất tới hạn thấp. Những năm sau này ngƣời ta thƣờng thay bơm Booster dầu bằng bơm Roots, và đƣợc lắp theo sơ đồ cải tiến (hính trên bảng 8.1 ) nhằm mục đìch : bơm Roots 9 bây giờ vừa làm chứa năng tạo chân không ban đầu cho bơm khuếch tán dầu 4 (khi van 7 đóng ), sau đó hút sơ bộ buồng chân không ( khi van chân 6 và van 3 đóng) qua ống nhánh. Điề đó rút ngắn thời gian hút buồng đồng thời chỉ cần dùng bơm cơ học 1 bậc và nó có thể làm việc thƣờng xuyên với bộ phận xả khì - rất cần thiết đối với hệ có chứa một khối lƣợng lớn vật chất dễ bay hơi, vì dụ hệ tạo màn kim loại từ pha hơi trên đế nhựa. Đƣa bơm phụ 10 vào để tạo chân không ban đầu cho bơm khuếch tán 4 khi van 3 và 6 đóng, tức là thời gian hút buồng 8 qua nhánh van 7. Nếu không có nó, thí áp suất trên đƣờng chân không sơ cấp có thể vƣợt quá áp suất khởi động của bơm khuếch tán 4. Điều đó có thể xảy ra khi van chắn 6 không kìn, hay trong trƣờng hợp bơm qua ống nhánh quá lâu. Đối với hệ năng suất nhỏ (sơ đồ đơn giản ), bơm phụ đƣợc thay thế bằng bính tạo chân không sơ bộ 3. Hệ chân không với bơm hấp phụ theo sơ đồ 3 trên bảng 8.1, đƣợc dung trong phòng thì nghiệm và trong công nghiệp, khi cần chân không không dầu trong khoảng áp suất từ 10-5 10-3 torr. Sơ đồ đơn giản thƣờng đƣợc dùng trong điều kiện thì nghiệm, còn sơ đồ tổng quát trong côn nghiệp. Bơm quay dầu phụ 1 đƣợc dung để hút các bơm hấp phụ khi tái sinh chúng. Bẫy hấp phụ 4 thƣờng đƣợc đặt trên bơm quay dầu, nhằm ngăn chặn hơi dầu của nó đi vào các bộ phận còn lại của hệ chân không Chuẩn bị và khởi động hệ chân không theo sơ đồ tổng quát cần theo thứ tự sau. Mở bơm cơ học 1 ; mở van 3 ; tiến hành tái sinh (đốt nóng ) chất hấp phụ trong bẫy 4. Sau khi đốt nóng cà làm lạnh bẫy đến nhiệt độ 100 00 0 C thí đóng van 3 tiếp tục làm lạnh bẫy đến nhiệt độ phòng. Mở các van 3, 5, 6 và 8 để tiến hành tái sinh (đốt nóng ) bơm hấp phụ (Xeolit) 7 và 9 đến nhiệt độ 400 600 0 C (tuỳ theo mỗi loại xeolit ). Sauk hi đốt nóng và làm lạnh bơm Xeolit đến nhiệt độ 100 00 0 C thì đóng van 6 và 8. Nếu sau thời gian tái sinh mà áp suất trong bơm không giảm so với giá trị cực đại của nó khi đốt nóng, thí tiếp tục đốt nữa. các van 6 và 8 có thể đóng ngay sau khi tắt lò đốt bơm. Cuối cùng đóng van 5 và 3. tắt bơm cơ học. Khâu chuẩn bị hệ kết thúc. hệ chân không (cả sơ đồ )có thể làm việc theo các phƣơng án sau: Bơm buồng chân không đồng thời bằng bơm Xeolit trong trƣờng hợp tải khì lớn Bơm buồng chân không tuần tự bằng bơm Xeolit với mục đìch tạo bậc chân không cao nhất cho buồng Bơm buồng chân không luân phiên ( từng khoảng thời gian một ) bằng bơm Xeolit, để bảo đảm bơm đƣợc liên tục Để đạt đƣợc bậc chân không cao nhất trong sơ đồ tổng quát, khởi động hệ theo thứ tự sau : Làm lạnh bơm Xeolit bằng N lỏng. Mở bơm cơ học 1. Sau khi bơm đạt đƣợc áp suất tới hạn, thí mở van 3. Mở van 5 và 10, tiến hành bơm buồng chân không đến áp suất không nhỏ hơn 10-10 -1 torr ( bơm đến áp suất thấp hơn, hơi dầu sẽ làm bẩn buồng và sau đó ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng của bơm Xeolit ). Đóng van 5, mở van 6 (hay 8) bắt đầu bơm buồng chân không bằng một bơm Xeolit. Khi áp suất trong buồng không tiếp tục giảm, thí đóng van 6 và mở van 8 - tiếp tục bơm buồng bằng bơm thứ. Thay Xeolit bằng chất hấp phụ khác vẫn không thay đổi nguyên tắc cấu tạo và sử dụng bơm. 4. Hệ chân không cao với bơm hấp phụ theo sơ đồ 4 trên hính 8.1 có điểm khác trên:

1) Bơm sơ bộ buồng chân không 13 có thể tiến hành bằng bơm cơ học 1 cũng nhƣ bằng bơm hấp phụ bổ sung 1. Trong trƣờng hợp này, áp suất sơ bộ trong buồng có giá trị thấp hơn. ) Trong thời gian làm việc của một bơm hấp phụ cơ bản 6 (hay 7), có thể tiến hành tái sinh chất hấp phụ trong bơm hấp phụ cơ bản thứ hai 7 (hay 6) với bơm cơ học 1. Tất cả những điều nói trên cho phép ta tạo và giữ đƣợc áp suất tới hạn trong buồng chân không đến 10-9 10-8 torr Nguyên tắc làm việc của hệ chân không này không khác hệ theo sơ đồ 3. Nó đƣợc dùng trong điều kiện thì nghiệm hay trong thiết bị công nghệ có mục đìch đặc biệt. 5.Hệ chân không cao không dầu, đốt nóng theo sơ đồ 5 trên hính 8.1 cũng nhƣ hai sơ đồ 3 và 4, thƣờng đƣợc dùng rộng rãi trong điều kiện thì nghiệm, nhƣng dung hạn chế trong công nghiệp. Điều đó đƣợc giải thìch rằng, hệ bơm hấp phụ đòi hỏi phải dùng N lỏng và thƣờng xuyên tái sinh chất hấp phụ không thuận tiên cho điều kiên sản xuất. Hai bơm Xeolit 1 và dùng để tạo chân không sơ bộ từ áp suất khì quyển cho hệ với bơm cơ bản là iongette 6(hay còn đƣợc gọi là bơm từ phóng điện). Điều đó đảm bảo quá trính bơm đƣợc lien tục : trong thời gian một bơm làm việc, thí bơm thứ hai sẽ tiến hành tái sinh Xeolit bằng cách đốt nóng trong khì quyển Khởi động bơm theo thứ tự sau. Bơm Xeolit tạo chân không sơ bộ cho toàn hệ đến 10-3 torr, thí đóng van 5 và mở và mở bơm ion-getter 6. Nếu áp suất trong buồng chân không tăng thí bơm ion-getter đang nhả khì lớn. Cần mở van 5 và tiến hành bơm buồng đồng thời cả bơm Xeolit và bơm ion- getter cho đến khi áp suất bắt đầu giảm, thí đóng lại van 5. Còn bơm ion getter tiếp tục làm việc. Nếu tẩy sạch khì bằng đốt nóng hệ đúng qui trính, thí áp suất tới hạn có thể đạt tới 10-9 -10-11 torr Tắt hệ bao gồm: tắt bơm ion-getter, đóng các van và giải N lỏng khỏi bơm Xeolit. Trƣớc khi mở buồng chân không tiếp xúc với khì quyển trong thời gian ngắn, cần chứa đầy buồng bằng N khô để ngăn chặn sự ngƣng tụ hơi nƣớc từ khì quyển lên bề mặt của các bộ phận trong buồng. Khi đó, thời gian vận hành máy của chu trính tiếp theo sẽ đƣợc rút ngắn, không cần đốt nóng hệ và áp suất tới hạn vẫn đạt đƣợc gần áp suất tới hạn của chu trính trƣớc 6. Hệ chân không theo sơ đồ 6 trên bảng 8.1 thực ra chỉ lập lại hệ chân không theo sơ đồ 5 - chỉ có khác là tạo chân không sơ bộ bằng bơm cơ học 1 với bẫy hấp phụ 4. Điêu này dễ dàng tự động hoá thiết bị, nhƣng áp suất tới hạn sẽ tăng, ví hơi dầu sẽ đi vào buồng chân không và làm bẩn ion-getter, mặc dù có đặt bẫy 4 trên bơm cơ học 1. Nếu phân chân không cao đƣợc đốt nóng, thí áp suất tới hạn có thể đạt tới 10-9 torr 7. Hệ chân không theo sơ đồ 7 trên bảng 1.8 là hệ chân không siêu cao đốt nóng và có năng suất lớn, thƣờng đƣợc dung cho thì nghiệm cũng nhƣ cho công nghiệp. Bơm khuếch tán ở đây không chỉ dung để tạo chân không sơ bộ mà còn dung để bơm khì trơ. Hệ chân không này cũng có thể xem là hệ chân không không dầu, ví buồng chân không đƣợc bảo vệ tốt không cho hơi dầu xuyên qua bằng bơm khuếch tán có bẫy hiệu dụng cao. Đƣờng bơm nhánh dài nó cũng là bẫy dầu tốt, không cho hơi dầu từ bơm cơ học đi vào. Nếu phần hệ chân không cao đƣợc đốt nóng và bơm cơ bản 10 là getter bằng Ti đốt nóng, thí áp suất tới hạn của hệ có thể đạt tới 10 10-10 -11 torr Khởi động bơm theo thứ tự sau: Đóng van chắn 8, mở bơm khuếch tán 6, làm lạnh bẫy 7, đóng van 5. Mở van 9 để hút sơ bộ lần thứ nhất buồng chân không. Khi áp suất trong buồng đạt tới 10-1 -10 - torr thì đóng van 9, mở van 5 và van chắn 8. Buồng chân không đƣợc bơm khuếch tán hút đến áp suất < 10-5 10-6 torr thí sẽ cho bơm getter làm việc Tắt hệ đƣợc thực hiện theo thứ tự ngƣợc lại. 8.4 BẪY CHÂN KHÔNG 8.4.1 Phân loại Bẫy chân không là thiết bị dung để ngăn chặn hơi chất lỏng của bơm chân không xuyên vào buồng chân không Tuỳ thuộc vào miền áp suất làm việc, bẫy chia làm loại : bẫy chân không cao và bẫy chân không ban đầu. Bẫy chân không cao để ngăn chặn hơi chất lỏng từ bơm khuếch tán và bơm booster dầu với chế độ chảy phân tử, còn bẫy chân không ban đầu - để ngăn chặn hơi chất lỏng từ bơm ban đầu với chế độ chảy nhớt và nhớt phân tử. Tuỳ thuộc vào nguyên tắc làm việc của bẫy, ngƣời ta chia bẫy theo loại : cơ học, nhiệt độ thấp, hấp phụ, nhiệt và điện. Bẫy cơ học,nhiệt độ thấp và hấp phụ thƣờng đƣợc dung rộng rãi nhất. Những đặc trƣng cơ bản của bẫy là khả năng bảo vệ và độ dẫn riêng.

β = Q h /Q h Khả năng bảo vệ của bẫy bằng ở đó, Q h dòng hơi chất lỏng đi từ bơm vào bẫy trong một đơn vị thời gian, còn Q h đi qua bẫy vào buồng chân không Thỉnh thoảng ngƣời ta cũng dung trực tiếp dòng hơi Q h trên một đơn vị diện tìch lỗ vào của bẫy, hay áp suất riêng phần của hơi chất lỏng và sản phẩm phân huỷ do nhiệt của chúng ở trên bẫy làm chỉ số đặc trƣng khả năng bảo vệ của bẫy. Độ dẫn riêng C b của bẫy đƣợc xác định : C b1 = C b /S b ở đó C b - độ dãn của bẫy S b diện tìch lỗ của bẫy. 8.4. Các loại bẫy. 8.4..1 Bẫy cơ học Bẫy cơ học đơn giản nhất là cái mũ phản xạ dầu, dung để giảm bớt dầu từ bơm khuếch tán hay bơm Booster xuyên vào buồng chân không. Nó có cái mũ đƣợc đặt trên vòi phun trên cùng của bơm và đƣợc làm lạnh bằng nƣớc ( hính 8.1). Cái mũ phải bao quanh một phần luồng hơi nhƣ thế nào để biên của nó sẽ cắt đƣờng dòng của những tia hơi có hƣớng lên trên do chuyển động nhiệt hay hơi của dầu ngƣng tụ trên mép vòi phun. Mũ phản xạ đó cho phép giảm 0-30 lần dòng ngƣợc của hơi chất lỏng, và thực tế không làm giảm vận tốc bơm. Kìch thƣớc của mũ phản xạ đƣợc chọn nhƣ sau M 8 1.Bơm phân tử cơ học (hệ cơ bản) 5 4 6 7 M

1.Bơm phân tử cơ học ( hệ đơn giản ) M M

M 4 5 6 M 6 8 10 M 11 7 3.Bơm khuếch tán (hệ tổng quát)

. Bơm khuếch tán (hệ đơn giản) M M 5 6 8 4 3 M 7 1 3. Bơm Hấp Phụ

1 4. Bơm Hấp Phụ 13 11

5. Bơm ion getter (từ phóng điện ) M M 5 7

6. Bơm ion getter (từ phóng điện) M 4 5 7 3

7. Bơm GETTER M M 4 5 7 8 6 11 3 9 10

50 Trang Mủ phản xạ dầu. Hình 8.1. Hiệu dụng của mủ phản xạ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ của nó. Tăng nhiệt độ của mủ từ 98 đến 33 o K,thì dòng ngƣợc chất lỏng tăng khoảng lần. Bầy cơ học áp dụng nguyên tắc quang học là thiết bị, trong đó phân tử hơi chất lỏng xuất phát từ một điểm bất kỳ trong bơm không thể xuyên vào hệ chân không, nếu không va chạm với thiết bị. Bẩy cơ học có nhiệt độ bằng nhiệt độ làm lạnh của thành bơm để ngƣng tụ những hạt chất lỏng tán xạ từ buồng hơi. Yêu cầu của bẩy quang học dựa trên giủa thiết rằng, khoảng đƣờng tự do của phântử hơi là lớn và phân tử chuyển độngtheo quỹ đạo thẳng. Trong thực tế, quỹ đạo chuyển động của phân tử hơi bị uốn cong do tƣơng tác va chạm giữa chúng, nhờ đó có một phân tử có thể xuyên qua bẩy mà không va chạm với bẩy. Cần chú ý rằng, số va chạmgiữa phân tử bhơi chất lỏng (ngay cả khi áp suất hơi nhỏ) có thể rất lớn, ví nồng độ phân tử trong dòng ngƣợc của hơi từ bơm nhiều lần lớn hơn nồng độ cân bằng tƣơng ứng với nhiệt độ thành bơm. Với điều đó góc cực đại α Max (giữa trục ngang với hƣớng của dòng thứ cấp sinh ra do va chạm của phân tử hơi từ bơm) càng nhỏ, thí khả năng bảo vệ càng lớn. Do đó bẩy cơ học có cấu trúc khác nhau sẽ có khả năng bảo vệ khác nhau. Trên bảng 8. trính bày sơ đồ nguyên tắcnhững bẩy cơ học phổ biến nhất với các giá trị về khả năng bảo vệ và độ dãn riêng tƣơng ứng. Đối với các bẩy 1-5 có độ dãn riêng lớn nhất tƣơng ứng với số bảng ngăn hay góc ngăn là 10. Bẩy "hính côn-răng chữ V" (5) có khả năng bảo vệ và độ dãn riêng cao nhất. Bẩy cơ học đƣợc làmlạng bằng nƣớc cho phép chúng ta nhận đƣợc áp suất tới hạn 10-8 10-9 torr và giảmdòng ngƣợc của hơi chất lỏng đến 10-5 10-6 mgr/(giờ.cm ) trong hệ đã đƣợc tẩy sạch khìvới bơm khuếch tánchứa chất lỏng có độ bền nhiệt cao và bão hoà ở nhiệt độ phòng <10-9 torr. 8.4... Bẩy nhiệt độ thấp. Để bảo vệ tốt hơn hệ chân khôngkhỏi hơi chất lỏng từ các bơm tia hơi,ngƣời ta còn dùng bẩy nhiệt độ thấp (xem 4.3.4.3.). Dùng bẩy nhiệt độ thấp cho phép chúng tanhận đƣợc áp suất tới hạn khoảng 10-10 torr trong hệ chân không khuếch tán dầu (với điều kiện buồng chân không đƣợc tẩy sạch khì) và 10 1 torr trong hệ chân không khuếch tán thủy ngân. Tuỳ thuộc vào yêu cầu của bậc chân không, ngƣời ta dùngbẩy đƣợc làm lạnh với NaCl với nƣớc đá (T = -18 o C); KCl với nƣớc đá (- 48 o C); acid carbonic với rƣợu hay acéton (-78 o C); N lỏng (-196 o C), He lỏng (-69 o C). Trên hính 4.4 trính bày các dạng bẩy lạnh thƣờng dùng nhất. Bẩy hính cầu (hính 4.4a) và bẩy hính trụ (hính 4.4b) có sẵ bầu đựng chất lỏng làm lạnh. Những bẩy này có độ dãn riêng cao, nhƣng khả năng bảo vệ nhỏ, ví khi khì đi qua bẩy chỉ tiếp xúc với một thành bính đƣợc làm lạnh, còn thành bình phía ngoài có nhiệt độ tƣơng đối cao, gần nhiệt độ phòng. Bẩy hính trụ đƣợc làm lạnh phìa ngoài (hính 4.4c) đơn giản về chế tạo, nhƣng có độ dãn riêng nhỏ hơn bẩy hính cầu và hính trụ đã nói trên. Ngoài ra để làm lạnh nó, cần có thêm một bính thuỷ. Bẩy

hính trụ có độ dãn riêng cực đại khi tỉ số giữa đƣờng kình trong d với đƣờng kình ngoài D thoả (d/d) = 0,6. Bẩy dùng cho bậc chân không siêu cao đƣợc trính bày trên hính 8.. a) b) Hình 8.. Bẩy lạnh thuỷ tinh a) và kim loại b) dùng cho bậc chân không siêu cao Điểm đặc biệt của chúng là cả hai thành ống dẫn khì đều đƣợc làm lạnh bằng N lỏng (hính 8.a) hayột trong chúng là cái mũ phản xạ đƣợc tiếp xúc nhiệt với bính chứa chất lỏng làm lạnh (hính 8.b). 8.4..3. Bẩy hấp phụ Nguyên tắc làm việc của bẩy hấp phụ không làm lạnh đƣợc dựa trên tình chất hấp phụ hơi dầu của các chất hấp phụ xốp, hoạt tình: than hoạt tình, xeolìt, oxyt nhôm, xilicagen, kim loại xốp v.v... Đặc điểm của bẩy hấp phụ - cần thiết kìch hoạt chất hấp phụ trƣớc khi làm việc đốt nóng đến 600-700 o K, thƣờng trong chân không, và phải lăp lại mỗi khi bẩy tiếp xúc với khì quyển. Kìch hoạt bẩy cũng cần thiết sau thời gian làm việc dƣới chân không để giải hấp hơi chất lỏng đã đƣợc hấp phụ. Trên hính 8.3 trính bày bẩy hấp phụ đơn giản nhất với đốt nóng ở ngoài hệ. Có thể đặt nó trong phần đốt nóng của hệ chân không để tái sinh. Yêu cầu cơ bản của cấu tạo bẩy - loại trừ khả năng phân tử hơi dầu không tƣơng tác với chất hấp phụ khi chúng đi qua bẩy. Bẩy hấp phụ chứa xeolìt hay oxit nhôm có thể giữ chân không 10-9 torr trong thời gian vài tháng trên bơm khuếch tán dầu (không hoạt động) có bẩy phản xạ cơ học và đƣợc làm lạnh bằng nƣớc.

Bẩy hấp phụ chân không cao có bộ phận đốt nóng để tái sinh đƣợc trính bày trên hính (8.4). Bẩy đốt nóng phìa ngoài (hính 8.4a) có cấu tạo hợp lý hơn, ví sự di động của hơi dầu dọc theo thành bẩy sẽ bị ngăn cản. Để thực hiện điều đó với bẩy đốt nóng phìa trong (hính 8.4b) cần làm lạnh vỏ ngoài của bẩy bằng nƣớc. Dùng bẩy hấp phụ trong hệ bơm khuếch tán dầu có thể hạ thấp dòng ngƣợc hơi dầu trong buồng chân không lớn hơn 100 lần.

Trang 53

Trang 55 Hính 8.4.Bẫy hấp phụ không Hính 8.5.Bẫy hấp phụ cho bơm cơ học làm lạnh có bộ phận đốt nóng tái sinh 1.Vỏ bẫy.chất hấp phụ 3.Sợi đốt 4.Tấm phản xạ Bẫy hấp phụ không làm lạnh cũng đƣợc dùng để hạ thấp dòng hơi dầu dễ bay hơi của bơm cơ học vào bậc chân không cao.trong các bẫy này,ngƣời ta dùng nhiều gói bọc đầy các chất hấp phụ có khả năng hấp phụ khác nhau(hính 8.5).Gói 3 đặt gần bơm chứa đầy than hoạt tình hay xeolít-có khả năng hấp phụ hơi dầu lớn nhất.gói,1-chứa đầy oxyt nhôm hoạt tình và xilicagen.những chất này hấp phụ hơi dầu kém, nhƣng lại hấp phụ tốt các hợp chất hydrocarbon. 8.4..4.Bẫy nhiệt. Nguyên tắc làm việc của bẫy nhiệt dựa trên tình chất phân ly hơi dầu thành những khì nhẹ hơn(h,co,co ) và C khi đốt nóng chúng.nhƣ vậy,dòng ngƣợc hơi dầu sẽ giảm rất lớn nếu đặt giữa bơm khuếch tán với buồng chân không một bẫy phản xạ quang học và đốt nóng chúng đến nhiệt độ cao(hính 8.6).Phân tử dầu khi đập lên bẫy sẽ bị phân ly thành C và khì.c sẽ lắn đọng trên thành 1 của bẫy và trở thành chất hấp phụ khì và hơi;còn các thành phần khì sẽ đƣợc bơm khuếch tán hút. Bẫy nhiệt cũng có thể đặt ở phìa bơm chân không sơ bộ để ngăn chặn hơi dầu dể bay hơi vào bơm chân không cao. Nhiệt độ làm việc tối ƣu của bẫy nhiệt,phụ thuộc vào loại dầu chân không,thƣờng không lớn hơn 500 C

Hính 8.6.Bẫy nhiệt phản xạ. 8.4..5-Bẫy phóng điện khì. Nguyên tắc làm việc của bẫy phóng điện khì dựa trên cơ sở sau đây: -Khi va chạm với điện tử,phân tử dầu trong không gian phóng điện có thể bị kìch thìch,ion hoá,hay phân ly(xem chƣơng I). -dƣới tác đọng bắn phá của ion,các phân tử dầu đƣợc hấp phụ trên thành bẫy có thể bị phân ly thành C và các thành phần khì nhẹ hơn. phân tử kìch thìch của các hợp chất hửu cơ có khuynh hƣớng hấp phụ lớn hơn và sẽ trùng hợp trên thành bẫy dƣới dạng màng rắn,bền vững,có áp suất bão hòa nhỏ.phân tử hơi bị ion hóa sẽ hƣớng theo điện trƣờng về phìa bơm hay vào thành bẫy góp phần trùng hợp Hydro-carbon.Các thành phần khì đƣợc thành lập do phân ly sẽ đƣợc bơm hút,còn C thí lắn đọng trên thành bẫy. Xác suất của các quá trính trên phụ thuộc vào dạng phóng điện và mật độ dòng của chúng. Hính 8.7 trính bày sơ đồ bẫy dầu phóng điện có cathode đốt nóng và anode hính trụ đối xứng trục.điện tử phát xạ từ catod đốt nóng Wolfram là nguồn cơ bản để kìch thìch,ion hóa và phân ly phân tử dầu trong hệ.ngoài ra catod đốt nóng ở đây còn thực hiện chức năng bẫy nhiệt. Hính 8.7.Bẫy phóng điện khi có Catod đốt nóng Hính 8.8.Bẫy phóng điện khì dạng Manhetron-ngƣợc Hình 8.8 trính bày sơ đồ bẫy phóng điện ẩn dạng Manhetron-ngƣợc.Vỏ 1 của bẫy là catod,còn trục giữa -anod(xem 5.5.).Trong phóng điện Manhetron-ngƣợc,ion hoá các khì và hơi dầu rất hiệu dụng,còn catod bị ion bắn phá với cƣờng độ lớn.mặc dù phân tử hơi luôn luôn va chạm với điện tử trong khoảng phóng điện,nhƣng ở điều kiện chân không cao,sự phân ly Hydro-carbon và trùng hợp chúng do ion bắn phá,phân tử hơi đã hấp phụ trên thành bẫy (catod) đóng vai trò chủ yếu.để tăng dòng hơi đến catod,ngƣời ta đặt tấm phản xạ 4-trong vùng lạnh của bẫy. Phân tìch khối phổ kể chứng tỏ rằng,dùng bẫy phóng điện Manhetron-ngƣợc cho phép hạ thấp lƣợng hydro-carbon trong khì còn lại khoảng 100 lần.