Натекатели, регуляторы давления и затворы. Во многих процессах необходимо поддерживать давление в вакуумной камере в строго ограниченных пределах. Существует два принципиально различных способа, при помощи которых это возможно осуществить. Первый способ состоит в использовании специальных дросселирующих устройств на трубопроводах, которые уменьшают пропускную способность линии. Второй способ заключается в напускании газа в камеру через соответствующие управляющие устройства. Первый способ является, несомненно, удобным для управления давлением газа в системе, но не может быть использован для напускания различных газов. Второй способ может применяться для напускания любых газов, причем принцип действия основан на использовании различных игольчатых вентилей или диффузии газов через пористые материалы. ,
Если не требуется высокой точности в регулировке давления, то задача дросселирования потока газа в вакуумпроводе не представляется слишком трудной. Во многих случаях вполне эффективно могут использоваться уже рассмотренные нами клапанные вентили. В случаях, когда для регулировки требуется высокая точность, используются специальные устройства. В химической промышленности широко применялись регуляторы давления, описанные Гершбергом и Гунтрессом [19, 20]. Этот регулятор при помощи соответствующего электронного устройства управляет включением и выключением предварительного насоса. Датчик изменения давления состоит из U-образного манометра, наполненного ртутью, причем для передачи сигнала электронной схеме через ртуть используется неподвижный вольфрамовый электрод. Наклон трубки манометра определяет давление, при котором происходит включение электрической цепи. При помощи манометра, наполненного ртутью, можно регулировать давление в пределах от 2 до 30 мм Hg с точностью +0,15 мм Hg. Однако, используя вместо ртути серную кислоту, можно управлять значительно более низкими давлениями с точностью + 0,015 лг.и Hg. Гершберг и Гунтресс [20] также показали, каким образом при непрерывно работающем насосе можно регулировать давление, используя регулируемый натекатель для напускания газа в вакуумную систему. В литературе описывались различные электронные схемы для маностата системы Гершберга и Гунтресса. Серфасс [21] использовал для регулировки низких давлений тиратронную схему управления. Оливер и Бикфорд [22] описали электронную схему для регулировки низких давлений, соединенную с датчиком Гершберга — Гунтресса, наполненным серной кислотой, который через электронную схему управляет работой магнитного затвора.
Ото устройство регулирует давление с точностью до ±20p,Hg. Вместо маностата такого типа для поддержания давления в заданных пределах, естественно, можно пользоваться маностатами с другими датчиками, например с теплоэлектрическим датчиком. Для управления натекателем пли предварительным насосом можно использовать электронную схему, получающую сигнал от такого датчика. Смит [23] описал систему, в которой соответствующая электронная схема получает сигнал от датчика, аналогичного теплоэлектрическому манометру сопротивления. В работе указывается, что такое устройство в диапазоне давлений, соответствующпх работе манометра, поддерживает давление с точностью от 0,01 до 0,02p,Hg.
Затворы — это устройства, при помощи которых можно регулировать поток газа в трубопроводах, тем самым управляя давлением в вакуумной системе. Первоначально такие устройства предназначались для того, чтобы полностью перекрывать поток газа в трубопроводах, через которые происходит откачка. Обычно для этого использовался сосуд со ртутью, которая под действием атмосферного давления поднимается и заполняет второй сосуд, перекрывая в нем поток газа. Давление в вакуумной системе можно регулпровать, открывая зазор, через который протекает газ. Неудобство такой системы заключается в том, что требуются сложные краны и большое количество ртутп; кроме того, при работе затвора изменяется объем системы. Шмидт [24] предложил устройство, в котором эти трудности были устранены. Он использовал сделанный из железа или из магнитной нержавеющей стали колпачок, который перемещался при помощп магнита. Колпачок погружался в сосуд со ртутью и тем самым создавал уплотнение (колпачок или крышечка устанавливались над входным отверстием в вакуумную систему).
Серфасс и Муразо [25] использовали для получения уплотнения шлифованный стальной шарик, который плавал в ртутп с регулируемым уровнем, открывая или закрывая отверстие. Существенный недостаток затвора в том, что в нем используется ртуть, которая в основном ограничивает его применение стеклянными установками. Кроме того, из-за большого количества тре бующепся ртути эти затворы более пригодны для небольших вакуумных систем.
Требования, предъявляемые к вентилю для подачи газа в вакуумную систему (натекателю) из атмосферы или из баллона с газом, определяются разностью давлений. Наиболее простым из применявшихся натекателей, работа которых не зависит от разности давлений, является игольчатый вентиль. В нем используется уплотнение металла на металле. В некоторых случаях небольшое натекание из атмосферы или из баллона с газом, соединенного с игольчатым вентилем, производится за счет передвижения иглы с помощью некоторого сильфонного устройства [26, 27]. Чем меньше разность давлений, тем легче изготовить подходящий натекатель такого типа. Если нужно полностью устранить возможную через закрытый натекатель течь, то последовательно с натекателем устанавливается дополнительный кран. Штальман и Кругер [28] описали подобный натекатель для подачи газа в циклотрон.
На фиг. 85 показан игольчатый вентиль, успешно применявшийся в практике автора. Этот натекатель при подаче воздуха из атмосферы хорошо работает при изменении потока через него от 0 до 6—10 см31сек. Его характерные особенности: 1) длинная конусообразная игла с большим ходом, благодаря чему устанавливается определенный перепад давлений, и 2) для получения полной герметичности используются зажимные уплотнения между твердой иглой и седлом из мягкого припоя. При подаче газа, отличного от атмосферного воздуха, необходимо убедиться в том, что гайка, уплотняющая шток, обеспечивает герметичность. По этой причине набивку лучше заменить вильсоновским уплотнением или специально приспособленным для этой цели сильфоном. В тех случаях, когда желательна тонкая регулировка, ее можно получить, используя последовательно два натекателя. Натекатель на стороне высокого давления регулируется таким образом, чтобы получить максимальный перепад давлений. Второй натекатель в таком случае можно легко использовать для тонкой регулировки, причем относительно большое изменение проходного отверстия вызывает небольшие изменения потока.
Второй принципиально отличный метод подачи газа в вакуумную систему заключается в использовании диффузии газа через полупроницаемые вещества. Вероятно, наиболее часто используемым для этой цели веществом является неглазурованпый фарфор. Устройство обычно позволяет газу диффундировать через фарфоровую трубку, перпендикулярно к ее оси, причем регулировка быстроты натекания осуществляется погружением части трубки в ртуть [29]. Смайс [30] описал фарфоровый натекатель, в котором газ диффундировал по всей длине трубки, причем быстрота натекания регулировалась ртутью. Помимо фарфора, для подачи определенных газов в вакуумную систему- успешно использовались некоторые металлы. Для подачи кислорода в вакуумную систему обычно использовалось серебро [31]. Скорость диффузии определяется температурой. Для водорода и дейтерия использовался палладий. Джоссем [32] исследовал общую задачу подачи чистых газов в вакуумную систему. Он рассмотрел диффузию водорода, дейтерия, кислорода, азота, окиси углерода, гелия и неона через соответствующие металлы. Бейли [33] описал единственный в своем роде способ управления натеканием дейтерия в вакуумную систему. Этот способ основан на том, что вязкость дейтерия возрастает с увеличением температуры. Нагревая капилляр, черезкоторый течет газ, возможно управлять скоростью потока.
В литературе имеются описания еще ряда простых и довольно хороших методов. Два из них, наиболее полезных и простых, следует упомянуть. В первом газ пропускался через расплющенную мельхиоровую U-образную трубочку [34]. Незначительно изменяя U-образную форму трубки, можно регулировать поступление газа в систему. Во втором используется сжатая толстостенная резиновая трубка, причем управление натеканием достигается при изменении сжатия [35]. Лучшую регулировку можно получить, вводя в трубку небольшую проволоку.
Необходимо заметить, что при наличии между натекателем и вакуумной камерой небольшой переходной трубки изменение давления в камере будет запаздывать по отношению к изменению натекания. Время запаздывания изменяется пропорционально длине трубки и обратно пропорционально ее поперечному сечению.