Чтобы получить представление о корреляции между геометрическим размером отверстия и соответствующей скоростью утечки, можно воспользоваться следующим примерным расчетом:
Круглое отверстие диаметром D = 1 см в стенке вакуумного сосуда закрыто клапаном. Снаружи действует атмосферное давление (p = 1013 мбар), внутри вакуум. Когда клапан открывается, воздух проходит через отверстие сечением A = π·(D²/4) ≈ 0,79 см² со скоростью звука (vS = 330 м/с) в сосуд. Количество воздуха, проникающего в сосуд, составляет: qL(воздух) = p·vS·A ≈ 2,6·10⁴ мбар·л/с.
Если все остальные условия остаются неизменными и через отверстие пропускают гелий с его скоростью звука (970 м/с), то скорость утечки гелия составит: qL(гелий) ≈ 7,7·10⁴ мбар·л/с, что значительно выше.
Эта большая "чувствительность" к гелию используется в методах обнаружения утечек, что привело к разработке и массовому производству высокочувствительных гелиевых детекторов утечек.
Это корреляция между размером отверстия и скоростью утечки воздуха, где приблизительное значение для qL (воздух) составляет 10⁴ мбар·л/с для "отверстия диаметром 1 см".
Таблица показывает, что при уменьшении диаметра отверстия D до 1 мм = 0,001 мм (уменьшение D в 10 000 раз) скорость утечки составит 1,0·10⁻⁴ мбар·л/с, что в вакуумной технике уже считается значительной утечкой.
Скорость утечки 1,0·10⁻¹² мбар·л/с соответствует диаметру отверстия 1 ангстрем (Å); это нижний предел обнаружения современных гелиевых детекторов утечек. Поскольку постоянные решетки для многих твердых тел составляют несколько Å, а диаметр более мелких молекул (H₂, He) — около 1 Å, то внутренняя проницаемость через твердые тела может быть измерена с помощью гелиевых детекторов утечек.
Это привело к разработке калиброванных тестовых утечек с очень малыми скоростями утечки. Это измеряемая газовая проницаемость, но не "утечка" в смысле дефекта материала или соединения.
Корреляция между диаметром отверстия и скоростью утечки
Δp = 1013 мбар, диаметр отверстия d = 1 см. Скорость газа: скорость звука в воздухе = 330 м/с
Объем/секунда: A = π · (D² / 4)
Количество/секунда (скорость утечки):
qL = p · vs · A = 1013 · 330 · 0.785 см² = 2.6 · 10⁴ мбар · л/с
Связь диаметра отверстия с утечкой:
| Диаметр (м) | Диаметр (см) | Поток течи (мбар · л/с) |
|---|---|---|
| 10-2 | 1.0 | 2.6 · 10⁴ |
| 10-3 | 1.0 мм | 2.6 · 10² |
| 10-4 | 0.1 мм | 2.6 · 10⁰ |
| 10-5 | 0.01 мм | 2.6 · 10-2 |
| 10-6 | 1.0 µм | 2.6 · 10-4 |
| 10-7 | 0.1 µм | 2.6 · 10-6 |
| 10-8 | 0.01 µм | 2.6 · 10-8 |
| 10-9 | 1.0 нм | 2.6 · 10-10 |
| 10-10 | 1.0 Å | 2.6 · 10-12 (предел обнаружения гелиевых детекторов утечек) |
Примечание: Предел обнаружения современных гелиевых детекторов составляет 10-12 мбар · л/с, что соответствует отверстию диаметром 1 ангстрем.
Герметичность и критерии
| Концепт / критерий | Комментарий | qL (мбар · л/с) | Соответствующий размер частиц |
|---|---|---|---|
| Герметичность для воды* | Капли | < 10⁻² | |
| Герметичность для пара | Эффект опотевания | < 10⁻³ | |
| Герметичность для бактерий* | (кокки) | < 10⁻⁴ | ∅ ≈ 1 мкм |
| (палочковидные) | ∅ ≈ 0.5–1 мкм, длина 2–10 мкм | ||
| Герметичность для масла | Опотевание топливного бака | < 10⁻⁵ | |
| Герметичность от вирусов* | (вакцины, напр. оспа) | < 10⁻⁶ | |
| (наименьшие вирусы, бактериофаги) | < 10⁻⁸ | ||
| (вироиды, РНК) | < 10⁻¹⁰ | ||
| Герметичность для газа | < 10⁻⁷ | ||
| Герметичность по гелию | Техническая | < 10⁻¹⁰ |
Примечания:
* По сравнению с паром, необходимо различать гидрофильные и гидрофобные твердые вещества. Это также применимо к бактериям и вирусам, поскольку они преимущественно транспортируются в растворах.
