Вакуум
(от латинского vacuum - пустота) - среда, содержащая газ при
давлениях существенно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется
соотношением между средней длиной свободного пробега молекул газа и
размером d, характерным для каждого конкретного процесса или прибора.
Таким размером могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры,
диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т. и. Величина равна
отношению средней скорости
молекулы к числу Z столкновений, испытываемых ею за единицу
времени: эту величину можно также выразить через диаметр молекулы dm и
число молекул n в единице объема:
|
(1) |
(для
электронов в 5-6 раз больше).
В зависимости от величины отношения
различают
низкий (
),
средний (
),
высокий (
) вакуум. В низком вакууме преобладают
столкновения
молекул друг с другом, в высоком вакууме преобладают столкновения молекул со
стенками камеры. В обычных вакуумных установках и приборах (
d=10 см)
низкому вакууму соответствуют
давления р>10
2 Па (1 мм рт. ст.), среднему вакууму - от 10
3 до 10
-1
Па
l-10
-3
мм рт. ст.),
высокому вакууму -
р<10
-1 Па (10
-3 мм рт. ст.;
табл. 1). В порах или каналах диаметром
мкм высокому вакууму соответствует
давление начиная с десятков и сотен мм рт. ст., а в камерах для имитации
космического пространства (объемом в десятки м
3) граница между средним и
высоким вакуумом порядка 10
-5 мм рт. ст.
Табл. 1. Характеристики различных степеней вакуума
(
см)
Диапазон давлений, Па (мм рт. ст.) |
Вакуум |
низкий |
средний |
высокий |
сверхвысокий |
105-133 (750-1) |
133-1,33*10-1 (1-10-3) |
1,33*10-1-1,33*10-3 (10-3-10-7) |
|
Число молекул в 1 м3 |
1023-1022 |
1022-1019 |
1019-1016 |
|
Режим течения газа |
вязкостный |
переходный к молекулярному |
молекулярный |
молекулярный |
Понятие
сверхвысокого вакуума связывается не с величиной отношения
, а со
временем
, необходимым для образования
мономолекулярного слоя газа на
поверхности твердого тела в вакууме, которое оценивается по формуле:
|
(2) |
где
-
коэффициент захвата частицы поверхностью. Сверхвысоким вакуумом называют область
давлений
мм рт. ст., когда
нескольких минут.
Основные составляющие
воздуха, за исключением
H2O,
CO2 и
Xe, при
комнатной температуре - газы, они находятся при температуре
Т выше
критической
Ткр и не могут быть переведены в
конденсированное состояние повышением
давления. При
К все атмосферные газы, кроме H,
He,
Ne, переходят в
жидкое
состояние (таблица 2).
Таблица 2. Некоторые параметры
атмосферных газов при
p=10
5 Па (750
мм рт. ст.) и
T=273 К
Газ |
Tкр, К |
, (м)*108 |
, (м/с)*10-2 |
Число молекул, ударяющихся о поверхность N, (м-2с-1*10-27) |
Объем в сухом атмоферном воздухе, % |
H |
33,2 |
11,04 |
16,93 |
11,23 |
5*10-5 |
He |
5,23 |
17,53 |
12,01 |
7,969 |
5,2*10-4 |
Ne |
12,42 |
12,42 |
5,355 |
3,550 |
1,8*10-3 |
N2 |
126 |
5,99 |
4,542 |
3,011 |
78,08 |
O2 |
155 |
6,33 |
4,252 |
2,819 |
20,95 |
A |
151 |
6,20 |
3,805 |
2,523 |
0,93 |
CO2 |
304 |
3,88 |
3,624 |
2,403 |
0,033 |
K |
209 |
4,85 |
2,629 |
1,743 |
1,1*10-4 |
Xe |
290
|
3,47 |
2,099 |
1,392 |
8,7*10-6 |
Свойства газа в низком вакууме определяются частыми столкновениями между
молекулами газа, сопровождающимися обменом энергией. Поэтому течение
газа в низком вакууме носит вязкостный характер, а явления переноса
(теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) характеризуются плавным
изменением (или постоянством) градиента переносимой величины. Например, температура
газа в пространстве между горячей и холодной стенками в низком вакууме
изменяется постепенно, и температура газа у стенки близка к температуре стенки.
Условие равновесия для газа, находящегося в двух сообщающихся сосудах при
различных температурах, - равенство давлении в этих сосудах. При прохождении
электрического тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация молекул в
объеме между электродами.
В высоком вакууме поведение газа определяется столкновениями его молекул со
стенками или другими твердыми телами. Движение молекул между соударениями с
твердыми поверхностями происходит по прямолинейным траекториям
(молекулярный режим течения). Явления переноса характеризуются
возникновением скачка переносимой величины на границах: например, во всем
пространстве между горячей и холодной стенками примерно 1/2 молекул имеет
скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а остальные - скорость,
соответствующую температуре горячей стенки, то есть средняя температура газа во всем
пространство одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной
стенок. Количество переносимой величины (теплота) прямо пропорционально p.
Условие равновесия газа, находящегося в сообщающихся сосудах при различных
температурах: n1T1=n2T2, где n1 и n2 - концентрации
газа
в
сосудах.
Прохождение тока в высоком вакууме возможно в результате электронной эмиссии с
электродов. Ионизация молекул газа имеет существенное значение только в тех
случаях, когда длина свободного пробега электронов становится значительно
больше расстояния между электродами. Такое увеличение может быть
достигнуто при движении заряженных частиц но сложным траекториям, например в магнитном поле.
Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между
скоростью откачки и скоростью выделения газа в откачиваемом объеме.
Последнее может происходить за счет проникновения газа извне через течи,
сквозь толщу материала стенок путем диффузии, а также в результате
выделения газа, адсорбированного на стенках аппаратуры или растворенного в
них.