ВАКУУМ

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>102 Па (1 мм рт. ст.), среднему вакууму - от 103 до 10-1 Па l-10-3 мм рт. ст.), высокому вакууму - р-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 м3) 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=105 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.