Вакуум технический (основные характеристики)
Лекция 1.
Основные свойства вакуума, плазмы и твердого тела.
Вакуум технический (основные характеристики)
Вакуум (от лат. vacuum - пустота) означает пространство, свободное от вещества. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
В технике и прикладной физике под словом вакуум понимается пространство, содержащее газ при давлениях значительно ниже атмосферного. В физике понятие вакуума более фундаментальное. Поэтому принято различать технический вакуум и физический вакуум.
В качестве одной из характеристик технического вакуума часто рассматривается соотношение между длиной свободного пробега молекул газа (λ) и характерным размером среды (d). В таком подходе под d понимается расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий ((λ/d)<< 1), средний ((λ/d)~ 1) и высокий ((λ/d)>> 1) вакуум.
В другом подходе, при описании параметров различных технических установок и устройств, уровень вакуума определяют по давлению в среде. По этому признаку низкому техническому вакууму обычно соответствуют давления выше 100 Па, среднему - от 100 до 0,1 Па, высокому - от 0,1 до 10 мкПа. Область еще более низких давлений относят к сверхвысокому вакууму. Однако, при определении уровня вакуума в некотором объеме по давлению всегда следует оговаривать расстояния между стенками рассматриваемого пространства. Так например, в вакуумных установках и приборах размером d = 10 см низкому вакууму соответствует область давлений выше 102 н/м2 (1 мм рт. ст.), среднему вакууму — от 102 до 10-1 н/м2 (от 1 до 10-3 мм рт. ст.) и высокому вакууму — ниже 0,1 н/м2 (10-8 мм рт. ст.). Для указанных объемов область давлений ниже 10-6 н/м2 (10-8 мм рт. cm.) обычно называют сверхвысоким вакуумом. Но, например, в порах или каналах диаметром d = 1 мкм поведение газа соответствует высокому вакууму при давлениях, начиная с 103 н/м2 (десятки мм рт. ст.), поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
Свойства газа в условиях низкого вакуума определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (вязкостью). Его течение подчиняется законам аэродинамики. Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого вакуума характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком вакууме изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла или вещества не зависит от давления. Если газ находится в двух сообщающихся сосудах при различных температурах, то при равновесии давления в этих сосудах равны. При прохождении тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация молекул газа.
В высоком вакууме свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа).
Прохождение тока в высоком вакууме возможно только в результате испускания (эмиссии) электронов и ионов электродами. Электроны как носители заряда могут возникать в вакууме в результате термоэлектронной, туннельной, фторичной или фотоэлектронной эмиссии. Ионы можно получить в процессах ионной эмиссии. Ионизация молекул газа в электрическом поле здесь играет второстепенную роль.
Свойства газа в среднем вакууме являются промежуточными между его свойствами в низком и высоком вакууме.
Технический вакуум получают с помощью специальных насосов (вакуумных насосов). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При (λ/d)>> 1 молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10−5 торр) (1011 молекул на 1 см³). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10−9 торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже давления, которое в технике принято называть сверхвысоким вакуумом. Например, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10−16 торр и ниже (1 молекула на 1 см³).
Для поглощения газов и создания глубокого вакуума используются геттеры. Более широкий термин «вакуумная техника» включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д.
Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например, в пористый титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое количество носителей тепла (газ фононов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами. Тем не менее вакуум является лучшим теплоизолятором. Перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения. Конвекции и теплопроводности в вакууме нет. Это свойство вакуума используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), представляющих собой ёмкость с двойными стенками, пространство между которыми эвакуировано.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах – радиолампах, магнетронах, электронно-лучевых трубках и т.п.
Приборы, используемые для измерения низких давлений, называются вакуумметрами.