Вакуум, форвакуум (от лат. vacuum - пустота) - газовая среда, содержащая
газ при давлениях, существенно ниже атмосферного. Форвакуум - "предвакуум",
газовая среда с давлением газа ниже 5 мм ртутного столба. 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. п.
Величина 
равна отношению средней скорости молекулы 
к
числу Z столкновений, испытываемых ею за единицу времени: эту величину
можно также выразить через диаметр молекулы dМ и число
молекул п в единице объёма:
(для электронов 
в 5-6 раз больше).
В зависимости от величины
отлошения 
различают
низкий (
), средний
(
), высокий (
)
В. В низком В. преобладают столкновения молекул друг с другом, в высоком В.
преобладают столкновения молекул со стенками камеры. В обычных вакуумных установках
и приборах (d=10 CM) низкому вакууму соответствуют давления р>102
Па (1 мм рт, ст.), среднему В.- от 102 до 10-1 Па (1-10-3
мм рт. ст.), высокому вакууму - р<10-1 Па (10-3 мм
рт. ст.; табл. 1). В по-рах или каналах диам. ~1 мкм высокому В. соответствует
давление начиная с десятков и сотен мм рт. ст., а в камерах для имитации космич.
пространства (объёмом в десятки м3) граница между средним и высоким
вакуумом порядка 10-5 мм рт. ст.
где 
- коэф. захвата частицы поверхностью. Сверхвысоким В. наз. область давлений
р<10-8 мм рт. ст., когда 
>неск.
минут.
Tабл 1. - Характеристики
различных степеней вакуума (d~10
см)
|
|
||||||
|
низкий |
средний |
высокий |
сверхвысокий |
|||
|
Диапазон давлений,
Па (мм рт. ст.) |
105-
133 (750-1) |
133-1,33*10-1
(1-10-3) |
1,33*10-1-1,33*10-5
(10-3-10-7) |
"1,33*10-6
(10-8) |
||
|
Число молекул в
1 м3 |
1025-1022 |
1022-
1019 |
1019-1016 |
[1016 |
||
|
Режим течения газа |
Вязкостный |
Переходный к молекулярному |
Молекулярный |
Молекулярный |
||
Понятие сверхвысокого В.
связывается не с величиной отношения 
,
а со временем 
,
необходимым для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твёрдого
тела в В., к-рое оценивается по ф-ле:
Основные составляющие воздуха,
за исключением H2O, CO2 и Xe, при комнатной температуре -
газы, они находятся при температуре T выше критической Ткр
и не могут быть переведены в конденсир. состояние повышением давления. При Т<77
К все атм. газы, кроме H, Не, Ne, переходят в жидкое состояние (табл. 2).
Табл. 2.-Некоторые параметры
атмосферных газов при P=105 Па (750 мм рт. ст.) и Т=273 К
|
Газ |
Ткр,К |
|
|
Число молекул,
ударяющихся о поверхность N,(м-2с-1)*10-37 |
Объём в сухом атмосферном
воздухе, % |
||
|
H |
33,2 |
11,04 |
16,93 |
11,23 |
5*10-5 |
||
|
Не |
5,23 |
17,53 |
12,01 |
7,969 |
5,2*10-4 |
||
|
Ne |
12,42 |
12,42 |
5,355 |
3,550 |
1,8*10-2 |
||
|
N2 |
126 |
5,99 |
4,542 |
3,011 |
78,08 |
||
|
O2 |
155 |
6,33 |
4,252 |
2,819 |
20,95 |
||
|
А |
151 |
6,20 |
3,805 |
2,523 |
0,93 |
||
|
СО2 |
304 |
3,88 |
3,624 |
2,403 |
0,033 |
||
|
К |
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, внутр. трение, диффузия) характеризуются
плавным изменением (или постоянством) градиента переносимой величины. Напр.,
темп-pa газа в пространстве между горячей и холодной стенками в низком вакууме изменяется
постепенно, и темп-pa газа у стенки близка к температуре стенки. Условие равновесия
для газа, находящегося в двух сообщающихся сосудах при разл. темп-pax,- равенство
давлений в этих сосудах. При прохождении электрич. тока в низком вакууме определяющую
роль играет ионизация молекул в объёме между электродами.
В высоком вакууме поведение
газа определяется столкновениями его молекул со стенками или др. твёрдыми телами.
Движение молекул между соударениями с твёрдыми поверхностями происходит по прямолинейным
траекториям (молекулярный режим течения). Явления переноса характеризуются возникновением
скачка переносимой величины на границах: напр., во всём пространстве между горячей
и холодной стенками примерно 
молекул имеет скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а остальные
- скорость, соответствующую температуре горячей стенки, т. е. ср. темп-pa газа во
всём пространстве одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной
стенок. Кол-во переносимой величины (теплота) прямо пропорционально р. Условие
равновесия газа, находящегося в сообщающихся сосудах при разл. темп-pax: 
, где n1 и n2 - концентрации газа в сосудах.
Прохождение тока в высоком вакууме возможно в результате электронной эмиссии с электродов.
Ионизация молекул газа имеет существ. значение только в тех случаях, когда длина
свободного пробега электронов становится значительно больше расстояния между
электродами. Такое увеличение может быть достигнуто при движении заряж. частиц
по сложным траекториям, напр. в магн. поле.
Достигаемая степень разрежения
определяется равновесием между скоростью откачки и скоростью выделения газа
в откачиваемом объёме. Последнее может происходить за счёт проникновения газа
извне через течи, сквозь толщу материала стенок путём диффузии, а также в результате
выделения газа, адсорбированного на стенках аппаратуры или растворённого в них.
A. M. Родин, А. В. Дружинин.
|
|
 |
, (м)* 108
, (м/с)*10-2