Основные понятия о вакууме

Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного.

Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d.

Под d может приниматься 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.

Также вакуумом называют состояние газа, для которого средняя длина пробега его молекул сравнима с размерами сосуда или больше этих размеров.

Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. 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.

Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере.

Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, 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 уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме (10⁻⁵ Торр) (1000 молекул на 1 см³).

Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10⁻⁹ Торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10⁻³⁰ Торр и ниже (1 молекула на 1 см³). Встречается полное отсутствие молекул.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами.

Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры.

В небольших объёмах высокий вакуум получают путём химической связи молекул газа с поверхностью материала. Обычно такая реакция протекает при высоких температурах с материалом, как уже отмечено выше, называемым геттером.

Геттеры широко используются в электровакумных приборах для создания высокого вакуума и поддержания его в процессе эксплуатации приборов. В качестве испаряемого геттера чаще всего применяют барий, который нагревают и испаряют с помощью токов высокой частоты в злектровакуумном приборе после его отпайки от откачкивающего устройства. Осаждаясь на стенках, геттер образует плёнку, которая связывает оставшиеся после откачки молекулы газа. Налёт, образованный геттером, можно увидеть на стенках вакуумных ламп или кинескопов.

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:

– диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа,

– геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и

– криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство.

Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей.

Дата добавления: 2014-01-11