Технический вакуум и способы его получения.

Вакуум 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 технике и прикладной физике под словом вакуум понимается пространство, содержащее газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Обычно техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр) говорят о достижении низкого вакуума (при этом в каждом кубическом сантиметре оказывается примерно 10¹⁶ молекул).

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.

Наиболее высокая степень вакуума, достигаемая существующими методами, соответствует давлениям 10^-13—10^-14 н/м² (10^-15—10^{-16 мм рт. ст.}). При этом в 1 см³ объёма остаётся всего несколько десятков молекул. Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между скоростью откачки газа и скоростью его поступления в откачиваемый объём. Поступление может происходить за счёт проникновения газа в вакуумную камеру извне через микроскопические отверстия (течи), а также в результате выделения газа, адсорбированного стенками или растворённого в них.

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 вакуумной электронике используют технический вакуум с очень низким остаточным давлением 10^-11—10^-12 н/м². Такой вакуум называют сверхвысоким.

Особенности сверхвысокого вакуума связаны уже не с соударениями частиц, а с другими процессами на поверхностях твёрдых тел, находящихся в вакууме. Поверхность любого тела всегда покрыта тонким слоем газа, который может быть удалён нагревом. После этого поверхностные свойства тел резко изменяются: сильно увеличивается коэффициент трения, в ряде случаев становится возможной сварка материалов даже при комнатной температуре и т.д. Слой газа, удалённый с поверхности твердого тела посредством его нагрева, постепенно восстанавливается в результате адсорбции молекул газа, бомбардирующих поверхность, что сопровождается изменением её поверхностных свойств. Для изменения этих свойств достаточно образования мономолекулярного слоя газа. Время t, необходимое для образования такого слоя в вакууме, обратно пропорционально давлению. При давлении p = 10^-4 н/м² (10^{-6 мм рт. ст}.) время t равно 1 сек, при других давлениях время t (сек) может оцениваться по формуле: t = 10^-6 _* р, где р — давление в мм рт. ст. (или по формуле t = 10^-4 _* р), где р — давление в н/м². Эти формулы справедливы, если каждая молекула газа, ударяющаяся о поверхность, остаётся на ней (т.е., при коэффициенте захвата равном единице). В ряде случаев коэффициент захвата меньше 1 и тогда время образования мономолекулярного слоя соответственно увеличивается. При р < 10^-6 н/м² (10^{-8 мм рт. ст.}) образование мономолекулярного слоя газа происходит за время, превышающее несколько мин. Сверхвысоким называют такой вакуум, в котором за время наблюдения не происходит существенного изменения свойств поверхности (первоначально свободной от газа) вследствие её взаимодействия с молекулами газа.

Технический вакуум в приборах вакуумной электроники (радиолампах, магнетронах, электронно-лучевых трубках и т.п.) 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.

Рассмотрим способы получения технического вакуума.

Для достижения вакуума 8 – 10 мм рт. ст. применяют различные типы ротационных или золотниковых масляных насосов. Принципиальная схема такого насоса показана на рис. 1. В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор 2, вращающийся по направлению стрелки. Размер ротора меньше, чем размер внутренней полости корпуса. По его диаметру сделана прорезь, в которую вставлены две металлические пластинки 3, прижимаемые спиральной пружиной к внутренней стенке корпуса и скользящие по ней. По маслопроводу 8 масло (веретенное, марки M) вытекает в зазор 9. Масло, с одной стороны, служит смазкой поверхности скольжения, а с другой — играет важную роль, заполняя вредное пространство над пластинками 5, между корпусом и ротором. При вращении ротора через канал 4 остатки газов всасываются в пространство 6. Захваченный газ сжимается пластинкой 3 и через клапаны 5 и 7 удаляется из системы. Этот цикл повторяется при каждом обороте ротора. Таким образом, создается вакуум, величина которого может достигать порядка 10^-2 – 10^{-3 мм}. рт. ст.

Работа с насосами описываемого типа требует постоянного наблюдения, так как при внезапной остановке насоса вследствие прекращения подачи электроэнергии, срыва ремня и других причин масло из насоса может переброситься в откачиваемое пространство.

Рис. 1. Схема устройства ротационного (золотникового) вакуумного насоса:

1 – цилиндрический корпус, 2 – ротор, 3 – металлические пластинки, 4 – канал, 5 и 7 – клапаны, 6 – пространство, 8 – маслопровод, 9 – зазор.

Чтобы избежать подобных аварий, между насосом и вакуумной установкой помещают автоматически запирающийся клапан, а между ним и установкой — ловушку для пены, которую нужно ставить ближе к клапану.

На работу масляного насоса в большой степени влияет качество используемого масла: оно не должно содержать даже малолетучих примесей. Кроме того, нередко отсасываемый воздух или другой газ могут содержать пары воды или иных примесей. Водяные пары во время сжатия газа конденсируются еще до достижения атмосферного давления и в результате образуется масляно-водяная эмульсия. Из эмульсии вода снова испаряется. Для предотвращения этого в насосах применяется особое приспособление – «газовый балласт». Конденсация паров воды в отсасываемом воздухе предотвращается или уменьшается, если в пространство во время фазы сжатия вводить атмосферный воздух.