Степени вакуума
Степени вакуума
Введем основные понятия.
Натекание — проникновение газа внутрь вакуумной системы под действием перепада давления через неплотности и материалы вакуумной системы.
Газовыделение — самопроизвольное выделение газа или пара (т.е. сорбата) твердым телом или жидкостью (т.е. сорбентом). Различают адсорбцию — поверхностное поглощение и абсорбцию — объемное поглощение. Обратный процесс называют десорбцией.
Если мы рассмотрим земную атмосферу и ближайшее космическое пространство, то на поверхности Земли давление составляет 105 Па, а на высоте 100 км — уже Р < 10-2 Па. На высоте 1000 км относительное содержание газов (N2, О2 и др.) не отличается от приповерхностного, а давление пропорционально уменьшается (Р < 10-6 Па).
В интервале высот от 1000 до 10000 км (Р < 10-8 Па) азот и кислород находятся в диссоциированном (атомарном) состоянии, а на высотах свыше 10000 км остаточная атмосфера состоит в основном из легких газов — водорода и гелия, потоков элементарных частиц (электронов и протонов — так называемый «солнечный ветер»), пыли и микрометеоритов.
В межзвездном пространстве вакуум составляет 10-15 Па, в межгалактическом -10-27 Па, т.е. существуют области разного давления, что обусловлено силами тяготения.
Если взять гипотетическую вакуумную систему с минимальными газовыделением и натеканием, то путем охлаждения стенок и сорбции (осаждения) молекул на стенках при температуре жидкого гелия (-269 °С, или 4 К) теоретически можно получить вакуум с давлением 10-31 Па.
При температуре жидкого гелия (-269 °С, или 4 К) концентрация молекул газа составляет 3—10-11 м-3, т.е. за 3 года в объеме 1 м3 пролетает 1 молекула. При температуре жидкого азота (-196 °С, или 77 К) концентрация молекул составляет 3—10-8 м-3, что соответствует вакууму 10-12 Па. Таким образом, мы подошли к единицам измерения вакуума.
Число молекул (атомов) в единице объема (n) связано с давлением формулой.
где n — число молекул в 1 см3; Р — давление, мм рт. ст.; Т- температура, К.
Перевод единиц давления из одной системы в другую осуществляется по следующим соотношениям:
1 Па = 1 Н/м2 = 7,5006—10-3 мм рт. ст. = 10-5 бар = 10-2 мбар.
1 мм рт. ст. = 1 Торр = 133,322 Па = 1,3—102 Па = = 1,3—10-3 бар = 1,3 мбар.
1 бар = 105 Па = 750,06 мм рт. ст., 1 мбар = 102 Па = = 0,75006 мм рт. ст.
Степень вакуума характеризуется коэффициентом Кнудсена Kn, величина которого определяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента Сэф. Эффективными размерами могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора. Условно диапазон давлений в вакууме делят на 5 поддиапазонов:
-
1) низкий вакуум — средняя длина свободного пробега молекулы много меньше характерного размера сосуда: Л « Ьэф (105-102 Па), Kn < 5-10"3;
-
2) средний вакуум — Л ~ Рэф (102-10-1 Па), 5-10-3 < Kn < 1,5;
-
3) высокий вакуум — Л > Рэф (10-1-10-5 Па), Kn > 1,5;
-
4) сверхвысокий вакуум — Л » £эф, когда не происходит заметной сорбции газа на свободную поверхность (10-5-10-8 Па), Kn » 1,5;
-
5) космический вакуум — свыше 10-8 Па.