Физика вакуума

 

1.1.Основные термины и определения

 

Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление (разница между атмосферным и вакуумным). Вакуумная техника – прикладная наука, рассматривающая проблемы изучения и поддержания вакуума, а так же вопросы разработки конструирования и применение вакуумных систем и их элементов.

Вакуум бывает: низкий; средний; высокий; сверхвысокий.

Низкий и средний вакуум используются в осветительных приборах. Высокий – используется в приемно-усилительных генераторных лампах.

Сверхвысокий вакуум используется в металлургии (плавка и переплавка в вакууме) для получения различных сплавов, для получения сверхчистых веществ, полупроводников, диэлектриков и т. д.; кристаллизация (искусственные сапфиры); диффузионная сварка (для соединения деталей из металлов с сильно различающимися температурами плавления).

Химическая промышленность – вакуумные сушильные аппараты, вакуумные фильтры, кристаллизирующие вакуумные аппараты.

Электротехническая промышленность производство кабелей, электродвигателей с использованием вакуумной пропитки.

Оптическая промышленность – производство зеркал (вакуумное алюминирование), просветленная оптика, производство биноклей, очков и т. д.

Пищевая промышленность – вакуумные упаковки, доильные аппараты, пылесосы.

Транспорт – вакуумные усилители тормозных систем.

Медицина – производство и хранение медикаментов.

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновения молекул газа со стенками ограничивающего сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризуется отношением средней длины свободного пути молекул к характерному размеру сосуда. Это число называется числом Кнудсена.

 

,

 

где: – средняя длина свободного пути молекулы; l – характерный размер сосуда.

На основании числа Кнудсена идет деление по степеням вакуума. Степень вакуума определяется равновесным давлением, которое устанавливается в откачиваемом объеме под действием противоположных процессов, откачки газа насосом и поступления газа в объем за счет натекания через неплотности диффузионных и технологических газовыделений и проницаемости газа через стенки сосуда.

Низкий вакуум

Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно меньше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 10 до 100 МПа.

Средний вакуум

Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул приближенно равна характерному линейному размеру сосуда. Эта область давлений от 100 до 0,1 МПа.

Высокий вакуум

Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно больше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 0,1 до 10 МПа.

Сверхвысокий вакуум

Характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности первоначально свободной от абсорбирующего газа за время, существующее для рабочего процесса.

Газ – состояние вещества, при котором движение молекул практически неограниченно межмолекулярными силами и занимает весь объем.

Давление в точке газового пространства – отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения. Откачка – уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств поглощающих газ.

Время откачки – время необходимое для уменьшения давления в откачивающей системе насосом конкретного типа.

Остаточный газ – газ оставшийся после откачки в вакуумной системе.

Предельное остаточное давление – наименьшее давление, которое может быть достигнуто при конкретных устройств для откачки.

Форвакуум – вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.

Молекулярная концентрация – число молекул газа в единице объема.

Длина свободного пути молекулы – длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.

Средняя длина свободного пути молекулы – среднеарифметическое расстояние, которое молекула проходит между двумя последними столкновениями.

Диффузия газа – движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.

Коэффициент диффузии – отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентраций.

Вязкостное течение – течение газа в канале при условии, когда длина свободного пути молекулы очень мала по сравнению с наименьшим поперечным сечением канала.

Температурная транспирация – течение газа между соединенными сосудами.

Поток молекул – число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени. Плотность потока молекул – отношение результирующего потока молекул к поверхности, которую он пересекает.

Результирующий поток молекул – отношение потока молекул определенного разностью между числом молекул пересекающих поверхность за данный интервал температуры в заданном направлении и числом молекул через эту поверхность в обратном направлении к этому времени.

Массовый поток газа – масса газа пресекающего определенную поверхность за единицу времени.

Проводимость – отношение потока к разности средних давлений в двух сечениях потока при изотермическом равновесии. Сопротивление величина обратная проводимости.

Сорбция – поглощение газа или пара твердым веществом или жидкостью. Десорбция-обратный процесс.

Коэффициент аккомодации – отношение средней энергии реально передаваемой поверхности налетающими частицами средней энергии, которая может быть передана в случае достижения полного теплового равновесия.

Частота столкновений – отношение числа сталкивающихся с поверхностью молекул в заданный интервал времени к этому интервалу и площади поверхности.

Скорость прилипания – число молекул, сорбированных на единице площади поверхности в единицу времени.

Время удерживания – среднее время, в течении которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.

Миграция – движение молекулы на поверхности.

Газовыделение – самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.

Обезгаживание – принудительное удаление газа из материала.

Проницаемость твердой перегородки – отношение потока газа через перегородку к потоку через тоже течение при отсутствии перегородки является функцией давления по обе стороны перегородки и ее структуры.

Коэффициент проницаемости – отношение произведения проницаемости на толщину перегородки к ее площади.

Натекание – проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый сосуд.