«Учебная страница» о вакууме

19.05.2023

Свойства разряжённых газов изучаются специальной областью физики, которая называется физикой вакуума. В её основе лежат несколько постулатов:

газ представляет собой совокупность молекул, находящихся в движении;
молекулы газа распределяются по скоростям, другими словами, одной и той же скоростью движения обладает одинаковое число молекул;
у молекул нет преимущественных направлений перемещения;
газ обладает температурой, которую можно назвать величиной, пропорциональной усреднённой кинетической энергии всех его молекул;
если молекула взаимодействует с поверхностью твёрдого тела, то она может адсорбироваться ей.

Если давление газа ниже атмосферного давления, такое его состояние принято называть вакуумом.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

Если давление газа значительно ниже атмосферного или весьма значительно ниже, то в таком случае говорят о высоком или сверхвысоком уровне вакуума.

Например, с увеличением расстояния от поверхности моря атмосферное давление уменьшается, и на больших высотах соответствует понятию высокого вакуума. С дальнейшим ростом расстояния от поверхности и выходом в космическое пространство мы уже сталкиваемся с понятием сверхвысокого вакуума.

В общем случае вариант высокого вакуума подразумевает такую концентрацию молекул в некоем сосуде, чтобы длина пробега молекулы в рамках этого сосуда без соударения с другими молекулами была больше размера этого сосуда. Такого типа вакуум обычно используют в разнообразных устройствах, где применяется электронный поток: электронных лампах и микроскопах, кинескопах, рентгеновских аппаратах.

Сверхвысокий вакуум нужен для получения очень чистых поверхностей, не содержащих адсорбированных газов, при этом чистота поверхности сохраняется тем дольше, чем выше вакуум в системе.

При наличии давления, близкого к атмосферному, вакуум определяют как разность атмосферного и абсолютного давления. При абсолютном давлении, которое отличается от атмосферного на два порядка и более, подобная разность остаётся неизменной и с её помощью уже нельзя измерять количество разряжённого газа. Поэтому при таких давлениях степени вакуума определяют уже абсолютным давлением газа. Если давление очень мало и его значение не может быть зафиксировано имеющимися приборами, то в этом случае в качестве характеризующего признака пользуются замером количества молекул газа на единицу объёма, так называемой молекулярной концентрацией газа.

Логически рассуждая, нетрудно понять, что идеальным вакуумом является полное отсутствие каких-либо газов или частиц вещества в некотором рассматриваемом объёме. Именно к этому и стремится вакуумная наука, однако такое состояние пока недостижимо и именно поэтому и говорят о степенях вакуума.

Важность вакуума

Многие отрасли науки критически зависят от получения высокого вакуума: физика твёрдого тела, физика плазмы, ядерная физика, физика космического пространства, а также сфера электроники.

Например, реализация электровакуумных приборов была бы невозможной, так как вакуум там является неотделимым элементом конструкции. Например, высокий вакуум используется в приёмно-усилительных и генераторных лампах, а низкий и средний вакуум применяется при производстве осветительных ламп.

Самые высокие требования к степени вакуума предъявляются в сфере производства электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных устройств. В то же время, например, при производстве полупроводниковых микросхем, вакуум не требуется, но вакуумные технологии применяются в области нанесения тонких плёнок, ионного травления, электронолитографии, где они позволяют получать элементы субмикронных размеров.

Важен вакуум и для металлургии, так как вакуумная плавка металлов позволяет избавить их от газов, вследствие чего металлы получают большую прочность, пластичность, вязкость.

Благодаря такой плавке можно получать не содержащие углерода сорта железа для использования в электродвигателях, а также медь с высокой электропроводностью.

Кроме того, вакуумное спекание применяется и в порошковой металлургии, с помощью чего получают спечённые порошки из таких металлов, как вольфрам и молибден, а также сталь высокого качества.

В вакуумной среде получают сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики, которые могут быть выращены с помощью кристаллизационных установок.

Вакуумная диффузионная сварка позволяет получать прочные соединения металлов, которые существенно отличаются по своим температурам плавления. Например, таким способом можно соединить керамику и металл, сталь и алюминий.

Широко используется также и электронно-лучевая сварка в вакууме.

В электротехнике вакуумная пропитка используется как один из самых экономичных методов производства трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов, кабелей.

Важен вакуум и в химической промышленности, где с его помощью происходит исследование осаждения газов и паров на поверхности катализаторов, осуществляется вакуумная сушка при производстве синтетических волокон, полиэтилена и органических растворителей.

Не осталась в стороне и оптическая промышленность: с помощью вакуумных процессов там изготавливаются различные защитные слои, интерференционные фильтры, просветлённая оптика, а также применяется вакуумное покрытие алюминием, которое заменило предыдущий вариант химического серебрения.

Своё применение вакуум нашёл и в пищевой индустрии, где применяется вымораживание и вакуумная сушка с целью долгосрочного консервирования продуктов. Кроме того, используется упаковка скоропортящихся продуктов в вакууме, что позволяет увеличить их сроки хранения, а также вакуумное опреснение воды.

С понижением давления температура кипения воды также понижается, и вода кипит уже не при 100°С, а гораздо ниже. Например, автором этой статьи в своё время применялся покупной вакуумный самогонный аппарат, где, если не изменяет память, вода кипела при 60°С, что позволяло уменьшить затраты на её нагрев, а также заготавливать продукты с минимальным температурным воздействием, в частности, сгущённое молоко. Причём уровень вакуума, создаваемый этим аппаратом, был весьма мал, так как для создания вакуума использовался поток воды и так называемый струйный насос, в котором поток воды увлекает за собой воздух, отсасывая его из ёмкости. Имеется подозрение, что если разряжать воздух до более высоких величин, например, с использованием вакуумного электрического насоса, вода сможет кипеть и при комнатной температуре. Но тут, конечно, требуется эксперимент…

Кстати говоря, с осознанием этого факта становится довольно забавным наблюдение за различными имеющимися в продаже самогонными аппаратами, которые требуют нагрева с постоянным риском взрыва сосуда, в то время как по идее они могли бы кипеть при комнатной температуре вообще без нагрева 🙂

Методы получения вакуума

▍ Механические методы

Среди механических методов создания вакуума выделяются различные насосы. Например, объёмные, которые производят откачку газов за счёт изменения объёма своей рабочей камеры: поршневой, жидкостно-кольцевой, ротационный.

Альтернативным типом выступают молекулярные насосы, которые работают за счёт принципа ускорения молекул с помощью придания им скорости с использованием твёрдой, жидкой или парообразной субстанции, движущейся с большой скоростью: диффузионные, эжекторные, водоструйные, с одинаковым и перпендикулярным движением откачивающей субстанции и газа.

Например, рассмотрим пароструйную откачку.

Картинка: «Вакуумная техника» — Л.Н.Розанов

Молекулы газа для откачки поступают через патрубок (1), после чего начинают взаимодействовать с паром, который движется с большими скоростями (вплоть до сверхзвуковой), что придаёт им скорость и они устремляются к насосу предварительного разрежения, подключённому к выходу (6). Далее в камере (3) происходит смешивание откачиваемого газа и пара, после чего смесь устремляется в запирающий канал (4), создающий сопротивление обратному току газа. В ходе своего дальнейшего движения смесь перемещается в камеру (5), содержащую охлаждаемые водой стенки, на которых происходит конденсация водяного пара и стекание сконденсированной воды через дренажную трубку (7), в то время как сжатый газ устремляется через выходной патрубок (6). Кстати говоря, описанный выше самогонный аппарат, с помощью которого автор этой статьи кипятил молоко и делал из него сгущёнку, действовал примерно по описанному выше принципу. Только в качестве пара использовался поток воды из крана.

▍ Физико-химические методы

В отличие от предыдущих механических методов, настоящие методы позволяют добиваться лучших показателей. Связано это с тем, что во время их работы не происходит загрязнения парами и частицами смазки и других герметизирующих жидкостей, что типично для механических насосов.

Например, ионные насосы осуществляют свою работу за счёт придания молекулам газа направленного движения под влиянием электрического поля.

Насосы, построенные на испарительном принципе, задействуют хемосорбцию — то есть поглощение газов поверхностью металлов, в качестве которых используют: Ti, Zr, Ta, Ba, Mo, W, Hf, Er.

В свою очередь, физическая адсорбция и конденсация производится с помощью криоадсорбционного и конденсационного типа насосов.

Ниже приведена сравнительная характеристика достигаемых разрежений с помощью насосов разных типов:

Картинка: «Вакуумная техника» — Л.Н.Розанов

Поиск течи

Получение вакуума — это только одна часть проблемы. Ещё необходимо этот вакуум сохранить, что может быть проблематично из-за течей, через которые в вакуумируемый объём поступает атмосферный воздух или иной окружающий газ. Для борьбы с этой проблемой используют ряд методов, перечисленных ниже.

Метод пробного газа: сначала в проверяемом объёме создаётся вакуум, после чего место, подозреваемое на наличие течи, начинает обдуваться пробным газом, который отличается от воздуха. Если в системе в этом месте есть течь, то газ начинает всасываться внутрь вакуумированного объёма, что обнаруживается изменением показаний вакуумметра или масс-cпектрометра, которые были настроены на этот пробный газ. Чтобы давление внутри вакуумированного объёма не повышалось, этот тестируемый объём должен находиться под непрерывной откачкой.

Метод высокочастотного разряда: электрод высокочастотного трансформатора подносится к предполагаемому месту протечки, которое обнаруживается по образованию направленного разряда (далее этот момент в литературе подробно не объясняется, я излагаю своё понимание — прим. автора статьи). Разряд появляется из-за того, что в месте, где происходит всасывание воздуха внутрь вакуумированного объёма, происходит понижение его давления, что вызывает улучшение условий возникновения электрического пробоя и в воздухе возникает разряд (видимо, подразумевается, что разряд возникает вне вакуумированного объёма, например, снаружи колбы — между колбой и электродом — прим. автора статьи).

Люминесцентный метод: проверяемую ёмкость на длительное время погружают в раствор люминофора. После извлечения ёмкости из люминофора, имеющиеся места течей легко детектируются ввиду того, что они выглядят как точки и полоски на очищенной поверхности в момент подсветки ртутно-кварцевыми лампами во время поиска, так как эти места остаются заполненными люминофором.

Радиоизотопный метод: испытуемые объекты выдерживаются некоторое время в атмосфере радиоактивного газа. После удаления газа и очистки поверхности излучение сохраняется только у негерметичных объектов.

Пузырьковый метод: испытуемый объём накачивается избыточным давлением и погружается в воду. Места течей обнаруживаются по наличию поднимающихся пузырьков.

Замер степени вакуума

▍ Ионизационные измерители

Большая часть приборов для измерения степени вакуума построена на принципе ионизации с помощью электронного удара и измерения силы тока образованных положительных ионов, которая представляет собой функцию от давления газа.

Ионизация с помощью электронного удара происходит, если электрон атома газа получает энергию, которая равна или превышает потенциальную энергию бесконечно удалённого электрона. Минимальная энергия, которая требуется, чтобы оторвать электрон от атома и удалить его на расстояние, где силы взаимодействия ядра и электрона исчезающе малы, определяется потенциалом ионизации этого газа.

Ниже приведён график эффективности ионизации:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Измерительные приборы, которые в своей основе имеют принцип ионизации, разделяются по способу осуществления ионизации:

вакуумметры, где ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых раскалённым или холодным катодом;
магнитные электроразрядные, где ионизация осуществляется в газовом разряде;
радиоизотопные, где ионизация осуществляется с применением альфа-, бета-частиц.

Вакуумметры, имеющие в своей основе ионизацию газа, состоят из первичного измерительного преобразователя, который подсоединяется для замера давлений к вакуумированному объёму, измерительного блока и кабеля, соединяющего измерительный блок и преобразователь.

Измерительный преобразователь представлен электронной лампой, у которой есть как минимум три электрода:

катод, который испускает электроны;
анод, который ускоряет электроны, предавая энергию, намного превышающую энергию ионизации газа;
коллектор, который собирает получившееся в результате ионизации ионы.

Ниже приведена картинка, которая показывает способы возможного включения преобразователя давления, из которых видно, что его сетка может выступать как в качестве коллектора, так и анода:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Основное преимущество, которым обладают ионизационные вакуумметры, заключается в том, что их выходной сигнал зависит от давления, то есть наблюдается линейность характеристики, поэтому выходная шкала в таком вакуумметре сразу градуируется в единицах давления, хотя может быть градуирована и в единицах силы тока.

Большинство вакуумметров имеет чувствительность, которая находится в пределах 9,03-0,3 1/Па, в то время как у отдельных типов, где могут использоваться электрические и магнитные поля, она может доходить до

$10^{7}$

1/Па.

▍ Магнитные электроразрядные измерители

Вакуумметры такого типа построены на принципе использования зависимости тока самостоятельного разряда между катодом и анодом электроразрядного преобразователя — от давления.

Самый простой такой преобразователь представляет собой систему из двух электродов: катода и анода, которые подключаются с использованием балластного сопротивления к источнику постоянного высокого напряжения.

Для такой системы существует определённый диапазон давлений, в котором, в зависимости от геометрии системы, напряжённости поля, материала самих электродов и типа газа при появлении свободной заряженной частицы возникает лавинообразно нарастающий самоподдерживающийся разряд, сила тока которого зависит от давления газа в системе.

В промышленном применении для увеличения чувствительности с помощью удлинения траектории электронов в разрядном промежутке используют магнитные поля.

Для промышленных целей были разработаны три типа магнитных электроразрядных преобразователей давления, которые показаны на картинке ниже:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Преобразователь Пеннинга (а) содержит анод, который может быть выполнен в виде проволочного кольца/прямоугольной рамки/цилиндра.

Внешний цилиндр содержит торцы, закрытые дисками, соединённые с катодом. Это сделано для того, чтобы предотвратить уход электронов и ионов из зоны разряда.

Магнетронный (б) и инверсно-магнетронный (в) представлены коаксиальными цилиндрами, где внешний цилиндр содержит диски, закрывающие его торцы, также для предотвращения ухода электронов и ионов из зоны разряда.

Магнитные электроразрядные вакуумметры отличаются тем, что у них практически отсутствуют фоновые токи, что позволяет производить ими замер давлений в большом диапазоне:
от

$10^{-11}$

до

$10^{2}$

Если сравнивать их с ионизационными вакуумметрами, то они имеют гораздо большую чувствительность, что даёт возможность уменьшить требования к усилителям и сопротивлению изоляции. Благодаря тому, что у них отсутствует раскалённый катод в преобразователе, не происходит пиролиз газа, и это позволяет применять их даже в криогенных системах.

Кроме того, они отличаются большей долговечностью, а также не требуют стабилизации электронного тока, что упрощает схему.

Однако у них есть и свои недостатки, среди которых можно назвать: нелинейность их характеристик, нестабильную работу при низких давлениях (не зажигается разряд), большую зависимость стабильности разряда от поверхности электродов, что приводит к существенным колебаниям разрядного тока, которые намного больше, если сравнивать с ионизационными вакуумметрами, что в конечном итоге даёт большую погрешность измерений.

Подытоживая, хочется сказать, что вакуум разных степеней прочно вошёл в нашу жизнь и используется во множестве отраслей, иной раз, весьма неожиданных для несведущего человека. Тем не менее, наличие в продаже доступных вакуумных электрических насосов позволяет каждому проводить свои эксперименты в этой области, например, по самостоятельному вакуумному напылению покрытий.