Вакуум

(от латинского vacuum - пустота).

Среда, содержащая газ при давлениях существенно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между средней длиной свободного пробега молекул газа и размером d, характерным для каждого конкретного процесса или прибора. Таким размером могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т. и. Величина равна отношению средней скорости молекулы к числу Z столкновений, испытываемых ею за единицу времени: эту величину можно также выразить через диаметр молекулы d_m и число молекул n в единице объема:

(1)

(для электронов в 5-6 раз больше). В зависимости от величины отношения различают низкий (), средний (), высокий () вакуум. В низком вакууме преобладают столкновения молекул друг с другом, в высоком вакууме преобладают столкновения молекул со стенками камеры. В обычных вакуумных установках и приборах (d=10 см) низкому вакууму соответствуют давления р>10² Па (1 мм рт. ст.), среднему вакууму - от 10³ до 10^-1 Па l-10^-3 мм рт. ст.), высокому вакууму - р<10^-1 Па (10^-3 мм рт. ст.; табл. 1). В порах или каналах диаметром мкм высокому вакууму соответствует давление начиная с десятков и сотен мм рт. ст., а в камерах для имитации космического пространства (объемом в десятки м³) граница между средним и высоким вакуумом порядка 10^-5 мм рт. ст.
Табл. 1. Характеристики различных степеней вакуума ( см)

Диапазон давлений, Па (мм рт. ст.)	Вакуум
	низкий	средний	высокий	сверхвысокий
	105-133 (750-1)	133-1,33*10-1 (1-10-3)	1,33*10-1-1,33*10-3 (10-3-10-7)
Число молекул в 1 м3	1023-1022	1022-1019	1019-1016
Режим течения газа	вязкостный	переходный к молекулярному	молекулярный	молекулярный

Понятие сверхвысокого вакуума связывается не с величиной отношения , а со временем , необходимым для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твердого тела в вакууме, которое оценивается по формуле:

(2)

где - коэффициент захвата частицы поверхностью. Сверхвысоким вакуумом называют область давлений мм рт. ст., когда нескольких минут. Основные составляющие воздуха, за исключением H₂O, CO₂ и Xe, при комнатной температуре - газы, они находятся при температуре Т выше критической Т_кр и не могут быть переведены в конденсированное состояние повышением давления. При К все атмосферные газы, кроме H, He, Ne, переходят в жидкое состояние (таблица 2).
Таблица 2. Некоторые параметры атмосферных газов при p=10⁵ Па (750 мм рт. ст.) и T=273 К

Газ	Tкр, К	, (м)*108	, (м/с)*10-2	Число молекул, ударяющихся о поверхность N, (м-2с-1*10-27)	Объем в сухом атмоферном воздухе, %
H	33,2	11,04	16,93	11,23	5*10-5
He	5,23	17,53	12,01	7,969	5,2*10-4
Ne	12,42	12,42	5,355	3,550	1,8*10-3
N2	126	5,99	4,542	3,011	78,08
O2	155	6,33	4,252	2,819	20,95
A	151	6,20	3,805	2,523	0,93
CO2	304	3,88	3,624	2,403	0,033
K	209	4,85	2,629	1,743	1,1*10-4
Xe	290	3,47	2,099	1,392	8,7*10-6

Свойства газа в низком вакууме определяются частыми столкновениями между молекулами газа, сопровождающимися обменом энергией. Поэтому течение газа в низком вакууме носит вязкостный характер, а явления переноса (теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) характеризуются плавным изменением (или постоянством) градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между горячей и холодной стенками в низком вакууме изменяется постепенно, и температура газа у стенки близка к температуре стенки. Условие равновесия для газа, находящегося в двух сообщающихся сосудах при различных температурах, - равенство давлении в этих сосудах. При прохождении электрического тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация молекул в объеме между электродами.

В высоком вакууме поведение газа определяется столкновениями его молекул со стенками или другими твердыми телами. Движение молекул между соударениями с твердыми поверхностями происходит по прямолинейным траекториям (молекулярный режим течения). Явления переноса характеризуются возникновением скачка переносимой величины на границах: например, во всем пространстве между горячей и холодной стенками примерно 1/2 молекул имеет скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а остальные - скорость, соответствующую температуре горячей стенки, то есть средняя температура газа во всем пространство одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной стенок. Количество переносимой величины (теплота) прямо пропорционально p. Условие равновесия газа, находящегося в сообщающихся сосудах при различных температурах: n₁T₁=n₂T₂, где n₁ и n₂ - концентрации газа в сосудах. Прохождение тока в высоком вакууме возможно в результате электронной эмиссии с электродов. Ионизация молекул газа имеет существенное значение только в тех случаях, когда длина свободного пробега электронов становится значительно больше расстояния между электродами. Такое увеличение может быть достигнуто при движении заряженных частиц но сложным траекториям, например в магнитном поле.

Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между скоростью откачки и скоростью выделения газа в откачиваемом объеме. Последнее может происходить за счет проникновения газа извне через течи, сквозь толщу материала стенок путем диффузии, а также в результате выделения газа, адсорбированного на стенках аппаратуры или растворенного в них.