Вакуум (от лат. пустота)

Вакуум (от лат. vacuum ≈ пустота), состояние газа при давлениях значительно ниже атмосферного. Понятие В. применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве, например в космосе. Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного пробега l молекул (или атомов) и размером d, характерным для данного прибора или процесса. Такими размерами могут быть, например, расстояние между стенками вакуумного объёма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т.п. В зависимости от соотношения l и d различают: низкий В. (l << d), cpeдний В. (l ~ d), и высокий В. (l << d).

═ В вакуумных установках и приборах размером d ~ 10 см низкому В. соответствует область давлений выше 102 н/м2 (1 мм рт. ст.), среднему В. ≈ от 102 до 10-1 н/м2 (от 1 до 10-3 мм рт. ст.) и высокому В. ≈ ниже 0,1 н/м2 (10-8 мм рт. ст.). Область давлений ниже 10-6 н/м2 (10-8 мм рт. cm.) называют сверхвысоким В. Однако, например, в порах или каналах диаметром d ~ 1 мкм поведение газа соответствует высокому В. при давлениях, начиная с 103 н/м2 (десятки мм рт. ст.), а в камерах для имитации космического пространства, размеры которых достигают десятков метров, границей между средним и высоким В. считают давления 10-3 н/м2 (10-5 мм рт. ст.).

═ Наиболее высокая степень В., 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 (см. Адсорбция).

═ Свойства газа в условиях низкого В. определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (см. Вязкость). Его течение подчиняется законам аэродинамики (см. Аэродинамика разреженных газов). Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого В. характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком В. изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла (теплопроводность) или вещества (диффузия) 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 В. определяющую роль играет ионизация молекул газа (см. Электрический разряд в газе, Ионизация).

═ В высоком В. свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа). Явления переноса характеризуются возникновением скачка градиента переносимой величины на стенках; например, во всём пространстве между горячей и холодной стенками примерно половина молекул имеет скорость, соответствующую температуре холодной стенки, а другая половина ≈ скорость, соответствующую температуре горячей стенки, т. е. средняя температура газа во всём объёме одинакова и отлична от температуры как горячей, так и холодной стенок. Количество переносимого тепла, вещества и т.д. прямо пропорционально давлению газа. Давление газа, находящегося в сообщающихся сосудах, p1 и p2 при различных абсолютных температурах T1 и T2 определяется соотношением:

═ Прохождение тока в высоком В. возможно только в результате испускания (эмиссии) электронов и ионов электродами (см. Термоэлектронная эмиссия. Туннельная эмиссия. Вторичная электронная эмиссия, Фотоэлектронная эмиссия, Ионная эмиссия). Ионизация молекул газа здесь играет второстепенную роль. Она существенна в тех случаях, когда длина свободного пробега заряженных частиц искусственно увеличивается и становится значительно больше расстояния между электродами (см., например, Магнетрон, Магнитный электроразрядный манометр), или при их колебательном движении вокруг какого-либо электрода (см. Клистрон, Ионизационный манометр).

═ Свойства газа в среднем В. являются промежуточными между его свойствами в низком и высоком В.

═ Особенности сверхвысокого В. связаны уже не с соударениями частиц, а с др. процессами на поверхностях твёрдых тел, находящихся в В. Поверхность любого тела всегда покрыта тонким слоем газа, который может быть удалён нагревом (обезгаживание). 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. Удалённый слои газа 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 В., обратно пропорционально давлению. При давлении p = 10-4 н/м2 (10-6 мм рт. ст.) t = 1 сек, при др. 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 (так называемый коэффициент захвата равен 1). 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. Сверхвысокий В. определяется как такой В., в котором за время наблюдения не происходит существенного изменения свойств поверхности (первоначально свободной от газа) вследствие её взаимодействия с молекулами газа. О получении и применении В. см. Вакуумная техника, об измерении В. ≈ Вакуумметрия.

═ Лит. см. при ст. Вакуумная техника.

═ А. М. Родин.