Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

Зависимость, изображенная на рисунке, позволяет сделать следующие выводы:

•на первом этапе вакуумной откачки удаляются молекулы, сорбированные в слоях, сильно удаленных от поверхности, и имеющие малую энергию связи с ней (поток газовыделения, в основ-

ном, состоит из молекул водорода, воды и углекислого газа);

•на втором этапе вакуумной откачки при включении подсистемы прогрева вакуумной камеры вначале происходит рост плотности потока газовыделения, так как удаляются не только адсорбированные на поверхности молекулы, но и молекулы, находящиеся на поверхности в хемосорбированном состоянии, а также начинается удаление абсорбированных в толще материала молекул и молекул, проникающих сквозь стенки вакуумных камер, а затем постепенно начинается снижение газовы-

деления (через 20 ч тренировки прекращается выделение молекул воды, через 75 ч – выделение молекул углекислого газа);

•на третьем этапе вакуумной откачки после выключения прогрева происходит стабилизация

удельной плотности потока газовыделения на уровне qуст .

Для непрогретых вакуумных систем характерно преобладание в спектре остаточных газов паров воды, для сверхвысоковакуумных систем – водорода и продуктов синтеза новых элементов на различных катализаторах, накаленных катодах (углекислый газ СО и легкие углеводороды типа метана

СН4).

Процессы десорбции молекул за счет косвенной передачи им тепла через материал поверхности могут быть интенсифицированы прямой передачей энергии сорбированным молекулам путем их бомбардировки, например, в тлеющем разряде в атмосфере аргона или электронным пучком (в вакуумной технике говорят об электронном душе), при этом можно снизить общее время получения требуемого вакуума в системе. В этом случае очистка внутренних поверхностей вакуумных систем напоминает процесс «вытрясывания и выбивания пыли» из ковров209.

Явления на обращенных в вакуум поверхностях вакуумной системы, определяющие наличие потоков уходящих в свободное состояние молекул (испарение, десорбция, газовыделение и натекание), в высоком и, особенно, в сверхвысоком вакууме определяют тот предел, который может быть достигнут при разрежении газа. По существу, эти явления, устанавливающие баланс между количеством удаляемых в единицу времени из системы молекул и поступающих в систему молекул, даже более важны, чем выбор насосов или выбор их расположения.

Именно поэтому в вакуумной технике электрофизических установок так много внимания уделяется вопросам:

•выбора материалов с минимальным давлением насыщенных паров, минимальной растворимостью газов, минимальной газопроницаемостью, минимальной шероховатостью, минимальной теплопроводностью, коррозионной устойчивостью;

•проектирования вакуумных систем и вносимых в них элементов конструкций, оптимизирующего величину площади поверхностей, обращенных в вакуум;

•очистки внутренних поверхностей (технология хранения, подготовки, очистки и обезгаживания вакуумных систем и их компонентов);

•технологии сборки вакуумных систем, выбора фланцевых соединений и методам их уплотне-

ний;

•поиска и устранения течей (автономно от вакуумной техники существуют техника и технология течеискания, необходимые во многих отраслях техники).

Величины потоков натекания молекул извне (через микротрещины, щели и другие отверстия в стенках камеры, через неплотности во фланцевых соединениях, в местах сварки) не зависят от степени вакуума в системе, поскольку молекулярная концентрация в атмосферном воздухе всегда на несколько порядков больше любой молекулярной концентрации в вакуумированной системе. Величины потоков натекания определяются размерами отверстий, расположение которых чаще всего случайно направлены потоки натекания обычно нормально к внутренней поверхности стенки, имеющей это отверстие.

Натекания, в том числе через некачественные уплотнения, неустранимы, поэтому принято говорить о минимизации величины этих потоков.

Ввакуумной технике минимальным потоком, который может быть измерен, считается поток210, равный 10–12 Вт (10–4 мол/с).

209Можно предположить, что будет изобретен «нанопылесос» для вакуумной очистки поверхности-ковра.

2101 Вт = 1 Дж/с = 1 Па · м3/с = 108 мол/с.

131

Для вакуумированных изделий, подлежащих длительному хранению, например, для ламп накаливания (давление, необходимое для работы устройства рраб = 10-2 Па) или для магнетронов211 (рраб =

= 10−3 Па), даже самая маленькая течь определяет время хранения изделия tхр: tхр = рабV, где Qнат –

нат

поток натекания; V – объем хранящегося устройства.

Вопросы контроля и поддержки

1.Что происходит с молекулами после их краткосрочного пребывания в адсорбционном поле поверхности?

2.Что такое радиус Ван-дер-Ваальса?

3.В чем главное различие физической формы сорбции и химической формы сорбции?

4.Каким образом при оценке толщины сорбированных слоев и размере «зазоров» между слоями можно использовать знание ван-дер-ваальсовского и ковалентного радиусов?

5.Что такое молекулярный монослой на поверхности?

6.Почему использование хемосорбции для откачки молекул в вакуумных системах представляется исключительно привлекательным решением?

7.Почему не каждая молекула, бомбардирующая поверхность, переходит в связанное состояние, несмотря на притяжение к поверхности?

8.Коэффициент аккомодации всегда меньше единицы. В каком случае он может стать равным единице?

9.Что определяет равновесие между сорбцией и десорбцией в вакуумных системах?

10.Каким образом нейтральная молекула превращается в диполь, взаимодействующий с поверхностями?

11.Перечислите стадии процесса напыления тонких пленок в вакуумных напылительных уста-

новках.

12.Что общего между вакуумными технологиями и нанотехнологиями?

13.Объясните процесс образования молекулярных полислоев на внутренних поверхностях вакуумной системы.

14.Перечислите возможные виды (не менее трех) вакуумных насосов, использующих явления сорбции свободных молекул.

15.Паули сказал: «God made solids, but surfaces were the work of the Devil». Поясните, что он имел в виду.

16.Что такое «чистая поверхность»? Почему она интересна исследователям поверхностных явлений и физикам-экспериментаторам?

17.Почему шероховатость поверхности изменяет рассматриваемые нами модели поверхности?

Вкаких аспектах?

18.Почему вакуумщики предпочитают использовать при создании вакуумных систем нержавеющую сталь?

19.Поясните принцип действия атомного силового микроскопа.

20.В чем сенсационность фотографии со словом IBM, выложенным атомами ксенона?

21.Что следует из утверждения: «Абсолютно герметичных систем не бывает – все вакуумные системы имеют течи»?

22.В каком смысле величины потоков газовой нагрузки в вакуумных системах (десорбции, газовыделения, натекания) являются относительными?

23.Почему в случае рассмотрения динамической вакуумной системы, то есть системы с работающим вакуумным насосом, проблемы равновесия сорбции-десорбции могут не рассматриваться?

24.Почему на кинетической кривой плотности потока газовыделения при длительной вакуумной температурной тренировке вакуумной системы имеется участок с ростом плотности потока?

211 Магнетрон – прибор, генерирующий электромагнитные волны СВЧ-диапазона.

132

ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗА

Изучение этого модуля позволит вам:

перейти от использования традиционных постулатов МКТ к постулатам теории разреженного газа, объединяющей теории низкого и высокого вакуума;

освоить категориально-понятийный аппарат специфичный для вакуумной техники;

анализировать проблемы, возникающие при откачке вакуумных систем;

оптимизировать выбор вакуумных насосов при разработке систем в зависимости от физических и (или) технологических задач;

оптимизировать выбор средств диагностики получаемого вакуума; проектировать вакуумные системы.

2.1. Основные концепции теории разреженного газа

Вакуумная техника имеет дело с молекулами газов, и, безусловно, ее теоретические основы относятся к молекулярной физике.

Развитие молекулярной физики привело к выделению из неё многих самостоятельных разделов: статистической физики, физической кинетики212, динамики разреженного газа213, физики твёрдого тела, физической химии, молекулярной биологии и др. На основе общих теоретических представлений молекулярной физики получили развитие: физика металлов, физика полимеров, физика ионизированного газа, физика плазмы, кристаллофизика, физика и химия дисперсных систем и поверхностных явлений, включая физику сорбции, теория массо- и теплопереноса и, конечно, физика вакуумной техники.

При всём различии объектов и методов исследования здесь сохраняется главная идея молекулярной физики – описание макроскопических свойств вещества на основе микроскопической (молекулярной) картины его строения.

Сегодня вакуумная техника для систематизации своих основных идей использует раздел молекулярной физики – молекулярно-кинетическую теорию газа (МКТ), которая формировалась в течение 260 лет: с 1614 г. (Ван Гельмонт) по 1874 г. (Д.И. Менделеев).

Система идей или принципов МКТ успешно используются в вакуумной технике. МКТ, будучи применяемой одновременно с рядом других теорий, например с теорией сорбции, теорией ионизированного газа, позволяет на достаточном для практики уровне обеспечивать описательно-прогности- ческую базу вакуумной техники.

Однако ряд концепций, принятых в МКТ, неадекватен физике вакуума и мешает пониманию процессов при изучении курса «Вакуумная техника» студентами, получившими хорошую подготовку по физике. К таким концепциям, в первую очередь, следует отнести:

1)представление молекул твердыми упругими шариками, равномерно распределенными в объеме, в котором заключен газ214;

2)неучет молекул, сорбированных на поверхностях215;

3)силовое воздействие молекул на поверхность216.

212Физическая кинетика (от греч. κίνησις – движение) – микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. В кинетике методами квантовой или классической статистической физики изучают процессы переноса энергии, импульса, заряда и вещества в различных физических системах.

213Динамика разреженных газов – раздел газовой динамики, изучающий явления, требующие учёта молекулярной структуры газа и, следовательно, привлечения представлений и методов кинетической теории газов. Классическая газовая динамика справедлива, когда число Кнудсена Kn << 1, то есть параметры газа слабо меняются на длине свободного пробега молекул (сплошная среда).

214Молекулы не являются «шариками», а представляют собой сложнейшие квантовые электромеханические структуры микромира.

215Поверхности, обращенные в вакуум, практически всегда закрыты полимолекулярными слоями сорбированных молекул, отстоящих друг от друга на расстояния, соответствующие радиусам Ван-дер-Ваальса.

216В физике давление вводится как величина, выраженная в паскалях – Па, численно равная силе, в ньютонах – Н, действующей на единицу площади поверхности тела (м2) по направления к нормали к этой поверх-

133

Кроме того, термины, заимствованные из МКТ, не всегда адекватны при описании разреженного газа в вакуумных системах, например, в части: изопроцессов; рассмотрения количества вещества в молях, распределения молекул газа по скоростям, установленного Максвеллом и справедливого при наличии парных столкновений хаотически движущихся молекул газа. Для высокого и тем более сверхвысокого вакуума можно говорить об остаточном газе как о «немаксвелловском».

Следует констатировать, что теория технического вакуума или теория разреженного газа как система основных идей и знаний, дающая целостное системное представление о закономерностях и существенных междисциплинарных связях вакуумной техники и являющаяся совокупностью обобщенных положений, характеризующих вакуумную технику как область прикладной самостоятельной науки, отсутствует.

Теория разреженного газа217 может выступить как форма синтетического знания, в границах которой отдельные понятия, гипотезы и законы вакуумной техники теряют прежнюю автономность и становятся элементами целостной системы описания разреженного газа, обеспечивающей креативность в сфере разработки оборудования и технологий.

Теория разреженного газа, как и любая другая теория, должна обладать рядом функций:

•фиксировать основные идеи разрежения газа218;

•обеспечивать «экспансию» вакуумной техники в сопредельные предметные и (или) дисциплинарные области;

•фиксировать совокупность профессиональных терминов, присущих именно вакуумной техни-

ке;

•формировать категориально-понятийный аппарат, обеспечивающий «сокращение», «сжатие» знания, увеличение информационной «емкости» используемых терминов;

•обеспечивать понимание, объяснение или прогнозирование различных процессов при разрежении газа.

Как было сказано во введении, согласно ввёденному Нильсом Бором принципу соответствия, МКТ газа, описывающая только низкий (грубый) вакуум, должна переходить в новую теорию, описывающую высокий и сверхвысокий вакуум, и которую можно рассматривать как предельный случай МКТ газа при достижении определенного разрежения. Назовем эту теорию теорией разреженного газа.

На рис. 2.1.1 предлагается вариант позиционирования теоретических представлений, используемых в вакуумной технике.

Рис. 2.1.1. Развитие теоретических представлений МКТ, используемых в вакуумной технике

По сути, неоформленная теория разреженного газа (вакуумной техники) давно существует, поэтому автор не претендует на научную новизну. Теория разреженного газа элегантно воплощена, например, в таком техническом решении, как молекулярные насосы Геде и (или) Зигбана219, в которых одна из стенок канала движется со сверхзвуковой скоростью, в результате чего при каждом втором взаимодействии со стенками канала максимальная вероятность отражения молекул определяется не

ности. Обращаем внимание на то, что сила не входит в число основных физических единиц в СИ. Сила в физике предполагает упругое парное взаимодействие, например «молекула – молекула» или «молекула – поверхность», что совершенно отсутствует при любой степени разрежения в газе.

217Автор считает, что польза от ее создания несомненна.

218Форвакуумная, грубая, начальная или предварительная и вспомогательная (при напуске рабочего газа, например, в ионных источниках) откачка вакуумных систем, основная откачка – высоко- и сверхвысоковакуумная откачка, обеспечивающая проведение технологических процессов.

219Подробнее см. 3-е издание учебника Л.Н. Розанова, с.173.

134

по нормали к поверхности, а по углу наклона суммарного вектора тепловых скоростей молекул и скорости движения элемента насоса. Также элегантно решен вопрос в магниторазрядных насосах, в которых на основе ячейки Пеннинга совмещены работа ионизатора молекул остаточного газа и работа сублиматора, распыляющего сорбент (геттер).

2.1.1. Постулаты или исходные положения теории разреженного газа

Постулат (лат. postulatum – требование) – принцип, положение, которое служит основанием для осуществления содержательных рассуждений и выводов в определенной сфере. Постулат в рамках теории принимается за истину и играет роль аксиомы. Постулаты теории разреженного газа формулируются на основе известных в вакуумной технике фактов, а также исходя из систематических или практических объяснений.

К постулатам теории разреженного газа следует отнести следующие утверждения:

1.Ансамбль молекул, объединяющий N молекул и заключенный в ограниченном объеме V (например, в объеме вакуумной камеры), является термодинамической системой и подчиняется законам термодинамики.

2.Параметры и характеристики ансамбля молекул при любом уровне разрежения могут быть рассмотрены с позиций термодинамики, в частности, давление рассматривается как удельная концен-

трация энергии в ограниченном объеме с размерностью Дж · м−3, поток газа как поток энергии, с размерностью Дж · с–1 = Вт.

3.Процесс откачки вакуумной системы сводится к уменьшению количества свободных молекул N в выделенном объеме.

4.В вакуумной системе абсолютный ноль давления не достижим, следует говорить о предельных значениях количества остаточных молекул N∞.

5.Предельное значение количества остаточных молекул определяется квазиравновесием между количествами молекул, покидающих вакуумную систему (или переходящих из свободного в связанное состояние) N– , и молекул, поступающих в вакуумную систему N+.

6.Не бывает абсолютно герметичных вакуумных систем.

7.Не бывает абсолютно чистых поверхностей, даже в том случае, если они обращены в вакуум.

8.Поскольку число молекул в вакуумной системе очень велико, все процессы в вакуумных системах являются вероятностными.

9.Все выводы и законы молекулярно-кинетической теории действительны до тех пор, пока разрежение недостаточно для рассмотрения независимых движений свободных молекул.

10.Теоретические обоснования процессов в низком и высоком вакууме различны, поскольку имеют различные физические основы.

11.При высоком разрежении движение молекул зависит только от результатов их взаимодействий с поверхностями.

12.Все вакуумные системы – динамические – с параметрами, изменяющимися во времени. Системы, включающие вакуумные насосы, являются системами с молекулярными потоками, в них существуют поля молекулярных концентраций, и дополнительной характеристикой таких систем является

функция n( , t).

13.Диагностические модели, используемые в настоящее время для описания заключенного в ограниченном объеме ансамбля молекул, не полностью адекватны физическим условиям в разреженном газе.

14.Теория разреженного газа должна состоять из двух частей, и это связано с различным характером движения молекул при разных степенях разрежения – движение переходит из вязкостномолекулярного при низком вакууме в свободно-молекулярное при высоком вакууме, что принципиально изменяет физическую картину.

15.Первую часть теории разреженного газа составляет теория низкого вакуума, в котором изучаются закономерности и возможности разрежения газа при давлениях в диапазоне от 105 до 10 Па, исследуются этапы и способы получения разрежения, способы диагностики процессов. Используемые в молекулярно-кинетической теории газа (МКТ) газовые законы, методы исследования газовой среды и физические принципы описания процессов в газах входят в качестве компонентов в теорию низкого вакуума.

Вторую часть теории разреженного газа составляет теория высокого вакуума, в котором изучаются закономерности и возможности разрежения газа при давлениях ниже 10 Па, исследуются этапы

135

и способы получения высокого разрежения, обсуждаются методы и средства диагностики ансамблей остаточных молекул.

16. Теория разреженного газа, описывающая высокий и сверхвысокий вакуум, рассматривается как предельный случай молекулярно-кинетической теории газа при квантово-статистическом рассмотрении процессов.

2)перенос молекул в зоне б;

3)сжатие (компрессию) газа и пара в зоне с до величины выпускного (обычно атмосферного)

давления рвып.

Водяной пар при достижении величины давления 2,3 · 103 Па сконденсируется в зоне с насоса и откачиваться не будет. Более того, вода из зоны с попадает в зону а, где вновь переходит в пар, и цикл повторяется, не позволяя получить давление на впуске насоса менее 2,3 · 103 Па.

Великий Геде решил эту проблему: в зону с насоса вводится балластный газ, давление которого таково, что при суммарном давлении в зоне с, равном атмосферному, давление водяного пара существенно меньше величины 2,3 · 103 Па. Именно так сегодня осуществляется осушение вакуумных систем, а все механические насосы низкого вакуума выпускаются с газобалластными клапанами.

2. Суммарная молекулярная концентрация в атмосферном воздухе составляет nатм = = 2,7 · 1025 мол · м–3. Считая, что эта концентрация соответствует давлению 105 Па, легко осуществить линейный переход к другой величине, если задано иное давление или иная концентрация (например, при давлении риное = 103 Па молекулярная концентрация nиное = (103 · 2,7 · 1025)/105, мол · м–3).

3.Уравнение состояния газа – термическое уравнение: F (p, V, T) = 0, где p – давление; V – объем, в котором находится газ; T – температура; pV – количество газа; pV = NkT.

4.Все промышленные насосы низкого вакуума дискретного типа действия. Быстрота действия насосов определяется как S = dV*/dt, м3 · с–1, dV* – элементарный объем, отсекаемый насосом в каждом цикле.

5.Захват и отсечка элементарного объема dV* происходит при использовании «механизма Аристотеля», описанного во введении: в пустоту, образующуюся за «улетающим камнем Аристотеля» (за ротором или струей), диффундируют новые и новые молекулы. Следующие за первым «камни Аристотеля» (лопатки ротора или молекулы струи) отсекают поступившие в объем dV* молекулы и проталкивают их дальше.

6.Поток количества газа Q определяется как Q = d (p ·V*)/dt, Вт, то есть как поток энергии. Поток количества газа может определяться как Q = p · S , Па · м3 · с–1.

7.Рассмотрение свободных молекул в вакуумной камере основывается на интегральной концепции сплошной среды, не учитывающей индивидуальные движения молекул и их индивидуальные энергии.

8.Равновесие по потокам молекул определяется равенством сил Fi , определяющих давления

Fi /Ai = pi, Н · м–2; p1 = p2.

9.Используется уравнение неразрывности потока: сколько в трубу газа входит, столько из неё и

выходит. Для установившейся струи (физически ограниченной трубой переменного сечения и формы

либо для «трубки тока», мысленно выделенной из более обширного потока газа) всегда выполняется закон постоянства потока газа: Q = p1S1 = p2S2, где p1 и р2 – давления газа в сечениях220 A1 иА2; S1 и

S2 – быстроты откачки газа в сечениях A1 иА2, прямо пропорциональные их величинам.

220 В вакуумной технике подобное сечение называется «условным проходом» и обозначается как Dу.

136

10.В экспериментальной низковакуумной технике используется один из законов МКТ – закон Бойля – Мариотта pV = const: квазиизотермическое сжатие221 отсеченного газа в компрессионных вакуумных насосах или манометрах (манометры Мак-Леода) с целью повысить давление газа в выпускной камере до атмосферного с целью его последующего шлюзования в атмосферу или с целью измерения давления путем его уравновешивания весом столбика ртути.

11.Все вакуумные насосы, в том числе и низковакуумные, характеризуются так называемым

коэффициентом компрессии kкомпр = рвып /рвпуск.. Для насоса, изображенного на рис. 2.1.2, kкомпр =104. Абсолютно объяснимо желание иметь насос с коэффициентом компрессии 1014, но таких насосов еще

не придумано.

12.Средняя длина свободного пробега молекул λ = 6,51 · 10–3/р, м, где размерность давления

р– Па. В низком вакууме длина свободного пробега сравнима с параметром разрежения Di – гипотетическим расстоянием между молекулами – и является главным параметром вакуума.

13.При возникновении, например в трубопроводе, потока газа Q происходит вязкостное сопротивление движению потока, связанное с торможением приповерхностных слоев газа стенками трубо-

провода (вязкостный режим течения газа). Q = U(pвх – pвых), где pвх и pвых –давления на входе и выходе трубопровода, соответственно; U – проводимость трубопровода.

14.Проводимость U круглого цилиндрического трубопровода с длиной L и диаметром D для

воздуха при температуре 293 К определяется как U = 1360D4 p/L, м3 · с–1, где L – длина трубопрово-

да, м; D – диаметр трубопровода, м; p – среднее давление по длине L: p = (pвх + pвых)/2, Па.

Таким образом, проводимость является многопараметрической функцией: конфигурации элемента вакуумной системы, сорта и температуры газа, координаты х вдоль длины элемента L и среднего давления <p>. Проводимости конкретных элементов определяются по эмпирическим номограммам, приведенным в справочниках по вакуумной технике (см., например, в кн.: Вакуумная техника:

Справочник, 2009, с. 51 – 63).

15.Поскольку поток постоянен, считаем Q = pвхSвх =

=U(pвх – pвых) = pвыхSвых. Если на выходе трубопровода установлен насос (рис. 2.1.3), то pвых= pнас, а Sвых = Sнас – быстрота действия насоса.

Для схемы, изображенной на рис. 2.1.3, можно запи-

сать основное уравнение вакуумной техники, которым называют выражение для определения скорости откачки

вакуумной системы: Sвх = U· Sнас/(U + Sнас) или вх = +

+нас.

16.При последовательном соединении нескольких

элементов с известными проводимостями Ui суммарная проводимость U∑ определяется из выраже-

ния 1/U∑ = ∑ .

17.При параллельном соединении нескольких элементов с известными проводимостями Ui суммарная проводимость U∑ определяется из выражения U∑ = ∑Ui. Для увеличения быстроты откачки системы и соответствующего уменьшения времени откачки в системах низкого вакуума часто применяется так называемая байпасная линия откачки – линия с большой пропускной способностью, временно подключаемая в параллель элементу системы с малой пропускной способностью.

18.Из-за наличия конечной проводимости элементов вакуум-

221В технике изо- и адиабатные процессы невозможны, тем более что задачей вакуумных систем является снижение энтропии газа в системе.

222Термины и определения, используемые при работе в условиях низкого вакуума, автор счел возможным взять из межгосударственного стандарта ГОСТ 2.796-95 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы вакуумных систем» и дополнить модными в наши дни безмасляными насосами. При компетентностном

137

• насосы низкого вакуума механические и струйные (из-за неудобств в применении иные варианты не рассматриваются). Механические вакуумные насосы всегда вращательные и объемные. К ним относятся: пластинчато-роторные, пластинчато-статорные, плунжерные насосы с масляным уплотнением; безмасляные механические вращательные насосы: винтовые, кулачковые, спиральные, двухроторные (насосы-воздуходувки Рутса); водокольцевые, эжекторные. Насосы низкого вакуума бывают одно- и двухступенчатые.

Компрессионные (компримирующие или сжимающие) насосы (см. рис. 2.1.2) всегда обору-

дуются газобалластными системами;

•вакуумметры прямого измерения: гидростатические – U-образные и компрессионные (МакЛеода), поршневые, мембранные (деформационные) и вакуумметры косвенного измерения: теплоэлектрические (термопарные и сопротивления), вязкостные и диффузионные;

•вакуумные камеры чугунные и стальные непрогреваемые;

•полимерные (витоновые) и резиновые уплотнительные элементы;

•быстроразъемные фланцевые соединения.

2.1.3.Постулаты теории высокого вакуума

1.Основным газом, с которого обычно начинается получение высокого вакуума, является многокомпонентный газ – атмосферный воздух, так как насосы низкого вакуума, осуществляющие предварительную откачку вакуумной системы, не изменяют состава газа.

2.Принято говорить о селективности откачки, в результате чего компонентный состав остаточного газа в высоком вакууме сильно отличается от состава атмосферного воздуха. Для разных насосов состав остаточного газа различен и является дополнительной характеристикой высоковакуумных систем, определяемой как тепловой скоростью молекул, так и их размерами и поляризуемостью. Если

вмасс-спектр остаточных газов нет молекулярных масс больше 44, то это означает хорошее качество насоса.

3.Проблемными газами для откачки в высоком вакууме являются легкие (водород и гелий) и инертные (в частности, аргон).

4. Молекулы газов, входящих в состав воздуха, имеют следующие характеристики: размеры от 0,22·10–9 до 0,49·10–9 м для одноатомных гелия и ксенона соответственно, и тепловые скорости от 1 700 до 212 м·с-1 для молекулярного водорода и одноатомного ксенона при 273 К соответственно.

5. В высоком вакууме уравнение состояния газа не имеет смысла, газ может быть описан кинетическим уравнением Больцмана для функции распределения молекул f ( , ,t) рассматриваемой в шестимерном пространстве – пространстве координат и скоростей:

df/dt = ∂f/∂t + f + /m·∂f/∂ = Iст .

6.Все механизмы откачки в высоком вакууме непрерывного типа, так как связаны с вероятностью попадания молекул либо на вход насоса, либо на предварительно нанесенный слой геттера.

7.Вводятся коэффициенты «вероятностного поведения» молекул в вакуумных системах223, например:

• коэффициент отражения, определяющий вероятность того, что упавшая на поверхность молекула после пребывания на ней время продолжительностью порядка периода колебаний атомов кристаллической решетки (10−12 – 10−13 с) покинет эту поверхность;

•коэффициент стимулированной десорбции, определяющий среднее число десорбируемых с поверхности молекул под действием упавших на неё ионов, электронов, фотонов или «быстрой» нейтральной молекулы;

•коэффициент прилипания, определяющий вероятность длительного (намного превышающего период колебаний атомов кристаллической решетки) удержания поверхностью упавшей на нее молекулы газа;

подходе к освоению учебного материала предполагается, что студент безошибочно ориентируется в профессиональной терминологии, сознавая ее значение для реализации системного подхода.

223 Коэффициенты вводятся с целью упрощения проведения оценок процессов, происходящих в высоком вакууме. Погрешность подобного упрощения невысока, что связано с большим числом молекул в вакуумной системе даже при высоком вакууме.

138

•коэффициент заполнения молекулами поверхности θ, который определяет степень загряз-

нения внутренних поверхностей вакуумных систем или количество слоев сорбированных молекул;

•коэффициент температурной аккомодации, определяющий уровень энергообмена между подлетающей к поверхности молекулой и поверхностью;

•коэффициент конденсации, определяющий вероятность длительного удержания монослоем сорбированных молекул упавшей на него молекулы того же сорта.

•коэффициент проводимости элемента вакуумной системы, определяющий вероятность пролета молекул в заданном направлении через рассматриваемый элемент вакуумной системы и равный отношению числа молекул, вылетающих из выходного отверстия данного элемента, к числу молекул, влетающих в его входное отверстие. Коэффициент проводимости численно равен коэффициенту Клаузинга kk;

•коэффициент обратного рассеяния, определяющий вероятность возврата молекул из рассматриваемого элемента (обычно насоса) и равный отношению числа молекул, вылетающих из его входного отверстия обратно, к числу влетающих туда молекул;

•коэффициент захвата, определяющий для ансамбля молекул вероятность быть поглощенными рассматриваемым элементом (обычно насосом) и численно равный отношению числа оставшихся

внем молекул к числу влетевших через его входное отверстие;

•коэффициент возврата, определяющий для ансамбля молекул вероятность после ряда соударений со стенками вернуться на тот участок поверхности, с которого они были эмитированы.

8.«Захват» молекул в режим высоковаку-

224 Для низкого вакуума мы говорили о потоке энергии d(pV)/dt, Дж · с–1, здесь речь идет о сохранении носителей энергии – молекул.

139

концентрации газа в сечениях Ai; Si – быстроты откачки газа в сечениях Ai, Si = переноса · Ai, м3 · с–1. Размерность потока, выраженного как nS, равна мол · с–1, то есть соответствует общепринятой раз-

мерности для потоков частиц в физике.

13. Величина потока молекул Q через элемент вакуумной системы в высоком вакууме определяется как произведение вероятности прямого прохода молекул (kk) на величину потока частиц попадающих на вход трубопровода Qвых: Q = kk · Qвх.

Обратный поток газа Qобр определяется как разность между потоками входящим и выходящим:

Qобр = Qвх – Qвых .

14. Предельное разрежение, обеспечиваемое высоковакуумным насосом, определяется выражением n∞= Qобр/Sнас, где за Qобр в этом случае принимается поток молекул, вылетающих из насоса. Для насосов, существующих на рынке высоковакуумного оборудования, n∞ обычно составляет величину 1013 мол· м-3, что соответствует величине 10−7 Па.

15.При возникновении потока газа в высоком вакууме, например в трубопроводе, из-за косинусного закона отражения молекул от поверхностей трубопровода возникает статистическое «сопротивлении» тракта движению молекул, и так же, как в низком вакууме, можно говорить о газоки-

нетической проводимости (пропускной способности) канала или элемента вакуумной системы

U. Существенным является то, что пропускная способность в высоком вакууме не зависит от давления.

16.Проводимость U круглого цилиндрического (диаметр D) трубопровода длиной L для воздуха при температуре 293 К определяется как225 U = 121D3 /L, м3 · с–1, где L – длина трубопровода, м; D –

18.Итоговые проводимости при последовательном или параллельном соединении нескольких элементов высоковакуумных систем определяются аналогично тому, как они определяются при соединении элементов низковакуумных систем.

19.В высоковакуумных системах существенны такие характеристики и параметры из теории сорбции, как потенциалы взаимодействия молекулы с поверхностью; время пребывания на поверхности в связанном состоянии; вероятность десорбции; коэффициенты температурной и (или) энергетической аккомодации.

20.Использование высоко- и сверхвысоковакуумных систем – практически единственный вариант создания «чистой поверхности».

21.Для высоковакуумных систем можно говорить о «химии вакуума», к которой относятся вопросы: селективного взаимодействия молекул остаточного газа с насосами и манометрами; образования ковалентных связей сорбируемыми молекулами; формирования масс-спектров остаточных газов.

22.Рассматриваются вакуумные свойства материалов, которые используются в вакуумных сис-

темах. Учитываются давление их насыщенных паров и поток удельного газовыделения qгазовыд, Вт · м–2, при рабочих давлениях и температурах.

23.При расчете пропускной способности элементов систем и полей молекулярных концентраций используется метод статистических испытаний – метод Монте-Карло.

24.Основным методом диагностики высоковакуумных систем является спектрометрия.

25.Давление как измеряемый параметр теряет смысл, измеряется либо полная, либо парциальная молекулярная концентрация в остаточном газе.

225 Эмпирическая формула, приводимая во всех справочных изданиях, относящихся к вакуумной технике.

140