Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

го газа в вакуумных камерах приводит не только к упругому рассеиванию ускоряемых частиц на их ядрах (что определяет потери пучка и ухудшение радиационной обстановки на всем комплексе), но и возникновению фоновых взаимодействий, мешающих регистрации столкновений ядер свинца с протонами. Очевидно, что желательно удалить максимальное количество молекул газа из вакуумной ка-

меры. В точках столкновения – «местах встречи пучков» – предполагается обеспечение вакуума на уровне 10–12 Па.

Рис. В.3. Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (2009 г.)

27 апреля 2011 года на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров – 7 · 1032 см−2 · с−1. Предыдущий рекорд был установлен ускорителем Теватрон в 2010 г. Тогда светимость составила 4,02 · 1032 см−2 · с−1. Предполагается что столкновения протонных пучков будут происходить при суммарной энергии 7 ТэВ. Было принято решение продолжить работу коллайдера в 2012 году. Это, возможно, позволит открыть бозон Хиггса, а также набрать статистику, необходимую для других исследований. Также в 2012 году возможно повышение энергии пучков до 4 ТэВ.

Для практического обучения студентов специфике вакуумной техники электрофизических установок на кафедре ЭФУ МИФИ в 1974 – 1977 гг. была создана научно-образовательная лаборатория вакуумной техники13 (рис. В.4).

Опыт преподавания курса «Вакуумная техника и технология» и эксплуатация научнообразовательной лаборатории вакуумной техники в МИФИ показали, что, несмотря на хорошую базовую подготовку студентов-физиков, существует ряд принципиальных трудностей в усвоении ими специфических особенностей именно физики вакуума.

Таких, например, как:

•отсутствие «нуля» на шкале плотности (давления) для любых характеристик вакуумных элементов и процессов и необходимость работать с зависимостями в логарифмических или полулогарифмических шкалах из-за чрезвычайно широких диапазонов изменений измеряемых или наблюдаемых величин;

•весьма условное использование в вакуумной технике выводов и следствий молекулярнокинетической теории, в частности, исторически неверное употребление терминов: «давление», «из-

13 Вальднер О.А., Елисеев Р.Е., Шестак В.П. Новая лаборатория вакуумной техники. //Вестник высшей школы, № 4, 1978. С.10.

23

мерение давления» в отношении высоковакуумных систем14, что приводит к ряду несоответствий вакуумной и иных техник в отношении такой величины, как «погрешность измерения». В вакуумной технике погрешность измерения, равная 100 %, может не иметь губительных последствий. Кроме того, в природе нет эталона молекулярного давления, что ставит под сомнение всю процедуру измерений ввиду ее несоответствия строгим канонам метрологии15;

Рис. В.4. Научно-образовательная лаборатория вакуумной техники

(разработка МИФИ 1974 – 1977 гг., золотая медаль Выставки достижений народного хозяйства, 1980 г.)

Авторы: О.А. Вальднер, В.П. Шестак, Р.Е. Елисеев, Б.А. Соколов

•в сложившейся физике вакуума16 произошло смешение понятий «молекулярный поток», «поток молекул» и «поток откачки» – откачка молекул в вакуумных системах происходит исключительно в результате возникновения неизотропности статистического распределения молекул в ансамбле за счет появления «идеального статистического стока» для молекул в виде входа в вакуумный насос, установленного в определенном месте;

•молекула никогда не «касается» поверхности, чаще всего она не может подойти к поверхности ближе расстояния около 5 Å (0,5 нм)17, соответственно не существует упругих взаимодействий, нет прямой передачи энергии;

•на поверхности возможно образование полислоев сорбированных молекул в виде своеобразного «сэндвича», слои которого отстоят друг от друга на 5 Å и находятся в непрерывном движении. Именно эти слои за счет установления сорбционно-десорбционного квазиравновесия со свободными молекулами в вакуумной системе определяют предельно достижимые параметры вакуума.

Перечисленные особенности, будучи правильно понятыми, позволяют позиционировать вакуумную технику в ряду других курсов, изучаемых с целью формирования необходимых профессиональных компетенций для разработки и эксплуатации электрофизических установок, использующих вакуумные технологии.

Содержание данного пособия, сформировано исходя из критериев отбора необходимых и достаточных знаний, умений и компетенций, необходимых при подготовке физиков, дальнейшая работа которых практически всегда, в той или иной степени, будет связана с использованием вакуумных технологий.

Направления подготовки, в которых следует изучать вакуумную технику и в которых может быть использовано данное пособие, соответствуют более половине из списка 27 критических технологий России, утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г.

К авторскому замыслу относится желание передать студентам ощущение возможности развития каждой известной теории, вызвать у них желание не только понимать то, что сделали предшественники, но и творить лично!

В.3. Вакуум в нашей жизни

На рис. В.5 позиционируется известное понятие «вакуум» в принятых на сегодня концептуальных описаниях окружающего нас мира или, точнее, миров.

Рассмотрим масштабные соотношения пустоты, определяющей вакуум в каждом из миров.

14См., например, в кн.: Кузьмин В.В. Вакуумные измерения. М.: Изд-во стандартов, 1992. – 227 с.

15Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие для вузов. М.: Логос, 2000. С. 82.

16Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980. –

216 с.

171 Å = 10–10 м.

24

Пустота мегамира – мегавакуум: очень сильно разреженный газ – Мегамир – мир планет, пространство, заполненное межзвездным газом, электромагнитнызвезд и Галактик ми и другими излучениями, а также «космической пылью». Разли-

чают: межпланетный, межзвездный, Межгалактический «космический» вакуум. Основной измеряемый параметр – давление [Па]

Рис. В.5. В разных мирах вакуум – похожая, но «разная» пустота (человеку, живущему в масштабах макромира, невозможно представить себе масштабы разворачивающейся перед ним пустоты в каждом из миров)

Атом, входящий в состав твердого тела, во много раз меньше любого известного нам предмета (радиус Бора для атома водорода ~ 5 · 10–11 м), но во много раз больше ядра (~ 2,6 · 10–15 м), в котором

сконцентрировано почти все вещество атома. Если увеличить атом так, чтобы ядро стало иметь размеры макового зернышка18 (диаметр около одного миллиметра – 10–3 м), то размеры атома возрастут до нескольких десятков метров.

На расстоянии десятков метров от ядра – макового зернышка – будут находиться многократно увеличенные электроны – маковые зернышки (диаметр электронов ~ 5,6 · 10–15 м).

Мы получили, что линейный размер области физического вакуума (радиус) на четыре порядка превышает размеры и ядра, и электрона.

Таким образом, между электронами и ядром существует пространство, не заполненное вещест-

вом и называемое физическим вакуумом.

Под физическим вакуумом в современной ядерной физике – физике микромира – понимают полностью лишённое вещества19 пространство – пространство между ядрами атомов и электронной оболочкой атома как области вероятного местонахождения электронов. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределенности, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные элементарные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей20.

Предполагается, что физический вакуум является неисчерпаемым источником энергии21. По разным оценкам, плотность энергии только «электромагнитного слоя» физического вакуума составляет порядка 103 Дж/см3. Кроме того, существуют бозонный, кварк-глюонный, хигговский и, возможно, другие интерпретации слоев физического вакуума.

Мечты о получении практической пользы от физического вакуума еще далеки от воплощения. Подобные исследования очень дороги: например, проверка предсказаний суперструнных теорий на БАК является многолетним наднациональным проектом22 многих стран с миллиардным (в евро) годовым бюджетом.

18Аналогия – «модель маковых зернышек» − предложена американским физиком Р. Фейнманом Нобелевским лауреатом по физике (1965).

19Пустота – любимая тема философов и богословов.

20Чернин А.Д. Вакуум вокруг нас и во Вселенной. URL: http://ras.ru/digest/fdigestlist/ bulletin.aspx.

21Волков Ю.В. Нелинейная электродинамика. – 3-е изд. М.: Компания Спутник+, 2007. – 199 с.

22Другой пример: международная космическая станция (МКС) (англ. International Space Station, ISS) – пилотируемая орбитальная станция, используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс. МКС – совместный международный проект, стартовавший в 1993 г., в котором участвуют шестнадцать

25

Мир атомов является основой мира молекул, к которому относится и газ.

Газообразное состояние вещества, разреженного по отношению к состоянию при атмосферном давлении, называют техническим вакуумом. Таким образом, технический вакуум является межмолекулярным вакуумом.

Приняты следующие степени технического вакуума: низкий (грубый вакуум или форвакуум); средний и высокий; сверхвысокий. Поскольку технический вакуум используется в макромире, то существен вопрос размеров пространства или физических систем, в которых создается технический вакуум. От этих размеров зависят и качество вакуума, и стоимость его получения.

В техническом вакууме, считая теперь уже молекулы маковыми зернышками, имеем расстояние между молекулами, в принципе свободное от вещества, в сотни километров!!!

По аналогии с масштабными представлениями, использованными при рассмотрении физического вакуума, можно оценить масштаб «пустоты пространства» для технического вакуума. В газе при

атмосферном давлении и разрежении расстояние от молекулы до молекулы составляет от 3 · 10–7 до 5 · 10–2 м при среднем диаметре молекулы 5 · 10–10 м.

Между молекулами в техническом вакууме, так же как и в физическом вакууме, существует пространство, не заполненное веществом, пространство, линейный размер которого, в зависимости от разрежения, на 3 – 8 порядков превышает размеры отстоящих друг от друга молекул.

Технический вакуум заполнен быстродвижущимися отдельными атомами или молекулами, электромагнитными полями, фотонами и свободными электронами.

В природе некое подобие технического вакуума наблюдается в атмосфере Земли: в объеме 1 м3 вблизи земной поверхности содержится около 2,7 · 1025 молекул воздуха (что эквивалентно полному давлению – 105 Па), на высоте около 100 км, в нижних слоях термосферы, – приблизительно 1019 молекул (10–1 Па), на высоте 200 км, в ионосфере, – приблизительно 5 · 1015 молекул (10–5 Па) и, по расчетам, на высоте около 850 км – приблизительно 1012 молекул (10–8 Па).

Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление, в соответствии с барометрической формулой Больцмана23, уменьшалось бы в 10 раз на каждые 15 км высоты (хорошо изученное экспоненциальное снижение давления воздуха в атмосфере).

Формула Больцмана справедлива только до высоты 200 км, так как, во-первых, уменьшается сила тяжести, а во-вторых, в высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое, в частности, приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Во внешней оболочке атмосферы главными компонентами стано-

вятся самые легкие газы – водород и гелий.

Слой, в котором состояние газа можно называть высоким вакуумом, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км.

стран (в алфавитном порядке): Бельгия, Бразилия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Канада, Нидерланды, Норвегия, Россия, США, Франция, Швейцария, Швеция, Япония.

ном на высоте h, p0 – давление на нулевом уровне (h = h0), M – молярная масса газа, g – ускорение свободного падения.

26

ускорение (торможение) американских космических кораблей «Пионер», движущихся с 2009 г. к границам Солнечной системы24.

Для мегамира, по аналогии с «моделью маковых зернышек», получаем следующие соотношения: линейный размер межпланетного вакуумного пространства между Землей и Солнцем на четыре порядка превышает размер Земли, линейный размер межзвездного вакуума между Солнечной системой и центром Млечного Пути – нашей Галактики – на 11 порядков превышает размер Солнца.

Межпланетный вакуум заполнен в основном водородной и гелиевой плазмой, с огромной скоростью истекающей из солнечной короны и составляющей «солнечный ветер». В межпланетном вакууме в малом количестве имеются молекулы следующих газов: CH, OH, H2O, NH3, CH2O, а также другие органические и неорганические молекулы.

Средняя скорость «солнечного ветра», наблюдаемая на Земле, составляет 450 км · с–1, «солнечный ветер» ведёт себя аналогично сверхзвуковому потоку газа.

Плотность газа в межзвездном вакууме примерно 100 атомов в м–3, что по меркам земных вакуумных лабораторий25 является уже технически недостижимым вакуумом – 10–15 Па.

В межзвездном вакууме находится пыль, состоящая из частиц размером (1 · 10–4 – 3 · 10–6) см. Мелкие частицы состоят из Fe, SiO2, более крупные имеют частично графитовые ядра (возможно, с примесью железа), и оболочки из замерзших газов CH4, NH3, H2O и др. Межзвездный вакуум пронизан электромагнитными излучениями небесных тел. В его составе около 67 % водорода, 28 % гелия и лишь около 5 % приходится на все остальные элементы, наиболее представительными среди которых являются кислород, углерод и азот.

Межзвездное пространство заполнено также немногочисленными, но очень энергичными частицами «космических лучей» – электронами, протонами и ядрами некоторых элементов, движущимися почти со скоростью света. Их источником служат «взрывы сверхновых звезд».

10

lg p

Некоторые из этих частиц достигают поверхности Земли и являются единственными представителями межзвездного вещества, которые удается регистрировать. Об их наличии в космосе можно судить и косвенно – по характерному излучению.

На рис. В.7 сделана попытка проиллюстрировать наши знания о вакууме, измеряемом в паскалях. Оказывается, мы имеем представление о сравнительной шкале в 32 порядка.

Вся история вакуумной техники и технологий, с ней связанных, состоит из непрерывной и тяжелой борьбы за сверхвысокий и чистый вакуум в тесных и жестких рамках наземных условий.

24URL: http://globalscience.ru/article/read/321/

25Реализован в лаборатории (в зонах встречи пучков коллайдера в ЦЕРН) так называемый экстремальный вакуум 10-12 Па.

27

Каждый новый успех в этой области достигнут человеком вопреки земной природе, которая так боится пустоты. Стоимость современных установок для получения и использования сверхвысокого вакуума достигает величин, измеряемых миллионами долларов. А эксплуатация подобных систем обходится тем дороже, чем глубже получаемый вакуум и больше расходуется энергии.

Идея выноса вакуумных технологий в космос стала осуществляться последние 10 лет. Несколько лет назад в университете Хьюстона (США) были начаты космические эксперименты, реализующие идею «молекулярного экрана»: если в космическом пространстве на высоте 200 – 400 км (там, где летают орбитальные станции) будет с первой космической скоростью (7,9 км · с–1) двигаться экран – полированный диск из нержавеющей стали (рис. В.8), то в его кильватерной области образуется конусный след, практически лишенный вещества. С помощью молекулярного экрана можно по-

лучить такое разрежение, что появление одного атома кислорода (кислород – основной компонент газовой среды на высоте орбитального полета космических станций) на площадке в один квадратный дециметр придется ожидать миллион лет.

Давление за экраном будет определяться атомами гелия и водорода, а также веществом, испаряющимся с поверхности самого экрана. Для сравнения: в наземных сверхвысоковакуумных технологических установках с криогенными насосами достигается предельное разрежение в сотни и тысячи раз хуже, чем было практически получено в первых американских космических экспериментах с молекулярным экраном.

Оказывается, в IV в. до н.э. Аристотель примерно так выразил данную идею: пустота (вакуум) – это есть пространство, которое образуется в следе камня выпущенного из пращи, правда, она (пустота) моментально исчезает, поскольку сюда устремляются частицы из окружающего пространства…

Аристотелю надо было только закончить эту мысль: «…и если мы разгоним камень до скорости, сравнимой со скоростью всех частиц окружающей среды, то за ним в полете всегда будет существовать абсолютно пустое пространство

…», и тогда можно было бы считать Аристотеля автором способа получения сверхглубокого вакуу-

ма, который в том или ином варианте используется в современных вакуумных насосах! Вопрос заключается только в скорости заполнения пространства, очищенного от молекул при пролете камня, ротора, струи и т.п., новыми молекулами.

Все современные вакуумные насосы, кроме сорбционных, в той или иной степени используют, назовем его, «механизм Аристотеля» – роторы или струи в насосах играют роль камня из пращи, они механически освобождают пространство от молекул, чем обеспечивают последующее перемещение молекул на свободное место, т.е. создают поток газа в направлении откачки.

Несмотря на свой 100-летний возраст, вакуумная техника отнюдь не кажется устаревшей, несуразной и ненужной. Наоборот, во многом именно благодаря вакууму стало возможным проведение целого ряда сложнейших экспериментов, в результате которых были получены важные данные, в том числе о наночастицах.

Со времени своего первого появления вакуум регулярно преподносил людям один «подарок» за другим. Изучение свойств вакуума, в связи с появлением более новых объектов для исследования, стало сегодня не столь популярным занятием, но кое-какие эксперименты всё же проводятся. В частности, современные нанотехнологии в большой степени зиждутся на концепциях разреженного газа – субстанции, заполненной атомами и молекулами, именно поэтому вакуум является источником новых идей и изобретений. Без него уже невозможно представить нашу жизнь.

Автор далек от мысли объединения описаний «вакуумов разных миров», но то общее, что у них есть, – пустота, располагает к размышлению.

Читатель может самостоятельно найти соотношения известных и близких ему систем, например соотношение человеческого роста и диаметра такого мегаполиса, как Москва, составляет ~104, человеческого роста и диаметра Земли ~106 и т.д.

Совершенно очевидно одно – в случае использования или создания подобных пустот необходимо исключительно тщательное их моделирование, тщательное и адекватное, в том числе метрологическое, описание пустоты как объекта исследования или использования и, наконец, бесконечное совершенствование наших знаний о них.

28

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ ГАЗА

1.1. Газ – агрегатное состояние вещества

После изучения этого модуля вы:

уясните, что любой газ представляет собой систему не взаимодействующих друг с другом огромного числа «разных» молекул, описываемую газовыми законами, которые объединяются молекулярно-кинетической теорией газа;

поймете специфику газового состояния среди иных агрегатных состояний веществ, специфику, связанную с возможностью управляемого разрежения газов как среды, которую исследуют или используют для других исследований или процессов;

усвоите, что пары веществ и газы, по существу, неразличимы, поскольку и те и другие представляют собой системы свободных молекулы;

освоите выбор необходимого и (или) достаточного уровня описания газа в зависимости от поставленных целей; познакомитесь с точкой зрения автора, что при разрежении газа основной характери-

стикой газа является «молекулярная плотность», а не «давление».

1.1.1. Газ как система свободных молекул.

Уровни рассмотрения и варианты описания системы молекул

Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдых тел это отношение больше 1, для жидкостей приблизительно равно 1, а для газов меньше 1.

Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением плотности вещества или межмолекулярных расстояний в веществе r, от которых зависят силы межмолекулярных взаимодействий26.

Характер движения молекул в газах, твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структур и свойств. У твёрдых тел в кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности – дальним и ближним порядками. Ближним порядком называется упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными, а упорядоченность, проявляющаяся на неограниченно больших расстояниях, называется дальним порядком. В жидкостях и аморфных телах существует только ближний порядок – некоторая закономерность в расположении соседних атомов. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность, текучесть и сохранение жидкостями своего объёма. На больших расстояниях порядок «размывается» и постепенно переходит в «беспорядок», т.е. дальнего порядка в жидкости и аморфных телах нет.

В газе расположение молекулы (атома) в какой-либо точке пространства не зависит от расположения других молекул (атомов). Таким образом, для газов отсутствует понятие «упорядоченность». В газах межмолекулярные расстояния велики, взаимодействия молекул друг с другом настолько малы, что они движутся практически свободно, не сохраняя первоначальный объём, если он неограничен изначально.

Различие методологии и техники физических экспериментов при изучении веществ или их использовании в качестве среды для других исследований или процессов, в первую очередь определяют их агрегатное состояние или плотность.

Изменение агрегатного состояния – термодинамический процесс, называемый фазовым перехо-

дом.

26 Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения

Fпритяж ~ r-6 (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания Fотт ~ r–13. Межмолекулярные взаимодействия являются основой и сорбционных процессов.

29

При снижении плотности вещества, например за счет нагрева без ограничения объема, агрегатное состояние веществ изменяется: твердое тело превращается в жидкость (плавление) или пар (сублимация), жидкость – в пар (испарение), пар – в газ, газ – в разреженный газ или вакуум, разреженный газ – в плазму.

Если кривые равновесия между различными фазами однокомпонентного вещества построить на плоскости «давление p, температура T», то они разбивают эту плоскость на отдельные области

(рис. 1.1.1).

Жидкость

Пограничное газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паровой фазой, а образующийся из молекул вещества газ – паром этого вещества.

При относительно низких (не вакуумных) давлениях и высоких температурах свойства пара приближаются к свойствам идеального газа27. В разговорной речи под словом «пар» почти всегда понимают водяной пар, который, безусловно, является одним из самых вредных для вакуумной техники, но это не всегда верно: пар над любой поверхностью всегда, в первую очередь, образуется молекулами вещества этой поверхности. Самым вредным паром в вакуумной технике является пар углеводородных соединений типа СnНm. Например, термин «сухой насос» в вакуумной технике обозначает отсутствие в насосе масла. Вопрос только в том, какова величина давления или какова молекулярная концентрация этого пара? Принято говорить о давлении насыщенного пара – пара, находящегося в термодинамическом равновесии28 с поверхностью жидкости или твёрдого тела того же состава, что и пар.

Кривые на фазовой диаграмме однокомпонентного вещества сходятся в точке T, в которой могут сосуществовать в равновесии его три фазы. Эта точка называется тройной, например, тройная точка воды (точка равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах) имеет координаты 273,16 К (0 °C) и 1,01325 · 105 Па (атмосферное давление).

Кривая OT, соответствующая фазовому переходу первого рода или равновесию между твердой и газообразной фазами, называется кривой сублимации (десублимации). Граница между жидкой и газообразной фазой изображена кривой TK, называющейся кривой кипения (конденсации), которая начинается в тройной точке T и заканчивается в критической точке К. В критической точке исчезает различие в свойствах жидкой и газообразной фаз вещества.

Газ – единственное агрегатное состояние вещества, в котором плотность вещества в ограниченных объемах, например в вакуумных системах, может быть получена на заданном уровне и затем

27Идеальный газ – модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В условиях высокого вакуума модель неприменима.

28Термодинамическое равновесие определяется условием равенства количества испаряющихся Nисп и конденсирующихся молекул Nконд.

30