Физико-технические основы и методы получения и измерения вакуума.

Цель работы:

• изучение основных физико-технических принципов вакуумной откачки и измерения вакуума;

• изучение типовых элементов конструкций и аппаратурного обеспечения вакуумной техники;

• приобретение практического навыка работы на вакуумных постах с масляными средствами откачки.

1. Классификация вакуумных систем

Вакуумом (от лат. Vacuum – пустота) называют состояние газа или пара, находящегося при давлении ниже атмосферного.

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в системе СИ служит Паскаль (1 Па = 1 Н/м2). В практике вакуумных измерений широко используется другая внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133 Н/м2).

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины свободного пробега λ к характерному (определяющему) линейному размеру рассматриваемого элемента вакуумной системы. Это отношение называется числом Кнудсена (Кn) и оно положено в основу условного разделения степени вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий:

Диапазон низкого вакуумахарактеризуется давлением газа, при которых средняя длина свободного пробега молекул газа значительно меньше характерного линейного размера вакуумной системыL << λ . Низкому вакууму обычно соответствует область давлений 760 ÷ 1 мм.рт.ст.

Диапазон среднего вакуумахарактеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пробега соизмерима с линейным размером вакуумной системы (λ ≈L). Область давлений среднего вакуума 1 ÷ 10⁻³мм.рт.ст.

Диапазон высокого вакуумахарактеризуется давлением газа, при которых средняя длина свободного пробега много больше линейных размеров вакуумной системы (λ >>L). Область давлений высокого вакуума 10⁻³÷ 10⁻⁷мм.рт.ст.

Диапазон сверхвысокого вакуумахарактеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Принято считать, что этому диапазону соответствует область давлений 10⁻⁸÷ 10⁻¹²мм.рт.ст.

Зависимость средней длины свободного пробега молекул газа λот концентрации газовых молекул в вакуумном объеме определяется выражением

	,	(1)
где σ - эффективный диаметр молекул газа; n – концентрация газовых молекул.

Напомним, что взаимосвязь между давлением и концентрацией газа определяется выражением

	,	(2)
где Р– давление газа в вакуумной системе; n – концентрация газовых молекул; Т – температура газа.

Из выражений (1) и (2) следует, что, при постоянной температуре газа зависимость средней длины свободного пробега молекул газа λот давления газа в вакуумном объеме определяется выражением:

(3)

Частный случай выражения (3), характерный для воздушных сред вакуумных систем

(3а)

широко используется в практике проведения вакуумных исследований для определения параметра λ(см.) (приТ=300K и использования внесистемной единицы измерения давления - мм.рт.ст.).