1.1.6. Поняття про ступені вакууму

Багато фізичних процесів у вакуумі сильно залежать від співвідношення між кількістю взаємних зіткнень молекул і числом зіткнень молекул зі стінками вакуумної системи.

Частота зіткнень між молекулами К_м обернено пропорційна середній довжині вільного шляху К_м = V_ар /L.

Із загальної кількості зіткнень молекул зі стінками камери n· V_ар·F /4, які припадають на n·V – молекул, легко розрахувати середнє число зіткнень зі стінкою К_с, які відбуваються в одиницю часу на одну молекулу:

,

де F – площа поверхні стінок, які контактують з розрідженим газом; V – об’єм камери; d_еф = 4V/F – ефективний розмір вакуумної камери.

Для молекул газу всередині сферичної посудини діаметром Д ефективний розмір камери d_еф = 2Д/3, для труби нескінченної довжини з діаметром Д одержимо d_еф = Д , а для двох нескінченних паралельних поверхонь, розташованих на віддалі Д одна від іншої – d_еф = 2Д.

Співвідношення К_С /К_М називають критерієм Кнудсена

K_n = K_C /K_M = L / d_еф.

В залежності від значення безрозмірного критерію K_n розрізняють ступені вакууму: низький, середній і високий.

Під низьким вакуумом розуміють стан газу, при якому взаємні зіткнення між молекулами переважають над зіткненнями молекул газу зі стінками вакуумної камери.

Такий стан газу відповідає умові K_n << 1.

При цьому довжина вільного шляху молекул газу значно менша від розмірів вакуумної камери.

При напиленні в низькому вакуумі зіткнення молекул газу з молекулами розпилюваної речовини, не дають можливості одержати на стінках камери зображення екрана, який поставлений на шляху молекулярного пучка.

Середній вакуум – це стан газу, коли частоти зіткнень молекул одна з одною і з стінками вакуумної камери однакові, при цьому L  d_еф , а K_n  1.

Високий вакуум – це стан газу, при якому зіткнення молекул газу зі стінками переважають над взаємним зіткненням між молекулами газу.

При цьому K_n >> 1. Зображення на стінках вакуумної камери від екрана, який поставлений на шляху молекулярного пучка, одержується в цьому випадку чітким.

Під надвисоким вакуумом можна розуміти область високого вакууму, для якої частка поверхні, покритої адсорбованими газами, не перевищує заданої величини R₀.

Умова існування надвисокого вакууму: L / d_еф >> 1; Θ <R₀, де Θ – ступінь покриття поверхні молекулами газу.

Розділ 2. Фізичні процеси у вакуумі

1.2.1. В’язкість газів. Переніс тепла. Дифузія в газах

При переміщенні твердого тіла зі швидкістю V_п за рахунок передачі кількості руху молекулам газу виникає сила внутрішнього тертя.

В області низького вакууму сила тертя не залежить від тиску.

В області середнього вакууму сила тертя починає зменшуватись зі зниженням тиску.

Сила тертя в області високого вакууму пропорційна молекулярній концентрації або тиску газу.

Теплопередача в розріджених газах може відбуватись за рахунок трьох процесів: конвекції, теплопровідності і випромінювання.

Конвекційний теплообмін може бути або природним через дію гравітаційного поля на газ, який має різну густину внаслідок температурних градієнтів, або вимушеним при наявності газових потоків під час відкачки вакуумних камер.

В області середнього і високого вакууму роль конвекційного теплообміну в загальному балансі передачі тепла мала, і в розрахунках нею нехтують. При низькому вакуумі конвекційний теплообмін є основним способом теплопередачі.

Теплопровідність газу, як і в’язкість, не залежить від тиску в області низького вакууму і пропорційна тиску при високому вакуумі.

У високому вакуумі випромінювання є практично єдиним способом передачі тепла і не залежить від тиску газу.

Рівняння стаціонарної дифузії, згідно з першим законом Фіка, має вигляд:

P_П=,

де D – коефіцієнт дифузії; dn/dx – градієнт концентрації; P_П – густина потоку частинок в напрямку, протилежному градієнту концентрації.

P_П = ,

D_c = L·V_ар /2 – коефіцієнт самодифузії в низькому вакуумі або

D_c =.

Отже, коефіцієнт самодифузії в області низького вакууму обернено пропорційний тиску і збільшується з підвищенням температури газу.

Коефіцієнт самодифузії у високому вакуумі не залежить від тиску, прямо пропорційний і обернено пропорційний.