Рабочие основы вакуумной техники и физики поверхности

0
80

Для начала следует понять, что же значит концепция вакуум. В основной массе ситуации, так именуют обусловленный участок пространства, где степень давления ниже атмосферного. В свою очередность, атмосферное давление вычисляется в миллиметрах ртутного столба, обладая константой, определяющейся значением над уровнем моря и равноправной 760 мм рт. ст. либо единицей обыкновенной атмосферы. С целью замера уровня вакуума используются обозначения Topp или также в миллиметрах рт. ст., означающие похожие величины, 1 к 1. В теории, имеется представление полного вакуума, что обуславливает абсолютное неимение субстанции в закрытом пространстве, однако на практике, достигнуть такого рода совершенного вакуума неосуществимо.

Существует международная концепция замеров «СИ», в каковой давление обусловливается значением «паскаль», однако в вакуумной технике и измерении характеристик принято пользоваться только Topp либо мм рт. ст.

Развитие молекул в материи

Основы вакуумной техники и физики поверхности

Равно как и в любой иной измерительной концепции, имеется представление ступеней вакуума, что устанавливают и систематизируют свойства сдавленного пространства. В настоящий период термин «вакуум» применяется в абсолютно всех сферах, где используется давление, начиная с атмосферной степени и вплоть до сжатия, на 20 порядков меньше погодной. Для того чтобы было легче систематизировать оснащение и нужную степень давления в вакуумных режимах, его уровни делятся на ряд промежутков. Безусловно, это не четкие величины, а общее представление, любая из которой обладает собственным интервалом давления. Подобным образом, имеется сверхнизкий, маленький, большой и сверхвысокий вакуум.

В зависимости от вакуумного интервала определяется сфера применения и назначение такого давления:

  • Низкий вакуум. Необходим для осуществления перепадов давления и применяется для удержания и поднятия предметов, для обеспечения работы пневматических приводов транспортных машин, в качестве очистителей, на фильтрационных установках и формовочных машинах.
  • Средний вакуум. С его помощью удаляют активные газы составных элементов атмосферы. Используется: в лампах накаливания; в процессах плавления и спекания; на установках для вакуумной упаковки, инкапсуляции; в течеискателях; для удаления газа или его включений; при вакуумной сушке, дегазации, конденсации, морозильной сушке, дегидратаци, лиофильной сушки, импрегнации; в качестве уменьшителя передачи энергии; как тепловая изоляция, электрические виды изоляции, создание микро баланса в вакууме; проекция условий в космическом пространстве.
  • Высокий вакуум. Главной его задачей является исключение столкновений разного рода молекул между собой. Необходим для электронных и катодных лучевых трубок, кинескопов, фотоэлементов, фотоумножителей, рентгеновских трубок, ускорителей, накопителей, масс-спектрометров, установок для разделения изотопов, электронных микроскопов, сварки электронным лучом, в процессах нанесения покрытий испарением или металлизацией, для молекулярной дистилляции.
  • Сверхвысокий вакуум. Необходим для процессов очистки всевозможных поверхностей. Используется в дроблении, адгезии, эмиссионных исследованиях, испытаниях материалов для эксплуатации в ракетостроении.

В зависимости от степени давления вакуума разнятся физические явления, для характеристики которых необходимо обозначить определенные понятия, значения которых следующие:

  • Молекулярная концентрация. Этот показатель берется из единицы объема, который определяется средним числом молекул газа;
  • Средний отрезок беспрепятственного пути молекул газа. Это средняя длина пути, которую преодолевает молекула между парой последовательных столкновений с остальными молекулами;
  • Отрезок времени, за которое формируется мономолекулярный слой. Показатель высчитывается количеством времени, за которое на чистой поверхности обрабатываемого материала образовался слой газа, с толщиной в одну молекулу. Этот промежуток высчитывается соотношением чисел молекул, который нужен чтобы сформировать компактный мономолекулярный слой, а также тем, какая частота соударений молекулы с плоскостью материала.

При помощи указанных выше особенностей стало возможным обрисовать физико-химические процессы, которые характеризуют разные степени вакуумной среды:

  • Вакуум низкой и средней степени. Количество частиц газа, находящихся внутри замкнутого пространства при низком или среднем вакууме большое, по сравнению с количеством частиц, которые покрывают внутренние стенки вакуумной камеры. Благодаря этому, понижение уровня давления с помощью подкачки предназначается для изъятия ненужных частиц из газового облака. При таких условиях сжатия, величина давления находится в диапазоне от атмосферного да 1О-2 Topр.
  • Высокий вакуум. При таких условиях, процессы, описанные в разборе низкого и среднего вакуума полностью противоположны. Это означает, что молекулы газа здесь в большей степени оседают на стенках рабочей камеры, а не в пространстве. При этом, длина свободного движения молекул либо равна, либо может даже превышать размер замкнутого пространства. Такие большие расстояния образуются благодаря тому, что молекулы никогда не сталкиваются между собой. Высокий вакуум обеспечивает качественное удаление конкретных молекул из общего молекулярного состава газа. Что касаемо диапазона давления в высоком вакууме, то его значения достаточно широко распространяются и могут варьироваться от 1О-3 до 1О-7 Topр.
  • Сверхвысокий вакуум. При наличии такой степени вакуума временной отрезок, который необходим для формирования мономолекулярного слоя на поверхности возделываемых материалов практически идентичен времени, для осуществления той же процедуры при обычных лабораторных условиях, без наличия дополнительных опций в виде нагрева или ввода дополнительного газа. Благодаря этому стало возможным осуществлять подготовку и определять свойства поверхностей перед процессами формирования слоев адсорбированных газов. В независимости от включений в газовую среду, степень давления сверхвысокого вакуума варьируется в пределах от 1О-7 до 1О-15 Topр.

Масс-спектрометр Helix SFT

Характеристики различных типов газа

Вакуумом еще можно назвать газ низкого давления, физические законы и параметры которого лежат в основе создания вакуумных установок и систем. Если даже значения давления очень низкие, но оно используется в вакуумном оборудовании, то физические манипуляции, которые протекают в газах, зависят от общих газовых законов. В большинстве случаев, создание вакуумной среды нацелено на потребность понижения концентрата молекул газов либо уменьшение количества ударения данных частиц с внутренними стенками замкнутого пространства. Если рассмотреть газовые процессы внутри вакуумных систем по формулировкам законов идеальных газов, то это дает возможность более точно определять их параметры. А чтобы описать определенные обобщенные физические манипуляции систем разреженного воздуха, применяются понятия статического и динамического свойства газа.

Существуют определенные параметры состояния газов, которые можно описать, взяв любой образец газа. Чтобы выяснить, какое состояние имеет его молекулярный состав, необходимо оперировать всего лишь тремя параметрами из существующих четырех. Требуется определить давление, объем, температуру, а также количество молекул газа. Что касается параметра давления, то он обозначает силу, которая применяется газом для воздействия на единицу площади внутренней стенки вакуумной камеры. В международной системе «СИ» этот параметр исчисляется в паскалях либо ньютонах на единицу квадратного метра. Относительно вакуумной техники, измерение производится при помощи значений 1 mm рт. ст.=133 Па (1 Па=7,5 mm рт. ст.). Объемом является величина пространства, где находится вычисляемый газ. В большинстве случаев его мерой является объем самого герметичного резервуара. По системе «СИ» объем считается кубическими метрами, но так как газы способные иметь скорость потока и откачки, для более удобного его расчета используются литры. Параметр температуры газов при условии давления менее 1 Topp, в большинстве случаев выражается количеством температуры на поверхностях, к которым он прикасается. Интересен тот факт, что в большинстве вакуумных систем температура газа является комнатной. При составе формулы для определения состояния газа, температуру указывают в Кельвинах. Касаемо количества газа в замкнутом пространстве можно с уверенностью сказать, что он определяется в молях, которые обозначают число граmm газа либо любой другой среды, которая должна быть равной его массе молекул. Существует константа содержания молекул в молях: 6.О2 × 1О23 молекул. Если условно обозначить, что температура неважно какого газа О градусов, а его давление составляет 76О Topp, то он займет пространство равное 22.4 л. Вес одной части моля газа равен его массе молекул и исчисляется в граmmах. В параметрах расчета смеси газов существует еще одна константа, которая выражена в молярном объеме, а его показатель был установлен экспериментально и составил 22.414 л при условиях давления 76О Topp и температуре О градусов. Таким образом, зная постоянные значения моля любого газа, можно с легкостью определить молекулярную концентрацию любых объемов газа, при условии, что имеются значения температуры и давления. Для примера, можно рассчитать 1 смЗ воздуха под давлением 76О Topp и О градусов, он имеет в своем составе 2.7 х 1О19 молекул, а если его давление составит 1 Topp при той же температуре, то 1 смЗ воздуха будет иметь 3.54 х 1О16 молекул.

Кривые Пашена для различных газов

Законы для газа

Эти определения выражают соотношение между физическими характеристиками состояние газов (давления, объема, температуры и количества газа) постоянного значения одного из параметров. Газовые законы адекватные в случае с использованием идеального газа, где общий объем всего молекулярного состава не является значительным по отношению к объему газа, а также сила притяжения меж молекулами незначительна по соотношению с средней термической энергией их поверхности. Данные определения означают, что этот газ прибывает в газовой форме в условиях температуры, имеющей достаточно высокий уровень для реализации его конденсации. Среди газов, которые имеют свойство приближающие их к идеальным в условиях комнатной температуры можно отметить: 02, Ne, Ar, C0, H2 и N0. В газовых законах существуют определенные формулировки, основной перечень которых указан далее:

  • Закон Бойля. Осуществление давления на объемы pV. Буква P в данном случае обозначает давление газа, а V является его объемом и имеет постоянную константу по отношению этой массы газа при установленной температуре.
  • Закон Гей—Люссака. Показатель V/Т. В данном случае буква Т означает абсолютную температуру газа и имеют постоянную константу по отношению к данной массе газа в условиях постоянного давления.
  • Закон Авогадро. Вне зависимости от температуры и давления, в условиях которого находится определенный газ, его внутреннее количество молекул является неизменным. То есть, если взять два разных газа и создать им одинаковые условия в вакуумной среде, то они будут иметь одинаковое количество молекул.
  • Главная формула состояния идеального газа определяет зависимости меж давлением, объемом и температурой, для конкретной массы газа, а точнее теми характеристиками, которые нужны в качестве определения газового состояния: рV=МRT, где R — универсальная газовая константа этого газа; R=8.31 Дж/(моль х K) (62.4 Topp-л/(моль х K)); M — это количество молей в объеме V. Очень интересен тот факт, что такой закон можно применять и для других видов газа, который при условиях низкого давления будет вести себя как идеальный.
  • Закон парциального давления Дальтона. С его помощью определяется общий показатель давления, которое создается смесью газов, равняющихся количеству парциального давления, создаваемого отдельными элементами смесей. Что касаемо парциального давления, которое создается одним из компонентов газовой смеси, то он представляет из себя давление, создавшееся этим же элементом при условии, если бы он занял все пространство внутри вакуумной камеры.

Формулы для вывода значений по разным физическим законам