§ 49.  Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов

Если из сосуда откачивать газ, то по мере понижения давления число столкновений молекул друг с другом уменьшается, что приводит к увеличению их длины свобод­ного пробега. При достаточно большом разрежении столкновения между молеку­лами относительно редки, поэтому основ­ную роль играют столкновения молекул со стенками сосуда. Вакуумом называется состояние газа, при котором средняя дли­на свободного пробега <l> сравнима или больше характерного линейного размера d сосуда, в котором газ находится. В за­висимости от соотношения <l> и d разли­чают низкий (<l><<d), средний (<l>£d), высокий ( <l>>d) и сверхвысокий (<l>>> d) вакуум. Газ в состоянии высокого вакуума называется ультраразреженным.

Вопросы создания вакуума имеют большое значение в технике, так как, на­пример, во многих современных электрон­ных приборах используются электронные пучки, формирование которых возможно лишь в условиях вакуума. Для получения различных степеней разрежения применя­ются вакуумные насосы. В настоящее вре­мя применяются вакуумные насосы, по­зволяющие получить предварительное разрежение (форвакуум) до »0,13 Па, а также вакуумные насосы и лаборатор­ные приспособления, позволяющие полу­чить давление до 13,3 мкПа—1,ЗЗпПа (10^-7 — 10^-14мм рт. ст.).

Принцип работы форвакуумного на­соса представлен на рис. 72. Внутри ци­линдрической полости корпуса враща­ется эксцентрично насаженный цилиндр. Две лопасти 1 и 1', вставленные в разрез цилиндра и раздвигаемые пружиной 2, разделяют пространство между цилинд­ром и стенкой полости на две части. Газ из откачиваемого сосуда поступает в область

3. по мере поворачивания цилиндра ло­пасть 1 отходит, пространство 3 увеличи­вается и газ засасывается через трубку

4. При дальнейшем вращении лопасть 1' отключает пространство 3 от трубки

4 и начинает вытеснять газ через клапан

5 наружу. Весь процесс непрерывно по­вторяется.

Для получения высокого вакуума при­меняются диффузионные насосы (рабочее вещество— ртуть или масло), которые не способны откачивать газ из сосудов на­чиная с атмосферного давления, но спо­собны создавать добавочную разность давлений, поэтому их употребляют вместе с форвакуумными насосами. Рассмотрим схему действия диффузионного насоса (рис. 73). В колбе ртуть нагревается, пары ртути, поднимаясь по трубке 1, вырываются из сопла 2 с большой скоростью, увле­кая за собой молекулы газа из откачивае­мого сосуда (в нем создан предваритель­ный вакуум).

 

 

 

86

Эти пары, попадая затем в «водяную рубашку», конденсируются и стекают обратно в резервуар, а захва­ченный газ выходит в пространство (через трубку 3), в котором уже создан форваку­ум. Если применять многоступенчатые на­сосы (несколько сопл расположены по­следовательно), то реально при хороших уплотнениях можно с помощью них полу­чить разрежение до 10^-7 мм рт. ст.

Для дальнейшего понижения давления применяются так называемые «ловушки». Между диффузионным насосом и откачи­ваемым объектом располагают специально изогнутое колено (1 или 2) соединитель­ной трубки (ловушку), которую охлажда­ют жидким азотом (рис.74). При такой температуре пары ртути (масла) вымора­живаются и давление в откачиваемом со­суде понижается приблизительно на 1 — 2 порядка. Описанные ловушки называют охлаждаемыми; можно применять также неохлаждаемые ловушки. Специальное рабочее вещество (например, алюмогель) помещают в один из отростков соедини­тельной трубки вблизи откачиваемого объекта, которое поддерживается при тем­пературе 300 °С.

При достижении высо­кого вакуума алюмогель охлаждается до комнатной температуры, при которой он начинает поглощать имеющиеся в системе пары. Преимущество этих ловушек состо­ит в том, что с их помощью в откачивае­мых объектах можно поддерживать высо­кий вакуум уже после непосредственной откачки в течение даже нескольких суток.

Остановимся на некоторых свойствах ультраразреженных газов. Так как в со­стоянии ультраразрежения молекулы практически друг с другом не сталкивают­ся, то газ в этом состоянии не обладает внутренним трением. Отсутствие соударе­ний между молекулами разреженного газа отражается также на механизме теплопро­водности. Если при обычных давлениях перенос энергии молекулами производится «эстафетой», то при ультраразрежении каждая молекула сама должна перенести энергию от одной стенки сосуда к другой. Явление уменьшения теплопроводности вакуума при понижении давления исполь­зуется на практике для создания тепловой изоляции. Например, для уменьшения теп­лообмена между телом и окружающей средой тело помещают в сосуд Дьюара, имеющий двойные стенки, между которы­ми находится разреженный воздух, тепло­проводность которого очень мала.

Рассмотрим два сосуда 1 и 2, под­держиваемых соответственно при температурах Т₁ и T₂ (рис. 75) и соединенных между собой трубкой.

Если длина сво­бодного пробега молекул гораздо меньше диаметра соединительной трубки (<l><<d), то стационарное состояние газа ха­рактеризуется равенством давлений в обо­их сосудах (р₁=р₂). Стационарное же

 

87

состояние ультраразреженного газа (<l>>>d), находящегося в двух сосудах, соединенных трубкой, возможно лишь в том случае, когда встречные потоки частиц, перемещающихся из одного со­суда в другой, одинаковы, т. е.

n₁<v₁>=n₂<v₂>, (49.1) где n₁ и n₂ — концентрации молекул в обо­их сосудах, <v₁> и <v₂> —средние скорости молекул. Учитывая, что n= p/(kT) и <v>=Ö(8RT/(pM)), из условия (49.1) получаем

т. е. в условиях высокого вакуума вырав­нивания давлений не происходит. Если в откачанный стеклянный баллон (рис. 76) на пружину 1 насадить слюдяной листо­чек 2, одна сторона которого зачернена, и освещать его, то возникнет разность температур между светлой и зачерненной поверхностями листочка.

Из выражения (49.2) следует, что в данном случае раз­ным будет и давление, т. е. молекулы от зачерненной поверхности будут оттал­киваться с большей силой, чем от свет­лой, в результате чего листочек отклонит­ся. Это явление называется радиометри­ческим эффектом. На радиометрическом эффекте основано действие радиометриче­ского манометра.