Molekuly plynu λ a charakteristická veľkosť média d. Pod d možno zobrať vzdialenosť medzi stenami vákuovej komory, priemer vákuového potrubia a pod.. V závislosti od hodnoty pomeru λ/ d Existuje nízke (), stredné () a vysoké () vákuum.

Je potrebné rozlišovať medzi pojmami fyzické vákuum A technické vákuum.

V praxi sa vysoko riedky plyn nazýva tzv technické vákuum. V makroskopických objemoch je ideálne vákuum v praxi nedosiahnuteľné, pretože pri konečnej teplote majú všetky materiály nenulovú hustotu nasýtených pár. Okrem toho mnohé materiály (vrátane hrubého kovu, skla a iných stien nádob) umožňujú plynom prechádzať. V mikroskopických objemoch je však dosiahnutie ideálneho vákua v zásade možné.

Mierou stupňa vákuového zriedenia je voľná dráha molekúl plynu spojená s nimi vzájomné kolízie v plyne a charakteristická lineárna veľkosť nádoby, v ktorej sa plyn nachádza.

Presne povedané, technické vákuum je plyn v nádobe alebo potrubí s tlakom nižším ako v okolitej atmosfére. Podľa inej definície, keď sa molekuly plynu alebo atómy prestanú navzájom zrážať a plynodynamické vlastnosti sú nahradené viskóznymi (pri tlaku asi 1 torr) hovoriť o úspechu nízke vákuum() (10 16 molekúl na 1 cm³). Zvyčajne medzi atmosférický vzduch a vysokovákuová pumpa je takzvaná predvákuová pumpa, vytvárajúca predbežné vákuum, preto sa nízke vákuum často nazýva predevakuum. S ďalším poklesom tlaku v komore sa zväčšuje stredná voľná dráha λ molekúl plynu. Keď molekuly plynu narážajú na steny oveľa častejšie ako navzájom. V tomto prípade hovoria o vysoké vákuum(10 −5 torr) (10 11 molekúl na 1 cm³). Ultra vysoké vákuum zodpovedá tlaku 10 −9 Torr a nižšiemu. Napríklad v ultravysokom vákuu sa experimenty zvyčajne vykonávajú pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu. Pre porovnanie, tlak vo vesmíre je o niekoľko rádov nižší, zatiaľ čo v hlbokom vesmíre môže dosiahnuť aj 10 −16 torr a nižší (1 molekula na 1 cm³).

Vysoké vákuum v mikroskopických póroch niektorých kryštálov sa dosahuje už pri atmosférickom tlaku, keďže priemer póru je oveľa menší ako voľná dráha molekuly.

Zariadenia používané na dosiahnutie a udržanie vákua sa nazývajú vákuové pumpy. Getre sa používajú na absorbovanie plynov a vytvorenie požadovaného stupňa vákua. Širší pojem vákuová technológia zahŕňa aj prístroje na meranie a riadenie vákua, manipuláciu s predmetmi a vykonávanie technologických operácií vo vákuovej komore a pod. Vysokovákuové vývevy sú zložité technické zariadenia. Hlavnými typmi vysokovákuových čerpadiel sú difúzne čerpadlá založené na strhávaní zvyškov molekúl plynu prúdom pracovného plynu, getre, ionizačné čerpadlá založené na zavádzaní molekúl plynu do getrov (napríklad titánu) a kryosorpčné čerpadlá (hlavne na vytvorenie predevakuum).

Stojí za zmienku, že aj v dokonalom vákuu pri konečnej teplote vždy existuje určité tepelné žiarenie (plyn fotónov). Teleso umiestnené v ideálnom vákuu sa teda výmenou tepelných fotónov skôr či neskôr dostane do tepelnej rovnováhy so stenami vákuovej komory.

Vákuum je dobrý tepelný izolant; K prenosu tepelnej energie v ňom dochádza len v dôsledku tepelného žiarenia, konvekcia a tepelná vodivosť sú vylúčené. Táto vlastnosť sa využíva na tepelnú izoláciu v termoskách (Dewarových bankách), pozostávajúcich z nádoby s dvojitými stenami, medzi ktorými je priestor evakuovaný.

Vákuum sa široko používa v elektrických vákuových zariadeniach - rádiových trubiciach (napríklad magnetróny mikrovlnné rúry), katódové trubice atď.

Fyzikálne vákuum

V kvantovej fyzike sa fyzikálne vákuum chápe ako najnižší (základný) energetický stav kvantovaného poľa, ktoré má nulovú hybnosť, uhlovú hybnosť a iné kvantové čísla. Takýto stav navyše nemusí nevyhnutne zodpovedať prázdnote: pole v najnižšom stave môže byť napríklad pole kvázičastíc v pevnej látke alebo dokonca v jadre atómu, kde je hustota extrémne vysoká. Fyzikálne vákuum sa nazýva aj priestor úplne zbavený hmoty, vyplnený poľom v tomto stave. Tento stav nie je absolútna prázdnota. Kvantová teória poľa tvrdí, že v súlade s princípom neurčitosti sa virtuálne častice neustále rodia a miznú vo fyzikálnom vákuu: dochádza k takzvaným osciláciám poľa s nulovým bodom. V niektorých špecifických teóriách poľa môže mať vákuum netriviálne topologické vlastnosti. Teoreticky môže existovať niekoľko rôznych vákuov, ktoré sa líšia hustotou energie alebo inými fyzikálnymi parametrami (v závislosti od použitých hypotéz a teórií). Degenerácia vákua počas spontánneho narušenia symetrie vedie k existencii súvislého spektra stavov vákua, ktoré sa navzájom líšia počtom Goldstoneových bozónov. Miestne minimá energie pri rôznych hodnotách akéhokoľvek poľa, ktoré sa líšia energiou od globálneho minima, sa nazývajú falošné vákuum; takéto stavy sú metastabilné a majú tendenciu sa rozpadať s uvoľnením energie, pričom prechádzajú do skutočného vákua alebo do jedného zo základných falošných vákuov.

Niektoré z týchto predpovedí teórie poľa už boli úspešne potvrdené experimentom. Casimirov efekt a Lambov posun atómových hladín sa teda vysvetľujú osciláciami elektromagnetického poľa vo fyzickom vákuu v nulovom bode. Moderné fyzikálne teórie sú založené na niektorých iných predstavách o vákuu. Napríklad existencia viacerých stavov vákua (falošné vákuum uvedené vyššie) je jedným z hlavných základov inflačnej teórie veľkého tresku.

pozri tiež

• Dielektrická konštanta vákua
• Priemer vákua
• Vákuový kondenzát

Aplikácie:

Poznámky

Literatúra

• L. B. Okun O pojmoch vákua a hmoty a hľadaní Higgsa (anglicky) // Písmená modernej fyziky A. - 2012. - Zv. 27. - S. 1230041. - DOI:10.1142/S0217732312300418 - arΧiv:1212.1031

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „vákuum“ v iných slovníkoch:

Prvá časť ťažké slová. Označuje odkaz na vákuum, priestor s odčerpaným vzduchom; vákuum. Vákuové prístroje, vákuová komora, meranie vákua, vákuový oblek, vákuová pumpa, vákuový proces, vákuová inštalácia, vákuový filter, vákuové... encyklopedický slovník

- (latinsky, od vacare robiť prázdne). Prázdny priestor bez vzduchu. Slovník cudzích slov zahrnutých v ruskom jazyku. Chudinov A.N., 1910. VÁKUUM - bezvzduchový priestor. B. prístroj je kotol, v ktorom sa varí, pod vzduchom... ...

VACUUM, oblasť s extrémne nízkym tlakom. Medzihviezdny priestor je vysoké vákuum s priemernou hustotou menej ako 1 molekula na centimeter kubický. Najvzácnejšie vákuum vytvorené človekom, menej ako 100 000 molekúl na kubický... ... Vedecko-technický encyklopedický slovník

Vákuum... vákuum... (... Slovník cudzích slov ruského jazyka

Zriedkavosť, prázdnota; prázdny priestor, forevakuum, montjus, absencia, nedostatok Slovník ruských synoným. vákuum pozri prázdnota Slovník synoným ruského jazyka. Praktický sprievodca. M.: ruský jazyk. Z. E. Alexandrova... Slovník synonym

vákuum- Stav média, ktorého absolútny tlak je menší ako atmosférický [GOST 5197 85] vákuum Stav kvapaliny charakterizovaný záporným pretlak. [СО 34.21.308 2005] vákuové zriedenie Tlak plynu pod atmosférický. Poznámka... ... Technická príručka prekladateľa

- (z lat. vákuum, prázdnota), stav plynu pri tlakoch p nižších ako je atmosférický. Existuje nízke vákuum (napríklad vo vákuových zariadeniach), ktoré zodpovedá oblasti tlaku p > 1 mm Hg; priemer: 10 3 mm ortuti... ... Moderná encyklopédia

- (z lat. vákuum prázdno) stav plynu pri tlakoch p nižších ako je atmosférický. Existujú nízke vákuum (vo vákuových zariadeniach a inštaláciách zodpovedá rozsahu tlaku p nad 100 Pa), stredné (0,1 Pa p 100 Pa), vysoké (10 5 Pa p... ... Veľký encyklopedický slovník

VACUUM: VACUUM... a VACUUM... Prvá časť zložitých slov s významom. súvisiaci s vákuom (v 1 hodnote), napr. vákuomer, vákuový prístroj, vákuová komora. Slovník Ozhegova. S.I. Ozhegov, N.Yu. Švedova. 1949 1992 … Ozhegovov výkladový slovník

Vákuum... a VÁKUUM... Prvá časť zložitých slov súvisiacich s vákuom (v 1 význame), napr. vákuomer, vákuový prístroj, vákuová komora. Ozhegovov výkladový slovník. S.I. Ozhegov, N.Yu. Švedova. 1949 1992 … Ozhegovov výkladový slovník

Pojem vákua sa časom zmenil. Na samom začiatku rozvoja vied o okolitom svete vákuum jednoducho znamenalo prázdnotu; dokonca aj samotné vákuum sa z latinčiny prekladá ako „prázdnota“. Išlo skôr o filozofickú kategóriu, keďže vedci nemali možnosť študovať nič, čo by sa čo i len vzdialene zhodovalo s predstavami o vákuu. Ten moderný nazýva vákuum stav kvantového poľa, v ktorom je jeho energetický stav na najnižšej úrovni. Tento stav je charakteristický predovšetkým tým, že sa v ňom nenachádzajú žiadne skutočné častice. Technické vákuum je vysoko riedky plyn. Nie je to celkom ideálne vákuum, ale faktom je, že za daných podmienok je nedosiahnuteľné. Koniec koncov, všetky materiály umožňujú plynom prechádzať v mikroskopických objemoch, takže akékoľvek vákuum obsiahnuté v nádobe bude mať interferenciu. Stupeň jeho riedenia sa meria pomocou parametra λ (lambda), ktorý udáva dĺžku voľnej častice. Toto je vzdialenosť, ktorú môže prejsť pred zrážkou s prekážkou v podobe inej častice alebo steny nádoby. Vysoké vákuum je také, v ktorom môžu molekuly plynu prechádzať z jednej steny na druhú bez toho, aby sa takmer vôbec navzájom zrazili. Nízke vákuum sa vyznačuje dosť veľkým počtom zrážok.No aj keď predpokladáme, že je možné dosiahnuť ideálne vákuum, stále by sme nemali zabúdať na taký faktor, ako je napr. tepelné žiarenie– takzvaný plyn fotónov. Vďaka tomuto javu by teplota telesa umiestneného vo vákuu po určitom čase bola rovnaká ako teplota stien nádoby. Stane sa tak práve v dôsledku pohybu tepelných fotónov. Fyzikálne vákuum je priestor, v ktorom nie je vôbec žiadna hmota. Ale podľa kvantovej teórie poľa to ani v tomto stave nemožno nazvať absolútnou prázdnotou, pretože virtuálne častice sa neustále tvoria vo fyzickom vákuu. Nazývajú sa tiež oscilácie poľa s nulovým bodom. Existovať rôzne teórie polia, podľa ktorých sa vlastnosti bezhmotného priestoru môžu mierne líšiť. Predpokladá sa, že vákuum môže byť jedným z niekoľkých typov, z ktorých každý má svoje vlastné charakteristiky. Niektoré z vlastností kvantového poľa, ktoré predpovedali teoretickí vedci, už boli experimentálne potvrdené. Medzi hypotézami sú aj také, ktoré môžu potvrdiť alebo vyvrátiť základné fyzikálne teórie. Napríklad predpoklad, že sú možné takzvané falošné vákuum (rôzne stavy vákua), je veľmi dôležitý pre potvrdenie teórie veľkej inflácie.

Tlaky merané na stupnici, ktorá používa nulu ako referenčný bod, sa nazývajú absolútne tlaky. Atmosférický tlak na zemskom povrchu sa mení, ale je približne 105 Pa (1000 mbar). Toto je absolútny tlak, pretože je vyjadrený nulou.

Senzor určený na meranie tlaku vyjadreného vo vzťahu k atmosférickému tlaku, a teda indikujúci nulu, keď jeho merací port obsahuje molekuly pri atmosférickom tlaku. Merania uskutočnené takýmto snímačom sú známe ako merania relatívneho tlaku. Rozdiel medzi absolútnou hodnotou tlaku a hodnotou pretlaku je teda premenlivá atmosférická hodnota:

Absolútna = nadbytok + atmosférický.

Vyhnúť sa vážne chyby, je dôležité vedieť, ktorý režim merania vákua sa používa: absolútny alebo relatívny. Všimnite si, že referenčná čiara pre merania v režime kalibrácie nie je rovná, čo ilustruje variabilitu atmosférického tlaku.

Vákuové a tlakové jednotky

Historické jednotky

Bohužiaľ, existuje množstvo jednotiek na meranie vákua a tlaku, čo predstavuje značné výzvy pre začiatočníkov aj skúsených technikov. Našťastie, život je stále jednoduchší, pretože zastarané a zle definované jednotky miznú v prospech jednotky merania SI.

Mnohé staršie jednotky majú zjavný praktický a historický pôvod; Napríklad palec vody bol jednotkou použitou pri meraní tlaku pomocou stĺpca vody, ktorého horný povrch bol viditeľný na palcovej stupnici. Spočiatku presnosť meraní vákua potrebná pre takéto systémy zodpovedala dosť hrubým metódam merania vákua a nikoho nezaujímalo, či je voda horúca alebo studená. S rastom technologických potrieb vyvstala potreba konzistentnejších meraní. Matematické modely meracie prístroje sa výrazne zlepšili. Napríklad v jednom tradičnom dizajne na meranie vákua ortuťového barometra boli prijaté diferenciálne rozklady medzi ortuťou v kolóne, sklom, z ktorého bola kolóna vyrobená, mosadzou, z ktorej bola vyrobená stupnica, a oceľovou nádržou. Avšak ani s prepracovanými definíciami a súvisiacou matematikou nemožno v rámci moderných technológií použiť mnohé tradičné jednotky.

jednotka SI

Jednotkou merania SI je pascal, skrátene Pa, názov pre tlak jeden newton na meter štvorcový(N/m2). Zatiaľ čo je ľahké si predstaviť jeden meter štvorcový, jeden newton je zložitejší, ale približne sa rovná sile smerom nadol, ktorá pôsobí na ruku, keď držíte malé jablko (ak držiak stojí na povrchu zeme!). Každodenný život jeden pascal je veľmi malá hodnota, pričom atmosférický tlak je približne 100 000 Pa. Na dne nádoby naplnenej vodou bude tlak spôsobený hĺbkou vody približne o 1000 Pa väčší ako na povrchu vody. Aby sa predišlo použitiu nepraktických čísel, predpony sú priradené násobkom 103 a 0,001, takže napríklad 100 000 Pa (105 Pa) možno zapísať ako 100 kPa alebo 0,1 MPa.

Vákuové jednotky a konverzia

Vzťahy medzi pascalom a niekoľkými ďalšími jednotkami sú uvedené v tabuľke, ale všimnite si, že nie všetky sú alebo môžu byť vyjadrené presne. Horný index rímske číslice v tabuľke odkazujú na poznámky, ktoré za ňou nasledujú.

Metódy merania vákua

Všeobecné ustanovenia

Vákuové meracie prístroje využívajú množstvo veľmi odlišných princípov. Niektoré z nich majú zásadný charakter, napríklad meranie výšky stĺpca kvapaliny so známou hustotou. Jedným z takýchto príkladov je ortuťový barometer, v ktorom môže byť atmosférický tlak vyvážený stĺpcom ortuti. Rozšírenie tejto myšlienky na použitie v vysoké tlaky- použitie kovových závaží pôsobiacich cez známu oblasť, aby sa tekutine poskytla skôr sila než hmotnosť.

Vákuum možno často určiť meraním mechanickej deformácie snímacieho prvku, ktorý podlieha elastickej deformácii, keď sa zmení tlakový rozdiel na jeho povrchoch. Mechanickú deformáciu je možné realizovať a vnímať niekoľkými spôsobmi. Jedným z najbežnejších typov pohyblivých mechanických prvkov je elastická membrána. Ďalším príkladom je Bourdonova trubica, kde vnútorný tlak núti zakrivenú trubicu, aby sa narovnala.

Takáto mechanická deformácia sa dá zistiť niekoľkými spôsobmi: sériou mechanických ramien na priame zobrazenie deformácie, meraním odporu v tenzometri, meraním kapacity, zmenou frekvencie rezonančného prvku pri naťahovaní alebo stláčaní atď.

Keď je vákuum hlboké, a preto je mechanické vychýlenie príliš malé na meranie podtlaku, použijú sa na meranie nepriame prostriedky fyzikálne vlastnosti, ako je tepelná vodivosť, ionizácia alebo viskozita, ktoré závisia od hustoty počtu molekúl.

Stĺpec kvapaliny

Jednou z prvých metód merania vákua a dnes stále jednou z najpresnejších je, že stĺpec kvapaliny je schopný vytlačiť kvapalinu z potrubia.

Tlakomer zobrazený na obrázku je v podstate kvapalinou naplnená U-trubica, kde vertikálne oddelenie povrchov kvapaliny poskytuje meranie tlakového rozdielu. Na úrovni nulového bodu d; tlak L zabezpečuje kvapalina nad ním plus tlak p 2 v hornej časti trubice. V rovnováhe je stĺpec udržiavaný tlakom nahor p 1, ktorý sa prenáša cez tekutinu z druhej končatiny.

Tlak p 1 na spodnom povrchu kvapaliny je definovaný ako:

Kde h je vertikálna výška stĺpca kvapaliny nad úrovňou nulového bodu, P je hustota kvapaliny, g je lokálna hodnota tiažového zrýchlenia. Ak je horná trubica pripojená k atmosfére (p2 = atmosférický tlak), potom p1 je kalibračný tlak; Ak je horná trubica evakuovaná (t.j. P2 = nula), potom P1 je absolútny tlak a prístroj sa stáva barometrom.

Ortuť, voda a olej sa používajú v rôznych dizajnoch tlakomerov, hoci ortuť sa vždy používa na barometrické účely; Jeho hustota je viac ako 13-krát väčšia ako hustota vody alebo oleja, a preto vyžaduje oveľa kratší stĺpec. Asi 0,75 m pri meraní atmosférického tlaku. Hustota ortuti je tiež oveľa stabilnejšia ako hustota iných kvapalín.

Meranie vákua deformáciou elastického prvku.

Keď sa na deformujúci prvok pôsobí tlakom, bude sa pohybovať. Na vytvorenie tlakového snímača musí byť posunutie dostatočne malé, aby zostalo v medziach pružnosti materiálu, ale dostatočne veľké na to, aby bolo detekované s dostatočným rozlíšením. Preto sa pri nižších tlakoch používajú tenké ohybné komponenty a pri vyššom tlaku tuhšie. Na určenie stupňa odchýlky sa používa niekoľko metód. Tie siahajú od mechanického vystuženia, produkujúceho viditeľné vychýlenie ukazovateľa, až po elektronické metódy detekcie.

Nižšie uvedené nástroje nezahŕňajú všetky typy, ale tie, ktoré sa bežne používajú v priemysle.

Bránice

Membrána pripevnená k tuhej základni bude vystavená sile, ak je medzi každou stranou rozdiel tlaku. Jednoduchšie je vyrábať membrány okrúhle, ale sú možné aj iné tvary. Rozdiel spôsobí vychýlenie membrány s maximálnym vychýlením v strede a toto vychýlenie možno merať pomocou rôznych mechanických a elektronické senzory. Pri vychýlení stredu je namáhaný aj povrch membrány a môže vykazovať na jednej strane tlakové napätia okolo vonkajšieho okraja a ťahové napätia okolo centrálnej časti membrány. Táto konfigurácia napätia sa dá zistiť pomocou tenzometrov a z tejto informácie sa dá vypočítať vákuum.

Kapsuly. Kapsuly sú v podstate vyrobené z páru membrán spojených na ich vonkajších okrajoch. Jedna bude mať centrálnu armatúru, cez ktorú sa aplikuje tlak, a pohyb stredu druhej membrány vzhľadom k prvej je určený nejakým typom snímača. Je jasné, že pôsobenie dvoch membrán pôsobiacich v sérii by malo zdvojnásobiť výchylku.

Mechy. Neexistuje jasný rozdiel medzi vlnovcom a kapsulami, ale vlnovce majú zvyčajne niekoľko sekcií naskladaných v sérii a vo všeobecnosti sú vlnovce vzhľadom na priemer malé. Vlnovce môžu byť valcované z rúry, tvarované pod tlakom alebo tvarované zo zváraných prvkov.

Bourdonova trubica

Existovať rôzne prevedenia, ale typická forma je uzavreté potrubie s oválnym prierezom, zakriveným po dĺžke. Keď je trubica pod tlakom, má tendenciu sa narovnávať a snímač tento pohyb zaznamená. Môžu byť navrhnuté tak, aby fungovali v širokom rozsahu, ako aj v meracom, absolútnom a diferenciálnom režime. K dispozícii sú obyčajné typy v tvare "C", špirálové a špirálové. Elektronická detekcia pohybu konca sa bežne používa s kremennými špirálovými zariadeniami.

Vákuové merania meraním tepelnej vodivosti

Na meranie vákua možno použiť prenos energie z horúceho drôtu cez plyn. Teplo sa v plyne prenáša molekulárnymi zrážkami s drôtom, t.j. tepelná vodivosť a rýchlosť prenosu tepla závisí od tepelnej vodivosti plynu. Presnosť týchto prístrojov teda veľmi závisí od zloženia plynu. V oblasti hlbokého vákua, kde je molekulárny tok (Knudsenovo číslo väčšie ako 3, kde Knudsenovo číslo = stredná voľná dráha / charakteristická veľkosť systému), je prenos tepla úmerný vákuu. Keď sa počet molekúl zvyšuje, plyn sa stáva hustejším a molekuly sa začínajú častejšie navzájom zrážať. V tejto takzvanej oblasti prechodového toku (alebo sklzového toku, 0,01<число Кнудсена <3) простая пропорция теплоотдачи к давлению не действительна. При еще более высоких давлениях (число Кнудсена <0,01) теплопроводность практически не зависит от него. Здесь конвекционное охлаждение горячих поверхностей обычно является основным источником теплообмена.

Vákuomery Pirani

Tepelnú stratu z drôtu (zvyčajne 5 až 20 µm) možno určiť nepriamo pomocou obvodu Wheatstoneovho mostíka, ktorý ohrieva drôt a meria jeho odpor a tým aj teplotu. Existujú dva hlavné typy vyhrievaných prvkov. Tradičná a oveľa bežnejšia konfigurácia pozostáva z tenkého kovového drôtu zaveseného v meracej hlave. Ďalšou konfiguráciou je mikroobrobená štruktúra, zvyčajne vyrobená z kremíka potiahnutého tenkým kovovým filmom, ako je platina. V typickom usporiadaní je tenký kovový drôt zavesený aspoň na jednej strane elektricky izolovanej v meracej hlave a v kontakte s plynom. Na drôt je možné použiť volfrám, nikel, irídium alebo platinu. Drôt je elektricky vyhrievaný a prenos tepla sa meria elektronicky. Existujú tri všeobecné prevádzkové metódy: metóda konštantnej teploty, most s konštantným napätím a most s konštantným prúdom. Všetky tieto metódy nepriamo merajú teplotu drôtu jeho odporom. Hlavnou nevýhodou použitia snímačov Pirani je ich silná závislosť od zloženia plynu a ich obmedzená presnosť. Opakovateľnosť snímačov Pirani je vo všeobecnosti celkom dobrá, pokiaľ nedôjde k závažnej kontaminácii. Rozsah merania vákua snímačov Pirani je od približne 10-2 Pa do 105 Pa, ale najlepší výkon sa zvyčajne dosiahne medzi približne 0,1 Pa a 1000 Pa.

Ionizačné senzory na meranie vákua

Keď je vákuum v systéme nižšie ako približne 0,1 Pa (10 -3 mbar), priame metódy merania vákua pomocou vychýlenia membrány alebo merania vlastností plynu, ako je tepelná vodivosť, už nie je možné jednoducho použiť. je potrebné uchýliť sa k metódam, ktoré v podstate počítajú počet prítomných molekúl plynu, t. j. merajú skôr hustotu ako vákuum. Z kinetickej teórie plynov vyplýva, že pre daný plyn so známou teplotou T tlak p priamo súvisí s hustotou čísla n prostredníctvom rovnice (v hranici ideálneho plynu):

Kde c je konštanta. Jednou z najpohodlnejších metód na meranie hustoty je použitie niektorej techniky ionizácie molekúl plynu a následného zberu iónov. Väčšina praktických vákuových senzorov využíva na dosiahnutie ionizácie elektróny so strednou energiou (50 eV až 150 eV). Výsledný iónový prúd priamo súvisí s vákuom, a preto je možné vykonať kalibráciu. Posledné tvrdenie platí len pre konečný tlakový rozsah, ktorý určuje prevádzkový rozsah zariadenia. Horná hranica tlaku sa dosiahne, keď je hustota plynu dostatočne veľká na to, aby vytvorenie iónu malo významnú pravdepodobnosť interakcie s neutrálnymi molekulami plynu alebo voľnými elektrónmi v plyne, takže samotný ión je neutralizovaný a nemôže dosiahnuť kolektor, pre praktické účely v typických laboratórnych systémoch alebo v priemyselných inštaláciách to môže byť 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Dolná hranica vákua meracieho prístroja sa dosiahne vtedy, keď sa elektrický zvodový prúd v meracej hlavici alebo meracej elektronike stane porovnateľným s meraným iónovým prúdom, alebo keď iný fyzikálny efekt (napríklad vplyv vonkajších röntgenových lúčov) spôsobí prúdy táto veľkosť sa objaví. Pre väčšinu snímačov opísaných v tejto príručke sú tieto limity nižšie ako 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Základná kalibračná rovnica pre ionizačnú kalibráciu je:

Ic - iónový prúd K - konštanta obsahujúca pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu akýmikoľvek prostriedkami a pravdepodobnosť zberu výsledného iónu n - hustota počtu molekúl plynu Ie - prúd ionizujúceho elektrónu.

Pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu bude závisieť od mnohých faktorov, a preto bude mať ionizačný senzor rôzne hodnoty citlivosti pre rôzne druhy plynu. Väčšina praktických vákuových senzorov využíva elektronickú stimuláciu na ionizáciu molekúl plynu, a to sa dá dosiahnuť jednoduchým „varením“ elektrónov z vlákna horúceho drôtu a ich priťahovaním k nejakému druhu elektronického kolektora. Ióny sú potom priťahované do kolektora. Nanešťastie, pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu elektrónom je taká malá pri jedinom prechode meradlom normálnej veľkosti, že je potrebné zväčšiť dĺžku dráhy elektrónu a tým zvýšiť pravdepodobnosť, že ktorýkoľvek jeden elektrón vytvorí ión.

Široko používané sú dve metódy. V ionizačnom kalibračnom senzore s horúcou katódou sú elektróny vytvorené v horúcom vlákne priťahované k mriežke vyrobenej z veľmi jemného drôtu a pri kladnom elektrickom potenciáli. Keďže je sieťka otvorená, je veľmi veľká šanca, že elektrón prejde sieťkou bez toho, aby zasiahol drôt. Ak je mriežka obklopená clonou so záporným elektrickým potenciálom, elektrón sa touto clonou odrazí a bude priťahovaný späť do mriežky. Tento proces sa môže stať mnohokrát, kým elektrón konečne zasiahne mriežku. V dôsledku toho je možné dosiahnuť veľmi dlhé dráhy elektrónov v malom objeme. Naproti tomu ióny sú priťahované priamo do kolektora.

Ionizačná lampa so studenou katódou sa zaobíde bez horúceho vlákna a využíva kombináciu elektrického a magnetického poľa. Akýkoľvek elektrón sa bude otáčať okolo magnetických siločiar predtým, ako sa nakoniec zhromaždí na kladne nabitej anóde. V skutočnosti bude dĺžka dráhy taká dlhá a pravdepodobnosť ionizácie taká veľká, že po spustení sa vytvorí autonómny výboj plynu za predpokladu, že ióny budú rýchlo vytlačené z oblasti výboja iónovým kolektorom.

Výber zariadenia na meranie vákua

Pred výberom vákuového prístroja a identifikáciou vhodného dodávateľa je dôležité stanoviť kritériá výberu. Tieto budú zahŕňať mnoho faktorov a táto časť má pomôcť potenciálnemu používateľovi pri výbere.

Hĺbka merania vákua

Charakteristika prostredia

Vonkajšie prostredie

Fyzikálne vlastnosti zariadenia

Typ použitia

Bezpečnosť

Inštalácia a údržba

Konverzia signálu

) - médium obsahujúce plyn pri tlakoch výrazne nižších ako je atmosférický. Vákuum je charakterizované vzťahom medzi voľnou dráhou molekúl plynu λ a charakteristickou veľkosťou procesu d. Vzdialenosť medzi stenami vákuovej komory, priemer vákuového potrubia atď. môže byť braný ako d. V závislosti od hodnoty pomeru λ/d je nízka (λ/d<<1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d>>1) vákuum.

Je potrebné rozlišovať medzi pojmami fyzické vákuum A technické vákuum.

Technické vákuum

V praxi sa vysoko riedky plyn nazýva tzv technické vákuum. V makroskopických objemoch je ideálne vákuum v praxi nedosiahnuteľné, pretože pri konečnej teplote majú všetky materiály nenulovú hustotu nasýtených pár. Okrem toho mnohé materiály (vrátane hrubého kovu, skla a iných stien nádob) umožňujú plynom prechádzať. V mikroskopických objemoch je však dosiahnutie ideálneho vákua v zásade možné. Mierou stupňa vákuového zriedenia je voľná dráha molekúl plynu< λ >súvisiace s ich vzájomné zrážky v plyne a charakteristická lineárna veľkosť l nádoba obsahujúca plyn. Presne povedané, technické vákuum je plyn v nádobe alebo potrubí s tlakom nižším ako v okolitej atmosfére. Podľa inej definície, keď sa molekuly plynu alebo atómy prestanú navzájom zrážať a plynodynamické vlastnosti sú nahradené viskóznymi (pri tlaku asi 1 Torr), hovoríme o dosiahnutí nízke vákuum(λ < < l)(5000-10000 molekúl na 1 cm3). Nízke vákuové čerpadlo zvyčajne stojí medzi atmosférickým vzduchom a vysokovákuovým čerpadlom a vytvára predbežné vákuum, a preto sa nízke vákuum často nazýva predevakuum. S ďalším poklesom tlaku v komore sa priemerná voľná dráha λ molekúl plynu zvyšuje. Keď λ > > l molekuly plynu sa už navzájom nezrážajú, ale voľne sa pohybujú od steny k stene, v tomto prípade hovoria o vysoké vákuum(10-5 Torr) (1000 molekúl na 1 cm3). Ultra vysoké vákuum zodpovedá tlaku 10 -9 Torr a nižšiemu. Žiaľ, v pozemských podmienkach sa ho zatiaľ nepodarilo získať. Pre porovnanie, tlak vo vesmíre je o niekoľko rádov nižší, zatiaľ čo v hlbokom vesmíre môže dosiahnuť aj 10 -30 Torr alebo menej (1 molekula na 1 cm3).Je tu úplná absencia molekúl.

Vysoké vákuum v mikroskopických póroch niektorých kryštálov sa dosahuje pri atmosférickom tlaku, ktorý je spojený práve s voľnou dráhou plynu.

Zariadenia používané na dosiahnutie a udržanie vákua sa nazývajú vákuové pumpy. Getre sa používajú na absorbovanie plynov a vytvorenie požadovaného stupňa vákua. Širší pojem vákuová technika zahŕňa aj prístroje na meranie a riadenie vákua, manipuláciu s predmetmi a vykonávanie technologických operácií vo vákuovej komore a pod.

Stojí za zmienku, že aj v dokonalom vákuu pri konečnej teplote vždy existuje určité tepelné žiarenie (plyn fotónov). Teleso umiestnené v ideálnom vákuu sa teda výmenou tepelných fotónov skôr či neskôr dostane do tepelnej rovnováhy so stenami vákuovej komory.

Fyzikálne vákuum

Ale možno najzreteľnejším z javov, ktorý nemožno vysvetliť bez použitia myšlienky oscilácií vákua s nulovým bodom, je spontánna emisia. Najbežnejšie spontánne vyžarujúce žiarovky by nesvietili, keby bolo vákuum absolútne prázdne. Faktom je, že akýkoľvek objekt (a teda aj excitovaný atóm) umiestnený v absolútne prázdnom priestore je uzavretý systém. A keďže je takýto systém stabilný v čase, žiadne žiarenie by nenastalo. Už z tejto jednoduchej úvahy je zrejmé, že vysvetlenie spontánneho žiarenia si vyžaduje použitie zložitejšieho modelu vákua, než je klasické absolútne prázdno.

pozri tiež

Poznámky

Odkazy

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „fyzikálne vákuum“ v iných slovníkoch:

fyzické vákuum- absoliutusis vakuumas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. absolútne vákuum; dokonalé vákuum; fyzikálne vákuum vok. absolútne Vákuum, n; physikalisches Vakuum, n rus. absolútne vákuum, m; dokonalé vákuum, m; fyzické vákuum, m pranc.… … Fizikos terminų žodynas

fyzické vákuum- Stav systému kvantových polí s najnižšou energiou, určený renormalizovaným Hamiltoniánom teórie, vrátane fyzikálnych (pozorovateľných) hmôt, nábojov a polí... Polytechnický terminologický výkladový slovník

Ortuťový vákuový barometer Evangelisty Torricelliho, vedca, ktorý ako prvý vytvoril vákuum v laboratóriu. Nad povrchom ortuti v hornej časti utesnenej trubice je „Torricelli void“ (vákuum obsahujúce ortuťové pary pod saturačným tlakom ... Wikipedia

V kvantovej teórii poľa najnižšia energia. stav kvantovaných polí, charakterizovaný absenciou kozmických l. skutočné h c. Všetko je kvantum. čísla V. f. (impulz, elektrický náboj atď.) sa rovnajú nule. Avšak možnosť virtuálnych procesov vo V. f.... ... Fyzická encyklopédia

Fyzikálne vákuum, médium, v ktorom nie sú žiadne častice hmoty ani poľa. V technológii sa V. nazýva médium, ktoré obsahuje „veľmi málo“ častíc; ako menej častíc sa nachádza v jednotkovom objeme takéhoto média, tým vyššie je V. Avšak celkové V. ≈ médium v ​​... ...

- (z lat. vákuum, prázdnota), stav plynu pri tlaku menšom ako atmosférický. Koncept "V." sa vzťahuje na plyn v uzavretej alebo evakuovanej nádobe, ale často sa rozširuje napríklad na plyn vo voľnom prúdení. do vesmíru. Stupeň V. sa určuje podľa... ... Fyzická encyklopédia

I Vákuum (z lat. vákuum, prázdnota) je stav plynu pri tlaku výrazne nižšom ako atmosférický. Pojem V. sa zvyčajne aplikuje na plyn plniaci obmedzený objem, ale často sa označuje ako plyn nachádzajúci sa vo voľnom priestore... ... Veľká sovietska encyklopédia

VÁKUUM- v každodennom chápaní prázdnota, absencia skutočných častíc. V kvantovej mechanike sa pojem fyzikálne vákuum zavádza ako základný stav kvantových polí s minimálnou energiou a nulovými hodnotami hybnosti, momentu hybnosti,... ... Filozofia vedy: Slovník základných pojmov

Vákuum (z latinčiny vákuum void) je médium obsahujúce plyn s tlakmi výrazne nižšími ako atmosférický. Vákuum je charakterizované vzťahom medzi voľnou dráhou molekúl plynu λ a charakteristickou veľkosťou procesu d. Pod d možno vziať... ... Wikipedia

A pod technológiou sa rozumie médium, v ktorom je plyn obsiahnutý pod tlakom nižším ako atmosférický. Čo sú riedke plyny, kedy boli prvýkrát objavené?

Stránky histórie

Myšlienka prázdnoty je predmetom sporov už mnoho storočí. Starovekí grécki a rímski filozofi sa pokúšali analyzovať riedke plyny. Democritus, Lucretius a ich študenti verili: ak medzi atómami nebude voľný priestor, ich pohyb by bol nemožný.

Aristoteles a jeho nasledovníci tento koncept vyvrátili, podľa ich názoru by v prírode nemala existovať „prázdnota“. V stredoveku v Európe sa myšlienka „strachu z prázdnoty“ stala prioritou a používala sa na náboženské účely.

Mechanika Staroveké Grécko pri vytváraní technických zariadení vychádzali z Napríklad vodné čerpadlá, ktoré fungovali vytváraním podtlaku nad piestom, sa objavili v dobe Aristotela.

Zriedený stav plynu, vzduchu, sa stal základom pre výrobu piestových vákuových čerpadiel, ktoré sú dnes široko používané v technológii.

Ich prototypom bola slávna piestová striekačka Herona Alexandrijského, ktorú vytvoril na vysávanie hnisu.

V polovici sedemnásteho storočia prvý vákuová komora, a o šesť rokov neskôr sa nemeckému vedcovi Ottovi von Guerickovi podarilo vynájsť prvú vákuovú pumpu.

Tento piestový valec ľahko odčerpával vzduch z uzavretej nádoby a vytváral tam vákuum. To umožnilo študovať hlavné charakteristiky nového stavu a analyzovať jeho prevádzkové vlastnosti.

Technické vákuum

V praxi sa riedky stav plynu a vzduchu nazýva technické vákuum. Vo veľkých objemoch nie je možné dosiahnuť taký ideálny stav, odkedy určitú teplotu materiály majú nenulovú hustotu nasýtených pár.

Dôvodom nemožnosti získať ideálne vákuum je aj prestup plynných látok sklenenými a kovovými stenami nádob.

Je celkom možné získať riedené plyny v malých množstvách. Ako miera riedenia sa používa dĺžka voľnej dráhy molekúl plynu, ktoré sa náhodne zrážajú, ako aj lineárna veľkosť použitej nádoby.

Medzi vysokovákuové čerpadlo a atmosférický vzduch je umiestnený predevakuačný sediment, ktorý vytvára predbežné vákuum. V prípade následného poklesu tlaku v komore sa pozoruje zväčšenie dĺžky dráhy častíc plynnej látky.

Pri úrovniach tlaku od 10 -9 Pa vzniká ultravysoké vákuum. Práve tieto riedke plyny sa používajú na vykonávanie experimentov pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu.

Takýto stav je možné dosiahnuť v póroch niektorých kryštálov aj pri atmosférickom tlaku, pretože priemer pórov je oveľa menší ako dĺžka dráhy voľnej častice.

Zariadenia na báze vákua

Zriedený stav plynu sa aktívne využíva v zariadeniach tzv vákuové pumpy. Getre sa používajú na absorbovanie plynov a získanie určitého stupňa vákua. Vákuová technológia zahŕňa aj početné zariadenia, ktoré sú potrebné na kontrolu a meranie tohto stavu, ako aj na ovládanie predmetov, vykonávanie rôznych technologických procesov. Najzložitejšie technické zariadenia, ktoré využívajú riedke plyny, sú vysokovákuové čerpadlá. Napríklad difúzne zariadenia fungujú na základe pohybu molekúl zvyškových plynov pod vplyvom prúdu pracovného plynu. Aj v prípade dokonalého vákua dochádza pri dosiahnutí konečnej teploty k zanedbateľnému tepelnému vyžarovaniu. To vysvetľuje základné vlastnosti riedených plynov, napríklad nástup tepelnej rovnováhy po určitom časovom intervale medzi telesom a stenami vákuovej komory.

Zriedený monatomický plyn je vynikajúci tepelný izolant. V ňom sa prenos tepelnej energie uskutočňuje iba žiarením, tepelná vodivosť a konvekcia nie sú pozorované. Táto vlastnosť sa využíva v (termozách), pozostávajúcich z dvoch nádob, medzi ktorými je vákuum.

Vákuum tiež našlo široké uplatnenie v rádiových trubiciach, napríklad magnetrónoch obrazoviek a mikrovlnných rúrach.

Fyzikálne vákuum

V kvantovej fyzike tento stav znamená základný (najnižší) energetický stav kvantového poľa, ktorý je charakterizovaný nulovými hodnotami

V tomto stave nie je monatomický plyn úplne prázdny. Podľa kvantovej teórie sa virtuálne častice systematicky objavujú a miznú vo fyzikálnom vákuu, čo spôsobuje nulové kolísanie poľa.

Teoreticky môže súčasne existovať niekoľko rôznych vákuov, ktoré sa navzájom líšia hustotou energie, ako aj inými fyzikálnymi vlastnosťami. Táto myšlienka sa stala základom teórie inflácie veľkého tresku.

Falošné vákuum

Vzťahuje sa na stav poľa v kvantovej teórii, ktorý nie je stavom minimálnej energie. Je stabilný počas určitého časového obdobia. Pri dosiahnutí požadovaných hodnôt základných fyzikálnych veličín existuje možnosť „vytunelovania“ falošného stavu do skutočného vákua.

Priestor

Pri diskusii o tom, čo znamená riedený plyn, je potrebné pozastaviť sa nad pojmom „kozmické vákuum“. Možno ho považovať za blízky fyzickému vákuu, ale existuje v medzihviezdnom priestore. Planéty, ich prirodzené satelity a mnohé hviezdy majú určité gravitačné sily, ktoré udržujú ich atmosféru v určitej vzdialenosti. Keď sa vzďaľujete od povrchu hviezdneho objektu, mení sa hustota riedeného plynu.

Napríklad existuje línia Karman, o ktorej sa uvažuje všeobecná definícia s vonkajšími vesmírnymi hranicami planéty. Za ním izotropný tlak plynu prudko klesá v porovnaní s slnečné žiarenie a dynamický tlak slnečného vetra, takže je ťažké interpretovať tlak riedeného plynu.

IN vonkajší priestor existuje veľa fotónov, reliktných neutrín, ktoré je ťažké odhaliť.

Funkcie merania

Stupeň vákua je zvyčajne určený množstvom látky zostávajúcej v systéme. Hlavnou charakteristikou merania tohto stavu je absolútny tlak, ktorý navyše zohľadňuje chemické zloženie plyn, jeho teplota.

Dôležitým parametrom pre vákuum je priemerná vzdialenosť plynov, ktoré zostávajú v systéme. Existuje rozdelenie vákua do určitých rozsahov v súlade s technológiou, ktorá je potrebná na vykonávanie meraní: falošné, technické, fyzikálne.

Vákuové tvarovanie

Ide o výrobu produktov z moderných termoplastických materiálov v horúcej forme pomocou nízkeho tlaku vzduchu alebo vákua.

Vákuové tvarovanie sa považuje za metódu ťahania, v dôsledku čoho sa plastová fólia umiestnená nad matricou zahreje na určitú hodnotu teploty. Ďalej list opakuje tvar matrice, čo sa vysvetľuje vytvorením vákua medzi ním a plastom.

Elektrovákuové zariadenia

Sú to zariadenia, ktoré sú určené na vytváranie, zosilňovanie a premenu elektromagnetickej energie. V takomto zariadení je vzduch odstránený z pracovného priestoru a na ochranu pred životné prostredie používa sa nepriepustná škrupina. Príkladom takýchto zariadení sú elektronické vákuové zariadenia, kde sa elektróny uvoľňujú vo vákuu. Za elektrické vákuové zariadenia možno považovať aj žiarovky.

Plyny pri nízkom tlaku

Plyn sa nazýva riedky, ak je jeho hustota nevýznamná a dĺžka dráhy molekúl je porovnateľná s veľkosťou nádoby, v ktorej sa plyn nachádza. V takomto stave sa pozoruje pokles počtu elektrónov v pomere k hustote plynu.

V prípade vysoko riedeného plynu prakticky nedochádza k vnútornému treniu. Namiesto toho sa objavuje vonkajšie trenie pohybujúceho sa plynu o steny, čo sa vysvetľuje zmenou veľkosti hybnosti molekúl pri ich zrážke s nádobou. V takejto situácii existuje priama úmernosť medzi rýchlosťou pohybu častíc a hustotou plynu.

V prípade nízkeho vákua sú pozorované časté zrážky medzi časticami plynu v plnom objeme, ktoré sú sprevádzané stabilnou výmenou tepelnej energie. To vysvetľuje fenomén prenosu (difúzia, tepelná vodivosť) a aktívne sa používa v modernej technológii.

Získavanie riedkych plynov

Vedecké štúdium a vývoj vákuových prístrojov sa začal v polovici sedemnásteho storočia. V roku 1643 sa Talianovi Torricellimu podarilo určiť hodnotu atmosférického tlaku a po vynájdení mechanického piestové čerpadlo so špeciálnym uzáverom vody existuje skutočná príležitosť vykonať početné štúdie charakteristík riedeného plynu. Zároveň sa skúmali možnosti vplyvu vákua na živé bytosti. Experimenty uskutočnené za vákuových podmienok s elektrický výboj, prispel k objavu negatívneho elektrónu, röntgenových lúčov.

Vďaka tepelnoizolačnej schopnosti vákua bolo možné vysvetliť spôsoby prenosu tepla a využiť teoretické poznatky pre vývoj modernej kryogénnej technológie.

Aplikácia vákua

V roku 1873 bolo vynájdené prvé elektrické vákuové zariadenie. Bola to žiarovka, ktorú vytvoril ruský fyzik Lodygin. Od tejto doby sa rozšírilo praktické využitie vákuovej technológie, objavili sa nové metódy na získanie a štúdium tohto stavu.

V krátkom čase vznikli rôzne druhy vákuové pumpy:

• rotačné;
• kryosorpcia;
• molekulárne;
• difúzia.

Začiatkom dvadsiateho storočia sa akademikovi Lebedevovi podarilo zlepšiť vedecké základy vákuového priemyslu. Až do polovice minulého storočia vedci nepripúšťali možnosť získať tlak menší ako 10-6 Pa.

V súčasnosti sú vyrábané ako celokovové, aby nedochádzalo k úniku. Vákuové kryogénne čerpadlá sa používajú nielen vo výskumných laboratóriách, ale aj v rôznych priemyselných odvetviach.

Napríklad po vývoji špeciálnych čerpacích prostriedkov, ktoré neznečisťujú používaný objekt, sa objavili nové perspektívy využitia vákuovej techniky. V chémii sa takéto systémy aktívne používajú na kvalitatívnu a kvantitatívnu analýzu vlastností delenia zmesi na zložky a analýzu rýchlosti výskytu rôznych procesov.