Что такое вакуум?
Термин «вакуум», происходящий от латинского слова «пустота», на практике означает не абсолютную пустоту, а пространство с сильно разреженным газом. В естественных условиях на Земле такого состояния не существует, поэтому для его создания применяется специальная вакуумная техника. Давление в вакуумных системах в сотни и тысячи раз ниже атмосферного.
Степени вакуума
В зависимости от уровня разрежения газа выделяют четыре основные категории. Низкий вакуум соответствует давлению ниже атмосферного, но не менее 100 Па. Средний вакуум находится в диапазоне от 100 до 0.1 Па. Высокий вакуум характеризуется давлением от 0.1 до 0.000001 Па. Самый высокий уровень — сверхвысокий вакуум — достигается при давлениях ниже одной миллионной паскаля. Современные технологии позволяют создавать условия, при которых в одном кубическом сантиметре остаются лишь десятки молекул газа.
Как создают вакуум: типы насосов
Основной метод получения вакуума — откачка газа из герметичного сосуда с помощью специальных насосов. Выбор насоса напрямую зависит от требуемой степени разрежения.
Механические насосы, такие как поршневые и вращательные, эффективны для создания низкого и среднего вакуума (до ~1 Па). Их принцип действия основан на механическом вытеснении газа.
Для достижения высокого вакуума применяются струйные насосы, в частности, паромасляные. В них мощная струя пара увлекает за собой молекулы газа, позволяя достигать давлений порядка 10⁻⁶ Па.
Создание сверхвысокого вакуума требует более изощренных методов, например, использования сорбционных насосов. Они работают на принципе поглощения (сорбции) газов такими материалами, как титан или цирконий, буквально «вылавливая» остаточные молекулы.
Измерение вакуума: вакуумметры
Контроль степени разрежения осуществляется с помощью вакуумметров. Простейший жидкостный U-образный вакуумметр подходит для измерений в области низкого и среднего вакуума.
Наиболее точными и универсальными являются ионизационные вакуумметры. В них газ ионизируется потоком электронов, а возникающий ионный ток прямо пропорционален давлению. Такие приборы могут измерять вакуум в очень широком диапазоне.
Материалы для вакуумных систем
К материалам, используемым в вакуумной технике, предъявляются особые требования: низкая газопроницаемость и минимальное собственное газовыделение. Наилучшими свойствами обладают специальные сорта металлов и стекла, а также синтетические полимеры, такие как фторопласт и полиэтилен.
Применение вакуумной техники
Вакуумные технологии нашли широчайшее применение в различных отраслях промышленности и науки.
- Электроника: Производство всех видов электровакуумных приборов, от ламп накаливания до кинескопов.
- Научные исследования: Создание условий для работы ускорителей элементарных частиц, где необходимо минимизировать столкновения с молекулами газа.
- Покрытия и металлургия: Нанесение тонких металлических слоев (для изготовления зеркал, отражателей) и очистка расплавов металлов от газов.
- Пищевая промышленность: Вакуум-аппараты используются для выпаривания и консервирования. Например, производство сгущенного молока при пониженном давлении позволяет сохранить его полезные свойства.
- Космическая отрасль: Это, пожалуй, самое критичное применение. Поскольку космос — это естественный высокий вакуум, все компоненты космических аппаратов и механизмы проходят обязательные и строгие испытания в наземных вакуумных камерах, имитирующих условия открытого пространства.
Таким образом, вакуумная техника является фундаментальной основой для множества современных технологий, от бытовых приборов до покорения космоса.