Зачем создавать вакуум?

Создание вакуума стало довольно распространенным и часто рутинным занятием, но эта распространенность не оправдывает затрат и трудностей. Люди постоянно сталкиваются с проблемой создания вакуума по очень веской причине. Вакуумы в той или иной степени являются обязательным условием выполнения технологических процессов и/или неотъемлемой частью продукта.

Каждого специалиста по вакуумной технике в какой-то момент спрашивают, зачем ему нужно проходить через все эти испытания, муки и неприятности, рискуя потерять свой последний мрамор. "Я должен это сделать, чтобы заниматься тем, чем я занимаюсь", - может быть, временный приемлемый ответ, но есть очень реальные и простые ответы. По сути, для того чтобы сделать что-либо, необходимо удалить из контейнера (камеры) определенное количество молекул. Если немного углубиться в тему, то вопрос окажется не таким уж и страшным.

Если считать, что создание вакуума - это не что иное, как удаление молекул газа из контейнера до тех пор, пока количество молекул в объеме не станет меньше, чем количество молекул в том же объеме вне контейнера, мы можем начать разрабатывать ряд причин для этого.

Это снижение молекулярной популяции можно рассматривать как давление, количество молекул, расстояние между молекулами, количество молекулярных столкновений или количество столкновений молекул с поверхностью. Хотя все эти представления физически взаимосвязаны и взаимозависимы, любая из этих возможных причин может быть перенесена в описание процесса с соответствующими требованиями и обоснованиями.

Физические и химические эффекты проявляются как по отдельности, так и в комбинации.

Физические эффекты

Физические эффекты проявляются в тех случаях, когда физические свойства газа или газов либо являются основной проблемой процесса, либо помогают или препятствуют ему.

Перепад давления

Если молекулы газа удаляются из трубы или сосуда, то между молекулами и поверхностью будет меньше соударений, чем на внешней стороне сосуда, где он подвергается воздействию атмосферы. Чем меньше молекул, тем меньше столкновений и тем меньше суммарная сила, которая возникнет в результате.

Как и многие другие физические эффекты, это также можно использовать для измерения давления, применяя разность давлений для приложения силы, пропорциональной давлению. Это легко продемонстрировать на примере U-образного манометра, в котором столб жидкости уравновешивается атмосферным давлением, реагируя на разность давлений, что приводит к измерению высоты столба жидкости, как показано на рисунке 1.

В практическом смысле этот перепад давления, возникающий в результате удаления молекул для уменьшения количества молекул, сталкивающихся с поверхностью, может быть использован для создания силы как в динамическом, так и в статическом режимах.

Динамические приложения часто используются для перемещения твердого или жидкого материала по трубе или каналу, где более высокое атмосферное давление толкает материал в сторону более низкого давления в попытке выровнять давление с обеих сторон. Примеров, когда требуется движущая сила, множество: пневматическая передаточная трубка, фильтрация с вакуумным приводом или даже первое метро. В статическом смысле перепад давления часто используется для обеспечения условий фиксации на месте, например, в вакуумных патронах или прижимах. На рисунке 2 показан перепад давления в фунтах на квадратный дюйм в зависимости от давления.

Теплопередача

Теплопередача при атмосферном давлении осуществляется преимущественно либо за счет прямолинейного переноса при столкновениях молекул газа с молекулами, либо за счет конвекции молекулярного движения. Если два объекта с разными температурами поместить в камеру при атмосферном давлении, тепло начнет перетекать от более горячего к более холодному через молекулы газа; но если уменьшить давление, удалив часть молекул газа, расстояние между молекулами увеличится, а число столкновений молекул уменьшится, что приведет к уменьшению теплового потока.

Снижение теплопроводности теплоносителя (молекул газа) означает, что более горячий объект будет стремиться сохранить свое тепло. Если давление постоянно уменьшается, тепловой поток также будет постоянно уменьшаться. Таким образом, вакуум между горячим и холодным объектами становится теплоизолятором, причем степень изоляции определяется степенью вакуума (малости молекул) между ними. Этот изолирующий эффект вакуума имеет ряд практических применений.

Пожалуй, наиболее известна старинная колба Дьюара или бутылка-термос, показанная на рисунке 3, которая обычно используется для поддержания температуры или холода. Это легко приводит к другим применениям, например, к линиям передачи сжиженных газов, которые окружены кольцевой трубкой с вакуумом между трубками, чтобы тепло не достигало жидкости и не вызывало испарения.

Как и механические эффекты от перепада давления, теплопроводность может использоваться в качестве метода измерения давления, когда проволока нагревается приложением постоянной мощности, а тепловые потери проволоки определяются ее температурой, которая измеряется либо напрямую (термопара), либо по ее сопротивлению (манометр Пирани).

Те же эффекты, что и в случае с теплопроводностью, могут быть применены к звуковой или электрической изоляции с некоторыми специфическими сложными отличиями.

Испарение

Практически любой материал испаряется, если его достаточно нагреть, но вакуумные процессы, как правило, в основном связаны с испарением жидкостей. Жидкость, обладающая хоть какой-то летучестью при комнатной температуре, рано или поздно испарится при атмосферном давлении. С точки зрения практического процесса, раньше обычно лучше, чем позже, поэтому средства увеличения скорости испарения могут быть важны.

Поскольку при испарении молекулы жидкости покидают поверхность и не возвращаются обратно в виде жидкости, увеличение скорости испарения означает увеличение количества молекул, покидающих поверхность за определенное время.

При атмосферном давлении скорость потери будет относительно медленной из-за большого количества молекул непосредственно над поверхностью. Это означает, что испаряющаяся молекула, скорее всего, немедленно столкнется с молекулой газа, потеряет свою энергию и вернется в жидкое состояние. Однако если жидкость находится в камере, из которой в некоторой степени удален воздух, над поверхностью будет находиться меньше молекул. Это означает, что у испаряющейся молекулы будет меньше шансов столкнуться с молекулой газа, потому что молекул меньше, между ними больше пространства, и меньше молекул ударяется о поверхность жидкости.

Практическим примером может служить разница в температуре кипения воды в долине и на вершине горы. Когда жидкость закипает, она достигает критической точки, где тепло, подводимое к жидкости, мгновенно преобразуется в пар, поэтому температура жидкости не меняется. С увеличением высоты над уровнем моря давление снижается, поэтому молекул, препятствующих испарению, становится меньше, и испаряющимся молекулам требуется меньше энергии, чтобы преодолеть потери на столкновение с молекулами окружающего газа. На рисунке 4 показана разница в температуре кипения воды на разных высотах.

Практическим процессом в вакууме является вакуумная дистилляция, когда необходимо разделить две жидкости с разным давлением пара. Подача пленки жидкой смеси в вакуумированный контейнер при фиксированной температуре заставит или позволит наиболее летучей жидкости испариться при низкой температуре, поскольку для препятствования испарению будет доступно меньше молекул, чем при атмосферном давлении.

Отсюда следует, что быстрая дистилляция является практичным процессом. Следует понимать, что контейнер необходимо будет динамически перекачивать для поддержания пониженного давления, иначе вылетающие молекулы вскоре вызовут повышение давления, что приведет к снижению скорости испарения жидкости. Примером такого процесса может служить дистилляция масла для механических насосов, где необходимо удалить летучие компоненты с высоким давлением пара, прежде чем использовать его в вакуумном насосе.

Химические эффекты

Химические эффекты проявляются в большинстве случаев, когда химическая реактивность и свойства газов либо помогают, либо препятствуют процессу. Это часто касается не только конкретных газов, но и их соответствующих концентраций.

Удаление реактивных газов

Любой контейнер, камера или водопровод когда-то подвергались воздействию атмосферного воздуха. Перед использованием любого из них для содержания или передачи чистых технологических газов их необходимо эвакуировать, чтобы свести к минимуму вредное воздействие газов, находящихся внутри, до введения чистого газа. Если этого не сделать, то это будет похоже на заливку очищенного химического раствора в грязную мензурку. Степень чистоты требуемого газа будет определять предельный вакуум, который необходим, поскольку все остаточные газы будут считаться загрязняющими веществами.

Например, давление кислорода в 10-3 торр приведет к уровню загрязнения в 1 PPM, если контейнер будет заполнен чистым газом до атмосферного давления. Эта простая концепция остаточного давления газа может ввести в заблуждение, поскольку внутренние поверхности будут покрыты десорбирующими молекулами воды, которые поднимут уровень загрязнения до 10's PPM, когда поверхность уравновесится с чистым газом. Следовательно, при таком эффекте основное значение имеет общее количество молекул в контейнере.

На практике этот эффект можно проиллюстрировать на примере старинной лампы накаливания, из которой перед заполнением инертным газом удаляют воздух. Любой водяной пар или кислород, оставшийся в корпусе лампы перед засыпкой, становится химически активным загрязнителем, который вступает в реакцию с горячей вольфрамовой нитью во время работы и вызывает преждевременное перегорание.

Защита

Поскольку многие материалы подвержены химическим реакциям с воздухом, возникает необходимость удаления молекул из непосредственной близости от обрабатываемой поверхности. Единственный разумный способ сделать это - поместить материал в камеру и использовать атмосферу или ее отсутствие для защиты материала от химической реакции. В этом случае количество молекул химически активного газа, воздействующего на поверхность, будет иметь первостепенное значение.

В некоторых процессах камера эвакуируется по тем же причинам, о которых говорилось выше: после эвакуации камера заполняется инертным газом, чтобы удалить столько молекул химически активного газа, сколько требуется по условиям процесса. В других случаях весь процесс проходит под вакуумом, чтобы защитить материал от химической реакции.

Металлургические процессы являются яркими примерами, где печь может быть откачана, а затем снова заполнена инертным газом или водородом (восстановительная атмосфера), или весь термический процесс может осуществляться, пока камера находится в условиях динамической откачки. Фактически, такие процессы, как вакуумная пайка, часто представляют собой комбинацию, в которой печь после первоначального удаления воздуха предварительно нагревается, заполняясь водородом под давлением, а непосредственно перед достижением температуры пайки камера эвакуируется, а затем в ней происходит скачок температуры до температуры текучести паяльного сплава.

Комбинированное физическое и химическое воздействие

Тонкопленочные процессы являются ярким примером процессов, требующих сочетания физических и химических эффектов. Рассмотрим простой пример нитевидного испарения алюминия на подложку, как показано на рисунке 5. Скрученная вольфрамовая нить накаливания напрямую нагревается током высокой частоты до тех пор, пока алюминиевая скоба не расплавится и не смочит нить. Если молекулярная концентрация химически активных газов слишком высока, нить окисляется и перегорает. Кроме того, окисляется горячий алюминий. В этом случае на первый план выходит количество столкновений молекул активного газа с поверхностью. Хотя нагрев можно проводить в атмосфере инертного газа, это лишь часть всех требований к параметрам процесса.

Поскольку идея заключается в испарении молекул алюминия на подложку, необходимо обеспечить возможность попадания испаренного алюминия на подложку.

Если бы количество молекул между испаряющимся алюминием и подложкой было слишком велико, столкновения алюминия с молекулами газа были бы настолько велики, что алюминий, вероятно, не смог бы достичь подложки из-за потери энергии при столкновениях. Кроме того, немного меньшая концентрация молекул газа может легко вызвать такой разброс в концентрации испаряющегося алюминия, что пленка на подложке не будет иметь приемлемой однородности.

Выводы

Таким образом, очевидно, что все вакуумные процессы предъявляют особые требования к количеству остаточных молекул и, конечно, к их химической активности. Понимание причин этих молекулярных эффектов с точки зрения давления, числа молекул, расстояния между молекулами, числа молекулярных столкновений или числа столкновений молекул с поверхностью может привести к лучшему пониманию рассматриваемого процесса. Дальнейшее осмысление этих эффектов может привести к улучшению процесса, так как усовершенствования рассматриваются с учетом этих самых эффектов.

Кроме того, рассмотрение молекул может открыть лучшие пути для передачи понимания процесса.