Когда вакуум нельзя характеризовать концентрацией

Измерение вакуума в установках имеет свои особенности.

Для начала вспомним о градуировке вакуумметров. Концентрация п и давление Р связаны формулой Р = пкТ, где к — постоянная Больцмана, Т — температура. Уточним, что такое Т Это температура газа, а в вакуумной системе — это температура стенок. Энергия молекул определяется температурой стенок потому, что при многократных соударениях энергия молекул уравнивается с энергией молекул стенки. А если в вакуумной системе есть ионизационный вакуумметр с накаленным катодом? Тогда молекулы, которые летят от катода, имеют совсем другую энергию. Но катод маленький, молекул таких мало и эффект незаметен. А если в системе имеется большой криогенный насос? Получается, что часть стенок имеет одну температуру, а часть — другую. Средняя температура молекул газа получается заметно ниже, чем 20 °C, и вакуумметр, измеряющий на самом деле не давление, а концентрацию, показывает неправильное давление. Ничего плохого в этом нет, давление само по себе ничего не значит, надо только помнить, что желая определить в такой системе концентрацию молекул по давлению, надо пользоваться не средней температурой стенок, а по-прежнему 20 °C. Ибо при этой температуре калиброван вакуумметр. Но ситуация на самом деле сложнее.

Предположим, что газ поступает (рис. 62) с левой стенки и в основном сорбируется на правой. В камеру помещены четыре вакуумметра — три в корпусах, отверстия которых обращены в разные стороны (а, б, в), четвертый — бескорпусный (г). Он и покажет концентрацию молекул. Но открытый вакуумметр применить можно не всегда, а вакуумметры в корпусах будут давать разные показания. Вакуумметр а покажет больше (каждую из 4-х молекул, влетающих слева, он зарегистрирует дважды, ибо она и влетит, и вылетит); вакуумметр в покажет меньше; вакуумметр б покажет… трудно сказать, что он покажет.

Может быть, то же, что вакуумметр г — открытый.

Чтобы в таких системах вакуумметр в корпусе показывал правильно, применяют так называемые «хаотизаторы» — корпуса с большим количеством отверстий, одинаково впускающих молекулы со всех сторон. Однако вакуумметры в корпусах с отверстием с одной стороны позволяют измерять газ ©выделение с отдельных объектов в вакуумной камере; например, показания вакуумметра а на рис. 62 зависят от газового потока, идущего от левой стенки, а вакуумметра б — от правой. Заметим, что от левой стенки идет не только поток газ ©выделения, но и отраженные молекулы, пришедшие справа. Если расположить вакуумметр а близко к левой стенке, то он экранирует ее от потока, идущего справа, и будет показывать только собственное газовыделение стенки.

Вакуумная метрология — область, которая еще недавно казалась в значительной мере устоявшейся. Однако сейчас, и в основном в результате появления электрофизических установок с нехаотическим распределением молекул, со всякого рода излучениями и полями, с необходимостью измерения потоков, идущих от отдельных элементов системы, и с другими сложностями, вакуумная метрология увидела перед собой большие, интересные и, в том числе, не решенные пока еще задачи. Некоторые из них, может быть, дождутся и Вас, Читатель. Может быть, к тому времени возникнут и новые задачи. Они должны быть труднее, и, следовательно, интереснее.