Глоссарий по основам вакуумной техники

Абсолютный ноль — это минимально возможная температура, при которой, согласно теории, молекулы полностью теряют тепловую энергию и всякое молекулярное движение прекращается. Абсолютный ноль соответствует 0 К, что эквивалентно −273,15 °C или −459,67 °F. Это фундаментальное понятие термодинамики и физики.

Коэффициент аккомодации (или тепловой коэффициент аккомодации) — это мера теплопередачи при столкновении молекулы газа с твердой поверхностью. Значение может варьироваться от 1 (полная передача энергии) до 0 (энергия не передаётся, и молекула покидает поверхность с тем же уровнем энергии, с каким прибыла). Коэффициент аккомодации характеризует эффективность теплообмена между молекулой газа и твёрдым телом при столкновении.

Активные компоненты вакуумной системы — это элементы, которые обеспечивают движение газовых молекул. К ним относятся, прежде всего, вакуумные насосы. Насосы могут быть встроены в трубопроводы или даже в вакуумные камеры, по которым перемещаются молекулы. Пассивные компоненты включают трубы, клапаны, соединительные элементы и другие устройства, которые необходимы для функционирования системы, но не создают активного движения газа.

Адсорбция — это процесс, при котором молекула газа сталкивается с твёрдой или жидкой поверхностью и удерживается на ней. Время пребывания молекулы на поверхности зависит от величины переданной энергии. Важно различать адсорбцию и абсорбцию: адсорбция — это поверхностное удержание молекул, в то время как абсорбция — это проникновение молекул внутрь материала (например, воды в губку).

Давление, создаваемое атмосферой Земли. В вакуумной технике термин используется при описании воздействия атмосферы на вакуумную камеру, даже если давление не измеряется напрямую. Стандартное атмосферное давление, определённое Национальным консультативным комитетом по аэронавтике США в 1925 году, составляет 760 Торр (101 325 Па, или 1013,25 мбар, или 29,9213 дюйма рт. ст.) при 0 °C и уровне моря.

Атомно-силовая микроскопия — метод сканирующей зондовой микроскопии с разрешением до десятых долей нанометра. Основан на применении кантилевера с наноскопическим зондом, который перемещается вблизи поверхности образца. Силы взаимодействия между зондом и поверхностью вызывают отклонения, регистрируемые согласно закону Гука.

Метод измерения, позволяющий идентифицировать состав и парциальное давление отдельных компонентов газа в вакуумной камере. При наличии калибровки по конкретным газам может применяться как для качественного, так и для количественного анализа.

Базовое давление — это давление, достигаемое в вакуумной системе после продолжительной откачки. Под «продолжительной» обычно подразумевается период от 4 часов и более, предпочтительно от 24 до 100 часов. Базовое давление отличается от предельного давления, которое определяется непосредственно на входе высоковакуумного или сверхвысоковакуумного насоса и, как правило, ниже базового давления всей системы. В системах с несколькими насосами высокого или сверхвысокого вакуума базовое давление может быть ниже предельного давления отдельного насоса.

Элемент вакуумной системы, обеспечивающий передачу движения, электрического тока, жидкости, света, тепла и т. д. внутрь или наружу вакуумной камеры без нарушения герметичности. Может быть герметичным (при использовании металлических уплотнений) или частично проницаемым (при применении эластомеров, способствующих проникновению газов).

Вероятность того, что нейтральная молекула газа потеряет электрон и станет ионом при столкновении с энергичным электроном. Зависит от типа молекулы и кинетической энергии электрона. Является ключевым параметром при работе ионизационных датчиков.

Время, необходимое для образования полного мономолекулярного слоя на поверхности. Зависит от плотности молекул, коэффициента прилипания (sticking coefficient), интенсивности потока молекул и угла их падения на поверхность.

Способность воспроизвести измерение на разных установках при схожих условиях. Отличается от прецизионности, которая относится к стабильности повторных измерений на одной установке.

Среднее время, в течение которого молекула удерживается на поверхности после адсорбции до десорбции в газовую фазу. Зависит от температуры, природы газа и поверхности.

Время, необходимое для снижения давления в системе от атмосферного до заданного уровня. Может означать как достижение базового давления, так и рабочего давления перед процессом (например, перед наполнением газом в установке напыления).

Идеальный вакуум — пространство, полностью свободное от молекул газа. В техническом смысле — пространство с плотностью молекул значительно ниже атмосферной, где средняя длина свободного пробега или время образования мономолекулярного слоя позволяют проводить заданный процесс.

Любой элемент, необходимый для функционирования вакуумной системы или проведения вакуумного процесса. Обычно имеет значительную площадь поверхности, обращённую в вакуум.

Органическая или неорганическая жидкость с низким давлением насыщенного пара, устойчивостью к химическим и термическим воздействиям. Применяется как смазка или уплотнитель, включая масла для вакуумных насосов.

Прибор для измерения давления ниже атмосферного, использующий физические свойства газа, интерпретируемые через алгоритмы, для определения молекулярной плотности.

Отличается от вакуумных смазок, используемых в насосах. Применяется для уплотнения соединений (например, O-кольца), снижая усилие, необходимое для обеспечения герметичности. Не рекомендуется наносить на поверхности, контактирующие с вакуумом.

Изоляционные панели, использующие вакуум внутри для минимизации теплопроводности за счёт исключения молекулярных столкновений. Применяются в строительстве, как альтернатива традиционным утеплителям. Изготавливаются в стандартных размерах.

Последовательность операций, выполняемых с применением вакуумной системы для получения измерений, материалов или обработки поверхностей.

Компонент, перемещающий молекулы газа из области низкого давления в область высокого давления. Классифицируются по рабочему диапазону:

• Низкий вакуум: от атмосферного до ~10⁻³ Торр
• Высокий вакуум: от 10⁻³ до 10⁻⁸ Торр
• Сверхвысокий вакуум: ниже 10⁻⁸ Торр

Комплекс, предназначенный для выполнения вакуумного процесса. Включает вакуумную камеру, насос(ы), трубопроводы и вспомогательные элементы. Различаются по давлению, размеру, сложности и назначению.

Область знаний и практических навыков, необходимых для объяснения, создания и проведения процессов и измерений при условиях преднамеренно пониженного (субатмосферного) давления.

Источник газа внутри вакуумной камеры, возникающий из-за скрытого объёма, содержащего захваченные молекулы, которые медленно просачиваются в вакуум. Выявление таких течей требует специальных методов диагностики.

Режим газового потока, при котором молекулы преимущественно взаимодействуют друг с другом, а не с поверхностями системы. Противопоставляется молекулярному течению.

Постоянная (R) в уравнении состояния идеального газа, связывающая давление (P), объём (V), температуру (T) и количество молекул (n) газа:

PV = nRT

Для давления в Торр, объёма в литрах и температуры в Кельвинах R ≈ 1 × 10⁻²² Торр·л/(молекула·К).

Математические зависимости, установленные с XVII по XIX век, описывающие связь между объёмом, давлением, температурой и числом молекул газа. Основные законы включают законы Бойля, Шарля, Авогадро и уравнение состояния идеального газа.

Суммарное количество газа, поступающего в вакуумную систему из всех источников: обратный поток, диффузия, десорбция, проникновение через материалы, испарение, ввод целевых газов и утечки. В хорошо спроектированных и обслуживаемых системах нагрузка минимизируется, но полностью не устраняется.

Одна из форм агрегатного состояния вещества наряду с жидкостью, твёрдым телом и плазмой. В газовой фазе тепловое движение частиц превышает силы сцепления между ними.

• Газ — вещество при температуре выше критической: его невозможно сконденсировать лишь повышением давления (например, N₂).
• Пар — газообразное вещество ниже критической температуры: может быть конденсировано увеличением давления без охлаждения.

Процесс выделения молекул газа, ранее слабо удерживаемых на поверхности или внутри материала (в порах, трещинах), а также диффундировавших из объёма материала. Синоним — поверхностная десорбция. Газовыделение является значимой частью общей газовой нагрузки вакуумной системы. Предусмотрены меры по его снижению (например, термообработка, выбор материалов).

Вакуумная техника рассматривает диффузию как перемещение газов внутри твёрдых тел, например водорода в нержавеющей стали или гелия в уплотнительных кольцах. Это один из четырёх этапов проникновения газа:

• адсорбция на поверхности
• абсорбция внутрь материала
• диффузия через толщу материала

Мелкие молекулы (водород, гелий) могут диффундировать через зёрна или вдоль границ зёрен. В зависимости от требований к остаточному давлению, могут потребоваться меры по снижению диффузии. Является частью общего газовыделения поверхности.

Процесс перемещения молекул газа через другую среду — газ, жидкость или твёрдое тело. Скорость диффузии зависит от размера молекулы и её растворимости в материале. Например, водород хорошо растворяется в расплавленной стали, что приводит к содержанию атомарного водорода внутри металла значительно выше, чем в окружающем воздухе. Атомарный водород диффундирует через металл, восстанавливаясь на поверхности до молекулярной формы и десорбируя в атмосферу. Скорость диффузии зависит от температуры — ускоряется при нагреве и замедляется при охлаждении.

Насос для создания высокого вакуума, работающий на основе направленного потока паров тяжелого вещества (например, ртути, минерального или синтетического масла), создаваемого путём нагрева. Поток горячих паров выбивает газовые молекулы в направлении выхлопа насоса. Термин «диффузия» в данном контексте не совсем точен — молекулы газа не проникают в поток паров, а сталкиваются с ними, как с горячими «шарами», и направляются к форвакуумному отверстию. Для работы диффузионного насоса требуется вспомогательный (форвакуумный) насос, поддерживающий давление на входе в пределах допустимого (ниже давления перехода насоса).

Процесс, при котором высокоэнергетичный электрон сталкивается с поверхностью и вызывает десорбцию молекулы, ранее удерживавшейся на поверхности.

Давление пара вещества, находящегося в термодинамическом равновесии с жидкой или твёрдой фазой в замкнутом объёме. Это давление определяет, при какой температуре вещество начинает испаряться или конденсироваться.

Разные материалы имеют различную проницаемость. При выборе материалов для высоко- и сверхвысоковакуумных систем это критический параметр.

Датчик давления, основанный на зависимости теплопередачи от газа к горячей нити. С изменением температуры нити меняется её сопротивление, что интерпретируется как давление. Изобретён немецким физиком Марчелло Пирани (1880–1968). Благодаря простоте интеграции стал широко применяться в вакуумных системах.

Регулируемый вакуумный клапан, позволяющий частично ограничить поток газа между камерой и насосом, тем самым регулируя скорость откачки. Может быть ручным или автоматическим (в связке с датчиками давления).

Вакуумный датчик, измеряющий давление на основе изменения электрической ёмкости при деформации мембраны. Также называется капацитивным манометром или (в разговорной форме) «CapMan».

Механический вакуумный насос, в котором для герметизации зон сжатия газа используется жидкость (чаще всего масло). Жидкость снижает потери при сжатии, характерные для «сухих» насосов с малыми зазорами между лопатками или поршнями.

• Жидкий азот (LN₂) — молекулярный азот в жидкой фазе. Температура кипения составляет примерно 77 К (−196 °C). Относится к криогенам, поскольку температура его кипения ниже 125 К. Получают путём охлаждения атмосферного азота до точки конденсации.

Насос, удаляющий газ из вакуумной системы путём физико-химического улавливания молекул. Используются термические, механические или химические методы. Примеры: крионасосы, системы Polycold (термический принцип), геттерные насосы (химическая реакция или растворимость). Газовые молекулы могут конденсироваться (например, водяной пар превращается в лёд) или улавливаться в пористых структурах, таких как активированный уголь или цеолиты. Захватывающие насосы ограничены по ёмкости и не подходят для непрерывной эксплуатации.

Определяет напряжение пробоя (возникновения электрического разряда) между двумя электродами как функцию давления, расстояния между электродами и типа газа. Результаты выражаются в виде кривых Паскена для различных газов.

Область вокруг сварного шва, которая в процессе сварки подверглась тепловому воздействию, достаточному для изменения механических или химических свойств металла или сплава.

Ионный манометр Байярда–Альперта — это ионизационный датчик с горячим катодом, в котором используется разогретая нить (обычно из вольфрама) для эмиссии термоэлектронов, ионизирующих газовые молекулы внутри головки датчика. Разработан в 1950-х годах, он обеспечивает измерения более низкого давления по сравнению с ранними моделями ионизационных датчиков. Назван в честь американских физиков Р.Т. Байярда и Д. Альперта.

Процесс, при котором молекулы твёрдого или жидкого вещества, нагреваемого до испарения, переходят в газовую фазу и затем конденсируются на более холодной поверхности, образуя твёрдую плёнку.

Теоретическая модель газа, в которой молекулы взаимодействуют только через упругие столкновения. При низких давлениях реальные газы приближаются к поведению идеального газа. Уравнение:

PV = nRT,

где P — давление, V — объём, T — температура, n — количество молекул, R — универсальная газовая постоянная.

Вакуумметр, измеряющий давление на основе ионного тока, возникающего при столкновениях ионизированных молекул газа с коллектором. Внутри головки датчика создаются энергичные электроны, которые ионизируют газ. Полученные ионы направляются к ионному коллектору, а регистрируемый ток интерпретируется через алгоритм в значение давления.

• Различают:
• Ионизационные вакуумметры с горячим катодом (Hot Cathode Gauge) — электроны испускаются с нагретой нити (термоэмиссия)
• Ионизационные вакуумметры с холодным катодом (Cold Cathode Gauge) — создаются разрядом между катодом и анодом при комнатной температуре.

• Группа 18 периодической таблицы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. Одноатомные газы, не имеющие цвета, запаха, не поддерживают горение и химически инертны (слабо реагируют с другими веществами).

Классический ионизационный манометр, у которого измерительные элементы размещены внутри головки датчика, подключённой к измеряемому объёму через порт и трубопровод.

Модифицированный ионизационный датчик с горячим катодом, в котором измерительные электроды находятся непосредственно в вакуумной среде, что снижает теплопроводные потери и повышает точность измерений по сравнению с закрытыми датчиками.

Нарушение герметичности вакуумной камеры, при котором существует прямой канал поступления воздуха внутрь. Важно отличать от виртуальных утечек. Требует точной локализации.

Метод вакуумного нанесения покрытий, при котором ионизированный газ (обычно Ar) разгоняется электрическим полем и бомбардирует мишень (sputter target), выбивая из неё атомы, осаждающиеся на подложке.

Элемент электрической цепи, обладающий избытком отрицательного заряда (электронов). В вакуумной технике катоды применяются в составе ионизационных манометров, источников напыления и распылительных катодов. При наличии анода и напряжения, катод служит источником электронов для ионизации газа или распыления материалов.

Неметаллический неорганический материал, состоящий из кристаллических или поликристаллических зерен, сформированных под воздействием давления и/или температуры. Керамика используется в вакуумной и электронной технике благодаря своим изоляционным свойствам, высокой термостойкости, механической прочности и технологичности.

Вакуумная камера — это герметичный объём, подключенный к вакуумной системе и предназначенный для проведения технологических процессов или исследований. Изготавливается из нержавеющей стали, алюминия, стекла или специальных сплавов и полимеров. Размеры варьируются от микроскопических (например, герметичные корпуса ИК-детекторов) до масштабных (например, камера реактора ITER во Франции). Используется в таких процессах, как напыление тонких плёнок, электронно-лучевая сварка, нанометровый анализ поверхности и др.

Конденсация — это переход молекул газа в жидкое или твёрдое состояние. Обычно достигается путём отвода тепловой энергии (охлаждением) или увеличением давления. При достижении критической температуры или уровня энергии силы межмолекулярного притяжения начинают преобладать, и молекулы объединяются в более плотные фазы — жидкость или твёрдое тело.

Конвекция — также форма теплообмена, но в отличие от теплопроводности, включает перемещение вещества (газа, жидкости, твёрдого тела). Пример — принудительное перемешивание воздуха в системе кондиционирования. Конвекция возникает, когда теплота передаётся за счёт движения среды.

Тип вакуумметра с горячей нитью, в котором учтены и компенсированы тепловые потоки, возникающие при нагреве корпуса. Компенсирующие элементы, например нагреватель, предназначены для стабилизации температуры и снижения градиентов вдоль нити.

В вакуумной технике косинусное распределение (по закону Ламберта) описывает угловое распределение молекул, десорбирующихся или отражающихся от твёрдой поверхности. Вероятность десорбции максимальна по нормали (под углом 90° к поверхности) и уменьшается с отклонением от неё. Распределение используется для моделирования молекулярного потока и плотности плазмы, например, при нанесении покрытий.

Термин не имеет строго научного определения, однако в вакуумной технике криоадсорбция означает улавливание молекул газа на поверхности, охлаждённой до криогенных температур (ниже 125 К или −148,15 °C). Это классический процесс адсорбции, но происходящий при экстремально низких температурах.

Продолжение процесса криоадсорбции, при котором газовые молекулы, достигшие поверхности, охлаждаются до такой степени, что переходят в жидкое или твёрдое состояние. Это обусловлено ван-дер-ваальсовыми (дипольными) взаимодействиями, и молекулы надолго задерживаются на холодной поверхности.

Вакуумный насос, использующий холодные поверхности для улавливания газовых молекул путём криоадсорбции, криоконденсации и/или криосорбции. Часто имеется в виду насос, работающий на замкнутом цикле охлаждения с использованием жидкого или газообразного гелия.

Не существует универсально признанного температурного диапазона, определяющего криогенику. Согласно Американскому криогенному обществу, верхняя граница составляет 125 К (−148,15 °C). Ниже этой температуры начинают конденсироваться такие газы, как азот, кислород и метан.

Процесс, при котором молекулы газа, охлаждённые до низкой температуры, замедляются и захватываются поверхностью с микропористой структурой (например, активированным углём или цеолитами). Эти поры соизмеримы по размеру с молекулами, что способствует значительному увеличению времени пребывания молекул на поверхности по сравнению с обычной (плоской) адсорбцией.

Коэффициент теплового расширения характеризует изменение размеров твёрдого тела при изменении температуры. Обычно указывается в мм/м·К или мкм/м·10⁶/К и показывает, насколько удлиняется (в микрометрах) один метр материала при изменении температуры на 1 К (или 1 °C).

Металлическая чашка, предназначенная для улавливания заряженных частиц в вакууме с минимизацией отражения или генерации новых зарядов. Используется, например, в системах анализа остаточных газов.

Разработка Вольфганга Геде (1878–1945), включающая не менее трёх типов вакуумных насосов: диффузионный, молекулярно-инерционный и прототип современного ротационно-пластинчатого насоса.

Физическая модель и математическое описание поведения молекул в газах. Основные постулаты:

Вещество состоит из частиц, находящихся в постоянном движении.

Частицы малы по объёму и находятся на значительном расстоянии друг от друга.

Частицы движутся по прямым траекториям до столкновения.

Также известна как кривая пропускной способности или кривая эвакуации. График зависимости скорости откачки от давления. Отражает производительность насоса в зависимости от плотности газа. Приводится производителем насоса.

Прибор для анализа состава газовой среды. Ионизирует молекулы, разделяет их по массе/заряду с помощью квадрупольного фильтра, регистрирует с помощью детектора (например, чашки Фарадея). Обеспечивает как качественный, так и количественный анализ, если откалиброван.

Отношение числа молекул, оставшихся на поверхности после столкновения, к общему числу столкнувшихся молекул. Значение от 0 до 1. Если все молекулы прилипают — коэффициент = 1. Обычно значительно меньше единицы и зависит от природы газа, поверхности и температуры.

Тип течения, при котором частицы газа движутся упорядоченно, слоями, без перемешивания между слоями. Скорость движения частиц минимальна у стенок трубопровода. Описывается уравнениями гидродинамики при низких числах Рейнольдса (Re < 2300). Преобладает при высоких давлениях.

Манометр, измеряющий давление по отклонению тонкой мембраны, вызванному разностью давления с обеих сторон. Отклонение мембраны используется как косвенный индикатор давления. Мембраны применяются в различных типах вакуумметров: Бурдона, стрелочных, капацитивных и пьезорезистивных.

Насос, переносящий молекулы газа за счёт многократных столкновений с вращающимися пластинами с малыми зазорами. Молекулы, адсорбированные на поверхности, многократно сталкиваются с движущимися элементами и направляются в сторону выхлопа. Насос работает без смазочных жидкостей («сухая зона»). Часто комбинируется с турбомолекулярными насосами в единый модуль (турбо-инерционный насос), совмещая преимущества обоих типов.

• Газ — одно из четырёх агрегатных состояний вещества. Газ состоит из атомов и/или молекул, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Молекула газа может быть одноатомной (например, Ar) или состоять из нескольких атомов (например, H₂O).

В вакуумной технике магнетрон — устройство, создающее и направляющее поток электронов (например, за счёт эффекта Пеннинга) с помощью локализованного магнитного поля. Используется в катодах для ионного распыления и ионизационных датчиках с холодным катодом. Совмещает электрическое и магнитное поля для управления движением заряженных частиц.

Тип вакуумметра, измеряющего давление по отклонению поверхности (твёрдой или жидкой), вызванному импульсной передачей энергии от газовых молекул. Малочувствителен к составу газа. При определённых условиях может применяться как первичный эталон давления. Изобретён итальянским учёным Торричелли в 1640-х годах.

Масса молекул газа, проходящая через определённое сечение (например, отверстие) за единицу времени. Является газоспецифичной величиной и требует сложных расчётов для смесей. В вакуумной технике часто выражается в ед. давления × объём / время (например, Торр·л/с). См. также: Пропускная способность (Throughput).

Распространённая в вакуумной технике внесистемная единица давления. 1 мбар = 1/1000 бара = 100 Па = 1000 дин/см² ≈ 0,7506 Торр. Один бар равен 1 атмосфере. Для приближённых расчётов удобно считать:

1 мбар ≈ 1 Торр.

Технология очистки твёрдых поверхностей (например, кремниевых пластин) с использованием ультразвука сверхвысокой частоты (200–1000 кГц) в жидкой среде (растворителе). В отличие от традиционной ультразвуковой очистки (20 кГц), мегазвук создаёт меньшие кавитационные пузырьки, которые менее агрессивны и эффективнее удаляют частицы субмикронного размера. Толщина граничного слоя при этом снижается с 2,5 мкм до 0,3 мкм, что улучшает очистку. Волны также создают потоки, препятствующие повторному осаждению частиц.

Количество атомов или молекул газа в заданном объёме (обычно в см³). Например, при стандартной температуре (273,15 К) и давлении (760 Торр или 101 325 Па) в 1 см³ воздуха содержится около 2,4 × 10¹⁹ молекул. Давление и молекулярная плотность связаны прямо пропорционально.

Один из трёх основных режимов движения газа в вакууме. В молекулярном режиме молекулы взаимодействуют преимущественно с поверхностями, а не друг с другом. Возникает при давлениях ниже 10⁻⁴ Торр (в зависимости от геометрии системы), когда средняя длина свободного пробега молекул превышает размеры канала. Противоположностью является вязкий режим, при котором преобладают столкновения между молекулами (обычно при давлениях около 10⁻³ Торр).

Физико-математическое представление, согласно которому вещество состоит из мелких частиц (атомов или молекул), находящихся в постоянном движении и взаимодействующих друг с другом.

Слой молекул, уложенных на поверхности в один ряд, при минимальном расстоянии между ними. Предполагается, что на 1 см² поверхности может быть адсорбировано около 10¹⁵ молекул. Это количество и определяет мономолекулярный слой.

Тип меди, используемой в вакуумной технике, обладающий высокой электропроводностью и устойчивостью к водородному охрупчиванию. Содержит минимальное количество кислорода, фосфора и бора. Очень чистый металл с уровнем загрязнений следовыми металлами порядка 1 части на миллион.

Пористый материал (чаще всего цеолит), предназначенный для селективной адсорбции молекул определённого размера. Используется для очистки газа и улавливания влаги. Поры имеют размер в пределах ангстремов и нанометров.

Междисциплинарная область, изучающая взаимосвязь между структурой, составом и свойствами материалов. Объединяет физику, химию и инженерное материаловедение. Исследует, как синтез, состав и микроструктура определяют такие характеристики, как твёрдость, прочность, теплопроводность и электропроводность.

Класс насосов, в которых твёрдый элемент или поток паров передаёт направленный импульс молекулам газа. Пример — турбомолекулярный насос, где вращающиеся лопатки придают молекулам поступательное движение к выхлопу.

Тип насоса, который захватывает объём газа у входа и механически перемещает его к выходу. Используются поршни, мембраны, лопасти, кулачки и другие механизмы. Сжатие газа происходит в процессе перемещения между входом и выходом. В отличие от турбомолекулярных и крионасосов, использующих другие физические принципы.

Обратная миграция — движение частиц, газов или жидкостей по поверхности элементов вакуумной системы в направлении, противоположном запланированному потоку. Для предотвращения используются ловушки, механические или конструктивные решения и специальные материалы.

Обратный поток — перемещение газов, паров или жидкостей по объёму вакуумной системы в направлении, противоположном направлению откачки. Отличается от обратной миграции, которая происходит по поверхности. Характерен для паров, например, масляного тумана от форвакуумных насосов (ротационно-пластинчатых), а также для диффузионных насосов. Применяются ловушки и конструктивные меры для предотвращения обратного потока.

Нестабильная молекула из трёх атомов кислорода, встречающаяся в атмосфере Земли. Используется в вакуумной технике благодаря высокой окислительной способности, особенно для безостаточной очистки и в процессах реактивного осаждения тонких плёнок (включая атомно-слоёвое осаждение).

Клапан, пропускающий поток только в одном направлении. Открывается при превышении заданного давления. Используется в вакуумных системах, например при горячем прессовании, где возможно интенсивное газовыделение и возникновение избыточного давления. Поскольку вакуумные камеры обычно не сертифицированы как напорные сосуды, они оснащаются предохранительными клапанами, открывающимися при давлении чуть выше атмосферного (например, при 1 psi ≈ 70 мбар).

Процесс снижения давления в камере от атмосферного до заданного базового уровня и время, необходимое для этого.

• Обороты в минуту — единица измерения угловой скорости вращения.

Набор условных обозначений, разработанных Американским вакуумным обществом, для обозначения элементов вакуумной системы (насосов, датчиков, клапанов и т. п.). Применяется в схемах и проектной документации.

Объём газа, проходящий через заданную плоскость в течение определённого времени. Единицы измерения: объём/время (например, л/с). См. также «Скорость откачки».

• Проводимость — характеристика, описывающая способность элемента (например, трубы или клапана) пропускать газовый поток. Эмпирически определяется по перепаду давления между входом и выходом элемента. Формула:

C = Q / (P₁ − P₂),

где C — проводимость, Q — газовая нагрузка, P₁ − P₂ — перепад давления.

Проводимость зависит от формы канала, его поперечного сечения, длины, шероховатости поверхности, материала и температуры. Проводимость не является постоянной величиной — она меняется в зависимости от давления и режима течения газа. Это ключевая характеристика вакуумных компонентов, определяющая способность проводить газ.

• Совокупные затраты на владение вакуумной системой или её компонентами, включая: проектирование, приобретение, монтаж, эксплуатацию, техническое обслуживание и последующую замену.

Тип механического привода, при котором электродвигатель напрямую соединён с насосом через жёсткий вал или передаточный механизм. В этом случае ротор насоса вращается с той же или кратной скоростью, что и двигатель.

Объём вакуумной камеры или компонента (в литрах или кубических футах), не занятый твёрдыми предметами. Этот объём доступен для газов.

Проводимость — это способность газа перемещаться через элементы вакуумной системы (например, трубки). Проводимость зависит от формы, поперечного сечения и длины канала. Проводимость по длине — это величина, характеризующая влияние удлинённого трубчатого участка на общее сопротивление потоку по сравнению с одиночным отверстием. Рассчитывается как отношение объёмного расхода газа (S) к перепаду давления (ΔP):

• C = S / ΔP, где C — проводимость (л/с). Часто рассчитывается с использованием приближённых формул.

Способность газа проходить через плоскость с отверстием, не имеющим толщины. Является частью общей проводимости трубки, включающей два отверстия и соединяющий их цилиндр. Проводимость рассчитывается приближённо в л/с и зависит от размера отверстия.

• Давление, создаваемое отдельным компонентом газовой смеси. Суммарное давление — это сумма парциальных давлений всех компонентов. Пример: в атмосфере Земли при 760 Торр — N₂: 593 Торр, O₂: 159 Торр, Ar: 7 Торр (в сумме ≈ 99,9 % состава воздуха).

Единица давления в системе СИ. 1 Па = 1 Н/м². Стандартная атмосфера равна 101 325 Па. Названа в честь Блеза Паскаля (1623–1662), французского математика, внёсшего вклад в исследования вакуума и расширившего опыты Торричелли.

Компоненты вакуумной системы (трубопроводы, клапаны, отводы), которые обеспечивают соединение и прохождение газа, но не создают движение молекул и не измеряют параметры среды. Ср.: активные компоненты.

Процесс прохождения молекул газа, пара или жидкости через материал. Включает четыре стадии:

• адсорбция на поверхности
• абсорбция
• диффузия через материал

• Происходит от греческого слова piezein — «сжимать». Способность некоторых материалов изменять электрическое сопротивление или генерировать электрический заряд при механическом воздействии и наоборот.

В вакуумной технике пьезоэлектрический эффект используется в датчиках давления, где изменение давления вызывает деформацию кремниевого кристалла и, как следствие, изменение сопротивления. Также применяется в системах энергосбора, где механическое сжатие генерирует напряжение.

• Степень воспроизводимости измерения — насколько близки друг к другу результаты повторных измерений при одинаковых условиях. Отличается от точности. Прецизионность не требует близости к истинному значению, только стабильность результатов.
• Точность (accuracy) — это близость к эталонному значению, калиброванному по первичному стандарту.

Объединения специалистов с целью развития конкретной отрасли науки или техники, обмена знаниями и поддержки профессионального сообщества. Примеры для области вакуума:

• ASA (American Standards Association) — с 1969 года входит в состав ANSI (American National Standards Institute), штаб-квартира — Вашингтон, США.

Линия, соединяющая вакуумную камеру с форвакуумным насосом. Предназначена для откачки газа при высокой молекулярной плотности. Может использоваться как отдельная система или совместно с высоковакуумными насосами (турбо- или диффузионными), обеспечивая откачку в форвакуумной линии до допустимого уровня (~1 Торр).

Твёрдое вещество, электропроводность которого находится между проводником и диэлектриком. Применяется в электронике и вакуумной технике (например, в микросхемах, сенсорах и др.).

Совокупность проводимостей компонентов, установленных последовательно в потоке газа. Каждое звено ограничивает поток, и общий эффект на сопротивление складывается. Общая проводимость системы меньше проводимости любого из компонентов.

Перемещение адсорбированных молекул по поверхности после их первоначального прилипания. Характерна для многих процессов в вакуумной технике и влияет на перераспределение загрязнений и молекул.

• Выход молекул, адсорбированных на поверхности, в газовую фазу. Основной компонент — вода. Измеряется как массовый расход в ед. давления × объём / время, например: Торр·л/с.

Количество молекул, проходящих через поперечное сечение в единицу времени. Единицы измерения — давление × объём / время, например, Торр·л/с. См. также: массовый расход (Mass Flow Rate).

Режим движения газа в вакуумной системе между вязким и молекулярным. Соответствует числу Кнудсена от 0,1 до 10. В этом режиме наблюдается смешанный характер течения: как молекулярный, так и вязкий, включая турбулентные компоненты.

Термины «паровая фаза» и «газовая фаза» часто используются как синонимы, однако между ними есть техническое различие.

• Паровая фаза — состояние вещества, находящегося в газообразной форме, но при температуре ниже критической. Такое вещество можно сконденсировать, повысив давление.
• Газовая фаза — вещество в газообразном состоянии при температуре выше критической, которое невозможно сконденсировать лишь за счёт повышения давления. Пример: азот (N₂) при комнатной температуре не может быть сжижен путём увеличения давления.

Передача вращения от двигателя к роторному элементу с помощью шкивов и эластомерного ремня. Характерен для устаревших конструкций механических насосов.

Состояние, при котором давление и молекулярная плотность снижаются, а средняя длина свободного пробега возрастает. При крайнем разрежении MFP значительно превышает размеры камеры.

Гибкий элемент вакуумной системы с гофрированными стенками (аккордеонного типа), способный изгибаться, сжиматься и растягиваться, сохраняя при этом герметичность между внутренней и внешней зонами. Применяется для соединения вакуумных элементов, где требуется компенсация перемещений или виброизоляция.

Понятие используется в масс-спектрометрии остаточных газов. При столкновении молекул (например, H₂O) с ионизирующим электроном возможен их распад на составляющие: H, H₂, O, O₂ и т. п. Анализ характерных подпи́ков позволяет идентифицировать молекулы с одинаковой массой (например, N₂ и CO), различая их по фрагментам.

Сосуд, колба или вакуумный термос с двойными стенками и вакуумным изоляционным пространством между ними. Применяется для хранения и транспортировки криогенных жидкостей, таких как жидкий азот или гелий. Изобретён в 1892 году шотландским учёным сэром Джеймсом Дьюаром.

Вакуумный насос, не использующий жидкости (масло, воду и т. п.) в механизме откачки и сжатия. Это исключает или минимизирует возможность попадания масла или его паров в откачиваемый объём и предотвращает обратный поток в вакуумную камеру.

Средняя дистанция, которую проходит молекула газа в вакуумной системе до столкновения с другой молекулой. Обратно пропорциональна давлению: при снижении давления и плотности газа MFP увеличивается.

Скорость отдельных молекул или группы молекул газа при заданной температуре и плотности. Зависит от массы молекулы и других характеристик. Распределение скоростей подчиняется распределению Максвелла.

• Примеры:

– Средняя скорость молекулы N₂ при нормальных условиях — около 475 м/с.

– H₂ — около 2000 м/с.

• Формула для расчёта средней скорости:

V_avg = √(8kT / πm),

где k — постоянная Больцмана, T — температура (К), m — масса молекулы.

Объём газа, проходящий через сечение в системе за единицу времени. Единицы измерения: л/с, м³/ч и т. д. Скорость зависит от давления, и данные производителей следует интерпретировать с учётом условий.

Показатель повышения давления во времени при изолированной от насосов вакуумной камере. Используется для оценки утечек, чистоты или загрязнения системы.

Один из способов выражения скорости движения газовых молекул.

V_RMS = √(3kT / m),

где k — постоянная Больцмана, T — температура в К, m — масса молекулы.

Значение V_RMS чуть больше средней скорости V_ave.

Сухой механический вакуумный насос, использующий две взаимно зацепленные спирали для сжатия газа. Газ перемещается от входа к выходу в форме серповидной полости, без использования масла.

Международная система единиц, принятая во всём мире как стандарт измерений. Включает такие единицы, как метр, килограмм, секунда, паскаль и др.

Математическое и статистическое описание поведения большого числа частиц (молекул) в системе. Применяется для расчёта макроскопических свойств на основе микроскопических характеристик.

Неподвижные лопатки в турбомолекулярном насосе, чередующиеся с роторами и направляющие поток молекул для повышения эффективности откачки.

Параметр, характеризующий шероховатость металлической поверхности после окончательной механической или химической обработки. Влияет на адсорбцию, газовыделение и эффективность откачки.

Точность измерения — это степень соответствия результата измерения истинному значению, полученному, как правило, при контролируемых условиях с использованием откалиброванного (эталонного) прибора. Точность не следует путать с воспроизводимостью (прецизионностью). Прецизионность — это степень повторяемости результата при многократных измерениях. Измерение может быть прецизионным, но не точным, если оно стабильно отклоняется от истинного значения.

Трубка Бурдона — чувствительный элемент манометра, выполненный в виде изогнутой (полукруглой) металлической трубки овального сечения с одним закрытым концом. При изменении давления трубка деформируется, изгибаясь. Движение свободного конца передаётся стрелке на шкале прибора. Такие манометры дешевы, широко распространены, но не отличаются высокой точностью.

В контексте теплообмена теплопроводность — это передача тепла от более тёплых участков к более холодным без перемещения вещества. Характерна для твёрдых тел, где молекулы плотно упакованы, и тепловая энергия передаётся за счёт колебаний от одной молекулы к соседним. Применима также к жидкостям и газам, но менее эффективна.

Режим течения газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул (МФП) сравнима с характерными размерами системы (например, внутренним диаметром трубы). Назван в честь датского учёного Мартина Кнудсена. Применим в условиях высокого и сверхвысокого вакуума.

Обобщённое обозначение вакуумметров, принцип действия которых основан на тепловых свойствах газа. Обычно изменение температуры нагретой нити из-за столкновений с молекулами газа интерпретируется как изменение давления.

Излучение электромагнитных волн телом в зависимости от его температуры. Все тела с температурой выше 0 К излучают. В условиях глубокого вакуума (ниже 10⁻⁴ Торр) становится основным механизмом теплообмена.

Разновидность теплового вакуумметра, в котором температура нагретой нити измеряется термопарой. Изменение температуры интерпретируется как изменение давления.

Широко используемая (но не входящая в СИ) единица давления, равная 1 мм рт. ст. Названа в честь Эванджелисты Торричелли (1608–1647). 1 атмосфера = 760 Торр. Основная единица давления в американской вакуумной практике.

Тип высоковакуумного насоса, сочетающий турбомолекулярную и молекулярно-инерционную (drag) ступени. Ступень drag обеспечивает лучшую компрессию, чем чисто турбомолекулярная, особенно при более высоком давлении. Насос способен работать при более высоком давлении на выхлопе и имеет расширенную характеристику скорости откачки.

Тип высоковакуумного насоса, использующего чередование быстро вращающихся и неподвижных лопаток, ориентированных по косинусному закону десорбции. Направляет молекулы от зоны высокой плотности к зоне низкого давления (выхлоп / форвакуумная линия).

Подрежим вязкого течения, при котором молекулы газа движутся беспорядочно, с хаотичными колебаниями скорости и направления. Возникает при числе Рейнольдса Re > 3500. Вакуумная система в турбулентном режиме испытывает частые столкновения молекул друг с другом и со стенками. Предсказательная математическая модель затруднена.

Все вакуумные системы в той или иной степени подвержены утечкам — поступлению газа через дефекты конструкции. Утечка — это компонент газовой нагрузки, вызванный проникновением молекул через разрывы, трещины, негерметичные уплотнения и т. п. Также включает «виртуальные утечки» — выделение газа из замкнутых объёмов внутри конструкции. Проникновение через эластомеры (O-кольца) также рассматривается как утечка.

Разгрузочный трубопровод высоковакуумного насоса (например, диффузионного, турбомолекулярного или молекулярно-инерционного). Давление в форвакуумной линии должно поддерживаться ниже определённого предела (обычно — давления переключения) с помощью вспомогательного насоса (например, ротационно-пластинчатого, сухого спирального или мембранного).

• Твёрдое тело (Solid) — атомы или молекулы плотно упакованы, находятся в фиксированном положении и лишь вибрируют. Объём и форма стабильны.
• Жидкость (Liquid) — сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Плотность близка к твёрдому телу.
• Газ (Gas) — молекулы обладают высокой подвижностью, не имеют определённой формы и объёма.
• Плазма (Plasma) — ионизированное состояние вещества, смесь ионов, электронов и нейтральных частиц. Обладает электропроводностью, реагирует на магнитные поля. Составляет до 99 % наблюдаемого вещества Вселенной.

Тип адсорбции, при котором молекулы газа при столкновении с твёрдой поверхностью прилипают к ней за счёт слабых ван-дер-ваальсовых сил (дипольное электростатическое взаимодействие). Не сопровождается химической реакцией и обратима при нагреве.

Хемосорбция — это процесс, при котором молекулы (например, газов) связываются с твёрдой поверхностью посредством химической связи. Это означает, что происходит химическая реакция, например, при столкновении частиц титана с оксидом металла (например, стенками алюминиевой вакуумной камеры) может образоваться соединение TiOx на границе металл–оксид. Хемосорбция — это закрепление газовой молекулы на поверхности в результате химической реакции (передача или приём электрона с образованием устойчивого соединения).

Примерно 6,022 × 10²³. Показывает количество молекул идеального газа в 22,4 литра при нормальных условиях (1 атм, 0 °C). Фундаментальная физическая константа, названная в честь Авогадро и установлена после его смерти.

• Столкновения считаются упругими — суммарная энергия системы сохраняется. Эта теория лежит в основе большинства газовых законов и описывает такие параметры, как давление, температура, объём и диффузия.

Безразмерная величина — отношение средней длины свободного пробега молекулы к характерному размеру системы. Например, при давлении 10⁻³ Торр МФП воздуха превышает 1 см, следовательно, для трубы с внутренним диаметром 1 см число Кнудсена равно 1. Используется для определения режима течения газа (молекулярный, переходный, вязкий).

Единица измерения концентрации, соответствующая одной миллионной доле. Часто используется для оценки уровня загрязнений, газовыделения, остаточных газов и др.

• Безразмерная величина, используемая для определения режима течения газа: ламинарного, переходного или турбулентного. Зависит от плотности газа, его скорости, характерного размера системы (например, внутреннего диаметра трубки) и динамической вязкости.
• Границы режимов:
• Ламинарный поток: Re < 2 300
• Переходный режим: 2 300 < Re < 4 000
• Турбулентный поток: Re > 4 000

Фактическая (снижаемая) скорость откачки системы с учётом потерь на проводимость (трубопроводы, отверстия и др.). Это измеряемая скорость откачки, отличающаяся от номинальной скорости самого насоса, и определяется как:

EPS = Q / (P₁ − P₂), где потери проводимости ограничивают скорость, доступную в конкретной точке системы.

Процесс выхода молекул газа через малое отверстие в замкнутом объёме (вакуумной камере). В устройствах типа эффузионных ячеек отверстие рассчитано так, чтобы ограничить количество одновременно проходящих молекул. При малых диаметрах возможно прохождение отдельных молекул. Распределение молекул при выходе — косинусное.

Полимерный материал (природный или синтетический), обладающий эластичными свойствами. Широко используется в качестве уплотнительных колец и прокладок в вакуумных системах.

Металлообрабатывающий процесс, при котором заготовка проталкивается через формующее отверстие (матрицу), придающее ей заданное поперечное сечение. Экструзия может осуществляться как при комнатной температуре, так и в разогретом состоянии, в зависимости от пластичности материала.

Американское общество по испытаниям и материалам (American Society of Testing and Materials). Штаб-квартира: Вест-Консохокен, Пенсильвания, США.

• Американское вакуумное общество (American Vacuum Society). Адрес: 125 Maiden Lane, Suite 1501, Нью-Йорк, NY 10038, США.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization). Расположена в Женеве, Швейцария. Состоит из технических комитетов с международным представительством. Комитеты разрабатывают, обсуждают и публикуют международные стандарты на основе национальных.

• Общество исследований материалов (Materials Research Society), штаб-квартира — Уоррендейл, Пенсильвания, США.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers), Нью-Йорк, NY 10016, США.

Общество производителей вакуумных покрытий (Society of Vacuum Coaters). Штаб-квартира: Альбукерке, Нью-Мексико, США.

Единица давления, измеряющая превышение над атмосферным давлением. Например, при атмосферном давлении 14,7 psi и показании 25 psig, абсолютное давление составляет 14,7 + 25 = 39,7 psi.