Лекция 1 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике)

Лекция №1Термины, понятия и определенияВ общем смысле давление является результатом столкновений молекул газа илижидкости с их окружением - обычно стенками содержащего сосуда. Его величиназависит от силы ударов на определенную площадь; поэтому и существует, например,традиционная (и вышедшая из употребления!) единица килограмм силы на квадратныйметр.Соотношение между давлением р, силой F, и площадью А выражается формулой:pFA(1)Соотношение (1) применяется и при очень малых давлениях, таких, как в открытомкосмосе, и при очень больших, как, например, в гидравлических системах. Следовательно,слово «давление» уместно в контексте полного диапазона измерений «сила на единицуплощади» (хотя, справедливо и то, что при крайне низких давлениях понятие «молекул,воздействующих с какой-то силой» становится более абстрактным).Итак, что такое вакуум? Не существует точного определения вакуума, но обычно овакууме говорят, когда необходимо обозначить давления ниже, и часто значительно ниже,атмосферного давления.

Он не измеряется в специальных единицах, и мы не говорим, что«вакуум равен силе на единицу площади».Если бы в сосуде вообще не было никаких молекул, давление было бы равно нулю.Давления, измеренные по шкале, в которой это нулевое значение используется в качестветочки отсчета, называются абсолютными давлениями. Атмосферное давление уповерхности земли меняется, но приблизительно оно равно 105 Па (1000 мбар), этодавление105 Па является абсолютным давлением, потому что оно выражается поотношению к нулевому давлению – когда совсем нет давления.Однако, в каждодневной жизни многие приложения, связанные с давлением, нестолько зависят от абсолютного значения давления, сколько от разницы между ним идавлением атмосферы. О проколотой автомобильной шине говорят, что «в ней нетвоздуха». Показания, снятые подсоединенным к ней прибором для измерения давления,будут равны нулю, в то время как, очевидно, что в шине все-таки находится атмосферныйвоздух.

Такой прибор предназначен для измерения значений давления, выраженных поотношению к атмосферному давлению, и поэтому он показывает ноль, когда егоизмерительный порт «просто» содержит молекулы при атмосферном давлении. Этиизмерения обычно называются измерениями относительного давления. Значит, разностьмежду абсолютным значением давления и относительным значением давления равнапеременному значению атмосферного давления:абсолютное давление = относительное давление + атмосферное давление(2)В некоторых случаях – как например, в случае с измерениями давления вколлекторе двигателя – необходимо отслеживать уходы давления ниже атмосферного.Оно иногда называется отрицательным относительным давлением, но необходимопонимать, что понятие отрицательного относительного давления не имеет смысла.В некоторых применениях, когда необходимо знать разницу давлений между двумясистемами, давление отсчета не обязательно должно быть либо нулевым, либоатмосферным, а может быть какой-нибудь другой величиной.

Такие давления известны,как дифференциальные. Например, поток газа по трубопроводу зависит от разницыдавлений между концами трубы, и на практике оба конца обычно находятся подсравнительно высокими давлениями. Для того, чтобы избежать серьезных ошибок, вовремя измерений давления очень важно четко понимать, какой вид измеренийиспользуется: абсолютный, относительный (положительный или отрицательный) илидифференциальный.Рис. 1.1. виды давленийВиды давлений показаны на рис. 1.1. Обратите внимание, что линия отсчета дляотносительного вида измерений изображена непрямой, иллюстрируя таким образомизменчивую природу атмосферного давления.Атмосферное давление – это сила, действующая на поверхность единичнойплощади и вызванная гравитационным притяжением земли вертикального столба воздуханад этой площадью.

Атмосферное давление передается одинаково во всех направления впределах этого столба. Плотность воздуха над поверхностью земли связана с изменениямитемпературы и глобальными метеоструктурами, вызывающими изменения в силевертикального воздействия, а, следовательно, давлении. Всем знакомы явления измененийатмосферного давления: формации высокого давления связаны с ясной погодой, областинизкого давления с дождем и ураганами.Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. На вершине горыстолб оставшегося воздуха над нами меньше, и гравитационное ускорение меньше(поскольку центр массы Земли дальше), следовательно, и атмосферное давление меньше.Это природное явление используется в самолетах для измерения высоты.К сожалению, существует множество единиц измерений давления и вакуума,которые вызывают значительные проблемы в равной степени как у новичков, так и уопытных практиков.

Хотя, к счастью, на самом деле все обстоит проще, т.к. устаревшие инеопределенные единицы уступают место единице давления СИ.Интернациональная система единиц, известная как система СИ, являетсясогласованной системой, принятой и рекомендованной Генеральной конференцией повесам и мерам (CGPM). Она базируется на семи основных величинах: длина, масса, время,электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света.Давление не является основной величиной, это производная величина, имеющаяразмерность длины, массы и времени.

Это может быть продемонстрировано путемрассмотрения двух основных способов измерения давления: непосредственно в терминахсила -на- единицу площади и с помощью столбов жидкости.Единицей давления СИ является паскаль, сокращенно Па, название, данноедавлению равному один ньютон на один квадратный метр (Н/м2). Если представить одинквадратный метр легко, то один ньютон труднее, но грубо он равен вертикальной силе,действующей на руку, в которой находится маленькое яблоко (в предположении, что тот,кто держит яблоко, стоит на поверхности земли!). Что касается повседневной жизни, тоодин паскаль – это очень маленькая величина, атмосферное давление приблизительно100000 Па. На дне полной кастрюли с водой давление, благодаря глубине воды, будетприблизительно на 1000 Па больше, чем на поверхности воды (независимо от диаметракастрюли).Чтобы избежать громоздких цифр множители 103 или 0,001 обозначаютсяприставками такими, что, например, 100000 Па (105 Па) можно записать как 100 кПа или0,1 МПа.1.

Международная единица – 1 Па (Паскаль)1 Па =1 Н/м2 = 1 кг∙м∙с-2∙м-22. Внесистемная единица – 1 Тор1 Тор = 1 мм. рт. столба = 0,001 м 13590 кг∙м-3 ∙1 м 2 9,8 м ∙ с –2 1 м-2=133,3 Н∙м-21 Тор = 133,3 Па1 Па = 0,0076 торСоотношения между единицами измерения давленияЕдиницаПаскальБарМиллибарГектопаскальТрадиционный миллиметрртутного столбаТрадиционный дюйм ртутногостолбадюйм водяного столбаТоррКилограмм-сила на квадратныйсантиметрФунт-сила на квадратный дюймТаблица 1СимволПабармбаргПаКоличество паскалей151∙10 (точно)100 (точно)100 (точно)мм рт. ст.133,322дюйм рт.

ст.3 386,39дюйм водяного столбаТоррот 248,6 до 249101 325/760 (точно)кг-сила/см298 066,5 (точно)фунт-сила/дюйм26 894,76В различных областях промышленности и научных исследований вакуум являетсятехнологической средой, поскольку обладает рядом свойств, которые используются дляреализации технологических процессов:1. Вакуум предохраняет нагреваемые поверхности (нити накала, катоды и др.) отокисления, перегорания;2. Вакуум позволяет формировать потоки заряженных и нейтральных частиц снеобходимыми плотностями и энергиями;3. Благодаря вакууму потоки заряженных частиц могут беспрепятственнопреодолевать межэлектродные расстояния (при этом они могут ускоряться,фокусироваться и отклоняться по заданной траектории);4.

Вакуум позволяет сохранить чистоту обрабатываемой поверхности материала(обеспечить отсутствие сорбированных молекул газа, паров углеводорода и воды, оксидови др.) для технологических процессов (формирования элементов топологии наполупроводниковой пластине, ионная очистка и т. д.).Кинетическая теория газовКинетическая теория газов основана на следующих фундаментальных постулатах: материя (в том числе газ) состоит из молекул одинаковых по размеру, массе, форме(для данной химической субстанции); молекулы газа находятся в постоянном движении, объясняемом наличиемопределенной температуры газа (температура газа – количественный показательдвижения молекул); распределение молекул по скоростям является стабильным для даннойтемпературы; газ является веществом изотропным; давление газа на стенки сосуда есть результат удара молекул газа об эту стенку.Давление газа – отношение нормальной составляющей силы, действующей состороны газа на ограничивающую поверхность, к площади этой поверхности.Рассмотрим движение одной молекулы газа массы m со скоростью v к единичнойповерхности s (рис.

3.2).Рис. 1.2. Взаимодействие молекулы с единичной поверхностьюСтолкновение абсолютно упругое. Поэтому молекула после удара улетает соскоростью, равной (–v). Следовательно, импульс силы (т.е. воздействие молекулы настенку за время соударения Δt), равно:F  t  m  v  m  ( v )  m  2v(3)Следовательно, сила действия одной молекулы на стенку равна:Fm  2vt(4)Давление же, оказываемое одной молекулой, по определению составляет:pF 2mvss t(5)Для определения общего давления следует подсчитать число молекул N,ударяющихся о поверхность площадью s в промежуток времени Δt.Рис. 1.3. Число молекул в единичном цилиндреЗа малый промежуток времени Δt количество молекул, которые могут удариться оповерхность s, заключено в неком цилиндре (рис.