Что такое вакуум: степени разрежения, единицы давления и вакуумметры — справочник 2026 года
· Интермера
Вакуум — пространство, свободное от вещества. В технике так называют газ при давлении значительно ниже атмосферного, а степень вакуума задают абсолютным давлением. Атмосфера у поверхности Земли — около 101 325 Па (760 мм рт. ст.). Низкий вакуум по международному стандарту ISO 3529-1 начинается ниже 100 Па, сверхвысокий — ниже 10−6 Па. Этот справочник собран на октябрь 2026 года: степени вакуума, единицы давления, примеры и приборы, которыми вакуум измеряют.
Речь пойдёт о физике и технике, а не об упражнении «вакуум живота». Разберём, чем вакуум отличается от разрежения, сколько это в барах, как вакуум получают и какой вакуумметр нужен для каждого диапазона.
Что такое вакуум простыми словами
Представьте сосуд, из которого откачали воздух. Молекул в нём становится меньше, и они реже сталкиваются друг с другом. Идеальный вакуум, где молекул нет совсем, в обычных объёмах получить нельзя. Любой материал понемногу испаряется, а стенки сосуда — даже толстые металлические или стеклянные — пропускают газы.
Поэтому на практике говорят о степени разрежения. Её удобно описывать длиной свободного пробега — средним расстоянием, которое молекула пролетает до следующего столкновения. При атмосферном давлении это всего около 66–70 нм. При давлении 0,1 Па (около 10−3 торр) пробег вырастает примерно до 100 мм. Отношение пробега к размеру сосуда называют числом Кнудсена. Пока оно намного меньше единицы, вакуум низкий. Когда намного больше — молекулы чаще ударяются о стенки, чем друг о друга, и вакуум считается высоким.
В квантовой физике есть ещё понятие физического вакуума — низшего энергетического состояния поля. Это отдельная тема; здесь речь только о техническом вакууме.
Вакуум и разрежение: абсолютное и относительное давление
Путаница с вакуумом почти всегда из-за двух шкал давления:
- абсолютное давление отсчитывают от полного вакуума: у идеального вакуума оно равно нулю, у атмосферы — около 100 кПа;
- избыточное (относительное) давление отсчитывают от окружающей атмосферы: при открытом в воздух приборе оно равно нулю.
Бытовые и промышленные вакуумметры часто показывают разрежение по относительной шкале, отрицательными числами. На такой шкале −1 бар, или −760 мм рт. ст., — это полный вакуум. Поэтому на вопрос «вакуум — это сколько бар» ответ зависит от шкалы: от 0 до −1 бар по относительной или от атмосферного давления почти до нуля по абсолютной. Глубокий вакуум всегда указывают в абсолютном давлении: относительная шкала там теряет смысл, а показания зависят от погоды.
Степени вакуума
Вакуум делят на диапазоны по тому, какая техника нужна, чтобы его получить и измерить. Международный стандарт ISO 3529-1:2019 даёт такие границы:
| Степень вакуума | Давление | Чем достигают |
|---|---|---|
| Низкий | от атмосферного (31–110 кПа) до 100 Па | обычные материалы, насосы вытеснения; газ течёт как вязкая среда |
| Средний | 100–0,1 Па | нержавеющая сталь, насосы вытеснения; переходный режим течения |
| Высокий | 0,1–10−6 Па | нержавеющая сталь, эластомерные уплотнения, высоковакуумные насосы; молекулярный режим |
| Сверхвысокий | 10−6–10−9 Па | металлические уплотнения, особая очистка поверхностей, прогрев камеры |
| Экстремальный | ниже 10−9 Па | особые материалы, прогрев и дополнительные геттерные насосы |
Общепризнанного деления нет. В русской Википедии, например, приведены другие границы в миллиметрах ртутного столба: низкий вакуум — 760–25 мм рт. ст., средний — 25–10−3, высокий — 10−3–10−9, сверхвысокий — 10−9–10−12 мм рт. ст. Низкий вакуум часто называют форвакуумом: его создаёт форвакуумный насос, который стоит между атмосферой и высоковакуумным насосом.
В чём измеряют вакуум
Единица давления в Международной системе единиц — паскаль. Почему важна единая система, мы объясняли в статье о метрологии. Но в вакуумной технике по-прежнему живут внесистемные единицы — торр, миллиметр ртутного столба и миллибар.
| Единица | В паскалях | Пример пересчёта |
|---|---|---|
| 1 Па | 1 | 7,5×10−3 мм рт. ст. |
| 1 мм рт. ст. | ≈ 133,322 | 760 мм рт. ст. = 101 325 Па |
| 1 торр | ≈ 133,322 | практически равен 1 мм рт. ст.; 100 Па = 0,75 торр |
| 1 мбар | 100 | 1 мбар = 0,75 торр |
| 1 бар | 100 000 | 750,06 мм рт. ст. |
Торр назван в честь Эванджелисты Торричелли. Его ртутный барометр стал одним из первых способов получить вакуум в лаборатории. Около 1650 года Отто фон Герике изобрёл первый вакуумный насос.
Вакуум вокруг нас: примеры давлений
| Где | Давление | Длина свободного пробега |
|---|---|---|
| Стандартная атмосфера | 101,325 кПа | 66 нм |
| Бытовой пылесос | около 80 кПа | 70 нм |
| Лиофильная сушка | 100–10 Па | 100 мкм – 1 мм |
| Лампа накаливания | 10–1 Па | 1 мм – 1 см |
| Термос | 1–0,01 Па | 1 см – 1 м |
| Электровакуумная лампа | 10−5–10−8 Па | 1–1000 км |
| Камера молекулярно-лучевой эпитаксии | 10−6–10−10 Па | 10–100 000 км |
| На Луне | около 10−9 Па | 10 000 км |
Самые низкие давления, которых достигают в лаборатории, — около 10−13 торр (13 пПа). Косвенно измеряли и 5×10−17 торр — в криогенной системе при температуре 4 К.
Как получают вакуум
Вакуум не «высасывают» — газ откачивают насосами, и каждый тип работает в своём диапазоне:
- насосы вытеснения, например пластинчато-роторные, расширяют небольшую полость, отсекают её и выталкивают газ наружу. Ими создают низкий и средний вакуум;
- насосы передачи импульса — турбомолекулярные и диффузионные — передают молекулам газа импульс в сторону выхода и дают высокий вакуум;
- газосвязывающие насосы — ионные, геттерные, крионасосы — захватывают газ в твёрдом или адсорбированном виде и обычно работают без движущихся частей.
Насосы соединяют ступенями: форвакуумный готовит разрежение, высоковакуумный доводит его до нужного уровня. Ни один насос не универсален, и всем трудно откачивать лёгкие газы — водород, гелий и неон. Предел давления определяет и газовыделение: материалы камеры отдают поглощённые газы, чаще всего воду. Поэтому камеры для сверхвысокого вакуума прогревают, чтобы выгнать воду заранее.
Как измеряют вакуум: виды вакуумметров
Вакуумметр — манометр для разрежённых газов. Один прибор не покрывает весь диапазон от атмосферы до сверхвысокого вакуума, поэтому типов несколько:
| Тип | Принцип | Рабочий диапазон |
|---|---|---|
| Механический, мембранный, ёмкостный | давление прогибает трубку Бурдона или мембрану; у ёмкостного мембрана — обкладка конденсатора | выше примерно 10−2 торр (~1 Па); не зависит от рода газа |
| Компрессионный Мак-Леода | сжимает пробу газа и измеряет её ртутным столбом | медленный, но точный; по нему калибруют другие вакуумметры |
| Тепловой (Пирани, термопарный) | теплопроводность газа падает с давлением, нагретая нить меняет температуру и сопротивление | 10−3–10 торр; показания зависят от состава газа |
| Ионизационный с горячим катодом (Баярда — Альперта) | электроны от нити ионизируют газ, ток ионов пропорционален давлению | 10−3–10−10 торр |
| Ионизационный с холодным катодом (Пеннинга, инверсный магнетрон) | электроны дают разряд при высоком напряжении, без нити | 10−2–10−9 торр; инверсный магнетрон — до 10−12 торр |
Тепловой вакуумметр — рабочая лошадка для низкого и среднего вакуума. Например, цельнометаллический конвекционный манометр Пирани PG108 измеряет от 1000 до 10−4 торр и выдерживает прогрев до 150 °C, поэтому подходит и для сверхвысоковакуумных систем.
Для высокого и сверхвысокого вакуума нужны ионизационные датчики. Самый распространённый — манометр Баярда — Альперта с горячим катодом. Например, ионизационные датчики Stanford Research Systems выпускают в трёх исполнениях: со стеклянной трубкой, с открытой поверхностью и с открытой поверхностью для сверхвысокого вакуума. Контроллер IGC100 того же производителя принимает и датчики Пирани, и ионизационные. По данным производителя, он показывает давление без разрыва от 1000 торр до сверхвысокого вакуума и сам включает ионизационный датчик, когда Пирани дошёл до заданного давления.
Что внутри вакуума: анализ остаточных газов
У ионизационного вакуумметра есть слабое место: его показания зависят от того, какой газ в камере. А состав газа при высоком вакууме обычно неизвестен. Поэтому вместе с ионизационным датчиком используют масс-спектрометр — анализатор остаточных газов. Он показывает парциальное давление каждого газа: видно, какие газы остались в камере, например вода, которая выделяется из стенок.
Пример такого прибора — квадрупольные анализаторы остаточных газов RGA100, RGA200 и RGA300. По данным производителя, они анализируют массы до 100, 200 или 300 а. е. м. с разрешением лучше 1 а. е. м. Измеряют парциальное давление от 10−5 до 5×10−11 торр, а с электронным умножителем — до 5×10−14 торр. Мелкие течи в сверхвысоковакуумных системах ищут пробным газом, вплоть до гелиевого масс-спектрометра.
Как выбрать вакуумметр
- Диапазон. Определите, от какого и до какого давления нужно измерять. Если от атмосферы до высокого вакуума — понадобятся два датчика, тепловой и ионизационный, и контроллер, который их сводит.
- Шкала. Для глубокого вакуума нужен прибор с абсолютной шкалой, для контроля разрежения в линии часто хватает относительной.
- Состав газа. Показания тепловых и ионизационных вакуумметров зависят от рода газа, поэтому для других газов нужны поправки. Мембранные и ёмкостные от рода газа не зависят.
- Условия работы. Нужен ли прогрев, какое уплотнение у фланцев, есть ли в камере пары масла. Ионизационный датчик с горячим катодом нельзя включать при атмосферном давлении или низком вакууме: он может выйти из строя или потерять калибровку.
Итог
Вакуум — это газ при давлении ниже атмосферного, и описывают его абсолютным давлением. По ISO 3529-1 низкий вакуум начинается ниже 100 Па, высокий — ниже 0,1 Па, сверхвысокий — ниже 10−6 Па. На относительной шкале полный вакуум — это −1 бар. Измеряют вакуум несколькими приборами: тепловые вакуумметры работают до 10−3 торр, ионизационные — до 10−10 торр и ниже. Состав газа показывает анализатор остаточных газов. В 2026 году правило подбора то же: сначала диапазон и шкала, потом тип датчика.
Частые вопросы о вакууме
Что такое вакуум простыми словами?
Это пространство, в котором газа намного меньше, чем в обычном воздухе. Абсолютной пустоты добиться нельзя, поэтому вакуумом называют газ при давлении ниже атмосферного. Чем ниже давление, тем реже молекулы сталкиваются друг с другом и тем выше степень вакуума.
Чем вакуум отличается от разрежения?
По сути это одно и то же: разрежение — давление ниже атмосферного, а вакуум — состояние разрежённого газа. Разница в шкалах. Разрежение обычно показывают относительно атмосферы отрицательным числом, а глубокий вакуум — в абсолютном давлении, отсчитанном от нуля.
Вакуум — это сколько бар?
На относительной шкале полный вакуум — это −1 бар, или −760 мм рт. ст. На абсолютной шкале вакуум — всё, что ниже атмосферного давления, примерно 1 бар. Сверхвысокий вакуум по ISO 3529-1 — давление ниже 10⁻⁶ Па, это меньше 10⁻¹¹ бар.
Можно ли получить абсолютный вакуум?
Нет, в обычных объёмах идеальный вакуум недостижим. Материалы стенок испаряются и пропускают газы, а насосы плохо откачивают лёгкие газы. Рекорд в лаборатории — около 10⁻¹³ торр, а в криогенной системе косвенно измеряли 5×10⁻¹⁷ торр.
Чем измеряют вакуум?
Вакуумметрами. Для низкого вакуума подходят мембранные и ёмкостные приборы, для среднего — тепловые датчики Пирани, для высокого и сверхвысокого — ионизационные, например Баярда — Альперта. Состав остаточных газов показывает масс-спектрометр — анализатор остаточных газов.