Торр

Формальное определение

Торр (обозначение: Торр, международное: Torr) — единица измерения давления, определяемая как ровно 1/760 стандартной атмосферы. Поскольку одна стандартная атмосфера равна 101 325 паскалям, один торр равен ровно 101 325/760 паскалей, или приблизительно 133,322 Па. Торр назван в честь Эванджелисты Торричелли, итальянского физика, изобретшего ртутный барометр в 1643 году.

Торр очень близок к одному миллиметру ртутного столба (мм рт. ст.), но эти две единицы не идентичны. Один мм рт. ст. определяется как давление столба ртути высотой 1 мм при 0 °C при стандартном ускорении свободного падения — приблизительно 133,322 387 415 Па. Один торр равен ровно 133,322 368 421 Па. Разница составляет менее 0,000015% — ничтожна для любых практических целей.

Основная область применения

Торр используется преимущественно в вакуумной технике, где служит удобной единицей для давлений значительно ниже атмосферного. Атмосферное давление равно 760 Торр, а вакуумные системы обычно работают в диапазоне от сотен торров до 10⁻¹⁰ Торр и ниже.

Назван в честь Торричелли

Единица названа в честь Эванджелисты Торричелли (1608–1647), итальянского математика и физика, учившегося у Галилео Галилея в последние месяцы его жизни. Величайшим вкладом Торричелли было изобретение ртутного барометра в 1643 году, продемонстрировавшего, что атмосфера оказывает измеримое давление. Название единицы «торр» было предложено Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1950 году.

Произношение и множественное число

Множественное число — «торры» (в английском языке множественное число совпадает с единственным: torr). Обозначение — «Torr» с заглавной буквы T, согласно правилу, что обозначения единиц, названных в честь людей, начинаются с заглавной буквы.

Барометр Торричелли

В 1643 году Эванджелиста Торричелли заполнил стеклянную трубку (длиной примерно 1 метр, запаянную с одного конца) ртутью, перевернул её в чашу с ртутью и наблюдал, как столб ртути опустился примерно до 760 мм. Пространство над ртутью — ныне называемое торричеллиевой пустотой — было одним из первых искусственных вакуумов. Торричелли верно заключил, что атмосфера давит на ртуть в чаше, поддерживая столб.

Торричелли написал своему другу Микеланджело Риччи: «Мы живём на дне воздушного океана». Это поэтичное описание выразило революционную мысль — атмосфера имеет вес, и её давление можно измерить.

Развитие вакуумной техники

Торр стал естественной единицей для вакуумной науки по мере развития этой области. Ранние вакуумные насосы, созданные Отто фон Герике (1654) и Робертом Бойлем (1659), были грубыми по современным меркам, но могли понижать давление до нескольких торров. К концу XIX века ртутные насосы Гейсслера достигали давлений ниже 0,01 Торр. Современные турбомолекулярные и ионные насосы достигают давлений ниже 10⁻¹¹ Торр.

Формализация

Торр был официально принят как единица давления ISO в 1950 году, определённый как 1/760 стандартной атмосферы.

Вакуумные системы

Торр является стандартной единицей в вакуумной технике по всему миру. Вакуумные насосы оцениваются по их предельному давлению в торрах: пластинчато-роторные насосы достигают 10⁻³ Торр, турбомолекулярные — 10⁻¹⁰ Торр, криогенные — 10⁻¹² Торр. Вакуумные манометры — Пирани, Пеннинга, ионизационные и ёмкостные — отображают давление в торрах.

Полупроводниковое производство

Полупроводниковая промышленность активно использует вакуумные системы и торр. Процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD) работают при 0,1–10 Торр. Физическое осаждение (PVD/распыление) требует 10⁻³–10⁻² Торр. Ионная имплантация работает при 10⁻⁶–10⁻⁵ Торр.

Нанесение тонких плёнок

Технологии нанесения покрытий — от антибликовых покрытий на линзах очков до декоративных покрытий на часах — используют вакуумное напыление при давлениях, измеряемых в торрах. Термическое испарение работает при 10⁻⁵–10⁻⁶ Торр. Магнетронное распыление — при 1–10 мТорр.

Научные исследования

Ускорители частиц, физика поверхности и масс-спектрометрия работают в вакуумных условиях, измеряемых в торрах. Большой адронный коллайдер в ЦЕРН работает при давлении ниже 10⁻¹⁰ Торр в трубе пучка.

Лампы накаливания и вакуумные трубки

Лампы накаливания содержат инертный газ при пониженном давлении, обычно 500–700 Торр. Люминесцентные лампы содержат пары ртути при давлении примерно 0,003–0,01 Торр. Неоновые вывески работают при 1–20 Торр.

Упаковка пищевых продуктов

Вакуумная упаковка пищевых продуктов удаляет воздух до давления примерно 10–50 Торр, продлевая срок хранения. Сублимационная сушка (лиофилизация) продуктов предполагает понижение давления до примерно 0,1–1 Торр при замораживании продукта.

Артериальное давление

Хотя артериальное давление обычно выражается в мм рт. ст., а не в торрах, числовые значения в обеих единицах одинаковы. Нормальное давление 120/80 мм рт. ст. — это по сути 120/80 Торр.

Термосы

Вакуумные изолированные ёмкости (сосуды Дьюара, термосы) поддерживают вакуум примерно 10⁻³–10⁻⁴ Торр между двойными стенками, что резко снижает теплопередачу.

Физика поверхности

Физика поверхности требует условий сверхвысокого вакуума (СВВ) ниже 10⁻⁹ Торр для изучения чистых поверхностей. При атмосферном давлении (760 Торр) чистая металлическая поверхность покрывается монослоем молекул газа примерно за 3 наносекунды. При 10⁻¹⁰ Торр это занимает около 3 часов — достаточно для детального анализа поверхности.

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометры требуют вакуумных условий для движения ионных пучков без столкновений с фоновыми молекулами газа. Квадрупольные масс-спектрометры работают при 10⁻⁵–10⁻⁶ Торр. Времяпролётные приборы требуют 10⁻⁶–10⁻⁸ Торр.

Физика плазмы

Плазменная обработка — травление полупроводников, плазменная очистка и исследования термоядерного синтеза — задаёт условия в торрах. Плазменное травление работает при 0,01–1 Торр.

Моделирование космического пространства

Камеры моделирования космоса воспроизводят вакуум космического пространства для испытания космических аппаратов. Давление на низкой околоземной орбите — примерно 10⁻⁷ Торр. Межпланетное пространство — около 10⁻¹⁴ Торр.