Вакуумная техника

Вакуумная техника, совокупность методов и аппаратуры для получения, поддержания и контроля вакуума.

История развития физики и химии, а также ряда отраслей промышленности неразрывно связана с развитием В. т. Герон из Александрии (вероятно, 1 в.) описывает приспособления (рис. 1 и 2), которые можно считать прототипами пневматических механизмов, использованных позднее для создания разрежения. Первые опыты с вакуумом относятся к 40-м гг. 16 в. В 1654 немецкий учёный О. фон Герике поставил опыт с Магдебургскими полушариями, наглядно показав существование атмосферного давления. Насос, которым он пользовался, был первым насосом для получения вакуума (рис. 3).

Изготовление ламп накаливания (1879) вызвало дальнейшее развитие В. т. Значительный вклад в В. т. внёс немецкий учёный В. Геде. В 1905 он впервые применил вращательный ртутный насос, в 1913 создал первый молекулярный насос (рис. 4), в 1915 опубликовал отчёт о диффузионном насосе (рис. 5). В 1916 американский учёный Ленгмюр создал конденсационный парортутный насос (рис. 6).

Быстрое развитие В. т. связано с развитием электроники, ядерной энергетики, ускорительной техники. Современные достижения в области вакуумной дистилляции, широкое распространение вакуумно-металлургических и вакуумно-химических процессов, работы в области управляемых термоядерных реакций, техника получения тонких плёнок, особо чистых материалов для космических летательных аппаратов и испытания этих аппаратов в условиях, близких к космическим, стали возможны только благодаря высокому уровню развития современной В. т. В июне 1958 в Бельгии состоялся первый Международный конгресс по В. т., решением которого было создание Международного общества по вакуумной физике и вакуумной технике.

Вакуумная система, или вакуумная установка, представляет собой ёмкость, соединённую с вакуумными насосами, и включает в себя вакуумметры, вакуумную арматуру, течеискатели и др. устройства. Выбор типа вакуумного насоса для поддержания вакуума при обеспечении заданного процесса определяется рабочим диапазоном давлений насоса и его предельным давлением; быстротой откачки насоса в заданном диапазоне (рис. 7). Порядок получения высокого вакуума следующий: механическими форвакуумными насосами от атмосферного давления до 10-1 н/м2(10-3 мм рт. ст.); диффузионными насосами до 10-5 н/м2(10-7 мм рт. ст.); ионно-сорбционными насосами до 10-9 н/м2 (10-11 мм рт. ст.). Достижение давлений порядка 10-6—10-7 н/м2(10-8—10-9 мм рт. ст.) и меньше невозможно без предварительного удаления газа со стенок откачиваемого объёма.

При последовательном соединении насосов количество газа Q = p1s1 = p2S2=.... piSi, где pi — впускное давление; si— быстрота откачки. При этом насосы выбирают таким образом, чтобы впускное давление в каждом последующем было заведомо меньше и не достигало допустимого выпускного давления предыдущего. Полнота использования насосов в вакуумной системе определяется быстротой откачки насоса sn и сопротивлением канала, соединяющего насос с откачиваемым элементом вакуумной системы. Эффективная быстрота откачки

где

— пропускная способность вакуумпровода, величина, обратная сопротивлению (измеряется в единицах быстроты откачки, л/сек). Следовательно, всегда sэф < sн; sэф < u. Существует следующая зависимость между количеством газа, протекающим через вакуумпровод Q = piSi, пропускной способностью вакуумпровода u и разностью давлений на его концах: Q = u (p2 — p1). Значение u в общем случае определяется природой газа, его состоянием, геометрией вакуумпровода и режимом течения газа.

В установках, в которых требуемая быстрота откачки столь значительна, что не может быть обеспечена насосами, установленными вне откачиваемого объёма, используют поглощающие свойства распылённого металла, например титана, аналогично тому, как это имеет место в ионно-сорбционных насосах. Внутри откачиваемого объёма устанавливают один или несколько испарителей, с помощью которых на внутренних стенках камеры осаждается титан. Для удаления газа, не поглощаемого титаном, к откачиваемому объёму присоединяют диффузионный насос.

Одной из задач В. т. является измерение малых давлений до 10-12 н/м2(10-14 мм рт. ст.) и ниже и достижение герметичности вакуумной системы, в особенности в местах соединения отдельных её элементов. Измерение столь малых давлений требует специальной аппаратуры (см. Вакуумметрия). Обнаружение течей осуществляется специальными течеискателями.

В. т. широко применяют как в промышленности, так и в лабораторной практике. Например, массовое производство различных электровакуумных приборов неразрывно связано с совершенствованием получения высокого вакуума и возможностью его поддержания. Изготовление этих приборов требует удаления газов (обезгаживания) и использования геттеров для сохранения вакуума. Вакуумную обработку таких приборов производят на многопозиционных карусельных откачных автоматах. Приборы проходят позиции: установку, откачку, прогрев и обезгаживание с целью удаления с внутренних поверхностей адсорбированных газов, распыление геттерирующих веществ, отпайку и съём. Очистку и разделение высокомолекулярных кремнийорганических соединений, продуктов полимеризации, масляных фракций нефти, сложных эфиров, спирта, концентратов витаминов и др. продуктов производят в вакууме 10-1 н/м2(10-3 мм рт. ст.). В вакууме ведут обезгаживание и пропитывают изоляционные материалы, заливают конденсаторы и трансформаторы, пропитывают кабели, сушат вещества (например, пластмассы), которые при атмосферном давлении не высушиваются. В вакууме также сушат при комнатной и повышенной температурах и в замороженном состоянии методом сублимации термочувствительных веществ (яичный белок, ферменты, женское молоко, антибиотики, культуры бактерий, вакцины и т.д.). Вакуумными насосами удаляют растворители из веществ, не допускающих нагревания (например, взрывчатые вещества), и повышают концентрацию растворов.

Вакуум нашёл применение при термическом или катодном распылении металла для нанесения покрытий и металлизации различных материалов, например в производстве оптических и бытовых зеркал, ёлочных игрушек, отражателей автомобильных и самолётных фар, украшений из металлов и пластмасс. В вакууме производят обработку тканей при крашении, металлизацию бумаги, керамики, матриц граммофонных пластинок и полупроводниковых материалов, нанесение защитных и декоративных плёнок в рабочем диапазоне давлений 10-2—10-4 н/м2 (10-4—10-6 мм рт. ст.).

В металлургии в вакууме восстанавливают металлы из руд и их химических соединений, производят плавку, рафинирование и дегазацию металлов (см. Вакуумная плавка, Дегазация стали). Процессы плавки, испарения и перегонки металлов в вакууме лежат в основе получения материалов высокой чистоты. Для этого в металлургии применяют высокопроизводительные многопластинчатые пароэжекторные насосы и бустерные (пароструйные и механические) с рабочим давлением до 10-2 н/м2(10-4 мм рт. ст.).

Средства В. т. в современной экспериментальной физике обеспечивают работы электрофизических приборов и установок, в которых осуществляется движение пучков заряженных частиц. Только в сверхвысоком вакууме возможны исследования физических свойств поверхностей твёрдых тел, а также некоторые исследования, требующие получения газов высокой чистоты.

В установках с откачиваемыми объёмами в сотни м3 осуществляют непрерывную откачку множеством (до нескольких десятков) параллельно работающих высокопроизводительных насосов с быстротой откачки от сотен до десятков м3/сек. Наряду с диффузионными насосами широко применяются ионно-сорбционные, обладающие большой быстротой откачки и остаточным давлением ниже 10-8 н/м2(10-10 мм. рт. ст.).

Решение многих сложных проблем наука и техники требует достижения давлений 10-14 н/м2 (10-16 мм рт. ст.) и ниже, а также измерения таких давлений. Для этого необходимы совершенные измерительные приборы, высокочувствительные методы проверки герметичности и создание достаточных уплотнений в аппаратуре для сверхвысокого вакуума, подготовка и очистка поверхностей откачиваемых объёмов, которая исключает выделение этими поверхностями загрязняющих газов.

Лит.: Вакуумное оборудование и вакуумная техника, под ред. А. Гутри и Р. Уокерлинг, пер. с англ., М., 1951; Яккель Р., Получение и измерение вакуума, пер. с нем., М., 1952; Ланис В. А., Левина Л. Е., Техника вакуумных испытаний, 2 изд., М. — Л., 1963; Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964; Королев Б. И., Основы вакуумной техники, 5 изд., М. — Л., 1964; Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А., Оборудование для откачки вакуумных приборов, М. — Л., 1965.

И. С. Рабинович.