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 (См. Дистилляция), 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 (См. Вакуумный насос), и включает в себя Вакуумметры, вакуумную арматуру (См. Вакуумная арматура), 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 (См. Геттеры) 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. Рис. 1 (слева). Шприц Герона. Рис. 2 (справа). Колба Герона для создания разрежения. Рис. 3. Насос, примененный Герике в опыте с Магдебургскими полушариями. Гравюра 17 в. Рис. 4. Молекулярный насос Геде. 1 — выпускной патрубок. 2 — впускной патрубок. 3 — ротор. 4 — корпус.

Рис. 5. Первый диффузионный насос. 1 — испаритель. 2 — паропровод. 3, 5 — вход и выход проточной воды. 4 — диффузионная щель. 6 — термометр. 7 — выпускная трубка. 8 — ртутный затвор. 9 — патрубок первой откачки. 10 — впускная трубка. Рис. 6. Первый конденсационный парортутный насос Ленгмюра. 1 — колба с ртутью. 2 — изолирующая рубашка. 3 — трубка для отвода паров ртути. 4 — канал для отвода сконденсировавшихся паров. 5 — ловушка. 6 — трубка для подсоединения насоса к откачиваемому объёму. Рис. 7. Области действия различных вакуумных насосов (в н/м2). 1 — водокольцевых. 2 — поршневых. 3 — паромасляных бустерных. 4 — механических бустерных. 5 — диффузионных. 6 — ионно-сорбционных..