Вакуум

DjVu

      ЧТО ТАКОЕ ВАКУУМ И НЕМНОГО ИСТОРИИ
      Вакуум, как его понимают в технике, — это сильно разреженный газ. О вакууме и его применении пойдет речь в этой книге.
      Вакуум был известен еще в далекой древности. Считается, что первые приборы для получения разреженного воздуха были созданы греческими учеными из Александрии Ктесибием (I век до н. э.) и Героном (I век н. э.). Но долгое время их приборы оставались лишь забавными игрушками — достаточно насущной потребности в вакуумной технике у человечества не возникало вплоть до начала XIX века. В Энциклопедическом словаре Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона (13 издание, 1890 г.) и Энциклопедическом словаре Гранат (11 издание, 1910 г.) вакууму отведено примерно 0,0002% объема. Доля места, выделяемая этой теме в энциклопедиях, стремительно увеличивается между 1910 и 1930 гг., достигая 0,01% в Большой Советской Энциклопедии (БСЭ, 1 издание). Далее медленно увеличивается еще в 3 раза к 1950 г. (Американская энциклопедия, 22 издапйе и БСЭ, 2 издание) и затем почти не изменяется вплоть до 1970 г. (Британская энциклопедия, 15 издание и БСЭ, 3 издание).
      Вакуум нашел свое место, «определился».
      Основной рост объема статей о вакууме в энциклопедиях, пришедшийся на первую треть нашего века, был связан с созданием электровакуумных приборов — ламп накаливания, электронных ламп, кинескопов. Умение достигать высокой степени разрежения газа позволило физикам сделать в конце XIX — начале XX века ряд открытий. Так, например, Т. А. Эдисоном в 1883 г. была открыта термоэлектронная эмиссия и после нескольких лет исследований, проводившихся разными учеными, О. Ричардсоном в 1903 г. были установлены ее основные закономерности. А в 1915 — 1916 гг. И. Ленгмюр нашел законы, которым подчиняются взаимодействие газа с твердым телом и прохождение тока в вакууме.
      Именно тогда, на заре XX века, были созданы прообразы многих типов современных насосов. А. Малиньяни применил связывание в замкнутом сосуде молекул газа парами фосфора с образованием нелетучих соединений. Дж. Дьюар осуществил разрежение газа путем поглощения его активированным углем, охлаждаемым жидким азотом, В. Гедэ разработал ротационный ртутный насос и молекулярный насос, В. Гедэ, И. Лемгмюр и С А. Боровик — ртутные диффузионные насосы, К. Бэрг — паромасляный диффузионный насос. Со всеми этими типами насосов мы еще познакомимся в книге. В те же годы были созданы основные типы приборов для измерения вакуума — компрессионный (Г. Мак-Леод), тепловой (М. Пирани) и ионизационный (О. Бакли) манометры. Без этих насосов и приборов, а также без развития теории вакуумных приборов не получило бы широкого распространения ни электрическое освещение, ни радио, ни телевидение. Трудно представить себе, как выглядела бы в этом случае сейчас человеческая цивилизация. Развитие вакуумной техники позволило установить к концу первой трети нашего столетия наличие трех элементарных частиц — протона, нейтрона, электрона.
      Вторая волна бурного развития вакуумной науки и техники была связана с созданием крупных ускорителей, установок для получения управляемого термоядерного синтеза и для имитации космического пространства. За первую треть XX века вакуумная техника прошла путь от настольных установок и небольших приборов, давление в которых составляло 0,01 атмосферного, до установок таких же размеров, но в которых достигалось давление на восемь порядков ниже атмосферного. Во второй трети XX века был совершен переход от настольных приборов к установкам, внутри которых можно поставить не то что стол, но даже небольшой домик. За рубежом с 70-х годов объем производства вакуумной техники растет на 30% в год, т. е. в 5 раз быстрее, чем общий объем промышленного производства *).
      Если приглядеться повнимательнее, то в истории развития вакуумной техники можно выделить три основных направления: 1) улучшение вакуума (т. е. уменьшение давления газа или концентрации его молекул), 2) увеличение размеров вакуумных приборов и 3) увеличение потоков газа, удаляемого из приборов и установок. Второе и третье направления взаимосвязаны. Казалось бы, размеры сосуда влияют только на время
      *) Цейтлин А. Б. Современное состояние и перспективы развития вакуумной техники. Обз. инф. Серия ХМ-6: Криогенное и вакуумное машиностроение,-М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986.
      удаления из него газа (откачку) — из большего сосуда придется откачивать дольше. Но это не совсем так. Задача достижения очень малого давления газа — получение так называемого высокого вакуума — состоит не только в том, чтобы просто удалить молекулы газа из сосуда и затем поплотнее его закупорить. Необходимо еще и уметь поддерживать в нем это сильное разрежение среды. Все мы знаем из опыта — если из банки с вареньем съесть все варенье, то бесполезно ждать, пока она наполнится сама. С вакуумом ситуация принципиально иная, и скоро мы узнаем, почему. Процесс «порчи» вакуума настолько важен, что часто говорят не о получении вакуума, а о его получении и поддержании. Потоки газа, которые поступают в установки больших размеров, обычно больше, чем в маленькие. Поэтому проблема больших установок и проблема удаления больших потоков газа часто возникают одновременно.
      Существует много самых разных вакуумных приборов, и поэтому многообразны задачи, которые приходится решать при создании этих приборов. Рассказ о вакуумных приборах и связанных с их созданием проблемах разделен в этой книге на четыре части. Почему на четыре?
      Если условно разделить приборы на малые и большие, а также на высоко- и низковакуумные, то получится как раз четыре группы приборов, каждая со своими характерными особенностями. Начнем с начала.
     
      ГЛАВА 1
      ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ НЕБОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ С НЕВЫСОКИМ ВАКУУМОМ
     
      1. Долго ли можно бежать в лесу по прямой?
      Естественно, что именно с небольших приборов с невысоким вакуумом начиналась вакуумная техника. Но не надо относиться к ним пренебрежительно — всегда надо с чего-то начинать. Например, термос и электрическая лампочка, которые широко используются в быту, — именно такие приборы.
      Каковы основные свойства вакуума? Они определяются малой концентрацией молекул. Раз концентрация молекул мала, то любая частица (например, электрон, атом или молекула) будет долго перемещаться в пространстве, не сталкиваясь с другими частицами. Путь, пройденный частицей без столкновений, называется длиной свободного пробега. В вакууме длина свободного пробега велика. Сильно разреженная газовая среда химически инертна, поскольку молекул в единице ее объема мало. Все химические реакции с участием молекул газа протекают в вакууме очень медленно. Например, раскаленный металл быстро окисляется на воздухе, но в вакууме в реакцию окисления практически не вступает. Свойство вакуумной среды оказывать слабое механическое сопротивление движущимся в ней телам и почти не участвовать в процессах теплопередачи также, естественно, определяется малостью концентрации частиц. Множество самых разнообразных приборов и устройств создано на основе этих свойств вакуума.
      Большая длина свободного пробега используется в электронных приборах, например в кинескопах телевизоров. Действительно, не будь длина свободного пробега большой, электроны начали бы сталкиваться с молекулами (рассеиваться или вступать во взаимодействие) и пучок электронов, который, собственно, и заставляет экран светиться в определенной точке, перестал бы существовать, не достигнув его поверхности.
      Химическая инертность используется в тех же электронных приборах — почти в любом из них есть металлические детали, имеющие настолько высокую температуру, что на воздухе они бы практически мгновенно окислились, т. е. «сгоре-
      ли». В металлургии и химии вакуум также используется для того, чтобы можно было сильно нагреть то или иное вещество без риска окислить его.
      Теплоизолирующие свойства вакуума позволяют использовать его в разных устройствах, нуждающихся в теплоизоляции, например в термосе и даже в горнолыжных очках (в некоторых моделях между внутренней и внешней пластинками из цветной пластмассы имеется вакуум). Такие очки не обмерзают.
      Движущееся тело не теряет скорости, если в своем движении оно не испытывает сопротивления среды. Поэтому в вакуум помещают особо чувствительные весы и гироскопические системы. Множество искусственных спутников и космических станций летают вокруг Земли за пределами ее атмосферы, демонстрируя тем самым эффект малого сопротивления движению тел в вакууме. Использует это свойство и сама Земля. Хорошо, что она летит в вакууме, не правда ли?!
      Для того чтобы лучше почувствовать, что такое вакуум," оценим, какой степени разрежение воздуха необходимо получить в кинескопе, чтобы электроны благополучно добирались от своего источника (катода) до поверхности экрана. Пусть пучку электронов надо преодолеть расстояние 0,3 м, и мы хотим, чтобы при этом терялось не более 1/30 доли всех электронов. Двигаясь в газе, электроны сталкиваются с молекулами, отклоняясь от заданного направления. Пусть в газ влетает электрон. Сколько он пролетит, не столкнувшись ни с одной молекулой? Это неизвестно: он может столкнуться сразу же, а может быть, ему «повезет» и он долго будет лететь свободно. Если в среднем электрон пролетает без столкновений при данном давлении газа расстояние L, то 1/30 доля всех электронов «выйдет из игры» на 1/30 этого расстояния. Для того чтобы 1/30 доля всех электронов испытывала столкновения, пройдя не менее 30 см, надо обеспечить каждому электрону длину свободного пробега 10 м. При какой же концентрации молекул L — 10 м? Предположим, что мы «сидим на электроне» и смотрим на газ изнутри. Если считать, что молекулы окружающего нас газа — шарики с диаметром Д то с ростом толщины газовой оболочки вокруг нас все большая часть «небосвода» будет покрываться кружками (так мы будем видеть шарики-молекулы). При толщине слоя Lx х 1/nD2 (п — концентрация, или число молекул в единице объема) «небосвод» закроется почти весь. Эта толщина и будет средняя длина свободного пробега*). Полагая D = 4- Ю-10 м, получим,
      *) Точный ответ: на 30% больше, но для нас это отличие несущественно.
      что L = 10 м достигается при и = 6 -1017 м_3. Какому вакууму соответствует эта концентрация?
      Вакуум характеризуют давлением газа. Давление — это отношение нормальной силы к площади, на которую эта сила действует. Единица силы — 1 ньютон (Н), площади — 1 метр квадратный (м2), поэтому единица давления — 1 Н/м2. Называется эта единица 1 паскаль (Па). Кроме единицы 1 Па, названной по имени французского физика, математика и философа Б. Паскаля, в технике часто применяется другая единица — 1 Тор, названная по имени итальянского физика и математика
      Э. Торричелли (ученика Г. Галилея) и равная давлению столбика ртути высотой 1 мм. По определению 1 Тор = 1 мм рт. ст. Легко подсчитать, что 1 Тор = 133 Па.
      Почему единицы давления названы именами этих ученых? Э. Торричелли изобрел ртутный барометр и объяснил принцип его действия. Именно на основе ртутного барометра были созданы первые приборы для измерения вакуума (вакуум- метры), верой и правдой служившие людям до середины нашего века, чтобы затем уступить место более совершенным приборам. Б. Паскаль доказал существование атмосферного давления, продемонстрировав его зависимость от высоты — он сравнил показания ртутного барометра у подножия горы и на вершине. Он же первый измерил ртутным барометром разрежение, создаваемое вакуумным насосом.
      Но вернемся к нашему вопросу: какому вакууму соответствует концентрация п = 6-1017 м_3? При давлении 1 атм = = 105 Па в объеме 22,4 л любого газа содержится 6-1023 молекул (закон Авогадро), что соответствует концентрации и = 3-1025 м~3. Отсюда легко подсчитать, что концентрация молекул и = 6 -1017 м_3 достигается в газовой среде, давление в которой около 2 1СГ3 Па, или 2-10“5 Тор. Именно при таком вакууме из каждых 100 электронов, вылетевших с катода, в среднем 97 будут благополучно добираться до поверхности экрана, давая нам возможность видеть изображение.
      2. Химически самая инертная среда
      Химическая инертность вакуума используется в электрических лампочках и в электронных лампах. И в тех и
      в других есть сильно нагретые металлические детали. В Электрической лампочке это спираль. Если в лампочку попадет воздух, спираль мгновенно сгорает, а баллон покрывается белым налетом — окисью вольфрама (если воздух в лампочку попадает медленно, т. е. реакция идет не с избытком, а с недостатком газа, образуется другая окись вольфрама — голубого цвета). Заметим, что с точки зрения химической инертности небезразлично, молекулы каких газов остались в лампе. В первую очередь опасен кислород.
      Оценим, какое давление кислорода может быть в лампочке, чтобы она служила не менее 1000 часов. При высоких температурах каждая молекула кислорода, попавшая на поверхность вольфрама, вступает с ним в химическое взаимодействие, а получившаяся в результате реакции молекула окиси вольфрама испаряется, открывая другим молекулам кислорода доступ к металлу. При окислении вольфрама нить становится тоньше, ее электрическое сопротивление увеличивается, потребляемая мощность, а вместе с нею и сила испускаемого света уменьшаются. Предположим, что допустимое уменьшение радиуса нити 5 мкм *). Слой вольфрама единичной площади и толщиной 5 мкм имеет массу около 100 г/м2 (при плотности вольфрама «20 г/см3). На окисление одного атома вольфрама расходуются три атома кислорода, поэтому на окисление 5 мкм вольфрама пойдет...