Введение. Что такое вакуум и немного истории

Вакуум, как его понимают в технике, — это силь­но разреженный газ. Приборы и устройства, в которых тем или иным образом используется вакуум, широко применяются в самых разных областях науки и техники. 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 издание 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 *).

*) Цейтлин А. Б. Современное состояние и перспективы развития вакуум­ной техники. Обз. инф. Серия ХМ-6: Криогенное и вакуумное машинострое­ние.-М., 1986

.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 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 сначала.