Вакуумная техника

Слово «вакуум» в переводе с латыни означает «пустота». В природе не бывает абсолютной пустоты — даже в космосе есть мельчайшие частицы вещества, атомы и молекулы. А вакуумом принято называть объем пространства, в котором находится газ под низким давлением, в сотни и тысячи раз ниже атмосферного. На поверхности Земли в естественных условиях такое состояние невозможно, поэтому вакуум приходится создавать искусственно, с помощью средств и методов вакуумной техники. По величине разрежения газа различают 4 вида, или степени, вакуума: низкий вакуум, когда газ находится под давлением ниже атмосферного, но не менее 102 Па («1 мм рт. ст.); средний вакуум — от 102_до 10 ~1 Па; высокий вакуум — от 10 ~ 1 до 10 ~6 Па и, наконец, сверхвысо- к и_й вакуум — при давлениях газа ниже 10 6 Па (10 ~8 мм рт. ст.). Наиболее высокая степень вакуума, которой удается достичь существующими методами, соответствует давлениям порядка 10~13—10~14 Па (10 ~15— 10 16 мм рт. ст.). При этом в объеме, равном 1 см3, насчитывается всего несколько десятков молекул. Чтобы получить вакуум в каком-нибудь закрытом сосуде, чаще всего стеклянном или металлическом, из него откачивают газ с помощью вакуумного насоса. Насосы бывают разных типов, причем выбирается тип насоса в зависимости от степени вакуума. Для создания низкого вакуума лучше всего использовать механические н а с о - с ы. Самый простой среди них — поршневой насос /, который устроен подобно обычному, например велосипедному, насосу, только действует он прямо противоположно — поршень не нагнетает газ в объем, а отсасывает его из сосуда и выпускает в атмосферу. Иначе устроен вращательный механический насос 2. Его основной элемент — эксцентрично расположенный ротор, в прорезях которого помещены подвижные пластины. При вращении пластины прижимаются к внутренней поверхности камеры, захватывают газ, поступающий через входное отверстие, и выталкивают его через выходное. Механическими насосами удается получить разреженный газ с давлением около 1 Па, т. е. средний вакуум. А как быть, если нужен высокий вакуум? На смену механическим приходят струйные насосы. Рабочий элемент такого насоса 4 — сильная струя жидкости или газа, которая захватывает молекулы газа, поступающие из откачиваемого объема, и уносит их с собой. С помощью лучших струйных насосов — паромасляных, в которых работает струя паров масла, — удается получать высокий вакуум с давлением до 10 "6 Па. Для создания сверхвысокого вакуума применяют ряд специальных приборов и методов, цель которых — вылавливать из объема, в буквальном смысле, молекулу за молекулой, повышая постепенно степень разрежения газа. Для этого используют способность некоторых веществ, например металлов — титана, циркония, молибдена, поглощать газы. Это явление называется сорбцией, а устройства, основанные на нем, — сорбционными насосами. Кроме насосов в арсенале вакуумной техники важное место занимают вакуумметры — приборы для измерения степени разрежения газа, или давления. Простейший из них — жидкостный U-образный вакуумметр 3, представляющий собой изогнутую в виде латинской буквы U стеклянную трубку, заполненную жидкостью. Одним концом вакуумметр присоединен к сосуду, в котором нужно измерить давление, другой конец трубки открыт или запаян. Если плотность жидкости q, то разность давления в коленах трубки уравновесится столбом жидкости высотой h:PB-PK = gQh, где g — ускорение свободного падения. Если свободный конец трубки не запаян, то Рк=^атм' если запаян> то Рк=0. Отсюда легко найти давление Рв в сосуде. В качестве рабочей жидкости чаще всего используют ртуть или специальные вакуумные масла с низким выделением молекул с поверхности жидкости в вакуумный объем. С помощью такого вакуумметра можно измерять давления до 10 _I Па. Наиболее точны и универсальны ионизационные вакуумметры. С их помощью давление газа можно измерять в очень широком диапазоне — от 10 ~5 до 10 ~12 Па. Принцип действия одного из них — электронного вакуумметра 5 состоит в следующем. Между катодом К и анодом А создается сильное электрическое поле. Свободные электроны, всегда имеющиеся в газе, попадая в это поле, набирают энергию и, сталкиваясь с атомами газа, превращают их в положительные ионы. Отрицательный электрод — коллектор Кол — притягивает к себе эти ионы, причем, чем ниже давление газа, тем меньше ионов будет собираться на коллекторе. Измеряя силу этого ионного тока, можно очень точно определить дав-ление газа. Особое внимание в вакуумной технике уделяется подбору материалов для вакуумных конструкций. Материалы эти должны обладать по возможности низкой газопроницаемостью и низким собственным газовыделением. Среди лучших конструкционных материалов — металлы, стекло, такие синтетические материалы, как фторопласт, полиэтилен, полиамид. С получением высокого вакуума связано массовое производство электровакуумных приборов — от осветительных ламп до кинескопов всех размеров. Высокий вакуум нужен и физикам: разогнать элементарные частицы до высоких энергий можно лишь в том случае, если на их пути в ускорительной камере будет как можно меньше посторонних атомов и молекул. В вакууме лучше всего удается наносить равномерные металлизированные покрытия на различные материа-лы, чтобы изготавливать зеркала и елочные игрушки, отражатели прожекторов и автомобильных фар. В металлургии при пониженном давлении газа (около 10 2 Па) легче всего очистить расплавленный металл от ненужных газов и примесей. Без вакуум-аппаратов немыслима современная пищевая промышленность. На молочных заводах в огромных, высотой с двух-этажный дом, вакуум-аппаратах молоко нагревается от труб с паром и благодаря пониженному давлению кипит при сравнительно невысокой температуре (около 50° С). Так получают сгущенное молоко, сохраняющее при этом ценные свойства и вкусовые качества натурального молока. С помощью вакуум-аппаратов на свеклосахарных заводах выпаривают сироп, превращая его в белые кристаллики сахара. Через вакуум проходят и многие другие пищевые продукты при консервировании (см. Консервный завод). Наконец, огромное значение играет вакуумная техника в производстве космических аппаратов. Ведь космос — это безбрежный океан вакуума. И потому так необходимо подвергнуть самым строгим испытаниям на вакуумных стендах в земных лабораториях все узлы, механизмы и приборы космического корабля, прежде чем отправить его в плавание по вакууму космического пространства.