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, сверхвысокий 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 -6 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.
Основные приборы для создания вауукума
Для создания низкого вакуума лучше всего использовать механические
насосы. Самый простой среди них - поршневой насос 1, 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 = РаТм; 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 1 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 давление 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 материалы, 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 двухэтажный 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.
