Всем известно, что планета Земля окружена воздушной оболочкой, которая состоит в основном из смеси азота и кислорода. Можно считать, что все мы живем на дне воздушного океана под давлением примерно 1 атмосфера, или 1 кг/см2. Мы уже так привыкли к существованию воздушного океана, которым дышим, что замечаем его существование только при восхождении в горы или при быстрых передвижениях. При восхождении в горы мы замечаем трудности в дыхании из-за недостаточного давления воздуха по мере роста высоты. Это происходит потому, что давление воздуха с ростом высоты уменьшается по экспоненциальному закону. С другой стороны, сопротивление газовой среды движению твердого тела растет пропорционально квадрату скорости движения.
Большинство машин и механизмов, используемых человеком, также вполне нормально работают в воздушной среде. Но есть ряд приборов, которые принципиально не могут работать в воздушной среде, они требуют существенно сократить давление воздуха, или создать для них вакуум. Первыми о нежелательности присутствия воздуха вокруг нити накаливания в конце 1870-х годов заявили создатели электрических ламп.
Вакуум – это состояние газа при низком давлении, измеряемом в мм ртутного столба (мм рт. ст.) или в Паскалях (Па). 1 мм рт. ст. равен 133,3 Па. Для надежной работы электрических ламп накаливания давление в них должно быть не более 10-5 мм рт. ст., или 10-3 Па. Таким образом, давление в лампах должно быть в 100 миллионов раз меньше давления на уровне поверхности океана, которое принимается равным 760 мм рт. ст.
Именно такой вакуум, связанный с разрежением воздушной среды, нашел многочисленные применения в науке и промышленности и породил новую отрасль – вакуумную технику. А в истории физики вакуум навсегда связан с именем Эванджелиста Торричелли, ученика Галилео Галилея. Торричелли работал с длинной (длиной около 1 м) стеклянной трубкой, запаянной с одной стороны. Именно Торричелли в 1643 году в Пизе (Италия) первым догадался перевернуть эту длинную стеклянную трубку, доверху заполненную ртутью, и поставить ее в миску, где был налит тот же металл. Ртуть из трубки вытекла, но не вся, а столько, что высота оставшегося столбика составила 760 мм над уровнем ртути в миске. Выше же располагалась т.н. торричеллиевая пустота, она же область высокого разрежения, или вакуум. Именно тот факт, что над столбиком в пробирке нет ничего, а над ртутью, налитой в миску, находится многокилометровый слой воздуха, который на неё давит, и позволил этому столбику возникнуть: при высоте примерно 760 мм вес ртутного столбика уравновесил атмосферное давление. А в том, что сила этого давления огромна, наглядно показал другой вошедший в школьные учебники опыт бургомистра города Рогенсбурга (Германия) Отто фон Герике: 8 мая 1654 года восемь лошадей не смогли растащить половинки медной сферы диаметром 35,5 см, соединенных через кожаную прокладку; внутри сферы был создан вакуум с помощью изобретенного самим бургомистром ручного насоса с кожаной манжетой.
Использование защитных свойств вакуума для работы нитей накаливания, а затем и катодов, привело не только к массовому появлению электрических ламп накаливания, но и многочисленных радиоламп и прочих электроламповых приборов. Кроме того, вакуумные технологии с середины XX века стали использоваться в различных отраслях промышленности и в физических исследованиях. Что касается физических исследований, то именно здесь в установках для получения контролируемой термоядерной энергии и в многочисленных кольцевых и линейных ускорителях протонов и нейтронов потребовалось получить рабочее давление ниже 10-9 Па (10-11 мм рт. ст.).
Особняком в применении вакуумных технологий стоит металлургия, как цветная, так и черная. Плавка металлов в вакууме позволила получить такие металлы и их сплавы, которые превращались полностью в окислы и нитриды при плавке на открытом воздухе. В качестве примера назовем титан. Технология его переработки достаточно сложная: в результате химической обработки титановую руду превращают в полупродукт, так называемую титановую губку, непригодную для использования в качестве конструкционного материала. И только после электродугового переплава титановой губки в вакууме при давлении 10-2 мм рт. ст. можно получить титановые слитки в виде чушек диаметром около 300 мм и длиной около 3 м. Методом холодной обработки из этих чушек изготавливают листы и другие полуфабрикаты.
Кроме того, внепечное (в ковше) вакуумирование расплавленных металлов удаляет из них растворенные газы, что резко повышает качество специальных сталей и других сплавов. Эта же обработка расплавленной меди делает ее более пластичной (т.н. бескислородная вакуум-плавленная медь).
Во второй половине XX века традиционные электровакуумные приборы (кроме электрических ламп накаливания) почти полностью были заменены полупроводниковыми пленочными устройствами, которые выращивают на кристаллах кремния. Казалось, при их производстве приоритет будет отдан «мокрым» химическим процессам. Именно такие технологические процессы и применялись при изготовлении первых полупроводниковых приборов. Однако такие традиционные химические технологии осаждения покрытий из растворов не смогли обеспечить достаточную точность для того, чтобы соединить десятки тысяч p-n переходов проводящими дорожками шириной менее 10 мкм.
Оказалось, что все технологические операции при производстве микросхем, а именно очистка кремниевого кристалла –подложки ионами аргона, осаждение тонкопленочных покрытий, создание p-n переходов введением в кристалл кремния соответствующих примесей методом ионной имплантации, ионное травление по заданному рисунку с использованием фотошаблонов и многое другое возможно только в вакууме. Даже финишные операции в производстве микросхем – распайка контактных площадок кремниевого кристалла с выводами корпуса микросхемы и герметизация прибора – необходимо вести в вакуумной среде, чтобы на проводящие дорожки не попадали пылинки из воздуха.
Отметим, что производство микросхем нового поколения потребовало существенно изменить характеристики вакуумного откачного оборудования, прежде всего в части «безмаслянного» вакуума. В результате вакуумная техника достигла чрезвычайно высокой степени совершенства. Во всяком случае, ныне получение сверхвысокого вакуума с давлением остаточного газа ниже 10-8 Па не представляет технической проблемы. Как же этого можно добиться?
Основой каждой вакуумной установки (кроме размещенных в космосе, где вакуум – естественное состояние окружающей среды) служит вакуумный насос, действие которого основано на одном из двух принципов. Откачка газа осуществляется либо механическим перемещением молекул газа, либо их связыванием в результате химической реакции или конденсации. Рассмотрим сначала эволюцию вакуумных насосов, которые используют механическое перемещение молекул газа.
Известно, что первые исследователи, начиная с эпохи возрождения, откачивали воздух ручными поршневыми насосами с кожаными манжетами; на них похожи современные велосипедные насосы. Интерес к таким насосам не потерян и в наши дни. Оснащенные электроприводом и усовершенствованные конструкции этих насосов выпускают для перекачки сухих и влажных газов с быстротой откачки от 60 до 2000 л/с при предельном давлении 40 Па, или 0,3 мм рт. ст.
В дополнение к поршневым насосам с ручным приводом во второй половине XIX века было предложено несколько конструкций механических насосов, в которых роль поршня выполняли капли жидкой ртути. Для откачки своих ламп накаливания Т.А. Эдисон выбрал ртутно-капельный насос Германа Шпренгеля (рис. 1).
Корпус насоса Шпренгеля, выполненный из стекла, имел форму бутылки, горлышко которой было направлено вниз. В верхнюю часть корпуса впаян стеклянный жиклер, соединенный через U-образную трубку с первичным сосудом, наполненном ртутью. К горлышку корпуса припаяна капиллярная трубка длиной около 1 метра, соединенная с приемным сосудом. Путем изменения высоты первичного сосуда относительно верхней части корпуса можно было отрегулировать частоту падения ртутных капель из жиклера.
Капли ртути из жиклера попадают в капиллярную трубку, по которой перемещаются в приемный сосуд. Ртуть течет по капиллярной трубке не сплошной струей, а в виде отдельных капель, разделенных друг от друга газовыми промежутками. Удаление по капиллярной трубке из корпуса насоса с помощью капель ртути этих газовых промежутков и составляет принцип действия капельно-ртутного насоса Шпренгеля. Каждая капля ртути играет роль маленького поршня; она захватывает из откачиваемого пространства порцию газа и выталкивает ее в атмосферу.
Быстрота откачки насоса Шпренгеля – всего несколько кубических сантиметров в секунду, а предельное остаточное давление 10-3 Па, или 10-5 мм рт. ст. Каждую лампу накаливания, подпаянную к корпусу насоса, приходилось откачивать по пять часов, но благодаря высокому значению вакуума и возможности продолжительной работы без присмотра оператора, которому только требовалось периодически переливать ртуть из приемного сосуда в первичный; насосы Шпренгеля два десятилетия исправно несли свою службу на электроламповых заводах.
В 1908 году в Германии молодой инженер В. Геде (будущий классик вакуумной техники), желая исключить ручную работу по обслуживанию насоса, а также повысить его быстроту откачки, сконструировал пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением. Этот насос с небольшими усовершенствованиями используют в лабораториях и промышленности до настоящего времени. Устроен он так. Внутри цилиндрической полости корпуса электромотор вращает эксцентрично расположенный ротор. В пазах ротора находятся пластины, а специальные пружины распирают их к поверхности полости корпуса. При вращении ротора воздух из откачиваемого устройства засасывается в левую камеру насоса. Когда весь объем камеры заполнится, воздух в камере, занявшей правое положение, начинает сжиматься и через клапан выбрасывается в атмосферу. Небольшое количество масла внутри полости служит смазкой и одновременно образует пленку между вращающимися и неподвижными частями насоса, препятствуя обратному перетеканию воздуха. Предельное остаточное давление пластинчато-роторных насосов по сравнению с ртутным насосом достаточно велико – 1 Па, или 10-2 мм рт. ст., зато быстрота откачки гораздо выше: от 1 до 500 л/с.
Использование масла, с одной стороны, позволило отказаться от применения ядовитой ртути, а с другой – породило новую проблему: масло, как и любая жидкость, неизбежно испаряется в вакууме и загрязняет его своими длинными молекулами. Порой такое загрязнение оказывается столь недопустимым, что против него приходится прилагать дополнительные меры. Сейчас пластинчато-роторные насосы служат для предварительной откачки при создании вакуума до 10-5 Па (10-7 мм рт. ст.), который необходим для радиоламп, рентгеновских трубок и электронных микроскопов. Для получения такого вакуума используют агрегат, состоящий из двух последовательно соединенных насосов (пластинчато-роторного и диффузионного).
Первым конструкцию диффузионного насоса предложил тот же В. Геде в 1913 году (рис.2). Его действие основано на перемещении молекул воздуха струей ртутного пара. Чтобы этот насос заработал, его сначала надо откачать до неглубокого вакуума механическим насосом, затем включается кипятильник, который нагревает ртуть, и она начинает интенсивно испаряться. Когда пары ртути встречаются с потоком воздуха, выходящего из откачиваемого объема в механический насос, то молекулы воздуха диффундируют (отсюда и название) в пары ртути и вместе с ними попадают в холодную ловушку. Из ловушки сконденсировавшаяся ртуть возвращается в нагреватель, а освободившиеся от ртутного окружения молекулы воздуха откачиваются в атмосферу непрерывно работающим механическим насосом.
Диффузионные насосы Геде, несмотря на свою столетнюю историю, исправно служат и в наше время, привлекая разработчиков вакуумного оборудования надежностью и простотой. Следует отметить, что ядовитую ртуть в них достаточно быстро заменили на органические жидкости. В настоящее время диффузионные насосы выпускаются с различной быстротой откачки – от 100 до 100 тысяч л/с. Как правило, современный диффузионный насос состоит из цилиндрического корпуса, в нижнюю часть которого вварено дно, а в верхней части приварен фланец для соединения с откачиваемым сосудом. На дно корпуса заливается заданное количество вакуумного масла для диффузионных насосов. Снаружи дно корпуса, а значит и масло, нагревается специальным электронагревателем. Температура нагрева масла соответствует его точке кипения (около 250оС).
Внутри корпуса, имеющего снаружи водяную рубашку, расположен т.н. паропровод с несколькими (обычно тремя) кольцевыми соплами, через которые выходит под углом 45о к вертикальной оси поток масляного пара. Молекулы воздуха из откачиваемого объема диффундируют сначала в поток масляного пара из верхнего сопла, и доходят с этим потоком до холодной стенки корпуса. Здесь масляный пар переходит в жидкое состояние и масло начинает стекать по внутренней стенке корпуса вниз. Молекулы воздуха, освободившиеся от опеки масляного пара из верхнего сопла, тут же диффундируют в поток масляного пара из среднего сопла. Точно также они доходят до диффузии в поток масляного пара из нижнего сопла, после освобождения из которого они попадают в специальное устройство – эжектор, который с помощью струи масляного пара выбрасывает молекулы воздуха в сторону выпускного патрубка диффузионного насоса. В выпускном патрубке, охлаждаемом снаружи змеевиком с проточной водой, масляный пар переходит в жидкое состояние и стекает на дно корпуса. А молекулы воздуха из выпускного патрубка откачиваются в атмосферу непрерывно работающим механическим насосом.
Другой насос, который со второй половины XX века успешно используют для получения среднего вакуума, представляет собой модернизированную конструкцию известной еще с 1857 года двухроторной воздуходувки, предложенной в США братьями Фрэнсисом и Филандером Рутс. В ней два ротора, имеющие форму восьмерок, синхронно вращаются в разные стороны без соприкосновения друг с другом и с внутренними стенками корпуса. При соблюдении минимальных, измеряемых долями миллиметра, зазоров между роторами и стенками насоса, а также между самими роторами, можно получить предельное остаточное давление вплоть до 10-3 Па (10-5 мм рт. ст.), быстрота же откачки (от 250 до 1500 л/с) зависит от геометрических размеров и скорости вращения роторов. Как правило, двухроторные насосы Рутса для своей оптимальной работы нуждаются в постоянной откачке со стороны выхода – это делают все те же механические насосы с масляным уплотнением.
Чтобы снизить предельное остаточное давление до 10-8 Па (10-10 мм рт. ст.) немецкий исследователь Дж. А. Беккер в 1957 году предложил т.н. турбомолекулярный насос (рис. 3).
В его корпусе находится система неподвижных статорных дисков, а между ними вращается вал, на котором укреплены роторные диски. Как на статорных, так и на роторных дисках есть система радиальных пазов с косыми боковыми гранями, при этом грани пазов статорных дисков расположены зеркально по отношению к граням пазов роторных дисков. При вращении вала с достаточно высокой скоростью молекулы откачиваемого газа отскакивают от косых граней пазов роторных и статорных дисков таким образом, что направляются преимущественно в правую и левую стороны насоса, откуда через трубопровод попадают в насос предварительного разрежения, создающего предельное остаточное давление не выше 1 Па. У серийно выпускаемых турбомолекулярных насосов номинальная частота вращения ротора составляет от 250 до 600 об/с, быстрота откачки от 160 до 2700 л/с, предельное остаточное давление от 10-5 до 10-7 Па (от 10-7 до 10-9 мм рт. ст.).
К механическим вакуумным насосам относятся также т.н. водокольцевые насосы, которые используют для откачки химически-активных газов до предельного остаточного давления около 50 мм рт. ст. или 10 мм рт. ст. при двухступенчатой (т.е. последовательной) схеме включения двух насосов. Быстрота откачки водокольцевых насосов достигает 500 л/с и более (рис. 4).
Эти насосы в 1914 году предложил американский разработчик Льюис Нэш. Насос состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого расположено рабочее колесо с лопастями. Ось рабочего колеса смещена относительно оси корпуса; в корпус насоса до оси рабочего колеса залита вода. При вращении рабочего колеса центробежная сила отбрасывает воду к стенке корпуса, и между лопастями рабочего колеса и внутренней поверхностью воды, принявшей из-за вращения кольцевую форму, образуются специфические ячейки. При каждом обороте объем ячеек сначала увеличивается (этой фазе вращения соответствует всасывание откачиваемого газа), а потом уменьшается (этой фазе соответствует сжатие засосанного в ячейку газа с выпуском его в атмосферу на последнем этапе фазы сжатия).
Теперь рассмотрим конструкции вакуумных насосов, использующих химическое или физико-химическое связывание молекул откачиваемого газа. Впервые химический способ уменьшения давления в 1884 году применил итальянский исследователь Амедео Малиньяни. Он наносил на внутреннюю поверхность колб ламп накаливания суспензию красного фосфора, который легко окисляется и извлекает весь кислород из содержащегося в лампе воздуха. Вскоре для уменьшения давления стали использовать пленки и из других материалов; их называли геттерами. Наиболее широкое распространение геттеры нашли в радиолампах: там они обеспечивали требуемый вакуум в течение всего срока службы изделия. Аналогичную функцию геттеры выполняют и в колбах термосов.
В середине XX века процессы хемосорбции, лежащие в основе работы геттеров электровакуумных приборов, стали использовать и в вакуумных насосах. Например, в сорбционных насосах геттером служит титан, который непрерывно распыляют на поверхность, охлаждаемую до температуры жидкого азота (минус 196оС). Было установлено, что предварительная ионизация откачиваемого газа усиливает химическую активность геттера. Для лучшей ионизации в некоторых сорбционных насосах используют магнитное поле, и это позволяет довести остаточное давление до 10-7 Па и ниже.
Вот один из примеров насоса с геттером. В нем между двумя катодными пластинами из титана расположен ячеистый анод, на который подается положительный потенциал в несколько киловольт. Снаружи корпуса размещен постоянный магнит. Между катодом и анодом возбуждается газовый разряд, который устойчиво горит в широком диапазоне давлений. Образующиеся в разряде положительные ионы бомбардируют катодные пластины, вызывая распыление титана, который осаждается на поверхности анода. Почти пропорциональная зависимость тока разряда от давления автоматически регулирует скорость распыления катодов, что в свою очередь обеспечивает постоянную быстроту откачки. Для устойчивой работы магнитных электроразрядных насосов в диапазоне 10-1 – 10-7 Па анод должен охлаждаться водой, а до 10-9 Па – жидким азотом. Быстрота откачки этих насосов – от 20 до 100 л/с. Чтобы не загрязнять парами масел камеру, в которой создается вакуум, предварительную откачку проводят адсорбционными насосами. В них газ поглощают сильнопористые сорбенты, охлажденные до минус 196оС. В качестве сорбентов используют синтетические и природные цеолиты, активные угли и силикагели. Эти насосы обеспечивают безмасляную предварительную откачку. У адсорбционных насосов есть серьезные недостатки – время от времени нужно регенерировать (прокаливать) сорбент, а время запуска у них весьма велико.
Как видно, получение сверхглубокого вакуума – дело непростое, требующее от инженеров немалой способности к фантазии и поиску нетривиальных решений. Сегодня выпускаются вакуумные насосы разного принципа действия с широким выбором характеристик. Подчеркнем, что каждый новый тип откачивающих устройств разрабатывался под новые требования потребителей вакуумной техники. А значит, в будущем мы станем свидетелями появления новых типов вакуумных насосов.