В этой статье представлена расшифровка третьей части подкаста "Космический вакуум: когда кругом глубокая пустота". В ней Григорий Тарасюк, специалист в области вакуумной техники, инженер-исследователь НИЯУ МИФИ, рассказал об особенностях высокого вакуума и об уникальном комплексе "Змей-Горыныч".
В чем заключается сложность измерения высокого вакуума?
Давление от атмосферы до «плохого» вакуума можно измерить простыми стрелочными манометрами наподобие тех, какими пользуются для измерения избыточного давления в баллонах, например. Если мы говорим о среднем и высоком вакууме, тут тоже нет никаких проблем. Используются в большинстве случаев тепловые датчики либо магниторазрядные датчики с холодным или горячим катодом – ионизационные датчики. Они могут измерить вакуум только до давления 5*10-9 мбар, при 10-9÷10-10 мбар у них не хватает разрешающей способности для измерения. В таких случаях подходят такие датчики, как Баярда-Альберта, к примеру. Это очень дорогие прецизионные датчики, которые очень тяжелы в изготовлении и приобретении. Также можно измерять и с помощью различных квадрупольных масс-спектрометров. Но для измерения, например, высокого вакуума нужно потратить условно полмиллиона рублей для измерения, для сверхвысокого вакуума – 1.5÷2 миллиона рублей на старте, а закончится это может десятками миллионов.
Какой принцип работы этих высоковакуумных измерителей?
Принципы работы везде схож, используются ионизационные датчики. Происходит ионизация среды тем или иным способом: с помощью электронный эмиссии, с помощью плазмы – вариаций очень много. Дальше измеряется ток горения разряда и сопоставляется с градуировочной кривой, полученной экспериментально. Чем меньше частиц, тем глубже вакуум и тяжелее все ионизировать, чем тяжелее ионизировать, тем меньше ток ионизации. А мы знаем, что ток – это упорядоченное движение частиц, в данном случае тех, что заключены в исследуемом объеме.
Если говорить про высокий и сверхвысокий вакуум, какого размера могут быть установки?
Начиная от размера с человеческий кулак, заканчивая размером в диаметре несколько метров. Все зависит от задачи, которую решают на той или иной установке. Получить высокий и сверхвысокий вакуум можно в принципе везде, если этого захотеть. Ставятся более мощные системы откачки, определяется только этим. Большой объем нужно будет прогревать, дольше прокачивать, но получить его все равно можно.
А какой самый большой объем откачивали до сверхвысокого вакуума?
Сложно сказать, потому что это вопрос денег и времени, не более того. Как в начале нашего разговора я сказал: вакуум – это та штука, которая используется везде, всюду и постоянно. Количество времени зависит от того, насколько хорошо был подготовлен изначальный объем. Далее важно насколько грамотно спроектирована система откачки. Бывает, что не согласовывают вакуумный объем с мощностью откачки или, например, подключают несогласованный с объемом насос через неправильную вакуумную арматуру, которая зарезает скорость откачки. К сожалению, не всегда грамотно планируют периферийную систему для работы с вакуумным объемом.
Классическая схема для большинства вакуумных установок – это какой-то форвакуумный насос и турбомолекулярный насос. Например, при обучении студентам ставится задача: есть вакуумная печка или какая-то камера объемом десять литров. Подберите турбомолекулярный насос, который сможет достичь такого вакуума, и подберите форвакуумный насос, который сможет обеспечить и поддержать работу турбомолекулярного отсоса. Вот классическая задача. На самом деле, как показала практика, полученные цифры очень редко сопоставимы с реальностью. Теоретическая часть чаще всего не совпадает, потому что модель очень сильно упрощают для студентов. А так – мы очень активно занимаемся построением различных систем, вакуумных установок различной сложности, например, наша установка «Змей Горыныч».
Уникальный комплекс, аналогов в мире ему не существует, потому что мы смогли в одном комплексе поженить сверхвысокий вакуум (~10-10 мбар) и 20 атм избыточно давления. При этом все эксперименты, проводящиеся на установке, и абсолютно уникальные, и сверхчистые, потому что весь комплекс мероприятий происходит без выноса на атмосферу. Это значит, что с момента создания образца до его полного анализа он не покидает установку и всегда находится под вакуумом. Никакие атмосферные вещи (вода, окисление и т.д.) не влияют на эксперимент.
«Змей Горыныч» – это мульти-кластерная установка, состоящая из-за нескольких камер, в каждой из которых проводятся свои манипуляции. Где-то мы напыляем металлы, где-то производим насыщение газами, в следующей камере производим термодесорбционные исследования. Одна из камер является загрузочной камерой, чтобы передавать образец между камерами. Образец руками не трогается, есть специальные сверхвысоковакуумные манипуляторы, с помощью которых он переносится из камеры в камеру. Все это происходит под вакуумом и управляется со стороны атмосферы. В этом уникальность и установки, и эксперимента: от момента создания образца до полного исследования нет никаких вмешательств со стороны атмосферы.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте первую и вторую части в нашем блоге, слушайте этот и другие подкасты на ЯндексМузыке, во ВКонтакте или на удобной Вам платформе.
#инженерный_подкаст
#все_ответы_в_науке_МИФИ
#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
