В этой статье представлена расшифровка второй части подкаста "Космический вакуум: когда кругом глубокая пустота". В ней Григорий Тарасюк, специалист в области вакуумной техники, инженер-исследователь НИЯУ МИФИ, обсудил как получают вакуум разной степени в камерах.
У нас есть вакуумная камера, мы откачали до нужной степени. Может ли она так стоять в вечном вакууме или надо поддерживать его каким-то образом?
Хороший вопрос. Опять же, все зависит от того, какую степень вакуума мы хотим иметь в вакуумной камере. Бытует мнение, что вакуум это просто. И да, и нет, потому что если мы рассматриваем форвакуум, если у нас хороший замкнутый объем, в котором нет течей (связи с атмосферой), то давление довольно долго будет на этом же уровне оставаться. Но если мы говорим о высоком вакууме, о сверхвысоком и экстремальном вакууме, то там будет происходить следующее.
Сначала мы откачиваем газ из вакуумной камеры и, казалось бы, жизнь удалась. Нет, все не так просто. Дело в том, что поверхность вакуумной камеры на самом деле все равно имеет шероховатость, какой полированной она нам не казалась. Сама камера может выделять газ с поверхности.
Второй момент: не всегда понимают эту фразу, но в металле очень много воды, огромное количество. Поэтому, например, для достижения высокого и сверхвысокого вакуумов объем во время откачки обязательно прогревается до 350 °C, чтобы выгнать воду из стенок. Когда-то вакуумная камера стояла открытая, а вода из атмосферы воздуха осела на поверхность. Как я уже сказал, какая бы полированная поверхность не была бы, все равно, если посмотреть на нее, например, через растровый электронный микроскоп, будет наблюдаться развитая поверхность. Зеркало понятия тоже относительное: в приближении человеческих глаз оно будет идеальной поверхностью, в приближении электронного микроскопа будет достаточно шероховатой поверхностью, в которой заключено огромное количество приповерхностного газа, воды и других различных веществ.
При высоком вакууме вода уже имеет значение, то есть до 10-8 мбар можно откачивать без прогревов самого вакуумного объема, при достижении меньшего давления обязателен прогрев. Но есть второй вариант: можно откачивать объем, например, до сверхвысокого вакуума не за несколько дней, а в течение десятилетий без прогрева. Рано или поздно вся эта вода выйдет. Но если мы вакуумный объем прогреем, то выйдет значительно быстрее.
При разговоре о сверхвысоком вакууме используются уже немножко другие законы и правила. В первую очередь для таких камер идет специальный отбор металла, в котором не будет внутренних пор, дефектов, межкристаллических течей и т. д. Есть всего несколько материалов, которые используются для изготовления вакуумных камер, помимо этого необходим контроль их качества. Чаще всего вакуумные камеры изготавливаются из обычной пищевой нержавеющей стали, технологии изготовления которой бывают разные. Нержавейку могли изначально отлить, получить чушки, обработать их и т.д. Это не очень плотный металл, поэтому он не всегда годится для изготовления сверхвысоковакуумных камер.
Нержавеющая сталь для хорошего вакуумного объема в первую очередь должна иметь идеальный состав. Уже на первом этапе, при ее отливе, ни в коем случае не может быть допущена ошибка, как и на следующем этапе: термообработка и ковка. Для хорошего вакуумного объема нержавеющая сталь должна быть обязательно кованной, так уплотняется и разравнивается структура металла. После этого, в зависимости от того, какая часть вакуумного объема изготавливается, срез этой чушки может быть либо продольный, либо поперечный. В зависимости от этого в металле будет различная ориентация, что в свою очередь влияет на вероятность возникновения течи. На самом деле технология изготовления высоковакуумных и сверхвысоковакуумных камер очень сложная и начинается с отлива металла.
А снаружи что-то может влиять на вакуум?
Может, но это уже совершенно другая история. «Натекание» со стороны атмосферы – это базовая вещь, которой не должно быть. Идеального создать ничего нельзя, но в каком-то приближении, которое нас устроит, можно.
Существуют такие приборы как гелиевые течеискатели, которыми мы активно пользуемся для поиска течей при помощи гелия, газа, который имеет потрясающую проницаемость через любые дефекты. Что происходит: к вакуумному объему подключается гелиевый течеискатель, который своим внутренним насосом откачивает этот вакуумный объем до определенной степени. Дальше снаружи происходит обдувка гелием, и если есть какие-то дефекты (уплотнения, дефекты сварных швов и подобное), то гелиевый течеискатель начинает фиксировать гелий внутри. Соответственно, раз фиксируется гелий, значит есть дефекты. Только после того, как вакуумный объем уже в собранном виде успешно прошел проверку на течеискание, мы переходим уже ко внутренним течам и различным другим моментам.
Первый момент: вакуумный объем должен свариваться определенным образом, например, в высоковакуумных, сверхвысоковакуумных камерах запрещено производить сварку внешними швами. То есть вакуумную камеру можно варить только изнутри. Если ее варить снаружи, то получатся щели между свариваемыми деталям, которые будут очень тяжело прокачиваться.
Сама камера – это некий замкнутый объем с различными фланцами и патрубками. Сам фланец сваривается только изнутри. Если не произведено никаких технологических ошибок при токарно-фрезеровочных обработках, а металл, который изначально взят для изготовления фланцев, правильный, то все отлично. Фланец должен быть правильно приварен к вакуумной камере, а само уплотнение должно быть корректно установлено. Важно не забывать о вакуумной гигиене: работа только в перчатках, правильное обезжиривание поверхностей, отсутствие различных загрязнителей, в том числе пыли на поверхностях деталей. Пыль – это частичка, которая будет болтаться в вакуумной камере и ее портить.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте первую часть и продолжение 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