пн-пт c 9:00 до 18:00
8 800 700 67 23
+7 (495) 225-75-50
+7 (499) 369-02-69
 

История развития вакуумных технологий


В Древней Греции, до Сократа, философы искали постоянство в мире, то есть то, что стоит за повседневным опытом. Греческий философ Демокрит (ок. 460-375 гг. До н. э.) считал, что мир состоит из множества мелких и неразделимых частиц, которые он назвал атомами. Между ними Демокрит предполагал пустое пространство (своего рода микровакуум), через который атомы двигались в соответствии с общими закономерностями механики, изменения формы, ориентации и расположения атомов могли бы вызвать изменения макроскопических объектов. Опираясь на эту философию, Демокрит вместе со своим учителем Левкиппом могут считаться изобретателями концепции вакуума. Для них, пустое пространство было предпосылкой для разнообразия нашего мира, так как оно позволяло атомам свободно перемещаться и свободно перемещаться. Наш современный взгляд на физику очень близко соответствует этой идее Демокрита. 

Именно философия Аристотеля господствовала на протяжении всего средневековья и до начала нового времени. В своей книге «Physica», около 330 г. до н. э., Аристотель отрицал существование пустого пространства. Там, где ничего нет, невозможно определить пространство. По этой причине в природе нет вакуума. Согласно его философии, природа состояла из воды, земли, воздуха и огня. Самый легкий из этих четырех элементов, огонь, направлен вверх, в то время как самый тяжелый, земля, вниз. Кроме того, природа запретила бы вакуум, поскольку ни вверх, ни вниз нельзя было бы определить в нем. Примерно в 1300 году средневековые учёные начали говорить об ужасном вакууме, что означает страх природы перед вакуумом. 

Однако около 1600 года возможность или невозможность получения вакуумированного объема была предметом обсуждения в научно-философском сообществе Италии, а затем во Франции и Германии. Это произошло в то время, когда первые ученые были сожжены на костре (Бруно в 1600 году). 

Демокрит.png

В 1613 году Галилео Галилей во Флоренции попытался измерить вес и плотность воздуха. Он определял вес стеклянной колбы, со сжатым воздухом, воздух при атмосферном давлении и воду. Он нашел значение. Это был большой шаг вперед: воздух теперь можно рассматривать как вещество с весом. Поэтому можно предположить, что воздух, каким-то образом, можно также удалить из объема.

В 1630 году Галилей переписывался с генуэзским ученым Балиани, который обсуждал систему водоснабжения Генуи. Галилей утверждал, что долгое время он знал о том, что максимальная высота столба воды в вертикальной трубе, производимой всасывающим насосным устройством, составляет около 34 футов. Балиани ответил, что он думает, что это из-за ограниченного давления атмосферы.

Из этих примеров можно увидеть, что в Италии в первой половине семнадцатого века были подготовлены предпосылки для эксперимента, который был проделан в 1640 году Гаспаро Берти, а в 1644 году профессором Флоренции Евангелиста Торричелли. Эксперимент Торричелли должен был стать одним из ключевых экспериментов естественных наук.

Торричелли заполнял стеклянную трубку длиной около 1 м ртутью. Открытый конец был запечатан с помощью пальца. Затем трубку поднимали в вертикальное положение, а концом, направленным вниз, герметизировали пальцем. Этот конец погружался в ртутный резервуар, так, чтобы ртуть внутри трубки находилась в свободном контакте с резервуаром. Столбец ртути в трубке опустился до высоты 76 см, измеренной от поверхности жидкости резервуара. На рисунке показан чертеж торричеллианского аппарата.

Эксперимент показал, что пространство, остающееся над ртутью после переворачивания трубки вверх дном было фактически вакуумом: уровень ртути не зависел от объема снизу.

Торричелианский аппарат

Этот эксперимент был первой успешной попыткой создать вакуум и впоследствии убедил в его существовании научное сообщество. Более ранняя попытка Берти, который использовал воду, была менее успешной.

В 1646 году математик Пьер Пети во Франции сообщил Блезу Паскалю об эксперименте Торричелли. Паскаль повторил эксперимент и, кроме того, попробовал другие типы жидкости. Он обнаружил, что максимальная высота была точно обратно пропорциональна плотности использованной жидкости. Паскаль знал не менее знаменитого философа Декарта. Во время обсуждения в 1647 году они разработали идею измерения давления воздуха на разных высотах с использованием трубки Торричелли.

Паскаль написал письмо своему зятю Периеру и попросил его провести эксперимент на очень крутой горе Пюи-де-Дом, недалеко от дома Перье.

Перьер

Перьер согласился, и 19 сентября 1648 года он поднялся на Пюи де Дом (1500 м) в сопровождении нескольких мужчин, которые служили свидетелям результатов, что было обычной практикой в то время. Они регистрировали высоту столба ртути на различных высотах. От подножия до вершины горы разница высоты столба ртути составляла почти 8 см, и Паскаль был очень доволен: было проведено первое успешное измерение давления! Торричелли, однако, никогда не узнал о эксперименте, основанного на его изобретении: он умер за год до этого.

Несмотря на эти эксперименты, дискуссия между пленистами (по природе не может быть вакуума) и вакуумистов (возможен вакуум) продолжается. Одним из ведущих вакуумистов был Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга в Германии с 1645 по 1676 год. Примерно в 1650 году Герике попытался создать вакуум в деревянной бочке с водой, выкачивая воду с помощью насоса, используемого бригадой в Магдебурге. Несмотря на то, что бочка была специально запечатана, эксперимент провалился: воздух устремился в пустое пространство над водой сквозь древесину, создавая шум. Следовательно, Герике приказал построить большой медный шар, но когда воздух выкачался, шар внезапно сложился. Герике правильно понял, что на это повлияло атмосферное давление. Задача была решена путем изготовления более толстой и более точно сформированной сферы. После откачки этой сферы в течение нескольких дней Герике обнаружил, что воздух просачивается в сферу, главным образом через поршни насоса и уплотнения клапанов. 

Отто

Насос

Чтобы избежать этого, он построил новый насос, где эти части были изолированы водой, эта идея, все еще используется в современных вакуумных насосах, но с маслом вместо воды.

Третьей версией Герике был воздушный насос, который перекачивал воздух непосредственно из сосуда. Эти насосы способны производить вакуумы в гораздо больших объемах, чем трубки Торричелли.

Герике был также очень успешным промоутером его собственных знаний и экспериментов, которые он использовал, чтобы привлечь внимание в политических целях. В 1654 году он провел несколько впечатляющих экспериментов для немецкого рейхстага в Регенсбурге. Самый известный эксперимент, демонстрирующий новую вакуумную технику, был показан в Магдебурге в 1657 году. Герике использовал два полушария диаметром 40 см, известные как магдебургские полусферы. У одного из полушарий был клапан для откачки, и между полушариями Герике помещалось кожаное кольцо, пропитанное воском и скипидаром в качестве уплотнителся. Команды из восьми лошадей с обеих сторон едва не могли разтделить два полушария после того, как закрытый объем был откачан.

Магдебургские сферы

Новости о эксперименте Герике распространились по всей Европе, и его воздушный насос можно считать одним из величайших технических изобретений семнадцатого века, другие - телескопом, микроскопом и маятниковыми часами.

Новая вакуумная технология вызвала много интересных экспериментов. Большинство из них были исполнены Герике и Шоттом в Германии, Гюйгенсом в Нидерландах, Бойлем и Гуком в Англии.

Герике показал, что колокол, расположенный в вакууме, не может быть услышан; Однако на магнитную силу не влиял вакуум. Вместо металла он часто использовал стеклянные сосуды, чтобы сделать процессы в вакууме видимыми. Герике положил свечу в стеклянный сосуд и обнаружил, что свеча медленно гаснет, пока продолжается откачке. Гюйгенс подвесил кусок масла в центре вакуумной банки и, после эвакуации, положил горячую железную крышку на банку. Несмотря на горячую банку, масло не плавилось. Благородные общества семнадцатого и восемнадцатого веков с удовольствием наблюдали за подобными экспериментами.

Вакуумные эксперименты

Однако и другие ученые выполняли научные эксперименты в вакууме. Гюйгенс подтвердил, что скорость свободного падения пера в вакуумной трубке была равна скоростью падения куска свинца. Бойл обнаружил, что произведение объема и давления постоянно, в то время как Амонтон во Франции показал, что эта константа зависит от температуры.

В 1673 году Гюйгенс попытался построить двигатель внутреннего сгорания, используя разность давлений между атмосферой и вакуумом для подъема тяжелых грузов. Порох, вместе с горящим фитилем, помещают в контейнер, расположенный на нижнем конце цилиндра . Бурная реакция пороха вытесняет воздух из цилиндра через смоченные кожаные трубки. Цилиндр остывает и создает вакуум. Затем трубки EF затягиваются и уплотняются, и атмосферное давление приводит в движение вниз поршень, тем самым поднимая груз.

Во время экспериментов важность тщательно очищенных материалов стала очевидной, и было осознано, что качество насосов должно быть улучшено. Последовали инженерные усовершенствования Гука, Хаксби (1670-1713) и других. Немного позже англичанин Г. А. Флаус разработал поршневой насос, который он назвал в честь Отто фон Герике.

Тем не менее, только в 1855 году получилось значительно улучшить вакуум, используя насос, разработанный Гейслером в Германии.

Ученые, создавшие вакуум, до сих пор не имели четкого определения вакуума. Они понятия не имели, что воздух может состоять из атомов и молекул, которые частично удаляются, чтобы создать вакуум. До 1874 года трубка Торричелли была единственным прибором, доступным для измерения вакуума и ограниченным значением 67 Па. Идея вакуума была еще совершенно абсолютной, как в философии Аристотеля, но она не принималась как измеряемая величина. Однако газокинетическая теория Клаусинга, Максвелла, Больцмана и других, а также изобретение калибра Маклеода (McLeod, 1874) показали, что значение вакуума действительно является измеримой физической величиной. Манометр Маклеода, все еще применяемый в нескольких лабораториях сегодня, использует закон Бойля. Сжимая известный объем газа с известным отношением к более высокому давлению, которое можно измерить с помощью ртутного столба, можно рассчитать исходное давление.

Эксперименты с вакуумом

Идея Гюйгенса использовать разницу давлений между атмосферой и вакуумом для создания двигателя была продолжена Томасом Ньюкоменом в начале X века. Он использовал конденсированный пар для создания вакуума. Двигатели Ньюкомена широко использовались в Англии для перекачивания воды из глубоких шахтных стволов, для откачки воды из бытовых нужд и для подачи воды для промышленных водяных колес во время засухи. Его машины предшествовали роторным паровым двигателям на 70 лет.

Еще одно захватывающее событие в истории вакуумной техники имело место, когда в Англии в середине девятнадцатого столетия были построены железные дороги. Так как паровозы в то время были довольно ненадежными, грязными, шумными, тяжелыми и неспособными столкнуться с крутыми подъемами, группа изобретательных инженеров задумала план строительства чистых, тихих и легких поездов, движимых силой между атмосферой и вакуумом на поверхности поршня, размещенного между рельсами.

В 1846 году Брунель построил такую систему на южном побережье Девона в Англии. Непрерывная линия чугунной трубы располагалась по центру между рельсами. Разность давлений наружной атмосферы на ее задней части и грубый вакуум на ее передней поверхности приводили к тому, что в трубке находился поршень. Большие стационарные насосы, расположенные примерно в 5 км по трассе, создавали вакуум. Нижняя часть первого железнодорожного вагона была соединена с рамой, образующей задний конец поршня. Вдоль верхней части трубки находилась щель, закрытая измерительной трубкой; вертикальный продольный воздухонепроницаемый клапан, состоящий из сплошной кожи, усиленной железным каркасом.

Средняя скорость 103 км/ч была зарегистрирована для этих поездов, что было захватывающим в то время. Однако атмосферные железные дороги не получили развития. Среди причин, способствовавших их гибели, были несчастные случаи со стартовыми поездами, отсутствие контроля со стороны инженера на борту и неэффективность продольного клапана.

Поршень

Большие успехи в физике во второй половине девятнадцатого века почти немыслимы без помощи вакуумных технологий. Значительный прогресс, однако, был возможен только после изобретения насоса Гейслера в 1855 году. Три года спустя Плюкер обнаружил, что свечение стеклянной стенки во время газового разряда смещается при приложении магнитного поля. В 1860 году Хитторф обнаружил, что лучи от катода производят очень острую тень, если объект помещен между катодом и стеклом. Многие ученые продолжали исследования катодных лучей, что в конечном итоге привело к открытию электрона в качестве компонента катодных лучей Дж. Томсона в 1898 году.

В 1895 году Рентген сообщил, что при перекачке разряда до менее 1 Па образуется сильно проникающее излучение, способное проходить через воздух, пламя и даже тонкие металлические листы. Он назвал лучи рентгеновскими лучами. В 1887 году Герц открыл фотоэлектрический эффект в вакууме. В 1890 году Рамсей и Рэлей обнаружили благородные газы. Все эти эксперименты помогли понять природу вакуума: увеличивающееся разрежение атомов и молекул газа. В то время стало ясно, что любое вещество в природе состоит из атомов. В 1909 году Кнудсен опубликовал всестороннее исследование потока газов через длинные и узкие трубки. Он разделил этот поток на три режима: молекулярный режим при очень низких давлениях, где частицы настолько разбавлены, что они не взаимодействуют друг с другом, а только с окружающими стенками, вязкий режим при более высоких давлениях, где движение частиц Сильно зависящей от взаимных столкновений, и промежуточного режима. Эта публикация может рассматриваться как начало физики вакуума. Для экспериментов Кнудсен использовал так называемый насос Геде.

Насос Геде

Насос Геде представлял собой ротационный ртутный насос, в котором трубка Торричелли была намотана так, что она позволяла непрерывную откачку вращательным движением. Насос приводился в действие электромотором. Его скорость откачки была в 10 раз выше, чем у насоса типа Шпренгеля, и производилось вакуумирование до 1 мПа. Однако для этого требовался дополнительный насос последовательно, потому что он мог сжимать газ только до 1/100 атмосферного давления.

Ротационный вакуумный насос с вращающейся лопастью был разработан между 1904 и 1910 годами, основанными на идее аристократа Принса Рупрехта, датируемого 1657 годом. Геде оптимизировал эти насосы в 1935 году, изобретя газовый балласт, что позволило прокачать конденсируемые газы.

Геде тщательно изучил работу Кнудсена, и на встрече немецкого физического общества в 1912 г. он представил свою первую молекулу. Геде использовал открытие, что любая молекула газа, столкнувшаяся со стенкой, остается на ней некоторое время. Поэтому если частица газа попадает в быстро движущуюся стенку, она будет принимать скорость стенки и переноситься в направлении движения во время пребывания в потоке. Насосы, основанные на этом принципе, требуют очень высоких скоростей вращения ротора и низких зазоров около 20 мкм между движущейся стенкой и неподвижной стенкой. В 1958 году Беккер использовал этот принцип и изобрел турбомолекулярный насос.

В 1915 и 1916 годах Геде и Ленгмюр разработали ртутный диффузионный насос. Двенадцать лет спустя последовал масляный диффузионный насос, который был самым распространенным насосом до тех пор, пока не был разработан турбомолекулярный насос.

Кроме того, вакуумные измерения стремительно развивались, используя другие, зависящие от давления свойства газов: Сазерленд предложил использовать вязкость газов в 1897 г. Ленгмюр применил этот принцип на практике в 1913 г. с использованием осциллирующего кварцевого волокна. Уменьшение амплитуды колебаний дало измерение давления газа. В 1960 г. Дж. У. Бимс продемонстрировал, что замедление частоты вращения стального шарика с магнитной подвеской, вращающегося на частоте около 1 МГц в вакууме, может быть использовано в качестве меры давления. Фремерей оптимизировал это устройство в 1970-х и 1980-х годах. Пирани использовал зависимость теплопроводности от давления и построил первый датчик теплопроводности в 1906 году. В 1909 году фон Байер показал, что в качестве вакуумного датчика можно использовать триодную вакуумную трубку. Пеннинг изобрел датчик холодного катода в 1937 г., в котором газовый разряд устанавливается скрещенными электрическим и магнитным полями. Во время Второй мировой войны были разработаны масс-спектрометры, которые стали ключевыми компонентами оружейной промышленности.

После Второй мировой войны, считалось, что диффузионные насосы не смогут создавать давления ниже 10-8 Торр, хотя основной эффект неизвестен. Кривые скорости откачки всех производителей в этот момент показали значение нуля. Давление измеряли с помощью триодных датчиков. Во время Конференции по физическим электронным устройствам в 1947 г. Ноттингем предположил, что причиной этого более низкого давления может стать попадание рентгеновских фотонов на коллектор триода, вызывающего вторичные электроны. Это был прорыв. Соревнование за существенное улучшение ионной калибровки началось. В 1950 году, Байард и Альперт преуспели с такой простой идеей. Поскольку все вакуумные датчики, за исключением трубки Торричелли, необходимо было откалибровать, и поскольку в то же время вакуумная промышленность выросла до важной отрасли, в государственных институтах в конце 1950-х годов были созданы независимые метрологические лаборатории. Первые были созданы в Национальной физической лаборатории (NPL) в Англии. В 1966 г. в Германии была лаборатория физики вакуума (сегодня: вакуумная метрология) на физико-технологическом бундесанском станте (PTB) в Германии, а в 1970-х годах вакуумная лаборатория в Национальном бюро стандартов (НБС, сегодня: NIST) в Соединенные Штаты.

Вакуум в космосе

Возвращаясь к философским соображениям в начале этой главы, давайте сделаем заключительное замечание о природе вакуума с точки зрения современной физики: несомненно, существуют макроскопические области, например, небольшие объемы между галактиками, где нет ни единой молекулы. Для такого объема вводился термин абсолютный вакуум. Однако сегодня мы знаем, что даже абсолютный вакуум не является пустым (с точки зрения энергии). Иначе это не соответствовало бы законам природы. Энергия вакуума с еще неизвестной природой, которая может быть связана с введенной Эйнштейном космологической постоянной, позволяет спонтанно генерировать частицы, флуктуируя квантовые поля за короткие промежутки времени даже в абсолютном вакууме. В этом смысле нет свободного места в мире, где действительно пусто.