История развития вакуумной техники

До середины XVII в. понятие «вакуум», в переводе с латинского означающее пустоту, использовалось лишь в философии. Древнегреческий философ Демокрит одним из «начал мира» выбрал пустоту. Позднее Аристотель вводит понятие эфира — неощутимой среды, способной передавать давление. В этот период знания о свойствах разреженного газа еще отсутствовали, но вакуум уже широко использовался в водоподъемных и пневматических устройствах.

Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения многочисленных исследований свойств разреженного газа. Изучается влияние вакуума на живые организмы. Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения. Теплоизолирующие свойства вакуума помогли создать правильное представление о способах передачи теплоты и послужили толчком для развития криогенной техники.

Успешное изучение свойств разреженного газа обеспечило возможность его широкого технологического применения. Оно началось с изобретения в 1873"г. первого электровакуумного прибора— лампы накаливания с угольным электродом — русским ученым А. Н. Лодыгиным и открытием американским ученым и изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента вакуумная техника становится технологической основой электровакуумной промышленности.

Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения и измерения вакуума. За небольшой период времени в начале XX в. были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Д. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913). Аналогичные успехи были достигнуты и в развитии способов измерения вакуума. К U-образному манометру Торричелли добавились компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).

Одновременно совершенствуются научные основы вакуумной техники. В России П. Н. Лебедев (1901) впервые использует в своих опытах идею удаления остаточных газов с помощью ртутного пара. В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса (М. Кнудсен, М. Смолуховский, И. Ленгмюр, С. Деш-ман).

В СССР становление вакуумной техники связано с именем академика С. А. Векшинского (1896—1974), организовавшего в 1928 г. вакуумную лабораторию в Ленинграде, а затем возглавившего научно-исследовательский вакуумный институт в Москве.

До 50-х годов существовало мнение, что давления ниже 10~⁶ Па получить невозможно. Однако работы американских ученых Ноттингема (1948) по измерению фоновых токов ионизационного манометра и Альперта (1952) по созданию ионизационного манометра с осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений вакуумной техники еще на три-четыре порядка в область сверхвысокого вакуума.

Для получения сверхвысокого вакуума изобретают новые насосы: турбомолекулярный (Беккер, 1958), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 1959); совершенствуются паромасляныё и криосорбционные насосы.

При измерении низких давлений применяются анализаторы парциальных давлений, с помощью которых определяют состав и давление каждой компоненты остаточных газов. Сверхвысоковакуумные системы потребовали для обеспечения их надежной сборки и эксплуатации разработки чувствительных методов определения натеканий в вакуумных системах: масс-спектрометрического, галоидного и др. Для снижения газовыделения вакуумных конструкционных материалов начинает применяться высокотемпературный прогрев всей вакуумной установки. Вакуумные системы изготавливают цельнометаллическими, разрабатывают конструкции сверхвысоковакуумных уплотнений, вводов движения и электрических вводов в вакуум. Совершенствуются технологические методы получения неразъемных соединений металла со стеклом, электронно-лучевая и газовая сварка. В 60-х годах успешное развитие вакуумной техники привело к разработке стохастических методов расчета вакуумных систем.

Достижения криогенной техники в получении низких температур нашли применение в технологии получения вакуума. Криогенные вакуумные насосы начали применять в научных исследованиях, а затем и в промышленности. Разработка откачных средств, не загрязняющих откачиваемый объект, открыла новые перспективы для применения вакуумной техники.