Введение
Вакуумная инженерия – это область техники, занимающаяся практическим применением вакуума в промышленных и научных целях. Вакуум может повысить производительность и эффективность процессов, выполняемых при нормальном атмосферном давлении, или сделать возможными процессы, которые невозможно осуществить в присутствии воздуха. Методы вакуумной инженерии широко используются в обработке материалов, такой как сушка или фильтрация, в химической промышленности, при нанесении металлических покрытий, производстве электронных приборов и ламп накаливания, а также в научных исследованиях. Вакуумные технологии различаются в зависимости от требуемой степени вакуума. Для создания "грубого" вакуума, при давлении выше 100 Паскалей, можно использовать стандартные методы анализа, материалы, насосы и измерительные приборы, в то время как для систем сверхвысокого вакуума применяется специализированное оборудование для достижения давлений ниже одной миллионной Паскаля. При таких низких давлениях даже металлы могут выделять достаточно газа, чтобы вызвать значительное загрязнение.
Конструкция и механизм
Вакуумные системы обычно состоят из манометров, паровых эжекторов и насосов, паровых ловушек и клапанов, а также дополнительной разводящей трубопроводной сети. Устройство, работающее под вакуумом, может быть представлено технологическим резервуаром, паровым симулятором, ускорителем частиц или любым другим типом пространства, имеющим герметичную камеру для поддержания давления газа ниже атмосферного. Поскольку вакуум создается в замкнутом объеме, устойчивость к внешнему атмосферному давлению является стандартной мерой предосторожности при проектировании таких устройств. Помимо риска выпучивания или обрушения, внешняя оболочка вакуумной камеры тщательно оценивается, и любые признаки износа устраняются путем увеличения толщины самой оболочки. Основными материалами, используемыми для вакуумных конструкций, обычно являются мягкая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Другие элементы, такие как стекло, применяются для смотровых стекол, иллюминаторов и иногда для электрической изоляции. Внутренняя поверхность вакуумной камеры должна быть всегда гладкой, без ржавчины и дефектов. Для удаления излишков масла и загрязнений, негативно влияющих на вакуум, обычно используются растворители под высоким давлением. Поскольку вакуумная камера представляет собой замкнутое пространство, для очистки можно использовать только специализированные моющие средства, чтобы избежать каких-либо рисков или опасностей. Каждая вакуумная камера должна иметь определенное количество доступа и смотровых отверстий, как правило, выполненных в виде фланцевых соединений для подключения насосов, трубопроводов или других компонентов, необходимых для работы системы. Особое внимание уделяется герметичности вакуумной камеры. Сама камера должна быть герметичной для поддержания глубокого вакуума, что обеспечивается проверкой на герметичность, обычно с помощью масс-спектрометрического детектора утечек. Все отверстия и соединения также оснащаются уплотнительными кольцами и прокладками для предотвращения дальнейшей утечки воздуха в систему.
Технология
Вакуумная инженерия использует методы и оборудование, которые варьируются в зависимости от степени вакуума. Давление, незначительно сниженное по сравнению с атмосферным, может использоваться для управления потоком воздуха в вентиляционных системах или системах транспортировки материалов. Вакуумные установки с более низким давлением применяются для вакуумного выпаривания при переработке пищевых продуктов без сильного нагрева. Более высокие степени вакуума используются для дегазации, вакуумной металлургии, а также при производстве ламп накаливания и кинескопов. Так называемые «сверхвысокие» вакуумы необходимы для определенных процессов в полупроводниковой промышленности, а «наиболее глубокие» вакуумы с самым низким давлением создаются для физических экспериментов, где даже незначительное количество атомов воздуха может помешать проведению эксперимента. Используемый аппарат меняется по мере снижения давления. Воздуходувки уступают место различным типам поршневых и роторных насосов. Для некоторых важных применений пароструйный насос может быстро откачать большой технологический сосуд до предварительного вакуума, достаточного для некоторых процессов или в качестве подготовки к более глубокой откачке. Изобретение насоса Спренгеля стало критическим шагом в развитии лампы накаливания, поскольку позволило создать вакуум, превышающий ранее достижимый, что увеличило срок службы ламп. При более высоких уровнях вакуума (более низком давлении) используются диффузионные, абсорбционные и криогенные насосы. Насосы больше похожи на «компрессоры», поскольку они собирают разреженные газы в вакуумном сосуде и перекачивают их в выпускное отверстие с гораздо более высоким давлением и меньшим объемом. В вакуумной системе может использоваться последовательность из двух или более различных типов вакуумных насосов, где один «предварительный» насос удаляет основную массу воздуха из системы, а последующие ступени обрабатывают относительно меньшее количество воздуха при все более низком давлении. В некоторых случаях для связывания остаточного воздуха в откачиваемом объеме используется химический элемент. Например, в электронных вакуумных лампах металлический «геттер» нагревался индукцией для удаления воздуха, оставшегося после первоначальной откачки и герметизации. «Геттер» также медленно удалял любой газ, выделявшийся внутри лампы в течение всего срока ее службы, поддерживая достаточный вакуум.
Приложения
Вакуумная технология – это метод, используемый для откачки воздуха из замкнутого объема путем создания разности давлений между этим объемом и выпускным отверстием, конечным пунктом которого является открытая атмосфера. При использовании промышленной вакуумной системы, вакуумный насос или генератор создают эту разность давлений. Разнообразные технические изобретения были созданы на основе идеи вакуума, открытой в XVII веке. Они включают в себя вакуумные насосы и рентгеновские трубки, которые впоследствии нашли применение в медицине в качестве источников рентгеновского излучения. Вакуумная среда стала играть важную роль в научных исследованиях, поскольку новые открытия совершаются, возвращаясь к фундаментальным принципам давления. Идеал "абсолютного вакуума" не может быть достигнут, но технологические открытия начала XX века позволили приблизиться к нему как никогда ранее. Современная вакуумная инженерия использует широкий спектр материалов, от алюминия до циркония и всего, что между ними. Распространено мнение, что вакуумная технология ограничивается только клапанами, фланцами и другими вакуумными компонентами, однако новые научные открытия часто совершаются с использованием этих традиционных вакуумных технологий, особенно в сфере высоких технологий. Вакуумная инженерия применяется при производстве полупроводников, силовых устройств, логических схем памяти и фотоэлектрических элементов. Вакуумный насос – еще одно техническое изобретение, используемое для удаления молекул газа из герметичного объема, создавая тем самым частичный вакуум. Для обеспечения плавного потока в одном приложении часто используется несколько вакуумных насосов. Плавный поток обеспечивает свободный путь для вакуума, удаляя любые молекулы воздуха, мешающие процессу. В этом процессе вакуум используется для достижения максимально возможного приближения к абсолютному вакууму. Частичный вакуум, например, может быть создан с помощью насосов вытеснительного типа. Насос вытеснительного типа способен переносить газовую нагрузку от входного к выходному отверстию, но из-за конструктивных ограничений он может достичь лишь относительно низкого вакуума. Для достижения более высокого вакуума необходимо использовать другие методы. Использование последовательности насосов, например, предварительной откачки быстрым насосом с последующим использованием насоса вытеснительного типа, позволяет создать значительно лучший вакуум, чем при использовании одного насоса. Комбинация используемых насосов обычно определяется требованиями к вакууму в конкретной системе. Некоторые применения в химической, фармацевтической, нефтегазовой и других отраслях промышленности требуют сложных вакуумных систем.
Материалы
Материалы, используемые в вакуумных системах, должны быть тщательно оценены. Многие материалы обладают некоторой пористостью, которая, хотя и несущественна при нормальном давлении, может приводить к постоянному поступлению незначительных количеств воздуха в вакуумную систему при неправильном использовании. Некоторые материалы, такие как резина и пластик, выделяют газы в вакуум, которые могут загрязнять систему. При высоких и сверхвысоких уровнях вакуума даже металлы требуют тщательного отбора, поскольку молекулы воздуха и влага могут конденсироваться на их поверхности, а любой газ, заключенный внутри металла, может просачиваться на поверхность в условиях вакуума. В некоторых вакуумных системах для герметизации соединений достаточно простого покрытия низколетучей смазкой, но при сверхвысоком вакууме фитинги должны быть тщательно обработаны и отполированы для минимизации захваченного газа. Обычно практикуется термообработка компонентов высоковакуумных систем; при высоких температурах любые газы или влага, адгезирующие к поверхности, удаляются. Однако это требование влияет на выбор используемых материалов. Для применений при низком давлении возможна последующая обработка даже пластика, полученного методом 3D-печати, для создания вакуумных систем. Ускорители частиц – самые крупные системы сверхвысокого вакуума, длина которых может достигать километров. Вакуумные системы изучаются уже давно, поэтому свойства основных материалов, используемых в вакуумных приборах (углерод, керамика, медь, стекло, графит, железо, слюда, никель, благородные металлы, тугоплавкие металлы, сталь и все соответствующие сплавы) хорошо известны, включая методы их соединения и способы решения распространенных проблем, таких как вторичная эмиссия и электрический пробой.
История
Слово "вакуум" происходит от латинского слова "vacua", которое переводится как "пустой". Физики используют вакуум для описания частично пустого пространства, из которого удален воздух или другие газы из замкнутого объема. Идея вакуума как пустого пространства восходит к V веку, когда греческие философы начали ее обсуждать. Аристотель (384–322 до н.э.) полагал, что создание вакуума в природе невозможно. Эта идея доминировала на протяжении столетий, вплоть до XVII века, когда были заложены основы вакуумной техники и физики. В середине XVII века Эвангелиста Торричелли изучал свойства вакуума, создаваемого ртутным столбом в стеклянной трубке, что привело к изобретению барометра – прибора для измерения атмосферного давления. В 1654 году Отто фон Герике эффектно продемонстрировал силу атмосферного давления, когда команды лошадей не смогли разъединить два полушария диаметром 20 дюймов, плотно соединенные и из которых был откачан воздух. В 1698 году Томас Сэвери запатентовал паровой насос, использующий конденсацию пара для создания частичного вакуума, необходимого для откачки воды из шахт. Конструкция насоса была усовершенствована в атмосферной машине Ньюкомена в 1712 году, которая, несмотря на низкую эффективность, позволила разрабатывать угольные шахты, которые в противном случае были бы затоплены грунтовыми водами. В период с 1564 по 1642 год знаменитый ученый Галилей одним из первых провел эксперименты по измерению сил, необходимых для создания вакуума с помощью поршня в цилиндре. Это открытие было широко распространено среди других ученых. Французский ученый и философ Блез Паскаль, опираясь на эти идеи, продолжил исследования вакуума. Открытия Паскаля были схожи с исследованиями Торричелли, поскольку он использовал аналогичные методы с ртутью для создания вакуума. В 1661 году мэр города Магдебург, Отто фон Герике, использовал эти открытия для создания первого воздушного насоса, модифицировав конструкцию водяных насосов и манометров. Современная вакуумная инженерия предоставляет решения для всех задач, связанных с нанесением тонких пленок в машиностроении. Этот метод широко используется как для научно-исследовательских работ, так и для крупномасштабного производства материалов. Вакуум экспериментально применялся для движения поездов. Развитие насосных технологий замедлилось до середины XIX века, когда Гейсслер и Шпренгле создали приборы, позволившие достичь высокого вакуума. Это привело к изучению электрических разрядов в вакууме, открытию катодных лучей, рентгеновских лучей и электрона. Фотоэлектрический эффект, наблюдаемый в условиях высокого вакуума, стал ключевым открытием, приведшим к формулированию квантовой механики и развитию современной физики.