Вакуумная техника

Вакуумная техника — это область науки и техники, охватывающая методы создания, поддержания и измерения вакуума (разрежённого газа), а также устройства и системы, работающие в условиях вакуума или использующие его для выполнения технологических процессов. Ключевыми элементами вакуумной техники являются вакуумные насосы, вакуумметры (манометры для низких давлений), вакуумные клапаны, натекатели, ловушки, уплотнения и трубопроводы. Применяется в микроэлектронике, металлургии, химической промышленности, научных исследованиях, ускорительной технике и производстве пищевых продуктов.

История развития

Первые попытки создания разрежения относятся к античности. В XVII веке Эванджелиста Торричелли изобрёл ртутный барометр, доказав существование атмосферного давления и возможность получения «торричеллиевой пустоты». В 1654 году Отто фон Герике продемонстрировал опыт с магдебургскими полушариями, для чего использовал поршневой вакуумный насос.

В XIX веке с развитием электротехники и ламповой техники возникла потребность в откачке стеклянных колб. Уильям Крукс и Джеймс Дьюар разработали первые высоковакуумные системы. В 1905 году Вольфганг Геде (Германия) создал молекулярный насос, а в 1915 году Ирвинг Ленгмюр (США) — диффузионный насос, что позволило достичь давлений ниже 10⁻⁴ Па.

В XX веке вакуумная техника стала самостоятельной отраслью. В СССР в 1930-е годы были разработаны отечественные вакуумные насосы для радиоламп и рентгеновских трубок. После Второй мировой войны развитие ядерной физики и космонавтики стимулировало создание сверхвысоковакуумных систем (давление ниже 10⁻⁸ Па). В 1970-е годы появились турбомолекулярные насосы, а в 1990-е — компактные спиральные и мембранные насосы.

Классификация вакуума

По степени разрежения вакуум условно делят на три диапазона (по ГОСТ 5197-85 и международной классификации ISO 21358):

Вакуумные насосы

Вакуумные насосы — устройства для откачки газов из замкнутого объёма. По принципу действия делятся на механические, струйные, сорбционные и криогенные.

Механические насосы

• Поршневые насосы — исторически первые, ныне используются редко из-за низкой производительности и необходимости смазки.
• Вращательные масляные насосы (пластинчато-роторные, золотниковые) — наиболее распространённые для получения низкого и среднего вакуума. Работают за счёт вращения ротора с лопатками, создающими разрежение. Недостаток — загрязнение откачиваемого объёма парами масла.
• Спиральные насосы — безмасляные, с двумя спиральными элементами (одна неподвижна, другая движется по орбите). Обеспечивают чистый вакуум до 10⁻² Па.
• Мембранные насосы — используют колебания гибкой диафрагмы. Дают форвакуум до 10⁴ Па, часто применяются в лабораториях и медицине.
• Турбомолекулярные насосы — высокоскоростные роторы с лопатками, передающими импульс молекулам газа. Обеспечивают высокий и сверхвысокий вакуум (до 10⁻⁸ Па) без масла. Широко используются в микроэлектронике и аналитическом оборудовании.

Струйные насосы

• Пароструйные (диффузионные) насосы — создают вакуум за счёт струи пара (масла или ртути), увлекающей молекулы газа. Требуют предварительного форвакуума. Обеспечивают давление до 10⁻⁷ Па, но загрязняют систему парами рабочей жидкости.
• Водоструйные насосы — простейшие устройства, работающие от водопроводной сети. Дают форвакуум до 10³ Па.

Сорбционные насосы

• Адсорбционные насосы — используют пористые материалы (цеолиты, активированный уголь), охлаждаемые жидким азотом. Поглощают газ за счёт физической адсорбции. Обеспечивают высокий вакуум без масла.
• Геттерные (ионно-геттерные) насосы — откачивают газ за счёт химического связывания (геттерирования) активных газов титаном или другими металлами. Ионные насосы дополнительно ионизируют газ и ускоряют ионы к геттерной поверхности. Давление до 10⁻¹⁰ Па.

Криогенные насосы

Криогенные насосы конденсируют газ на поверхности, охлаждённой до температуры жидкого гелия (4,2 К) или азота (77 К). Обеспечивают сверхвысокий вакуум, но требуют криоохлаждения и периодической регенерации.

Вакуумметры (измерительные приборы)

Для измерения давления в вакуумных системах применяются различные типы вакуумметров, работающих в определённых диапазонах:

• Механические (деформационные) манометры — измеряют давление по прогибу мембраны или трубки Бурдона. Работают до 10² Па.
• Тепловые вакуумметры (термопарные, Пирани) — основаны на зависимости теплопроводности газа от давления. Диапазон 10⁵ … 10⁻¹ Па.
• Ионизационные вакуумметры — ионизируют остаточный газ электронами или ионами, измеряют ионный ток. Бывают горячекатодные (до 10⁻⁸ Па) и холоднокатодные (до 10⁻⁶ Па). Для сверхвысокого вакуума применяют магнетронные ионизационные датчики.
• Масс-спектрометры — позволяют не только измерять давление, но и определять состав остаточного газа. Используются в аналитической технике и контроле технологических процессов.

Элементы вакуумных систем

Для создания герметичных и управляемых вакуумных трактов применяются:

• Вакуумные клапаны — запорные, регулирующие, перепускные. Изготавливаются из нержавеющей стали, алюминия, титана. Уплотнения — эластомерные (резина, витон) или металлические (медь, индий) для сверхвысокого вакуума.
• Натекатели — устройства для дозированного впуска газа в вакуумную камеру. Используются в напылительных установках и масс-спектрометрии.
• Ловушки — охлаждаемые или адсорбционные элементы, улавливающие пары масла и другие загрязнения.
• Уплотнения — статические (прокладки, О-кольца) и динамические (сальники, магнитные муфты). Для сверхвысокого вакуума применяют металлические уплотнения с обжатием.
• Трубопроводы и фитинги — из нержавеющей стали, с фланцевыми соединениями (ISO-KF, ISO-CF, ANSI).

Применение

Микроэлектроника и полупроводниковая промышленность

Вакуумная техника является основой для процессов напыления тонких плёнок (магнетронное распыление, термическое испарение), ионной имплантации, плазменного травления и литографии. Без вакуума невозможно производство интегральных схем, микропроцессоров, светодиодов и солнечных батарей.

Металлургия и материаловедение

В вакуумных печах проводят плавку, отжиг, спекание и пайку металлов и сплавов. Вакуумная плавка позволяет удалять растворённые газы (кислород, водород, азот) и получать высокочистые материалы. Применяется для производства титана, ниобия, специальных сталей.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Вакуумная дистилляция, сублимация и сушка используются для разделения и очистки веществ. Вакуумные насосы откачивают реакторы, обеспечивают работу выпарных аппаратов и кристаллизаторов.

Научные исследования

Вакуумные системы являются неотъемлемой частью ускорителей заряженных частиц (коллайдеры, синхротроны), электронных микроскопов, масс-спектрометров, сканирующих зондовых микроскопов. В космической отрасли вакуумные камеры имитируют условия открытого космоса для испытаний спутников и приборов.

Пищевая промышленность

Вакуумная упаковка продлевает срок хранения продуктов, предотвращая окисление и развитие микроорганизмов. Вакуумная сушка (лиофилизация) используется для производства сублимированных продуктов, кофе и лекарственных препаратов.

Медицина

Вакуумные системы применяются в аппаратах ИВЛ, хирургических отсосах, стерилизаторах и рентгеновских трубках. Вакуумная иммобилизация используется при лучевой терапии для фиксации пациента.

Техника безопасности

Работа с вакуумными системами требует соблюдения мер безопасности:

• Опасность взрыва — при работе с горючими газами и кислородом в вакуумных камерах возможны взрывы. Требуется использование инертных газов и взрывозащищённых насосов.
• Травмы при разгерметизации — при разрушении вакуумной камеры под действием атмосферного давления возможны травмы осколками. Для защиты применяются предохранительные клапаны и прочные корпуса.
• Загрязнение остаточными газами — пары масла, ртути и других веществ могут быть токсичными. Необходима вентиляция и использование безмасляных насосов.
• Электрическая безопасность — высоковольтные источники питания ионных насосов и масс-спектрометров требуют заземления и изоляции.

Перспективы развития

Современные направления развития вакуумной техники включают:

• Создание безмасляных насосов с более высоким предельным вакуумом (до 10⁻¹⁰ Па) для нанотехнологий и квантовых вычислений.
• Разработка компактных и энергоэффективных турбомолекулярных насосов с магнитными подшипниками.
• Интеграция вакуумных систем с системами автоматического управления и мониторинга на основе IoT (интернета вещей).
• Использование новых материалов (керамика, композиты) для уплотнений и корпусов, работающих в агрессивных средах.
• Применение криогенных насосов в термоядерных реакторах (ИТЭР) и космических двигателях.

Источники

• ГОСТ 5197-85 «Вакуумная техника. Термины и определения».
• Розанов Л. Н. «Вакуумная техника». — М.: Высшая школа, 1990.
• Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А. «Основы вакуумной техники». — М.: Энергоатомиздат, 1990.
• Хофман Д., Сингх Б. «Справочник по вакуумной технике». — Пер. с англ. — М.: Техносфера, 2011.
• ISO 21358:2007 «Vacuum technology — Vocabulary».