Под вакуумом обычно принято понимать состояние газа при давлении ниже атмосферного (760 тор *) Можно считать, что вакуум имеет место, например, на горных вершинах высотой около 3 км, где люди еще дышат относительно свободно, хотя давление воздуха там примерно 540 тор Латинское слово «vacua» в переводе означает пустоту, однако даже при сверхвысоком вакууме, порядка 10~10 тор, в термоядерных установках число молекул газа в 1 см? составляет около 3 млн.
Одним из первых в истории вакуумных экспериментов был известный опыт Отто фон Герике с магдебург-скими полушариями. В XVII в. Эванджелиста Торричелли доказал, что природа не терпит пустоты, только если уровень ртути в трубке ниже 76 см-, таким образом, он впервые измерил атмосферное давление воздуха. В дальнейшем прогресс вакуумной техники стимулируется развитием промышленности, потребовавшей, в частности, создания различных насосов.
В 1825 г. Дюма достиг понижения давления, вытеснив воздух из сосуда водяным паром и сконденсировав его затем охлаждением. В середине XIX в. Бунзен осуществил откачку струей жидкости, увлекающей газ. В 1884 г. Малиньяни связывал остаточный газ парами активных веществ (фосфор, мышьяк). Здесь угадываются прообразы современных насосов. С конца XIX в. применяются трубки Крукса и Гейслера для демонстрации разрядов в разреженных газах. Изобретение А Н. Лодыгиным лампы (1873 г.) и распространение электрического освещения, опыты Эдисона с термоэлектронном эмиссией (1883 г.), изучение фотоэффекта А. Г. Столетовым (1887—1889 гг.) способствовали развитию средств откачки.
Одним из первых был создан поршневой насос Тендера, приводимый в действие рукой. Он обеспечивал разряжение в десятые доли тора. Огромное значение имело изобретение Геде (1905 г.) вращательного насоса вместо поршневого, что позволило получить вакуум порядка 10-4 тор.
В 1914—1916 гг. примерно одновременно Геде, Ленгмюр и профессор Петроградского университета Боровик создали ртутный диффузионный насос, откачивавший воздух до 10 7 тор.
Масло в диффузионных насосах впервые применил Бэрч (1928 г.). Важным этапом было применение Дьюаром (1904 г.) адсорбции на угле, охлажденном жидким азотом.
В развитии вакуумной метрики следует отметить создание Мак-Леодом компрессионного (1874 г.), Пи-рани— теплового (1909 г.), Бакли (1916 г.)--иониза-циотного манометров.
В Петрограде в 1914 г. Н. Д. Папалекси, а в Твери в 1915 г. М. А. Бонч-Бруевич начали изготовление приемно-усилительных ламп. В 1918 г. по указанию В. И. Ленина организована Нижегородская лаборатория, сыгравшая большую роль в развитии радио- и вакуумной техники. В Москве был создан крупнейший ныне завод электровакуумных приборов, в Ленинграде завод «Светлана».
Примерно до 1930 г. под влиянием запросов радиотехники были разработаны основные технологические приемы: промышленные средства откачки и измерения вакуума, обезгаживание и отпайка стеклянных систем. Далее серьезные требования к вакуумной техники стала предъявлять физика, особенно с появлением ускорителей элементарных частиц, потребовавших разработки крупных разборных металлических вакуумных камер. В 1931 г. были построены электростатический генератор Ван де Граафа и первый циклотрон Лоуренса в США. В 40-х годах в г. Харькове был организован Украинский физико-технический институт под руководством К. Д. Синельникова, где были разработаны крупные диффузионные насосы. Мощным стимулом развития вакуумной техники стала проблема использования атомной энергии, в частности проблема разделения изотопов урана.
В последнее десятилетие созданы гигантские жест-кофокусирующие ускорители с очень малым сечением камеры. В больших кольцевых ускорителях потребовался вакуум 10“6 тор. В 1967 г. под г. Серпуховом запущен протонный синхротрон на энергию 76 Гэв z окружностью камеры 1,5 км. В СССР проектируе1ся кибернетический ускоритель на 1000 Гэв с окружностью кольцевой камеры около 17 км и сечением 20X32 мм?.
В развитие вакуумной техники большой вклад внесли Ленгмюр, Кнудсен, Альперт, изучавшие многие явления в разреженных газах. В Советском Союзе — Г. А. Тягунов, опубликовавший в 1948 г. фундаментальный труд «Основы расчета вакуумных систем» [19].
В настоящее время вакуумная техника стала основной дисциплиной наряду с механикой, электротехникой и т. д. Вакуумные технологические методы широко используются во многих отраслях промышленности и в научных исследованиях. Создана Международная организация по вакуумной науке и технике. В 1958, 1965, 1968 гг. состоялись международные конгрессы по вакуумной технике, на которых присутствовали представители многих стран, в том числе СССР. На конгрессах обсуждали вопросы газодинамики разреженного пространства, адсорбции, вакуумных систем и метрики, напыления тонких пленок, криогенной техники и т. д. Современные промышленные насосы позволяют получить вакуум до 10-9 тор, быстроту откачки в десятки тысяч литров в секунду; в лабораторных условиях получают вакуум до 10-13 тор, быстроту откачки в несколько миллионов литров в секунду, откачиваемые объемы достигают нескольких сот кубометров.
Вакуумные методы применяют при производстве выпрямителей, масс-спектрометров, электронных микроскопов, электроннолучевых трубок, радиоламп, СВЧ-генераторов, фотоэлементов и т. д. Газоразрядные приборы проходят вакуумную стадию перед наполнением инертным газом. Вакуумная техника влияет на темпы технического прогресса в таких важных отраслях промышленности, как химия, металлургия, электротехника, авиация, ракетостроение, радиоэлектроника.
Сверхвысокий вакуум применяется при изучении явлений на чистых поверхностях без адсорбированных молекул. Широко используются осаждаемые в вакууме тонкие пленки металлов, полупроводников и изоляторов. Пленочная электроника позволяет снизить габариты и вес оборудования, что важно для космической техники и электронно-вычислительных машин. Микроминиатюризация оборудования означает революционный шаг в радиоэлектронике. Осаждаемые в вакууме пленки позволяют осуществить металлизацию пластмасс, тканей, бумаги, просветление объективов оптических приборов, изготовление счетчиков, нейтронных детекторов, мишеней для ускорителей.
Плавка металла в вакууме позволяет значительно уменьшить количество примесей и растворенных газов в металлах. Соответствующее улучшение качества трансформаторной стали снижает гистерезисные потери, что дает большую экономию электроэнергии. Вакуумными методами получают ниобий, титан, тантал, бериллий. Вакуум применяется для пропитки и сушки обмоток электрических машин, при получении полимерных веществ и синтетических волокон, целлюлозы, азотных удобрений. Вакуумному выпариванию подвергают растворы веществ, которые из-за разложения нельзя сушить нагреванием, таких, как сахароза, витамины, антибиотики и другие продукты фармацевтической и пищевой промышленности. В медицине простейшими вакуумными приборами являются банки, сложнейшими— аппараты типа «искусственное сердце» и т.д.
Наконец, без вакуума невозможны новые технологические процессы, весьма перспективные для прогресса промышленности. Прецизионная обработка металлов тонкими электронными пучками позволяет получить точное профилирование сложных контуров. Диффузионная сварка в вакууме соединяет материалы, обычно не поддающиеся сварке: сталь с алюминием, чугуном и порошкообразными материалами, керамику с металлами и т. д.
Однако основным «потребителем» вакуума по степени жесткости требований остается физика. В кольцевых ускорителях частицы проходят путь, достигающий сотни тысяч километров, при этом вакуум 10-6 тор в камере важен для снижения потерь частиц из-за рассеяния на молекулах остаточного газа. В накопительных кольцах время жизни пучка должно составлять несколько часов, а соответствующий вакуум I0-9 тор.
В термоядерных установках потери энергии горячей плазмой зависят от давления: происходит перезарядка нейтральных частиц, выделяющихся со стенок, и излучение энергии тяжелыми молекулами примесей. Измерение вакуума порядка 10-9 тор в таких установках— тонкое искусство, так как импульсные помехи и посторонние частицы затрудняют применение ионизационных манометров.
Для испытаний космических аппаратов создают наземную имитацию космической среды. Давление уменьшается с высотой над землей примерно по барометрической экспоненте:
Здесь Ра— атмосферное давление, равное 760 тор, т = = 4,76-ПН23 г — условная масса молекулы воздуха; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. На высоте 150—600 км вакуум порядка 10~4— Ю~8 ТОр Космический аппарат представляет собой вакуумную систему «наизнанку»; разрежение снаружи, давление внутри. При имитации космической среды высоковакуумные условия невозврата ушедших с поверхности молекул создают с помощью больших поглощающих поверхностей, охлаждаемых жидкими газами. При космических скоростях даже давления 10~5 тор достаточно, чтобы заметно влиять на орбиту аппарата В этом отношении искусственный спутник является высокочувствительным манометром, измеряющим давление в космосе по степени искажения траектории.
Академик С. А. Векшинский назвал вакуум драгоценной пустотой. В вакуумных приборах и установках на благо человека трудятся лучи и частицы, которые ранее без пользы распространялись в просторах Вселенной.