Глава 4

Глава 4. Формирование основ современной вакуумной техники (после 1915 г.)

Первая четверть ХХ в. стала рубежом, на котором началось развитие принципиально новой вакуумной техники. Важнейшей чертой данного периода стало становление производства приборов катодной электроники. Формирование этой отрасли промышленности уже в скором времени поставило множество новых проблем, связанных с повышением требований к средствам вакуумной техники. Создание новых, более совершенных приборов зачастую зависело от возможности создания внутри них высокого разрежения газа. На протяжении нескольких десятилетий разработка новых средств получения, измерения и сохранения высокого вакуума была тесно связанной с развитием электровакуумной техники.

Немецкий исследователь Х. Шиманк, говоря о достижениях электроники и вакуумной техники в первой четверти ХХ в., высказал следующую точку зрения: "Как часто отмечалось в истории науки и техники, в тот момент, когда в какой-то научной или научно-технической области возникает настоятельная потребность в определенном вспомогательном средстве, это вспомогательное средство было уже готово (выделено мной. - В. Б.). <...> Когда в рентгенотехнике, так же как и в технике связи, возникла необходимость заменить ионные приборы приборами с накаливаемым катодом, промышленность имела в распоряжении молекулярный и ртутный диффузионный насосы" [102].

Вывод, сделанный Шиманком относительно причин и следствий описываемых событий, представляется нам неверным. Появление незадолго до второй мировой войны новых средств получения высокого вакуума как раз было обусловлено тенденциями и потребностями производства приборов катодной электроники. Об этом, кстати, писал в одной из своих статей и сам изобретатель молекулярного и диффузионного насосов В. Геде: "Движимый потребностями техники в хороших воздушных насосах автор (Геде - прим. В.Б.) принялся искать новые физические принципы для конструирования высоковакуумных насосов" [103].

Успехи, достигнутые в развитии науки, стали основой для последующих достижений в технике высокого и сверхвысокого вакуума. Работы Смолуховского, Кнудсена, Ленгмюра, Геде и других ученых подготовили появление нового направления исследований, связанного с практическим использованием молекулярно-кинетической теории газов при создании технических средств. Рождение этого направления обязано, в первую очередь, работам Геде, приведшим к изобретению молекулярного и диффузионного насосов.

В 1913 г. в журнале "Annalen der Physik" появилась статья В.Геде с описанием принципа действия и устройства нового вакуумного насоса, который автор назвал молекулярным. Уже в самом начале статьи было подчеркнуто принципиальное отличие нового насоса от существовавших прежде средств получения вакуума: "Все известные до сих пор вакуумные насосы состоят из всасывающего устройства, которое, согласно первоначальной идее Отто фон Герике, отделяет порцию газа из откачиваемого сосуда и удаляет ее в форвакуум или в атмосферу. Совершенно необходимо при этом, чтобы между высоким вакуумом и форвакуумом имелось достаточно хорошее уплотнение. В механических насосах это достигается плотно пригнанным поршнем и клапанами, а в ртутных и масляных насосах - самой жидкостью. В отличие от этого в молекулярном насосе области высокого и предварительного вакуума не разделяются ни поршнем, ни уплотняющей жидкостью" [104].

К сказанному Геде можно добавить следующее. Все предыдущие насосы создавались по существу эмпирически; каждая новая конструкция использовала в разных вариантах тот же принцип поршневого разделения объёмов. Новый насос Геде был основан на принципиально ином способе перемещения газа, сформулированном в результате использования законов молекулярно-кинетической теории газов.

Как указывал Геде, идею нового метода удаления газов ему подала статья Кнудсена, в которой были сформулированы основные закономерности молекулярного режима течения газа [101]. Геде решает исследовать возможность создания направленного потока газа путем перемещения твердой поверхности. Если газ находится между двумя поверхностями, одна из которых движется со скоростью u₁, а другая со скоростью u₂, то на расстоянии L вдоль поверхности создается некоторая разность давлений р₁-р₂. Используя законы молекулярно-кинетической теории газов, Геде пришел к следующему соотношению:

где h - расстояние между поверхностями;

- коэффициент внутреннего трения газа;

- коэффициент внешнего трения газа.

Из формулы следует, что в случае сравнительно высоких давлений величина первого слагаемого уравнения значительно больше чем второго; при различных абсолютных значениях р разность давлений p₁-p₂ остается практически неизменной. В случае же весьма малых давлений первый член, содержащий коэффициент внутреннего трения

исчезающе мал, так что существенную величину имеет лишь второй член, содержащий коэффициент внешнего трения

. В этом случае при разных абсолютных значениях Р постоянным становится отношение (а не разность) давлений p₁/p₂.

Этот важный вывод требовал экспериментальной проверки. С данной целью Геде провел следующий эксперимент (рис. 28). Внутри корпуса В расположен вращающийся цилиндр А диаметром 9 см. По просьбе Геде при изготовлении зазор между цилиндром и корпусом был сделан минимально возможным. В верхней части корпуса кроме того имеется паз, увеличивающий этот зазор до величины h, равной 1 мм. Патрубки m и n соединяются с манометрами. Цилиндр приводился во вращение, окружная скорость поверхности цилиндра составляла 57 м/с.

Для вязкостного режима течения газа, т.е. более высоких давлений газа, вышеприведенная формула Геде принимает следующий вид:

Используя эту формулу, можно определить расчетную разность давлений в точках m и n. При скорости u₂=5700 см/с, L=7 см, h=0,1 см, коэффициенте внутреннего трения воздуха

=0,00018,

Разность давлений p₁−p₂, полученная в эксперименте, была равна 3 мм рт. ст., что с высокой точностью подтвердило теоретический расчет.

Для молекулярного режима течения газа формула Геде может быть представлена в следующем виде:

Считая, что для воздуха при комнатной температуре

=0,000016, получаем соотношение p₁/p₂=620.

Достичь таких соотношений в эксперименте Геде не удалось. Большие трудности возникли при создании в установке молекулярного режима течения газа, т. е. давлений ниже 0,001 мм рт. ст. Тем не менее, теоретические выкладки свидетельствовали о принципиальной возможности создания эффективного средства получения высокого вакуума.

Эти принципы были реализованы Геде в конструкции молекулярного насоса, который выпускался, начиная с 1913 г., фирмой "Leybold's Nachfolgers" (рис. 29). Вращающийся ротор А имеет кольцевые канавки, в которые входят выступы С статора В. Зазор между внешней поверхностью ротора А и внутренней поверхностью статора В составляет около 0,1 мм. Глубина канавок ротора равна в среднем 4 мм. При вращении ротора молекулы откачиваемого газа получают дополнительную скорость в направлении движения; между m и n создается перепад давлений. Последовательное соединение входных и выходных отверстий всех канавок дает возможность увеличить общий перепад давления в насосе.

Скорость вращения ротора составляла около 8000 об./мин. В выходном патрубке Т при помощи вращательного ртутного или пластинчато-роторного насоса создавался предварительный вакуум не ниже 0,05 мм рт.ст. Зависимость скорости откачки молекулярного насоса от форвакуумного давления (рис. 30) свидетельствовала о высокой эффективности действия в области давлений 10^-1-10^-4 мм рт. ст. (кривая А). Максимальная скорость откачки молекулярного насоса составляла около 1400 см³/с, что примерно в 10 раз превышало быстроту действия вращательного ртутного насоса (кривая В).

Несмотря на высокие характеристики, большого распространения молекулярный насос Геде не получил. Необходимость выдерживать зазоры порядка 0,1 мм между движущимися частями насоса вызывала значительные технологические трудности его изготовления. При эксплуатации попадание твердых частиц (например, осколков стекла) внутрь корпуса или небольшой износ подшипников выводили насос из строя. С распространением диффузионных средств откачки молекулярные насосы Геде сохранились главным образом в исследовательских лабораториях Германии, Англии и Франции.

В 1930-40-х годах известность получили также конструкции молекулярных насосов Гольвека и Зигбана. В насосе Гольвека (рис. 31) ротор С представляет собой гладкий цилиндрический барабан. Каналом для откачки газа служат винтовые канавки, профрезерованные на внутренней поверхности статора. При зазоре между ротором и статором 0,025 мм и форвакуумном давлении от 70 до 0,01 мм рт.ст. насос Гольвека создавал перепад давлений p₁/p₂ около 7*10⁷. При зазоре, в два раза большем, и форвакуумном давлении от 30 до 0,01 мм рт. ст. максимальная величина p₁/p₂ составляла 2*10⁷ [105].

В насосе Зигбана (рис. 32) ротором является узкий стальной диск. Винтовые каналы для откачки прорезаны в вертикальных стенках ротора; их глубина уменьшается с 22 до 1 мм. При вращении роторас числом оборотов 3700 об./мин насос развивал скорость откачки 73 л/с. Предельное давление , полученное с помощью насоса, составило 6*10^-7 мм рт. ст. [106]. Насос Зигбана имел ограниченное применение, главным образом при откачке рентгеновских спектрометров.

Интерес к молекулярным насосам поднялся в начале 1960-х годов в связи с изобретением Беккером конструкции "с большими допустимыми зазорами" [107]. По своему устройству насос Беккера сходен с осевыми многоступенными компрессорами (рис. 33). Основной частью таких насосов, получивших впоследствии название турбомолекулярных, являются подвижные (роторные) диски 3 и неподвижные (статорные) диски 2. В дисках имеются косые прорези, при этом профили прорезей статорных дисков являются зеркальным отражением роторных прорезей. При вращении ротора откачка происходит в результате преимущественного отражения молекул газа из центра в левую и правую части насоса. В отличие от молекулярных, турбомолекулярные насосы (ТМН) не имеют малых зазоров - расстояние между дисками составляет около 1 мм. Насос, описанный Беккером в 1961 г., имел ротор диаметром 600 мм, вращавшийся со скоростью 6000 об/мин. ТМН эффективен в области высокого и сверхвысокого вакуума (10^-30 -10^-10 мм рт. ст.). ТМН Беккера имел скорость откачки по воздуху 4250 л/с [108].

В последующие годы ТМН получили широкое развитие благодаря улучшению технологичности конструкции. К достоинствам ТМН относится хорошая откачка тяжелых газов, что делает их предпочтительными, например, при откачке ускорителей, работающих на водороде, постоянство быстроты действия в широком диапазоне давлений.

2. Теория и практика в развитии диффузионного насоса

Практическое использование принципов молекулярно-кинетической теории газов привело Вольфганга Геде в 1913 году к созданию еще одного вида высоковакуумного насоса - основанного на диффузии газа в струю пара [109]. Это изобретение имело свою предысторию.

В 1901 г. русский физик П.Н. Лебедев опубликовал в журнале "Annalen der Physik" описание своих опытов по определению светового давления [110]. Лебедеву удалось обеспечить значительную степень разрежения в исследовательской камере. Примененный для этого метод показан на рисунке 34. Откачка основной массы газа из экспериментального объёма осуществляется с помощью ртутно-поршневого насоса Шпренгеля-Кальбаума (на рисунке не показан). После достижения значительного разрежения (порядка 10-4мм рт.ст. по воздуху) проводился следующий прием. Водяная баня К₁ нагревалакаплю ртути Q, находящуюся в объеме B. Ртутные пары захватывали молекулы остаточного газа и вместе с ними откачивались насосом. Затем столб ртути С, выполнявший роль затвора, отделял откачиваемый объем от насоса, а ртутные пары конденсировались при заполнении К₁ и К₂ смесью льда и соли.

Возможность удаления остаточных газов с помощью ртутного пара, использованная в опытах Лебедева, привлекла внимание многих ученых. В издании популярного учебника физики Мюллера-Пуйе, вышедшем в 1906 году, об этой возможности говорилось следующее: "Если реципиент, содержащий только газ, без ртути или других паров жидкости, сообщается с насосом, давление газа в реципиенте не может быть уменьшено ниже примерно 0,0013 мм рт. ст. Иначе обстоит дело, если, благодаря диффузии или другому процессу, газ, находящийся в реципиенте, насыщен парами ртути. Хоть и не общее, но зато парциальное давление газа может быть снижено до такой же величины как в торричеллиевой пустоте" [111].

Идея удаления газа ртутным паром, предложенная Лебедевым и нашедшая отражение в учебнике Мюллера-Пуйе, не могла пройти мимо внимания В. Геде, занимавшегося исследованияниями в области вакуумной техники. Журнал "Annalen der Physik" являлся изданием, которое Геде не только читал, но в котором предпочитал публиковать свои статьи. Известный австралийский специалист в области физики и техники вакуума Н.Флореску высказал в 1960-х годах мнение, что именно работа П.Н.Лебедева натолкнула Геде на идею диффузионной откачки [112].

Немецкий ученый провёл серию экспериментов по изучению диффузии газа в ртутный пар. Установка, с помощью которой Геде выполнил исследования, показана на рисунке 35. Так же как в опытах Лебедева, в установке Геде имелся сосуд А, который можно заполнять парами ртути. Для этой цели в отверстие n сосуда подавалось небольшое количество ртути, испарявшейся в результате подогрева масляной ванной О. Пары ртути конденсировались в промежуточном холодильнике С, благодаря чему в сосуде М находился только газ. Так как Геде интересовала область больших разрежений, давление газа понижалось откачкой через трубку Н с помощью вращательного ртутного насоса. Температура сосудов контролировалась, и давление паров ртути было известно. Парциальное давление газа в каждом сосуде можно было измерить с помощью манометра Мак-Леода.

Использование данной установки позволяло определять соотношение парциального давления газа в А и М при условиях, когда давление ртутных паров в этих сосудах существенно отличается. Полученные данные должны были дать Геде ответ на вопросы, связанные с закономерностями диффузии газа в ртутный пар.

Результаты опытов свидетельствовали о том, что сформулированный Дальтоном закон равенства суммы парциальных давлений газов в сообщающихся сосудах может не соблюдаться в случаях, когда в состав смеси входит конденсирующийся пар.

где р₁, P₁ и р₂, P₂ - парциальные давления газа и паров ртути в разных сосудах, может не соблюдаться в случаях, когда в состав смеси входит конденсирующийся пар. Причём отклонение от закона Дальтона становится более заметным с понижением давления. Используя законы газовой динамики, Геде вывел для такого cлучая следующее соотношение:

где r - радиус соединительной трубки;

- коэффициент трения о стенки трубки;

- коэффициент вязкости; D - коэффициент диффузии.

Из этого уравнения следует, что общее давление в сосудах может отличаться при некоторых значениях давлений и радиусов соединительной трубы. В частности, в области низких давлений и при малых r, величина последнего члена уравнения значительна, следовательно, давление в насосе р₁+Р₁ может иметь большую величину, чем давление в откачиваемом объеме р₂+Р₂.

Уравнение свидетельствовало о принципиальной возможности создания устройства, способного производить непрерывную откачку газа. Это устройство должно иметь:

С целью проверки своих выводов Геде провел следующий опыт (рис. 36). Водяной пар из сосуда А непрерывно подается в пространство над глиняным колпаком С. Герметичный сосуд, образуемый колпаком C и стенкой D, охлаждается водой, идущей по трубкам a и b. Расчеты Геде подтвердились: устройство работало как вакуумный насос. Воздух, диффундировавший сквозь капилляры глиняной перегородки, уносился паром, а пар, диффундировавший внутрь, конденсировался, и стекал в объем Е. По уровню ртути m в барометрической трубке Q можно было судить о давлении под глиняным колпаком. Окончательное давление было равно 15 мм рт. ст., т. е. упругости водяных паров при температуре охлаждаемой крышки.

Убедившись, что струя пара может обладать при определённых условиях откачивающим действием, Геде проводит теоретический расчёт с целью выяснения параметров, определяющих эти условия. Модель, использованная Геде в расчёте, показана на рис. 37.

По широкой трубке в направлении от А к В движется пар. Промежуточная трубка радиусом а соединяет откачиваемый сосуд отверстиями С и G с областью паровой струи. На участках К и К' промежуточная трубка охлаждается водой, благодаря чему пар, попадающий в трубку, конденсируется в Е и Е'. Молекулы газа, поступающие из откачиваемого объёма в отверстие G, уносятся паровой струёй. Между С и G создаётся градиент концентрации газа и возникает постоянная диффузия газа из откачиваемого сосуда в паровую струю.

Количество газа, которое должно проходить через трубку от Е к G, пропорционально Р_Е—Р_G, (Р_Е и Р_G, - соответственно давление газа в точках Е и G). Считая давление газа Р_G близким нулю и принимая в расчёт противодавление, создаваемое встречным потоком пара, Геде пришёл к следующему выражению для скорости откачки:

Где

- средняя скорость молекул газа в трубке, b=0,66aP_б.

На основании этих соотношений Геде построил график зависимости скорости откачки S от радиуса соединительной трубки a (рис. 38). Из графика следует, что с увеличением а, скорость откачки проходит через максимум и затем начинает убывать. Максимум скорости откачки, в соответствии с законами молекулярно-кинетической теории газов, лежит в области давлений, при которых радиус а близок по величине к длине свободного пробега молекул газа или меньше ее. Однако при выполнении этого условия проводимость трубки и соответственно скорость откачки весьма мала. Для того, чтобы получить заметную скорость откачки, можно использовать большое количество таких трубок, установленных параллельно. Другим способом увеличения скорости откачки является замена трубок на отверстия в тонкостенной перегородке.

Схема насоса, запатентованного Геде в 1913 г., показана на рис. 39. Область высокого вакуума B отделена от струи ртутного пара тонкостенным стальным цилиндром b с узкой щелью e. Газ из откачиваемой системы поступает через трубку f в область B и затем диффундирует через щель е. Пар поднимается из кипятильника Q в А, проходит через стальной цилиндр в трубку а и затем конденсируется в области С в результате охлаждения водой, поступающей через патрубки m и n. Газ откачивается через трубку g форвакуумным насосом. Предварительная откачка системы с помощью форвакуумного насоса осуществляется через трубку f₁. После достижения требуемого давления ртуть в отростке V перекрывает трубку f₁. Поскольку для достижения оптимальной скорости откачки длина свободного пробега молекул газа должна быть одного порядка с шириной щели, давление паров ртути строго контролируется. Для этого в трубку В помещён термометр h.

Проводя эксперименты с диффузионным насосом, Геде установил зависимость скорости откачки от давления паров ртути. Кривая этой зависимости представлена на рис. 40. Скорость откачки на графике имеет явно выраженный максимум (80 см³/с), полученный при температуре ртутного пара 100 °С. Давление паров ртути при этой температуре составляет 0,27 мм рт.ст., а длина свободного пробега молекул газа 0,25 мм. Ширина щели в перегородке была равна 0,12 мм.

В статье, посвящённой диффузионному насосу [113], Геде произвел теоретический расчет следующего случая: тонкая стенка отделяет область разреженного газа от струи газа. В стенке имеется отверстие радиуса r. Если пропускная способность отверстия равна С₀, то скорость откачки S через такое отверстие определяется выражением:

где

<1, поскольку часть молекул газа возвращается обратным потоком молекул пара.

Объем газа, диффундирующего через отверстие, можно подсчитать, используя уравнение Кнудсена. Этот объём, так же как и скорость откачки, имеет существенные значения при длине свободного пробега молекул газа L>=2r.

В то же время, L не может быть очень большой, так как тогда паровая струя не будет иметь достаточной плотности. При этом ухудшится отвод молекул газа, диффундировавших в струю пара, и возрастёт противодиффузия газа из области предварительного вакуума, определяемая коэффициентом:

С учетом этих уравнений Геде получил следующее соотношение для скорости откачки насоса:

где k - "коэффициент захвата" молекул газа, равный отношению числа молекул, уносимых струей, и общему числу молекул, диффундирующих в струю.

Анализ этого уравнения подтверждает отсновные выводы Геде:

Диффузионный насос открывал большие перспективы в области получения высокого вакуума. В отличие от прежде известных насосов, он не имел теоретического предела достижимого давления в откачиваемом объёме.

Oднако, с точки зрения практического использования, диффузионный насос Геде имел два существенных недостатка: низкая скорость откачки, ограничиваемая размерами диффузионной диафрагмы и необходимость тщательного контроля температуры ртутного пара.

Совершенствование насоса Геде. Насосы Боровика и Ленгмюра

Прежде чем опубликовать в печати результаты своей работы над диффузионным насосом, Геде хотел провести некоторые дополнительные исследования. Начавшаяся первая мировая война стала причиной еще большей задержки публикации. Первая статья Геде с описанием нового насоса появилась лишь в 1915 г. [113]. Эту дату часто называют годом изобретения диффузионного насоса.

Однако некоторые ученые узнали об изобретении раньше, из патентной информации. В 1913 г. в журнале Русского Физико-химического общества был помещен реферат С. А. Боровика с описанием нового насоса Геде. "Самое замечательное в нем, - отмечал русский ученый, - это совершенная новизна принципа. Идея применить явление диффузии для выкачивания воздуха, безусловно, должна быть отнесена к числу самых смелых" [114].

С.А.Боровик не случайно оказался одним из первых, кто увидел будущее нового насоса. Молодой русский ученый был знаком с передовой техникой физического эксперимента и внимательно следил за тем новым, что появлялось в этой области. По окончании в 1907 г. физико-математического факультета Петербургского университета, С.А.Боровик был оставлен на кафедре для подготовки к профессорской деятельности. В 1909 г. молодой ученый был направлен в заграничную научную командировку, во время которой он участвовал в семинаре профессора Рубенса при берлинском университете. Во время следующей поездки за границу (1911 г.) С. А. Боровик посетил лабораторию Краковского университета, где ознакомился с техникой получения низких температур, физическую лабораторию Венского университета, где работал тогда Эренгафт. В поездку входило также обстоятельное знакомство с работами Радиевого института Кюри в Париже и Физического института в Кембридже.

С 1911 г. С. А. Боровик занимается работой над вакуумными насосами. Сконструированный им в 1912 г. насос шпренгелевского типа [114] давал рекордное для того времени разрежение 10-5 тор. Насос Боровика изготавливался мастерскми киевского предприятия "Физико-химик " и заслужил высокую оценку ученых, работавших с вакуумом. Обладая прекрасной теоретической подготовкой, С.А.Боровик в то же время имел склонность к самостоятельному конструированию физических приборов. В своей квартире в Петрограде ученый оборудовал небольшую стеклодувную мастерскую. Здесь он проводил различные эксперименты, делал модели стеклянных вакуумных насосов, работу над которыми Боровик не прекращал до 1919 г.

Заинтересовавшись идеей диффузной откачки, Боровик занялся усовершенствованием насоса Геде. В конструкции, сделанной Боровиком (рис. 41), не было узкой щелевой диафрагмы, рабочий интервал температуры ртути был значительно шире. О данных насоса можно судить лишь по отдельным замечаниям в литературе. Так, М. А. Бонч-Бруевич, доставший насос Боровика в 1916 г. на заводе "Светлана" и установивший его в своей лаборатории в Твери, отмечал, что насос дает разрежение 10^-4 тор [115]. По свидетельству Боровика насос допускал весьма высокое давление на стороне предварительного вакуума - до 1-3 мм рт. ст. [116].

В 1915 г. насос Боровика изготавливался на заводе им. Федорицкого в Петрограде [117]. Насосы конструкции Боровика применялись на заводе "Светлана", таким насосом пользовался в опытах по изучению столкновений ионов с молекулами газа профессор Петроградского университета Павлов.

Боровик полагал, что действие насоса основано на принципе эжекции, и по-видимому, не придавал научного значения своему изобретению вплоть до появления статьи Ленгмюра [118]. Сообщение об изобретении "инжектора ртутного пара для получения высокого разрежения" С. А. Боровик сделал на заседании отделения физики Русского Физико-химического общества 13 сентября 1916 г. [119]. Лишь в конце 1916 г. С.А.Боровик подал заявку на получение привилегии (рис. 42). Привилегии на изобретенный насос С. А. Боровик не получил. Причины отказа неизвестны, сейчас дело о выдаче привилегии С. А. Боровику по-видимому утеряно, так как его нет среди материалов 24-го Технического отдела Центрального государственного исторического архива.

В 1916 г. в печати появилось описание насоса Ленгмюра [118]. На рис. 43 изображен один из первых образцов насоса Ленгмюра. Ртутный пар из колбы A подается в сопло S. Газ из реципиента поступает по трубке P и увлекается струей ртутного пара. Далее пары ртути конденсируются на охлаждающихся водой стенках трубки C, а газ продолжает свое движение через трубку N в область форвакуума.

Конструктивно насос сходен с пароструйным инжектором. Ленгмюр в своих работах произвел сравнительный анализ обоих насосов и подчеркнул различие между ними. Ленгмюр в своих работах произвел сравнительный анализ насосов и подчеркнул различия между ними.

Эжектор перестает производить откачку газа при достижении определенного разрежения. Согласно Леблану [120], считалось, что это давление не может быть ниже, примерно, 1 тора. Опыты показали, что при значительных разрежениях паровая струя, выходящая из сопла эжектора, теряет свою компактность, расширяется. При этом большее число молекул пара движется в сторону, обратную направлению откачки. Количество газа, выталкиваемого назад, в откачиваемый объем.

В насосе Ленгмюра производится интенсивное охлаждение стенок вблизи сопла. Благодаря этому, молекулы пара, движущиеся не в направлении струи, конденсируются на стенках. Насос способен откачивать газы при значительно более низких давлениях, чем эжектор. По мнению Ленгмюра, решающую роль в насосе играет процесс конденсации, а не диффузии. Соответственно этой теории насос был назван конденсационным.

В том, что теория Ленгмюра имела существенное отличие от теории Геде, определенную роль сыграли патентные соображения. Между тем, в конструкцию Ленгмюра перенесены основные черты насоса Геде, не свойственные эжектору. Это, во-первых, наличие значительного предварительного разрежения газа; во-вторых, использование ртутного пара; в-третьих, применение пара малой плотности.

Как и в конструкции Боровика, основным отличием от насоса Геде является значительно более удачна. Благодаря наличию сопла, процент молекул пара, движущихся в сторону, обратную направлению откачки, меньше, чем в насосе Боровика. Скорость откачки по сравнению с насосом Геде увеличилась примерно в 50 раз.

Вместе с появлением Ленгмюра возникли затруднения в объяснении сущности процессов, происходящих при откачке. Теоретические выкладки, сделанные Геде, предполагали наличие малых отверстий, через которые происходила диффузия. В конструкциях насосов ленгмюровского типа откачиваемый газ непосредственно взаимодействует со струей пара сложной структуры. Процессы, связанные с переходом пара в жидкое состояние, значение которых подчеркивал Ленгмюр, также усложняют физическую картину. Количественный теоретический анализ всех этих явлений представлял значительные трудности. Развитие насоса в течение последующих трех десятилетий носило, по существу эмпирический характер.

К насосам Геде и особенно Ленгмюра сразу после появления статей о них в печати был проявлен большой интерес. Простой в изготовлении насос, имеющий высокий предельный вакуум, был необходим как для предприятий, выпускавших радиолампы и рентгеновские трубки, так и для ученых, занимавшихся изучением электронной эмиссии и других явлений в вакууме.

В течение нескольких лет появилось большое количество разнообразных конструкций ртутных пароструйных насосов. Наибольшую роль в совершенствовании насоса Геде сыграли лаборатории крупнейших электрических компаний, в особенности лаборатории Всеобщей компании Электричества в Скенектеди, под руководством И. Ленгмюра и в Лондоне под руководством Н. Р. Кэмпбелла.

Подробный обзор конструкций пароструйных насосов, созданных в эти годы, имеется в специальной литературе [117, 121 и др.]. Совершенствование насосов имело целью увеличение скорости откачки, упрощение конструкции, повышение допустимого давления на выходе и т. д.

Стеклянный насос был неудобен при использовании в производственных условиях. Поэтому вскоре лабораторией Ленгмюра были разработаны несколько типов металлических конденсационных насосов, один из которых показан на рис. 43, справа. При помощи подогрева 250 вт этот насос имел скорость откачки 6 л/сек.

Насос, описанный Джонсом и Расселом [122], был интересен тем, что в нем помимо откачки газа производилась одновременно и очистка ртути путем перегонки. Для этой цели между ртутными столбами В (см. рис. 44) зажигалась дуга. Скорость откачки такого насоса составляла около 0,4 л/сек при токе в дуге 10-15 A.

Коническое расходящееся сопло в пароструйном насосе впервые применил Крауфорд (рис. 45). Давление паров ртути в кипятильнике его насоса составляло 10 мм рт. ст. Скорость откачки была около 1 л/сек [123].

Стремление получить большее допустимое давление на стороне предварительного вакуума привело к созданию многоступенчатых насосов. Первые двухступенчатые насосы появились уже в 1917 г. Это насос Крауса [124], в котором давление на выходе составляло 2 мм рт. ст., и насос Стимсона [125], показанный на рис. 46.

В 1923 г. Геде опубликовал описание трехступенного металлического насоса, развивавшего рекордную для того времени скорость откачки (60 л/сек) при высоком давлении форвакуума (20 мм рт. ст.). Этот насос примечателен тем, что две ступени из трех (кроме высоковакуумной) являются эжекторными (рис. 47).

Своеобразные конструкции парортутных насосов были созданы в нашей стране. В трудных условиях экономической блокады советские ученые прилагали максимум изобретательности, создавая конструкции электронных ламп и оборудование, необходимое для их изготовления. Информация об успехах зарубежной науки и техники была крайне ограниченной. На русском языке описание насоса Ленгмюра появилось в 1918 г. Это был реферат А.К.Тимирязева [127], сделанный по статьям Геде и Ленгмюра и опубликованный в журнале "Радиотехник".

Насос ленгмюровского типа в то же время был сделан Н.Д.Папалекси (рис. 48), работавшим в Петрограде заведующим опытной лабораторией завода РОБТиТ. Эта конструкция получила широкое распространение в лабораториях русских ученых. В дальнейшем насос Папалекси был усовершенствован М.М.Богословским [117], автором одной из первых конструкций отечественных электронных ламп.

Большую работу по созданию средств откачки, предназначенных для массового производства электронных ламп, проделали сотрудники Нижегородской радиолаборатории им. В.И.Ленина. Ими были сконструированы парортутные насосы высоковакуумного и бустерного типа. Представление о проделанной работе можно получить, читая воспоминания одного из сотрудников Нижегородской радиолаборатории Б. А. Остроумова. "...Первые крупные успехи были достигнуты, когда старые насосы Геде были заменены парортутными насосами типа Ленгмюра, описание которых с картинками удалось найти в иностранных журналах. Эти насосы делались целиком из стекла. Стеклодувы лаборатории С. И. Богомолов, П. Ф. Сафронов и братья Котеровы научились изготовлять их собственными силами и обеспечили все нужды лаборатории. Чисто опытным путем, варьируя размеры и конструкцию насосов, удалось обеспечить невиданную в то время скорость откачки и степень разрежения газа. Была выработана откачная группа из 3-х последовательных каскадов - ротационно-форвакуумного и двух парортутных, несколько отличных друг от друга" [128]. Материалы архива Нижегородской радиолаборатории им. В.И.Ленина свидетельствует о том, что такая откачная система применялась уже в 1921 г. при изготовлении приемно-усилительных ламп [129].

Появление большого количества разнообразных конструкций насосов способствовало накоплению эмпирического знания об их работе. Попытки создания улучшенных конструкций требовали экспериментального определения оптимального форвакумного давления, температуры охлаждающей воды, мощности нагрева кипятильника, поисков наивыгоднейшей формы сопла, соотношения конструктивных размеров и т.д. Уже в начале 20-х годов появляются работы, в которых обобщается опыт исследователей, приводятся данные различных насосов. Что касается теоретического объяснения физической сущности явлений, происходящих в пароструйном насосе, то в этой области развитие шло гораздо медленнее.

После Ленгмюра теорию, отличную от теории Геде, выдвинул Крауфорд [123]. При конструировании своего насоса Крауфорд использовал успехи, достигнутые к тому времени технической термодинамикой в изучении процессов, происходящих в соплах. Применение сопла Лаваля способствовало увеличению скорости и уменьшению расширения паровой струи. Максимальная скорость откачки в насосе Крауфорда была значительно больше, чем в насосе Геде и достигалась при более высокой температуре пара. Крауфорд назвал свой насос параллельноструйным.

Сущность теории Крайфорда сводилась к следующему: условием работы диффузионного насоса (Геде) является плотность парового потока. Крауфорд называет такой поток "молекулярным". Молекулы газа диффундируют в такой поток, однако скорость откачки не может быть высокой из-за недостаточного "захватывающего" действия потока. В насосе Крауфорда струя пара, выходящая из расширяющегося сопла, имеет значительно более высокую скорость. При таких скоростях, по мнению Крауфорда, составляющие скоростей молекул за счет их теплового движения становятся несущественными, молекулы пара в потоке движутся параллельно, примерно, с одинаковой скоростью. Плотность такого потока может быть гораздо выше, чем "молекулярного". Молекула газа, попавшая в поток, испытывает большее количество столкновений с молекулами пара. В таких условиях вероятностьвыхода молекулы газа из струи пара уменьшается.

По существу, Крауфорд не внес ничего нового в теорию пароструйного насоса. Отдельные положения Крауфорда, например, о параллельности движения молекул пара, были ошибочны. Объяснить большую эффективность насоса Крауфорда можно было на основании теории Геде. Об увеличении скорости откачки при повышении скорости пара говорит, в частности, приведенное выше уравнение. Положительным фактором является также меньшее рассеяние струи. В то же время конструктивное изменение, внесенное Крауфордом, имело исключительно большое значение для дальнейшего развития пароструйного насоса; по существу, после работ Ленгмюра и Крауфорда изобретение Геде приобрело основные конструктивные черты, свойственные современному высоковакуумному пароструйному насосу.

В 1923 г. Геде опубликовал работу [126], в которой делался обзор конструкций высоковакуумных пароструйных насосов. Ученый попытался доказать, что выдвинутая им ранее теория диффузного насоса пригодна для анализа работы и других конструкций пароструйных насосов высокого вакуума.

Несмотря на то, что эти конструкции не имеют диффузионной щели, все они, по мнению Геде, удовлетворяют следующее условие: расстояние между соплом и поверхностью конденсации не должно превышать среднюю длину свободного пробега молекулы газа вблизи входа в струю пара. Нарушение этого условия приведет к рассеиванию газа молекулами пара, движущимися в направлении, противоположном основному потоку.

Это положение Геде было подтверждено исследованиями Мольтана [130]. В высоковакуумных пароструйных насосах струя, истекающая из прямого сопла, имеет скорость звука. Принимая во внимание тепловые скорости молекул, Мольтан получил диаграмму плотности струи ртутного пара (рис. 49).

На диаграмме пунктирная линия перпендикулярна линиям тока, а ее длина между двумя соседними линиями тока пропорциональна плотности струи или длине свободного пробега молекулы газа в данном участке. Мольтан установил, что средняя длина свободного пробега молекул газа в месте вовлечения газа в струю пара а приблизительно в 75 раз больше, чем в области основного направления движения пара b. В частности, при откачке воздуха ртутным паром при давлении 1 мм рт. ст., средняя длина свободного пробега молекул газа равна: у ядра струи 7,2*10^-3 см; у входа в струю 0,54 см, т. е. того же порядка как в случае диффузии через щель в насосе Геде.

Новый этап в развитии высоковакуумного пароструйного насоса начался после открытия возможности применения в качестве рабочей жидкости ряда органических соединений. Толчком для исследований, приведших к этому изобретению, послужили технические потребности, возникшие в процессе совершенствования электронных приборов. Уже в 20-х годах для развития радиовещания стало необходимым наладить производство радиоламп мощностью в 100 и более КВт. Мощные лампы, а также вакуумные конденсаторы, электронные пушки, катодные осциллографы и трубки Кулиджа делались разборными. Для поддержания в таких приборах высокого вакуума нужно производить непрерывную откачку их во время работы. Применение для этих целей парортутных насосов связано с использованием ловушек, наполненных жидким воздухом. Эксплуатация таких установок в условиях радиостанций и заводов крайне нежелательна из-за опасности работы с жидким воздухом.

Лабораторией фирмы "Метрополитен Виккерс" в Англии, занимавшейся разработкой мощных электронных приборов, были организованы исследования других рабочих жидкостей. Первый успех был достигнут в 1928 г., когда Берч провел опыты с некоторыми продуктами перегонки нефти. Давление до 10^-7 тор было достигнуто в этих опытах без помощи вымораживающих ловушек [131]. Низкая упругость пара при комнатной температуре и другие преимущества органических жидкостей (химическая инертность) обусловили их быстрое распространение.

Применение насосов, работавших на органических маслах, открыло новые возможности перед мощным радиовещанием, вакуумной металлургией и т. п. Вскоре после открытия Берча в лаборатории "Метрополитен Виккерс", например, была создана разборная лампа мощностью 500 КВт, откачка которой производилась с помощью паромасляных насосов.

Вместе с тем, органическим жидкостям свойственны определенные недостатки. Масла неоднородны по составу, подвержены разложению и окислению, могут растворять откачиваемые пары и газы. Особенности масел потребовали создания специальных форм насосов. Таким образом, в 30-е годы наметились два новых направления исследований. Во-первых, продолжались поиски жидкостей, пригодных для применения в насосе, определялись свойства известных из химии соединений, синтезировались новые, с нужными характеристиками. Во-вторых, изучалось поведение органических жидкостей во время работы, создавались конструкции паромасляных насосов, учитывающих особенности, свойственные этим органическим жидкостям.

Быстрое распространение масел стало возможным, благодаря достаточно высокому уровню, которое имела к тому времени химия органических соединений. Уже в первое десятилетие было найдено большое количество органических жидкостей, которые могут удовлетворительно работать в высоковакуумных насосах. Остановимся на истории появления основных типов рабочих жидкостей.

Минеральные масла. Применение жидкостей данного типа, полученных при вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти, было предложено, как уже упоминалось, Берчем в 1928 г. Эти исследования в Англии были продолжены и привели к разработке серии масел, получивших название апиезонов [132]..Значительная работа в этой области была проделана в СССР. Птицын и Астафьев [133] указали способ переработки нефтяных продуктов, который затем был применен для производства вазелиновых масел (ВМ). Клумб [134] и Стажаров [135] предложили использовать твердые парафины. С 1940 г. минеральные масла под названием Лейбольд выпускаются в Германии [136].

Сложные эфиры органических спиртов и кислот. В 1930 г. Хикмен и Сэнфорд предложили использовать в качестве рабочей жидкости фталаты (сложные эфиры фталевой кислоты) [137]. Являясь индивидуальными веществами, сложные эфиры отличаются большей однородностью состава. Благодаря этому свойству, с их помощью можно получать низкие предельные давления. Позднее Хикмен синтезировал целый ряд эфиров фталевой кислоты и высших спиртов [138]. Разработка рабочих жидкостей на основе сложных эфиров получила развитие также в Германии [136]. Отечественная промышленность освоила производство жидкостей, называемых продуктами "ОФ" и "ОС" (изооктиловые эфиры фталевой и себациновой кислот).

Кремнеорганические соединения. Рабочие жидкости этого типа получили распространение сравнительно недавно. Химия кремнеорганических соединений по существу зародилась меньше чем три десятилетия назад. Важную роль в появлении данной отрасли химии сыграли исследования советских ученых.

В 1938-1939 гг. в СССР был опубликован целый ряд работ, в которых доказывалась принципиальная возможность синтеза кремнеорганических смол, установлен механизм их образования и строения [139, 140]. К. А. Андриановым и его сотрудниками было установлено, что, в отличие от углерода кремнию, не свойственна полная симметрия связей по отношению к водороду и кислороду. Благодаря большому числу электронов в атоме, кремний имеет некоторые электроположительные свойства, поэтому химия кремния имеет свои особенности. Очень прочная связь возникает между кремнием и кислородом в силоксановых группировках вида:

С 1945 г. начались прикладные исследования возможности использования полисилоксановых масел в качестве рабочих жидкостей пароствуйных насосов. Г. Браун изучил сравнительные характеристики полисилоксановых масел и рабочих жидкостей на основе сложных эфиров [141]. Д. Вилкок провел исследование зависимости упругости пара метилполисилоксановых соединений от состава соединений и температуры. Полученные выводы свидетельствовали о том, что полимеры этого типа обладают достаточно низкой упругостью пара при комнатной температуре и могут быть применен в высоковакуумных насосах [142]. К такому заключению пришел Браун , получивший сравнительные характеристики для полисилоксановых масел и типичных рабочих жидкостей на основе сложных эфиров. Основное достоинство полисилоксановых жидкостей - стойкость при соприкосновении в горячем состоянии с воздухом. Благодаря этому свойству, полисилоксановые масла с успехом применяются в системах с периодическим напуском воздуха.

Так, например, отечественное масло ВКЖ-94 применяется в насосах откачных автоматов, в условиях периодической (каждые 2-3 минуты) прокачки атмосферы (30-40 секунд). Масло ВКЖ-94 при этом не требует замены в течение 1500-2000 часов (в таких же условиях минеральные масла ВМ становятся непригодными после 8-10 часов работы).

В США жидкости данного типа под названием силиконов выпускаются фирмой "Дау Корнинг". В отечественных насосах применяются полисилоксановые масла ВКЖ-94 А и Б, ПФМС-1,2 и 3.

Особенности масел привели к созданию специальных форм паростуйных насосов. Пары масел представляют собой смесь, фракций, имеющих различную упругость. Конечное давление, получаемое с помощью насоса, может быть уменьшено, если на стороне высокого вакуума откачка будет производиться тяжелыми фракциями с наинизшей упругостью пара.

В 1935 г. Хикменом были сделаны первые модели насосов, в которых разделение фракций осуществляется непрерывно во время работы. Хикмен также разработал основные теоретические принципы конструирования фракционных насосов. Широкое распространение получила конструкция,предложенная Хикменом (рис. 50).

Особенностью насоса является утепление широкой форвакуумной трубы и зоны вблизи кипятильника. Благодаря этому, в данной зоне происходит подогрев конденсата, стекающего по стенкам насоса, и наиболее летучие фракции испаряются вновь. Затем легкие фракции удаляются в область форвакуума или скапливаются в маслосборниках, сделанных на форвакуумной трубе.

В 1938 г. Мальтер и Маркувиц описали удачную конструкцию паромасляного насоса с фракционированием в жидкой фазе (рис. 51). Основное отличие от предшествовавших конструкций заключалось во введении фракционирующих цилиндров В и С. Назначение этих цилиндров описывается авторами следующим образом: "В процессе работы конденсат пара, выходящего из отдельных ступеней насоса, собирается в области, окружающей нижний конец цилиндра С. Непосредственное проникновение масла в пространство между В и С затруднено вследствие малых размеров отверстий внизу цилиндра С. Поэтому наиболее низкокипящие фракции испаряются до того, как масло проникает в пространство между В и С. Испарение следующих низкокипящих фракций происходит в пространство между цилиндрами В и С, и, таким образом, масло, которое, наконец, проходит через два ряда отверстий внутрь цилиндров, содержит только наиболее высококипящие фракции, т.е. фракции с наименьшей упругостью пара [144].

Мальтер и Маркувиц проводили для сравнения откачку насосом с установленными фракционирующими цилиндрами и без них, применяя различные масла. В первую очередь предельный вакуум был почти на порядок выше. Продолжая работу в этом направлении, Хикмен разработал целый ряд горизонтальных конструкций насосов с комбинированием фракционированием.

В конце 40-х годов были достигнуты значительные успехи в конструировании насосов для больших скоростей откачки. Были созданы образцы с быстротой действия до 20000 л/сек [145]. Такие насосы нашли применение при откачке ускорителей, электронных микроскопов, масс-спектрографов, установок для нанесения тонких пленок и т. п.

Необходимо отметить, что в 40-50-х годах значительное развитие получили паромасляные насосы бустерного типа. Рабочий диапазон бустерных насосов 10^-1-10^-4 мм рт. ст., давление на выходе до 3-4 мм рт. ст. Благодаря применению легколетучих сортов вакуумных масел, увеличенной мощности подогрева, большему числу ступеней, достигается значительная плотность струй пара и высокая скорость откачки при указанных давлениях. Паромасляные бустерные насосы широко применяются в вакуумной металлургии, химической и пищевой промышленности и т. п.

Проводившиеся в рассматриваемый период исследования, направленные на совершенствование высоковакуумного пароструйного насоса, можно условно разделить на дванаправления. К первому относятся работы прикладного характера, направленные главным образом на выяснение влияния различных факторов на характеристики насосов. Исследование зависимостей между параметрами насосов проводилось, начиная с 1920-х годов, к концу рассматриваемого периода по этому вопросу имелись обширные экспериментальные данные. Значительное количество работ было посвящено анализу влияния конструкции сопла на быстроту действия и другие показатели насосов [146,147], зависимость предельного вакуума и скорости откачки от форвакуумного давления [148]. В экспериментах определялись требуемая мощность подогрева кипятильника, стабильность работы различных масел, оптимальные размеры для отдельных ступеней и насосов в целом [149].

Ко второму направлению исследований можно отнести работы, в которых проводился теоретический анализ процессов, связанных с распространением паровой струи, диффузией молекул газа, конденсацией пара и т. д. Американский исследователь Александер в своей работе подверг критическому анализу теорию Геде применительно к насосам более поздних конструкций [ 150]. В процессах, происходящих вблизи сопла, диффузия газа, по мнению ученого, не имеет определяющего значения. Проведя экспериментальные измерения массы истекающего ртутного пара, Александер установил, что скорость парового потока в 1,2-3,4 раза выше, чем наиболее вероятная тепловая скорость молекул ртути. В результате захвата струей пара молекулы газа также приобретают скорости, превышающие значения, соответствующие их температуре. По мере движения в направлении струи скорость потока газа снижается, а его плотность растет. Под действием градиента плотности газ стремится создать поток, противоположный направлению откачки. Струя ртутного пара должна быть достаточно плотной, чтобы предотвратить обратный поток газа. При увеличении зазора в насосе и понижении плотности пара обратный поток газа может существенно снизить эффективность процесса откачки. Результаты экспериментов, проведенных Александером, подтверждали основные положения его теории. На рис. 52 приведены полученные опытным путем изобары, показывающие примеры распределения давлений вблизи сопла насоса.

Давление в зазоре насоса p, форвакуумное давление pf и скорость откачки s в этих примерах имели следующие значения:

Вышеприведенные примеры свидетельствуют о существовании оптимального давления/? для зазора в пароструйном насосе. При превышении этого давления происходит резкое уменьшение скорости откачки. Из диаграмм III и IV видно, что причиной этого является снижение преграждающего действия струи, в результате чего газ получает возможность течь вдоль стенки в обратном направлении. Чем больше мощность, подводимая к кипятильнику, тем выше критическое давление, при котором начинается падение скорости откачки.

Из теории следовал ряд практических выводов для конструирования насосов. "Большая скорость откачки достигается, если:

Автором теории был сконструирован специальный насос, отвечающий этим требованиям. Скорость откачки насоса Александера превосходила показатели типового насоса таких же размеров в 2,3 раза, а КПД - в 3,3 раза.

Основное в теории Александера - вывод, что на основе явления диффузии нельзя объяснить процесс удаления газа в высоковакуумньк насосах. В переработанном издании капитального труда Дэшмана эта точка зрения поддерживается. Обобщая результаты, полученные Александером, и другими экспериментаторами, Дэшман предположил, что при захвате газа струей пара в высоковакуумных насосах имеют место не только диффузионные, но и вязкостные процессы [151].

Последнее положение исследователями часто подверга ется сомнению. В работах Яккеля [152, 153] получил дальнейшее развитие метод анализа работы пароструйных насосов, предложенный Геде. Считая, что в основе процессов лежит диффузия, Яккель в то же время анализирует модели, более соответствующие усовершенствованным пароструйным насосам. В первом приближении Яккель принимает, что молекулы пара равномерно распределены по сечению рабочей камеры и движутся от плоскости аb (рис. 53, слева) с постоянной скоростью со параллельно оси сопла ох. Молекулы газа из откачиваемого объема диффундируют в ab и уносятся паром. Обратный поток газа создается за счет разности парциальных давлений газа в сечениях L и О.

Анализируя эту модель, Яккель пришел к следующему выражению для максимального значения скорости откачки:

где с - средняя тепловая скорость молекул газа.

Теоретический предел удельной быстроты действия насоса

т. е. пропускной способности диффузионной диафрагмы. При откачке воздчха S_max=11,6 л/(с*см²).

Сравнивая удельную быстроту действия реальных насосов с величиной S_max. можно судить о степени совершенства насоса (вакуумфакторе). Используя сравнительно простую физическую модель пароструйного насоса. Яккель. таким образом, выводит соотношения, связывающие основные параметры насоса, в целом хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

В более сложной модели (рис. 53. справа) Яккель учитывает наличие молекул пара, имеющих скорости, не совпадающие с направлением движения паровой струи ("паровая опушка"), неоднородную плотность пара и большую площадь диффузии. Используя эту модель. Яккель получил соотношения для зависимости удельной быстроты действия насоса от ширины и плотности паровой опушки, скорости и плотности паровой струи, величины поверхности диффузии.

Необходимость создания высокого вакуума в электронных приборах была осознана не сразу. Характерной чертой начального этапа развития электроники было производство приборов, имевших внутри определенное количество газа, от которого зависело их успешное функционирование.

Раньше других электронных приборов появились рентгеновские трубки (1895 г.). В течение двух десятилетий были известны только ионные трубки с холодным катодом. Давление газа внутри такой трубки составляло около 0,1 мм рт. ст. Поток электронов в ионных трубках вызывался газовым разрядом низкого давления. При таких условиях величина давления газа, ток и напряжение в трубке являются взаимозависимыми величинами. Необходимо было следить, чтобы напряжение не достигло значения, при котором наступает пробой. Для того, чтобы получить лучи с различной энергией, радиологам приходилось работать с целым набором трубок.

С изобретением трубки Кулиджа (1913 г.), ионные рентгеновские приборы были вытеснены высоковакуумными (давление 10^-4-10^-5 мм рт.ст.) рентгеновскими трубками с накаленным катодом. Использование таких трубок предоставило возможность независимо регулировать ток и напряжение трубки. Это открыло доступ к широкому применению рентгеновских трубок в науке и технике, особенно там, где необходимо было с большой точностью управлять их параметрами.

Первая электронная лампа - диод Флеминга (1904 г.) - имела разряжение, не превышавшее 10-2 мм рт. ст. и была весьма несовершенным прибором. При прохождении тока внутри лампы остаточный газ ионизировался, образовавшиеся ионы наряду с электронами участвовали в переносе зарядов от катода к аноду. В то же время ионы бомбардировали катод, сокращая срок его службы, осаждались на стенках, создавая зоны поверхностного заряда.

Подобная нестабильность работы была характерна и для изобретенной в 1907 г. трехэлектродной лампы ("аудион" Ли де Фореста). Вслед за этим изобретением появилось большое количество конструкций триодов, в которых делались попытки преодолеть характерные для них недостатки. То, что в основе трудностей лежит плохой вакуум, долгое время не осознавалось. Более того, многие специалисты в то время считали, что наличие молекул внутри катодной лампы является необходимым условием их работы и при достижении высокого вакуума анодный ток в приборе прекратиться.

Одной из лучших конструкций катодных ламп с несовершенным вакуумом стал созданный в 1910 г. триод Либена [154]. "Лампа Либена" имела в средней части перфорированную дисковую сетку, задерживающую поток положительно заряженных ионов, что предохраняло катод от преждевременного разрушения. Внутренний объем прибора был наполнен ртутными парами, что, по мысли Либена, создавало дополнительную ионизацию и увеличивало анодный ток.

Первые лампы с низким вакуумом (позже их стали называть "мягкими") часто имели специальный отросток в колбе, в котором находилась капля ртути или ртутная амальгама). Испарение ртути под действием тепла катода или внешнего подогрева увеличивало количество ионов в лампе и, соответственно, анодный ток.

Преодолеть ошибочные концепции в конструировании катодных приборов стало возможным лишь с развитием теории электронно-ионных процессов. Большую роль в этом сыграли работы О. Ричардсона, Ф. Чайлда, И. Ленгмюра и др., в которых было доказано, что термоэлектронная эмиссия свойственна всем проводникам и не обусловлена присутствием газа [155]. Развитие техники получения высокого вакуума позволило сделать важный шаг в совершенствовании электронных приборов. В 1915 г. И. Ленгмюром был сделан первый "жесткий" (высоковакуумный) триод [156]. Последующие работы Ленгмюра по совершенствованию диффузных насосов позволили начать массовое производство высоковакуумных радиоламп.

"Жесткие" лампы оказались значительно долговечнее "мягких". Однако их производство и эксплуатация были связаны с необходимость решения ряда проблем по обеспечению требуемой степени разрежения внутри прибора.

Для того, чтобы ионы не разрушали преждевременно катод, а также не уничтожали пространственный заряд, необходимо поддерживать давление внутри лампы на уровне 10^-7-10^-8 мм рт.ст. Появление молекулярного и, особенно, диффузионного насоса облегчило процесс удаления воздуха из ламп, однако даже с помощью наиболее совершенных насосов ленгмюровского типа в производственных условиях трудно получить давление ниже 10^-5-10^-6 мм рт. ст. При этом нужно учитывать, что газы, выделяющиеся из стекла в момент отпайки, повышают это давление до 10^-4-10^-3 мм рт. ст. Источником большого количества газа могут служить металлические электроды внутри лампы. Детали из применяемых обычно металлов в нормальных условиях содержат в себе количество сорбированного газа, во много раз превышающего объем самих деталей. При нагревании, имеющем место во время работы лампы, эти газы начинают выделяться. Единственный путь преодоления этих трудностей заключался в удалении газов во время работы прибора. Для обычных электронных приборов небольших размеров это достигается применением газопоглотителей ("геттеров"), помещаемых внутри ламп. Электронные приборы большей мощности (разборные лампы, рентгеновские трубки и т. д.) непрерывно откачиваются насосом во время работы (рис. 54).

Необходимой операцией технологического процесса производства электронных приборов стало предварительное обезгаживание внутренней арматуры, т. е. прогрев в вакууме металлических деталей, монтирующихся внутри прибора. Следует отметить, что индукционный метод нагрева внутренней арматуры ламп токами высокой частоты, применяющийся до настоящего времени, был впервые предложен русским ученым Н. Д. Папалекси [157]. Лишь спустя два года метод высокочастотного прогрева был запатентован в Германии.

Получение высокого вакуума зачастую было камнем преткновения при конструировании электронных ламп. Создатель одного из первых отечественных "катодных реле большой мощности" А.А.Чернышев отмечал, что в процессе работы было потрачено около двух лет на создание метода получения нужной степени вакуума.

Изготовление вакуумных приборов в широком масштабе в промышленных условиях выдвинуло ряд новых для производства требований. Большое внимание в вакуумных цехах придается чистоте содержания оборудования и деталей (вакуумная гигиена), специальной подготовке персонала. Откачку некоторых видов приборов могут выполнять лишь рабочие с высокой квалификацией и большим опытом. "Стоит откачнику передержать лампу во время тренировки, - писал о производстве генераторных ламп пионер советской электроники А. Г. Александров, - и дыра на аноде от проплавления обеспечена. Недодержать же - значит выпустить лампу с газом. Откачка - целое искусство, требующее очень хорошего глазомера и чутья" [159].

Большую роль совершенствование вакуумной техники сыграло в развитии приборов электронно-лучевого типа. Прообразом электронно-лучевых приборов являлась катодная трубка, изобретенная К.Ф.Брауном в 1897 г. и применявшаяся в качестве осциллографа. Действие трубки Брауна было основано на использовании газового разряда. Плотность газа в такой трубке была не настолько высокой, чтобы вызвать сильное рассеяние электронного пучка, но, в то же время, за счет ионизации молекул, попадавших в пучок, возникал столб положительных ионов. Электрическое поле этого столба оказывало известное фокусирующее действие на пучок электронов. Степень фокусировки зависела от скорости ионизации, которая, в свою очередь, определялась природой газа и его давлением, а также потенциалом и плотностью электронного пучка. Трубки с ионной фокусировкой были устройствами медленного действия. Лишь после того, как техника высокого вакуума получила значительное развитие, появилась возможность создания приборов, в которых поток электронов фокусируется в узкий пучок (электронный луч), с высокой скоростью управляемый по интенсивности и положению в пространстве.

Высоковакуумные электронно-лучевые приборы (ЭЛП) ведут историю от электронно-лучевой трубки В. К. Зворыкина, созданной в 1929 г. [160]. Трубка Зворыкина, имевшая оксидный катод косвенного накала, электронный прожектор и отклоняющую систему, работавшие в высоком вакууме, получила широкое использование в качестве кинескопа телевизионных приемников. В 1930-х годах получили развитие также осциллографические ЭЛП, первые ЭЛП с использованием принципа накопления заряда на мишени. Разработка систем радиолокации, начавшаяся накануне второй мировой войны, дала толчок развитию индикаторных ЭЛП [161].

Так же, как и электронно-лучевая обработка, технология, использующая ионные потоки, ведет свое начало от экспериментов, проводившихся в прошлом веке. В 1852 г. современник и соотечественник Фарадея У. Гроув впервые описал явление катодного распыления [162]. В дальнейшем многие физики, в том числе Крукс, Кольшюттер и др., уделяли внимание в своих исследованиях явлению катодного распыления в условиях тлеющего разряда. В 1874 г. Тэнард и де Вайд отметили, что при продолжительном проведении электрического разряда в вакууме на стенках камеры осаждается твердая пленка [163].

В 1922 г. Т. Бейкер описал способность тлеющего разряда очищать поверхности [164]. Процессы очистки поверхности материалов - стекла, кварца, стали от загрязнений явились практическим применением катодного распыления. С начала 1930-х годов этот метод используется в оптической промышленности для очистки поверхностей перед металлизацией [165].

В 1920-х годах сформулированы основные принципы и разработаны устройства для нанесения пленочных покрытий методом катодного распыления [166]. В основу метода была положена бомбардировка быстрыми частицами (обычно положительными ионами газов) мишеней, изготовленных из осаждаемых материалов. Выбиваемые при этом с поверхности мишени атомы (молекулы) покидают ее и осаждаются на покрываемых образцах. Достоинствами технологии в сравнении с получением покрытий электролитическим осаждением и термическим испарением явились более высокое качество пленок (хорошая адгезия, однородная структура), возможность распыления практически любых металлов, включая тугоплавкие металлы, диэлектрики и полупроводники, при сохранении стехиометрии исходных веществ.

В период 1920-х-50-х годов проведено много исследований, направленных на установление точных количественных соотношений между скоростью распыления и параметрами, характеризующими взаимодействие ионов с металлами, как правило, в условиях тлеющего разряда. Термическая теория распыления, развитая в этот период в работах А. Хиппеля, Н. Д. Моргулиса, Зеелигера и др., установила основные закономерности явления, однако не давала удовлетворительного объяснения, в частности, существованию пороговой энергии распыления [167, 168].

Очистка поверхностей методом катодного распыления получила распространение не только в производстве, но и в научных экспериментах-при исследовании эмиссии, адсорбции и десорбции газов, изучении структуры пленок, окисления и фазовых превращений в металлах. Фарнсвортом и Шлиром пыла разработана технология получения таким способом атомно-чистых поверхностей [169]. Начиная с 1950-х годов ка годное распыление нашло применение как эффективный метод снятия тонких (микронных) слоев с металлических образцов, изготовления диафрагм и сит с микронными и ангстремными отверстиями [170, 171].

В начале XX в. была открыта возможность ионной имплантации - легирования кристаллических материалов путем внедрения в них ускоренных ионов. В 1912 г. немецкий физик И. Штарк, исследуя кристаллы с равномерным распределением атомов, обнаружил наличие в определенных направлениях "открытых каналов" и выдвинул теорию "каналирования", согласно которой ионы легко проникают в кристалл по этим каналам. Явлению каналирования в течение длительного времени не уделялось большого внимания, исследования взаимодействия ионов с твердым телом были направлены в тот период в основном на изучение строения атомного ядра.

В 1939 г. Р. Ол открыл возможность значительного изменения электрических свойств полупроводников под действием ионной бомбардировки [172]. В последующие годы Олом был получен обширный экспериментальный материал по этому вопросу. Наилучшие результаты в повышении выпрямляющих характеристик точечных диодов имели место при бомбардировке кристаллического кремния ионами гелия с энергией около 30 кэВ и плотностью тока 5 мкА/см² [173].

Идея легирования полупроводников путем внедрения ионов высказывалась в начале 1950-х годов А. Ф. Иоффе в СССР и В. Шокли в США [174]. Начиная с 1954 г. Шокли была вы полнена серия работ по получению p-n переходов методом ионного легирования. В конце 1950-х-начале 60-х годов группой советских ученых под руководством М. М. Бредова проведены эксперименты по внедрению щелочных ионов в германий, а также по получению p-n переходов внедрением ионов лития в кремний [175, 176]. К тому времени физические основы метода ионной имплантации не получили еще достаточной разработки; в частности, не было ясно, чем обусловлен данный эффект: наличием внедренных ионов в кристалле либо дефектами решетки, возникающими в кристалле в результате ионной бомбардировки. Это явилось причиной того, что до середины 1960-х годов метод ионной имплантации значительного развития не получил.

В 1960-х годах начались систематические исследования и разработки, связанные с применением метода ионного легирования в производстве полупроводниковых приборов. К концу десятилетия в США и СССР был освоен выпуск специализированного оборудования ионной имплантации для производства полупроводниковых приборов и ИС. В 1970-х годах ионная имплантация стала доминирующим технологическим процессом при введении примесей в материал в производстве изделий микроэлектроники.

За прошедшие годы в производстве изделий электронной техники разработано несколько поколений специализированного оборудования ионной имплантации. Современное оборудование обеспечивает введение примесей с дозами от тысячных долей микрокулона до нескольких кулонов при энергии ионов от единиц до ысяч кэВ, высокой воспроизводимости результатов (порядка 1%) и большой производительности (сотни пластин в 1 ч).

В дальнейшем значение технологии ионной имплантации для производства изделий микроэлектроники, по-видимому, будет возрастать. С одной стороны, это связано с переходом к ИС с субмикронными и нанометровыми размерами элементов, что потребует использования технологии ионной имплантации острофокусными пучками. С другой стороны, универсальность ионно-лучевой технологии позволит осуществлять комплекс операций изготовления микроструктур в едином замкнутом вакуумном цикле. Переход к вакуумным процессам нанесения, обработки и изменения физических свойств материалов позволит создавать полностью автоматизированные технологические линии в производстве изделий микроэлектроники.

Диаграмма	p	p_f	s
I	6*10^-3	0,13	135
II	1,05*10^-2	0,2	130
III	2*10^-2	0,23	83
IV	6,6*10^-2	0,31	34