2774.Вакуумные технологии

Чуть позже, в 1654 г. губернатор Магдебурга Отто фон Ге-

рике (Otto von Goerike, 1602–1685) провел откачку воздуха из полости между металлическими полушариями при помощи разработанного им первого примитивного вакуумного водоуплотняемого поршневого насоса (поместив его в сосуд с водой) (рис. 1.4). Атмосферное давление сжало полушария так, что их не могли разорвать 8 пар лошадей (рис. 1.5). Правда, следует отметить, что все вышеописанные опыты проводились для определения величины атмосферного давления.

Рис. 1.4. Водоуплотняемый поршневой насос

Рис. 1.5. Опыт Герике

11

Одно из первых наблюдений падения давления в результате связывания атомов металлической пленкой (т.е. сорбционная откачка) проведено в 1858 г. немецким физиком Юлиусом Пла-

кером (Julius Plücker, 1801–1868).

Первая криогенная откачка с помощью активированного угля, охлаждаемого жидким воздухом, проведена в 1876 г. шот-

ландцем лордом Джеймсом Дьюаром (Sir Dewar James, 1842– 1923) – изобретателем бездымного пороха, термоса и известного всем «сосуда Дьюара».

Первые опыты по улавливанию молекул газа с помощью паров пятиокиси фосфора с образованием нелетучего соединения (хемосорбция, геттерная откачка) проведены итальянцем

Артуро Малиньяни (Arturo Malignani, 1865–1939) в 1894 г. при производстве первых ламп накаливания.

Жидкостные насосы – ротационный ртутный и масляный пла- стинчато-роторный – разработаны соответственно в 1903 и 1908 гг. пионером вакуумной техники немецким ученым Вольфгангом Гедэ (Wolfgang Max Paul Gaede, 1878–1945), создавшим позднее молекулярный (1912 г.) и диффузионный (1915 г.) насосы. Диффузионные (конденсационные) ртутные насосы создали одновременно американец шотландского происхождения (нобелев-

12

ский лауреат по химии 1932 г.) Ирвинг Лэнгмюр (Langmuir Irwing, 1881–1957) в лаборатории фирмы «Дженерал Электрик» и русский ученый профессор Петербургского университета

Станислав Антонович Боровик (1882–1958) в 1912–1916 гг.

В области вакуумметрии (технологии измерения величины вакуума) разработка первого деформационного манометра сделана французским часовщиком Эженом Бурдоном (Eugène Bourdon, 1808–1884) в 1849 г., а компрессионного манометра – шотландцем Гербертом Мак-Леодом (Herbert G. McLeod, 1841– 1923) в 1874 г.

13

Первый тепловой (термопарный) манометр выполнен нем-

цем Марчелло Пирани (Marcello Stefano Pirani, 1880–1968) в 1906 г.

и усовершенствован К.Ф. Хейлом в 1911 г., ионизационный ма-

нометр разработал Оливер Бакли (Oliver Ellsworth Buckley, 1887– 1959) в 1916 г., ионизационный с холодным катодом – голланд-

ский физик Франц Мишель Пеннинг (Frans Michel Penning, 1894– 1953) в 1936 г., ионизационный с горячим катодом – в 1950 г. аме-

риканцы Роберт Байярд и Дэниэл Альперт (Robert T. Bayard and Daniel Alpert).

14

Историю развития средств и технологий откачки в России и СССР можно разделить на три больших этапа.

Первый период – начало ХХ в. до Второй мировой войны, связан с применением вакуума в научных исследованиях, а также возникновением и развитием отечественной электровакуумной промышленности: производством радиоэлектронных ламп, рентгеновских трубок, ламп накаливания и т.п.

С.А. Боровик С.А. Векшинский

В 1912 г. профессором Петербургского университета Ста-

ниславом Антоновичем Боровиком (1882–1958) был изобретен парортутный диффузионный насос (рис. 1.6), создававший вакуум до 10–5 торр. Однако практически до начала 1930-х гг. основными средствами получения вакуума в России и СССР оставались конденсационные ртутные насосы конструкции Лэнгмюра

иТендера, изготавливавшиеся в стеклодувных мастерских заводов

илабораторий, а также насосы, приобретавшиеся за рубежом. Дальнейшее становление вакуумной техники в СССР связа-

но с именем академика Сергея Аркадьевича Векшинского (1896– 1974), организовавшего и возглавившего в 1928 г. вакуумную лабораторию на ленинградском заводе «Светлана», а затем – научноисследовательский вакуумный институт в Москве, носящий ныне его имя.

Примерно со второй половины 1930-х гг. и до начала Великой Отечественной войны в Харьковском физико-техническом

15

институте (ХФТИ), ставшим впоследствии головным институ- том-разработчиком, проводились работы по разработке первого отечественного вакуумного масла с низкой упругостью паров (до 10–3 Па) и первых отечественных паромасляных диффузионных фракционирующих насосов с быстротой откачки от 40 до

1000 л/с.

Рис. 1.6. Конструкция парортутного насоса С.А. Боровика и охранительное свидетельство на него, 1916 г.

Второй период – становление и стремительное развитие техники откачки вакуума, охватывающий период времени с 1945 г. до середины 1960-х гг.

Этот этап связан с научно-технической революцией, вызванной развитием военных, космических и ядерных технологий

ираспространившейся практически на все области науки, техники и промышленности. Именно в этот период закладывалась научная, техническая и промышленная основа техники откачки вакуума, дальнейшее развитие и совершенствование которой продолжилось в третий период, начиная с середины 1960-х гг.

идо настоящего времени.

Как и в довоенные годы, в период 1945−1947 гг. основным потребителем вакуумной техники оставалась электровакуумная промышленность. В 1945 г. была организована профильная Цен-

16

тральная вакуумная лаборатория (ЦВЛ), которую возглавил будущий академик С.А. Векшинский. В эти годы для нужд электровакуумного производства были созданы первые отечественные серийные вакуумные насосы: роторные форвакуумные – ВН-494, BH-461 и РВН-20, диффузионный – ЦВЛ-100 с быстротой действия 100 л/с. Разработаны специальные вакуумные масла для механических и струйных насосов: вазелиновое ВМ-4 – для механических, вазелиновое Д1, октойли ОФ и ОС – для диффузионных насосов.

В1947−1950 гг. начался бурный рост исследований в области атомной техники, вооружения и энергетики, создание производства атомного горючего потребовало разработки комплексов вакуумного оборудования, количественно и качественно совершенно не соизмеримого с тем, что имелось в стране до этого.

В1947 г. для этих целей на базе ЦВЛ был организован На- учно-исследовательский вакуумный институт (НИВИ), ныне на- учно-исследовательский институт вакуумной техники (НИИВТ) им. С.А. Векшинского. В это же время создан диффузионный насос Н-20Т с быстротой действия до 20 000 л/с − один из крупнейших в сравнении с мировыми аналогами, который еще долгое время оставался уникальным по производительности насосом. Разработан первый серийный образец паромасляного бустерного насоса БН-3 с быстротой действия до 500 л/с и создается специальное масло для бустерных насосов − масло марки «Г». На базе насосов серии БН создается первый в СССР агрегат высокого вакуума H-205. В этот же период были разработаны многие элементы оборудования, явившиеся прообразом современных

конструктивных элементов вакуумной техники: фреоновые и азотные низкотемпературные ловушки, вакуумные запорные вентили, натекатели реакционного газа, затворы углового и шиберного типа, сорбционные насосы для откачки галогенидов. Были опробованы первые конструкции встроенных нагревателей в диффузионных паромасляных насосах. Совместно с работниками КБ Московского завода им. Владимира Ильича были разра-

17

ботаны высокопроизводительные по тем временам механические насосы серии ВН: BH-1, ВН-2 и ВН-4 с быстротой откачки от 6 до 50 л/с. Значительным событием того периода, сыгравшим решающую роль для всего дальнейшего развития вакуумной техники в СССР, стала организация серийного производства вакуумного откачного оборудования на Московском заводе им. Владимира Ильича.

ВХарьковском ФТИ продолжились работы по разработке

исовершенствованию диффузионных насосов. Разработаны насосы М-20 и М-40 с быстротой действия 20 000 и 40 000 л/с со-

ответственно. Ильей Михайловичем Лифшицем (1917–1982) и Липой Натановичем Розенцвейгом (1916–1957) предложена первая приближенная теория диффузионного насоса.

Впериод с 1951 по 1956 г. серийный выпуск вакуумного оборудования на заводе им. Владимира Ильича способствовал широкому освоению вакуумных технологий в большинстве отраслей промышленности. Неуклонно

возрастала потребность в откачном вакуумном оборудовании и появились новые требования к нему. Возникла

И.М. Лифшиц необходимость откачки конденсируемых паров и парогазовых смесей, что привело к разработке газобалластных устройств к насосам серии

ВН: ВН-1, BН-2, ВН-4, ВН-6. Эти устройства позволили обеспечить приемлемую скорость откачки паров воды при впускном давлении 665 Па форвакуумными насосами серии ВН с быстротой действия от 6 до 150 л/с. Разработана первая унифицированная серия высоковакуумных паромасляных насосов серии Н: H-1C, H-5C, Н-5Т, Н-8Т с быстротой откачки от 100 до 8000 л/с. Насосы серии Н подобны по конструкции и характеристикам. Рабочий диапазон создаваемых давлений в пределах 10–6– 10–4 мм рт. ст., максимальное выпускное давление – 0,1 мм рт. ст.

18

На базе насосов серии Н создана унифицированная серия высоковакуумных агрегатов ВА: BA-0,1-1, ВА-0,5-1, ВА-2-3, ВА-5-4, ВА-8-4, в комплексе с рамой, азотными ловушками, затворами и электроарматурой.

Создание унифицированных серийных высоковакуумных паромасляных насосов и агрегатов, а также форвакуумных насосов с газобалластом различной производительности явилось отправной точкой для дальнейшего внедрения вакуумной техники в различные технологические процессы приборо-, аппарато- и машиностроения: в электронику, качественную металлургию, нефтехимию, научное аппаратостроение (маcс-спектрометрию, ускорительную технику и т.п.).

Развитие научного аппаратостроения и техники получения редких и активных газов стимулировало начало работ по созданию диффузионных парортутных насосов и агрегатов. Были созданы насосы Н-5Р, Н-40Р, H-1TP с быстротой действия от 5 до 1000 л/с, уникальный высоковакуумный насос с выхлопом в атмосферу ЭПРН-760, до настоящего времени не имеющий аналогов за рубежом.

Вэти же годы разработаны герметичные механические насосы НВГ-1, НВГ-2, НВГ-3 для откачки редких и радиоактивных газов.

Дальнейшее развитие производства вакуумного оборудования и необходимость его расширения привели к передаче номенклатуры производства вакуумного оборудования с завода им. Владимира Ильича на Московский завод «Компрессор».

В1950/51 гг. в ХФТИ Борисом Георгиевичем Лазаревым (1906–2001) и Евгением Станиславовичем Боровиком (1915– 1966) проведены первые работы по исследованию процессов криосорбционной откачки и разработан первый гелиевый заливной криосорбционный насос ВК-4.

В1954 г. Владимиром Ивановичем Скобелкиным и Натали-

ей Ивановной Ющенковой предложено развитие теории диффузионного насоса, учитывающее реальный механизм его работы.

19

Б.Г. Лазарев Е.С. Боровик

В 1957−1959 гг. развивается производство качественных сталей и тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена и др.) плавкой в вакуумных дуговых и индукционных печах, поэтому следует создать высокопроизводительные вакуумные насосы, работающие в диапазоне давлений 101−10–2 Па. Для этих целей были разработаны паромасляные бустерные насосы серии БН:

БH-1500, БН-1500-2, БН-4500 и БН-15000 с быстротой откачки от 1500 до 15000 л/с и диапазоном рабочих давлений 100−10–2 Па. Необходимость откачки больших объемов воздуха выдвинуло задачу создания для бустерных насосов стойких к окислению рабочих жидкостей. Были разработаны стойкие к окислению нефтяное масло ВМ-3 и кремнийорганическая жидкость ПФМС-1. Параллельно с паромасляными насосами разрабатывались механические бустерные насосы на основе конструкции высокоскоростных двухроторных насосов (воздуходувок) Рутса – ДВН-500 и ДВН-1500. Производство насосов ДВН было организовано на Мелитопольском компрессорном заводе, ныне ПАО «Мелитопольский компрессор» (МЕЛКОМ), и продолжается в настоящее время.

Дальнейшее развитие технологий электровакуумного производства, возникшая потребность в малогабаритных высоковакуумных насосах широкого диапазона привели к разработке диффузионных насосов Н-005 и НВО-40. Насос Н-005 совмещал в себе свойства как высоковакуумного, так и бустерного насосов,

20