Техника - молодёжи 1956-01-02, страница 42
зываюгцее часть остающегося еще в колбе газа. Получение высокого вакуума в промышленности, изготовляющей радиолампы и лампы накаливания, почти исключительно ведется при помощи генерирования. При физических исследованиях гет-терирование применяют лишь в исключительных случаях, так как всегда имеется опасность загрязнения исследуемого материала веществом геттера. Еще совсем недавно считалось, что дальнейшее повышение вакуума при помощи диффузионных насосов требует больших затрат и расхода электроэнергии и газа. В последнее время для получения высокого вакуума стали использовать процессы, происходящие в так называемом ионизационном вакуумметре. Этот прибор представляет собой трехэлек-тродную радиолампу (триод), в колбе которой поддерживается то же давление, что и в откачиваемом объеме, так как оба объема соединены между собой трубкой. В отличие от обычной радиолампы здесь высокое положительное напряжение (200 в) подается не на анод, а на сетку лампы. На анод же подается относительно небольшое отрицательное напряжение (—30 в). Поток электронов, излучаемых катодом, притягивается не к аноду, а к сетке. Многие из электронов пролетают сквозь отверстия сетки и летят дальше. Затем под действием отрицательно заряженного анода они останавливаются и возвращаются обратно к сетке, снова пролетая сквозь ее отверстия. Процесс этот, прежде чем электроны попадают на сетку, повторяется несколько раз. При этом происходят столкновения между электронами и атомами газа, наполняющего колбу лампы, в результате чего эти атомы ионизируются — из них выбиваются электроны, а сами атомы становятся положительно заряженными ионами. Если электронный ток в лампе поддерживать постоянным в течение некоторого времени, то в ней станут накапливаться ионы, и тем больше, чем выше давление газа в колбе. Положительные газовые ионы движутся к отрицательно заряженному аноду лампы. Измерение силы электрического тока (потока электронов), протекающего в цепи анода, дает возможность измерить косвенным путем плотность потока ионоз, а тем самым давление в колбе лампы и в соединенном с ней откачиваемом пространстве. Если напряжение, приложенное к сетке, достаточно велико, то, разогнанные до большой скорости, ионы газа, наталкиваясь на отрицательно заряженный анод, будут иметь достаточную энергию, чтобы войти в структуру металла. Там они будут удержаны и не смогут больше вернуться в разреженное пространство. Это явление называется электрическим поглощением газа. При длительном использовании ионизационного вакуумметра для измерения вакуума это явление нарушает его работу, так как давление внутри колбы лампы уменьшается, вследствие чего меняются и показания всего прибора. Физики пришли к мысли использовать электрическое газопоглощение, происходящее в ионизационных измерительных лампах, для получения сверхвысокого вакуума. К тому же выяснилось, что скорость откачки таким ионизационным насосом почти такая же, как у небольшого диф фузионного насоса. При использовании ионизационного насоса надо соблюсти одно важное условие. Те части аппаратуры, которые соприкасаются с ультравысоким вакуумом, ни в коем случае не должны иметь хотя бы очень маленьких газовыде-ляющих участков. Поэтому эти поверхности должны быть прокалены до последнего квадратного миллиметра. Это удается лишь в том случае, если сейчас же за обогреваемым объектом находится кран, который при прокаливании может быть закрыт. Разнообразные загрязнения, могущие иначе проникнуть из непро-каливаемого пространства или из диффузионного насоса, при перекрытом кране уже не смогут проникнуть в эвакуируемый объем. Применяемые в вакуумной технике обычные краны и вентили для этой цели оказались непригодны. Поэтому был изобретен специальный кран — мембранный вентиль. К используемому ранее оборудованию для создания высокого вакуума, помимо диффузионного насоса, добавляется еще нагревательная печь для внешнего прокаливания эвакуируемого сосуда, мембранный вентиль и измерительная электронная лампа. Эта последняя выполняет теперь уже две функции: измеряет вакуум и служит ионным насосом. Для получения сверхвысокого вакуума сначала ведут откачку форва-куумным насосом и диффузионным насосом. Затем эвакуируемый сосуд прогревают в течение шести-семи часов. После охлаждения нагревательной печи приступают к обезга-живанию металлических частей ионизационной измерительной лампы. Для этого между катодом и другими электродами лампы создают напряжение, равное примерно 1 ООО в, и пропускают ток порядка 100 ма. Энергия электронов, ударяющихся в электроды лампы, оказывается столь велика, что нагревает их до светлокрасного каления. После такой «электронной бомбардировки», продолжающейся около часа, закрывается мембранный вентиль. В заключение пускают ионизационный насос. Откачивая в течение часа воздух из сосуда объемом в 1 л, насос создает сверхвысокое разрежение, равное 10—10 тора, а при некотором изменении конструкции ионной лампы даже до 10— 11 тора. Для чего же служат такие высокие разрежения? Сверхвысокая вакуумная техника применяется, например, для получения очень чистых газов. Было, в частности, установлено, что ничтожные следы загрязнения значительно изменяют свойства многих, казалось бы хорошо изученных, элементов. Можно из смеси газов выделить какую-либо его основную часть. Для этого эвакуируют некоторый сосуд до разрежения в 10 ~10 тора и затем наполняют его отфильтрованным газом до давления в 1 тор. Для очистки водорода в качестве такого фильтра может, например, применяться палладий — один из металлов, очень близких к платине. Водород свободно проходит через такой фильтр, тогда как все другие газовые компоненты этим фильтром задерживаются. Тогда получают степень очистки в 10,0. Это значит, что на каждые 1010 атомов вновь поступившего газа приходится лишь один посторонний атом, который попадает в него из оставшегося при откачке газа. Этим достигается примерно тысяче- СВЕРХВЫСОКИЯ |- ВАКУУМ В первом столбике слева показаны некоторые типы применяемых в современной науке и технике насосов для получения высокого и сверхвысокого вакуума (с указанием границ их применения): 1 — ротационный масляный насос; 2 — пароструйный (ртутный или масляный) насос; 3 и 4 — ртутный и масляный диффузионные насосы; 5 — схема химического способа получения высокого вакуума при помощи так называемого геттерирования и 6 — ионизационный насос. В следующем столбике показаны некоторые из приборов для измерения степени разрежения. Снизу вверх: ртутный барометр; вибрационный манометр Лангмюра, в котором очень тоненьная и легкая кварцевая ленточка прикреплена внутри стеклянной трубни так, чтобы е результате легкого постунивания по стенлу она могла колебаться. В зависимости от плотности находящегося внутри трубочни газа время затухания колебаний этой ленточки будет меняться. При помощи увеличительного микроскопа или проенции увеличенного изображения нити на экран можно измерять время затухания ленточни, а тем самым косвенно и давление газа внутри колбы; манометр Мак-Лео-да, действие которого основано на том, что увеличение давления газа, сжимаемого в капиллярной трубке ртутью, уравновешивается гидростатическим давлением столба ртути в другой трубке, которое может быть измерено на обыкновенной шкале. В третьем столбике показано несколько вакуумных приборов: газосветная лампа и лампа дневного света; вакуумная печь для выплавни особо чистых металлов и прецизионных сплавов; радиолампы, телевизионные и рентгеновские трубки, электронный микроскоп, масспектрометр, ртутный термометр, являющийся тоже хорошим вакуумным прибором. В столбце справа показаны области высокого вакуума в природе: высокие слои атмосферы и космическое пространство. Пока что самый лучший вакуум, получаемый человеком, все еще далек от того, что мы можем встретить в природе. Некоторые небесные тела состоят из материи, ноторая находится в исключительно разреженном состоянии. Давление газов, образующих хвост нометы, определяется величиной порядка 10 ~10 мм, некоторые туманности состоят из газообразного вещества, находящегося под давлением около 10 —14 мм, а степень разрежения вещества в межзвездном пространстве может достигать 2,5уЮ — ' WM. кратное улучшение очистки газа против существовавших ранее способов. При помощи сверхвысокой вакуумной техники становится возможным исследовать физические свойства чистых поверхностей. Большинство металлов, например, обладает способностью поглощать кислород — так называемой поверхностной адсорбцией. Часто это бывает слой толщиной в одну молекулу. Все же этого достаточно для того, чтобы лишить такую поверхность возможности проявить некоторые очень важные свойства чистого металла. Правда, путем прокаливания в вакууме можно такой адсорбированный слой уничтожить уже при разрежении в 10—6 то ра, но там остается еще так много газовых молекул, что при последующем охлаждении в продолжение всего лишь одной секунды этот молекулярный слой образуется вновь. При вакууме в 10—10 тора создание мономолекулярного слоя длится уже многие часы. За это время могут быть произведены исследования, дающие возможность определить или использовать свойства предельно чистой металлической поверхности. Перевод с немецкого Б. Протопопова 40 |
