К истории метрологических исследований в области потока газа в вакууме

К истории метрологических исследований в области потока газа в вакууме

А.А. Чериышеико

Прослеживается история появления вакуумной техники и вакуумных измерений. Проведен обзор основных этапов зарождения и развития вакуумной техники и измерений, а также вопросы становления такой области вакуумных измерений, как метрологические исследования в области потока газа в вакууме.

Ключевые слова: история, метрология, вакуумная техника, вакуумные измерения, поток газа в вакууме, единство измерений.

On the history of metrology research in the area of the gas flow in vacuum

Alexander A. Chernyshenko

The article is devoted to the history of the emergence of vacuum technology and vacuum measurements. It outlines the main stages of the origin and development of vacuum technology and measurement, as well as the issues of formation of a region of vacuum measurement as metrological research in the area of the gas flow in a vacuum.

Keywords: history, metrology, vacuum technology, vacuum measurement, gas flow in a vacuum, the unity of measurements.

Следует отметить, что необходимость в проведении метрологических исследований в области вакуумных измерений, в том числе и в области потока газа в вакууме, появилась благодаря развитию вакуумной техники, история которой восходит к I в. до н.э. В это время появились первые упоминания о примитивных вакуумных насосах, которые были способны создавать небольшие разряжения газа (шприц Ге-рона,1 водяной насос Ктезибия1) [18]. Однако фундаменталь-

1 Герон Александрийский — (Негопив Мехапйппив) (гг. рождения и смерти неизвестны, вероятно, 1 в.), древнегреческий учёный, работавший в Алек-

140

ные исследования свойств разряженного газа и вакуума не проводились вплоть до VII в. Ряд историков полагает, что причина лежит в религиозных предрассудках. В защиту такого предположения ставя тезис: «пустота может быть создана только всемогуществом божьим» (из решений Парижского Собора под представительством аббата Тампье, XIII в.) (Об этом напр. [20]). Так, в 1211 г. в уставе первого в мире университета (Парижского) было записано, что вопросами пустоты следует заниматься богословам, но никак не естественникам. На этот запрет церкви, как на причину, ограничивающую его возможности заниматься изучением пустоты, ссылался в XIV в. и французский философ-схоласт Иоанн Буридан (ок. 1300 — ок. 1358) [30]. Считается, что в XVII в. Галилео Галилей (1564-1642 гг.), не терпевший церковных догм, вычислил силу «боязни пустоты» [12] из факта невозможности подъема воды на высоту более 10 м, какого бы диаметра труба не была.

В 1643 г. Эванджелисто Торричелли (1608-1647) [13], учеником Галилея, было определено, что атмосфера создает давление, равное давлению столба ртути высотой около 760 мм. Пространство над ртутью в барометрической трубке, которое по представлению Торричелли было «абсолютной пустотой», названо в честь ученого «торричеллиевой пустотой». В настоящий момент времени известно, что это пространство заполнено парами ртути, которые при температуре 293 К имеют давление 1,6-10"1 Па [20].

Дальнейшее развитие вакуумной техники связывают с именем немецкого физика Отто фон Герике (1602-1686) [15, 17], который изобрел первый механический воздушный насос (1650 г. - его знаменитый опыт с магдебургскими полушариями). Тем не менее, долгое время, вплоть до XIX в., вакуум применялся практически лишь в устройствах для откачки воды. Следующую веху связывают с именем французского химика Жана Батиста Дюма (1800-1884 гг.), который в 1825 г. добился понижения давления, методом вытеснения воздуха водяным паром из сосуда, с последующим

сандрии (БСЭ). О его изобретении см. например: URL: http://www.romanenko.biz/ru/library/article_heron.html [20.03.2016]. 1 Ктезибий, или Ктесибий (греч. Knioißiog, годы деятельности 285-222 год до н. э.).

141

конденсированием его путем охлаждения [32].. еще одно открытие сыграло Значительную роль в середине XIX в в развитии вакуумной техники сыграло открытие немецкого химика Роберта Вильгельма Вунзена (1811-1899) [31], который осуществил откачку газа струей быстро истекающей жидкости, захватывающей газ.

И все же в отдельное направление исследований вакуумная техника выделилась только в тесной связи с развитием производства электровакуумных приборов. И важнейшим в этой смысле стало изобретение первого электровакуумного прибора - электрической лампы накаливания с угольным стержнем

[23]. Эти и ряд других открытий не только дополнили знания в области исследований низких абсолютных давлений и вакуума, но и привели к практически революционному развитию вакуумной техники [5, 16].

Уместно перечислить еще некоторые его этапы. Так, в 1884 г. итальянец А. Малиньяни [29] впервые применил в производстве вакуумных ламп накаливания связывание остаточных газов парами фосфора и, тем самым, положил начало применению различного рода газопоглотителей (так называемых геттеров) в вакуумной технике. В последствии были разработаны геттерные насосы. В 1904 г. Дж. Дьюар

[24] разработал способ получения вакуума путем поглощения газов активированным углем, охлажденным жидким азотом. А чуть позже появляется первый ротационный ртутный насос немецкого физика В. Гедэ (1878-1945) [26], после чего был разработан многопластинчатый насос с масляным уплотнением, с помощью которого можно было получать давления около 1 Па.

В начале XX в. в 1911 г. Гедэ сконструировал первый молекулярный насос. А несколькими годами позже в 1914-1916 гг. практически одновременно В. Гедэ, И. Ленгмюр [1, 24] и профессор Петроградского университета С.А. Боровик [2, 3] разработали ртутный диффузионный насос, способный создать давление около 105 Па. Процессы модернизации набирают силу, и в 1928 г. появляется паро-

142

масляный диффузионный насос К. Р. Бэрча [1], а затем множество различных модификаций (механических, пароструйных, молекулярных) насосов, которые и по сей день непрерывно совершенствуются и широко используются в современной вакуумной технике. В развитии технологий измерения низких давлений следует отметить такие работы, как создание компрессионного манометра Г. Мак-Леодом (1874 г.) [11], теплового манометра М. Пирани (1906 г.) [10] и ионизационного манометра О. Бакли (1916 г.) [35].

Современная вакуумная техника сегодня способна обеспечить получение и измерение давления в 1018 раз меньше атмосферного, когда в 1 см3 остается всего лишь около 30 молекул газа. Ее успехам способствовали многочисленные теоретические и экспериментальные работы, проведенные еще в первые десятилетия XX в. Именно серия классических исследований С. Дэшмана [6], М. Кнудсена [34], П. Клаузинга [8, 9] и ряда других позволили разработать само понятие потока газа в вакууме и теоретически обосновать методы его измерения. Уместно хотя бы пунктирно остановиться на основных этапах, характеризующих процессы формирования и развития различных теорий и направлений изучения вакуумных систем.

Наиболее распространенной методикой анализа вакуумных систем является теория сосредоточенных параметров. В рамках данной теории состояние разреженного газа описывают термодинамически, а его параметры связаны между собой уравнением состояния идеального газа. Данная теория определяет такие базовые понятия вакуумной техники, как проводимость, сопротивление и быстрота действия. Согласно этой теории основная часть расчетов базируется на записи интегральных балансовых уравнений сохранения. В рамках этого подхода были выработаны основные соотношения для расчетов суммарных проводимости и сопротивления сложных составных вакуумных систем, а также основное уравнение вакуумной техники, устанавливающее связь между быстротой действия насоса Sh, присоединенного к откачиваемому объему через трубопровод, имеющий проводимость U, и эффективной быстротой откачки рассматриваемого объема §эф.

143

Большой вклад в развитие данного подхода внес С. Дэшман, выдвинувший гипотезу об аналогии процессов течения разреженного газа в каналах и тока в электрических цепях, и предложивший соотношение для расчета суммарной проводимости составного трубопровода, аналогичное проводимости электрического тока. Данное соотношение не учитывает так называемый «пучковый эффект», когда параметры газового потока на входе в каждую следующую часть формируются предыдущей частью, и структура потока приобретает значительную продольную составляющую. В результате этого эффекта параметры потока на входе в каждую следующую часть существенно отличаются от условий диффузного напуска.

Другую теорию течения разреженного газа через канал предложил М. Кнудсен. Основные положения ее таковы:

- молекулярный поток формируется и определяется параметрами газовой среды в рассматриваемом элементарном объеме;

- поведение газа описывается в терминах механик сплошных сред;

- при рассмотрении процессов взаимодействия молекулы со стенками не учитываются температура стенки (изотермическая система), а так же возможность поглощения или миграции молекулы по поверхности.

В рамках теории, разработанной М. Кнудсеном, были получены приближенные соотношения для расчета проводимости протяженного канала круглого сечения. Позднее они получили подтверждение в исследованиях М. Смолуховского [4, 33], что позволило ему, на основе подхода М. Кнудсена, при более строгом рассмотрении процесса течения разреженного газа получить соотношения для расчета проводимости протяженного канала произвольного сечения. Добавим, что благодаря простому математическому аппарату, теория М. Кнудсена нашла широкое применение в качестве базиса для развития аналитических подходов для анализа молекулярных течений.

Следующим шагом развития анализа потоков газа в вакууме стала теория П. Клаузинга, который полностью отказался от попытки увязать плотность падающего потока молекул на фрагмент поверхности системы с локальными

144

характеристиками газовой среды в прилегающем объеме. По мысли П. Клаузинга, поток молекул Qrp, вылетающих через выходное сечение канала, можно выразить через поток молекул Qotb, влетающих в его входное отверстие. Этот подход развивал и С. Дэшман, однако П. Клаузинг привел для коэффициента пропорциональности - проводимости ясное физическое толкование и рассчитал его для трубопроводов круглого и прямоугольного сечений. Теория П. Клаузинга позволила уточнить ряд принципиально важных моментов:

- поток через трубопровод не зависит от температуры его стенок, а зависит только от температуры газа на входе в трубопровод;

- на поток через канал влияют лишь геометрические характеристики канала и параметры взаимодействия молекул со стенками - физическая модель рассеяния и характеристики поверхности в контексте возможности поглощения (захвата) молекул.

П. Клаузинг внес существенный вклад в прикладную область проведения вакуумных расчетов: обосновал диффузный (косинусный) закон отражения молекул от стенки; получил соотношения для расчета проводимости канала произвольной длины и разных типов поперченного сечения; одним из первых применил законы молекулярного течения газов к расчету оптической задачи; при расчете молекулярных потоков использовал законы оптики и др. Методика П. Клаузинга получила широкое применение для расчетов проводимостей каналов. Ее плодотворность позволила рассматривать этот подход в качестве стартового этапа для развития единой универсальной методики анализа потоков газа в вакууме и сложных вакуумных систем. В отечественной науке подход П. Клаузинга получил широкое развитие в работах Б.Д. Ершова [7], Г.Л. Саксаганского [7, 22], Л.Н. Розанова [21], В.В. Кузьмина [14] и др. В историографии вопроса известны исследования Андросова A.B., Васильева Ю.К., Королева Б.И., Кузнецова В.И., Нестерова С.Б., Пипко А.И., Плисковсковского В.И. и др. [19]. Данные авторы исследовали различные подходы и методы измерений потока газа в вакууме, систематизировали и определили возможные

145

пути их практической реализации и исследовательских стратегий для новейших исследований современности.1

Литература

1 Борисов В. П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса, http://www.vacuum.ru/file/misc/ borisov/ vacuum/content.html [30.03.2016].

2 Боровик С.А. Два новых насоса высокого разрежения / / Журнал Русского Физ.-хим. об-ва. Часть физ., 1913. Т. 45. Вып. 8. Отд. 2.

3 Боровик С.А., Получение светящегося разряда в газе при малых разностях потенциалов / С.А. Боровик и В.И. Павлов. Петроград: тип. «Печ. труд», 1915. 12 с.

4 Второе начало термодинамики: Сборник работ / Сади Карно. В. Томсон-Кельвин. Р. Клаузиус. Л. Больцман. М. Смо-луховский; Под ред. и с предисл. А.К. Тимирязева. Москва; Ленинград: Гос. техн.-теоретич. изд-во, 1934. 311 с.

5 Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Перевод с польского. Мир, 1975. 622 с.

6 Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. Мир, 1964. 715 с.

7 Ершов Б.Д., Попов Н.Г., Саксаганский Г.Л. Методы анализа молекулярных потоков. Ротапринт. НИИЭФА, 1979. 64с.

8 Ерюхин A.B. Основы вакуумных измерений. Машиностроение, 1977. 40 с.

9 Изучение метода тренировки токамака тлеющим разрядом / H.H. Бревнов, Р. Клаузинг, A.A. Казачков, Н.В. Кузнецов. Москва: ИАЭ, 1979. 10 с.

10 Каценеленбоген М.Е., Власов В.Н. Справочник работника механического цеха. М.: Машиностроение, 1984. 240 с. http: //www.booksshare.net/index.php? author= kacenelenbogen-me&book= 1984&category=machine&id 1 =4&page=177

11 Компрессионный манометр. Манометр Мак-Леода. URL: http: //www.pro-vacuum.ru/kontrolno-izmeritelnaia-apparatura / kompressionnyi-manometr-manometr-mak-leoda.html [30.03.2016].

1 В том числе и в диссертационном исследовании автора этой статьи [27], результаты которого отражены в монографии [28].

146

12 Конев С. А. Механические вакуумные насосы. URL: http: / / techeiscatel. ru / index, php / library / lection /32 -lektsiya-1 -tema-mekhanicheskie-vakuumnye-nasosy [30.03.2016].

13 Кудрявцев П. С. Эванджелиста Торричелли. M., 1958.

14 Кузьмин B.B. Техника измерения вакуума: монография. Казан. Гос. Технол. Ун-т, 2009. 300 с.

15 Лебедев В.И. Исторические опыты по физике: [Рассказ о замечательных физиках прошлого] / В. И. Лебедев. Москва; Ленинград: ОНТИ., 1937, 311 с.

16 Левин Г. Основы вакуумной техники, пер. с англ., Энергия, 1969. 272 с.

17 Льоцци М. История физики / Пер. с итал. Э.Л. Бурштей-на. Москва: Мир, 1970. 464 с.

18 Маковельский А.О. Древнегреческие атомисты. Баку. 1946.

19 Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Методы расчета вакуумных систем. М., МЭИ. 2004. 220 с.

20 Основы вакуумной техники: [Учебник для техникумов электрон, приборов / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Б.И. Королев, В.И. Кузнецов]. М.: Энергоиздат, 1981. 431 с.

21 Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов по специальности «Вакуумная техника». М.: Высшая школа, 1990. 320 с.

22 Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. Атомиздат, 1980. 216 с.

23 Столетов А.Г. Очерки развития наших сведений о газах. Собр. соч. М.; Л.: 1941.

24 Тимирязев А. К. Конденсационный насос Ленгмюра // Радиотехник. 1918. № 1.С. 6.

25 Уиттекер Э. История теории эфира и электричества И.: НИЦ, 2001. 512 с. http://www.booksshare.net/index.php9idl =4&category=physics&author=uitteker&book=200 l&page=216& pg =_possible_unsafe_site_a75270bf [30.03.2016].

26 Храмов Ю. А. Физики. Киев: Наук, думка, 1977. 509 с.

27 Чернышенко A.A. Разработка и исследование эталонной установки для поверки и калибровки мер потока газа в вакууме и течеискателей. Автореф. диссертации на соискание уч. степени к. техн. наук по специальности 05.11.15- Метрология и метрологическое обеспечение. СПб., 2015.

147

28 Чернышенко A.A. Теоретико-прикладные положения поверки средств измерений потока газа в вакууме. СПб., 2014. 136 с.

29 Чеффи Э.Л. Теория электронных ламп. Москва, 1937. 588 с.

30 Buridan John / / The Stanford Encyclopedia of Philosophy. URL: http://plato.stanford.edu/entries/buridan/ [30.03.2016].

31 Corrosion Doctors' Site. URL: http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/BunsenBio. [30.03.2016].

32 Dumas, Jean-Baptiste. Dissertation sur la densité de la vapeur de quelques corps simples. Thèse présentée à la faculté des sciences de Paris. 1832. 24 p. URL: http:// jubilotheque.upmc.fr/fonds-theses/TH_000240_001 / docu-ment.pdf? name=TH_000240_00l_pdf.pdf [30.03.2016].

33 Essays devoted to scientific and didactik work of Marian Smoluchowski (1872-1917) / Ed. by Bronislaw Sredniawa. Krakow: Nakl. Uniw. Jagiellonskiego, 1991. 84 p.

34 Knudsen Martin. The Kinetic Theory of Gases. Some Modern Aspects. London: MethuenL, 1934. 64 p.

35 Mervin J. Kelly. Oliver Ellsworth Buckley (1887-1959). Biographical Memoir. Washington D.C. 1964. URL: http: //www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/buckley-oliver-e.pdf [30.03.2016].

148