История развития вакуумметров

В настоящее время на рынке приборов для измерения вакуума существует множество разнообразных устройств, в основе работы которых лежат различные физические явления. Но природа такова, что одно физическое явление не может лежать в основе универсального прибора. В лекции раскрывается история развития инженерной мысли, направленной на использование различных природных явлений для измерения вакуума.

Cпоры о возможности существования пустоты (или вакуума) велись со времен древнегреческой натурфилософии, начиная с VI века до. н.э.. Особое место в истории занимает философская концепция Аристотеля (384-322 гг. до н.э.), отрицавшая существование пустоты и гласившая, что «природа боится пустоты» (natura abhorret vacuum) [1]. Такие известные ученые как Герон, Стратон, Исидор Севильский, Гильом Коншский и др. посвятили свои труды «теории вакуума» [2].

Вследствие церковных запретов, принятых Парижским собором в 1211 году и утверждавших, что «пустота может быть создана только всемогуществом божьим», работы по изучению свойств вакуума не велись вплоть до середины XVII века [3]. В то время утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса из-за «боязни природы пустоты» считалось непререкаемым.

В начале XVII века при возведении фонтанов во Флоренции строители столкнулись с проблемой: с помощью поршневого насоса втягивающего действия невозможно было поднять воду на высоту более 18 локтей (~10 метров). С этой проблемой они обратились к Галилео Галилею (рис.1), который в своем последнем сочинении «Беседы и математические доказательства двух новых наук», вышедших в 1638 году, установил, что сила «боязни пустоты» ограничена и определяется зависимостью:

F = 1г/см³ · 58,4см · 18 = 1051г/см² = 1,051кг/см² (1)

где 1г/см³ – плотность воды, а 58,4 см – длина одного локтя. Сейчас мы знаем, что это есть не что иное, как величина атмосферного давления (~1,033 кг/ см²). Удивительно то, что именно Галилео Галилей стал первым человеком, указавшим человечеству на почти 23-х вековое заблуждение относительно существования «пустоты» или вакуума.

Первым из учеников Галилея, заметившим что, чем больше плотность жидкости, тем ниже она должна подниматься по трубке из-за боязни пустоты, был Эванджелиста Торричелли (рис. 2).

Эванджелиста Торричелли, будучи талантливым инженером, сконструировал первый барометр, способный измерять атмосферное давление (рис. 4).

Рис. 5. Блез Паскаль (Blaise Paskal)

В связи с возрастанием интереса к получению и измерению вакуума многие ученые тратили много сил и времени на разработку средств получения разреженного воздуха. В создании механических насосов исторически отличились Отто фон Герике, В. Геде, Кинней [6].

Изобретение осветительной лампы Т. Эдисоном и А.Н. Лодыгиным [7], открытие фотоэлектронного эффекта А.Г. Столетовым и Г. Герцем [3] заложили необходимость развития вакуумной техники, поэтому в начале XIX века возникла потребность в получении более низкого давления, для разрешения которой одновременно в трех странах был сконструирован пароструйный насос [6]: в Германии В. Геде, в США И. Ленгмюром, в России С.А. Боровиком. Поскольку этот тип насосов позволил получать давление до 10^-5 Па, то появилась потребность измерения высокого вакуума. Первоначально для определения вакуума использовали открытый и закрытый U-образные вакуумметры (рис. 6) [8], первооткрывателем которых является известный итальянский художник и ученый Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд «О движении и измерении воды» был опубликован лишь в XIX веке, поэтому принято считать, что жидкостный вакуумметр был создан в 1643 г. итальянским ученым Торричелли. Возвращаясь к U-образным вакуумметрам, напомним, что их точность ограничена точностью измерения разницы уровней ртути, из-за чего невозможно добиться точности измерения большей, чем 0,1 мм.рт.ст. и измерить давление ниже чем 10 Па.


Рис. 6. Жидкостный U-обраэный вакуумметр с открытым (а) и закрытым (б) коленом.
Преодолеть этот барьер позволило изобретение Мак-Леода в 1874 году[9]. Замечательная идея этого вакуумметра (рис. 7) состоит в том, что используя принципы, заложенные в открытом и закрытом U-образном вакуумметрах, можно увеличить степень сжатия газа, согласно закону Бойля-Мариотта [10]:

PV=const (1)

Если мы представим по рис. 7 работу этого вакуумметра то заметим, что при поднятии сосуда со ртутью 5 малый объем газа, вошедший по трубке 4, отсекается и сжимается в расширении 3 с известным объемом V слева. Давление сжатого газа измеряется по разности высот столбиков ртути ∆h в измерительном 2 и сравнительном 1 капиллярах.

1. 
   Сравнительный капилляр, 2- измерительный капилляр, 3- расширение с известным объемом V, 4- соединительная трубка, 5- сосуд со ртутью.
   

Первые реализации теплового вакуумметра были предложены Пирани в 1906 г. (рис. 9) [15]. В данном типе вакуумметров остаточное давление в камере измеряется пересчетом известных зависимостей теплопроводности газа от давления. Таким образом, измеряя разность температур Т₁ и Т₂, возникающую в результате выделения теплоты Q при протекании тока I_н через нить накала, оценивают остаточное давление.

В истории это отражено следующим образом: первый вакуумметр, работающий на принципе определения остаточного давления посредством измерения вязкости газа, предложил И. Ленгмюр в 1913 г. [12], а конструкцию и эксперименты описал С. Дешман в 1915 г. [13]. Принцип измерения вакуума данным прибором (рис. 10) гениально прост: ведущий диск Б приводится во вращение от электромагнитного статора А (в атмосфере) и магнитного ротора (N-S) (в вакууме), а ведомый диск В под действием момента вращения, создаваемого вязкостью газа в промежутке между дисками Б и В, закручивается на вертикальном подвесе, с измерительным зеркалом Г, на которое падает луч света от источника Д и по углу отражения φ судят об остаточном давлении в камере. Интересен тот факт, что независимо от И. Ленгмюра и почти одновременно с ним наш соотечественник Тимирязев (1913 г.) [14] сконструировал вязкостный вакуумметр для измерения остаточных давлений, но вместо плоских дисков, располагающихся параллельно друг другу, он использовал два цилиндра: один приводился во вращение и имел осевое отверстие, в которое помещался другой цилиндр, закручивающийся на вертикальном подвесе под действием вязкости газа, расположенного в зазоре между цилиндрами.

Развитие средств получения вакуума привело к появлению криосорбцинного, магниторазрядного и других типов насосов, позволяющих получать очень высокое разрежение от 10^-5 до 10^-10 Па. При этом ионизационный вакуумметр, изобретенный О. Бакли (1916 г.) [17] продолжал показывать давление 10_­­­^-5 Па, но косвенные расчеты показывали, что давление в камерах ниже порогового значения 10_­­­^-5 Па. После этого в кругах «вакуумщиков» стала появляться новая теория, схожая с теорией «природной боязни пустоты» и запрещающая получать разрежение ниже, чем 10_­­­^-5 Па.

Сейчас мы знаем, что на предел измерения ионизационного вакуумметра влияют фоновые вяления, зависящие от формы и размеров коллектора, конфигурации и расположения электродов и других параметров. Однако только догадка Бойярда и Альперта в 1950 году [18], понявших, что причиной ограничения предела измерения существующего ионизационного вакуумметра является фоновый ток, возникающий на коллекторе ионов большой площади, позволила им, уменьшив диаметр цилиндрического коллектора ионов с 1 мм до 1 мкм, уменьшить нижний предел измерения вакуумметра с 10^-5 до 10^-8 Па. Решение о расширении диапазона, так называемого ионизационного вакуумметра с горячим катодом, было удивительно просто и лежало на поверхности, как и все гениальные вещи.

Для преодоления проблем автоэлектронной эмиссии и затухания разряда при низких давлениях в ионизационных вакуумметров с холодным катодом Гобсон и Редхед в 1958 г. разработали [19] инверсно-магнетронный вакуумметр, который до сих пор широко используется в практике вакуумных измерений, а некоторые модели подобных вакуумметров, например магниторазрядных вакуумметров, были предложены Ф. Пеннингом еще за 15 лет до начала работ Байарда и Альперта.

Рассматривая градуировочную характеристику магниторазрядного вакуумметра, представленную на рис. 11, мы видим ярко выраженный максимум ионного тока I_и в области 10^-1 Па, являющийся границей между различными физическими законами, используемыми для измерения давления. Увеличение количества ионов и ионного тока в диапазоне давлений от 10^-5 до 10^-1 Па объясняется увеличением молекулярной концентрации газа в зазоре, где происходит ионизация молекул, при увеличении давления. При дальнейшем увеличении молекулярной концентрации газа происходит пробой в межэлектродном зазоре (см. пунктир на рис. 11). Уменьшение количества ионов в диапазоне давлений от 10^-1 до 10⁰ Па при увеличении молекулярной концентрации газа происходит за счет увеличенной рекомбинации ионов (превращения ионов в исходные молекулы газа), при этом защита от электрического пробоя обеспечивается дополнительным сопротивлением в цепи электродов.

Рис. 11. Градуировочная кривая магниторазрядного вакуумметра.

Таблица, составленная в США С. Дешманом, а затем в России Л. Н. Розановым (рис. 12) [11, 16], показывает, что инженерам, работающим с аппаратурой, функционирующей в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, приходится использовать 2-3 вакуумметра, измеряющих давление в пределах до 5-ти порядков, что соответствует философскому закону перехода количества в качество, согласно которому смена количества молекул в единице объема при изменении давления на 15 порядков (от 10^-5 до 10^-10 Па) не позволила конструкторам создать прибор, способный измерять вакуум в широком диапазоне давлений и работающий на одном физическом явлении.

В настоящее время в России разработан принципиально новый способ измерения вакуума [20], который отличается от классических методов измерения вакуума тем, что позволяет измерять давление в широчайшем диапазоне от 10⁵ до 10^-10 Па. Рассматривая принципы работы упомянутых выше вакуумметров можно отметить, что только U-образный манометр Э. Торричелли позволяет напрямую измерять давление. Остальные конструкции, даже компрессионный вакуумметр, являющийся образцовым для других типов вакуумметров, являются приборами косвенного измерения, так как для определения давления, требуют пересчета полученных исходных данных:

а) для компрессионного вакуумметра

Р = ρ ∙ g ∙ h ∙ Vк / (V0- Vк) (2)

где Р – измеряемое давление; V0 – начальный объем сжимаемого газа; h – разность уровней в сравнительном и сравнительном капиллярах; Vк – конечный объем газа после сжатия.

б) для теплового (Пирани или термопарного) вакуумметра

где Iн – ионный ток, проходящий через нить, А; Rк – сопротивление нити при Т = 293 К, Ом; Тн – температура нити, К; ΔТ = Tн – Тб; α – температурный коэффициент сопротивления материала нити, 1/К; l – длина нити, м; r – радиус нити, м; σ – 5,67 ∙ 10^–8 Вт∙м^–2∙ К^–4 – коэффициент Стефана Больцмана; b – коэффициент теплопроводности по сечению нити, Вт ∙ м^–1∙К^–1.

в) для вязкостного вакуумметра

(4)

где φ- угол закручивания жесткого подвеса, k- константа, зависящая от природы газа и коэффициентов аккомодации при переносе момента, I- момент инерции диска, ω- угловая скорость вращающегося диска, τ- период собственных колебаний подвесной системы, r- радиус вращающегося диска, Т- температура, М- молекулярная масса газа.

г) для ионизационного вакуумметра

(5)

где К- постоянная прибора, Iи – ионный ток на коллекторе ионов.

Последний из известных в настоящее время способов измерения вакуума [20], основывается на определении вакуума как функции коэффициента покрытия поверхностей сорбатом по уже известным физическим зависимостям. Однако до настоящего времени в технике не существовало приборов для измерения коэффициета покрытия поверхностей сорбатом. Поэтому можно утверждать, что этот способ служит для измерения коэффициента покрытия поверхностей сорбатом, которого до последнего времени не существовало. Как в случае перехода от U-образного вакуумметра к компрессионному, так и в данном способе зависимостями, используемыми для пересчета, являются известные уравнения:

а) уравнение Генри (работающее в области высокого вакуума)

где K_G – константа Генри, зависит от рода адсорбента и адсорбата; Р – остаточное давление.

б) уравнение Ленгмюра (работающее в области как высокого, так и среднего вакуума)

(7)

где b- константа, зависящая от температуры и рода адсорбента, Р – остаточное давление

в) уравнение С Брунауэра, П. Эммета и Е. Теллера (БЭТ) (работающее в еще более широком диапазоне давлений, приближающемся к атмосферному)

(8)

где

г)Уравнение для расчёта коэффициента покрытия поверхностей пары трения сорбатом [ 23 ] :

Где

V – скорость трения, м/с;

 - коэффициент прилипания;

k – постоянная Больцмана.

₀ – постоянная сорбции, с,
Р – остаточное давление сорбата в газовой среде над поверхностью;

Е – теплота адсорбции,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура поверхности твердого тела (сорбата)

d₀ – диаметр молекулы сорбата d₀,

m – масса молекулы сорбата, кг

В работе [21] показано, что создаваемая с участием авторов теория позволяет измерять коэффициент покрытия как функцию от коэффициента трения в широком диапазоне остаточных давлений 10⁵ до 10^-10 Па. Таким образом, мы видим, что прибор, описанный в [22], также является вакуумметром косвенного измерения.

В работах [23,24] показано, как сила трения связана с коэффициентом покрытия. Таким образом, как и в случае компрессионного, термопарного, ионизационного, вязкостного и др. вакуумметров мы имеем дело с измерением давления через косвенные параметры. Следует отметить, что широчайший диапазон измерений давления от 10⁵ до 10^-10 Па вакуумметром [22] не противоречит закону перехода количества в качество, поскольку описываемая особенность способа измерения вакуума показывает, что в процессе трения физическая природа процесса трения на наномасштабном уровне меняется автоматически с изменением измеряемого давления (рис. 13) [20]:

- в области давлений от 10⁵ до 10 Па – доминирует «капиллярное» трение,

- в области давлений от 10 до 1 Па – сочетается действие «капиллярного» и «вязкостного» трения»,

- в области давлений от 1 до 10^-1 Па – доминирует «вязкостное» трение,

- в области давлений 10^-1 до 10^-7 Па – доминирует «адгезионное» трение,

- в области давлений P<10^-7 Па – доминирует «когезионное» трение.

На основе описанного способа измерения авторами реализован прибор (рис. 16) [25], позволяющий измерять остаточное давление непосредственно в вакуумной камере.

История полна разнообразных неточностей и заблуждений, но авторы надеются, что им удалось указать хотя бы на некоторые из них. Описанная история развития вакуумметров показывает, что философский принцип перехода количества в качество применим также и в физике. И мы видим, что данный принцип может быть использован для создания принципиально новых приборов для измерения вакуума.

Лектор благодарит Федеральное агентство по образованию РФ за поддержку работ, выполненных в соответствии с государственным контрактом на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд №П2421 от 19 ноября 2009 г. в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также ктн Гаценко А.А.за уникальные экспериментальные результаты и студента Скрылёва А.В за помощь в подготовке материала лекции..

1. Zeller E. Philosophic der Griechen. B. 2. Leipzig, 1862. S. 300.

2. В.П. Борисов Вестник российской академии наук, том 73, с. 744-748 (2003).

3. Пипко А. И., Плисковкий В.Я., Королев Б.И., Кузнецов В.И. Основы вакуумной техники: учебник для техникумов – 2-е изд., перераб. и доп., М: Энергоиздат, 1981.-432 с., ил.

4. Брокгауз Ф.А., Ефрон И.А. Энциклопедический словарь: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб.: 1890—1907.

5. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках.—3-е изд., расширенное. М.:МЦНМО, 2001. — 448 с.

6. Борисов В. П., Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса. М:. НПК "Интелвак", 2001

7. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. М.— Л., Госэнергоиздат, 1960, 517 с.

8. Pirani M., Neumann R., Electr. Eng. (1944/1945)

9. McLeod H., Phil. Mag., 48, 110 (1874)

10. Шампе Р., Физика и техника электровакуумных приборов, т.1, М.-Л., Госэнергоиздат., 1963. 256 с. с илл.

11. Розанов Л. Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов. — М.: Высш. школа, 1982.—207 с.

12. Langmuir I., Phys. Rev., 1, 337 (1913)

13. Dushman S., Phys. Rev., 5, 212 (1915)

14. Тимирязев А.К., Ann. d. Phys., 40, 971 (1913)

15. Pirani M., Verhandl. deutsch. phys. Ges., 8, 686 (1906)

16. Saul Dushman, Scientific Foundations of Vacuum Technique, New York-London, John Willey & Sons, Inc., 1962

17. Buckley O.E., Proc. Natl. Acad. Sci. Amer. 2, 683 (1916)

18. Bayard R.T., Alpert D., Rev. Sci. Instr., 21, 571 (1950)

19. Hobson J. P. and Redhead P. A., Can. J. Phys., 36, 271, (1958)

20. Патент РФ №2316744 Е.А. Деулин. Способ измерения вакуума / Б.И.-10.02.2008

21. E.A. Deulin, A.A. Gatsenko Sorbed Gases as a Lubricant at Dry Friction//Lubricants, Materials and Lubrication Engineering/Proc. 13 Int. Col. Tribology 15-17,2002.-V.2.-pp.1269-1276.

22. Патент РФ №2263886 А.А.Гаценко, Е.А.Деулин, Р.А.Невшупа. Фрикционный вакуумметр / Б.И.-10.11.2005

23. Деулин Е.А. Физическое единство различных параметров «сухого» трения в вакууме и атмосфере, Трение и смазка в машинах и механизмах, № 9, 2010, стр. 43-47.

24. Деулин Е.А. Физическое единство различных параметров «сухого» трения в вакууме и атмосфере, Трение и смазка в машинах и механизмах, № 10, 2010, стр. 35-43.

25. Заявка на патент №2006100068 от 11.01.2006 Деулин Е.А., Коновалов В.В. Компактный трибометр с совмещенной системой измерения силовых параметров.