Зачем потребовался высокий вакуум

Высоким вакуумом называют такое разрежение, которого трудно добиться. Поэтому тридцать лет назад высоким вакуумом называли такой вакуум, который бы сейчас этого титула не удостоили. Слово «высокий» иногда применяют вместо слова «большой» или «хороший», когда надо подчеркнуть сложность достижения. Вся история вакуумной техники — это история достижения все более высокого вакуума.

А,’потребовался высокий вакуум впервые для электронных ламп?Откачка и поддержание вакуума в лампах занимают в вакуумной технике особое место. Это область, которой вакуумная техника обязана своим существованием, область очень глубоко разработаннаяГ{Но из этой же области родилась горькая шутка: «Вакуумная техника — вещь в себе, сиречь — непознаваемая». Современная аналитическая техника позволяет обнаруживать тысячные доли монослоя (слоя толщиной в одну молекулу) чужих атомов на поверхности. Созданы приборы, позволяющие различать 5 изотопов ксенона отдельно и отличать N₂ (молекулярная масса 28,013) от СО (молекулярная масса 28,010). Но вся эта техника тогда еще не была создана, она появилась гораздо позже, чем электронные лампы. Основные знания по технологии ламп были обязаны своим возникновением не только научным исследованиям, но и опыту технологов. В результате люди чаще знали, как надо делать лампы, чем понимали, почему их надо делать именно так.

Почему вообще для работы электронных ламп нужен вакуум? Во-первых, чтобы электроны не «запутывались» в молекулах, а летели свободно. Во-вторых, в приборах с тонким и длинным электронным лучом (а таковы почти все современные электровакуумные приборы) ионы, получающиеся при ионизации молекул газов, втягиваются электростатическими силами в электронный пучок и начинают колебаться в нем, что вызывает колебания плотности электронного потока и появление вредного шумового сигнала на выходе прибора. В-третьих, источником электронов в лампах является катод, как правило, термоэлектронный (т. е. эмиттирующий при нагреве), а для его работы нужен высокий вакуум.

Требования к термоэлектронному катоду просты: поставлять (эмиттировать) в лампу необходимое доя ее работы количество электронов и, по возможности, ничего лишнего. Однако раз он нагрет, значит — испаряется, а следовательно, загрязняет лампу и вызывает появление тока утечки по изоляторам. Что будет, когда он испарится весь? Конечно, испаряться он перестанет, но ведь и эмиттировать электроны станет некому. Поэтому катод должен эмиттировать при сравнительно низкой температуре, чтобы иметь малую скорость испарения и, следовательно, большой срок службы.

В качестве термоэлектронных эмиттеров пытались применять много разных веществ. Сейчас большинство термоэмиттеров выполнено на основе окислов щелочноземельных металлов — Ba, Sr, Са. Окислы эти на воздухе неустойчивы — взаимодействуют с Н₂О и СО₂, поэтому катод делают из карбонатов (ВаСО₃ и т. д.), и при первом его нагреве уже в лампе карбонаты разлагаются до окислов, выделяя СО₂. Вот вакуумная техника и потребовалась — СО₂ надо откачивать, да так, чтобы детали лампы не окислились! Иначе потом окислы эти будут разлагаться в уже работающем приборе, выделять кислород и — это забавный, но общепринятый термин — «отравлять» катод. Дело в том, что окись, в которой число атомов металла точно равно числу атомов кислорода, плохо эмитти-рует электроны. Для того чтобы окись стала хорошим эмиттером, надо, чтобы в ней был маленький (около 0,1%) избыток атомов металла. Откуда он берется? При нагреве окисла в вакууме испаряется и металл, и кислород, но поскольку кислорода испаряется немного больше, в окисле накапливается избыточный металл, и эмиссия возрастает. Однако если среди остаточных газов в лампе есть кислород или углекислый газ, они окисляют этот избыточный металл, и катод — а вместе с ним прибор — выходят из строя. Вот зачем еще нужен высокий вакуум в электровакуумных приборах.

Мы увидели, что важно не только откачать лампу в начале ее «жизненного пути», но и не допустить ухудшения в ней вакуума в течение десятков и сотен тысяч часов работы и хранения. К этому есть два пути: возможно лучше обезгаживать лампу и применять встроенные в лампу насосы. При изготовлении ламп стараются использовать чистые материалы, перед сборкой очищают детали, в процессе откачки лампы обезгаживают ее электроды прогревом, электронной и ионной бомбардировкой. При этом важно не только максимально быстро, но и максимально чисто откачать лампу, ибо обратный поток паров масла из диффузионного насоса ее загрязняет. Поняли это тогда, когда обратили внимание на то, что в некоторых случаях уменьшение времени откачки улучшает параметры ламп. Оказалось, что уменьшение загрязнения маслом (при уменьшении времени откачки) для некоторых ламп гораздо существеннее, чем увеличение выделения газов из менее тщательно обез-гаженных деталей. Но когда начали проверять этот эффект, выяснилось, что влияние масла на лампу зависит и от типа лампы, и от сорта масла. Ситуация стала еще сложнее, когда оказалось, что масло из механического насоса попадает (через диффузионный насос, навстречу потоку откачиваемых газов!) в откачиваемый объект.

«Масляные» проблемы техника в некоторой степени обошла, перейдя к так называемой «безмасляной откачке», т. е. создав насосы, не содержащие масла. Но, во-первых, многие приборы и по сей день откачиваются диффузионными масляными насосами, а, во-вторых, иногда приходится возвращаться к старым техническим решениям — а у диффузионных насосов свои преимущества.

При откачке вакуумных приборов и установок, как и при откачке технологических установок, важно учитывать время откачки. Если вакуумный прибор, который будет летать на спутнике, откачивается и обезгаживается несколько десятков часов, то ничего страшного в этом нет — таких приборов изготовляется не так уж много. Но разве может занимать такое же время вакуумную установку лампа или кинескоп, которые выпускаются сотнями тысяч в год? Кстати, это еще одна причина, которая заставляет сокращать время откачки ламп. Насос с большой скоростью откачки дела не спасает, так как скорость откачки ограничивается штенгелем — тонкой трубкой, которой лампа присоединяется к насосу. Увеличение ее диаметра — это тоже проблема, ибо чем больше диаметр штенгеля, тем труднее отделить («отпаять») лампу от насоса.

Можно попробовать обезгазить катод (основной источник газа) вне лампы, в отдельной вакуумной установке без штенгеля, а потом быстро «перенести через атмосферу» в лампу. Но при этом катод будет взаимодействовать с газами атмосферы. Значит, надо его от них защитить. С этой целью катод после прогрева покрывают тонкой пленкой органического соединения, изолирующего его от воздуха, или переносят его из камеры в прибор, не допуская охлаждения ниже 200 °C, что уменьшает поглощение влаги из атмосферы. Иногда удается перенести катод из камеры в прибор в «кастрюле», наполненной аргоном. Последнее возможно только в том случае, когда конструкция электронного прибора позволяет приварить «кастрюлю» к корпусу прибора и откачать аргон уже через прибор, не допуская контакта катода с атмосферой.

Второй важной областью применения, которая требует улучшения вакуума, являются установки для исследования свойств поверхности. О них будет рассказано в следующей главе. А сейчас перейдем к рассмотрению процессов, которые были изучены на долгом пути, пройденном вакуумной техникой от первых электронных ламп до современных, летающих на спутниках и работающих сотни тысяч часов благодаря высокому вакууму. Давление в этих лампах удается уменьшить до 10~⁸ — 10" ⁹ Па.