Вакуум

Введение.

По представлениям современной науки, реальный (физический) вакуум - это не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. В настоящее время экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум - среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменения состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно - путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства. Это утверждение отражает тот факт, что вакуум является характеристикой самого пространства - времени.

Вакуум представляет собой сложный физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей некоторой энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.

Работа вакуумного насоса характеризуется следующими параметрами: предельным давлением,  наибольшим выпускным или начальным давлением, скоростью откачивающего действия. Предельным давлением Р0 насоса называется минимальное давление, которое может быть достигнуто во входном патрубке   заглушенного насоса после длительной работы в стационарном режиме. Наибольшим выпускным давлением насоса называется давление у выпускного патрубка,  при котором еще обеспечивается его нормальная работа.

Для большинства насосов – это давление, при котором может быть запущен насос. Скоростью откачивающего действия насоса называется объем газа, проходящий через поперечное сечение патрубка в единицу времени. Эта величина зависит от размеров рабочего пространства и режима работы насоса. Производительностью насоса называется количество газа,  удаляемого из входного патрубка в единицу времени. Переходя к рассмотрению вакуумной пленочной технологии, можно, в зависимости от соотношения между средней длиной свободного пробега молекул λ и расстоянием d между испарителем и подложкой, различать:

сверхвысокий вакуум        Р0 = 10 ^{- 8} ÷ 10 ^{- 12} мм рт. ст.

высокий вакуум                 λ >> d,  Р0 = 10^-4  ÷ 10^-7 мм рт. ст.

средний вакуум                 λ ≥ d,  Р0 = 10^-2 ÷10^-4 мм рт. ст.                                                            

низкий вакуум                     λ < d,  Р0 = 760 ÷ 10^-2 мм рт. ст.

В вакуумной технике за единицу давления принимают 1 мм рт. ст. В соответствии с международной системой единиц измерения (СИ) введена новая единица давления, равная давлению силы в один ньютон на квадратный метр (Н/м² ); 1 мм. рт. ст. = 133,3 Н/м^2.

Напыление пленочных микросхем производится в вакуумной установке, где с помощью вакуумных насосов создается и поддерживается высокий вакуум в течение всего периода напыления элементов микросхемы. Насосы разделяются на два основных класса: вращательные, создающие низкую степень разряжения газа до давления порядка 10^-3 мм рт. ст. (1,333*10^-1Н/м²), и пароструйные,  создающие высокую степень разрежения газа порядка 10^-6мм рт. ст. (1,333*10^-4Н/м²).

Вращательные насосы принято называть насосами предварительного разряжения или насосами низкого вакуума.  Газ,  откачиваемый этими насосами, выбрасывается в атмосферу. Пароструйные насосы могут работать только при условии создания для них предварительного разряжения газа на входе порядка 0,1 ÷ 20 мм рт. ст., т. е. 13,33 ÷ 2666 Н/м² (зависит от типа насоса). Указанная степень разряжения создается вращательными насосами.

Представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет такое выражение: ΔE · Δt > h. Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются «ни в что». Так, что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков, - виртуальных частиц.

Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей - тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум поляризуется внешним полем, и поле может порождать из вакуума пары различных частиц, причем легче всего рождаются самые легкие, т.е. электронно-позитронные пары. Такие пары интенсивно порождаются в поле с напряженностью E_0.

В природе существуют частицы с положительной энергией - электроны и античастицы - позитроны, энергия которых отрицательна. Они рождаются парами электрон-позитрон из физического вакуума. Сам же вакуум представляет собой некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов. В среднем физический вакуум не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик. Однако в малых пространственных областях (порядка 10^{- 33} см) вакуума значения физических характеристик могут стать отличными от нуля - на малых расстояниях вакуум спонтанно флуктуирует. В вакууме постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, в малых пространственно-временных областях вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении. Такая жидкость описывается уравнениями квантовой гидродинамики и, естественно, обладает упругими свойствами.

Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из соотношения неопределенности и закон сохранения массы-энергии можно рассчитать промежуток времени, соответствующий массе электрона: Δt=10^-21 с. Смысл этих расчетов с точки зрения классической механики кажется безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за это время из него рождались электроны - и все прочие элементарные частицы.

Такие частицы назвали виртуальными. Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль вполне заметно влияют на различие свойства материи (магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов и др.) Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» - совершенно реальный феномен.

История изобретения вакуума.

Идея вакуума, вероятно, возникла у фон Левкиппа или его ученика, Демокрита и стала основной опорой картины мира эпикурейской философии. Они предполагали, что материя состоит из неделимых мельчайших частиц (атомов), которые движутся в пустом пространстве, в вакууме, и это движение возможно лишь на основе пустоты этого пространства. Это предположение было, прежде всего, отклонено Аристотелем и его академией, так как Аристотель не мог себе представить движение без наличия движущейся среды; предполагали, что межзвёздное пространство наполнено эфиром и провозглашали наличие так называемого horror vacui (боязнь пространства): отрицание природы против пустоты. Также, и школа Платона отклоняла веру в несущее. В средние века Аристотель считался авторитетом. Поэтому идея вакуума, вновь подхваченная и защищаемая Джордано Бруно, могла о себе заявить лишь при первых его демонстрациях.


Первый земной, произведённый людьми, вакуум принадлежит Евангелисто Торричелли, который создал его при помощи ртутной трубки и согнутой стеклянной трубки. Сразу после этого Блазье Паскаль смог впервые доказать при помощи своего опыта «vide dans le vide» в ноябре 1647 года, что вакуум может существовать в действительности. Популярным вакуум стал благодаря Отто фон Гюрике, изобретателю воздушного насоса. В 1657 году в Магдебурге он прикрепил лошадиные упряжки к двум металлическим полушариям (см. также Магдебургские полушария) и выкачал из пространства образованного ими воздух. Наблюдаемый эффект не был ни в коем случае свойством вакуума, а был создан скорее давлением воздуха окружающей среды.
Роберт Вильямс Вуд наблюдал в 1897 году эффект туннеля в вакууме во время эмиссии электронов, но не смог правильно ещё его объяснить.

В завершающемся 16-ом столетии ещё было принято думать, что свет не может распространяться в вакууме, а только в среде, в так называемом эфире. Альберт Абрахам Майкельсон и Эдвард Вильямс Морли сделали тщетную попытку доказать существование такого эфира при помощи интерферометра. В итоге, всеобщее приятие теории относительности Альберта Эйнштейн, а в 1905 году, сделало концепцию эфира несостоятельной, а распространение света в вакууме было доказано.

Опыт Эрнеста Рутерфорда с распылением в 1911 году показал, что альфа-частицы смогли без сопротивления пройти через золотую плёнку. Это продемонстрировало, что масса – по отношению к их общему расстоянию - сконцентрирована в одном маленьком ядре. Основываясь на этом, Нильс Бор создал модель, согласно которой электроны вращались вокруг ядра атома, как планеты вокруг солнца. Внутри атомов и между ними казалось, господствовал вакуум. Хотя эта точка зрения ещё время от времени встречается в литературе, считается, что внутренность атомов наполнено областью нахождения орбитальных электронов.

Герд Бинниг и Генрих Рорер создали растровый туннельный микроскоп, в котором пользовались двухэлектродным туннелем в вакууме. Этот опыт был запотентован в 1979 году.

Свойства вакуума.

В науке и технике под вакуумом понимается состояние газа, плотность которого меньше плотности, соответствующей состоянию воздуха на уровне земли. Чем значительнее уменьшение плотности газа, тем лучше вакуум. Вакуум обладает многими полезными свойствами, которые находят широкое применение в различных областях науки и техники. Например, в вакууме резко снижается химическая активность кислорода в процессе окисления металлов.

Другими словами, в вакууме можно сохранять различные химические вещества и использовать их специфические свойства. При очень высоких степенях разрежения поверхности остаются чистыми в течение нескольких часов, что позволяет проводить исследования таких поверхностей, а также различных явлений, связанных с адсорбированными молекулами газа. Малочисленность молекул остаточного газа в условиях вакуума приводит к тому, что различные частицы могут проходить в таких условиях без столкновений большие расстояния.

Особенно это важно для заряженных частиц — электронов, ионов и протонов, траекториями, движения которых в вакууме можно управлять с помощью электрических и/или магнитных полей. Такие физические явления, как распространение звука, теплонос и массоперенос, которые при атмосферном давлении определяются процессами взаимодействия молекул газа, существенно изменяются с уменьшением давления вплоть до того, что роль таких взаимодействий в механизме переноса становится второстепенной.

Упомянутые эффекты, очевидно, зависят от степени разрежения. Таким образом, плотность остаточного в объеме газа является непосредственной мерой вакуума. Однако еще из работ Бойля было известно, что плотность газа прямо пропорциональна давлению, поэтому сложилась общепринятая практика определять степень вакуума по давлению остаточного газа.

Современная вакуумная техника позволяет создавать вакуум, характеризующийся давлением  в 1015 раз меньшим атмосферного. Для удобства весь диапазон достижимых величин разрежения делят на несколько поддиапазонов. Схематично это деление представлено на рис. 1.1, где давление измеряется в Паскалях. На этом рисунке также показаны основные области применения вакуума в зависимости от степени разрежения. Использование вакуума, например в прессах и подъемных механизмах, обусловлено значительными силами, возникающими вследствие разности давлений по обе стороны поршня, а не каких-то особенностей вакуума.

Использование упомянутых выше свойств вакуума предусматривает обеспечение соответствующей степени разрежения, что, в свою очередь, требует применения правильно подобранного оборудования вакуумной системы. Чтобы сконструировать вакуумную систему, обладающую оптимальными характеристиками, необходимо знать не только параметры оборудования, но и все те факторы, которые могут влиять на них. Например, совершенно недостаточно знать, что насос имеет скорость откачки, равную 10^-1 м³*с^-1, и позволяет достигать предельного давления 10^-6 Па.

В неудачно сконструированных вакуумных системах параметры оборудования могут оказаться значительно хуже (на порядок величины) по сравнению с оптимальными. Поэтому для достижения оптимальных характеристик оборудования необходимо понимать основные принципы работы вакуумной техники. Это особенно важно для сверхвысокого вакуума (ниже 10^-6 Па), когда число молекул газа, адсорбированных поверхностями вакуумной камеры, может значительно превышать число молекул, находящихся в объеме. В данной главе в конспективной форме рассмотрены основные законы и понятия, относящиеся к вакуумной технике.

Измерение вакуума.

Манометры.

Под вакуумом понимается состояние газа,  давление которого ниже атмосферного. Измерение вакуума сводится к косвенному методу измерения давления разреженного газа, отсчитываемому манометром. Нижний предел давлений, с которыми приходится иметь дело в вакуумной технике, в настоящее время достиг 10^-14мм рт. ст. Таким образом, весь диапазон подлежащих измерению давлений,  начиная с атмосферного,  занимает                18 порядков  (10³ ÷10^-14). Такой широкий диапазон невозможно, конечно, охватить каким-либо единым манометром универсального типа, поэтому для замера вакуума существуют манометры,  отличающиеся как по конструкции,  так и по диапазону измеряемых давлений. Для замера низкого, среднего и высокого вакуума большое распространение получили тепловые и ионизационные манометры.

Тепловые манометры.

В тепловых манометрах использована зависимость теплопроводности газов от давления. По своей конструкции они делятся на манометры сопротивления и термопарные. Схема термопарного манометра с манометрической лампой и измерительной частью изображена на рис. 5. Манометрическая лампа представляет собой стеклянную колбу, в которой на двух вводах смонтирован подогреватель 3, к двум другим приварена термопара 4,  спай которой,  в свою очередь, приварен к подогревателю (в точке А). Подогреватель нагревается током, который можно регулировать реостатом 5 и измерять миллиамперметром 1. Спай термопары, нагреваемый от подогревателя,  является источником термо-э.д.с,  значение которой показывает милливольтметр 2. 

   К вакуумной системе манометрическая лампа присоединяется трубкой 6. Пока давление в вакуумной системе равно атмосферному,  стрелка миллиамперметра при заданном для данной манометрической лампы тока канала JH стоит вблизи нуля. Далее  стрелка милливольтметра при достаточном понижении давления начинает перемещаться в сторону увеличения термо-э.д.с, так как с уменьшением теплопроводности  газа  повышается  температура термоспая. Когда давление понизится настолько,  что теплопроводность газа станет очень малой,  стрелка милливольтметра при правильно установленном токе  Jn останавливается на предельном давлении. В этот момент потеря тепла подогревателем и термопарой обусловливается практически только теплопроводностью самих проволок и их излучением.  Достоинством тепловых манометров является их применимость ко всем газам и парам, возможность непрерывного наблюдения за изменением давления вакуумной системе, простота изготовления.

 К недостаткам следует отнести зависимость их показаний от рода газа, а также наличие тепловой инерции, вследствие которой при быстром изменении давления нить манометра сопротивления или подогреватель термопарного манометра не успевает менять свою температуру до значения, соответствующего градуировке,  и манометр со своими показаниями  «запаздывает».  Существенным недостатком является так же изменение тока накала с течением времени работы.

Ионизационные манометры.

Ионизационные манометры — наиболее чувствительные измерительные приборы для очень низких давлений. Они измеряют давление косвенно через измерение ионов образующихся при бомбардировке газа электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше ионов будет образовано. Калибрирование ионного манометра — нестабильно и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Они могут быть откалибрированы через сравнение с показаниями манометра Мак Леода, которые значительно более стабильны и независимы от химии.

Термоэлектроны соударяются с атомами газа и генерируют ионы. Ионы притягиваются к электроду под подходящим напряжением, известным как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Таким образом, измерение тока коллектора позволяет определить давление газа. Имеется несколько подтипов ионизационных манометров.

Измерительный диапазон: 10⁻¹⁰ — 10⁻³ мм рт. ст. (грубо 10⁻⁸ — 10⁻¹ Па)

Большинство ионных манометров делятся на два вида: горячий катод и холодный катод. Третий вид — это манометр с вращающимся ротором более чувствителен и дорог, чем первые два и здесь не обсуждается. В случае горячего катода электрически нагреваемая нить накала создаёт электронный луч. Электроны проходят через манометр и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образующиеся ионы собираются на отрицательно заряженном электроде. Ток зависит от числа ионов, которое, в свою очередь, зависит от давления газа. Манометры с горячим катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10⁻³ мм рт. ст. до 10⁻¹⁰ мм рт. ст. Принцип манометра с холодным катодом тот же, исключая, что электроны образуются в разряде созданным высоковольтным электрическим разрядом. Манометры с холодным катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10⁻² мм рт. ст. до 10⁻⁹ мм рт. ст. Калибрирование ионизационных манометров очень чувствительно к конструкционной геометрии, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным напылениям. Их калибровка может стать непригодной при включении при атмосферном и очень низком давлении. Состав вакуума при низких давлениях обычно непредсказуем, поэтому масс-спектрометр должен быть использован одновременно с ионизационным манометром для точных измерений.

Применение вакуумов.

Вакуумные сушилки.

Сушка, как и выпаривание, — это процесс удаления влаги из материала с использованием тепловой энергии. Однако благодаря присутствию твердой фазы переход влаги из материала в окружающую среду совершается при поверхностном испарении влаги и диффузии ее из внутренних слоев к поверхности материала. Таким образом, сушка является диффузионно-десорбционным процессом. Из-за присутствия в камере твердой фазы, в которой происходит десорбция молекул растворителя и их диффузия,; конструкции сушильных аппаратов значительно отличаются от конструкций) выпарных аппаратов.

Вакуумная сушильная камера . Цилиндр 2-вакуумстановка. 3-манометр. 4-нагревательные тру. 5-рельсы для загрузки материала на вагонетках или треках.

 Существующие методы сушки можно разделить на две группы. К первой группе относят сушку путем соприкосновения влажного материала с подогретым воздухом или топочными газами. При этом влага из материала уносится воздухом, который уходит из сушилки более насыщенным влагой) чем при входе в сушилку.

Работа второй группы аппаратов основана на передаче тепла к материалу от нагретой поверхности плиты, змеевика, корпуса и т. п. В качеств теплоносителя обычно применяют водяной пар, а также электроэнергию при наличии электрических нагревателей или ламп. Тепло может передаваться материалу при его соприкосновении с нагретой поверхностью (передача теплопроводностью) или излучением.

Такие сушилки характеризуются наличием вакуума в сушильном пространстве. Выделяющийся из сушимого материала пар воды или какого-либо другого растворителя поступает в специальный конденсатор. Воздух, проникающий в сушилку через неплотности откачивается вакуумным насосом.

Сушка в вакууме снижает потери тепла с отработанным сушильным агентом, позволяет лучше уловить ценные (или агрессивные) пары, выделяющиеся из материала, и уменьшить потери продукта. Однако применение вакуума усложняет конструкцию сушилки. Если материал нельзя сушить при высокой температуре или он подвержен окислению, его сушат в вакуумных сушилках, так как температура сушимого материала здесь низкая Вакуумные сушилки применяют для материалов, склонных к пылеобразованию, а также взрывоопасных.

  Благодаря применению вакуума процесс сушки при соприкосновении материала с нагретой поверхностью (плитами, змеевиками и т. п.) более интенсивен, чем при атмосферном давлении, так как влагосодержание воздуха при одной и той же относительной влажности возрастает с понижением давления. Влага интенсивно удаляется в первый период (период постоянной скорости сушки), когда температура материала близка к температуре насыщения воды при данном разрежении. Во второй период (период падающей скорости сушки) температура материала повышается, приближаясь к температуре плит.

Соответственно интенсивность теплопередачи во втором периоде резко падает. Температура материала может достичь недопустимой величины, что вызывает необходимость снизить давление греющего пара или при других способах нагрева изменить температуру поверхностей нагрева. В современных сушилках это достигается ступенчатым нагревом с применением так называемого вакуумного пара. Следует заметить, что для обогрева может быть использован низкотемпературный отработанный пар или конденсат.

Увеличения скорости испарения влаги в вакуумной сушилке можно достичь повышением температуры теплоносителя, используемого для нагрева материала. При повышении температуры теплоносителя на 10° С скорость сушки в период постоянной скорости увеличивается примерно на 15%. Увеличения скорости испарения можно достичь также повышением степени разрежения, так как и в этом случае увеличивается разность температур, между теплоносителем и материалом.

Вакуумная сушилка обычно состоит из сушильной камеры, конденсатора и вакуумного насоса. В зависимости от конкретных условий применяют смешивающий или поверхностный конденсатор. Необходимую производительность насоса выбирают исходя из допустимой величины натекания атмосферного воздуха в сушилку и возможного газовыделения продукта. Если производительность насоса отнести к 1 м²поверхности нагрева сушилки, то рекомендуется принимать производительность насоса в м³/(ч*м²) [при давлении всасывания] для вакуумных шкафов 0,9—1,1, для вальцевых вакуум-сушилок 3,0—4,5, для гребковых вакуум-сушилок 3,5—8,0.

При использовании смешивающего конденсатора нужно учитывать, что насос должен откачивать еще и воздух, выделяющийся из охлаждающей воды. Следует указать на то, что в вакуумной сушилке возможно вспенивание материала, которое является следствием бурного выделения содержащихся в продукте газов. Для некоторых продуктов такое вспенивание недопустимо. Расход тепла в вакуумной сушилке меньше, чем в атмосферной, благодаря малому количеству отработанного воздуха, а также снижению скрытой теплоты испарения при низких температурах материала. Недостатками сушилок являются повышенный расход металла, необходимость тщательной герметизации и особых устройств для загрузки и выгрузки.

Вакуумные фильтры.

Фильтрацию применяют в технике для разделения различных суспензий и в некоторых случаях для разделения коллоидных растворов. Это один из наиболее распространенных процессов на химических заводах. Суспензией называют жидкость, содержащую твердые частицы во взвешенном состоянии. Фильтрация производится пропусканием суспензии через пористый материал — керамические плитки, песок, металлические сетки, чаще всего ткань.

Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия: 1 — барабан;  2 — перегородки;  3 — распределительная головка (золотниковый механизм);  4 — корыто;  5 — нож для срезания осадка;  6 — распределитель воды  для промывания осадка;  7,  8 — трубы для откачки соответственно отфильтрованной жидкости и промывной воды;  9 — труба для подачи сжатого воздуха

.

 Жидкость (фильтрат) проходит через фильтр, твердые частицы остаются в виде осадка. Остающийся на поверхности фильтрующей перегородки осадок материала оказывает решающее влияние на| производительность фильтра и на расход энергии на проталкивание жидкости через фильтр. Производительность характеризуется скоростью фильтрации количеством фильтрата, проходящего через 1 м² поверхности фильтрующей перегородки в единицу времени. Скорость фильтрации зависит от сопротивления фильтрующего слоя.

Для ускорения процесса увеличивают высоту столба жидкости над перегородкой, применяют фильтрацию под давлением (фильтр прессы), а также вакуумные фильтры. Вакуумные фильтры широко используют в различных производствах и особенно в химической промышленности для фильтрации пульп с относительно крупными твердыми частицами. При наличии плохо фильтрующихся аморфных осадков предпочтительна фильтрация на фильтр-прессах. Легко фильтрующиеся и особенно кристаллические] вещества лучше фильтровать на вакуумных фильтрах.

Разрежение в вакуумном фильтре создается откачкой воздуха из-под пористого фильтрующего слоя вакуумным насосом. Суспензия перед фильтром находится под атмосферным давлением. Благодаря разность между атмосферным давлением, с одной стороны, фильтрующей перегородки и давлением ниже атмосферного, с другой, жидкость проталкивается сквозь слой фильтрующего материала. Давление воздуха за фильтром поддерживается 60—260 мм рт. ст. Вакуумные фильтры могут быть периодического и непрерывного действия. Наиболее простые устройства для фильтрации под вакуумом — сгустители. Распространены сгустители патронные и дисковые.

Вакуум в металлургии.

Одним из эффективных методов повышения качества стали является раскисление стали углеродом в вакууме в связи с возможностью существенного снижения содержания кислорода и получения мелкой дендритной структуры слитков. Развитие реакции обезуглероживания в вакууме широко используется для получения стали с низким содержанием углерода (менее 0.01%), главным образом электротехнических и сталей для эмалирования с одноразовым покрытием. Этот процесс позволяет сократить продолжительность дорогостоящего обезуглероживающего отжига стального листа или отказаться от него вообще .

  Порционные и циркуляционные установки внепечного вакуумирования используют для изготовления широкого сортамента нержавеющей стали, содержащих менее 0,02% углерода и хорошо полирующихся и обладающих высокими антикоррозионными свойствами. Например, на установках циркуляционного вакуумирования завода в Рурорте (Германия) и ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат" содержание углерода в металле составило 0,003% . Процесс вакуумной дегазации, т.е. удаление из жидкого металла растворенных в нем газов, обеспечивает не только получение металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и способствует улучшению его свойств. В настоящее время вакуумная дегазация широко используется производителями стального листа в автомобилестроении, так как стальные листы достигают при такой обработке повышенного предела текучести . При этом дегазацию жидкого металла во всем его объеме обеспечивает наиболее простой процесс вакуумной обработки в ковше. К вакуумной внепечной обработке относится вакуумная обработка стали и сплавов в ковше, вакуумирование стали в струе, вакуумирование металла мелкими порциями всасыванием или принудительной циркуляцией металла из ковша в специальный вакуумный резервуар. Удобной в промышленной эксплуатации оказалась установка для ковшового вакуумирования завода "Днепроспецсталь". Стальная сварная камера цилиндрической формы шарнирно соединена с крышкой, подъем и опускание которой производится с помощью электрической лебедки. В центре крышки имеется закрывающийся контейнер (дозатор) с открывающимся днищем для введения в ковш различных легирующих добавок и раскислителей. Вакуумная обработка производится при остаточном давлении 3х10^3−3.5x10^3 Па. Эффективность способа вакуумирования стали в ковше может быть увеличена за счет принудительного перемешивания металла при помощи электромагнитного поля. Современные установки для вакуумирования стали в ковше с электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую дегазацию всего находящегося в ковше металла и равномерное распределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок. Вакуумирование стали в струе применяется для удаления водорода из стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение этого варианта внепечной обработки объясняется сравнительной простотой практического осуществления и высокой скоростью дегазации. В общем случае установка этого типа состоит из вакуумной камеры с изложницей, ковша с металлом, ограничителя разбрызгивания струи, вакуумного затвора и вакуумного насоса. Самые крупные слитки, отливавшиеся в вакууме, имели массу около 400т и предназначались для роторных валов атомной электростанции . Для вакуумирования в струе слитков относительно небольших размеров применяют метод перелива из ковша в ковш. Порционный и циркуляционный методы вакуумирования отличаются от рассмотренных выше тем, что воздействию вакуума здесь одновременно подвергается только часть металла, засасываемого из обычного сталеразливочного ковша в расположенную над ним вакуумкамеру через всасывающий патрубок, погруженный в металл. Принципиальным различие между этими методами является способ и характер перемещения металла из ковша в вакуумкамеру и обратно.
 Для установок внепечного вакуумирования широко применяются пароэжекторные вакуумные насосы, представляющие собой агрегаты из нескольких (4−6) последовательно соединенных эжекторов, обеспечивающих в целом скорости откачки и требуемое остаточное давление. Для ускорения откачки системы до рабочего состояния в установках внепечного вакуумирования предусматриваются пусковые эжекторы (один или два), включаемые параллельно основному рабочему насосу. Эти эжекторы способны очень быстро откачать систему до 1x10^4 − 2x10^4 Па, после чего отключаются.

Вакуум в технике.

Современные технологии развиваются семимильными шагами, и сейчас уже трудно назвать какую-нибудь область науки и промышленности, где бы ни применялись достижения вакуумной техники. Попробуем кратко упомянуть некоторые отрасли, где используется вакуумное оборудование.

В пищевой промышленности пальму первенства твердо держит вакуумная упаковка. Для ее производства используются самые различные вакуумные насосы, от небольших и до высокопроизводительных установок и агрегатов. Широко распространены в пищевой промышленности водокольцевые насосы, особенно в исполнении из нержавеющей стали. Они используются для создания вакуума в барабанных, ленточных и дисковых вакуумных фильтрах.

В радиоэлектронике вакуумная техника обеспечила возможность разработки многих новых приборов для увеличения дальнодействия, надежности и долговечности средств связи и навигации. Создание элементов микроэлектроники и полупроводниковых приборов невозможно без применения вакуумной техники.

В нефтехимической промышленности жидкостнокольцевые насосы и агрегаты на их основе применяются для создания вакуума в процессах получения дистиллятов масел из парафинов, выделения тетра- и пентамеров при синтезе олефинов, синтеза сложных эфиров, регенерации растворителей, перегонки нефти, синтезе жирных кислот и т.д.

Целлюлозно-бумажная промышленность широко использует водокольцевые вакуумные насосы и агрегаты в процессах выделения целлюлозы, отбелки, прессования, формирования бумажного полотна, а также в процессах утилизации отходов.

В металлургической промышленности применение вакуума при плавке металлов позволяет заметно улучшить их физико-механические характеристики. Для получения таких металлов, как титан, ниобий, тантал, цирконий, бериллий и их сплавы, необходимо получать разрежения около 10^-2 ... 10^-4 Па (~10^-4 ... 10^-6 мм рт.ст.). Получение полупроводниковых материалов и сверхчистых веществ также невозможно без вакуумной металлургии.

В деревообработке и в стекольной промышленности вакуумное оборудование нашло себе применение, в качестве мембранно-вакуумных прессов и системах холодного прессования. В оптической промышленности с помощью напыления тонких слоев в вакууме изготовляют высококачественную просветленную оптику, интерференционные фильтры, оптические и бытовые алюминированные зеркала.

В транспорте вакуум используется для подачи топлива в карбюраторах, в вакуумных усилителях тормозных систем автомобилей.

Это лишь малая часть областей применения вакуумной техники. Стоит отметить, что вакуумная техника постоянно развивается и от дальнейшего ее развития во многом зависят успех изучения новых явлений, разработка новых приборов, создание материалов с новыми свойствами.

Хоть вакуум чаще всего называют космическим, он присутствует всюду, пронизывая насквозь все пространство и материю. Физический вакуум является самым энергоемким, в прямом смысле слова неисчерпаемым источником жизненно важной, экологически чистой энергии. Физический вакуум - это единое энерго-информационное поле вселенной.

В настоящее время в физике формируется принципиально новое направление научных исследований, связанное с изучением свойств и возможностей физического вакуума. Это научное направление становится доминирующим, и в прикладных аспектах способно привести к прорывным технологиям в области энергетики, электроники, экологии.

Наука все глубже проникает в сущность вакуума. Выявлена основополагающая роль вакуума в формировании законов вещественного мира. Уже не является удивительным утверждение некоторых ученых, что "все из вакуума и все вокруг нас - вакуум".

Физика, сделав прорыв в описании сущности вакуума, заложила условия для практического его использования при решении многих проблем, в том числе, проблем энергетики и экологии.

вакуум действительно представляет, как писал Поль Дирак, безбрежный океан. Этот океан заполнен упругой, сильно сжатой электромагнитной материей. Сейчас трудно сказать, как энергия, заключенная в этой материи, может быть освобождена и использована. Однако, несомненно то, что через эфирную среду, свободный космос, можно совершенно без малейших потерь передавать колоссальные количества энергии посредством электромагнитных колебаний большой интенсивности.

В конце хочется закончить словами Р.Фейнмана которые на мой взгляд более точно передают  всё уникальность этого  физического явления.

“В вакууме, заключенном в объеме обыкновенной 
электрической лампочки, энергии такое большое 
количество, что ее хватило бы, чтобы вскипятить 
все океаны на Земле.”

© Р.Фейнман