Как сделать вакуум?

Как-то Родена спросили - в чём секрет его статуй. Как он их ваяет. "Очень просто, - ответил Роден. - Я беру кусок камня и отсекаю от него всё лишнее".

Вакуум получается ("делается") примерно так же. Берётся замкнутый объм - и из него убирается всё лишнее. А лишний там, как правило, воздух. И убирается этот воздух (откачивается) насосами, причём насосов, по принципу их действия, великое множество.

Сравнительно низкий вакуум (вакуум тем "ниже", чем остаточное давление БОЛЬШЕ, поэтому низкий вакуум = плохой вакуум), или "форвакуум", получается механическими насосами. Только это вовсе не поршневые насосы - этим старьём времён Отто фон Герике в вакуумной технике не пользуются уже давно. Современные межанические насосы - ротационные. Там есть вращающиеся детали, но нет возвратно-поступательного механизма, поэтому их конструкция намного проще. Это цилиндрическая полость, в которой вращается цилиндрический же эксцентрик с плоскими подпружиненными клапанами-перегородками:

Синий эксцентрик тут вращается не вокруг "своего" центра, а вокруг центра серого корпуса (поэтому он и называется эксцентриком). Если дать себе труд внимательно посмотреть, то будет понятно, что при его вращении объём над левым клапаном будет всё время увеличиваться, и он будут всасывать воздух (синие стрелки) из откачиваемого объема, а объем над правым клапаном будет, наоборот, уменьшаться, и выталкивать воздух в атмосферу.

Есть и другие конструкции ротационных насосов, даже без скользящих клапанов (с двумя эксцентрирками сложной формы).

Форвакуумные насосы могут дать разряжение порядка 0,1 мм рт. ст. Но это ещё не "настоящий" вакуум.

Чтоб получить ваккум ещё лучше, используются диффузионные насосы или струйные насосы, работающие на эффекте Бернулли: струя воды или газа захватывает воздух. Правда, в струйных насосах по понятным причинам используется не вода, а поток паров ртути или, в современных насосах, поток пара специальных вакуумных масел. Ртуть или высокомолекулярные масла используются по той причине, что их молекулярный вес заметно превышает молекулярный вес воздуха. В конструкции таких насосов есть нагреватель, испаряющий рабочую жидкость и формирующий поток пара. Этот поток проходит сквозь рабочую область насоса (соединённую с откачиваемым объёмом, в котором ПРЕДВАРИТЕЛЬНО должен быть создан форвакуум) и захватывает "прилипающий" к нему остаточный воздух - по закону Бернулли в струйных насосах или благодаря явлению диффузии в диффузионных. Поток пара фактически "уплотняет" остаточный газ в активной зоне работы такого насоса, так что ближе к концу струи давление газа уже достаточно для работы форвакуумного насоса. Струя пара перехватывается и возвращается в испаритель.

Струйные и диффузионные насосы могут обеспечить достаточно высокий вакуум - порядка 10 в -6 мм рт. ст. Такой вакуум уже достаточен для небольших приборов, типа миниатюрных электронных ламп.

Небольшое лирическое отступление (думаю, оно к месту именно тут): что считать вакуумом? Есть простой критерий (критерий Кнудсена): отношение длины свободного пробега молекул газа к размерам области. Если область - объём пальчиковой лампы, то длины свободного пробега в доли метра уже достаточно, чтоб считать, что внутри - вакуум. Если у нас не лампа, а кинескоп, то тут уже понадобится средняя длина пробега в десятки метров, а значит - ещё более высокая степень откачки. Ну и отсюда же ясно, что в космосе, даже при немыслимо низком разряжении, - не вакуум. Длина сводного пробега может составлять миллионы километров, но зато размеры "области" - это тысячи, а то и миллионы световых лет...

Ну и что ж делать, если нужен вакуум ещё выше того, который дают струйные насосы? Используют турбомолекулярные. Конструкция такого насоса напоминает много-много колец от мясорубки, насаженных на общую ось и разделённых точно такими же кольцами, но неподвижными. С тем отличием от мясорубки, что каналы наклонные, и наклон в подвижных и неподвихных пластинах разный.

Вместо колец от мясорубки можно использовать и "обычные" крыльчатки, как в турбине.

Принцип действия, собсно, примерно такой же: на высокой скорости вращения (сотни и тысячи об/с!) вероятность отдельных молекул отскочить от стенки канала в "нужном" направлении куда выше, чем в противоположном. Поэтому для таких насосов нужен довольно высокий исходный вакуум (чтобы молекулы не взаимодействовали друг с другом) и высокая линейная скорость рабочих каналов, соизмеримая со скоростью самих молекул.

С турбомолекуярными насосам можно достичь вакуума порядка 10 в -12 мм рт. ст. А что делать, если нужно ещё глубже? Если откачиваемый объём - не литры, даже не десятки литров, а КИЛОМЕТРЫ (как в ускорителях)?

Тогда используются криогенные насосы. В таких насосах стенки охлаждаются до температуры жидкого водорода или даже жидкого гелия, поэтому весь остаточный газ тупо замерзает и осаждается на стенках, откуда он удаляется методами адсорбции. Такие насосы дают вакуум, уже сравнимый с "космическим": порядка 10 в -17 мм рт. ст.