автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: Исторический процесс формирования научных основ вакуумной техники

Полный текст автореферата диссертации по теме "Исторический процесс формирования научных основ вакуумной техники"

Российская Академия Наук Институт истории естествознания и техники им. СИ. Вавилова

На правах рукописи

Борисов Василий Петрович

ИСТОРИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ НАУЧНЫХ ОСНОВ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ (до середины XX века)

07.00.10 - история науки и техники

Диссертация

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -2005

Работа выполнена в Институте истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор Ю.Р. Носов

Доктор технических наук, профессор В.В. Слепцов

Доктор технических наук, профессор А.А. Щука

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинского

Защита состоится 17 февраля 2005 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета ДР 002.051.21 при Институте истории естествознания и техники им. СИ. Вавилова РАН по адресу: 101000, Москва, Новая площадь, д.3/4, Политехнический музей, подъезд 1, конференц-зал.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института истории естествознания и техники им. СИ. Вавилова РАН по адресу: 109012, Москва, Старопанский пер. д. 1/5,3-й этаж.

Диссертация в виде научного доклада разослана 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

В.Р. Михеев

СОДЕРЖАНИЕ.............................................................................3

Общая характеристика работы.....................................................4

Основное содержание работы............................................................11

Предыстория вакуумной техники (до середины XVII в.)..................11

Понятие пустого пространства в античную эпоху......................................11

Представление о вакууме в Средние века.............................................13

Дотехнологический этап в развитии вакуумной техники

(середина ХУЛ в. - конец XIX в.)................................................14

Первый физический опыт в вакууме и крушение догмы «боязни пустоты». .15

Вакуум и эфир...............................................................................16

Появление и развитие механических поршневых вакуумных насосов..........18

Развитие ртутно-поршневых насосов...............................................21

Изучение электрического разряда в вакууме..........................................22

Начальный этап промышленного применения вакуумной техники (конец ХЕК- начало XX веков).................................................24

Вакуумная техника в производстве электрических ламп накаливания.......26

Формирование основ современной вакуумной техники

(первая половина XX века).........................................................28

Изобретение молекулярного насоса...................................................28

Изобретение диффузионного насоса..................................................31

Совершенствование насоса Геде. Насосы Боровика и Ленгмюра...............34

Развитие конструкции парортутного насоса.......................................36

Развитие теории высоковакуумного пароструйного насоса.....................38

Электронные приборы и высокий вакуум.............................................41

Электронно-ионная технология.......................................................43

Научно-технические и социальные факторы в развитии отечественной радиоэлектроники........................................................................48

Заключение..............................................................................51

Список научных трудов (по теме диссертационной работы).

.53

Общая характеристика

Актуальность исследования. История вакуумной техники, началом которой, как принято считать, явились опыты Отто Герике, проведенные в середине 17-го столетия, представляет интерес по ряду причин. Изобретению средств получения вакуума предшествовало двухтысячелетнее развитие представлений о пустоте и эфире, философские споры о возможности существования пустоты, связанные с этим схоластические догмы и предубеждения. Все это, так же как последующие научные эксперименты с разреженным газом, имеет непосредственное отношение к вакуумной технике. Начиная со времен Герике и Бойля, вакуумные насосы стали неотъемлемой частью техники эксперимента, что способствовало значительному расширению научных знаний, в том числе о глубинных свойствах материи. Первые воздушные насосы 17-го века к настоящему времени не сохранились; оценка их технических характеристик с применением современных методов расчета вакуумных систем позволяет дополнить наши сведения об одном из важных научно-технических достижений этого исторического периода.

С конца 19-го века вакуумирование находит использование в качестве технологического процесса - сначала в производстве электрических ламп накаливания, затем - при изготовлении электронных приборов. В первой четверти 20-го века появляются принципиально новые средства получения и измерения вакуума, в создании которых большую роль сыграло развитие кинетической теории газов и ряда других наук. Одновременно с совершенствованием средств получения, измерения и сохранения вакуума получают развитие научные основы вакуумной техники. Развитие вакуумной техники на этом этапе дает интересный материал для анализа того, как результаты теоретического исследования воплощаются в конструкции технического средства, какую роль играют теоретические и эмпирические

методы расчета при совершенствовании техники, как формируется прикладная теория технического устройства.

Самостоятельный интерес представляет развитие вакуумной техники и электронной промышленности в нашей стране. В 20-м веке в СССР было развернуто производство широкой номенклатуры электронных приборов и аппаратуры, в значительной части утраченное к концу столетия. При организации исследований, разработок и производства был использован как отечественный, так и зарубежный научно-технический потенциал, имели место значительные научно-технические достижения. Изучение опыта прошлых лет может принести пользу при решении нынешних организационных проблем. Обращение к биографиям выдающихся деятелей электроники - В.К. Зворыкина, А.И. Берга, С.А. Векшинского - позволяет познакомиться с творческой лабораторией ученых и изобретателей, а также открывает малоизвестные страницы социальной истории отечественной техники.

Цели и задачи работы.

Основной целью исследования было рассмотрение истории вакуумной техники, а также анализ процесса формирования научных основ данной области техники. Хронологически исследование охватывало большой исторический период, начиная с античных времен, и заканчивая серединой 20-го века. В рамках исследования рассматривались следующие вопросы:

1. Изобретение вакуумных насосов в контексте развития научных представлений о "пустоте" и технических предпосылок для создания таких устройств. 2. Оценка возможных технических характеристик первых вакуумных насосов с использованием современных методов расчета вакуумных систем. 3. Развитие вакуумной техники как элемента техники научного эксперимента и как части производственного технологического оборудования. 4. Влияние научных достижений на создание принципиально новых средств вакуумной техники. 5. Рассмотрение, на примере

диффузионного насоса, процесса формирования прикладной теории технического устройства, роли теоретических и эмпирических методов в совершенствовании технического средства. 6. Исследование научных материалов и архивных документов с целью устранения разночтений в вопросах приоритета в изобретении диффузионного насоса. 7. Анализ особенностей процесса формирования отечественной электровакуумной промышленности, в частности, использования отечественного и зарубежного научно-технического потенциала. 8. Подготовка научных биографий выдающихся деятелей электроники и вакуумной техники - С.А. Векшинского, В.К. Зворыкина и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые рассмотрена история появления и совершенствования вакуумных насосов в контексте развития представлений о пустоте и эфире. Отмечено, что двухтысячелетний разрыв между датами изобретения схожих по конструкции водяного и воздушного насосов представляется удивительным с точки зрения логики технического развития. Сделан вывод, что на продолжительность этого разрыва оказали влияние существовавшие на протяжении многих веков предубеждения и схоластические догмы, связанные с представлениями о «пустоте».

2. Проанализировано развитие техники получения вакуума, начиная с первых устройств, создающих разрежение газа в замкнутом объеме. Отмечено, что уже с середины 17-го века развитие данного вида техники шло по двум направлениям: низковакуумному - с использованием механических поршневых насосов и высоковакуумному - с применением откачных средств ртутно-поршневого типа.

3. Впервые на основе имеющихся литературных материалов проведен анализ и установлены технические характеристики вакуумного насоса 17-го века. Сделан вывод о том, что недостатки конструкции, присущие вакуумным механическим поршневым насосам 17 - 18-го веков, не

позволяли достичь давлений газа ниже примерно 20 мм рт. ст.* Насосы ртутно-поршневого типа, получившие значительное развитие с середины 19-го века, имели предельный вакуум порядка 10-2 мм рт. ст.

4. Выполнено исследование истории изобретения широко распространенного средства получения высокого вакуума - диффузионного насоса. Проанализированы научные работы и ряд архивных документов 1-й четверти 20-го века. В работе доказывается, что автором идеи откачки газа путем диффузии в струю ртутного пара является русский ученый П.Н. Лебедев, впервые использовавший такой метод в опытах по экспериментальному определению давления света. После опубликования П.Н. Лебедевым описания своих экспериментов в журнале "Annalen der Physik" (1901) ряд ученых обратил внимание на особенности проявления закона Дальтона при наличии конденсирующегося пара.

5. Проведенный анализ научных работ изобретателя диффузионного насоса В. Геде свидетельствует о преемственности между методом удаления газа в опытах П.Н. Лебедева и принципами, положенными в основу конструкции насоса Геде.

Собраны сведения о деятельности российского физика С.А Боровика по разработке вакуумных насосов. Найденные в архиве документы не подтверждают версию о приоритете Боровика в создании диффузионного насоса, встречающуюся в отечественных изданиях.

6. Отмечено, что насос Геде, конструкция которого определялась соотношениями, полученными на основе кинетической теории газов, уже в скором времени был вытеснен насосами ленгмюровского типа, разработка которых осуществлялась главным образом эмпирическими методами. «Возврат» в данном случае от теоретических к эмпирическим методам конструирования не противоречит логике технического развития,

* Здесь и далее давление приводите» в мм рт.ст. - общепринятой единице измерении в рассматриваемый хронологический период (1 мм рт.ст. = 1,33 ■ 101 Па).

специфическим требованием которой является увеличение эффективности технических средств.

7. Показаны основные направления формирования научных основ вакуумной техники в 1910-е - 1940-е годы. При разработке средств получения и измерения вакуума, аппаратуры течеискания, элементов вакуумных систем получили использование методы и данные кинетической теории газов, физики и химии сорбционных явлений, физики электронно-ионных процессов и других областей науки.

8. Исследовано влияние вакуумной техники на развитие электронных приборов, разработку электронно-лучевой и ионно-лучевой технологий. Показана историческая связь между физическими экспериментами середины 19-го века и развитием вакуумных технологий. Отмечено значение теории электронно-ионных процессов для перехода от «мягких» к «жестким» радиолампам.

9. Приведено описание фактов истории развития отечественной электровакуумной промышленности на основе исследования литературных и архивных материалов. Особое внимание уделяется взаимодействию национального и интернационального факторов в данной отрасли промышленности. Дано наиболее полное описание жизни и творческой деятельности одного из основателей отечественной электровакуумной промышленности, крупного специалиста в области катодной электроники и вакуумной техники академика С.А. Векшинского (1896-1974).

10. С использованием литературных и архивных материалов российских и американских фондов написана биография автора фундаментальных изобретений в области электронного телевидения В.К. Зворыкина (18891982). Приведены новые, уточненные данные о вкладе В.К. Зворыкина в разработку передающих и приемных систем электронного телевидения, а также о событиях, связанных с его работой на фирмах США, в том числе в рамках договора между корпорацией RCA и Наркоматом электротехнической промышленности СССР.

Основные защищаемые положения диссертации.

1. Проведено исследование предыстории вакуумной техники - развития представлений о «пустоте», «эфире» и разреженном газе, начиная с античных времен и вплоть до появления технических средств получения вакуума в замкнутом объеме. Отмечено, что свойства, проявляемые газом при разрежении, использовались уже в технических устройствах эллинистического периода. Развитие вакуумной техники, начиная с создания первых воздушных насосов, проходило в тесной взаимосвязи с научными исследованиями.

2. На основе современных методов расчета вакуумных систем выполнен анализ и установлены предположительные технические характеристики вакуумного устройства 17-го века - насоса Бойля-Гука. Изучены сведения о средствах получения вакуума, использовавшихся в XVII - XX веках, сделаны выводы о характерных данных вакуумной техники прошлых веков.

3. Способ откачки газа путем диффузии в струю ртутного пара был впервые использован русским ученым П.Н. Лебедевым в его опытах по экспериментальному определению давления света. Содержание научных работ изобретателя диффузионного насоса В. Геде и других публикаций свидетельствует о том, что развитие данного метода получения высокого вакуума началось с работ П.Н. Лебедева.

4. Показано, что исследования по кинетической теории газов для области низких давлений, выполненные в начале 20-го века (Кнудсен, Смолуховский, Ленгмюр, Геде и др.) стали основой для развития прикладного направления данной области науки, связанного с созданием новых средств вакуумной техники. Первыми вакуумными устройствами, принцип действия которых стал результатом теоретического расчета, стали молекулярный и диффузионный насосы Геде, молекулярный вакуумметр Ленгмюра.

5. История отечественной радиотехнической и электронной промышленности свидетельствует о значительном влиянии на уровень развития этих отраслей как научно-технических, так и социально-политических факторов. Обращение к творческим биографиям видных деятелей радиоэлектроники (С.А. Векшинского, В.К. Зворыкина) позволяет получить более полные сведения, связанные с достижениями или трудностями в работе воспитанников российских научно-инженерных школ.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации отражены в 79 научных работах, в том числе, в 5 монографиях, а также представлены на всероссийских и международных симпозиумах и конференциях: Годичной конференции Института истории естествознания и техники РАН (Москва - 1995, 1997, 1998, 1999, 2001, 2002), Международной конференции «100-летие начала использования электромагнитных волн как средства связи» (Москва - 1995), XIV, XV и XVIII Международных симпозиумах по научным инструментам (Прага -1995, Оттава - 1996, Москва - 1999), I и II Международных симпозиумах «История атомных проектов 1950-х» (Москва- 1996, Лаксенбург- 1999), 52, 54 и 55 научных сессиях, посвященных Дню Радио (Москва - 1997, 1999, 2000), XX и XXI Международных конгрессах по истории науки (Льеж -1997, Мехико - 2001), 25, 28, 29 и 30 Международных симпозиумах по истории техники (Лиссабон - 1998, Прага - 2001, Гранада - 2002, Москва -2003) и других.

Основное содержаниеработы

Предыстория вакуумной техники (до середины ХУЛ в.).

Наука и техника вакуума имеют продолжительную и интересную предысторию. Многовековые предубеждения, связанные с «пустотой», философские споры «вакуистов» и «пленистов», религиозно-мистическое объединение воздушного и духовного в средние века, - все это неотъемлемые страницы книги, продолжение которой писалось О. Герике, Р. Бойлем, Г. Гейсслером, Дж. Томсоном, П.Н. Лебедевым, В. Геде, И. Ленгмюром, С.А. Векпшнским и многими другими.

Понятие пустого пространства в античную эпоху.

Представление о пустоте или вакууме, как основополагающем элементе натурфилософской системы, идет от Левкиппа и Демокрита. Согласно их концепциям, вселенная состоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц - атомов («Начала - атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении»).

«Вакуизм», как еще называли учение об атомах и пустоте, получил дальнейшее развитие в трудах Эпикура. Умозрительный характер натурфилософских построений не мешал древнегреческим приверженцам вакуумной концепции приходить в ряде случаев к точным физическим выводам. В философской поэме Лукреция Кара «О природе вещей», излагающей основные положения учения Эпикура, можно найти, например, утверждение, что разница в тяжести при свободном падении тел имеет значение лишь в материальной среде. В пустоте же все тела должны падать с одинаковой скоростью:

«... никакую нигде не способна

Вещь задержать пустота и явиться какой-то опорой,

В силу природы своей постоянно всему уступая.

Должно поэтому всё, проносясь в пустоте без препятствий,

Равную скорость иметь, несмотря на различие в весе ».

В основе учения вакуистов лежало разделение пространства и тел: по существу, пространство мыслилось ими как пустой сосуд, в котором могут находиться различные объекты.

Учению об атомах и пустоте противостояла философская концепция «пленизма», получившая развитие в трудах Аристотеля. Великий мыслитель в принципе не допускал существования пустоты. Пространство определялось Аристотелем как граница окружающего тела относительно окружаемого, поэтому «пустое пространство было бы абсурдом, так как здесь «окружающее» ничего не окружает».

Философский спор, порожденный учениями Демокрита и Аристотеля, продолжался в течение двух тысячелетий. В философских построениях древнегреческих мыслителей вакуум выступал как «абсолютная пустота». Открытие воздуха, изучение его свойств имело место позднее, с приходом новой физики. Тем не менее, уже в античные времена, особенно в эллинистический период, создавались различные технические устройства, использующие свойства, проявляемые воздухом при разрежении.

Так, водяные насосы, действие которых основано на создании разрежения под поршнем, были известны уже во времена Аристотеля. До нас дошел рисунок пожарного насоса, изобретенного александрийским ученым Ктесибием. Водяной насос был по существу прообразом вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия.

Современник и ученик Ктесибия Герон Александрийский описал в трактате о пневматике разнообразные устройства, действие которых было основано на создании разрежения воздуха под поршнем. При рассмотрении этих устройств можно сделать вывод, что мастера той эпохи умели в определенной степени обеспечивать вакуумную плотность своих изделий.

Трактат Герона и другие сочинения античного периода приводят к мысли, что уже эллинистическая техника располагала средствами, достаточными для создания воздушного насоса. И, казалось бы, шаг от

водяного к вакуумному насосу, осуществленный Герике в ХУЛ веке, мог быть сделан значительно раньше. Тем не менее, для того, чтобы прийти к осознанию возможности этого шага, потребовались почти два тысячелетия.

Представление о вакууме в Средние века.

В средневековый период в Европе при обсуждении вопросов, связанных с возможностью существования пустоты, на первое место выходят доводы религиозно-мистического характера. В определенной степени это было связано с тем значением, которое средневековая схоластика придавала окружающему воздуху, его роли в жизненных процессах.

Незримая и неосязаемая «сфера паров» представлялась как бы переходом от материального к невещественному, сверхчувственному. На многие века понятие духовного оказалось связанным с воздушным, а воздушного- с духовным.

Понятие пустоты в связи с этим плохо укладывалась в картину мира. Сама мысль о том, что может существовать «пространство, которое не есть ни бог, ни творение, ни тело ни дух, ни субстанция ни акциденция» (Ноэль), уже казалась еретической.

Считая Демокрита, Эпикура и Лукреция своего рода идеологическими противниками, средневековые мыслители, например Исидор Севильский, тем не менее, включали в свои труды рассмотрение античного учения об атомах и пустоте. Идеи античной корпускулярной теории нашли место в работах Гильома Коншского -представителя Шартрской школы, являвшейся интеллектуальным центром Европы зрелого средневековья. Однако в основе комментариев Гильома к понятиям атомов и пустоты лежала мистика платоновско - августиновской религиозности. Философ и теолог ХШ века Фома Аквинский использовал труды греческих натурфилософов для систематизации схоластики и приближения античных представлений к христианскому откровению.

Сохранившаяся с древних времен догма «Природа не терпит пустоты» в средние века получила своеобразную научную доработку. Специальным постановлением пустота была отнесена к категории causus divini, то есть, явлений, не существующих в природе, но возможных для бога.

Схоластика в вопросах о возможности существования пустоты господствовала до конца эпохи Возрождения. «Всякое пустое пространство Бог наполняет своей сущностью, устраняя всякое ничто» (А. Кирхер), -подобные фразы встречаются во многих трактатах времен Торричелли, Декарта и Ньютона.

Дотехнологический этап в развитии вакуумной техники (середина ХУЛ в. - конец XIX в.).

Новый этап в развитии науки и техники вакуума начался с изобретением Отто Герике воздушного насоса - важной вехой научной революции XV -XVII веков. Вместе с другими научными достижениями - галилеевскими "Беседами", первым опытом в вакуумированном сосуде, экспериментами с барометрическими трубками и открытием атмосферного давления, -изобретение Герике нанесло смертельный удар по опорному пункту схоластики в науке - догме «боязни пустоты». В последующие двести лет вакуумные насосы становятся важным инструментом техники научного эксперимента. Опыты с низким вакуумом, получаемым с помощью механических насосов, и торричеллиевой «пустотой», создаваемой с использованием ртутно-поршневых насосов, привели к многим научным открытиям. В самом конце рассматриваемого этапа - на исходе 19-го века -вакуумная техника начинает находить применение как составная часть промышленных технологических процессов в производстве электрических ламп накаливания, а затем - электронных приборов.

Первый физический опыт в вакууме и крушение догмы «боязни пустоты»

Развитие техники в средние века в ряде случаев было связано с необходимостью учета свойств, проявляемых воздухом при разрежении. Был известен, в частности, факт, что с помощью насоса всасывающего типа нельзя поднять воду на высоту более 10 м. Поэтому, чтобы откачать воду из глубоких колодцев и шахт, устраивалась система более коротких труб, в каждой из которых двигался поршень.

Если вода поднимается за поршнем из-за «боязни пустоты», то почему эта боязнь прекращается на определенной высоте? Размышляя в своих «Беседах» над данным фактом, Галилей приходит к выводу, что сила «боязни пустоты» ограничена. Можно даже вычислить величину этой силы, если «определить вес воды, заключающийся в восемнадцати локтях* трубы насоса, какого бы диаметра последняя ни была».

То есть, согласно Галилею, «сила боязни пустоты» равна:

Б = 1 г/см5 • 58,4 см • 18 = 1,05 кг/смг

Полученная таким образом «сила боязни пустоты» является ни чем иным, как величиной атмосферного давления (-1,03 кг/ см2).

Рассуждения Галилея об ограниченности «силы боязни пустоты» привлекли внимание многих ученых. Под влиянием возникшей дискуссии итальянец Гаспаро Берти оборудовал около 1640 г. на фасаде своего дома в Риме сооружение, представлявшее собой по существу водяную барометрическую трубу, имеющую расширение в верхней части. С помощью этой установки другой итальянский ученый Эмануэль Маньяно провел первый физический эксперимент в вакууме. Вакуум в установке Берти не превышал нескольких десятков мм рт.ст.

Торричелли с Вивиани использовали в своих опытах более плотную жидкость - ртуть. Обобщая результаты исследований, Торричелли

' Флорентийский локоть равняло 58,4 си.

решительно порвал со схоластическими рассуждениями о «боязни пустоты», указав на давление атмосферы как единственную причину подъема жидкости в барометрических трубках.

Крушение догмы «боязни пустоты» имело большое значение для развития науки. Как отметил Д. Бернал, «многие из великих достижений физики эпохи Возрождения, подобно динамике Галилея и более поздним научным и техническим достижениям, например газовым законам и паровой машине, возникли в процессе ниспровержения этой идеи».

Вакуум и эфир

Открытие атмосферного давления привело к крушению догмы «боязни пустоты», но одновременно поставило вопрос: что же такое вакуум, образующийся над столбом ртути в барометрической трубке. Торричелли первым отметил, что пустота в трубке не является препятствием для света, и предположил, что «...в трубке находится какая-то материя, отличная от воздуха, и что эта материя должна проходить сквозь стекло или сквозь ртуть». Наблюдение Торричелли дало основание говорить о существовании в вакуумированном объёме особой материи, или эфире, проводящем свет. Представление об эфире как одном из пяти элементов, образующих мир, встречается ещё у Аристотеля. Эфир вечен, утверждал великий мыслитель античности, и является наиболее «божественным» из всех пяти элементов.

В науке XVII века понятие эфира получает новое содержание. Р. Декарт проявил большой интерес к торричеллиевой пустоте, продолжая при этом утверждать, что пустоты как таковой в природе не существует. Подобно перипатетикам, Декарт считал протяженность неотъемлемым свойством материи, поэтому везде, где есть пространство, обязательно присутствует материя. Все физические объекты - не что иное, как результат вихревых движений в несжимаемом и нерасширяющемся эфире.

Теория эфира Декарта носила в большей степени философский, нежели физический, характер. Многие её положения уже в скором времени были

опровергнуты другими учёными. Новую науку интересовал другой эфир -как среда для распространения света и звука, притяжения небесных тел и т. д. Тем не менее, теория Декарта оказала большое влияние на развитие науки. Некоторые авторы, говоря о современной физике вакуума, находят аналогии между картезианскими вихрями и колебаниями поля в понятиях квантовой механики.

Автор закона, связывающего объём и давление газа, Р.Бойль при обсуждении вопроса о воздушной субстанции избегал категоричности. Объясняя свойство упругости воздуха, Бойль, помимо собственной гипотезы, представлявшей частицы воздуха наподобие гибких волосков, или пружинок, упоминал и декартовскую теорию движения «тонкой материи», или эфира.

Получив возможность проводить после 1660 г. опыты с использованием вакуумного насоса, Бойль делает попытку обнаружить признаки существования «тонкой материи» экспериментальным путём. Для этого он помещал в герметичный сосуд небольшие мехи, имевшие в верхней части трубку для выхода воздуха. Над трубкой было установлено лёгкое перо. Сосуд тщательно откачивался с помощью вакуумного насоса. Затем, при повороте наружной рукоятки, происходило сжатие мехов под действием груза. Факт, что перо при этом не отклонялось, Бойль считал доводом против декартовской теории эфира.

Сложное, во многом противоречивое, отношение к эфиру было у Ньютона. В 1670 г., будучи ещё молодым учёным, Ньютон писал, что отрицание Декартом пустого пространства основано на заблуждении. Пустое пространство, вакуум, не есть «ничто». Это - место действий Бога, поскольку пространство и дух находятся в единстве. Спустя пять лет Ньютон даёт трактовку эфира как некой непрерывной, или квазинепрерывной, среды, схожей по строению с воздухом. В 1679 г. в письме к Бойлю Ньютон усложняет эту модель, вводя понятие разнообразных степеней «тонкости» эфира.

Тяготение вызывается внешним агентом, «постоянно действующим по определенным законам». В 1710-х годах Ньютон писал, что этим «агентом» может быть тончайший эфир, допуская возможность корпускулярного строения эфира.

В трудах автора волновой теории света X. Гюйгенса и многих других учёных эфир рассматривался как среда для передачи звуковых и световых волн. Л. Эйлер объяснял с помощью эфира цвета предметов (эфирными колебаниями разной частоты), магнитные и электрические явления.

Идею волновых процессов в эфире использовал в своих работах и М.В. Ломоносов. Распространение света Ломоносов объяснял колебаниями («зыблющимся движением») эфира; что касается теплоты и электричества, то они передаются в результате вращательного движения эфирных частиц.

Авторитет Ньютона способствовал тому, что в вопросах о природе света продолжительное время доминировала его идея светоносных корпускулов, движущихся с большой скоростью. Однако в конце XVIII столетия эта концепция вступила в противоречие с наблюдениями интерференции и поляризации света. В первой четверти XIX в. англичанин Т. Юнг и француз О. Френель вернулись к представлениям Гюйгенса о световых волнах, распространяющихся в мировом эфире. Работы Юнга и Френеля дали начало развитию оптики упругого эфира.

Появление и развитие механических поршневых вакуумных насосов

Бургомистр Магдебурга Отто фон Герике знал об экспериментах Берти и Маньяно. Во всяком случае, в книге Герике, вышедшей в 1672 г., приводится описание установки Берти со ссылкой на трактат Г. Шотта. Первоначально (1650) Отто Герике намеревался получить пустоту путем удаления воды. Эта попытка оказалась неудачной. К успеху немецкий ученый пришел лишь после того, как распорядился откачивать из толстостенного медного сосуда непосредственно воздух.

Герике усовершенствовал вакуумный насос, оборудовав его водяным уплотнением крана и более удобным приводом цилиндра. В его трактате, помимо хорошо известного опыта с магдебургскими полушариями, описана серия экспериментов с разреженным воздухом.

Вслед за Герике опытами с вакуумом занимались многие ученые. Собственные конструкции механических поршневых насосов были сделаны Р.Бойлем (1660г.), Д.Папеном (1674 г.), Ф.Хауксби (1709 г.) и другими исследователями и механиками. Во второй половине ХУЛ века опыты с «пустотой» вошли в моду, и многие мастера, особенно в Голландии, занимались изготовлением насосов на продажу.

Используя современные методы расчета вакуумных систем, диссертант установил возможные технические характеристики, в том числе предельный вакуум, первых воздушных поршневых насосов. Объектом для анализа служила вакуумная установка Бойля-Гука, отличавшаяся, по свидетельству современников, высоким качеством изготовления. Откачиваемый объем А установки (см. рис. справа) был равен 34000 см3 («30 винных кварт»). Поршневой насос В имел диаметр 7,6 см и длину 35,6 см, что дает внутренний объем около 1600 см3.

Приняв продолжительность цикла возвратно-поступательного движения поршня равной 10 с, а режим течения газа квазистационарным, можно вычислить, что откачка сосуда А до давления 20 мм рт. ст. потребует около одного часа непрерывной работы насоса Бойля-Гука. Заметим, что в основе подобных расчетов, широко используемых теперь в вакуумной и компрессорной технике, лежит закон, связывающий объем и давление газа, открытый Бойлем в 1662 г. В трудах Бойля, однако, нет свидетельств того, что автор открытия пытался применить свой закон для расчета времени откачки или степени достижимого вакуума. Фактором, ухудшающим вакуум и увеличивающим время откачки, могло быть натекание воздуха через соединительные детали, уплотнение поршня и штока и т. п. Бойль осознавал это и старался свести натекание к минимуму, устраивая водяное уплотнение,

замазывая соединительные стыки стружкой сыра и птичьим клеем Подводя итог проведенному анализу и учитывая данные, приведенные в последующих работах Хауксби и других авторов, можно утверждать, что вакуум - порядка 20 мм рт ст. - был скорее всего предельным для механических поршневых насосов XVII-XVIII веков

Рис 1 Реконструкция насоса Бойля - Гука (1660 г) Слева общий вид насоса (рисунок XVII в)

Справа схема насоса, использованная при расчете характеристик

В 18-м и начале 19-го веков конструкция вакуумного насоса принципиально не менялась. Во второй половине XIX века в связи с развитием паровых машин улучшилась технология изготовления цилиндров с поршнями. Недостатками механического насоса оставались натекание воздуха через уплотнение штока и мертвое пространство в цилиндре.

Эти недостатки были устранены лишь в конце XIX века с появлением производства электрических ламп накаливания. Поршневой насос Флейсса (1892 г.), больше известный под названием «насос Герике», создавал предельное разрежение порядка 0,02 мм рт.ст.

Развитиертутно-поршневых насосов

Образование «пустоты» над столбом жидкости в торричеллиевой трубке, натолкнуло ученых Флорентийской Академии на мысль использовать барометрическую трубку как средство получения вакуума для экспериментов. Насос флорентийских академиков представлял собой барометрическую трубку, имевшую в верхней части расширение и герметичную крышку для помещения испытуемых объектов. Испытуемый объект при переворачивании трубки соприкасался с ртутью, что создавало большие неудобства. В таком виде ртутно-поршневой способ получения вакуума не мог составить конкуренции «чистой» откачке с помощью механического насоса.

В 1722 г. шведский ученый Сведенборг описал способ, позволяющий удалять воздух, не заполняя испытуемый объем ртутью. Для этого откачиваемый объем соединялся с барометрической трубкой через двухходовой кран, а сама барометрическая трубка заканчивалась гибким шлангом с открытым сосудом. При многократном поднимании и опускании сосуда с ртутью, открывая и закрывая каждый раз соединительный кран, можно было откачать сосуд до торричеллиевой пустоты. Способ, предложенный Сведенборгом, получил развитие в середине XIX века в связи с проведением опытов с электрическим разрядом. Германский

инструментальный мастер Г.Гейсслер создал конструкцию ртутного насоса, достигавшего разрежений порядка 10-2 мм рт. ст. Получение таких давлений требовало, однако, многочасового поднимания и опускания тяжелого сосуда с ртутью.

Усовершенствованием насоса Гейсслера во второй половине XIX века занимались Теплер, Робинсон, Поггендорф, Менделеев и многие другие исследователи. Ртутно-поршневой насос, разработанный в 1865 г. Шпренгелем, не требовал поднимания и опускания сосуда с ртутью, однако, обеспечивал весьма малую скорость откачки - не более нескольких см3/сек. Насосы Гейсслера и Шпренгеля сыграли большую роль в проведении научных исследований во второй половине 19-го - начале 20-го веков. С помощью таких насосов при наличии охлаждающих ловушек достигались давления до 10"5 мм рт.ст.

Изучение электрического разряда в вакууме.

Систематическое изучение электрического разряда в вакууме началось в XIX веке. В 1803 г. петербургский профессор В.В.Петров опубликовал «Известия о гальванивольтовских опытах...», в которых описал «светоносные явления», сопровождающие электрический разряд «в безвоздушном месте». На основании этих описаний можно заключить, что Петров наблюдал тлеющий разряд.

Серия опытов с электрическим разрядом в откачанной стеклянной трубке приведена в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» М.Фарадея (1838 г.). Ученый наблюдал фиолетовое свечение, распространявшееся от анода, отметил наличие темного участка между этим свечением и катодом, которое получило название «фарадеева темного пространства». Ученый предположил, что свечение имеет место на поверхности стекла внутри трубки, в то время как вакуум является проводником. «Отношение вакуума к электрическим явлениям»

представляло большой интерес для Фарадея, постоянно возвращавшегося к роли среды в физических взаимодействиях.

Интерес к электрическому разряду в вакууме значительно возрос, начиная с середины XIX века. Автор конструкции ртутно-поршневого насоса Г, Гейсслер освоил в 1854 г. выпуск газоразрядных трубок для экспериментов. Вкладом Гейсслера в развитие вакуумной техники являются также вакуумная отпайка стеклянных приборов и использование платины в качестве материала электрических вводов в стекло.

Проводя эксперименты с гейсслеровыми трубками, немецкий физик Ю.Плюккер отметил в 1858 г., что в результате осуществления электрического разряда стенки стеклянной трубки вблизи платинового катода покрываются тонким слоем этого металла.

Опыты с электрическим разрядом привели к открытию катодных лучей, представляющих собой по мнению ряда ученых (Варли, Крукс, Дж.Томсон) поток отрицательно заряженных материальных частиц. В то же время большая группа физиков, среди которых были Гольдштейн, Видеман, Герц, придерживалась мнения, что катодные лучи могут быть видом электромагнитных волн. Одним из доводов в пользу волновой теории являлся опыт Герца, в котором катодные лучи не отклонялись в поперечном магнитном поле.

Английский физик Дж.Томсон предположил, что наблюдение Герца объясняется недостаточной степенью вакуума в катодной трубке. Томсон взялся доказать, что при более тщательной откачке трубки результат эксперимента будет иным. Для удаления газа, конденсированного на стенках разрядной трубки и металлических электродах, ученому пришлось в течение нескольких дней прогревать и откачивать трубку. Томсон воспроизвел опыт Герца в условиях высокого вакуума. Отклонение катодных лучей в магнитном поле стало вполне заметным, и направление отклонения показало, что частицы, образующие катодные лучи, наэлектризованы отрицательно.

Это позволило Томсону экспериментально определить отношение массы к заряду для частиц, составляющих катодные лучи.

Одной из важных задач дальнейшего развития физики элементарных частиц стало создание техники эксперимента, обеспечивающей изучение отдельных частиц, а не их «толпы». Решение этой проблемы стало одним из стимулов последующего совершенствования вакуумной техники.

Начальный этап промышленного применения вакуумной техники (конец XIX - начало XX веков)

В конце 19-го века в развитии вакуумной техники произошло качественное изменение: помимо широкого использования в лабораториях для целей научного эксперимента, средства получения вакуума находят применение в качестве промышленного технологического оборудования.

Необходимо отметить, что попытки использовать возможности вакуумных насосов применительно к производственным целям делались и раньше, - начиная с конца 17-го века. Сила, с которой "пустота", т.е. атмосферное давление, передвигала поршень в цилиндре в опытах Герике, натолкнула ряд изобретателей на мысль о создании двигателя, работающего за счет разрежения воздуха. В 1680-х годах Гюйгенс, а за ним Папен, пытались сделать "пороховую машину", в цилиндре которой сжигался порох с последующим охлаждением продуктов сгорания. Получить достаточное разрежение в цилиндре таким способом не удалось, и в скором времени изобретатели переключились на более удобный теплоноситель - водяной пар.

В 18-м и 19-м веках изобретательская мысль не раз обращалась к идее пневматического транспорта - передвижения грузов по трубопроводам в результате разрежения или нагнетания воздуха. В 1840-х годах в Англии проводились опыты по созданию "атмосферических" железных дорог. Между рельсов такой дороги укладывалась путевая труба, имевшая в верхней части

продольную прорезь, уплотняемую плотно прилегающим канатом или другим элементом. Паросиловые станции, располагавшиеся вдоль дороги, создавали в трубе разрежение порядка 0,5 ата. Роль локомотива исполняла тележка, соединенная с ходовым поршнем, находящимся внутри трубы.

Железнодорожный транспорт с атмосферическим приводом оказался ненадежным и был вытеснен более удобными составами с паровозной тягой. В 19-м веке идея пневматического транспорта нашла применение главным образом в системах патронной пневматической почты ближней связи.

Рассматриваемая в данной работе вакуумная техника, обеспечивающая достижение давлений вплоть до высокого вакуума, получила использование в производстве электрических ламп накаливания. Работа над повышением эффективности вакуумирования, как технологического процесса, привела к усовершенствованию ртутного и механического поршневых насосов, изобретению геттеров - средств поддержания вакуума в отпаянных лампах.

К началу XX столетия значительно расширились знания в области сорбции газов и паров твердыми веществами. Была определена сорбционная емкость разнообразных веществ, изучены механизмы физической и химической сорбции, зависимость абсорбции и адсорбции от температуры и т.п.

Развитие термодинамики привело к более глубокому пониманию таких важных для вакуумной техники вопросов как диссоциация соединений и восстановление окислов, теплоты образования и испарения и т.п.

В этот период существенно изменились представления о строении материи. Одновременно с «атомизацией» эфира значительное развитие получила молекулярно-кинетическая теория газов - были сформулированы законы идеального газа, предложена теория реальных газов, разработаны методы расчета количественных характеристик газовых молекул.

Вакуумная техника в производстве электрических ламп накаливания

Попытки создания источников освещения путем накаливания электрическим током различных проводников (платиновая проволока, угольные нити, графитовые стержни и т.п.) предпринимались на протяжении всего ХКв. Ряд изобретателей (Деларю, Жобар, де Молейнс и др.), начиная уже с 1809 г., использовал разреженную газовую среду внутри лампы накаливания. Однако, откачка с помощью механического поршневого насоса не обеспечивала требуемой степени разрежения в колбе, что являлось одним из главных препятствий на пути к созданию приемлемой конструкции лампы.

В 1854 г. немецкий изобретатель Гебель осуществил вакуумирование лампы с угольной нитью методом ртутного поршня. Длинная стеклянная трубка с впаянными электродами наполнялась ртутью, после чего переворачивалась и опускалась в сосуд с ртутью запаянным концом вверх. В полости, где находились электроды с нитью накаливания, образовывалась торричеллиева пустота. Этот конец трубки отпаивался, получалась вакуумная лампа с угольной нитью.

Гебель не смог наладить производство своей лампы. Наиболее успешно вопросы изготовления практически пригодной лампы накаливания и организации системы электрического освещения были решены Т.А.Эдисоном. Средством получения вакуума на первой фабрике по производству электрических ламп накаливания, открытой в Менло-парке в 1880 г., служили насосы Шпренгеля. Выбор Эдисоном этого типа насоса объяснялся не только их сравнительно высоким предельным вакуумом, но и возможностью работы без оператора. Время откачки лампы в 1881 г. составляло примерно 5 час, в 1896 г. - около 30 мин. Длинные ряды трубок Шпренгеля, каждая из которых вела откачку одной лампы, являлись характерной принадлежностью первых предприятий по выпуску ламп накаливания.

В 1894 г. А. Малиньяни запатентовал способ улучшения вакуума в отпаянных лампах, применив суспензию фосфора в качестве газопоглотителя внутри ламповой колбы. Изобретение Малиньяни существенно изменило процесс изготовления ламп накаливания. Время откачки сократилось, срок службы ламп вырос. В последующие годы было предложено множество других геттеров - веществ, поглощающих остаточные газы в лампах и приборах.

В 1905 г. значительному усовершенствованию подвергся ртутно-порпшевой насос. Молодой немецкий физик Вольфганг Геде, впоследствии ставший классиком вакуумной техники, изобрел способ заменить многократное поднимание и опускание сосуда с ртутью вращательным движением специального ротора.

Имея такой же предельный вакуум как у насосов Гейсслера и Шпренгеля ("КГ2 мм рт.ст.), вращательный ртутный насос Геде значительно превосходил их по скорости откачки. В первой четверти XX века ртутный насос Геде широко использовался для откачки ламп накаливания и рентгеновских трубок, а также в исследовательских лабораториях. В качестве форвакуумной ступени насоса Геде первоначально использовался механический поршневой насос Флейсса. К 1908 г. сам Геде разработал и передал в производство пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением, ставший на многие годы основным средством получения предварительного вакуума в промышленности и научных исследованиях..

Наибольшее распространение получила двухступенная конструкция пластинчато-роторного насоса, в которой первая ступень имела на выходе атмосферу, а вторая - форвакуум порядка 10-20 мм рт. ст. В этом случае насос Геде обеспечивал предельное остаточное давление порядка мм рт.ст. с быстротой откачки порядка 0,1 л/с.

Формирование основ современной вакуумной техники (первая половина XX века)

Первая четверть XX в. стала рубежом, на котором началось развитие принципиально новой вакуумной техники. Важнейшей чертой данного периода явилось становление производства приборов катодной электроники. Формирование новой отрасли промышленности уже в скором времени поставило множество проблем, связанных с повышением требований к средствам вакуумной техники. Создание новых, более совершенных приборов зачастую определялось возможностью создания внутри них высокого разрежения газа. На протяжении нескольких десятилетий разработка новых средств получения, измерения и сохранения высокого вакуума была связана в первую очередь с развитием электровакуумной техники.

Развитие ряда областей науки способствовало многим последующим достижениям в технике высокого и сверхвысокого вакуума. Работы Смолуховского, Кнудсена, Ленгмюра, Геде и других ученых подготовили появление нового направления исследований, связанного с практическим использованием молекулярно-кинетической теории газов при создании технических средств. Рождение этого направления связано, в первую очередь, с работами Геде, приведшими к изобретению молекулярного и диффузионного насосов.

Изобретение молекулярного насоса.

В первом десятилетии XX века появился ряд публикаций (М.Смолуховского, М.Кнудсена и др.), в которых принципы молекулярно-кинетической теории газов были использованы для анализа состояния газов при низких давлениях. В статье, Кнудсена, вышедшей в 1909 г., рассматривалось течение газа в молекулярном режиме, когда длина свободного пробега молекулы значительно превышает диаметр канала. В

таких условиях движение потока газа определяется не соударениями молекул газа между собой, а их столкновениями со стенками канала.

Работа Кнудсена побудила В.Геде исследовать возможность создания направленного потока газа путем перемещения твердой поверхности. Если газ находится между двумя поверхностями, одна из которых движется со скоростью ul, а другая со скоростью и2, то на расстоянии L вдоль поверхности создается некоторая разность давлений р{ -р2. Используя законы молекулярно-кинетической теории газов, Геде пришел для данного случая к следующему соотношению:

Где h - расстояние между поверхностями,

г] - коэффициент внутреннего трения газа. - коэффициент внешнего трения газа Из формулы следует, что в случае сравнительно высоких давлений величина первого слагаемого уравнения значительно больше чем второго; при различных абсолютных значениях р разность давлений р1 -р2 остается практически неизменной. В случае же весьма малых давлений первый член, содержащий коэффициент внутреннего трения исчезающе мал, так что существенную величину имеет лишь второй член, содержащий коэффициент внешнего трения В этом случае при разных абсолютных значениях р постоянным становится отношение давлений р1/р2.

Придя к данному выводу, Геде принялся за исследование возможности разработки откачного устройства, использующего механический способ создания направленного потока молекул газа. В 1913 г. в журнале "Annalen der Physik" появилась статья В.Геде с описанием принципа действия и устройства нового вакуумного насоса, который автор назвал молекулярным. Созданный насос принципиально отличался от существовавших ранее средств получения вакуума. В молекулярном насосе не было обязательного прежде уплотненного разделительного элемента (поршня, ротора с масляным

уплотнением и т. п.), осуществляющего удаление порции газа из откачиваемого объема. Молекулы газа двигались по узкому каналу из области высокого вакуума в область предварительного вакуума в результате механического воздействия.

Основным элементом молекулярного насоса Геде являлся ротор, вращающийся со скоростью около 8000 об./мин. На выходе насоса создавался предварительный вакуум не ниже 0,05 мм рт.ст. Наиболее эффективно насос действовал в области давлений Максимальная

скорость откачки молекулярного насоса Геде составляла около 1400 куб.см/с, что более чем в 10 раз превышало показатели вращательного ртутного насоса.

Несмотря на высокие характеристики, большого распространения молекулярный насос Геде не получил. Необходимость выдерживать зазоры порядка 0,1 мм между движущимися частями насоса вызывала значительные трудности при изготовлении и сборке деталей. При эксплуатации попадание твердых частиц (например, осколков стекла) внутрь корпуса или небольшой износ подшипников выводили насос из строя. С распространением диффузионных средств откачки молекулярные насосы Геде находили ограниченное применение в исследовательских лабораториях Германии, Англии и Франции. В 1930-40-х годах известность получили также конструкции молекулярных насосов Гольвека и Зигбана.

Интерес к молекулярным насосам возрос в начале 1960-х годов в связи с разработкой Беккером конструкции насоса с большими допустимыми зазорами между движущимися и неподвижными частями. По своему устройству насос был сходен с осевыми многоступенными компрессорами; в дальнейшем такие насосы называли турбомолекулярными (ТМН). Насос Беккера имел ротор диаметром 600 мм, вращавшийся со скоростью 6000 об/мин, и развивал скорость откачки по воздуху 4250 л/с.

К достоинствам ТМН относятся эффективность в широком диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума (КТМО-10 мм рт.ст.), возможность

быстрого запуска, стойкость при прорыве атмосферы Такие насосы хорошо откачивают тяжелые газы, с чем связано их применение, например, при откачке ускорителей, работающих на водороде.

Изобретение диффузионного насоса

Использование принципов молекулярно-кинетической теории газов лежало в основе создания Вольфгангом Геде еще одного вида высоковакуумного насоса, - основанного на диффузии газа в струю пара (1913 г.). Это изобретение имело свою предысторию.

В 1901 г. русский физик П.Н. Лебедев опубликовал в журнале "Annalen der Physik" описание своих опытов по определению светового давления. Лебедеву удалось обеспечить значительную степень разрежения в исследовательской камере. Примененный для этого метод показан на рисунке (внизу).

Откачка основной массы газа из экспериментальной камеры К осуществлялась с помощью ртутно-поршневого насоса Шпренгеля-Кальбаума (на рисунке не показан). После достижения значительного разрежения (порядка мм рт. ст. по воздуху) проводился следующий

прием. Водяная баня Wнагревала каплю ртути Q, находящуюся в объеме В. Ртутные пары захватывали молекулы остаточного газа и уносили их в сторону насоса. Затем кран V отделял откачиваемый объем К от насоса, а ртутные пары конденсировались при заполнении холодильника С смесью льда и соли (упругость паров ртути составляет при этом 3-Ю'5 мм рт. ст.). Лебедев отмечал в статье, что парциальное давление воздуха составляло существенно меньшую величину сравнительно с упругостью паров ртути.

z=> К насосу

W

Рис.2. Схема устройства для удаления газа ртутным паром в опытах П.Н. Лебедева.

Вверху: рисунок из журнала "Annalen der Physik" (1901 г.) Внизу: принципиальная схема откачки.

Эксперименты П.Н. Лебедева привлекли внимание ученых всего мира. Большой интерес вызвал и способ получения высокого вакуума, использованный в опытах Лебедева. В издании учебника физики Мюллера-Пуйе, вышедшем в 1906 г., была отмечена возможность существенного уменьшения остаточного давления воздуха путем насыщения его парами ртути с их последующим вымораживанием. Метод удаления остаточных газов с помощью ртутного пара, использованный русским ученым, не мог не привлечь внимания и В.Геде. "Annalen der Physik" являлся журналом, который Геде не только читал, но в котором предпочитал публиковать свои статьи. Мнение, что идею диффузионной откачки Геде заимствовал из работы П.Н.Лебедева, высказывал на страницах журнала "Vacuum" известный австралийский ученый в области физики вакуума Н.А.Флореску.

Геде провел серию опытов по изучению явлений, связанных с диффузией газа в ртутный пар. В экспериментах использовались два сосуда, соединенные трубкой. Промежуточный холодильник позволял конденсировать пары ртути. В результате экспериментов Геде убедился, что при низких давлениях и малых диаметрах соединительной трубки имеет место отклонение от уравнения Дальтона, постулирующего равенство суммы парциальных давлений газов в сообщающихся сосудах:

Р, + Р, = Р2 + Р2 ,

где - парциальные давления газа и паров ртути

соответственно в 1-м и 2-м сосудах.

Используя законы молекулярно-кинетической теории газов, Геде дал уточненную формулировку закона Дальтона для области низких давлений:

где г - радиус соединительной трубки,

V- коэффициент трения газа о стенки трубки, коэффициент внутреннего трения газа,

D - коэффициент диффузии.

Из уравнения следует, что в области низких давлений и при малых г величина последнего члена значительна, давление на стороне насоса может иметь большую величину, чем давление в откачиваемом объеме рг +

Уравнение свидетельствовало о принципиальной возможности создания устройства, способного производить непрерывную откачку газа в результате его диффузии в "чистый" пар. После дополнительных экспериментов Геде разработал конструкцию высоковакуумного насоса, названного им "диффузионным". В последующие десятилетия насосы такого типа стали наиболее распространенным средством получения высокого вакуума.

Совершенствование насоса Геде. Насосы Боровика иЛенгмюра

Геде получил патент на диффузионный насос в 1913 г. В том же году российский ученый С.А.Боровик поместил в журнале Русского Физико-химического общества реферат с описанием нового насоса Геде, отметив, что «самое замечательное в нем (насосе Геде - прим. В.Б.), - это совершенная новизна принципа».

Сам С.А.Боровик имел к тому времени опыт работы с вакуумной техникой Сконструированный им в 1912 г. насос шпренгелевского типа изготавливался мастерскими киевского предприятия «Физико-химик» и заслужил высокую оценку ученых, работавших с вакуумом.

Заинтересовавшись идеей диффузионной откачки, Боровик сделал собственную конструкцию насоса, существенно отличавшуюся от насоса Геде. По имеющимся сведениям, насос Боровика изготавливался в 1915 г. на

заводе им. Федорицкого в Петрограде и находил применение на заводе «Светлана».

В сентябре 1916 г. С.А.Боровик продемонстрировал свой насос на заседании отделения физики Русского Физико-химического общества и 13 декабря 1916 г. подал заявку на получение привилегии на изобретение «инжектора ртутного пара для получения высокого разрежения». Привилегии на изобретенный насос САБоровик не получил; причины отказа Комитета по техническим делам неизвестны.

В 1916 г. в печати появилось описание насоса Ленгмюра, по конструкции схожего с пароструйным эжектором. Корпус насоса Ленгмюра вблизи сопла интенсивно охлаждался, благодаря чему, молекулы ртутного пара, движущиеся не в направлении струи, конденсировались на стенках. По мнению Ленгмюра, действие насоса зависело главным образом от процесса конденсации, а не диффузии. Поэтому насос был назван автором конденсационным.

В том, что теория Ленгмюра имела существенное отличие от теории Геде, определенную роль сыграли патентные соображения. Между тем, в конструкцию Ленгмюра перенесены основные черты насоса Геде, не свойственные эжектору. Это, во-первых, наличие значительного предварительного разрежения газа; во-вторых, использование ртутного пара; в-третьих, применение пара малой плотности.

В то же время, насос Ленгмюра не имел диффузионных диафрагм, характерных для насоса Геде, благодаря чему скорость откачки возросла примерно в 50 раз.

В насосах ленгмюровского типа откачиваемый газ непосредственно взаимодействует со струей пара сложной структуры. Процессы, связанные с переходом пара в жидкое состояние также усложняют физическую картину. Количественный теоретический анализ этих явлений представлял значительные трудности. Развитие насоса в течение последующих трех десятилетий носило, по существу, эмпирический характер.

Развитие конструкции парортутного насоса

К насосам Геде, и особенно Ленгмюра, сразу после появления статей о них в печати был проявлен большой интерес. Простой в изготовлении насос, имеющий высокий предельный вакуум, был необходим как для предприятий, выпускавших радиолампы и рентгеновские трубки, так и для ученых, занимавшихся изучением электронно-ионных процессов и других явлений, связанных с вакуумом.

В течение нескольких лет появилось большое количество разнообразных конструкций ртутных пароструйных насосов. Стеклянный насос был неудобен для работы в производственных условиях. Поэтому, уже начиная с конца 1910-х годов, делались попытки создать удобные в эксплуатации металлические парортутные насосы (Ленгмюр, Геде, Пейн и др.). Поскольку одноступенные диффузионные насосы требовали создания относительно низкого форвакуумного давления (порядка 0,1 мм рт.ст.), в 1920-х годах появляются конструкции насосов, имеющих одну или две дополнительных ступени, что позволяло снизить допустимое давление на выходе насоса до нескольких см рт.ст. (Геде, Кэрт, Фолмер и др.).

Ряд конструкций парортутных насосов был создан в нашей стране. Насос ленгмюровского типа был изготовлен в конце 1910-х годов Н.Д.Папалекси, работавшим в Петрограде заведующим опытной лабораторией завода РОБТиТ. Эта конструкция получила распространение в лабораториях русских ученых. В дальнейшем насос Папалекси был усовершенствован М.М.Богословским, автором одной из первых конструкций отечественных электронных ламп.

Новый этап в развитии высоковакуумного пароструйного насоса начался после открытия возможности применения в качестве рабочей жидкости некоторых органических соединений. Работы в этом направлении были связаны в первую очередь с необходимостью откачки электронных приборов большой мощности.

Уже в 1920-х годах развитие радиовещания потребовало изготовления генераторных радиоламп мощностью в 100 и более квт. Такие лампы, а также вакуумные конденсаторы, электронные пушки, рентгеновские трубки делались разборными. Для поддержания высокого вакуума в этих приборах нужно было вести непрерывную откачку во время их работы. Применение для этих целей парортутных насосов требовало использования ловушек, наполненных жидким воздухом, что в условиях радиостанций и заводов было крайне нежелательным.

Рабочая жидкость на основе продуктов перегонки нефти впервые была применена в 1928 г. К. Бёрчем на английской фирме «Метрополитен Виккерс». Насос с такой жидкостью создавал давление до 10"7ММ рт. ст. без помощи вымораживающих ловушек. Результаты, полученные Бёрчем, позволили в скором времени освоить производство разборных ламп мощностью 500 квт, непрерывно откачиваемых с помощью паромасляных насосов.

Низкая упругость пара при комнатной температуре, химическая инертность и ряд других достоинств органических жидкостей обусловили их быстрое распространение. Вместе с тем, особенностью органических жидкостей является то, что они неоднородны по составу, подвержены разложению и окислению, могут растворять откачиваемые пары и газы. Эти особенности масел потребовали создания специальных форм пароструйных насосов. Поскольку пары масел представляют собой смесь фракций, имеющих различную упругость, с 1936 г. получили развитие модели насосов, в которых разделение фракций осуществляется непрерывно во время работы (Хикмен, Локенвиц, Мальтер и Маркувиц и др.).

К концу 1930-х годов пароструйные насосы, работающие на маслах типа апиезон и октойль, позволяли получать разрежение порядка Ю^-Ю"* мм рт. ст., быстрота действия насосов достигала сотен л/сек. В последующие годы получили интенсивное развитие работы по созданию высоковакуумных пароструйных насосов большой производительности. Такие насосы

требовались для оснащения вакуумных систем ускорителей, электронных микроскопов, масс-спектрографов, установок для нанесения тонких пленок и т.п.

Значительные достижения в разработке высоковакуумных пароструйных насосов большой производительности были получены сотрудниками Харьковского физико-технического института. К началу 1950-х годов в этом институте были созданы насосы, развивающие скорость откачки до 40 тыс. л/с. Опыт ХФТИ был использован С.А. Векшинским с сотрудниками при разработке средств откачки установок электромагнитного разделения изотопов урана, оборудования вакуумной металлургии и других целей.

В этот период большое развитие получили также паромасляные насосы бустерного типа. Рабочий диапазон бустерных насосов мм рт. ст.,

давление на выходе до 3-4 мм рт. ст. Благодаря применению легколетучих сортов вакуумных масел, увеличенной мощности подогрева, большему числу ступеней, достигается значительная плотность струй пара и высокая скорость откачки при указанных давлениях. Паромасляные бустерные насосы широко применяются в вакуумной металлургии, химической и пищевой промышленности и т.п.

Развитие теории высоковакуумного пароструйного насоса

Появление разнообразных конструкций насосов способствовало накоплению опытных данных, связанных с их работой. Проводились эксперименты по определению оптимального форвакуумного давления, температуры охлаждающей воды, мощности нагрева кипятильника, применению сопел различной формы и т.д. Уже в 1920-х - 30-х годах было опубликовано много работ, содержащих опытные данные для различных насосов.

Вместе с тем, в области теоретического объяснения явлений, происходящих в пароструйном насосе, развитие шло гораздо медленнее.

После Ленгмюра теорию, отличную от теории Геде, выдвинул Кроуфорд. В своих работах Кроуфорд использовал методы технической термодинамики для анализа процессов истечения струи из сопла. Применение сопла Лаваля способствовало увеличению скорости и уменьшению расширения паровой струи. По мнению Кроуфорда, при таких условиях составляющие скоростей молекул за счет их теплового движения становятся несущественными, молекулы пара в потоке движутся параллельно, примерно, с одинаковой скоростью. Плотность такого потока может быть гораздо выше, чем в насосе Геде. Молекула газа, попавшая в поток, испытывает большее количество соударений с молекулами пара, вероятность ее выхода из струи пара уменьшается.

По существу, Кроуфорд внес мало нового в теорию пароструйного насоса. Отдельные положения его работы, например, о параллельности движения молекул пара, были ошибочны. В то же время, конструктивное усовершенствование, сделанное Кроуфордом, имело большое значение для дальнейшего развития пароструйного насоса; после работ Ленгмюра и Кроуфорда изобретение Геде приобрело основные черты, свойственные современному высоковакуумному пароструйному насосу. Теория Геде по-прежнему давала наиболее глубокий анализ работы высоковакуумного пароструйного насоса. При этом конструктивное совершенствование насосов осуществлялось главным образом на основе эмпирически полученных данных.

В середине 1940-х годов Александер опубликовал работу, в которой теория Геде подвергалась критическому анализу на основе характеристик насосов более поздних конструкций.

В процессах, происходящих вблизи сопла, диффузия газа, по мнению учёного, не имеет определяющего значения. Проведя экспериментальные измерения массы истекающего ртутного пара, Александер установил, что скорость парового потока в 1,2-3,4 раза выше, чем наиболее вероятная тепловая скорость молекул ртути. В результате захвата струёй пара молекулы

газа также приобретают скорости, превышающие характерные тепловые значения. Струя ртутного пара должна быть достаточно плотной, чтобы предотвратить обратный поток газа. При увеличении зазора в насосе и понижении плотности пара обратный поток газа может существенно снизить эффективность процесса откачки.

Автором теории был сконструирован специальный насос, отвечающий сформулированным требованиям. Скорость откачки насоса Александера превосходила показатели типового насоса таких же размеров в 2,3 раза, а кпд - в 3,3 раза.

Основным в теории Александера был вывод, что на основе явления диффузии нельзя объяснить процесс удаления газа в высоковакуумных насосах; при захвате газа струей пара имеют место не только диффузионные, но и вязкостные процессы.

Последнее положение было подвергнуто критике Яккелем, давшим свой анализ работы пароструйных насосов, в котором теория Геде получила дальнейшее развитие. Исходя из того, что в основе процессов лежит явление диффузии, Яккель пришёл к следующему выражению для максимального значения скорости откачки:

где с - средняя тепловая скорость молекул газа,

Ш - скорость потока пара. Используя сравнительно простую физическую модель пароструйного насоса, Яккель пришел к соотношениям, в целом хорошо согласующимся с экспериментальными данными для параметров насосов. В более сложной модели Яккель попытался учитывать наличие молекул пара, имеющих скорости, не совпадающие с направлением движения паровой струи

(«паровая опушка»), неоднородную плотность пара и большую площадь диффузии.

Электронные приборы и высокий вакуум

Вакуумная техника сыграла большую роль в развитии электронных приборов. Первые электронные приборы имели внутри достаточно большое количество газа, от которого зачастую зависело их функционирование.

Появившиеся в конце 19 века рентгеновские трубки имели холодный катод, их действие было основано на газовом разряде низкого давления (~ 0,1 мм рт. ст.). С изобретением трубки Кулиджа (1913 г.) ионные рентгеновские приборы были вытеснены высоковакуумными (давление Ю^-КГ'мм рт. ст.) рентгеновскими трубками с накаленным катодом. Использование таких приборов предоставило возможность независимо регулировать ток и напряжение трубок и способствовало широкому применению рентгеновских приборов в науке, технике и медицине. Электронные лампы, появившиеся с изобретением диода («вентиля») Флеминга (1904 г.) и триода («аудиона») Ли де Фореста, отличались нестабильностью работы. Остаточный газ (давление внутри лампы обычно не превышало 10~2 мм рт. ст.) при прохождении тока от катода к аноду ионизировался. Образовавшиеся ионы бомбардировали катод, сокращая срок его службы, осаждались на стенках, создавая зоны поверхностного заряда. То, что в основе нестабильности работы лежит недостаточно высокий вакуум, долгое время не осознавалось. Более того, продолжительное время считалось, что наличие молекул газа внутри катодной лампы является необходимым условием ее работы, а при достижении высокого вакуума анодный ток в приборе прекратится.

Ошибочные концепции в создании электронных приборов были преодолены лишь с развитием теории электронно-ионных процессов. Большую роль в этом сыграли работы О. Ричардсона, Ф. Чайлда и И. Ленгмюра, в которых было доказано, что термоэлектронная эмиссия свойственна всем проводникам и не обусловлена присутствием газа.

Развитие техники высокого вакуума позволило сделать важный шаг в совершенствовании электронных приборов. Одновременно с созданием пароструйного насоса высокого разрежения Ленгмюр разработал первые «жесткие» (высоковакуумные) триоды. Освоение производства более долговечных «жестких» ламп оказалось связанным с решением ряда вакуумных проблем.

Для того, чтобы ионы не разрушали преждевременно катод и не уничтожали пространственный заряд, необходимо поддерживать давление внутри лампы на уровне рт. ст. Вместе с тем, в

производственных условиях получить давление ниже мм рт. ст. с

помощью диффузионных насосов было трудно. Выделение газа из стекла при отпайке приборов повышало это давление до мм рт. ст. Источником

большого количества газа, выделявшегося при работе лампы, являлись также детали ее внутренней арматуры (электроды). Единственным способом преодоления этих трудностей стало удаление газов во время работы прибора. В обычных электронных приборах небольших размеров это достигается применением газопоглотителей ("геттеров"), помещаемых внутри ламп. Электронные приборы большей мощности (разборные лампы, рентгеновские трубки и др.) непрерывно откачиваются насосом во время работы.

Необходимой операцией технологического процесса производства электронных приборов стало предварительное обезгаживание внутренней арматуры, т.е. прогрев в вакууме металлических деталей, помещаемых внутри прибора. Русский ученый Н.Д. Папалекси одним из первых применил индукционный метод нагрева внутренней арматуры ламп токами высокой частоты.

Совершенствование вакуумной техники дало толчок быстрому развитию приборов электронно-лучевого типа. Прообразом электронно-лучевых приборов являлась катодная трубка Брауна (1897), нашедшая использование в первых осциллографах. В результате газового разряда внутри такой трубки создавался столб положительных ионов, оказывавших определенное

фокусирующее воздействие на пучок электронов. Трубки с ионной фокусировкой были устройствами медленного действия. Лишь после того, как техника высокого вакуума получила значительное развитие, появилась возможность производства приборов, действие которых основано на использовании остросфокусированного пучка электронов (электронного луча), с высокой скоростью управляемого по положению в пространстве и интенсивности.

Высоковакуумные электронно-лучевые приборы ведут свое начало от электронно-лучевой трубки В.К. Зворыкина, созданной в 1929 г. В дальнейшем такие трубки нашли широкое применение в телевизионных приемниках, осциллографах, в качестве индикаторных приборов для радиолокационной и других видов техники.

Электронно-ионная технология

Развитие вакуумной техники способствовало появлению разнообразных технологических процессов, в которых применялась среда разреженного газа, использовались результаты исследований и разработки электронно-ионных процессов.

Вместе с появлением гейсслеровых трубок и последующими экспериментами с катодными лучами было обнаружено явление электроннолучевого нагрева. В 1879 году Крукс описал опыты, в которых платиновый анод газоразрядной трубки под воздействием катодных лучей нагревался до белого каления и расплавлялся. Эти наблюдения дали начало развитию термических процессов электронной технологии, использующих нагрев, плавление и испарение материалов под действием потока быстрых электронов.

Первые специализированные печи для электронно-лучевой плавки были запатентованы в 1907 г. (Пирани). С их помощью можно было получать

однородные слитки тантала и других металлов. В сравнении с вакуумной дуговой плавкой новый метод отличался хорошей управляемостью процесса.

В дальнейшем развитие печей электронно-лучевой плавки шло по двум направлениям:

- печи, в которых анодом служил обрабатываемый материал. В 1913 г. Фишер оснастил такую печь пластинчато-роторным и ртутным вращательным насосами, что позволило понизить давление в рабочей камере до 0,01 мм рт.ст. Благодаря этому улучшилась очистка вольфрама и других выплавляемых металлов;

- электронно-лучевые печи, в которых нагреваемый материал не являлся анодом, но подвергался электронной бомардировке, так как помещался на пути луча. С начала 20-го века такие печи применялись для плавки железа, никеля, платины, жаропрочных металлов и других материалов.

Последующее развитие электронно-лучевых печей обоих типов включало в себя, наряду с другими усовершенствованиями, применение более эффективных вакуумных насосов, что способствовало улучшению стабильности процесса плавления, более точному контролю содержания примесей. К середине 20-го века промышленные способы электроннолучевой плавки нашли широкое применение, появилось оборудование с мощностью плавления в десятки, а затем сотни киловатт. Достоинства метода электронно-лучевого нагрева - высокая концентрация теплоты (плотность мощности при плавлении составляет десятки и сотни тысяч Вт/см2), возможность регулирования скорости плавления в широких пределах, чистота вакуумной среды и кристаллизатора - обеспечили дальнейшее распространение метода в промышленности и исследованиях.

Возможности нагрева материалов с помощью электронного луча обусловили появление еще одного технологического метода - электроннолучевого испарения материалов. Испарение материалов таким способом стало основой технологического процесса нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме.

В начале 1930-х годов такой процесс был использован для напыления покрытия из жаропрочных материалов на антикатоды рентгеновских трубок (О'Брайен и Скиннер). Метод получил значительное развитие, начиная с 1950-х годов. Поскольку процесс осуществляется в вакуумной среде, получаемые пленки отличаются малым содержанием нежелательных примесей. Высокая температура напыляемой поверхности, поддерживаемая воздействием электронной бомбардировки, стимулирует процессы термического разложения загрязнений и глубокое обезгаживание материала.

Скорость нанесения пленок возрастает при увеличении мощности электронного потока. В 1950-х годах были созданы электронно-лучевые испарители, обеспечивающие скорость испарения титана до 1,5 г/мин (М.И. Виноградов, Р.Е. Рыбчинский). В дальнейшем с применением метода электронно-лучевого испарения стали наносить тонкие пленки различных металлов (алюминия, никеля, меди, кадмия и др.), сплавов, оксидов и разнообразных соединений, формировать пленки биметаллов и многослойных композиционных материалов, изготовлять фольгу и т.д.

Еще одним видом термического применения электронной технологии стала размерная обработка материалов. Метод основан на интенсивном испарении материала в зоне воздействия электронного луча с минимальным образованием жидкой фазы. Размерная обработка материалов требует применения остросфокусированных потоков электронов с плотностями мощности, достигающими сотен миллионов Вт/см2.

Такой технологический метод был использован в 1938 г. М. Арденне для сверления отверстий в диафрагмах электронных микроскопов. В конце 1940-х - начале 1950-х гг. Штайгервальд более широко исследовал возможности метода размерной обработки с использованием высоковольтных электронных пучков (100-150 кВ).

Размерная электронно-лучевая обработка получила широкое применение, начиная со второй половины 1950-х годов. К ее помощи стали

прибегать при изготовлении деталей из тугоплавких и твердых материалов, малого размера, сложной формы. Установки электронно-лучевой обработки используются для сверления отверстий в драгоценных камнях (алмаз, рубин, сапфир), для изготовления часовых подшипниковых камней, фильер, клише, инструментов.

К этому же периоду относится освоение промышленного использования еще одного термического технологического процесса - электронно-лучевой сварки металлов. В начале 1950-х годов такой метод был использован для сварки кожухов топливных элементов ядерных реакторов. К концу 1950-х годов установки электронно-лучевой сварки производились в СССР, США и ряде других промышленно развитых стран. Достоинствами электроннолучевой сварки являются малый объем сварного шва, высокая скорость процесса, минимальное термическое воздействие на металл околошовной зоны.

Точное соблюдение параметров вакуумной среды является одним из важных условий проведения вышеназванных процессов электронно-лучевой обработки. В электронных пушках термических электронно-лучевых установок должен поддерживаться вакуум на уровне Па, а внутри

технологических камер - около Па. Вакуумные системы установок

должны обладать достаточно большой действия для откачки камер значительных габаритов и удаления выделяющихся газов. Высокие требования предъявляются, как правило, и к химической стойкости рабочих жидкостей, используемых в диффузионных насосах.

Ионно-лучевая технология, так же как электронно-лучевая обработка, берет свое начало от экспериментов середины 19-го века. Уже в 1852 г. современник Фарадея У. Гроув описал явление катодного распыления. В том же столетии ряд физиков (Крукс, Кольшюттер и др.) изучал закономерности катодного распыления в условиях тлеющего разряда. С появлением производства электронных приборов это явление стало вызывать особый интерес. Было установлено, что срок службы приборов с катодами,

покрытыми тонкими пленками активирующих веществ, зависит в основном от интенсивности ионного (катодного) распыления. В период 1920-х - 50-х годов было проведено большое количество исследований, направленных на установление зависимости между скоростью распыления и множеством других факторов.

Первым практическим применением катодного распыления стали процессы очистки поверхности различных материалов - стекла, кварца, стали - от загрязнений. С начала 1930-х годов этот метод использовался в оптической промышленности для очистки поверхностей перед металлизацией. Очистка поверхности методом катодного распыления нашла применение не только в производстве, но и в научных экспериментах - при исследовании эмиссии, адсорбции и десорбции газов, изучении структуры пленок и т.п.

Наибольшее распространение в технике ионное распыление получило в качестве метода нанесения тонких пленок. Осаждение твердых пленок на стенках камеры, в которой проходит электрический разряд, было отмечено еще в 1872 г. (Тэнард и де Вайд). К 1920-м годам были сформулированы основные принципы и разработаны практические устройства для нанесения пленочных покрытий методом катодного распыления. Первые устройства реализовались на диодных системах, где катодом была мишень, анодом -подложка. Позже были разработаны триодные и тетродные системы, высокочастотные устройства и магнетронные системы.

Ионное распыление проводится при сравнительно высоком давлении рабочего газа (10-100 Па - для диодных систем на постоянном токе и 0,1-1 Па - для триодных и высокочастотных систем). При таком давлении происходят многократные столкновения частиц распыляемого материала с молекулами среды, возникает обратное рассеяние и загрязнение пленок атомами рабочего газа. Последующее развитие технологии ионного распыления (использование асимметричного распыления, распыления с

подачей напряжения смещения на подложку и др.) позволило получать пленки высокой чистоты.

Научно-технические и социальные факторы в развитии отечественнойрадиоэлектроники

Для формирования и развития отечественной радиотехнической и электронной промышленности большое значение имели уровень развития производства в России, наличие квалифицированных кадров, использование национального и зарубежного научно-технического потенциала, влияние ряда социально-политических факторов. Обращение к истории данной отрасли промышленности дает возможность изучать прошлый опыт решения научно-технических и организационных проблем, остающихся актуальными до настоящего времени.

После изобретения в 1895 г. А.С. Поповым способа передачи информации с помощью электромагнитного излучения сигналов, Россия по существу не использовала возможности приоритетного освоения новой техники. Так, если в период до 1905 г. радиоаппаратура отечественного производства в поставках для армии и флота России составляла 42%, то в последующие восемь лет (1905-1913) эта доля снизилась уже до 18%. Основная часть оборудования радиотехнической связи закупалась в дореволюционный период у иностранных фирм - немецкой «Телефункен», английской «Маркони» и др.

В советский период, стараясь вдохнуть жизнь в отечественное производство, Совет народных комиссаров ввел в 1922 г. запрет на импорт телеграфно-телефонной и радиоаппаратуры. Тем не менее, столкнувшись с трудностями организации производства необходимого оборудования и разнообразных материалов, российские заводы были вынуждены уже вскоре обратиться к технической помощи иностранных компаний.

Заключение в 1923 г. договора с французской фирмой «Compagnie Generate de la TSF» вызвало острую критику в адрес треста заводов слабого тока со стороны ряда отечественных специалистов. Правление треста обвинялось в преступной недальновидности и неверии в творческие силы советских инженеров и ученых. Борьба между сторонниками и противниками «сотрудничества с капитализмом» при развитии отечественной электровакуумной промышленности продолжалась на протяжении многих лет.

Начиная 1920 г., кадры отечественных инженеров и ученых неоднократно подвергались «прополке» в соответствии с тезисами подавления «скрытой контрреволюции», «обострения классовой борьбы» и т. п. Среди тех, кого затронули репрессии, оказались будущие академики А.Л. Минц, А.И. Берг и С.А. Векшинский, директор завода «Светлана» НА Жук, талантливые изобретатели Б.Л. Розинг и А.П. Константинов, консультант ВСНХ профессор В.И. Баженов и многие другие.

Несмотря на эти потери, уже в период до второй мировой войны в стране был создан значительный потенциал в области радиотехники и электроники, включавший в себя сеть промышленных предприятий, научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций. Однако по техническому уровню выпускаемых приборов и оснащению радиоэлектронной аппаратурой объектов военного и гражданского назначения отечественная промышленность отставала от ведущих зарубежных стран. Одной из существенных причин, обусловивших это отставание, была недооценка значения развития электроники советским партийно-государственным аппаратом.

Положение стало меняться после выхода постановления Государственного Комитета Обороны от 4 июля 1943 г. «О радиолокации», привлекающего к разработке и производству средств радиотехники и электроники широкий круг научных организаций и производственных предприятий. Отечественная радиоэлектронная промышленность вступила в

новый этап, продолжавшийся примерно полвека и характеризовавшийся высоким уровнем научно-технического развития данной области.

Обращение к биографическим материалам крупных деятелей электроники - СА. Векшинского, В.К. Зворыкина и других - позволяет уточнить некоторые факты и осветить малоизвестные страницы отечественной истории науки и техники. В 1930 году лабораторией завода «Светлана» под руководством будущего академика С.А. Векшинского была разработана независимо от фирмы Philips оригинальная технология изготовления катодов с бариевым покрытием. В 1950-х годах сотрудники Научно-исследовательского вакуумного института первыми в мире создали специальные электровакуумные приборы, существенно повысившие эффективность подрыва ядерных боеприпасов.

Воспитанник Санкт-Петербургской научно-инженерной школы В.К. Зворыкин внес фундаментальный вклад в разработку электронного телевидения. Изучение материалов российских и американских архивов позволило диссертанту внести важные уточнения в научную биографию выдающегося ученого и изобретателя. Документально доказано, что наиболее существенный элемент передающей электронно-лучевой трубки -фоточувствительная мозаика изолированных глобул щелочного металла -был описан Зворыкиным уже в 1923 году, т. е. на два года раньше даты, принятой в американских публикациях по истории электроники. В опубликованных диссертантом материалах впервые описаны факты, связанные с участием Векшинского и Зворыкина в подготовке и реализации важного для нашей страны соглашения 1935 года о научно-техническом сотрудничестве между Наркоматом электропромышленности СССР и компанией Radio Corporation ofAmerica.

Заключение

Основным результатом выполненной работы является исследование и теоретическое осмысление материалов, связанных с развитием представлений о пустоте, эфире и разреженных газах, историей появления и совершенствования вакуумных насосов, формированием научных основ вакуумной техники, особенностями развития отечественной радиоэлектроники.

Подход и методы анализа, использованные при проведении данного исторического исследования, могут представить интерес для широкого круга историков науки и техники. В работе показано, что история появления и совершенствования исследуемого вида технических средств - вакуумных насосов - не может рассматриваться вне связи с предшествующим развитием представлений о пустоте и эфире. Многовековые предубеждения и схоластические догмы, получение новых научных знаний являлись факторами, активно воздействующими на работу в области техники.

Выполненный с применением современных методов расчета вакуумных систем анализ вакуумного устройства 17-го века - насоса Бойля-Гука демонстрирует большие возможности аналитической реконструкции техники прошлых веков. Сделан вывод о вероятных технических характеристиках вакуумных систем 17 - 18-го веков, отмечены их характерные особенности.

В работе показано, как развитие кинетической теории газов и других областей науки стало источником принципиальных изменений методов получения вакуума. Исследование истории изобретения широко применяемых в настоящее время диффузионных насосов позволило прийти к ряду методологических и практических выводов. Отмечено, в частности, что использование теоретических и эмпирических методов при совершенствовании технических средств определяется логикой развития техники.

В работе доказывается, что автором идеи диффузионного способа получения высокого вакуума является русский ученый П.Н. Лебедев. Метод

удаления газа в опытах П.Н. Лебедева по экспериментальному определению давления света был использован немецким ученым В. Геде при разработке диффузионного насоса.

В 20-м веке при разработке средств получения и измерения вакуума, аппаратуры течеискания, элементов вакуумных систем, наряду с кинетической теорией газов, широко использовались методы и данные физики и химии сорбционных явлений, физики электронно-ионных процессов и других областей науки. С другой стороны, развитие вакуумной техники оказало большое влияние на совершенствование электронных приборов, разработку электронно-лучевой и ионно-лучевой технологий.

Обращение к истории отечественной радиотехнической и электронной промышленности позволяет выявить воздействие различных факторов на развитие данных отраслей. Использование исторического опыта может принести пользу при решении актуальных проблем формирования научно-технической политики проведения исследований, разработок и организации производства.

Список научных трудов

(по теме диссертационной работы)

Монографии

1. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса. М. «Интелвак», 2001, 144 с.

2. Радиоэлектроника в ее историческом развитии. Т.З: Современная радиоэлектроника (1950-е - 80-е годы). М. «Наука», 1993,382 с. (совместно с Гуланяном Э.Х. и др.).

3. Технология-материалы-машины. История, современность, перспективы. М. «Наука», 1994,272 с. (совместно с Ламаном Н.К. и др.).

4. Сергей Аркадьевич Векшинский. М. «Наука», 1988,140 с; (2-е издание: М. «Интелвак», 2002,176 с).

5. Владимир Козьмич Зворыкин. М. «Наука», 2002,148 с; (2-е изд.: М. «Наука», 2004,150 с).

Статьи в журналах и сборниках

6. О зарождении вакуумной техники // 7 научная конференция аспирантов и младших научных сотрудников ИИЕТ АН СССР. М. 1964, с.80-85.

7. Развитие вакуумной техники и ее взаимодействие с наукой и производством // 8 научная конференция аспирантов и младших научных сотрудников ИИЕТ АН СССР. М. 1965, с.95-99.

8. Periods ofVacuum Technique Development // Vacuum. 1966. Vol. 16. # 2, p. 79.

9. О воздействии теории на развитие технических средств. // 9 научная конференция аспирантов и младших научных сотрудников ИИЕТ АН СССР. М. 1967, с.3-7.

10. К истории появления высоковакуумных насосов в России // Из истории энергетики, электротехники и связи. Вып. 2. М. 1968, с.26-34.

11. Прогнозирование развития вакуумной техники // Вопросы научного прогнозирования. Вып.5. М. 1968, с. 174-177.

12. Использование различных источников информации при анализе тенденций развития техники // Науковедение, прогнозирование, информатика. Киев. 1970.

13. Применение метода Цвики для анализа перспектив развития техники получения вакуума // Материалы по науковедению. Киев. 1970.

14. Метод оценки перспективности направлений НИОКР // Электронная промышленность. 1972, №2.

15. Применение вакуумной техники в промышленности и научных исследованиях // Состояние и перспективы разработки и производства новых видов вакуумного оборудования. М. 1981, с.3-5.

16. Вакуумная техника в электронной промышленности // Электронная промышленность. 1984, №7(135).с.2-6 (с Маклаковым А.А. и Кеменовым В.Н.).

17. Проблемы и перспективы развития ионной имплантации // Электронная техника. Серия 7,1986, вып. 1(134), с.3-8 (с Симоновым В.А.).

18. Академик С.А.Векпшнский // Электронная промышленность. 1986, вып. 10 (158), с.3-4.

19. Тенденции развития оборудования ионно-плазменного осаждения и травления слоев // Электронная промышленность. 1988, №7, с.3-4 (с Уксусовым А.С.).

20. Выдающийся изобретатель и ученый В.К.Зворыкин // Вопросы истории естествознания и техники. 1989. №4. с. 121-129 (с Устиновым Н.Д.).

21. Вакуумный насос // Энциклопедия электроники. М. 1990, с.51 -53.

22. Поэт и ученый // Вопросы истории естествознания и техники. 1992. №2, с.99-100.

23. Основатель научной школы вакуумной техники С.А.Векшинский // Вакуумная техника и технология. 1992, вып.2, №3, с.9-11.

24. Essays on the History ofvacuum technique // Vacuum Physics and Technology. 1992. Vol.2, № 1, pp.55-57.

25. Американец с русским акцентом // Неизвестная Россия. М. 1993, кн. 4, с.27-80.

26. Сын купца - отец телевидения // Вестник Российской Академии наук. 1994, вып.64,№2,с. 165-171.

27. Заслуженный русский американец Владимир Зворыкин // Культурное наследие российской эмиграции. 1917-40. т.1. М. 1994, с.345-350.

28. Российское общество радиоинженеров и «белые пятна» истории техники // История науки и техники: проблемы и перспективы. М. 1995, с.92-93.

29. Опыты, теории и открытия, предшествовавшие эпохе радио // Радиотехника. 1995, №4-5, с.10-14 (со Сретенским В.Н.).

30. Развитие представлений о пустоте и теория густот Панина // Д.М. Панин возвращается в Россию. М. 1995, с.65-68.

31. Зворыкин В.К. // Российское зарубежье. Золотая книга эмиграции. М. 1997, с.32-34.

32. Формирование отечественной радиоэлектроники в контексте мирового научно-технического развития(1900-1930)//Институт истории естествознания и техники. Годичная научная конференция. М. 1997, т.2, с.168-174.

33. Владимир Козьмич Зворьжин//Природа. 1998, №7 С.75-91.

34. Эхо будущего, звучащее из прошлого // Природа. 1999, №2, с.122-128.

35. Электронные приборы // Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника. М. 2000, с. 120-128.

36. Радиолокация в годы войны и мира // Там же, с.128-130.

37. Из века в век. Инструмент в руках ученого // Вестник Российской Академии наук. 2000., т.70, № 2, с.352-356.

38. Одна судьба из многих тысяч // Природа. 2000, №3, с.88-90.

39. Развитие представлений о пустоте и первые вакуумные насосы // Вакуумная техника и технология. 2000, т. 10, №4, с. 153-159.

40. Изобретатель телевидения Зворыкин // Российская научная эмиграция. 20 портретов. М. 2001, с.90-108.

41. Репрессии в отечественной радиоэлектронной промышленности // Институт истории естествознания и техники. Годичная научная конференция. М. 2001, с.412-415.

42. Неопубликованные письма П.Л. Капицы английскому физику Э. Стонеру // Культурное и научное наследие российской эмиграции в Великобритании (1917-1940-е гг.). М. 2002, с.144-148.

43. Первые воздушные насосы глазами современного инженера // История техники и музейное дело. М. «Новая школа», 2002, с. 128-133.

44. Работы в СССР по генерации «лучей смерти» и радиолокационному обнаружению в сверхвысокочастотном диапазоне излучения (1930-е годы) // Институт истории естествознания и техники. Годичная научная конференция. М. 2002, с. 247-248.

45. Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «боязни пустоты» // Вопросы истории естествознания и техники. 2002. Вып.4, с. 650-671.

46. Изобретение, давшее дорогу открытиям // Вестник Российской Академии наук. Т. 73, № 8,2003, с. 744-748.

47. Развитие вакуумной техники в рамках атомного проекта // История советского атомного проекта. Т. 3. М. 2003, с.68-70.

48. Визиты В.К. Зворыкина в СССР в 1930-х гг.: официальная и «закадровая» стороны // Зарубежная Россия. 1917-1939. Кн.2. СПб. 2003, с. 203-206.

49. Выдающийся деятель отечественной радиоэлектроники Сергей Аркадьевич Векшинский // Проблемы культурного наследия в области инженерной деятельности. Вып.4. М. 2003, с. 227-246.

50. Национальные и интернациональные факторы в развитии отечественной радиоэлектроники в довоенный период // Институт истории естествознания и техники. Годичная научная конференция. М. 2004, с. 661-663.

51. Выдающиеся представители научно-инженерных школ Петербурга -эмигранты первой волны // История науки и техники в Санкт-Петербурге. СПб. 2004, с. 74-84.

Научно-технические отчеты

52. Производство и применение средств получения безмасляного вакуума за рубежом // НПО «Вакууммашприбор». Научно-технический отчет №1443. М., 1968,24 с.

53. Основные направления развития вакуумной техники // НПО «Вакууммашприбор». Научно-технический отчет № 1486. МЛ 970,25 с.

54. Прогноз развития вакуумной техники для отрасли до 1980-85 гг. // НПО «Вакууммашприбор». Научно-технический отчет №1780. М. 1970,85 с.

55. Анализ развития газоразрядных детекторов ионизирующих излучений // НПО «Вакууммашприбор». Научно-технический отчет №2582. М.,1988,15 с.

56. Анализ состояния науки и техники в области ионно-лучевой технологии, ионной имплантации, плазмохимической обработки // НПО «Вакууммапшрибор». Научно-технический отчет № 2628. М. 1978,176 с.

Тезисы докладов на конференциях, симпозиумах и конгрессах

57. Электронозахватные методы течеискания и контроля герметичности // 2-й научно-технический семинар по электронным датчикам «Сенсор 87». Л. 1987 (с Голоскоковым В.В. и Демидовым А.В.).

58. 1930-е годы в развитии отечественной электронной промышленности» // 100 лет с начала использования электромагнитных волн как средства связи. М, 1995, ч, 1, с.94.

59. Vacuum technique in physical experiments ofthe 19th century // 14th Symposium of Scientificlnstrument Commission. Prague. 1995, p. 10.

60. Development ofscientific instruments within the Soviet Atomic Project //15th Symposium of Scientific Instrument Commission. Ottawa-Montreal. 1996. P. 7.3.

61. Выдающийся изобретатель и ученый Лев Термен // 52-я научная сессия, посвященная Дню Радио. М. 1997.4.1, сб.

62. Формирование радиоэлектронной промышленности в России в первой четверти 20-го столетия // Там же. 4.2, с.203-204.

63. Russian Technology in context ofthe World Development // XXth International Congress ofHistory of Science. Liege. 1997, p.394.

64. Leo S. Thermen: a dramatic fate ofthe inventor of electronic musical instruments // 25th Symposium ofthe International Committee for the History of Technology. Lisboa. 1998, p. 10.

65. Vacuum Technique: From the Atomic Project to the Civil Industry // History of Atomic Projects of 50-s. Laxenburg (Austria). 1999, p. 10.

66. Robert Boyle's vacuum pump by eyes of engineer // XXI International Congress ofHistory of Science. Mexico. 2001, p.145.

67. Invention ofthe Air Pump and the End ofthe Dogma "Natura abhorret Vacuum" // 29th Symposium ofthe International Committee for the History of Technology. Granada (Spain). 2002, p.241.

68. Russian and Hungarian Scientists in the Manhattan Project // 30th Symposium of the International Committee for the History ofTechnology. S. Pb. 2003. P.75.

В печати

69. Science in History: Eastern Europe and Russia // Science, Technology, and Society. 2005. N.Y. Oxford Univ. Press (0.5 ал.).

70. Technology in History: Eastern Europe and Russia // Science, Technology, and Society. 2005. N.Y. Oxford Univ. Press (0.5 а.л.).

Отпечатано в ООО «РЕГЛАНТ» Подписано в печать 11.01.2005. Усл. печ. л. 3,5. Тираж 140 экз. Заказ № 354

115230, Москва, Электролитный проезд, ЗБ. Тел.: 317-70-09,317-68-63

O^M-of. 16