Назначение вакуума при изготовлении и работе прибора

Вакуумная техника — прикладная наука, которая изучает получение и сохранение вакуума, технику проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов.

Снижение давления в приборе может быть достигнуто: откачкой газов и паров насосами, улавливанием паров вымораживающими ловушками, а также связыванием газов и паров газопоглотителями.

В процессе вакуумной обработки и в готовых приборах высокая степень вакуума необходима для следующих целей: предотвращения перегорания деталей (например, нитей накала) во время их прогрева при высокой температуре; обеспечения достаточно полного обезгаживания деталей, газопоглотителей, покрытий оболочки приборов; ускорения физико-химических процессов активировки катодов; уменьшения степени взаимодействия остаточных газов с катодами приборов (при плохом вакууме происходит распыление вещества катода, окисление кернов и т. д.); предотвращения возникновения газового разряда и пробоев в процессах высокочастотного и электронного обезгаживания; обеспечения беспрепятственного движения электронов по определенным траекториям под действием электрических и магнитных полей между электродами приборов; обеспечения малой инерционности работы приборов, что позволяет фиксировать быстропротекающие процессы; создания теплоизолирующего «щита» между электродами, находящимися при различных температурах, что препятствует потерям теплоты и снижению температуры электродов (например, катода), которые при работе прибора должны находиться в нагретом состоянии; снижения вероятности ионизации остаточных газов и предотвращения появления в объеме приборов положительных и отрицательных ионов (положительные ионы могут вызвать катодное распыление электродов, разрушение эмиссионного покрытия катодов, компенсировать пространственный отрицательный заряд у поверхности катода и тем самым снизить его долговечность; отрицательные ионы могут вызвать разрушение люминесцентных экранов, снижение их яркости, появление ионных пятен, обильное газовыделение, лавинную ионизацию, что может привести к пробоям, утечкам между электродами).

Применительно к изготовлению и работе электровакуумных приборов понятие «вакуум» характеризуется двумя факторами:

• 1) меньшей, чем при атмосферном давлении, вероятностью взаимных столкновений молекул газа при их движении внутри прибора (что характеризует принципиальную возможность данного прибора работать в качестве электровакуумного);

• 2) меньшей, чем при атмосферном давлении, вероятностью физико-химических процессов взаимодействия газа с деталями прибора (что определяет надежность и долговечность прибора).

Вакуум считается высоким при малой вероятности столкновения и физико-химических взаимодействий молекул газа.

Интенсивность обоих вышеуказанных факторов зависит от концентрации газа, т. е. от количества молекул в единице объема газа. Поэтому вакуумом следует называть разреженное состояние газа, при котором его концентрация меньше, чем при атмосферном давлении. Задача вакуумной обработки заключается в том, чтобы в данном объеме газа уменьшить его концентрацию. На практике для характеристики вакуума вместо параметра «концентрация» газа применяется параметр «давление» газа — это объясняется тем, что давление газа пропорционально концентрации.

При практической работе вакуумом называют состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Единицей давления в Международной системе единиц СИ (ГОСТ 9867—61) является паскаль (Па), 1 Па — это давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площади в 1м² (1 Па=Н/м²). Ранее применялась единица давления — миллиметр ртутного столба: 1 мм рт. ст. = 133,32 Н/м- 133,32 Па.

Для работы электровакуумного прибора важна не только количественная оценка вакуума по величине суммарного давления газов, но и качественная — по составу остаточных газов и паров в приборе. Это связано с тем, что одни газы являются ядами для оксидных катодов (например, кислород, фтор, хлор), другие — для фотокатодов (например, водород, пары углеводородов), третьи приводят к резкому возрастанию утечек и пробоев в высоковольтных приборах (например, газы, имеющие малый потенциал ионизации). Поэтому даже при очень низком суммарном давлении остаточных газов содержание отдельных наиболее вредных для данного прибора газов и паров может превысить предельно допустимое количество. О содержании каждого отдельного газа в составе остаточных газов судят по его парциальному давлению.

Давление, которое имел бы газ, входящий в смесь, если бы он один занимал весь объем смеси (а других газов не было), называется парциальным давлением этого газа. Парциальное давление газа не зависит от наличия в смеси других газов. Например, парциальное давление водорода не изменится, если в смесь водорода и азота добавить какое-то количество азота (хотя общее давление при этом увеличивается).