«Вакуум», — говорит толковый словарь, «— пространство, из которого удалено вещество».

А для чего его удалять, какую роль играет вакуум в жизни каждого из нас?

Далеко ходить за примерами не нужно. Поднимите голову вверх, и увидите лампу накаливания, врач напомнит об откачанных рентгеновских трубках, радиолюбитель — об электронных лампах, которые до сих пор широко применяются у военных, в мощных установках (кинескоп телевизора и магнетрон СВЧ-печи — тоже радиолампы). Туристу же достаточно указать на свой термос. Об учёных и говорить нечего, достаточно напомнить, что всё 28-километровое кольцо большого адронного коллайдера перед запуском ускорителя откачивается до глубокого вакуума.

При нормальных давлении и температуре в 1 кубическом сантиметре воздуха содержится 24 тысячи квадриллионов (24 000 000 000 000 000) молекул образующих его газов. Создать вакуум, удалив большую часть воздуха из какого-либо объёма может любой насос, но обеспечить абсолютный вакуум, удалив все до единой молекулы газа — не может ни один.

Давление воздуха зависит от количества молекул, заключённых в определённом объёме. По мере того, как насос удаляет их, давление падает — то есть оно прямо пропорционально количеству оставшихся молекул.

Точно изготовленный цилиндр и клапана, работающие в масле, позволяют даже механическому насосу снизить давление до миллионных долей атмосферы. Тогда в каждом кубическом сантиметре останется «всего» 24 триллиона молекул газа. Тем не менее, это довольно глубокий вакуум, учитывая огромное снижение давления.

Работа обычного вакуумного насоса основана на свойстве газов расширяться до бесконечности. Из-за хаотического движения молекул они всегда занимают весь доступный объём, постоянно сталкиваясь друг с другом и стенками сосуда, в котором находится газ.

Обычный поршневой насос при одном ходе поршня увеличивает пространство, заполненное газом (увеличивая разрежение), а при следующем — выталкивает газ из цилиндра. Таким образом, при каждом ходе поршня давление в сосуде, к которому присоединён насос становится всё меньше.

Вакуумный насос Геде

Ваккумный насос Геде с вращающимся барабаном

Для большего разрежения и получения глубокого вакуума используются так называемые «молекулярные насосы», имеющие другой принцип действия. Они упорядочивают движение хаотически движущихся молекул газа, придавая им ускорение и выбрасывая в сторону выхода из откачиваемого объёма.

Правда, для работы такого вакуумного насоса требуется, чтобы выбрасываемые молекулы встречали как можно меньше препятствий, а из этого следует, что перед включением молекулярного насоса нужно обеспечить предварительный вакуум, иначе молекулы газа начнут наталкиваться друг на друга.

При нормальных температуре и давлении молекулы газов, из которых состоит воздух, могут двигаться без столкновения друг с другом лишь на десятимиллионные доли сантиметра. Поэтому между молекулой, которой придали ускорение в молекулярном насосе и выходом «стоит толпа» ей подобных. Для того, чтобы избавиться от этого препятствия сначала проводится предварительная «грубая откачка» сосуда механическим насосом, чтобы увеличить свободный пробег молекул газа хотя бы одного сантиметра. После этого включается молекулярный насос и каждая молекула газа «получает несколько пинков» в направлении выхода из насоса.

В молекулярном насосе Геде (его поперечный разрез приведен на рисунке) ускорение молекулам придаёт вращающийся барабан D. Откачиваемый сосуд подключён к патрубку A, к выходу молекулярного насоса B присоединён механический насос грубой откачки. Разделитель P предотвращает обратное движение молекул от выхода ко входу.

Предположим, что молекула газа попала через A в полость насоса, где ударяется о барабан D, который отбрасывает её в направлении обозначенном стрелкой a — к стенке насоса. Ударяясь о стенку и отскакивая от неё к барабану молекула постепенно движется к выходу B.

При помощи насоса Геде можно получить в тысячи раз более глубокое разрежение, чем дают масляные механические насосы — до одной миллиардной атмосферного. Хотя даже после этого в каждом кубическом сантиметре содержится более 6 миллиардов молекул газа, их свободный пробег достигает 30 метров и они испытывают лишь одно столкновение друг с другом в секунду.

В диффузионном вакуумном насосе Лэнгмюра, разработанном в лаборатории компании Дженерал Электрик, для «выталкивания» молекул газа и создания разрежения используются пары ртути.

Вакуумный насос Лэнгмюра

Принципиальная схема молекулярного ртутного насоса доктора Лэнгмюра

Насос, создающий предварительное разрежение присоединён к B, а откачиваемая ёмкость — к A. Резервуар R содержит нагретую до кипения ртуть. Плотный поток паров ртути вырывается через трубку c в камеру C. Молекулы газа, поступающие из откачиваемой ёмкости через A захватываются потоком молекл ртути и получают ускорение в направлении выхода B.

Камера C охлаждается водяной рубашкой (на рисунке не показана) — пары ртути конденсируются на её стенках и стекают в резервуар R.