ВАКУУМНЫЙ НАСОС

Устройство для удаления газов и паров из замкнутого объёма с целью получения вакуума. В. н. делятся на проточные, к-рые удаляют газ из откачиваемого объёма наружу, и сорбционные, связывающие газ внутри насоса. Существуют также спец. имплантационные, палладиевые и каталитич. В. н. для откачки водорода. Осн. параметры В. н.: 1) предельное остаточное давление рост; 2) быстрота откачки S — объём газа, откачиваемый в ед. времени при определ. впускном давлении

Рис. 1. Области действия разл. типов вакуумных насосов: 1 — водокольцевых; 2 — поршневых; 3 — паро-масляных бустерных; 4 — механических бустерных; 5 — диффузионных; 6 — сорбционных.

3) производительность Q — кол-во газа (помимо паров рабочей жидкости), удаляемое В. н. в ед. времени при определённом pвп(Q=Sрвп); 4) наибольшее давление запуска рзап, при к-ром В. н. может начать работать; 5) наибольшее выпускное давление pмакс, при к-ром В. н. ещё может осуществлять откачку. В. н. бывают форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при рзап=760 мм рт. ст.) и высоковакуумные, создающие высокий и сверхвысокий вакуум, иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) В. н. (рис. 1).

По принципу действия проточные В. н. подразделяются на механические, струйные (эжекторные и пароструйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные. Механические В. н.— форвакуумные, они основаны на всасывании откачиваемого газа при периодич. увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объёма и сжатии газа до давлений, достаточных для открывания выпускных клапанов.

Рис. 2. Поршневой насос: V0 — откачиваемый объём; П — поршень.

Рис. 3. Вращательный водокольцевой насос.

Механич. В. н. бывают поршневые (рис. 2) и вращательные. Во вращательных водокольцевых В. н. (рис. 3) вода центробежной силой прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцо 7 и рабочую камеру 2 (свободную от воды). Газ откачивается в результате изменения объёма рабочей камеры между лопатками ротора. Эти насосы могут откачивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и др. взрывоопасные газы.

Рис. 4. Многопластинчатый насос.

Многопластинчатые В. н. (рис. 4) также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези к-рого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к внутр. поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяющимся объёмом. У наиболее распространённых вращат. В. н. (рис. 5) — насосах Геде, внутр. объём заполнен маслом, к-рое служит смазкой и препятствует натеканию воздуха в область низкого давления за счёт образования плёнки между вращающимися и неподвижными частями. Конденсация или растворение газов и паров в масле ухудшает параметры В. н. Это предотвращается напуском в рабочую камеру В. н. (после отделения её от впускного отверстия) атм. воздуха в таком кол-ве, чтобы к моменту выхлопа парц. давление паров не достигало давления насыщения.

Рис. 5. Вращательные масляные насосы: а — пластинчато-роторный; б — пластинчато-статорный; в — плунжерный; 1 — статор; 2 — ротор; 3 — разделительная пластина; 4 — пружина; 5 — выпускной клапан; 6 — рычаг; 7 — плунжер; 8 — золотник.

Рис. 6. Двухроторный насос (насос Рутса).

Действие двухроторных В. н. (насоса Рутса) основано на встречном вращении двух роторов (рис. 6) (предварит. разрежение 5—1 мм рт. ст.).

В струйных В.н. откачиваемый газ всасывается струёй жидкости или пара. Различают эжекторные (вихревые) и пароструйные В. н. В эжекторных В. н. газ увлекается турбулентной струёй жидкости (воды) или пара (воды или ртути), истекающей со сверхзвук. скоростью из сопла эжектора (рис. 7) за счёт турбулентного перемешивания или вязкостного трения граничных слоев струи и откачиваемого газа в камере смешения. Парогазовая смесь из камеры смешения поступает в расширяющийся диффузор, где скорость потока уменьшается, а статич. давление становится значительно выше, чем давление всасывания.

Рис. 7. Пароструйный насос.

В вихревых В. н. используется разрежение, развивающееся вдоль оси вихревого потока, создаваемого сжатым воздухом или перегретым паром.

В пароструйных В. н.— насосах Ленгмюра (рис. 8) струя пара 2 (масло, Hg), истекая с большой скоростью

Рис. 8. Насос Ленгмюра.

из сопла 1, захватывает откачиваемый газ, увлекает его к охлаждаемым стенкам рабочей камеры 3, где пар конденсируется. Конденсат по сливной трубе 4 возвращается в кипятильник 5. Газ, увлекаемый струёй к стенкам камеры, сжимается и выбрасывается к форвакуумному насосу. Захват газа (в диапазоне р=10-1—10-2 мм рт. ст.) происходит за счёт вязкостного трения между поверхностными слоями струи и прилегающими слоями газа; при р<10-3 мм рт. ст.— за счёт диффузии газа в струю и конвективного переноса молекул газа струёй в сторону форвакуума. При этом часть молекул откачиваемого газа, сталкиваясь с движущимися навстречу более тяжёлыми (рассеянными из струи) молекулами пара, отражается обратно. Часть газа, попавшего в струю, оказывается растворённой в конденсате и вместе с ним попадает в кипятильник, откуда затем выносится с парами через сопло. Этот процесс ограничивает получаемое рост. Для очистки конденсата от растворённого в нём газа применяется фракционирование рабочей жидкости внутри насоса. Хар-ки пароструйных В. н. зависят как от св-в рабочей жидкости, так и от массы молекул и откачиваемого газа. В составе остаточных газов, помимо паров Н2O, СО, СO2 и О2, есть множество углеводородных соединений и радикалов с массовым числом до 250 или пары Hg. Применяя в этих В. н. ловушки, удаляют углеводороды и пары Hg, что позволяет получить более низкое pост. Пароструйные В. н. делятся на бустерные (вязкостное трение и диффузия) и диффузионные (молекулярный режим).

В турбомолекулярных В. н. молекулы откачиваемого газа увлекаются быстро вращающимся ротором (скорость к-рого сравнима со скоростью теплового движения молекул), улавливаются и удаляются из откачиваемого объёма. Перепад давления между входом в насос и выходом из него пропорц. скорости и длине движущейся поверхности, соприкасающейся с потоком газа, и мол. весу газа. Такой насос напоминает горизонтальный (рис. 9) или вертикальный осевой многоступенчатый компрессор. Роторные и статорные диски такого насоса имеют радиальные косые прорези, боковые стенки к-рых наклонены относительно плоскости диска под углом 15—90°, причём прорези роторных дисков зеркальны относительно прорезей статорных дисков. При быстроте вращения ротора 6 600— 90 000 об/мин молекулы газа получают дополнит. скорость и увлекаются в каналы, образуемые прорезями в дисках, в направлении откачки. Осн. остаточный газ — Н2; есть небольшое кол-во СО, N2 и СO2; тяжёлые углеводородные соединения не обнаруживаются.

В сорбционных В.н. газ обычно остаётся внутри В.н. в связанном виде на сорбирующих поверхностях или в подповерхностных слоях; S пропорц. площади сорбирующей поверхности; pост зависит от процессов десорбции. Сорбц. В. н. подразделяются на адсорбционные, сорбционные с термич. распылением (геттерные, сублимационные), сорбционные с нераспыляемым геттером (ленточные), сорбционно-ионные (геттерно-ионные, ГИН), магниторазрядные (насос Пеннинга, ионно-распылительный) и криогенные. Возможны комбинации сорбционных геттерных В. н.

В адсорбционных В.н. связывание газа происходит на поверхностях пористых материалов (цеолит, реже активный уголь, силикагель) при темп-ре окружающей среды или пониженной (113—77 К).

Используются они как самостоятельные с pост=10-9 мм рт. ст. (10-7 Па) или как форвакуумные насосы с рост от 60 до 10-4 мм рт. ст. (до 10-2 Па).

В сорбционных испарительных (геттерных) В. н. поглощающая поверхность создаётся напылением химически активных металлов (Ва, Ti, Zr, Та, Mo и др.). Образующиеся плёнки поглощают большинство газов, присутствующих в вакуумных системах (O2, СO, СО2, пары Н2O), за счёт образования хим. соединений, хемосорбции (Н2) и растворения. Инертные газы и углеводороды практически не поглощаются, их удаляют вспомогательным пароструйным В. н. или ионной откачкой. Но полностью освободиться от углеводородов (напр., от СН4) не удаётся, они синтезируются на поверхности плёнки поглотителя, играющей роль катализатора. Это не позволяет получить рост меньше 10-9—10-11 мм рт. ст. Однако при напылении Ti на охлаждаемые (ниже 77 К) поверхности не только снижается кол-во Н2 и др. газов, но и прекращается образование СН4, что позволяет получить pост=10-11—10-13 мм рт. ст. Такие насосы требуют pзап=10-4 мм рт. ст. и в сочетании с диффузионным или магниторазрядным В. н. создают сверхвысокий вакуум при S до 106 л/с.

В сорбционных нераспыляемых (ленточных) В. н. поглощение осуществляется за счёт хемосорбции плёнкой высокопористых сплавов активных металлов и композитных материалов (напр., Zr+Al), наносимой в виде мелкодисперсного порошка на металлич. и диэлектрич. подложки. Такой геттер обладает интенсивным диффузионным переносом сорбиров. газов в толщу плёнки, возрастающим с повышением темп-ры. Такие насосы позволяют получить рост=10-11 — 10-13 мм рт. ст. при откачке активных тазов при Sуд до 1 л/с•см2.

В сорбционно-ионных В.н. молекулы газа ионизуются при соударении с эл-нами, эмиттированными накалёнными катодами. В В. н. типа ГИН положит. ионы, ускоренные электрич. полем, внедряются в покрывающий стенки насоса слой конденсированного сорбента и «замуровываются» его свежими слоями (рис. 10).

Рис. 10. Геттерно-ионные насосы ГИН; 1 — центр. анод; 2 — прогреваемый анод; 3 — катоды; 4 — прямоканальные испарители.

В насосах типа «Орбитрон» электрич. поле несимметрично относительно корпуса насоса и катода, и эмиттируемые катодом эл-ны движутся по орбитам достаточно долго, что увеличивает вероятность ионизации. Кроме того, часть эл-нов, траектории к-рых проходят вблизи центрального титанового стержневого анода, попадает на него, разогревая его до темп-ры, достаточной для сублимации Ti.

Рис. 11. Ячейка Пеннинга.

При р<10-6 мм рт. ст. испаряется неск. атомов Ti на одну молекулу откачиваемого газа; S достигает 106 л/с. При р>10-6 мм рт. ст. скорость испарения Ti недостаточна для обеспечения его избытка на поверхности поглощения, и 5 резко падает; рзап=10-4 мм рт. ст.

В магниторазрядных В. н. рабочим элементом явл. газоразрядная ячейка — ячейка Пеннинга, состоящая из «ячеистого» анода (рис. 11), расположенного между катодными пластинами, покрытыми Ti. Ячейка помещена в магн. поле В=900—3000 Гс, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды высокого напряжения (от 3 до 7 кВ) между ними зажигается разряд, эл-ны движутся по сложным спиралям, что увеличивает вероятность ионизации в высоком вакууме (=10-12—10-14 мм рт. ст.). Ускоренные электрич. полем ионы бомбардируют катоды, вызывая катодное распыление; при этом часть ионов внедряется в катоды, а часть — нейтрализуется и, обладая достаточной энергией, отражается от поверхности катода, попадает на анод и «замуровывается» распыляемым материалом катодов. Активные газы откачиваются сорбционным и ионным способами, инертные — ионным, причём часть их «замуровывается» на аноде. Величина разрядного тока в этих насосах пропорц. давлению, S зависит от числа ячеек (каждую ячейку можно рас сматривать как самостоят. насос с S от 0,25 до 1 л/с).

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ

Действие криогенных (конденсационных) В. н. основано на конденсации и адсорбции паров и газов на поверхностях, охлаждаемых до низких темп-р, когда давление насыщ. паров откачиваемого в-ва ниже давления, к-рое необходимо создать в откачиваемом объёме. Криогенный В. н, состоит из: криопанели; защитного экрана, охлаждаемого до темп-р, промежуточных между темп-рой криопанели и стенки корпуса, и служащего для снижения тепловых нагрузок на криопанель от теплового излучения стенок корпуса насоса; системы охлаждения. Для откачки газов, неконденсируемых в насосе, применяют вспомогательный пароструйный насос с ловушкой или сорбционно-ионный насос.