1 Лекция 5. Получение вакуума 1. Физические свойства 2. Измерение вакуума 3. Получение вакуума (3 лекции) 4. Компоненты вакуумных систем (1 лекция)

2 Классификация вакуумных насосов по принципу действия: механические физико-химические по назначению: Низковакуумные (форвакуумные) – 760 Торр Высоковакуумные (техн. вакуум) Торр Сверхвысоковакуумные Торр

3 объемные -откачка осуществляется за счет периодического изменения объема рабочей камеры; молекулярные – откачка за счет передачи молекулам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности Классификация механических вакуумных насосов по принципу откачки:

4 механические вакуумные насосы объемные молекулярные Пластинчато- роторные Жидкостно- кольцевые Спиральные Поршневые физико-химические вакуумные насосы Классификация вакуумных насосов по принципу действия Турбомолекулярные насосы Диффузионные насосы

5 Вакуумный насос, действие которого основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости при соударении их с быстро вращающимся ротором (частота вращения до 90 тыс. об/мин). Они имеют много конструктивных разновидностей: цилиндрические, дисковые, конические и др. Остаточное давление от до Торр. Турбомолекулярный насос

6 Принцип молекулярной откачки Создается перепад давлений p 2 >p 1 максимальная быстрота действия пропорциональна скорости: S max = F k v p F k - площадь поперечного сечения канала, - коэффициент, учитывающий соотношения движущейся и неподвижной частей периметра канала. Насос обеспечивает получение больших коэффициентов компрессии при малых скоростях откачки (10 10 ).

7 Цилиндрический насос имеет в статоре 3 набор цилиндрических канавок 4, входные и выходные отверстия в которых разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с большой частотой так, что его линейная скорость близка к тепловой скорости молекул. Спиральный паз на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность ротора 3 образуют рабочий канал. Цилиндрический турбомолекулярный насос

8 Распределение Максвелла Распределение молекул метана по скоростям (функция Максвелла) 300 К 400 К

9 Турбомолекулярные насос MDP5011

10 Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1, отстоящие на минимальном расстоянии от вращающегося диска 2, используются для молекулярной откачки. Через зазор между статором и ротором происходит возврат газа из камеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов. Нормальная работа таких насосов возможна при зазоре между ротором и статором не превышающем 0.1 мм. Дисковый турбомолекулярный насос

11 Практическое применение такие насосы нашли в качестве ступеней высокого вакуума при совместной работе с насосами, имеющими взаимно перпендикулярное перемещение газа и рабочих поверхностей, а также при откачке газов с большой молекулярной массой. Проникновение паров масел, применяемых для смазки подшипниковых узлов, в откачиваемый объект во время работы насоса очень мало, но сильно возрастает при остановке насоса. Быстрота действия насосов прямо пропорциональна частоте вращения ротора, которая в современных насосах может достигать тыс. оборотов в минуту. Максимальная быстрота действия обычно не превышает 100 л/с из-за малого поперечного сечения каналов. Предельное давление Торр при коэффициентах компрессии Турбомолекулярный насос

12 Насос турбомолекулярный безмасляный KYKY FF-100/110E Р, Торр

13

14 Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа получили широкое распространение. Конструкция турбомолекулярного насоса, использующая этот принцип, во многом определяется расположением вала ротора: горизонтальным, вертикальным устройством Формой рабочих органов: цилиндровые, конусные, дисковые с радиальным потоком, дисковые с осевым потоком, барабанные. Турбомолекулярный насос

15 Большое влияние на характеристики насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах, на газовой подушке. Турбомолекулярный насос

16 Многодисковый турбомолекулярный насос В корпусе 2 горизонтального насоса установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

17 Для установившегося режима течения газа Q=U 12 p 1 –U 21 p 2, U 12 и U 21 проводимости каналов для потоков q 1 и q 2 соответственно. Принцип перехода молекул газа через вращающееся рабочее колесо основан на различии сопротивлений межлопаточных каналов, образованных двумя соседними лопатками или стенками паза, потокам газа с противоположных сторон. Угол наклона выбирается так, что вероятность перехода молекул в сторону откачки выше, чем отражение назад для вращающихся дисков и наоборот для неподвижных. Многодисковый турбомолекулярный насос

18 В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) в радиальный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статорным колесом) зазоры могут составлять мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быстроту действия. Многодисковый турбомолекулярный насос

19 Достоинства турбомолекулярных насосов: Большой диаметр входного отверстия, Получение высокого безмасляного вакуума; Имеют высокую быстроту откачки газов с малой молекулярной массой; Быстрый запуск и остановка.

20 Недостатки турбомолекулярных насосов: наличие высокоскоростного ротора со смазыванием быстроизнашивающихся подшипников; сложные системы подвеса ротора; наличие преобразователя напряжения для питания высокооборотного электродвигателя; сложность изготовления и относительно высокая цена.

21 Области применения турбомолекулярных насосов: Масс-спектрометрия Электронная микроскопия Физика поверхности и газовый анализ Течеискание Ускорители элементарных частиц Ядерные исследования Производство электровакуумных приборов Производство полупроводников

22 Производители турбомолекулярных насосов: ООО «Призма», Новосибрская обл., г. Искитим Ilmvac GmbH, Германия CCS Services, Швейцария

23 Параметры турбомолекулярных насосов производства ООО «Призма»: Техническая характеристика НВТ НВТ НВТ НВТ АБ Быстрота действия, л/с Предельное остаточное давление на входе Торр 1· · · · Время разгона, мин Частота вращения, об/мин Потребляемая мощность, В*A Габаритные размеры, мм* 140·140·175152·152·195250*250* х 320 х х 420 х 430 Масса, кг 5,57, Рекомендуемый форвакуумный насос 3НВР-1Д, 2НВР-5ДМ НВР-16Д

24 Внешний вид турбомолекулярных насосов производства ООО «Призма» (слева) и Ilmvac GmbH (справа):

25 механические вакуумные насосы объемные молекулярные Пластинчато- роторные Жидкостно- кольцевые Спиральные Поршневые физико-химические вакуумные насосы Классификация вакуумных насосов по принципу действия Турбомолекулярные насосы Диффузионные насосы

26 Струйные вакуумные насосы

27 Пароструйная откачка Механизм взаимодействия откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют эжекторными. В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь за счет диффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей пара, а насосы, работающие в таких условиях, называют диффузионными. Быстрота действия насоса зависит от производительности сопла и свойств рабочего пара. В эжекторных насосах она лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч литров в секунду.

28 При пароструйной откачке молекулы откачиваемого газа, поступающие в насос через входной патрубок 1, взаимодействуют со струёй пара, имеющего звуковую и сверхзвуковую скорость, и приобретают дополнительную скорость в направлении насоса предварительного разряжения, присоединяемого к выходному патрубку 4. В камере происходит смешение паровой струи, выходящей из сопла, и откачиваемого газа. Пароструйная откачка

29 Разделение откачиваемого газа и рабочего пара осуществляется в камере 5 в процессе конденсации рабочего пара на охлажденных поверхностях После этого откачиваемый газ выходит из насоса через выходной патрубок, а сконденсировавшийся пар поступает по трубопроводу 7 в кипятильник 8, где вновь испаряется и по паропроводу 9 попадает в рабочее сопло 2, обеспечивая непрерывность процесса откачки. Пароструйная откачка

30 Диффузионная откачка При истечении струи пара в высокий вакуум происходит ее расширение за счет тепловых скоростей молекул. В случае равенства скорости истечения струи и скорости звука она выходит из сопла под углом 45° к его оси. Давление пара в струе значительно больше, чем давление откачиваемого газа. Наилучшие условия для захвата молекул откачиваемого газа обеспечиваются тогда, когда давление пара в струе соответствует среднему вакууму. При этом все молекулы откачиваемого газа проникают в паровую струю при первом соударении. При большей плотности паровой струи вероятность захвата молекул снижается.

31 Теоретическая быстрота действия диффузионного насоса в связи с малым количеством откачиваемого пара определяется не изменением термодинамических характеристик паровой струи, как в случае эжекторного насоса, а геометрическими размерами сопла и парциальным давлением откачиваемого газа в паровой струе. Максимальное выпускное давление не может быть больше давления рабочего пара в кипятильнике насоса, поэтому в случае паромасляного насоса оно не превышает (1- 5) Па, для парортутного - (20-40) Па. Увеличить максимальное выпускное давление паромасляного насоса нельзя, так как температура пара в кипятильнике ограничивается температурой разложения масла. Диффузионная откачка

32 В парортутных насосах принципиально возможно повышение максимального выпускного давления вплоть до атмосферного, но из-за больших потерь и токсичности ртути этого обычно не делают. Предельным остаточным давлением эжекторного насоса является давление перехода из среднего в высокий вакуум, когда происходит расширение паровой струи и нарушение оптимального режима работы. Величина предельного давления составляет Па.

33 Диффузионный насос Диффузионный насос состоит из кипятильника 1, диффузионного сопла 2, закрепленного на паропроводе 6, холодильника 4, впускного и выпускного патрубков 3 и 5. Пары рабочей жидкости проходят по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации образовавшейся парогазовой смеси выделившийся газ откачивается через выпускной патрубок насосом предварительного разрежения, а сконденсированный пар стекает по стенкам насоса в кипятильник через зазор между паропроводом и корпусом насоса.

34 Диффузионный насос

35 Требования к рабочей жидкости: минимальная упругость паров (наименьшее предельное давление) стойкость к термическому разложению, минимальная способность растворять газ, химическая стойкость, малая теплота парообразования. Обычно используются: ртуть, минеральные масла (чаще всего ВМ-1, ВМ-5), синтетические масла («алкорен»), сложные эфиры; кремнийорганические жидкости.

36 Параметры агрегатов на основе диффузионных насосов ( Показатель АВДМ- 100 АВДМ- 160 АВДМ- 250 АВДМ- 400 АВДМ- 630 Быстрота действия Предельное давление, Торр Наибольшее выпускное давление, Торр 0,2630,25 Мощность нагревателя, Вт Масса, кг, не более

37 Внешний вид агрегата АВДМ Агрегат представляет собой конструкцию, состоящую из диффузионного паромаслянного насоса, азотной ловушки, вакуумного затвора, рамы (для АВДМ- 250, АВДМ-400 и АВДМ-630) или плиты (для АВДМ-100 и АВДМ-160) и термореле.

38 НАСОС ВАКУУМНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ НД-250Р

39 Диффузионный насос

40

41

42