Вакуумные насосы

Рассмотрим принцип работы вакуумных насосов, применяемых в вакуумной системе современных электронных микроскопов.

1.2.1. Форвакуумные насосы. Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением относятся к насосам объемного действия и могут быть пластинчато-роторными, пластинчато-статорными и плунжерными. Принцип работы насосов основан на периодическом измерении рабочего объема при вращении ротора или движении плунжера (поршня).

Схема конструкции наиболее распространенного пластинчато-роторного насоса приведена на рис.1. В пазы ротора вставлены две пластины, плотно прижимаемые к стенкам статора пружиной. При вращении ротора камера всасывания первоначально увеличивается. Затем пластины ротора отсекают ее от впускного патрубка и, при дальнейшем повороте ротора, присоединяют к выпускному, объем камеры начинает уменьшаться, газ выталкивается в атмосферу.

Пластинчато-статорный форвакуумный насос отли­чается от пластинчато-роторного тем, что подвижная пластина установлена не в по­лости ротора, а в полости неподвижного корпуса (статора). Пружина воздей­ствует на пластину через рычаг. Рабочая камера разделяется на две полости - полость всасывания и полость сжатия. Основной пре­имущество такой конструкции - меньшее просачивание газа из полости выпуска в по­лость впуска.

Рис.1. Схема конструкции наиболее распространенного пластинчато-роторного форвакуумного насоса.

Рис.2. Схема конструкции пластинчато-статорного форвакуумного насоса.

Недостатком пластинчато-статорных и плунжерных (поршневых) насосов являются повышенные вибрации и шум. Поэтому в настоящее время вакуумные системы микроскопов и других вакуумных установок комплектуются пластинчато-роторными насосами, создающими при работе минимальные вибрации.

Выпускаемые промышленностью пластинчато-роторные насосы имеют быстроту действия до 6 л/с и обеспечивают форвакуум до 1 Па.

1.2.2. Струйные высоковакуумные насосы. Принципиальная схема струйного насоса приведена на рис.3. Источником пара является рабочая жидкость (вакуумное масло или ртуть), нагретая нагревателем до температуры кипения. Образующийся при кипении рабочей жидкости пар поступает с большой скоростью через сопло в рабочее пространство, в котором создан форвакуум ~10² Па. Поступающий в рабочее пространство через впускной патрубок газ диффундирует в струю пара. В этих условиях молекулы откачиваемого газа в результате столкновения с молекулами пара получают составляющую скорости в направлении движения струи, что и обуславливает разность давлений между впускным и выпускным патрубками.

Рис.3. Схема конструкции пароструйного насоса.

Конструкция современных паромасляных насосов более сложная, обеспечивает фракционирование неоднородных масел, применяемых в качестве рабочей жидкости. Тяжелые фракции с низким давлением насыщенного пара направляются в сопло первой ступени, что обеспечивает низкое предельное остаточное давление и высокое быстродействие насоса. Легкие фракции с высоким давлением насыщенного пара направляются в сопло последней ступени и обеспечивают высокое выпускное давление, рис.4.

Рис.4. Внешний вид и схема конструкции высоковакуумного диффузионного насоса. По паропроводам пар поступает к трем зонтичным соплам 1, 2 и 3 ступени. Струи пара сообщают импульс молекулам воздуха в направлении выходного патрубка, в результате давление газа в верхней части насоса (входной патрубок) понижается, происходит откачка газа.

Фракционирование масла, стекающего в кипятильник по стенкам корпуса насоса, осуществляется в лабиринтных кольцах, удлиняющих путь масла в центральную зону кипятильника, которая питает паром сопло первой ступени, рис.5. Легкие фракции масла успевают испариться в периферийных кольцах кипятильника, питающих сопла второй и третьей ступени.

Предельное остаточное давление, обеспечиваемое диффузионными насосами, существенно зависит от качества фракционирования масла и достигает 10^-3 – 10^-4Па.

Быстрота действия диффузионных насосов, применяемых в вакуумных системах микроскопов и вакуумных постов, достигает 500 л/с.

1.2.3. Адсорбционные насосы. Принцип действия насосов основан на способности предварительно обезгаженных твердых тел (адсорбентов, например активированного угля), имеющих удельную поверхность 400 – 600 м²/г, поглощать газы из откачиваемого объема за счет физической адсорбции. Насос изготавливают в виде цилиндра, в который помещают адсорбент. При охлаждении стенок насоса и адсорбента жидким азотом или гелием происходит адсорбция газов из откачиваемого объема на поверхность частиц предварительно обезгаженного адсорбента. Достоинством насосов такого типа является полное отсутствие загрязне­ний откачиваемого объёма органикой. Недостаток заключается в том, что адсорбенты при азотных температурах плохо поглощают инертные газы и водород.

К насосам адсорбционного действия также относят испарительные геттерные насосы. В них адсорбент (геттер) создается во время работы насоса путем термического испарения титана, который обра­зует прочные соединения или твердые растворы почти со всеми газами (исключение составляют инертные газы и углеводороды). Испарение титана осуществля­ют пучком электронов, генерируемых специальной электронной пушкой, либо электрической дугой (электродуговые геттерные на­сосы). Соединения титана конденсируются и образуют компактную пленку. Быстрота действия геттерных насосов может достигать 10⁵ л/с, предельное остаточное давление ~10^-8 Па.

Для повышения эффективности откачки инертных газов раз­работаны ионно-геттерные насосы, в которых осуществляют предварительную ионизацию откачиваемых газов потоком электронов либо электрическим разрядом (взаимодействие ионизированных газов с титаном происходит более интенсивно). Разновидностью ионно-геттерных насосов являются магнитные электроразрядные насосы, в которых для испарения титана и ионизации газов ис­пользуют "холодный" разряд в магнитном поле. Рассмотрим устрой­ство и принцип работы диодного магнитного электроразрядного геттерного насоса.

Насос состоит из нескольких блоков электродов, помещен­ных в магнитное поле так, что силовые линии нормальны плос­кости катода, рис.6. Катоды (К) выполнены из титана, рис.6. Анод (А) собран из отдельных разрядных ячеек, расположенных открытыми сторонами к катоду. При подаче высокого напряжения в ячейках возни­кает газовый разряд. Образующиеся при столкновении электронов с молекулами газов положительные ионы ускоряются электрическим полем и вырывают атомы титана с поверхности катода. Распылен­ный титан взаимодействует с ионизированным газом и осаждается в основном на аноде. Формирующаяся таким образом титановая пленка содержит связанный ионизированный газ, присутствующий в вакуумной системе.

Включение насоса обычно осуществляют при давлении 10^-1 Па. Ток разряда вследствие большой электропроводности разрядного промежутка при низком вакууме (форвакууме) велик, поэтому в электродную цепь включают балластное сопротивление, которое на начальном этапе откачки газа уменьшает падение напряжения между катодом и анодом. В этот период быстрота действия насоса невелика (относительно большой ток разряда приводит к разогреву электродов и сильному газовыделению), поэтому в начале пуска желательно продолжить откачку газов форвакуумным насосом.

При давлениям ~10^-2 Па и меньше сопротивление разрядного промежутка увеличивается, что приводит к росту анодного напряжения и увеличению быстроты действия насоса. Ток разряда по мере улучшения вакуума уменьшается.

Рис.6. Схема устройства диодного магнитного электроразрядного насоса.