Работа добавлена на сайт : 2016-03-13
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» |
|
Кафедра |
|
Атомных и Тепловых |
|
Электрических Станций |
“Вакуумные насосы”
Принцип работы и конструкции
вакуумных насосов
и вакуумметрических датчиков.
|
Выполнил студент гр. 5011 |
Кусков Я.А. |
|
Проверил ассистент |
Раков И.Я. |
Томск 2011
Вакуумный насос — устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума).
Принципы работы
Объёмные насосы осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. В основном они используются для получения предварительного разрежения. К ним относятся поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (вращательные).
Наибольшее распространение в вакуумной технике получили вращательные насосы.
Схема ротационного насоса: 1, 3 — лопасти, 2 — кожух.
К высоковакуумным механическим насосам относятся: пароструйные насосы (парортутные и паромасляные), турбомолекулярные насосы. Молекулярные насосы осуществляют откачку за счёт передачи молекулам газа количества движения от твёрдой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. К ним относятся водоструйные, эжекторные, диффузионные молекулярные насосы с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа и турбомолекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением твёрдых поверхностей и откачиваемого газа.
Классификация
Вакуумные насосы классифицируют как по типу вакуума, так и по устройству. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает диапазон от 105 до 10−12 Па. Степень вакуума характеризуется коэффициентом Кнудсена , величина которого определяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента Lэф. Эффективными размерами могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора.
Вакуумные насосы по назначению подразделяются на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия — на механические и физико-химические. Условно весь диапазон давлений для реальных размеров вакуумных приборов может быть разделён на поддиапазоны следующим образом:
- Низкий вакуум
λ << Lэф
Kn ≤ 5·10−3
Давление 105…102 Па (103…100 мм рт.ст.)
- Средний вакуум
λ ≥ Lэф
5·10−3 < Kn < 1.5
Давление 102…10−1 Па (100…10−3 мм рт.ст.)
- Высокий вакуум
λ > Lэф
Kn ≥ 1.5
Давление 10−1…10−5 Па (10−3…10−7 мм рт.ст.)
- Сверхвысокий вакуум
λ >> Lэф
Kn >> 1.5
Давление 10−5 Па и ниже (10−7…10−11 мм рт.ст.)
Классификация насосов по конструктивному признаку
- Механические
- Поршневые (в том числе ртутно-поршневые)
- Диафрагменные
- Пластинчато-роторные (в том числе водокольцевые)
- Винтовые
- Рутса
- Золотниковые
- Спиральные
- Магниторазрядные
- Струйные
- Паромасленные диффузионные
- Паромасленные бустерные
- Сорбционные
- Криогенные
Вакуумные насосы также делят по физическим принципам их работы на газопереносные насосы и газосвязывающие насосы. Газопереносные насосы транспортируют частицы либо через некий рабочий объем (Поршневые насосы), либо путем передачи механического импульса частице (за счет столкновения).
Некоторые насосы нуждаются в молекулярном течении переносимого вещества, другие — в ламинарном. Механические насосы подразделяются на объёмные и молекулярные.
- Поршневой насос (плунжерный насос) — один из видов объёмных гидромашин, в котором вытеснителями являются один или несколько поршней (плунжеров), совершающих возвратно-поступательное движение.
Рис. 1. Конструктивная схема простейшего поршневого насоса одностороннего действия
Рис. 2. Дифференциальная схема включения поршневого насоса. Во время движения поршня влево часть жидкости отводится в штоковую полость, объём которой меньше объёма вытесняемой жидкости за счёт того, что часть объёма штоковой полости занимает шток
В отличие от многих других объёмных насосов, поршневые насосы не являются обратимыми, то есть, они не могут работать в качестве гидродвигателей из-за наличия клапанной системы распределения.
Поршневые насосы не следует путать с роторно-поршневыми, к которым относятся, например, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы.
Принцип работы
Принцип работы поршневого насоса (рис. 1) заключается в следующем. При движении поршня вправо в рабочей камере насоса создаётся разрежение, нижний клапан открыт, а верхний клапан закрыт, — происходит всасывание жидкости. При движении в обратном направлении в рабочей камере создаётся избыточное давление, и уже открыт верхний клапан, а нижний закрыт, — происходит нагнетание жидкости.
- Мембранный насос, диафрагменный насос, диафрагмовый насос — объёмный насос, рабочий орган которого — гибкая пластина (диафрагма, мембрана), закреплённая по краям; пластина изгибается под действием рычажного механизма (механический привод) или в результате изменения давления воздуха (пневматический привод) или жидкости (гидравлический привод), выполняя функцию, эквивалентную функции поршня в поршневом насосе.
Принцип работы
Сжатый воздух, проникающий за одну из мембран, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая мембрана напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость.
После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны.
- Винтовой или шнековый насос — насос, в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами, вращающимся внутри статора соответствующей формы.
Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев
Принцип работы
Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.
Область применения
Предназначен для перекачивания жидкостей различной степени вязкости, газа или пара, в том числе и их смесей.
Эти насосы могут работать при давлениях до 30 МПа[2].
Конструктивные особенности
Для улучшения качества уплотнений и снижения утечек иногда применяется цилиндрический или конический эластичный корпус. В последнем случае конический винт прижимается пружиной, а иногда ещё и давлением перекачиваемой жидкости. Однако насосы с эластичным корпусом способны выдерживать меньшие давления чем насосы с металлическим корпусом. В насосах с коническими винтами можно обойтись жёстким корпусом.
Преимущества
равномерная подача жидкости, в отличие от насосов поршневых и плунжерных;
способность перекачивать смеси из жидкой и твёрдой фаз без повреждения твёрдых включений в жидкости;
как и другие объёмные насосы, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости;
возможность получить высокое давление на выходе без множества каскадов нагнетания;
хорошая сбалансированность механизма и, как следствие, — низкий уровень шума при работе.
Недостатки
сложность и высокая стоимость изготовления насоса;
нерегулируемость рабочего объёма;
так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя.
-
Вакуумные золотниковые насосы
предназначены для создания среднего и глубокого вакуума путем откачки воздуха, неагрессивных газов и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений, при температуре окружающей среды от 10° С до 35° С., а также для создания предварительного разряжения (100-200 мбар) в высоковакуумных установках.
Агрегаты АВПл предназначены для откачки воздуха, неагрессивных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги, механических загрязнений из герметичных вакуумных систем в стационарных установках, находящихся в производственных пожаровзрывобезопасных помещениях при температуре откачиваемой и окружающей среды от 10° С до 35° С.
- Безмасляные спиральные вакуумные насосы от разработчика, производителя и лидера мирового рынка — японской компании Anest Iwata предоставляют наилучшее качество по лучшим ценам. С 1927 года компания производит воздушные компрессоры высочайшего класса, а в 1990х годах, перенесла накопленный потенциал в разработку и производство ротационного оборудования, начав выпуск первых в мире безмасляных (сухих) спиральных вакуумных насосов.
Спиральные насосы Anest Iwata суммарно набирают уже почти 1 000 000 часов эксплуатации в различных приложениях. Это больше, чем спиральные насосы любых двух других производителей вместе взятых. Вакуумные насосы Anest Iwata используются сегодня для решения самых разных задач, включая системы напыления, системы для нанесения оптических покрытий, гелиевые течеискатели, ионную обработку, электронно-лучевые процессы, вакуумные печи, лабораторные исследования.
Ряд известных в мире поставщиков вакуумного оборудования продают насосы Anest Iwata под своими торговыми марками и брендами — со своей наценкой. Стоит ли переплачивать перепродавцам?
Уплотнения валов современных сухих вакуумных насосов не позволяют никаким загрязнениям попадать извне в линию форвакуумной откачки. В этой ситуации важнейшим параметром безмасляных вакуумных насосов становится снижение появления частиц износа деталей внутри самого насоса, т. к. эти частицы могут проникать в вакуумную камеру.
Многие потребители вакуумного оборудования, ранее работавшие с насосами Varian Triscroll и PTS, Edwards XDS, теперь перешли к использованию насосов Anest Iwata. Это связано с быстрым износом уплотнений концевиков в насосах Varian и Edwards, в ходе которого вырабатывается пыль, попадающая в рабочую камеру. Возникает необходимость регулярной очистки системы, которая, тем не менее, все равно не избавляет от загрязнений в рабочем процессе, и помех в работе вакуумных датчиков, масс-спектрометров и т. д.
Один из заказчиков, перешедших после проблем с другими насосами на насосы Anest Iwata ISP-250B, в течение 9 месяцев не смог обнаружить ни одной частицы, попавшей в объем из насоса.
Среди преимуществ спиральных насосов Anest Iwata можно отметить:
- Полное отсутствие попадания масла в вакуумную систему;
- Отсутствие генерации частиц износа;
- Низкий уровень пульсаций и шума, практически отсутствует вибрация;
- Хорошо сбалансированный рабочий механизм, требующий минимального пускового момента и выделяющий минимум тепла в процессе работы;
- Малый вес, компактность и воздушное охлаждение позволяют использовать эти насосы в разнообразных приложениях, включая нереализуемые с применением традиционно используемых насосов;
- Высокая надежность, достигнутая за счет внедрения новых инженерных решений (из новинок можно назвать Air Flush — систему удаления влаги и частиц из внутренней полости насоса, значительно увеличивающую ресурс подшипников, и технологии уплотнений вала и подшипников);
- Стабильность производительности в широком диапазоне рабочих давлений.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы в компрессорной технике используются сравнительно редко, зато в вакуумной технике применяются очень широко.
По разным оценкам до 90% всего рынка форвакуумных насосов составляют именно вакуумные пластинчато-роторные насосы. Вакуумные пластинчато-роторные насосы предназначены для откачки из герметичных объемов воздуха, пожаро-взрывобезопасных нетоксичных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений и неагрессивных к материалам конструкции насоса и рабочей жидкости.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы подразделяются на:
- пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением;
- пластинчато-роторные безмасляные (сухие) насосы.
Для получения остаточного давления порядка 10- 3 мм.рт.ст. применяются двухступенчатые вакуумные насосы НВР. Все зазоры и вредные объёмы заполнены и уплотнены вакуумным маслом. Принцип работы пластинчато-роторных вакуумных безмасляных (сухих) насосов НВР 2НВР такой же, как и у пластинчато-роторных маслоуплотняемых насосов НВР, за исключением того, что они работают без применения смазок. Чаще всего насосы НВР данного типа используют там, где достаточно неглубокого вакуума (100-200 мбар).
К основным их достоинcтвам можно отнести экологичность применения. Вакуумные пластинчато-роторные насосы Trivac популярны во всём мире благодаря высочайшему качеству сборки, надёжности, долговечности работы и простоте обслуживания. По скоростным характеристикам гармонично заполняют пробелы в модельном ряду отечественных пластинчато-роторных насосов.
Отличительные черты:
- удобство подключения к магистрали;
- эргономичный внешний вид;
- надёжность в работе;
- уменьшенные шумовые характеристики.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы. Область применения.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы широко применяются в электронной, радиотехнической, хиимической и др. отраслях промышленнности для получения низкого и среднего вакуума как самостоятельно, так и в качестве насосов предварительного разряжения при работе с высоковакуумными насосами.
Применение вакуумных насосов имеет следующие ограничения:
- вакуумные пластинчато-роторные насосы непригодны для откачки агрессивных сред, вступающих в реакцию со смазочными маслами и черными металлами;
- вакуумные пластинчато-роторные насосы непригодны для перекачки сред из одной емкости в другую;
- предельно допустимая концентрация паров углеводородов, масляного тумана в воздухе должна соответствовать требованиям безопасности ОСТ 38.01402-86;
- не допускаются: работа насоса без охлаждения; перегрев насоса; выброс откачиваемых газов в помещение, где установлены агрегаты; превышение выходного давления по отношению к атмосферному более чем на 9,3 кПа (70 мм.рт.ст)
- Магниторазрядный насос
Широкое распространение магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой пленкой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов, является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа.
Магниторазрядные насосы имеют следующие преимущества:
Не загрязняют детали масс-анализатора парами масел;
Возможна работа без применения форвакуумного насоса;
Отсутствуют механические вращающиеся узлы (не боится прорыва воздуха);
Нет необходимости в закупке ненадежной вакуумной арматуры и в использовании высоковакуумных датчиков давления;
В рабочем режиме насос не выделяет тепло, что позволяет помещать его в герметичную газоаналитическую стойку вместе электронными блоками
Основные технические характеристики используемого магниторазрядного насоса
Теоретические основы
Принцип работы магнито-разрядного насоса:
Рассмотрим принцип работы диодного магнито-разрядного насоса, схема которого приведена на рисунке. Здесь 1 — два элемента катода из титана; 2 — цилиндрический анод; В — индукция магнитного поля.
При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд. Для возникновения разряда достаточно случайного присутствия в разрядном промежутке нескольких электронов. Под действием сильного магнитного и электрического полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин.
Поскольку основная часть распыляемых частиц титана представляет собой электрически нейтральные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверхности электродов, но в основном на анод. Активные газы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.
Количество распыляемого металла приблизительно пропорционально току (и, следовательно, давлению газа); это означает, что распыление металла саморегулируется в зависимости от состояния вакуума. Величина разрядного тока является в некоторой степени мерой давления в откачиваемой системе.
Для получения большей скорости откачки соединяют параллельно большое число откачивающих элементов. Обычно анод имеет ячеистую конструкцию (наподобие восковых сот), а катод состоит из двух титановых пластинок, расположенных по обе стороны анода.
Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов распыляемым титаном. Такой механизм, хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов магнито-разрядным насосом. Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различны, быстрота действия магниторазрядных насосов существенно зависит от рода откачиваемого газа.
Магниты в насосе располагаются таким образом, что силовые магнитные линии замыкаются, проходя через все магниты и магнитопроводы.
Длительность старта магниторазрядных насосов зависит от степени чистоты внутренних поверхностей откачиваемого сосуда и насоса, а также от степени предварительного разряжения. Допускается запуск магнито-разрядного насоса с давлений более 10 Па (0,1 торр), но в таком случае длительность старта может превышать 3 часа. Если нет возможности создать лучшее предварительное разрежение, запуск насоса производят, не прекращая предварительной откачки. Средства предварительной откачки разобщают с откачиваемым сосудом и насосом после того, как стабильно начнет понижаться давление.
Достигаемое с помощью магниторазрядных насосов предельное остаточное давление зависит от предыстории насоса, суммарной наработки, режимов работы и рода откачиваемого газа. На предельное остаточное давление, так же, как и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами. Недостатком такого насоса является – чувствительность насоса к загрязнению углеводородами. Загрязнения возможны при длительном сроке работы при относительно высоком давлении. Насосы плохо откачивают инертные газы.
При первичной откачке и после долговременной непрерывной работы (более полугода) магнито-разрядный насос необходимо подвергнуть предварительной откачке. Для этих целей применяется технологический вакуумный пост. Паспортное значение предельного остаточного давления может быть достигнуто после 10–20-часового прогрева насоса при откачке его механическим насосом с защитной ловушкой. Прогрев и обезгаживание необходимо для удаления с внутренних поверхностей насоса паров воды, а при длительной эксплуатации насоса для его регенерации. При регенерации кроме паров воды удаляются так же химически не связанные газы (замурованные на аноде газы, а так же газы осевшие на других поверхностях насоса).
Для электропитания магниторазрядных насосов обычно используют выпрямители (напряжение 3-7 кВ) с ограничением силы тока короткого замыкания. Для эффективной работы насоса к разрядной системе следует подводить оптимальную мощность. При превышении оптимальной мощности электроды насоса разогреваются, и поток газовыделения превышает поток сорбции.
Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеждает в практически неограниченном их ресурсе (~150тыс. часов) при достаточной аккуратности обслуживающего персонала.
-
Струйный насос
Струйный насос — устройство для нагнетания (инжектор) или отсасывания (эжектор) жидких или газообразных веществ, транспортирования гидросмесей (гидроэлеватор), действие которого основано на увлечении нагнетаемого (откачиваемого) вещества струёй жидкости, пара или газа (соответственно различают жидкоструйные, пароструйные и газоструйные насосы).
Эже́ктор — (фр. éjecteur, от éjecter — выбрасывать от лат. ejicio) — гидравлическое устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой. Эжектор, работая по закону Бернулли, создаёт в сужающемся сечении пониженное давление одной среды, что вызывает подсос в поток другой среды, которая затем переносится и удаляется от места всасывания энергией первой среды.
Виды эжекторов
- Паровой эжектор — струйный аппарат для отсасывания газов из замкнутого пространства и поддержания разрежения. Паровые эжекторы применяют в различных областях техники.
- Пароструйный эжектор — аппарат, использующий энергию струи пара для отсасывания жидкости, пара или газа из замкнутого пространства. Пар, выходящий из сопла с большой скоростью, увлекает через кольцевое сечение вокруг сопла перемещаемое вещество. Использовался на судах для быстрого отливания воды.
Диффузионные паромасляные
Вакуумные диффузионные насосы НВДМ предназначены для создания и поддержания вакуума в вакуумных технологических системах. Вакуумные диффузионные паромасляные насосы АВДМ (АВДМС) предназначены для откачки из герметичных объемов воздуха, газов, паров и парогазовых смесей, не содержащих капельной влаги и механических загрязнений и неагрессивных к материалам конструкции и рабочей жидкости. Вакуумный диффузионный паромасляный насос НВДМ.
Принцип действия насоса основан на использовании в качестве откачиваемого элемента высокоскоростной паровой струи. После подачи напряжения на нагреватель рабочая жидкость, залитая в корпус, закипает. Образующийся пар по паропроводу, захватывая и увлекая поступающий через входной фланец газ в сторону выходного патрубка. Пары рабочей жидкости, истекающие из сопел, попадая на охлаждаемые водой стенки корпуса, конденсируются. Конденсат стекает обратно в кипятильник, а газ через выходной патрубок откачивается форвакуумным насосом. Условное обозначение: Н — насос (А — агрегат); В — вакуумный; Д — диффузионный; М — паромасляный. Цифры после букв — диаметр условного прохода (мм).
Насосы типа НВДМ самостоятельно не применяются и входят в состав агрегатов. Агрегат состоит из насоса, азотной ловушки, вакуумного затвора, термореле, рамы или плиты. В свою очередь, агрегат используется совместно с форвакуумным насосом, который откачивает из выходного патрубка выбрасываемую рабочую среду совместно с откачиваемым газом. Азотная ловушка предназначена для предотвращения проникновения паров рабочей жидкости из диффузионного насоса в откачиваемую среду путем конденсации ее на элементах вымораживающего устройства, охлажденных жидким азотом.
- Бустерные паромасляные
Насосы вакуумные бустерные паромасляные — Предназначены для откачки газов и паров, не агрессивных к материалам конструкции и рабочей жидкости насоса. Насосы применяются для комплектации вакуумсушильных и пропиточных установок в производстве конденсаторов в электротехнической промышленности, а также в других отраслях промышленности для вакуумных установок с большим газовыделением.
Используются в стационарных условиях во взрывоопасных помещениях. Бустерный паромасляный насос 2НВБМ. Насос рассчитан на работу с форвакуумным насосом во взрывозащищенном исполнении Принцип работы насоса основан на использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной паровой струи и аналогичен работе насоса НВДМ. Условное обозначение: Н — насос (А — агрегат); В — вакуумный; Б — бустерный; М — масляный. Цифры после букв — диаметр условного прохода (мм).
Насосы типа НВБМ самостоятельно не применяются и входят в состав агрегатов. Агрегат состоит из насоса, азотной ловушки, вакуумного затвора, термореле, рамы или плиты. В свою очередь, агрегат используется совместно с форвакуумным насосом, который откачивает из выходного патрубка выбрасываемую рабочую среду совместно с откачиваемым газом. Азотная ловушка предназначена для предотвращения проникновения паров рабочей жидкости из диффузионного насоса в откачиваемую среду путем конденсации ее на элементах вымораживающего устройства, охлажденных жидким азотом.
- Сорбционные насосы
В сорбционных насосах используют способность некоторых веществ (например, Ti, Mo, Zr и др.) поглощать газ. Откачиваемый газ оседает на поверхности внутри вакуумной системы. Один из активных поглотителей постоянно напыляется на поглощающую поверхность (испарительный насос).
Поглотителем может быть также пористый адсорбент (Адсорбционный насос).
Действие ионных насосов основано на ионизации газа сильным электрическим разрядом и удалении ионизованных молекул электрическим полем. Этот способ мало распространён из-за сложности устройства и большой потребляемой мощности, затрачиваемой главным образом на создание магнитного поля. При комнатной температуре инертные газы и углеводороды практически не поглощаются напылёнными плёнками металлов. Для их удаления служат комбинированные ионно-сорбционные, или ионно-геттерные, насосы, в которых сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и углеводородов. Поглощающая поверхность обновляется осаждением на стенках термически испаряемого титана, а также катодным распылением титана в электрическом разряде или в магнитном поле в электроразрядных или магниторазрядных ионно-сорбционных насосах. Ионно-сорбционные Вакуумный насос при предварительной откачке до 10-2 н/м2 (до 10-4 мм рт. ст.) создают вакуум до 10-5 н/м2 (10-7 мм рт. ст.).
Быстрота откачки зависит от рода газа. Например, быстрота откачки водорода 5000 л/сек, азота 2000 л/сек, аргона 50 л/ сек. Достигаемое предельное давление в хорошо обезгаженных объёмах и без натекания газа ниже 10-8 н/м2 (10-10 мм рт. ст.).
Действие конденсационных, или криогенных, насосов основано на поглощении газа охлажденной до низкой температуры поверхностью (рис. 10).
Водородно-конденсационный насос, предложенный Б. Г. Лазаревым с сотрудниками (Физико-технического институт АН УССР), имеет постоянную быстроту откачки в широком диапазоне давлений. Охлаждающий жидкий водород вырабатывается ожижителем, находящимся в установке. Неконденсируемые газы (водород, гелий) откачиваются параллельно включенным насосом, например диффузионным. Для включения такого насоса необходимо предварительное разрежение.
- Криогенные насосы
Рабочими частями криогенных насосов служат охлаждаемые металлические поверхности в форме дисков, труб или цилиндров. Они либо помещаются непосредственно внутри вакуумной камеры, либо могут занимать отдельный контейнер, соединенный с камерой через широкий трубопровод. Насос работает в области низких давлений, при которых длина свободного пробега сравнима с размерами камеры, и большая часть молекул газа достигает охлажденной поверхности без промежуточных столкновений. Следовательно, криогенные насосы снижают давление в системе достаточно быстро. Процессы, происходящие после столкновения молекулы с поверхностью, сходны с теми, что имеют место при напылении кристаллических веществ, но протекают в обратной последовательности. Некоторые молекулы сразу же отражаются обратно в вакуум, тогда как другие адсорбируются и находятся в этом состоянии в течение некоторого времени, диффундируя вдоль поверхности до тех пор, пока не захватятся окончательно на энергетически более выгодные состояния. Находясь в промежуточном подвижном состоянии, некоторые молекулы могут уходить обратно в вакуум (процесс десорбции).
Отношение числа молекул, захваченных окончательно, к исходному падающему потоку называется коэффициентом прилипания (или захвата) ас. Быстрота откачки криогенного насоса равна произведению падающего молекулярного потока, площади крио-поверхности н коэффициента захвата. После начального «затравочного» периода, в течение которого исходная металлическая поверхность покрывается несколькими слоями конденсируемых молекул, процесс откачки определяется уже термической аккомодацией молекул пара на их собственной кристаллической решетке. Таким образом криогенная откачка является по существу непрерывным стабильным процессом, ограниченным в худшем случае плохой теплопроводностью накапливаемого конденсата. Экспериментальные методы определения быстроты откачкн криоповерх-ностей описаны Малленом и Хизой . Поскольку коэффициент прилипания является одним из факторов, определяющих быстроту криооткачки, он представляет значительный практический интерес. Ю и Су рассчитали коэффициент прилипания на основе модели Поленьи для потенциала поверхности кристалла. Их теоретическая величина ас для С02 при 77 К находится в хорошем согласии с экспериментальными данными. Обзор методов измерения коэффициента прилипания был сделан Чаббом . Ливенсон для определения вероятности адгезии Аг и СО2 при температурах поверхности от 4,2 до 77К использовал метод микровзвешивания с помощью кварцевого резонатора. Согласно его данным, она лежит в пределах от 0,8 до 1,0. Хилд и Браун с помощью масс-спектрометра наблюдали реэмиссию с полированной медной поверхности, на которую падал молекулярный пучок CO2. Оказалось, что коэффициент захвата зависит от величины скорости падения, температуры поверхности и степени покрытия поверхности конденсируемыми молекулами. Aс становится равным единице, когда падающий поток соответствует термодинамическому давлению паров С02 при температуре криоповерхиости. Коэффициент прилипания зависит также и от температуры падающего газа. Согласно экспериментальным данным, полученным Хенгевосом [73а1, коэффициент прилипания атмосферных газов, имеющих температуру 300 К, на поверхности при 10 К лежит в пределах от 0,6 до 0,8. Величина ае становится равной единице при температуре газа ниже 200 К. Данные о коэффициентах прилипания атмосферных газов при температурах поверхности 77 К и ниже были недавно собраны Хобсоном и Ридхедом 174).
Численные значения ас в зависимости от условий эксперимента менялись в пределах от 0,5 до 1. Хотя эффект криогенной откачки и зависит от перенасыщения газа по отношению к температуре криоповерхиости, однако одновременно с конденсируемыми парами могут также откачиваться и неконденсирующиеся газы. Это явление называется «криозахватом» и может рассматриваться как сорбциолный процесс, в котором насыщение не наступает из-за постоянного обновления поверхности конденсата. Количество «захваченного» газа обычно меньше, чем кондеисируеемого пара. Например, Вэнг с сотрудниками наблюдали захват азота при конденсации паров воды при 77 К при молекулярном соотношении от 1 : 10^4 до 1 : 10^2. О «криозахвате» водорода двуокисью углерода в соотношениях от 1 : 10^3 до 1 : 10 сообщил Деуборн. Водород сорбируется также и при конденсации Н20 , Аг и N2. Таким образом, кооперативная конденсация не является каким-то необычным явлением Однако это—селективный процесс, неодинаково свойственный различным газам. Гелий, например, не «захватывается» Н2О, а «криозахват» Н2 двуокисью углерода уменьшается в присутствии азота. поскольку в атмосфере остаточных газов у него еще преобладают пары воды. Последние конденсируются более эффективно, если вместо медных спиралей использовать охлаждаемый жидким азотом экран . Эти экраны изготавливаются из двух сваренных друг с другом листов нержавеющей стали с выдавленными каналами змеевиков. С помощью таких крио-панелей можно легко получить вакуум 10^-7 мм рт. ст.Холлэнд и Бакер оценили производительность ловушек с жидким азотом в условиях большого газовыделения в системе для металлизации пластиков. Для получения с помощью криогенной откачки давлений ниже Ю-8 мм рт. ст. необходимо применить охлаждение жидким водородом или гелием. Известно, что, при температуре кипения водорода эффективно конденсируются все газы, за исключением Н2, Ne и паров самого водорода. Однако несмотря на то, что быстрота откачки криопа-нелей, работающих при 20 К, достигает величин порядка 10000 л азота в секунду, охлаждение жидким водородом широкого применения не находит. Значительный практический интерес представляют насосы, охлаждаемые жидким гелием. Использование гелия до некоторой степени ограничивается высокой стоимостью газа и его малой теплотой испарения (0,9 кал . см-3).
Для минимизации тепловых потерь конденсирующие, поверхности гелиевых ловушек окружают радиационными экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Касуэлл предложил конструкцию экранов, с помощью которых расход гелия уменьшался в 200 раз. Следует отметить, что форма и расположение радиационных экранов весьма критичны, поскольку они ограничивают поток подлежащих откачке молекул газа. Более экономичной является методика с конденсацией испарившегося гелия и повторным его использованием. Форд описал криостат, у которого внешняя спираль змеевика, отводящая поток гелия, служит радиационным экраном. Такие насосы выпускаются разных размеров. Даже для самого маленького из них быстрота откачки азота составляет 5000 л . с-1. Криостаты способны работать также и при пониженном давлении гелия, в результате чего температура конденсации может быть уменьшена до 2,5 К. Важность такой операции становится очевидной поскольку известно, что при температуре 4,2 К давление насыщенных паров водорода близко к 10^-7 мм рт. ст. Снижение температуры криоповерхности до 2,5 К должно уменьшить давление Н2 приблизительно до 10^-13мм рт. ст. Однако с помощью только криогенного насоса получить такой порядок сверхвысокого вакуума нелегко. Из данных экспериментальных исследований конденсации водорода на охлаждаемых гелием поверхностях, проведенны Чуббом следует, что его остаточное давление составляет всего 10^-9 мм рт. ст., хотя температура была снижена вплоть до 2,2 К, а коэффициент прилипания Н2 достигал 0,9. В более ранней работе Фаркас и Ван-дершмидт при охлаждении жидким гелием могли снижать давление в большой, предварительно откаченной камере приблизительно на порядок. Но и они так же не достигли давлений существенно меньших 10^-6 мм рт. ст. На практике криогенная откачка чаще всего комбинируется с другими методами получения вакуума. О примере такого типа откачки сообщили Щелден и Хаблениан , которые в цельнометаллической вакуумной системе, откачиваемой диффузионным насосом с отражателем и ловушкой с жидким гелием, получили предельное разрежение около 10^-12 mm. rt.st.
Для получения той или иной степени вакуума требуются соответствующие насосы или их комбинация. Выбор насоса определяется родом и количеством пропускаемых насосом газов и диапазоном рабочих давлений насоса и его параметрами. Не существует такого насоса, с помощью которого можно было бы обеспечить получение вакуума во всем диапазоне давлений с приемлемой эффективностью.
