2. Вакуумная техника

2.1. Насосы

2.1.1. Общие вопросы

В настоящее время известно много различных типов вакуумных насосов. Одни из них являются насосами в обычном смысле этого слова, другие — нет. В наиболее общем смысле откачка есть любое действие, с помощью которого уменьшается число молекул газовой фазы в вакуумной системе. Оно включает выброс молекул из системы или просто конденсацию их в твердую фазу внутри системы. Последняя функция может быть названа захватом, геттерированием, или захоронением, и выполняется она геттеро-ионными и криогенными насосами. Как геттерирование, так и конденсация охлаждением являются старыми, хорошо известными физическими явлениями, но они лежат в основе самых современных достижений вакуумной откачки. Все, что может сделать любой насос, заключается в создании более низкой плотности внутри себя, чем плотность, которая существует в откачиваемой системе. Поскольку он не может быть помещен внутрь системы и экстрагировать молекулы, то он должен просто выжидать, когда молекулы залетят в него. Таким образом, очевидна роль проводимости при определении эффективной скорости откачки. Молекулы могут залетать в насос настолько быстро, насколько позволяет проводимость трубопроводов.

В случае геттеро-ионных и криогенных насосов более низкая молекулярная плотность (давление) создается в результате действия механизмов захвата и захоронения молекул, в особенности, в результате действия первого механизма.

В случае диффузионных насосов более низкая молекулярная плотность достигается путем увлечения молекул с помощью направленного потока паров масла к выходу из насоса. Любой высоковакуумный насос, будь то ионный, криогенный, диффузионный, турбомолекулярный или какой-либо другой, сначала создает более низкое давление (плотность) внутри себя и затем ожидает молекулы, которые залетают в него и либо захватываются, либо удаляются. Когда давление в системе становится настолько низким, что больше нет общего направленного движения в насос, т. е. наступает динамическое равновесие между количеством молекул, поступающих в насос и возвращающихся в систему, то говорят, что в системе достигнуто предельное давление. Если в системе нет течей, давление может быть очень низким. В общем случае оно будет определяться тем, из каких материалов выполнена система и что помещено внутри нее, а также типом насоса.

2.1.2. Форвакуумные насосы

Одним из существенных компонентов, который должна иметь любая вакуумная система, является устройство, создающее начальное разрежение, начиная от атмосферного давления и доходя до такого вакуума, который практически возможен. В вакуумных системах наиболее широко используемым форвакуумным насосом, несомненно, является механический насос (рис. 2). Механические насосы работают в масляной ванне.

Рис. 2. Пластинчато-роторный насос

Пластинчато-роторный насос состоит из цилиндри-ческого ротора R, снабженного двумя скользящими пластинами Р и Р’, соединенными между собой пружиной. Ротор вращается внутри статора S. Благодаря центробежной силе концы пластин находятся в постоянном контакте со стенками. Воздух, содержащийся в камере С, может быть сжат до атмосферного давления и выброшен через клапан М. Вакуумная плотность обеспечивается масляной ванной.

Так как все масла имеют при комнатной температуре заметное давление паров, пары углеводородов диффундируют обратно в систему, когда впускной клапан открыт. Эта обратная диффузия масла может быть минимализирована ловушками, в которых используются материалы, обладающие очень развитой поверхностью при комнатной температуре. Простая, но эффективная ловушка показана на рис. 3. В ней используется пористый металл для того, чтобы абсорбировать молекулы масла. Никакого отжига или технического обслуживания не требуется. Работает ловушка при комнатной температуре.

Рис. 3. Молекулярное сито

Если желательно полностью исключить масло, применяются сорбционные насосы. Их часто используют в лабораторной практике для получения чистого, свободного от масла вакуума. Большинство современных сорбционных насосов откачивают систему от атмосферного давления до давления настолько низкого, что может быть включен ионный насос. Откачивающее действие сорбционных насосов зависит от охлаждаемых абсорбентов, таких как «молекулярные сита», или цеолиты. В качестве охладителя обычно используется жидкий азот. Молекулярные сита имеют исключительно высокую удельную площадь поверхности благодаря их структуре, которая представляет собой каркас с порами атомных размеров. Когда молекулярные сита охлаждены до температуры жидкого азота, они эффективно откачивают большинство газов, включая воздух, вплоть до их насыщения. Регенерация сорбционных форвакуумных насосов может быть проведена прогревом на воздухе в течение нескольких часов при температурах 300—400° С.

Рис. 4. Анализ остаточного газа после предварительной откачки (давление 2 х 10-3 торр). а) без ловушки; б) с ловушкой.

Сравнение спектров показывает, что тяжелые массы, соответ-ствующие углеводородам C4H10 и C5H12 (т/е = 58 и72), полностью исчезают. Пики неадсорбированных газов выше, чем стандартный пик, например, кислорода, поскольку общее давление одно и то же. Количество водяных паров уменьшилось от 98 %, когда использовалась ловушка (т/е= 18).

Принципиальным ограничением откачивающей способности молекулярного сита является передача тепла адсорбирующей поверхностью охладителю вследствие теплоизолирующих свойств материала. Таким образом, важными требованиями при описании эффективной сорбции форвакуумного насоса являются следующие:

Рис. 5. Сорбционный насос фирмы «Рибер», модель РА10, и принадлежности к нему.

1 — Сорбционный насос. 2 — Контейнер для жидкого азота. 3 — Цеолит. 4 — Печка для отжига.

Максимализация теплопередачи от адсорбирующей поверхности.

1. Максимализация общей поверхности молекулярных сит, которая находится в непосредственном контакте с вакуумом.

2. Подбор соответствующего материала, чтобы по возможности увеличить рабочее время между двумя регенерациями.

3. Возможность легкой замены молекулярного сита.

Эти требования отчасти противоречивы, и устройство будет всегда компромиссным. Типичный коммерческий сорбционный насос показан на рис. 6.

Рис. 6. а) Один насос модели РА 10 на объем 45 литров.

Один сорбционный насос откачивает 45-литровый объем от атмосферы до давления 10-2 торр (1,33 Па) за 10 мин.

б) Два насоса модели РА 10 на объем 100 литров.

Два сорбционных насоса откачивают 100-литровый объем до давления 10 торр (0,133 Па) меньше, чем за 10 мин.

в) Три насоса модели РА 10 на объем 180 литров.

Три сорбционных насоса, использованных по очереди, откачивают 180-литровьш объем от атмосферы до давления 10-3 торр (0,133 Па) меньше, чем за 15 мин.

Сорбционные насосы могут быть соединены с сухим механическим насосом. Работа этого типа насоса основана на возвратно-поступательном движении диафрагмы. Он позволяет достигнуть давления в 150торр без всякого риска загрязнения. Это дает возможность:

а) уменьшить число сорбционных насосов,

б) реже производить регенерацию этих насосов.