Общие сведения о вакуумных насосах

Вакуумные насосы подразделяют на насосы низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.

К низковакуумным относят механические поршневые и двухступенчатые насосы, ротационные пластинчатые, двухроторные и винтовые насосы, насосы с частичным внутренним сжатием и водокольцевые. Давление, достигаемое в них, составляет P ≈ 0,3...1 Па.

К средневакуумным относят пластинчато-роторные насосы и насосы с катящимся ротором, сорбционные насосы, давление в которых P ≈ 1... 10^-1 Па.

К высоковакуумным насосам относят молекулярные и турбомолекулярные, давление в которых P ≈ 10^-4...10^-6 Па.

К сверхвысоковакуумным относят магниторазрядные, геттерно-ионные, конденсационные насосы, а также различные их модификации (P ≈ 10^-7…10^-9 Па).

 

Насосы среднего вакуума

Устройство и работа механического насоса 2НВР‑5ДМ

 

Процесс откачки в пластинчато-роторных насосах основан на механическом всасывании и выталкивании газа вследствие периодического изменения объема рабочей камеры, образуемого цилиндром, крышками и движущимися частями насоса – ротором и пластинами. В цилиндре 3 (рис. 1) вращается в направлении, указанном стрелкой, эксцентрично установленный ротор 4. В прорези ротора помещены пластины 5, которые пружинами 6 прижимаются к поверхности цилиндра 3. При вращении ротора пластины скользят по поверхности цилиндра. Полость, образованная цилиндром, ротором и торцовыми крышками, делится пластиной на полости А и В. При вращении ротора объем полости А периодически увеличивается и в нее поступает газ из откачиваемой системы. Объем полости В периодически уменьшается, в ней происходит сжатие газа, сжатый газ выбрасывается через клапан 1.

Выход первой ступени соединен со входом второй ступени. Сжимаемый газ последовательно проходит обе ступени и выбрасывается через клапан второй ступени. При повышенных входных давлениях сжатый газ дополнительно выбрасывается через клапан первой ступени. Уплотнение между полостями всасывания А и сжатия В достигается при помощи масляной пленки. Выхлопные клапаны работают под слоем масла.

Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением используются в качестве насосов предварительного разряжения в высоковакуумных агрегатах и являются неотъемлемой частью любой вакуумной установки.

 

Сорбционные насосы

Действие сорбционных насосов основано на поглощении откачиваемого газа поверхностью поглотителя (сорбента). В качестве поглотителя используются пористые вещества с сильно развитой поверхностью (цеолит, активированный уголь и др.), охлажденные до низкой температуры. Насосы с пористыми сорбентами обычно применяются для создания предварительного разряжения, но могут использоваться при соответствующем выборе поглотителя и конструкции насоса, а также в качестве высоковакуумных насосов. Сорбционный насос представляет собой цилиндрическую капсулу, заполненную сорбентом (рис. 2).

Охлаждение сорбента в период откачки производится погружением насоса в сосуд Дьюара, заполненный жидким азотом. Насыщенные газами пористые сорбенты после прогрева практически полностью восстанавливают свои сорбционные свойства (происходит регенерация сорбента) и поэтому могут использоваться без замены в течение продолжительного времени. Основным конструкционным материалом сорбционных насосов является нержавеющая сталь. Уплотняемый профиль разъемных вакуумных соединений насосов и большинства узлов агрегата - канавочно-клиновой с алюминиевыми, медными уплотнителями.

Отличительной особенностью сорбционных насосов является отсутствие рабочей жидкости, это позволяет применять их в тех случаях, когда недопустимо проникновение в откачиваемый объем паров рабочей жидкости или продуктов ее разложения. По той же причине сорбционные насосы могут присоединяться к откачиваемому объему без промежуточных вентилей и ловушек, благодаря чему эффективно используется полная быстрота откачки насоса. Сорбционные насосы бесшумны в работе, не требуют непрерывной работы системы предварительной откачки и, как правило, имеют малое время запуска и остановки.

С другой стороны, сорбционные насосы малоэффективны при откачке с большим содержанием органики (резины, масел и т. п.), инертных газов.

 

Высоковакуумные насосы

Высоковакуумные пароструйные насосы являются наиболее простыми и надежными средствами откачки, позволяющими создавать низкие давления от 10^-2 до 10^-9 Па. Они широко применяются в производстве радиоламп, электронно-лучевых трубок, фотоэлементов, газоразрядных и сверхвысокочастотных приборов, в производстве полупроводниковых материалов, для откачки электронных микроскопов, установок для нанесения тонких пленок, масс-спектрографов и т. д.

Характерной особенностью высоковакуумных насосов является постоянство быстроты действия в широком диапазоне рабочих давлений. В качестве рабочей жидкости в высоковакуумных насосах применяются ртуть (марка Р-1) и высоковакуумные масла ВМ-1, ВМ-2, ВМ-5 и ВМ-7, сложные эфиры ОФ и ОС, кремнийорганические жидкости ВК Ж-94А и ПФ МС-2.

Высоковакуумные парортутные насосы до настоящего времени находят широкое применение в промышленности и технике, несмотря на известные недостатки ртути: токсичность, высокую упругость пара при комнатной температуре, обусловливающую необходимость применения низкотемпературных ловушек; высокую химическую активность по отношению к металлам, ограничивающую выбор конструкционных материалов насосов. Они используются в основном для откачки ртутных выпрямителей, газосветных ламп, масс-спектрометров, ускорителей, установок для термоядерных исследований и т. д.

Широкое использование парортутных насосов обусловлено рядом их важных достоинств. При использовании низкотемпературных ловушек они позволяют получать «чистый» вакуум, не загрязняя откачиваемую систему побочными газообразными продуктами; очень стабильны в работе, так как ртуть не разлагается в кипятильнике насоса; имеют большой срок службы и мало чувствительны к прорывам атмосферы в насос, если при этом не происходит значительного уноса из него ртути.

Выпускаются высоковакуумные парортутные насосы с быстротой откачки 10, 15, 500, 1500 и 6000 л/с.

Вакуумные паромасляные насосы наиболее широко распространены в промышленности, что обусловлено простотой их устройства и надежностью работы. Используемые в насосах в качестве рабочих жидкостей вакуумные масла совершенно безвредны, не взаимодействуют с конструкционными материалами и обладают низкой упругостью пара при комнатной температуре. При помощи высоковакуумных паромасляных насосов можно получать остаточные давления ниже 10^-4 Па без применения низкотемпературных ловушек.

Выпускается значительный ассортимент различных высоковакуумных паромасляных насосов как общего, так и специального назначения с быстротой откачки от 5 до 38 000 л/с.

Конструкция пароструйного (паромасляного насоса) представлена на рис.3.

Рабочая жидкость нагревается в кипятильнике 1 нагревателем. Образующийся пар по паропроводу 2 поступает к соплам первой (3), второй (4) и третьей (5) ступеней и вытекает из них со скоростью, превышающей скорость звука. Откачиваемый из реципиента газ поступает в насос через впускной патрубок 7 и диффундирует в струю рабочего пара.

Попадая на охлаждаемую водой стенку корпуса 6, пар конденсируется и конденсат стекает в кипятильник, где он вновь испаряется, т. е. в насосе обеспечивается непрерывная циркуляция рабочей жидкости.

Газ, увлеченный паром, вытекающим из сопел первой ступени, отбрасывается в основном вниз и диффундирует в струи второй, а затем третьей ступени и подается к выпускному патрубку насоса, откуда он откачивается механическим форвакуумным насосом.

 

Сверхвысоковакуумные насосы

 

Магниторазрядный насос

 

В основе действия магниторазрядного насоса лежит поглощение газов титаном, распыляемым при высоковольтном разряде в магнитном поле. Одиночная разрядная ячейка насоса (рис. 4) образована двумя титановыми катодными пластинами и анодом из нержавеющей стали. Разрядная ячейка помещена в магнитное поле, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды разрядной ячейки высокого напряжения (положительного на анод по отношению к катодам в насосах НЭМ или отрицательного на катоды по отношению к аноду в насосах НОРД) в ячейке возникает газовый разряд в широкой области низких давлений. Образующиеся в разряде положительные ионы газа ускоряются электрическим полем к катодам и внедряются в них, при этом происходит распыление материала катода (титана) и осаждение его на стенках анода и других поверхностях насоса.

 

Откачное действие насоса определяется внедрением ионов газа в материал катода (ионной откачкой) и поглощением остаточных газов распыленным титаном (сорбционной откачкой). В зависимости от производительности магниторазрядные насосы содержат десятки и сотни разрядных ячеек, которые объединяются в электроразрядные блоки, помещенные в корпус из нержавеющей стали. Магнитное поле напряженностью 700 Э создается оксидно-бариевыми магнитами, расположенными с внешней стороны корпуса. Насос обезгаживается прогревом при температуре 400…500 °С.

Благодаря отсутствию в насосах накаленных и движущихся деталей, а также рабочей жидкости они обладают высокой надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), просты в обслуживании и не выходят из строя при аварийном попадании атмосферы в вакуумную систему. Насосы позволяют оценивать давление в системе по разрядному току. Они работают в области высокого и сверхвысокого вакуума и дают возможность получить предельное остаточное давление 1·10^-8 Па.

 

Таблица 1

Относительная быстрота откачки газов магниторазрядными насосами

 

Газ	Быстрота откачки, %	Газ	Быстрота откачки, %
Водород		Окись углерода
Метан		Двуокись углерода
Аммиак		Кислород
Пары воды		Гелий	11 - 20
Воздух		Аргон	1 - 4
Азот

 

Турбомолекулярный насос

 

Турбомолекулярные вакуумные насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума (от 10^-2 до 10^-8 Па). По сравнению с молекулярными насосами малых зазоров, допускающими прогрев области впускного патрубка до 150 °С, они более надежны в эксплуатации и, главное, имеют значительно более высокую быстроту откачки.

При достижении остаточного давления во впускном патрубке турбомолекулярного насоса не содержится паров масла. В противоположность пароструйным насосам турбомолекулярные насосы начинают работать сразу же после пуска и не ухудшают своих характеристик от прорывов атмосферного воздуха. Большая быстрота безмасляной откачки в широком диапазоне давлений, отсутствие ловушек и затворов – важные преимущества турбомолекулярных насосов по сравнению с паромасляными.

Схема устройства турбомолекулярного насоса показана на рис. 5.

В корпусе 1, с закрепленными в нем дисками 2, вращается ротор 3 с дисками. В дисках имеются косые прорези, причем прорези в роторных дисках расположены зеркально по отношению к прорезям в дисках корпуса. При вращении ротора откачка происходит за счет преимущественного отражения молекул от середины ротора к краям. Толщина дисков в описываемом насосе составляет несколько миллиметров, расстояние между дисками 1 мм. Радиальные зазоры также могут составлять около 1 мм, поскольку обратное протекание газа через такие зазоры при низких давлениях значительно меньше достигаемой быстроты откачки. Диски имеют большое число параллельно работающих прорезей, благодаря чему достигается большая быстрота откачки - 250 л/с.

 

Конденсационные насосы

 

Конденсационные, или криогенные, насосы используются в качестве последующих ступеней в сверхвысоковакуумных установках и обладают большой скоростью откачки (до 1 000 000) л/с. при давлении 1·10^-8…1·10^-9 Па. Причем, криопанели (охлаждаемые поверхности криогенных насосов) могут быть расположены непосредственно внутри вакуумной камеры. В идеальном случае температура их должна быть достаточно низкой, чтобы вымораживать почти все газы и пары до пренебрежительно низкого равновесного давления. Ко всей поверхности таких панелей должен быть обеспечен свободный доступ откачиваемого газа, т. е. быстрота откачки должна ограничиваться лишь площадью криогенной поверхности и коэффициентом прилипания падающих на нее молекул. На практике охлаждение поверхностей до низких температур является дорогостоящим делом, причем стоимость увеличивается при понижении температуры криопанелей при той же газовой нагрузке. По этой причине криопанели окружаются сложными радиационными экранами, чтобы преграждать путь и предварительно охлаждать большинство молекул газа, диффундирующих в направлении криопанелей и защитить криопанели от теплового излучения.

Очевидно, что криопанели имеют ограниченную емкость и периодически их нужно отогревать, чтобы освободиться от намерзшего газа.

В зависимости от назначения криогенного насоса в качестве охлаждающей жидкости используется жидкий кислород, азот, водород, гелий.

В установке МЛЭ «Ангара» используется криопанель в комбинации с конденсационным насосом (рис. 6).

Откачное действие насосов ГИН определяется поглощением газов пленкой титана. Испарение титана в насосе происходит из твердой фазы, минуя жидкую фазу, пропусканием тока через биметаллическую титано-молибденовую проволоку диаметром 3 мм. Конструкция предусматривает периодическую разборку насоса для смены испарителей по истечении срока их службы или выхода из строя.

 

Измерение вакуума

 

Приборы для измерения давлений газа ниже атмосферного (вакуумметры), выпускаемые отечественной промышленностью, разделяются на следующие группы:

деформационные вакуумметры, в которых в качестве чувствительного элемента используется трубчатая пружина, мембрана или сильфон, деформирующиеся под действием разности давлений с противоположных сторон элементов;

гидростатические вакуумметры, непосредственно измеряющие давление как разность уровней жидкости в сообщающихся сосудах (к этой группе относятся U-образные с открытой и закрытой трубкой, чашечные, поплавковые и колокольные вакуумметры, микровакуумметры с наклонной трубкой);

компрессионные вакуумметры, действие которых основано на изотермическом сжатии идеального газа (манометры Мак-Леода);

теплоэлектрические вакуумметры, в которых используется измерение теплопроводности газов в зависимости от давления. Подразделяются на термопарные и вакуумметры сопротивления;

ионизационные вакуумметры, использующие явление ионизации остаточного газа потоком электронов, испускаемых накаленным катодом (электронные ионизационные вакуумметры), или альфа-частицами, получаемыми радиоактивным препаратом (радиоактивные ионизационные вакуумметры). Ионный ток в этих приборах служит мерой молекулярной концентрации, т. е. давления газа;

электроразрядные магнитные вакуумметры, в которых мерой давления служит ток разряда, возникающий при низких давлениях под действием электрического и магнитных полей (разновидностью вакуумметров этого класса являются магнетронный и инверсно-магнетронный вакуумметры).

Области давлений, измеряемые различными вакуумметрами, приведены в табл. 2.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Получение форвакуума

Для получения форвакуума в откачиваемых объектах установки МЛЭ «Ангара» (рис. 7) необходимо произвести следующие операции:

а) включить форвакуумный насос 16;

б) через 5 мин работы залить жидкий азот в азотную ловушку 14;

 

Таблица 2

Высокое давление (низкий вакуум), Па

Среднее давление (средний вакуум), Па

Низкое давление (высокий вакуум), Па

Сверхнизкое давление (сверхвысокий вакуум), Па

10^5

10^4

10^3

10^2

10^1

10^0

10^‑1

10^‑2

10^‑3

10^‑4

10^‑5

10^‑6

10^‑7

10^‑8

10^‑9

Гидростатические

Деформационные

Компрессионные

Теплоэлектрические

Ионизационные

Электроразрядные

Инверсно - магнетронные

в) откачать форлинию до давления 5·10¹ Па, измеряя давление вакуумметром 13ВТ3-003;

г) откачать сорбционный насос 7, залить в сосуд Дьюара насоса жидкий азот;

д) перекрыть форвакуумную линию, выключить форвакуумный насос 16;

е) подключить камеры под откачку сорбционным насосом 7 до 1 Па, измеряя давление вакуумметром 13ВТ3-003;

ж) включить насосы 13, 25;

з) перекрыть откачку камер сорбционным насосом;

и) подключить камеры под откачку насосами 13, 25 и откачать систему до давления 10^-3 Па.

2. Получение высокого вакуума:

а) включить магниторазрядные насосы 4, 5, 6;

б) через несколько минут перекрыть насосы 13, 25 и затем выключить;

в) откачать систему до ≈ 5·10^-6 Па, контролируя давление по вакуумметру ВМБ 1/8-001 или по току разряда насосов 4, 5, 6.

 

3. Прогрев технологических модулей:

а) проверить систему на течь;

б) снять все подводящие шланги водяного охлаждения;

в) снять все подводящие кабели и магниты с горизонтальных манипуляторов и вакуумметров;

г) отключить блоки питания и снять высоковольтные разъемы с магниторазрядных насосов 4, 5, 6;

д) укрыть технологические модули кремнеземной тканью для теплоизоляции установки во время прогрева;

е) проверить цели прогрева на отсутствие замыкания на конце;

ж) выставить на задатчиках блока управления нагревом камеры (БУНК) температуру 250 °С;

з) включить блок нагрева камеры (БНК) и прогреть технологические модули при температуре 250 °С в течение 12 ч, производя откачку с помощью сорбционных насосов 7, 8, 9 чернового магниторазрядного насоса 13, турбомолекулярного насоса 25;

и) отключить нагрев;

к) при достижении температуры 100 °С подключить высоковольтные разъемы к магниторазрядным насосам 4, 5, 6, включить блоки питания;

з) при достижении температуры установки 30 °С снять кремнеземную ткань и присоединить все подводящие кабели и магниты.

 

4. Получение сверхвысокого вакуума:

 

а) залить азот в криопанели технологических модулей;

б) периодически включать питание криопанелей при токе 42…45 А;

в) откачать технологические модули до 3·10^-8 Па.

Требования к отчету

 

Отчет должен содержать:

1) краткие сведение о физических основах получения и контроля сверхвысокого вакуума;

2) блок-схему механической системы МЛЭ «Ангара»;

3) экспериментальные данные при получении сверхвысокого вакуума;

4) анализ полученных результатов и выводы по работе.

 

8. Контрольные вопросы

 

1. Перечислите типы вакуумных насосов, применяемых для получения низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.

2. В чем заключается принцип работы форвакуумного, магниторазрядного, турбомолекулярного насоса?

3. В чем заключается принцип работы термопарного, ионизационного, электроразрядного вакуумметров? Каков диапазон измерений?

4. В чем заключается принцип работы сорбционного насоса, криопанели?

5. Объясните блок-схему, назначение отдельных элементов технической системы МЛЭ «Ангара», порядок откачки технологических модулей, перечислить этапы получения сверхвысокого вакуума.

6. Объясните процессы абсорбции, десорбции, адсорбции, хемосорбции, сублимации, диффузии в откачном оборудовании сверхвысокого вакуума.

 

Литература

 

1. Лубенец В. Д. Вакуумные системы. М.: Машиностроение, 1968.

2. Пауэр Б. Д. Высоковакуумные откачные устройства. М.: Энергия, 1969.

3. Техническое описание механической системы «Ангара». Новосибирск, 1986.

4. Вакуумная технология: Лабораторный практикум по курсу «Технология электронного машиностроения» / Сост. Е. П. Васильева, В. П. Кононов, В.Б. Очирова и др. Красноярск: САА, 1994. 85 с.

 

 

Лабораторная работа № 2