Откачка и вакуумные насосы

Как устроены насосы

Схемы — по принципу действия, без конструктивных подробностей; синим показан путь газа. Пластинчато-роторный, жидкостно-кольцевой, мембранный, спиральный и винтовой насосы начинают откачку от атмосферы, остальные работают только после предварительного насоса.

Форвакуум

Предварительное разрежение, которое создают перед включением высоковакуумного насоса. Большинство высоковакуумных насосов не умеют работать «от атмосферы» и требуют, чтобы на выходе уже было разрежение. Отсюда двухступенчатая схема: форвакуумный насос плюс высоковакуумный.

Пластинчато-роторный насос

Самый распространённый форвакуумный насос, с масляным уплотнением. Дёшев и надёжен, но требует ловушки: пары масла способны проникать обратно в камеру — см. вакуумные ловушки.

Жидкостно-кольцевой (водокольцевой) насос

Эксцентрично посаженное рабочее колесо отбрасывает воду к стенкам корпуса, и между лопатками образуются ячейки переменного объёма. Глубокого вакуума не даёт — ограничен давлением паров рабочей жидкости, порядка 10³ Па, — зато спокойно переносит пар, пыль и конденсат. Это насос для сушки, дегазации, фильтрации, а не для чистых процессов.

Мембранный насос

Колеблющаяся мембрана меняет объём камеры, а клапаны направляют газ от входа к выходу. Полностью сухой и неприхотливый, но с небольшой быстротой; предельное давление зависит от числа ступеней — от сотен до единиц паскалей. Типичная роль — лаборатория и форвакуум для небольшого турбомолекулярного насоса.

Спиральный насос

Две спирали — неподвижная и совершающая орбитальное движение — образуют серповидные полости, которые смещаются к центру и сжимают газ. Масла в рабочей полости нет, насос тихий и даёт давление порядка единиц паскаля. Выбирают там, где чистота важнее цены: аналитика, полупроводниковые процессы, чувствительные покрытия. Уплотнения торцов спиралей со временем меняют, пыль и абразив насос не любит.

Винтовой насос

Два винтовых ротора вращаются без контакта и перемещают газ вдоль оси от входа к выходу. Сухой, с большой быстротой, спокойно переносит пары, конденсат и частицы из процесса. Работает от атмосферы до единиц паскаля и часто служит форвакуумным насосом для насоса Рутса в промышленных установках.

Двухроторный насос (Рутса)

Два восьмёркообразных ротора вращаются навстречу друг другу без контакта и без масла в рабочей полости. Даёт очень большую быстроту в среднем вакууме, но сам на атмосферу не работает: ставится поверх форвакуумного насоса и включается, когда давление опустится до сотен паскалей. Пара «Рутс + пластинчато-роторный» или «Рутс + винтовой» — стандарт для больших камер.

Диффузионный насос

Высоковакуумный насос без движущихся частей: струя паров рабочей жидкости увлекает молекулы газа. Прост и вынослив, но неизбежно связан с риском обратного потока паров, поэтому почти всегда работает в паре с охлаждаемой ловушкой.

Турбомолекулярный насос

Высоковакуумный насос с быстро вращающимся ротором, отбрасывающим молекулы газа в сторону выхода. Даёт высокий и сверхвысокий вакуум, но требует форвакуума и боится попадания частиц и резкого напуска воздуха.

Криогенный насос

Газ не выбрасывается наружу, а намораживается на поверхностях, охлаждённых до 10–20 К, а водород и гелий улавливаются адсорбентом. Чистый, без масла, с огромной быстротой по парам воды. Требует предварительной откачки для запуска и периодической регенерации — отогрева с удалением накопленного газа.

Магниторазрядный (ионный) насос

В скрещённых электрическом и магнитном полях поддерживается разряд; ионы газа внедряются в титановые катоды, а распылённый титан связывает активные газы. Движущихся частей, масла и вибраций нет, насос годами держит сверхвысокий вакуум в закрытом объёме. Запускается только после откачки до 10⁻¹…10⁻² Па, плохо откачивает инертные газы.

Быстрота откачки

Объём газа, который насос удаляет за единицу времени — обычно в л/с или м³/ч. Это паспортная характеристика самого насоса, измеренная на его входном патрубке. На камере вы такой быстроты никогда не получите: между насосом и объёмом всегда есть трубопровод, клапаны, ловушка, и каждый из них сопротивляется потоку газа.

Проводимость тракта

Способность трубопровода пропускать газ, измеряется в тех же единицах, что и быстрота откачки. Зависит от геометрии, причём резко: для длинной круглой трубы проводимость пропорциональна диаметру в кубе и обратно пропорциональна длине. Практический вывод: увеличить диаметр вдвое — это поднять проводимость примерно в восемь раз, а укоротить трубу вдвое — всего в два. Поэтому в вакуумных системах борются в первую очередь за диаметр и за то, чтобы насос стоял ближе к камере.

Эффективная быстрота откачки

То, что реально получает камера. Складывается не суммой, а как параллельные сопротивления: величина, обратная эффективной быстроте, равна сумме обратных величин быстроты насоса и проводимости тракта.

Отсюда главное следствие: результат определяется меньшим из двух. Если проводимость тракта равна быстроте насоса, на камере останется половина паспортной величины. Если тракт вдесятеро «уже» насоса — от насоса останется около десятой части, и покупка более мощного агрегата почти ничего не изменит. Это самая частая ошибка при сборке систем: дорогой насос присоединяют длинным узким патрубком через переходники и удивляются результату.

Время откачки и объём камеры

Объём вакуумируемой камеры входит в расчёт линейно: вдвое больший объём откачивается вдвое дольше при той же эффективной быстроте. Время выхода на заданное давление пропорционально отношению объёма к эффективной быстроте и логарифму отношения начального давления к конечному — то есть каждый следующий порядок разрежения требует примерно одинакового времени.

Но эта формула работает, пока речь о «выкачивании» газа из объёма. Дальше начинает определять не объём, а газовыделение стенок и натекание: система приходит к равновесию, где приток газа равен тому, что успевает удалять насос. Поэтому предельное давление считают не по объёму камеры, а по соотношению суммарного газового потока и эффективной быстроты.