Кіріспе

Жоғары вакуумды құруға және сақтауға арналған насос – вакуумдық насос. Турбомолекулалық насос – жоғары вакуумды алу және сақтау үшін қолданылатын, сырт көрінісінде турбонасосқа ұқсас вакуумдық насос түрі. Бұл насостар газ молекулаларына жылдам қозғалатын қатты бетпен бірнеше рет соқтығысу арқылы белгілі бір бағытта импульс беру принципі бойынша жұмыс істейді. Турбомолекулалық насоста, жоғары жылдамдықпен айналатын желдеткіш роторы, вакуум жасау немесе оны сақтау үшін, насостың кіреберісінен газ молекулаларын шығаруға қарай "итереді".

Жұмыс істеу қағидалары

Көптеген турбомолекулярлық сорғылар бірнеше сатыдан тұрады, әр сатысы жылдам айналатын роторлық және тұрақты статорлық қақпақтардан құралған. Жүйе – газға энергия беру арқылы жұмыс істейтін осьтік компрессор, турбина емес, ол қозғалатын сұйықтықтан энергияны алып, айналмалы қуат жасайды, сондықтан "турбомолекулярлық сорғы" деген дұрыс емес атау. Жоғары сатылардағы газ төменгі сатыларға итеріліп, алдыңғы вакуум (көктеп беру сорғысы) қысымы деңгейіне дейін біртіндеп қысылады. Газ молекулалары кіреберіс арқылы кіргенде, бұрышты қақпақтары бар ротор оларға соқтығысады. Осылайша, қақпақтың механикалық энергиясы газ молекулаларына беріледі. Осы жаңа импульспен газ молекулалары статордағы газ тасымалдау тесіктеріне кіреді, одан кейін келесі сатыға өтеді, онда олар қайтадан ротор бетіне соқтығысады, бұл процесс жалғасады және ақырында газ шығару арқылы сыртқа шығарылады. Ротор мен статордың салыстырмалы қозғалысынан молекулалар көбінесе қақпақтардың төменгі жағына тиеді. Қақпақ төмен қарағандықтан, шашыраған молекулалардың көп бөлігі төмен қарай кетеді. Беті кедір-бүдыр болғандықтан, шағылысу болмайды. Қақпақ жоғары қысымда жұмыс істеу үшін жеткілікті қалың және берік болуы керек, сонымен қатар максималды қысым үшін мүмкіндігінше жұқа және сәл иілген болуы керек. Жоғары қысу коэффициенттері үшін көршілес ротор қақпақтары арасындағы (суретте көрсетілгендей) тарылу мүмкіндігінше алға қарай бағытталған. Жоғары өнімділік үшін қақпақтар 45° бұрышта орналасқан және оське жақын болады. Әр сатының қысуы ≈10 болғандықтан, шығысқа жақын әр саты алдыңғы кіріс сатыларынан әлдеқайда кішкентай болады. Бұл екі салдарға әкеледі. Геометриялық прогрессия шексіз сатылар шекті осьтік ұзындыққа сыйып қоятынын көрсетеді. Бұл жағдайдағы шекті ұзындық – корпустың толық биіктігі, себебі подшипниктер, мотор, басқару құрылғысы және кейбір салқындатқыштар ось бойында орналастырылуы мүмкін. Радиальды түрде, кіреберістегі жұқа газдың мүмкіндігінше көп бөлігін ұстап алу үшін кіреберіс жағындағы роторлардың радиусы үлкен және сәйкесінше жоғары центробегіш күші болуы керек; идеалды қақпақтар ұштарына қарай жұқарады. Дегенмен, қақпақтың орташа жылдамдығы сорғылауға үлкен әсер ететіндіктен, практикалық жағдайда ұш диаметріне қарағанда тамыр диаметрін ұлғайту арқылы бұл мәселе шешіледі. Турбомолекулярлық сорғылар өте жоғары жылдамдықпен жұмыс істеуі керек, ал үйкелістен туындаған жылу жинақталуы конструкциялық шектеулерді тудырады. Кейбір турбомолекулярлық сорғылар үйкелісті және майдың ластануын азайту үшін магниттік подшипниктерді қолданады. Магниттік подшипниктер мен температуралық циклдар ротор мен статор арасындағы шектеулі арақашықтықты қамтамасыз етеді, сондықтан жоғары қысымды сатылардағы қақпақтар бір спиральді фольгаға айналады. Ламинарлы ағынды сорғы үшін пайдалануға болмайды, себебі ламинарлы турбиналар жобаланған ағыста қолданылмағанда тоқтап қалады. Қысуды жақсарту үшін сорғыны салқындатуға болады, бірақ ол қақпақтарда мұз конденсациясын тудырмауы керек. Турбосорғы тоқтаған кезде, артқы вакуумнан шыққан май турбосорғы арқылы кері ағып, камераны ластауы мүмкін. Бұған жол бермеудің бір жолы – сорғы арқылы азоттың ламинарлы ағынын енгізу. Вакуумнан азотқа және жұмыс істеп тұрған турбосорғыдан тұрақтанған турбосорғыға өту кезінде, сорғыға механикалық жүктеме түспеуі және шығарудағы қысымның артуын болдырмау үшін синхрондау дәл болуы керек. Турбосорғыны шамадан тыс кері қысымнан (мысалы, қуат тоқтағаннан кейін немесе артқы вакуумдағы ағындардан) қорғау үшін жұқа мембрана мен шығару клапаны қосылуы керек. Ротордың барлық алты еркіндік дәрежесі тұрақтандырылған. Бір дәрежесі электр қозғалтқышымен басқарылады. Бұл дәреже кемінде электронды түрде тұрақтандырылуы керек (немесе дәлдікті сорғы подшипниктерінде қолдануға тым тұрақсыз диамагниттік материалмен). Басқа тәсіл (магниттік өзектердегі жоғалтуларды жоғары жиіліктерде ескермеу) – бұл подшипникті әр шетінде шарлары бар ось ретінде жасау. Бұл шарлар қуыс статикалық шарлардың ішінде орналасқан. Әр шардың бетінде магнит өрісінің ішкі және сыртқы сызықтарының шахматтағы үлгісі бар. Статикалық шарлардың шахматтағы үлгісі айналғанда ротор айналады. Бұл конструкцияда бір осьті тұрақтандыру үшін екіншісін тұрақсыз ету қажет емес, барлық осьтер бейтарап және электрондық реттеуге аз жүктеме түседі, соның салдарынан динамикалық тұрақтылығы артады. Холл эффекті сенсорлары айналу позициясын анықтау үшін қолданылуы мүмкін, ал басқа еркіндік дәрежелері сыйымдылықпен өлшенеді.

Ең жоғары қысым

Атмосфералық қысымда ауаның орташа еркін жолы шамамен 70 нм құрайды. Турбомолекулалық сорғы, қозғалмалы қақпақтарға тиген молекулалар, өз жолында басқа молекулалармен соқтығыспай тұрған қақпақтарға жеткен жағдайда ғана жұмыс істей алады. Мұны қамтамасыз ету үшін, қозғалмалы және тұрған қақпақтар арасындағы аралық орташа еркін жолға тең немесе одан кем болуы керек. Практикалық тұрғыдан алғанда, қақпақтар жиынтығы арасындағы мүмкін аралық 1 мм шамасында болады, сондықтан турбосорғы тікелей атмосфераға шығарылса, тоқтап қалады (сорғылау болмайды). Орташа еркін жол қысымға кері пропорционалды болғандықтан, турбосорғы, орташа еркін жолы шамамен 0,7 мм болатын қысымнан төмен қысымды сорғылайды. Көптеген турбосорғылардың соңғы сатысында Холвек сорғысы (немесе молекулалық серпіліс сорғысы) орналасқан, ол максималды кері қысымды (эвакуациялық қысымды) шамамен 1–10 мбар-ға дейін арттырады. Теориялық тұрғыдан алғанда, центробектік сорғы, бүйірлік каналды сорғы немесе регенеративті сорғы тікелей атмосфералық қысымға кері сорғылау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ қазіргі уақытта тікелей атмосфераға эвакуациялайтын коммерциялық турбосорғылар жоқ. Көбінесе эвакуациялық шығыс механикалық кері сорғыға (әдетте, бастапқы сорғы деп аталады) қосылады, ол турбомолекулалық сорғының тиімді жұмыс істеуі үшін жеткілікті төмен қысымды қамтамасыз етеді. Әдетте, бұл кері қысым 0,1 мбардан төмен, көбінесе шамамен 0,01 мбарды құрайды. Кері қысым сирек жағдайда 10−3 мбар-дан төмен болады (орташа еркін жол ≈ 70 мм), өйткені турбосорғы мен бастапқы сорғы арасындағы вакуумдық құбырдың ағынға қарсы кедергісі маңызды болады. Турбомолекулалық сорғы өте әмбебап сорғы болып табылады. Ол аралық вакуумнан (≈10−2 Па) бастап жоғары вакуум деңгейлеріне (≈10−8 Па) дейін вакуумның көптеген деңгейлерін тудыра алады. Зертханада немесе өндіріс орнында бірнеше турбомолекулалық сорғылар құбырлар арқылы кішкентай кері сорғыға қосылуы мүмкін. Автоматты клапандар және диффузиялық сорғы сияқты, кері сорғының алдындағы үлкен буферлік құбырға инъекция жасау, бір сорғының артық қысымының екінші сорғыны тоқтатуына жол бермейді.

Іс жүзіндегі ескертулер

Сұйықтық динамикасының заңдары жоғары вакуум ортасында кездесетін, жеке, күшті бөлінген, өзара әрекеттеспейтін газ молекулаларының мінез-құлқына дұрыс жуықтама беруге мүмкіндік бермейді. Максималды сығылу ротордың шеңберлік жылдамдығымен сызықты түрде өзгереді. 1 микропаскальға дейін өте төмен қысым алу үшін көбінесе минутына 20 000 – 90 000 айналым жылдамдығы қажет болады. Өкінішке орай, сығылу коэффициенті газдың молекулалық салмағының квадрат түбіріне пропорционалды экспоненциалды түрде өзгереді. Сондықтан, ауыр молекулалар жеңіл молекулаларға қарағанда әлдеқайда тиімді сорылады. Көптеген газдар жақсы сорылуы үшін жеткілікті ауыр, бірақ сутегі мен гелийді тиімді сору қиын. Осы типтегі сорғының роторының жоғары жылдамдығынан туындайтын қосымша кемшілік бар: өте жоғары сапалы подшипниктер қажет, бұл құнға әсер етеді. Турбомолекулалық сорғылар тек молекулалық ағым жағдайында жұмыс істейтіндіктен, таза турбомолекулалық сорғы тиімді жұмыс істеу үшін өте үлкен қосалқы сорғыны қажет етеді. Сондықтан, көптеген қазіргі заманғы сорғыларда қажетті арқалық сорғының көлемін азайту үшін шығару орнамасының жанында Холвек немесе Геде механизмі сияқты молекулалық сүйреу сатысы бар. Жақындағы турбосорғыны жетілдірудің көп бөлігі сүйреу сатыларының тиімділігін арттыруға бағытталған. Газ сорылатын кеңістіктен алынғанда, жеңіл газдар – сутегі мен гелий қалған газ жүктемесінің үлкен бөлігін құрайды. Соңғы жылдары сүйреу сатыларының беткі геометриясының нақты дизайны осы жеңіл газдарды соруға елеулі әсер ете алатыны көрсетілді, бұл берілген сору көлемі үшін сығылу коэффициенттерін екі ретке дейін жақсартады. Нәтижесінде, таза турбомолекулалық сорғыларға қажеттіге қарағанда әлдеқайда кішкентай арқалық сорғыларды пайдалануға және/немесе ықшам турбомолекулалық сорғыларды жобалауға болады.

Тарих

Турбомолекулярлық сорғыны 1958 жылы В. Беккер ойлап тапты, ол 1913 жылы Вольфганг Геде, 1923 жылы Фернанд Холвек және 1944 жылы Манне Зигбанн жасаған бұрынғы молекулалық сорғыш насостарға негізделген.