Турбомолекулярный вакуумный насос: принцип работы и конструкция.

Введение

Насос, предназначенный для создания и поддержания высокого вакуума – вакуумный насос.

Турбомолекулярный насос – это тип вакуумного насоса, внешне похожий на турбонасос, используемый для получения и поддержания высокого вакуума. Эти насосы работают по принципу передачи импульса молекулам газа в нужном направлении посредством многократных столкновений с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном насосе быстро вращающийся ротор «направляет» молекулы газа от входа насоса к выходу, создавая или поддерживая вакуум.

Принципы работы

Большинство турбомолекулярных насосов используют несколько ступеней, каждая из которых состоит из быстро вращающейся лопасти ротора и стационарной пары лопастей статора. Система представляет собой осевой компрессор, который передает энергию газу, а не турбину, которая извлекает энергию из движущейся жидкости для создания вращательной мощности, поэтому термин "турбомолекулярный насос" является не совсем точным. Газ, захваченный верхними ступенями, перемещается в нижние ступени и последовательно сжимается до уровня давления форвакуумного (поддерживающего) насоса. Когда молекулы газа входят через впускное отверстие, ротор, имеющий ряд угловых лопастей, сталкивается с молекулами. Таким образом, механическая энергия лопастей передается молекулам газа. Получив этот новый импульс, молекулы газа попадают в газопередающие отверстия в статоре. Это направляет их на следующую ступень, где они снова сталкиваются с поверхностью ротора, и этот процесс продолжается, в конечном итоге выводя их наружу через выпускное отверстие. Из-за относительного движения ротора и статора молекулы преимущественно сталкиваются с нижней стороной лопастей. Поскольку поверхность лопасти направлена вниз, большинство рассеянных молекул покидают ее в направлении вниз. Поверхность шероховатая, поэтому отражений не происходит. Лопасть должна быть достаточно толстой и стабильной для работы при высоком давлении, а также максимально тонкой и слегка изогнутой для достижения максимального сжатия. Для высоких степеней сжатия горловина между соседними лопастями ротора (как показано на рисунке) направлена как можно больше вперед. Для высоких скоростей потока лопасти расположены под углом 45° и приближаются к оси. Поскольку сжатие на каждой ступени составляет ≈10, каждая ступень, расположенная ближе к выходу, значительно меньше, чем предыдущие входные ступени. Это имеет два следствия. Геометрическая прогрессия показывает, что бесконечное число ступеней идеально может поместиться в конечную осевую длину. Эта конечная длина в данном случае соответствует полной высоте корпуса, поскольку подшипники, двигатель, контроллер и некоторые охладители могут быть установлены внутри на оси. В радиальном направлении, чтобы захватить как можно больше разреженного газа на входе, роторы на входной стороне в идеале должны иметь больший радиус и, соответственно, более высокую центробежную силу; идеальные лопасти должны быть тоньше к своим концам. Однако, поскольку средняя скорость лопасти оказывает такое сильное влияние на перекачку, это достигается увеличением диаметра у основания, а не диаметра кончика, где это возможно. Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях, а нагрев из-за трения накладывает ограничения на конструкцию. Некоторые турбомолекулярные насосы используют магнитные подшипники для уменьшения трения и загрязнения маслом. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы допускают лишь небольшой зазор между ротором и статором, лопасти на ступенях высокого давления частично вырождаются в единую спиральную фольгу. Ламинарный поток не может использоваться для перекачки, поскольку ламинарные турбины срываются, если не используются при расчетном потоке. Насос можно охладить для повышения степени сжатия, но его не следует охлаждать настолько сильно, чтобы на лопастях конденсировался лед. Когда турбонасос останавливается, масло из форвакуумного насоса может проходить обратно через турбонасос и загрязнять камеру. Один из способов предотвратить это - подавать через насос ламинарный поток азота. Переход от вакуума к азоту и от работающего к неподвижному турбонасосу должен быть точно синхронизирован, чтобы избежать механических напряжений в насосе и избыточного давления на выходе. Для защиты турбонасоса от чрезмерного обратного давления (например, после отключения электроэнергии или утечки в форвакуумной системе) следует добавить тонкую мембрану и клапан на выходе. Ротор стабилизирован во всех шести степенях свободы. Одной степенью управляет электродвигатель. Как минимум, эта степень должна быть стабилизирована электронным способом (или диамагнитным материалом, который слишком нестабилен для использования в прецизионных подшипниках насоса). Другой способ (не учитывая потери в магнитных сердечниках при высоких частотах) - построить этот подшипник в виде оси со сферой на каждом конце. Эти сферы находятся внутри полых статических сфер. На поверхности каждой сферы имеется шахматный рисунок линий магнитного поля, направленных внутрь и наружу. При вращении шахматного рисунка на статических сферах вращается и ротор. В этой конструкции ни одна ось не стабилизируется за счет дестабилизации другой оси, а все оси нейтральны, и электронная регулировка менее напряжена и более динамически стабильна. Датчики Холла могут использоваться для определения положения вращения, а другие степени свободы могут измеряться емкостно.

Most turbomolecular pumps employ multiple stages, each consisting of a quickly rotating rotor blade and stationary stator blade pair. The system is an axial compressor that puts energy into the gas, rather than a turbine, which takes energy out of a moving fluid to create rotary power, thus "turbomolecular pump" is a misnomer. Gas captured by the upper stages is pushed into the lower stages and successively compressed to the level of the fore vacuum (backing pump) pressure. As the gas molecules enter through the inlet, the rotor, which has a number of angled blades, hits the molecules. Thus the mechanical energy of the blades is transferred to the gas molecules. With this newly acquired momentum, the gas molecules enter into the gas transfer holes in the stator. This leads them to the next stage where they again collide with the rotor surface, and this process is continued, finally leading them outwards through the exhaust. Because of the relative motion of rotor and stator, molecules preferentially hit the lower side of the blades. Because the blade surface looks down, most of the scattered molecules will leave it downwards. The surface is rough, so no reflection will occur. A blade needs to be thick and stable enough for high pressure operation and as thin as possible and slightly bent for maximum compression. For high compression ratios the throat between adjacent rotor blades (as shown in the image) is pointing as much as possible in the forward direction. For high flow rates the blades are at 45° and reach close to the axis. Because the compression of each stage is ≈10, each stage closer to the outlet is considerably smaller than the preceding inlet stages. This has two consequences. The geometric progression tells us that infinite stages could ideally fit into a finite axial length. The finite length in this case is the full height of the housing as the bearings, the motor, and controller and some of the coolers can be installed inside on the axis. Radially, to grasp as much of the thin gas at the entrance, the inlet side rotors would ideally have a larger radius, and correspondingly higher centrifugal force; ideal blades would get thinner towards their tips. However, because the average speed of a blade affects pumping so much this is done by increasing the root diameter rather than the tip diameter where practical. Turbomolecular pumps must operate at very high speeds, and the heat buildup due to friction imposes design limitations. Some turbomolecular pumps use magnetic bearings to reduce friction and oil contamination. Because the magnetic bearings and the temperature cycles allow for only a limited clearance between rotor and stator, the blades at the high pressure stages are somewhat degenerated into a single helical foil each. Laminar flow cannot be used for pumping, because laminar turbines stall when not used at the designed flow. The pump can be cooled down to improve the compression, but should not be so cold as to condense ice on the blades. When a turbopump is stopped, the oil from the backing vacuum may backstream through the turbopump and contaminate the chamber. One way to prevent this is to introduce a laminar flow of nitrogen through the pump. The transition from vacuum to nitrogen and from a running to a still turbopump has to be synchronized precisely to avoid mechanical stress to the pump and overpressure at the exhaust. A thin membrane and a valve at the exhaust should be added to protect the turbopump from excessive back pressure (e. g. after a power failure or leaks in the backing vacuum). The rotor is stabilized in all of its six degrees of freedom. One degree is governed by the electric motor. Minimally, this degree must be stabilized electronically (or by a diamagnetic material, which is too unstable to be used in a precision pump bearing). Another way (ignoring losses in magnetic cores at high frequencies) is to construct this bearing as an axis with a sphere at each end. These spheres are inside hollow static spheres. On the surface of each sphere is a checkerboard pattern of inwards and outwards going magnetic field lines. As the checkerboard pattern of the static spheres is rotated, the rotor rotates. In this construction no axis is made stable on the cost of making another axis unstable, but all axes are neutral and the electronic regulation is less stressed and will be more dynamically stable. Hall effect sensors can be used to sense the rotational position and the other degrees of freedom can be measured capacitively.

Максимальное давление

При атмосферном давлении средний свободный путь воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать только в том случае, если молекулы, попавшие на движущиеся лопатки, достигают неподвижных лопаток до столкновения с другими молекулами на своем пути. Для этого зазор между движущимися и неподвижными лопатками должен быть близок или меньше среднего свободного пути. С практической точки зрения конструкции, реализуемый зазор между комплектами лопаток составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос остановится (не будет чистого перекачивания), если выхлоп направлен непосредственно в атмосферу. Поскольку средний свободный путь обратно пропорционален давлению, турбонасос будет создавать вакуум, когда давление выхлопа ниже того значения, при котором средний свободный путь составляет около 0,7 мм. Большинство турбонасосов имеют насос Холвека (или молекулярно-трещичный насос) в качестве последней ступени для увеличения максимального противодавления (давления выхлопа) примерно до 1–10 мбар. Теоретически, центробежный насос, насос бокового канала или регенеративный насос могли бы использоваться для откачки до атмосферного давления напрямую, но в настоящее время нет коммерчески доступных турбонасосов, которые откачивают непосредственно в атмосферу. В большинстве случаев выхлоп подключается к механическому форвакуумному насосу (обычно называемому грубым насосом), который создает давление, достаточно низкое для эффективной работы турбомолекулярного насоса. Обычно это противодавление ниже 0,1 мбар и, как правило, составляет около 0,01 мбар. Противодавление редко бывает ниже 10−3 мбар (средний свободный путь ≈ 70 мм), поскольку сопротивление потоку в вакуумной трубе между турбонасосом и грубым насосом становится значительным. Турбомолекулярный насос может быть очень универсальным насосом. Он может создавать различные степени вакуума, от промежуточного вакуума (≈10−2 Па) до сверхвысокого вакуума (≈10−8 Па). Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или на производственном предприятии могут быть соединены трубами с небольшим форвакуумным насосом. Автоматические клапаны и устройство, подобное диффузионному насосу, впрыскивающее газ в большую буферную трубу перед форвакуумным насосом, предотвращают избыточное давление от одного насоса, которое могло бы остановить другой насос.

At atmospheric pressure, the mean free path of air is about 70 nm. A turbomolecular pump can work only if those molecules hit by the moving blades reach the stationary blades before colliding with other molecules on their way. To achieve that, the gap between moving blades and stationary blades must be close to or less than the mean free path. From a practical construction standpoint, a feasible gap between the blade sets is on the order of 1 mm, so a turbopump will stall (no net pumping) if exhausted directly to the atmosphere. Since the mean free path is inversely proportional to pressure, a turbopump will pump when the exhaust pressure is less than about where the mean free path is about 0.7 mm. Most turbopumps have a Holweck pump (or molecular drag pump) as their last stage to increase the maximum backing pressure (exhaust pressure) to about 1–10 mbar. Theoretically, a centrifugal pump, a side channel pump, or a regenerative pump could be used to back to atmospheric pressure directly, but currently there is no commercially available turbopump that exhausts directly to atmosphere. In most cases, the exhaust is connected to a mechanical backing pump (usually called roughing pump) that produces a pressure low enough for the turbomolecular pump to work efficiently. Typically, this backing pressure is below 0.1 mbar and commonly about 0.01 mbar. The backing pressure is rarely below 10−3 mbar (mean free path ≈ 70 mm) because the flow resistance of the vacuum pipe between the turbopump and the roughing pump becomes significant. The turbomolecular pump can be a very versatile pump. It can generate many degrees of vacuum from intermediate vacuum (≈10−2 Pa) up to ultra high vacuum levels (≈10−8 Pa). Multiple turbomolecular pumps in a lab or manufacturing plant can be connected by tubes to a small backing pump. Automatic valves and diffusion pump like injection into a large buffer tube in front of the backing pump prevents any overpressure from one pump to stall another pump.

Практические соображения

Законы динамики жидкостей не дают хороших приближений для описания поведения отдельных, сильно разряженных, не взаимодействующих молекул газа, таких как те, что встречаются в условиях высокого вакуума. Максимальное сжатие изменяется линейно с окружной скоростью вращения ротора. Для достижения крайне низких давлений, вплоть до 1 микропаскаля, часто требуются скорости вращения от 20 000 до 90 000 оборотов в минуту. К сожалению, степень сжатия изменяется экспоненциально в зависимости от квадратного корня молекулярной массы газа. Таким образом, тяжелые молекулы перекачиваются гораздо эффективнее, чем легкие. Большинство газов достаточно тяжелы для эффективной откачки, но водород и гелий перекачивать эффективно сложно. Дополнительный недостаток связан с высокой скоростью вращения ротора этого типа насоса: требуются подшипники очень высокого качества, что увеличивает стоимость. Поскольку турбомолекулярные насосы работают только в условиях молекулярного потока, для эффективной работы чисто турбомолекулярного насоса необходим очень мощный форвакуумный насос. Поэтому многие современные насосы оснащены ступенью молекулярного сопротивления, например, механизмом Холвека или Геде, вблизи выпускного отверстия, чтобы уменьшить требуемую мощность форвакуумного насоса. Большая часть последних разработок турбонасосов была сосредоточена на повышении эффективности ступеней сопротивления. По мере откачки газа из откачиваемого объема доля легких газов – водорода и гелия – в оставшейся газовой нагрузке увеличивается. В последние годы было показано, что точная конструкция геометрии поверхности ступеней сопротивления может существенно влиять на откачку этих легких газов, улучшая степень сжатия до двух порядков величины при заданном объеме откачки. В результате стало возможным использовать значительно менее мощные форвакуумные насосы, чем это потребовалось бы для чисто турбомолекулярных насосов, и/или создавать более компактные турбомолекулярные насосы.

История

Турбомолекулярный насос был изобретен в 1958 году В. Беккером, основываясь на более ранних молекулярно-кинетических насосах, разработанных Вольфгангом Геде в 1913 году, Фернандом Холвеком в 1923 году и Манне Зигбаном в 1944 году.