Получение вакуума

Шешин Е.П. Основы вакуумной техники: Учебное пособие. — М.: МФТИ, 2001. — 124 с.

В основу получения вакуума могут быть положены два принципа: первый — удаление газа из откачиваемого сосуда за пределы вакуумной системы, второй — связывание газа в вакуумной системе. Первый принцип реализован в газоперемещающих насосах.
Перемещение массы газа можно производить периодически, отдельными порциями и непрерывно. Для удаления порции газа необходимо изолировать в рабочей камере насоса определенный объем газа, переместить его от входного патрубка насоса к выходному, сжать в процессе перемещения до давления, большего, чем давление в выходном сечении насоса, и вытолкнуть газ за пределы насоса. Вакуумные насосы, которые откачивают газ отдельными порциями в результате периодического изменения объема и положения рабочей камеры, называются объемными вакуумными насосами. Объемными вакуумными насосами являются только механические насосы, т. е. такие насосы, откачивающее действие которых основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса.

Для непрерывного удаления нейтральных молекул газа необходимо иметь тело, которое постоянно увлекало бы и перемещало газ. Таким телом может быть непрерывно движущаяся твердая поверхность или струя жидкости, пара или газа. При соударении с движущейся твердой поверхностью и в результате внутреннего трения молекулы газа приобретают преимущественное направление движения. Механические насосы, откачивающее действие которых основано на увлечении удаляемого газа непрерывно движущимися твердыми поверхностями, получили название молекулярных, так как движущиеся части насоса воздействуют на отдельные молекулы.
Вакуумные насосы, в которых реализуется второй принцип создания вакуума, получили название сорбционных насосов. Газ в сорбционных насосах может связываться геттером (геттер — вещество, применяемое для хемосорбции газов в вакуумных системах), а также сорбироваться и конденсироваться на охлаждаемой поверхности.
Классификация вакуумных насосов по принципу действия приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Классификация вакуумных насосов

Основные параметры вакуумных насосов.
Быстрота действия насоса — это обьем газа удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок насоса:

(л/с, м3/ч) (2.1)
Эффективная быстрота откачки (Sэф) насоса — это обьем газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого обьема в трубопровод. Она зависит от сопротивления трубопровода.
Производительность вакуумного насоса характеризует расход газа во входном сечении насоса при данном давлении и выражается в м3×Па/с. Легко показать, что производительность насоса есть произведение быстроты откачки на давление, при котором она измерена:

Q = p Sн. (2.2)

Установим связь между тремя основными характеристиками вакуумной системы: быстротой действия насоса Sн, эффективной быстротой откачки объекта Sэф и проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U:
Sн = Q/p2 = U (p1 – p2) / p2,
Sэф = Q/p1 = U (p1 – p2) / p1. (2.3)

Если переписать (2.3) в виде
; ,

то после вычитания первого выражения из второго получим

. (2.4)

Уравнение (2.4) называют основным уравнением вакуумной техники, которое может быть переписано в виде:

. (2.5)

При условии Sн = U из (2.5) получим, что Sэф = 0,5 Sн.
Наибольшее давление запуска вакуумного насоса — это то наибольшее давление в его входном сечении, при котором насос может начать работу.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса — это то наибольшее давление в его входном сечении, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Предельное остаточное давление, наибольшее давление запуска, наибольшее рабочее давление и наибольшее выпускное давление выражаются в единицах давления газа Па (паскалях) и других производных единицах.
Наибольшее выпускное давление — это наибольшее давление в выходном сечении насоса, при котором насос еще способен осуществлять откачку, т.е. осуществлять перенос массы газа со стороны с низким давлением на сторону с более высоким давлением газа. Эта величина является одной из основных характеристик молекулярных и других типов насосов, в которых осуществляется перемещение газа, в частности струйных насосов.
В данной главе рассмотрены основные типы насосов, применяющиеся на кафедре вакуумной электроники МФТИ. Отдельные типы насосов не отражены в данном пособии из-за недостатка места, с их особенностями можно ознакомиться в цитируемой литературе.

2.1. Вращательные насосы с масляным уплотнением

Вращательный вакуумный насос с масляным уплотнением является непременным элементом большинства вакуумных систем. С его помощью создается предварительное разрежение в вакуумной системе и форвакуумное давление на выходе высоковакуумных газоперемещающих насосов. Вращательные вакуумные насосы с масляным уплотнением относятся к вакуумным насосам объемного действия. Наибольшее распространение получили три типа вращательных насосов с масляным уплотнением: пластинчато-статорные, пластинчато-роторные и плунжерные насосы.
Пластинчато-статорные насосы — обычно насосы малой производительности, пластинчато-роторные — средней производительности, плунжерные — средней и большой производительности.
На рис. 2.2 схематично изображен пластинчато-статорный вращательный вакуумный насос. В неподвижном корпусе 1 на валу 2 эксцентрично расположен ротор 3. Полезный объем рабочей камеры насоса, образованный внутренней поверхностью корпуса-статора 7 и наружной поверхностью ротора 3, пластиной 4 разделяется на полость всасывания I и полость сжатия II. Пластина 4, расположенная в прорези корпуса насоса, с помощью пружины 5 через рычаг 6 плотно прижимается к ротору 3. При вращении ротора 3 в направлении, указанном стрелкой, газ из откачиваемого сосуда, который не показан на рисунке, через впускной клапан 7 заполняет увеличивающуюся в объеме полость I. В это время газ в полости II сжимается. Когда давление газа на клапан 8 превысит величину атмосферного давления и усилия создаваемого пружиной 9, клапан 8 откроется, и газ из полости II будет вытеснен в атмосферу. При дальнейшем вращении ротор 3, пройдя пластину 4 и выход впускного канала 7, отделяет в рабочей камере насоса следующую порцию газа от откачиваемого объема. Таким образом, за два оборота ротора порция газа отделяется от откачиваемого объема, перемещается от впускного канала 7 к выхлопному клапану 8, сжимается в полости II и вытесняется под клапаном 8 в атмосферу. При каждом следующем обороте следующая порция газа отделяется от откачиваемого объема, а предыдущая вытесняется из насоса в атмосферу. В пластинчато-статорном насосе за один оборот ротора происходит один цикл откачки, т. е. отделяется от откачиваемого объема и вытесняется только одна порция газа.
На рис. 2.3 схематично изображен пластинчато-роторный насос. В цилиндрической рабочей камере корпуса 1 симметрично на валу (не показан на рисунке) расположен ротор 2, ось которого О' смещена относительно оси рабочей камеры О". В сквозной прорези ротора размещены пластины 3' и З".

Рис. 2.2. Пластинчато-статорный вращательный
вакуумный насос

Рис. 2.3. Пластинчато-роторньй вакуумный насос

Пружиной 4 они прижимаются к корпусу насоса. В положении ротора, изображенном на рис. 2.3а, пластинами 3' и 3" и плоскостью касания ротора со статором полезный объем рабочей камеры разделен на три полости: I — полость всасывания, II — полость перемещения и частичного сжатия газа, III — полость вытеснения газа. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, полость I увеличивается и дополнительное количество газа из откачиваемого сосуда по впускному каналу 5 поступает в рабочую камеру насоса. Полость II уменьшается в объеме, в ней происходит сжатие газа. Полость III уменьшается, и газ из нее через выпускной канал под клапаном 6 вытесняется из насоса. При положении ротора, изображенном на рис. 2.3б, заканчивается вытеснение газа из полости III. При дальнейшем вращении ротора полость II переходит в полость III, т.е, наступает момент, когда становится возможным вытеснение следующей порции газа (рис. 2.3в). В положении ротора, изображенном на рис. 2.3г, полости I и II сообщаются между собой. Лишь когда ротор повернется на 180° от начального положения и займет положение, тождественное исходному (рис. 2.3а), происходит разделение полостей I и II, и от откачиваемого объема отделяется очередная порция газа. В этот момент полость II имеет наибольший объем. В пластинчато-роторном насосе за один оборот ротора происходят два цикла откачки, т.е. отделяются от откачиваемого объема и вытесняются из насоса две порции газа.
На рис. 2.4 схематически изображен плунжерный насос. В корпусе насоса выполнена цилиндрическая рабочая камера, в которой вращается эксцентричный ротор 2 с надетым на него плунжером 1.

Рис. 2.4. Плунжерный вакуумный насос:

а — завершение периода удаления и начало периода наполнения
б — промежуточное положение
1 — плунжер; 2 — ротор; 3 — канал в золотнике; 4 — выходной обратный клапан открыт; 5 — выходной обратный клапан закрыт; 6 — вода, охлаждающая статор насоса; 7 — шарнир

Плунжер состоит из цилиндрической части, охватывающей эксцентрик 2, и полой прямоугольной части 1, свободно перемещающейся в пазу шарнира 7. При повороте плоской части плунжера шарнир 7 свободно поворачивается в гнезде корпуса насоса.
В этом насосе плунжер имеет канал 3, через который газ из откачиваемой полости поступает в насосную камеру.
Возможность попадания встречного потока газа на вход в насос здесь в значительной степени ограничена благодаря более раннему закрытию входа при движении золотника; вредное пространство может быть также уменьшено. Герметичность контакта ротора с цилиндром в насосах рассматриваемого типа лучше потому, что в клине между ротором и цилиндром образуется более толстый слой масла; кроме того, эти насосы создают меньше шума.
Механические насосы производят откачку объема, начиная с атмосферного давления. Откачиваемый газ они вытесняют в атмосферу. Поэтому по отношению к механическим насосам не принято использовать такие характеристики, как наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление. Основными вакуумными характеристиками механических вакуумных насосов с масляным уплотнением являются предельное остаточное давление и быстрота действия.
Быстрота действия механических насосов с масляным уплотнением практически не зависит от рода откачиваемого газа.
Остаточное давление насосов с масляным уплотнением определяется конструкцией насоса и свойствами рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости насосов с масляным уплотнением, как правило, используются масла, получаемые из промышленных минеральных масел. Кроме обычных требований (низкая кислотность, необходимая вязкость, хорошие смазывающие свойства и т. п.), к маслам для вакуумных насосов предъявляются дополнительные требования: низкое давление насыщенных паров в интервале рабочих температур насоса, малое поглощение газов и паров, стабильность вязкости при изменении температуры, высокая прочность тонкой (0,05–0,10 мм) масляной пленки, способной выдержать в зазоре перепад давлений, равный атмосферному давлению.
Остаточный газ (газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки) механического вакуумного насоса с масляным уплотнением составляют воздух, газы откачиваемой среды, а также пары и продукты разложения рабочей жидкости насоса. В механическом вакуумном насосе, как и в любом газоперемещающем насосе, наряду с основным потоком в направлении откачки существует обратный поток газа с выхода насоса в откачиваемый сосуд. Газы попадают во входное сечение насоса из циркулирующего в нем масла и в результате перетечки по зазорам в откачном механизме. Разложение масла в основном происходит в результате возникновения высоких местных температур в областях непосредственных контактов трущихся металлических поверхностей. Образующиеся при этом растворимые в масле, легколетучие углеводороды в значительной степени обусловливают предельное остаточное давление насоса, так как они имеют существенно более высокие давления насыщенного пара, чем сама рабочая жидкость.
Стабильность характеристик насосов с масляным уплотнением определяется величиной зазоров между поверхностями, перемещающимися относительно друг друга, их количеством, а также качеством масла, поступающего в рабочую камеру для уплотнения зазоров и смазки трущихся поверхностей. Максимальная быстрота действия и минимальное остаточное давление достигаются при таком притоке масла в рабочую камеру, которое обеспечивает и надежное уплотнение зазоров, и выброс в масляный резервуар в момент выхлопа верхнего слоя масла с растворенным в нем откачиваемым газом.

Эксплуатация и обслуживание
Работа большинства насосов с масляным уплотнением сопровождается заметной вибрацией. Поэтому коммуникации, соединяющие насосы с вакуумной системой, должны включать сильфонную развязку или участок гибкого эластичного трубопровода, например, вакуумный резиновый шланг. Небольшие насосы с быстротой действия до 5–7 л/с часто устанавливают прямо на полу, подложив под них резиновый лист для уменьшения шума и предотвращения смещения их в процессе работы.
Пуск механических вакуумных насосов с масляным уплотнением сопровождается забрызгиванием масла во впускной и выпускной патрубки. Кроме того, работа насоса в области впускных давлений от остаточного давления до 10 Па сопровождается довольно интенсивным обратным потоком углеводородов из впускного патрубка насоса в откачиваемый сосуд. Обратный поток углеводородов различен для разных насосов и зависит от состояния насоса, используемого масла и режима работы насоса и находится в пределах от 1×10–7 – 2×10–7 г/(см2×мин) до 5×10–5 – 1×10–4 г/(см2×мин). Максимальная интенсивность обратного потока наблюдается при работе насоса при остаточном давлении. Для насосов единой серии ВН обратный поток углеводородов составляет величину 5×10–7 – 1,3×10–6 г/(см2×мин).
Другим недостатком насосов с масляным уплотнением является образование так называемого масляного тумана, который выходит из выхлопного патрубка насоса в виде сизо-белого дыма при работе насоса в области впускных давлений 1×102 – 3×104 Па (0,7–200 мм рт. ст.). Таким образом, механический вакуумный насос с масляным уплотнением в ряде случаев оказывается основным источником загрязнения откачиваемого сосуда и производственного помещения парами углеводородов.
Поэтому для защиты производственного помещения от загрязнения его масляным туманом выход насоса с помощью дюритового шланга или металлической трубы подключают к выхлопной магистрали.
Для защиты откачиваемого объема от брызг масла следует использовать входной трубопровод специальной конфигурации (рис. 2.5) или брызгоотражатели.

Рис. 2.5. Входной трубопровод к механическому насосу
с масляным уплотнением
1 — механический вакуумный насос с масляным уплотнением;
2 — соединительный трубопровод; 3 — сильфонный компенсатор.

Здесь диаметр условного прохода (Ду) соединительного трубопровода равен диаметру входного сечения насоса, a длина обязательных вертикального и горизонтального участков, выраженная в единицах диаметра трубопровода, указана на чертеже. Такой трубопровод исключает попадание брызг масла в откачиваемый объем и создает условия для конденсации и возврата в насос значительной части паров масла.
Ряд насосов с масляным уплотнением обладает еще одним существенным недостатком. При остановке насоса масло, находящееся в масляном резервуаре насоса под атмосферным давлением заполняет рабочую камеру насоса, в которой сохраняется разрежение, и поднимается во впускной патрубок и иногда даже в откачиваемый сосуд, если он соединен с насосом коротким трубопроводом. После этого последующий запуск насоса будет затруднен. Напуск атмосферного воздуха во впускной патрубок сразу после остановки исключает подъем масла и облегчает последующий его запуск. Чтобы при этом в откачиваемом сосуде сохранить разрежение, в трубопровод, соединяющий насос с откачиваемым объемом, устанавливают клапан и ниже него на трубопроводе — второй (напускной) клапан. Схема присоединения насоса к откачиваемому сосуду показана на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема присоединения механического вакуумного
насоса с масляным уплотнением:
1 — насос; 2 — маслоотделительное устройство; 3 — поплавковый
клапан насоса; 4 — соединительный трубопровод; 5 — клапаны
Чаще всего над механическим насосом для аварийного перекрытия низковакуумной коммуникации и напуска воздуха в насос устанавливаются выпускаемые серийно магнитные клапаны, которые срабатывают автоматически при включении и выключении насоса. Другой способ защиты от подъема масла в откачиваемый объем — постановка во впускном патрубке насоса поплавкового клапана, который запирается поднимающимся маслом.
Значительная доля потребляемой насосом энергии расходуется на постоянное перемещение масляных пленок, служащих для герметизации зазоров. Во время пуска насоса при комнатной температуре вязкость масла и соответственно нагрузка на двигатель максимальны. Поэтому в первый момент не следует нагружать насос большим газовым потоком.
После включения рабочие поверхности быстро нагреваются и вязкость масла и его тормозящее действие уменьшаются. Тем не менее запуск насоса легче производится при атмосферном давлении во впускном патрубке насоса, даже если рабочая камера не заполнена маслом. В соответствии с этим включение насоса производится в следующей последовательности. При закрытых клапанах (рис. 2.6) и атмосферном давлении в трубопроводе включают насос. 3апуск насоса лучше производить толчками в два-три приема, включив и тут же выключив электродвигатель. Через 1–2 минуты после включения насоса начинают откачку откачиваемого сосуда. Чтобы избежать чрезмерного выброса масла из выхлопного патрубка насоса, клапан, соединяющий насос с откачиваемым сосудом, открывают постепенно. Малая пропускная способность слегка приоткрытого клапана ограничивает поток газа на входе в насос и этим предотвращает выброс масла.
При эксплуатации насосов особое внимание должно быть обращено на сохранение качества и количества залитого в насос масла. Такие растворители, как бензин, ацетон, трихлорэтилен и др., не полностью удаленные с поверхностей деталей насоса после их промывки, загрязняют масло, ухудшают его свойства и повышают предельное остаточное давление.
Эффективным способом предотвращения конденсации паров в насосе является напуск так называемого балластного газа в полость сжатия рабочей камеры насоса. Устройство, служащее для напуска балластного газа в насос, например атмосферного воздуха, называют газобалластным устройством, а насос, снабженный таким устройством, — газобалластным насосом. Сейчас насосы выпускаются с газобалластным устройством.
Впуск балластного газа должен быть произведен тогда, когда порция газа уже отделена от откачиваемого сосуда, но степень сжатия откачиваемого газа еще мала. Этому условию отвечает расположение выхода канала для впуска балластного газа на торцевой поверхности рабочей камеры. К моменту открытия выхлопного клапана обратный клапан газобаластного устройства закрывается и несконденсированный пар вместе с балластным газом выталкивается из рабочей камеры насоса через выхлопной клапан.
Если в процессе работы механический вакуумный насос с масляным уплотнением не обеспечивает необходимого остаточного давления, это может объясняться
1) недостатком масла в насосе;
2) плохим качеством или загрязнением масла конденсирующимися парами;
3) осмолением рабочих поверхностей;
4) загрязнением, коррозией или поломкой выхлопных клапанов;
5) поломкой пружин, прижимающих лопатки в пластинчато-статорных и пластинчато-роторных насосах;
6) загрязнением каналов для подачи масла в рабочую камеру насоса;
7) износом или поломкой деталей насоса.
Средний ресурс механических вакуумных насосов с масляным уплотнением до капитального ремонта не менее 12–15 тыс. часов, причем ресурс крупных насосов несколько ниже средней величины, а ресурс малых насосов может существенно превышать это время. В течение всего срока службы у насосов возникает в среднем около 10 отказов.

2.2. Двухроторные насосы

Схема устройства двухроторного насоса показана на рис. 2.7. В овальной рабочей камере корпуса 1 синхронно вращаются два ротора 2, в сечении напоминающие цифру 8. Последовательное положение роторов при вращении схематично изображено на рис. 2.8. Синхронность вращения обеспечивается закрепленными на валу роторов шестернями связи 3, вынесенными за пределы рабочей камеры. Смазка шестерен и опорных подшипников осуществляется разбрызгиванием масла из масляной ванны. Полость масляной ванны, образованной корпусом и крышками 4 и 5, герметична. Вывод ведущего вала уплотняется манжетой. Для надежной герметизации вала и увеличения ресурса манжеты из масленки 6 на манжету постоянно подается масло. В двухроторном насосе используется масло для насосов с масляным уплотнением.

Рис. 2.7. Схема двухроторного насоса

Рис. 2.8. Последовательные положения роторов при работе
Стрелками показано направление потока откачиваемого
газа и вращения роторов

Особенность двухроторных насосов — наличие довольно больших зазоров в роторном механизме. Если в рассмотренных ранее насосах перетечки газа с выхода на вход сказываются только при работе в области впускных давлений, близких к остаточному, а в остальное время ими можно пренебречь, то в двухроторном насосе их надо учитывать постоянно, так как они соизмеримы с откачиваемым потоком. Объемная скорость перемещения газа роторами постоянна и определяется геометрическими размерами рабочей камеры и скоростью вращения роторов. Количество же газа, протекающего по зазору, зависит от рода газа и разности давлений на входе и выходе насоса. Отсюда становится очевидной зависимость быстроты действия и предельного остаточного давления от рода откачиваемого газа и впускного и выпускного давлений. В вакуумной системе двухроторные насосы всегда работают последовательно с форвакуумными насосами (обычно низковакуумным механическим насосом с масляным уплотнением). Двухроторный насос как бы улучшает характеристики форвакуумного насоса: снижает предельное остаточное давление, повышает быстроту действия в области относительно низких впускных давлений, снижает обратный поток углеводородов.

Эксплуатация и обслуживание
Многое из того, что относится к подготовке к эксплуатации насосов с масляным уплотнением, относится и к двухроторным насосам. В частности, аналогична установка насоса. Между двухроторным насосом и форвакуумным насосом обязательна постановка сильфонного компенсатора.
Повышение в процессе эксплуатации остаточного давления двухроторного насоса чаще всего объясняется появлением течи во фланцевом соединении. В этом легко убедиться по тому факту, что и выпускное давление оказывается несколько выше обычной величины. Другой причиной повышения остаточного давления может быть неисправность форвакуумного насоса. При отыскании причин повышения остаточного давления над двухроторным насосом вначале необходимо убедиться в исправности форвакуумного насоса, а затем исследовать двухроторный насос. Неглубокие риски и царапины на роторах практически не влияют на характеристики двухроторного насоса.

2.3. Турбомолекулярные насосы

Турбомолекулярные насосы сочетают принцип молекулярного увлечения и осевого компрессора. При этом точки на окружности ротора имеют линейные скорости порядка молекулярных (430 м/с). Поэтому вал таких насосов должен вращаться со скоростью 10 000–60 000 об/мин в зависимости от диаметра насоса.
По сравнению со многими другими сверхвысоковакуумными насосами турбомолекулярным насосам присущ ряд преимуществ: постоянная готовность к работе, быстрый (10–15 мин) запуск, нечувствительность к резкому повышению давления (вплоть до атмосферного), широкий диапазон рабочих давлений (10–7 – 10–1 Па) примерно одинаковая быстрота действия по большинству газов, чрезвычайно высокая степень сжатия (1015) для газов с большой молекулярной массой (М ³ 44). Высокая степень сжатия обеспечивает давление углеводородов на входе турбомолекулярного насоса не более 10–15 Па (10–3 торр), т.е. практически безмаслянный вакуум, при давлении на форвакууме 1–13 Па (7×10–3 – 0,1 торр), соответствующем остаточному давлению большинства насосов с масляным уплотнением. Большое влияние на характеристики насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах или газовой подушке.
Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показаны на рис. 2.9. В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы.
При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.
В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) и радиальный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статорным колесом) зазоры могут составлять 1–1,2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быстроту действия. При молекулярном режиме течения молекулы откачиваемого газа, прошедшие через паз статорного диска сверху или отразившиеся от него и попавшие в паз роторного диска, имеют большую вероятность пройти через него, так как боковая стенка 5 паза роторного диска уходит с пути молекул, а стенка 6 в подавляющем большинстве случаев не нагоняет их. В тех редких случаях, когда стенка 6 нагоняет часть молекул, большинство из них после соударения приобретает результирующее направление дальнейшего движения в направлении откачки (на рисунке сверху вниз). Напротив, молекулы, вошедшие в паз роторного диска снизу, против направления откачки, с большой вероятностью отражаются им обратно.

Рис. 2.9. Схемы турбомолекулярных насосов:
а) — с горизонтальным валом; б) — с вертикальным валом

Отношение вероятностей пролета молекул любого газа в прямом и обратном направлениях характеризуется степенью сжатия данного газа насосом. Легкие газы, тепловая скорость молекул которых больше, легче проникают через насос. Для них быстрота действия больше, а степень сжатия меньше. Степень сжатия существующих насосов составляет 102 – 103 по водороду, 107 – 1012 по азоту, больше или равна 1015 по углеводородам и возрастает с увеличением частоты вращения ротора. Увеличение угла наклона паза ведет к снижению степени сжатия и увеличению быстроты действия.
Турбомолекулярный насос может начинать откачку с давления 102 Па (~1 торр), но при этом быстрота действия его будет мала, а потребляемая мощность велика в результате тормозящего действия газа; к тому же в насосе будет выделяться заметное количество тепла. Рабочий диапазон впускных давлений турбомолекулярного насоса — 10–7 – 1 Па (10–9 – 10–2 торр). При этом быстрота откачки постоянна. При давлении ниже 10–6 Па (10‑8торр) заметнее становится перетекание водорода и других легких газов со стороны форвакуума в откачиваемый сосуд, их парциальное давление приобретает большую относительнаю величину, что вызывает уменьшение быстроты действия турбомолекулярных насосов.

Эксплуатация и обслуживание
Турбомолекулярный насос устанавливают на массивное основание. Между турбомолекулярным и форвакуумным насосами обязательна постановка сильфонного компенсатора. Между турбомолекулярным насосом и откачиваемым сосудом сильфонный компенсатор не нужен, так как насос не вибрирует. Быстрота действия форвакуумного насоса — механического вакуумного насоса с масляным уплотнением — в 20–50 раз меньше быстроты действия турбомолекулярного насоса, что обеспечивает соответствие их производительности при наибольших впускных давлениях турбомолекулярного насоса. На основе небольших турбомолекулярных насосов с быстротой действия до 500 л/с выпускаются агрегаты, вакуумная схема которых показана на рис. 2.10.
Как видно из рисунка, в агрегате отсутствуют затвор, обычно помещаемый между высоковакуумным насосом и откачиваемым сосудом, и байпасная линия. Очевидно, поэтому молекулярный насос часто присоединяют непосредственно к откачиваемому сосуду без затвора, что к тому же позволяет достичь максимальной быстроты откачки рабочей камеры установки.
Если в момент остановки турбомолекулярного насоса в него не напускают атмосферный воздух, клапан 3 необходимо закрыть сразу после обесточивания электродвигателя. Постепенное повышение давления в насосе будет способствовать торможению ротора. Откачка выключенного турбомолекулярного насоса форвакуумным насосом ведет к загрязнению турбомолекулярного насоса и откачиваемого сосуда парами масла. Поэтому следует избегать длительной откачки форвакуумным насосом в период пуска и остановки турбомолекулярного насоса.

Рис. 2.10. Схема агрегата с турбомолекулярным насосом:
1 — форвакуумный насос; 2,5 — напускные клапаны;
3 — клапан; 4 — турбомолекулярный насос

Недопустима длительная работа насоса при высоких (>10 Па) впускных давлениях, так как это приводит к выходу из строя электродвигателей.
Большую опасность представляет попадание внутрь насоса относительно крупных твердых частиц. Для предотвращения этого во впускном патрубке насоса должна быть установлена сетка с размерами ячейки 1´1 мм, которая, однако, снижает быстроту действия насоса примерно на 25%.

2.4. Пароструйные насосы

Откачивающее действие пароструйного насоса основано на увлечении удаляемого газа струёй пара. В зависимости от скорости и плотности струи и давления газа изменяется как режим истечения струи из сопла, так и механизм захвата удаляемого газа.
Размеры поверхности паровой диафрагмы сопла III ступени определяют скорость откачки насоса; характеристики сопла I ступени определяют давление форвакуума. Указаны также примерные величины скорости откачки S и давления р в различных ступенях. Многоступенчатый диффузионный насос является своего рода реализацией последовательного соединения нескольких диффузионных насосов в общем корпусе. В таком насосе обычно применяются общий испаритель и общий паропровод для питания сопел отдельных ступеней (рис. 2.11). Скорость откачки насосов определяется скоростью откачки первой ступени со стороны входа в насос.
Зонтичная струя пара захватывает и увлекает молекулы газа, затем пар конденсируется на охлаждаемой стенке насоса, масло, стекая в кипятильник, выделяет газ в область под струёй. Затем рабочая жидкость в кипятильнике вновь испаряется, поднимается по паропроводу, через сопло опять образует струю пара и т. д., совершая непрерывный кругооборот.
Струя пара разделяет области низкого входного давления Рвх и более высокого выходного давления Рвых, однако большого перепада давлений струя выдержать не может, поэтому выходной патрубок одной ступени пароструйного насоса должен откачиваться струей пара другой ступени , а после супени I – механическим насосом.
Поскольку все ступени прокачивают один поток газа, их параметры должны удовлетворять условию

Sp(вход) = S3p3 = S2p2 = S1p1(выход), (2.6)

где Si, —скорость откачки, а pi — давление для i-й ступени насоса. Например, для пароструйного насоса с быстротой откачки S = 100 л/с при перепаде давлений на нем 10–2 – 10–6 торр следует использовать масляно-ротационный насос с S м.н.= 0,1 л/с.
Механизм увлечения газа различен в насосах эжекторных (760 – 10–1торр), бустерных (10–1 – 10–4 торр) и диффузионных (10–4 – 10–7 торр). Чем выше давление газа на входе насоса, тем больше должна быть плотность пара в струе. При больших скоростях истечения пара увлечение газа происходит в результате турбулентно-вязкостного перемешивания вихрей пара с частицами газа (эжекторные насосы). С понижением давления и уменьшением расхода пара возрастает роль вязкостного захвата в ламинарную струю (бустерные насосы). При очень низких давлениях, когда свободный пробег молекул газа порядка диаметра насоса, работает только диффузионный механизм проникновения молекул газа в струю пара; плотность струи должна быть малой, а скорость струи — большой для эффективной передачи импульса молекулам газа (диффузионные насосы). При случайном соударении молекул газа со струёй молекулы могут, как отразиться, так и диффундировать в струю из-за разницы входного давления и парциального давления газа в струе. Элементы струи пара насыщаются газом постепенно по мере движения от сопла к стенке.

Рис. 2.11. Схема трехступенчатого диффузионного насоса:
I — эжекторная ступень; II, III — дифузионные ступени

Давление газа (Рвых) под струёй больше давления Рвхнад струёй, тем более Рвых больше давления газа в струе. Поэтому одновременно с диффузией газа сверху в струю происходит вредная диффузия газа снизу в струю. Газ, диффундировавший в струю снизу из области более высокого выходного давления, не выносится вверх, а увлекается струёй вниз и при конденсации пара выделяется обратно в область Рвых. Поэтому важен малый угол наклона струи к стенке.
Быстрота откачки диффузионного насоса стремится к верхнему пределу

, (2.7)
где А — площадь струи; v — скорость газа; vстр— скорость струи.
Этот предел тем больше, чем больше скорость струи пара, однако уже при vстр = 2v быстрота откачки достигает 89% максимума, так что не требуются очень большие скорости струи. При vстр>>2v достигается максимальная быстрота откачки идеального диффузионного насоса, равная S = Av0/4. Легко видеть, что этот же результат получают в предположении, что насос откачивает все молекулы, соударяющиеся без отражений с поверхностью его струи. На струю падает в единицу времени Av молекул, где v = nv0/4, в единице объема заключено n молекул; следовательно, падающим молекулам соответствует объем Av/n, т.е. Av0/4.
В действительности быстрота откачки насоса меньше максимальной. Обычно Z (см. уравнение 2.7) оказывается порядка 0,3–0,4. Эта величина определяется отражением молекул газа от струи, ограниченной пропускной способностью входного патрубка насоса, обратной диффузией и т. д.
Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия от давления на входе в насос (рис. 2.12а). В средней области рабочих давлений быстрота действия постоянна и равна Smax. При приближении рабочего давления к предельному pпр она стремится к нулю из-за наличия обратного потока газов и паров из насоса в откачиваемый объект. При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается в связи со снижением скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном входном давлении pз стремится к нулю.
Предельное давление насоса pпр при низких давлениях на выходном патрубке pвых (рис. 2.12б) слабо зависит от изменения последнего. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве выпускного давления и давления паровой струи, соответствующего давлению pв.

Рис. 2.12. Характеристики пароструйных насосов

При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости паровой струи быстрота действия вначале возрастает (рис. 2.12в), достигает максимального значения при Nопт, а затем уменьшается из-за увеличения плотности паровой струи. Максимальное выпускное давление насоса pв при увеличении мощности подогрева непрерывно возрастает.
К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются следующие требования:
1) минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная — при рабочей температуре в кипятильнике;
2) стойкость к разложению при нагревании;
3) минимальная способность растворять газы;
4) химическая стойкость по отношению к откачиваемым газам и по отношению к материалам насоса;
5) малая теплота парообразования.
Минимальная упругость паров при комнатной температуре требуется для получения наименьшего предельного давления насоса. Максимальное давление паров при рабочей температуре кипятильника увеличивает выпускное давление насоса и уменьшает требуемую мощность подогревателя. Стойкость к разложению рабочей жидкости при нагревании влияет на срок службы рабочей жидкости и максимальное выпускное давление. Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока газов через сопло вместе с паровой струёй. Химическая стойкость определяет срок службы рабочей жидкости и накладывает ограничения на выбор конструкционных материалов насосов. При малой теплоте парообразования требуется меньшая мощность подогревателя насоса.
В качестве рабочей жидкости пароструйных насосов применяются ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнеорганические соединения. Ртуть (Р-1, Р-2) как рабочая жидкость пароструйных насосов имеет следующие достоинства: не окисляется воздухом, однородна по составу и не разлагается при рабочих температурах насоса, растворяет малое количество газов и имеет высокую упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике. Недостатки ртути: токсичность, химическая активность по отношению к цветным металлам, высокая упругость паров при комнатной температуре (10‑1 Па).
Минеральные масла для пароструйных насосов (ВМ-1, ВМ‑5) получают путем вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти. Они характеризуются низкой упругостью пара при комнатной температуре (10–6 Па), удовлетворительной термостойкостью, но имеют невысокую термоокислительную стойкость и образуют смолистые налеты на внутренних деталях насоса.
Эфиры, применяемые в качестве рабочей жидкости пароструйных насосов, представляют собой продукты синтеза фталевой и себациновой кислот с высшими спиртами, а также полифениловые соединения, состоящие из бензольных радикалов, соединенных в цепи через атомы кислорода. Полифениловые эфиры ПФЭ обладают очень низким давлением паров при комнатной температуре (10–9 Па) и высокой термоокислительной стойкостью.
Кремнеорганические жидкости для пароструйных насосов (ВКЖ-94, ПФМС-2) — это полисилоксановые полимерные соединения, состоящие из функциональных групп (CH3)2SiO. Они обладают высокой термоокислительной стойкостью и достаточно низкой упругостью пара при комнатных температурах (10–5 Па).
Чаще всего используют в насосах дешевые минеральные масла. Кремнеорганические жидкости употребляются в системах с частым напуском атмосферного воздуха. Эфиры, стоимость которых еще велика, применяются для систем, где требуется получение сверхвысокого вакуума. Ртуть из-за токсичности применяется в пароструйных насосах только для откачки ртутных систем, например ртутных выпрямителей.

Эксплуатация и обслуживание
Диффузионный насос прост по конструкции и при правильной эксплуатации весьма надежен в работе.
Типичная схема вакуумной системы с пароструйным насосом представлена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схема установки с диффузионным насосом:
1 — форвакуумный насос; 2 — напускной клапан; 3 — клапан;
4 — диффузионный насос; 5 — ловушка; 6 — затвор; 7 — откачиваемый сосуд; 8 — манометрические преобразователи; 9 — клапан байпасной линии откачки

Обязательными элементами системы являются форвакуумный насос (механический вакуумный насос с масляным уплотнением); напускной клапан 2; клапан 3, соединяющий форвакуумный насос с диффузионным насосом 4; затвор 6 и манометрические преобразователи 8, устанавливаемые на форвакуумной линии и рабочей камере установки, откачиваемый сосуд 7. В большинстве случаев перед затвором располагается ловушка 5 и между затвором и ловушкой (чаще всего в грибковом соединении основания затвора) — манометрические преобразователи. Откачиваемый сосуд связывается с низковакуумным насосом байпасной линией с клапаном 9.
Запуск насоса в работу осуществляется в следующей последовательности. Закрывают затвор над насосом, перекрывают клапан, соединяющий насос с форвакуумным насосом. Включают механический насос, убеждаются в его работоспособности. Открывают клапан, соединяющий его с диффузионным насосом. По известному предельному остаточному давлению механического насоса и давлению, полученному в испытуемом насосе, оценивают герметичность сборки всей системы. При необходимости отыскивают и устраняют течи.
После достижения необходимого предварительного разрежения подают воду для охлаждения корпуса диффузионного насоса и включают нагреватель насоса. Для сохранения в процессе эксплуатации вакуумных характеристик пароструйных насосов важное значение имеет строгое соблюдение правил эксплуатации. К основным правилам эксплуатации пароструйных насосов относятся соблюдение последовательности включения и выключения насоса; поддержание в заданных пределах мощности нагревателя, температуры и расхода охлаждающей воды, а также правильный выбор производительности форвакуумного насоса.
При номинальном расходе и температуре воды на входе в систему охлаждении около 20 °С температура воды на выходе из системы охлаждения на 2–3 °С выше температуры на входе. Эта разница температур практически линейно увеличивается с понижением расхода воды. При температуре воды на входе, равной 20 °С, насос сохраняет работоспособности при снижении расхода воды в 2–3 раза. Однако при этом уже заметно изменяются его вакуумные характеристики. При увеличении температуры охлаждающей воды с 20 до 30 °С предельное остаточное давление возрастает в 2 раза.
В процессе эксплуатации пароструйных насосов могут возникнуть различные аварийные ситуации. Если при этом своевременно принять необходимые меры, то это в значительной степени избавит от неизбежности восстановительных работ на установке. Например, при нарушении герметичности откачиваемого объекта необходимо закрыть затвор и после этого устранить течь. Когда течь будет устранена, после предварительной байпасной откачки рабочей камеры вновь открывают затвор и продолжают работу на установке. Быстрое закрытие затвора часто избавляет от внеочередной промывки насоса и рабочей камеры установки и в том случае, если в систему атмосферный воздух попал в больших количествах. При этом клапан, соединяющий пароструйный насос с форвакуумом, оставляют открытым и не прекращают подачу охлаждающей воды и электропитание нагревателя. После восстановления нормального режима работы и получасовой работы пароструйного насоса „на себя" продолжают работу на установке. При прекращении подачи охлаждающей воды закрывают затвор и обесточивают нагреватель. Если над насосом установлена охлаждаемая ловушка, необходимо ее разморозить. До полного размораживания ловушки и охлаждения насоса нельзя прекращать форвакуумную откачку.
При остановке форвакуумного насоса закрывают клапан, соединяющий пароструйный насос с механическим, и затвор, затем выключают нагреватель пароструйного насоса. При этом рекомендуется увеличить подачу воды для охлаждения пароструйного насоса.

2.5. Цеолитовые насосы

Цеолитовые вакуумные насосы относятся к адсорбционным насосам. Их принцип действия основан на физической адсорбции газа кристаллическими пористыми алюмосиликатами, получившими название молекулярных сит или искусственных цеолитов. Цеолит представляет собой небольшие пористые гранулы примерно одинакового размера. Диаметр пор постоянен для цеолита определенного типа, но изменяется от типа к типу. Промышленностью выпускаются цеолиты типов ЗА, 4А, 5А, 10Х и 13Х. Из них цеолит марки 5А обладает наибольшей сорбционной емкостью по отношению к воздуху. Диаметр его пор равен 0,5 нм, а внутренняя поверхность примерно в 40 000 раз превышает внешнюю поверхность гранулы.
Наиболее распространен насос ЦВН-1-2, схематично показанный на рис. 2.14. Насос представляет собой баллон, заполненный цеолитом и приспособленный для охлаждения жидким азотом. В баллон, образованный внешним металлическим цилиндром 7, внутренним цилиндром 2 и закрытый нижним кольцевым днищем 3 и двумя верхними сферическими днищами 4 и 5, до верхнего края внутреннего цилиндра засыпан цеолит, обычно марки 5А. В насос ЦВН-1-2 помещается 1 кг цеолита. Патрубком 6 баллон соединяется с фланцем 7, которым насос присоединяется к вакуумной системе. С целью снижения теплопроводности нижняя часть патрубка на длине 30–40 мм утончается до 0,3–0,5 мм. В средней части патрубка располагается патрубок 8, закрываемый резиновой пробкой 9. Баллон насоса помещается в сосуд Дьюара 10. При заполнении сосуда Дьюара жидким азотом и охлаждении цеолита он сорбирует газ, поступающий из откачиваемого сосуда. Благодаря патрубку 11 предотвращается образование газовой пробки во внутренней полости, что способствует эффективному охлаждению цеолита.

Рис. 2.14. Цеолитовый вакуумный насос ЦВН-1-2:
1 — внешний цилиндр; 2 — внутренний цилиндр; 3 — днище;
4,5 — верхнее днище; 6,8,11 — патрубоки; 7 — фланец; 8 — патрубок;
9 — пробка; 10 — сосуд Дьюара
Цеолитовый насос комплектуется печью (на рисунке не показана), которая устанавливается на место сосуда Дьюара при регенерации цеолита в насосе. Печь представляет собой двухстенный стакан, между стенками которого расположен проволочный нагреватель. Насос присоединяется к вакуумной системе через вакуумный клапан.
Цикл работы цеолитового насоса следующий. При закрытом клапане, соединяющем его с вакуумной системой, производят регенерацию, т. е. восстановление сорбционной активности, цеолита. Регенерация цеолита происходит при прогреве его при температуре 500 °С в течение 3-х часов. После регенерации печь заменяется сосудом Дьюара и насос охлаждается до температуры минус 196 °С. После охлаждения цеолита насос способен производить откачку. При насыщении цеолита откачиваемым газом производят его повторную регенерацию, для чего насос предварительно отделяется клапаном от откачиваемого сосуда.
Цеолитовые вакуумные насосы серийного производства предназначены для предварительной откачки от атмосферного давления систем с магниторазрядными или геттерно-ионными высоковакуумными насосами, а также для самостоятельной низковакуумной откачки систем, в которых не допускается присутствие паров рабочей жидкости насосов.
Часто, как показано на рис. 2.15, откачиваемый сосуд снабжается двумя цеолитовыми насосами. Это обеспечивает непрерывность откачки: в то время как один из насосов откачивает объем, в другом производится регенерация цеолита. Наличие трех клапанов позволяет производить любое соединение цеолитовых насосов. Вакуумные клапаны 3 и 4 могут быть как прогреваемыми, так и непрогреваемыми, клапан 5 почти всегда прогреваемый.
Для характеристики цеолитовых насосов неприемлемо понятие быстроты действия. Они характеризуются сорбционной емкостью. Цеолитовому насосу, как и любому адсорбционному насосу, свойственно насыщение, т. е. возможность поглощения вполне определенного количества газа при заданном давлении. Поэтому для достижения заданной величины давления объем откачиваемого сосуда не может превышать вполне определенной величины. Так, например, с помощью насоса ЦВН-1-2 в сосуде объемом 100 л после откачки от атмосферного давления создается остаточное давление не более 6,6 Па. В составе остаточного газа преобладают инертные газы и совершенно отсутствуют углеводороды. Время откачки при 30-минутом предварительном охлаждении насоса не превышает 1 часа.

Рис. 2.15. Схема вакуумной системы с цеолитовыми насосами:
1,2 — цеолитовые насосы; 3,4 и 5 — клапаны;
6 — манометрический преобразователь

Эксплуатация и обслуживание
Момент постановки насоса в вакуумную систему и момент использования его для откачки сосуда может разделять значительный промежуток времени. Поэтому перед началом работы насоса полезно провести повторную трехчасовую регенерацию цеолита. Регенерация производится при закрытом клапане, соединяющем его с вакуумной системой при отсутствии пробки в патрубке 5 (см. рис. 2.14). Перед выключением печи (или сразу после выключения) патрубок 8 плотно закрывают резиновой пробкой 9. Затем печь выключают и удаляют.
После охлаждения насоса до температуры, близкой к комнатной, под него подводят сосуд Дьюара так, чтобы баллон насоса полностью находился в сосуде Дьюара. В сосуд Дьюара заливают жидкий азот. После прекращения бурного кипения азота, что свидетельствует о том, что баллон и цеолит в нем охладились до температуры, близкой к минус 196 °С (температура кипения жидкого азота), открывают вакуумный клапан 3 (или 4) и 5 (см. рис. 2.15), т. е. начинают откачку сосуда.
На первоначальное охлаждение насоса расходуется около 6 л жидкого азота. В дальнейшем расход жидкого азота составляет 0,5–0,6 л/ч. Уровень жидкого азота надо поддерживать на высоте верхнего края баллона, допуская понижение его на 15–20 мм. Большое понижение уровня вызывает десорбцию газа из верхних слоев цеолита и повышение давления. Повышение уровня приводит к увеличению расхода азота.
Цеолит марки 5А дает возможность получать остаточное давление не хуже 0,9 Па ( 7×10–3 торр) при поглощении 1 г цеолита 20 см3 влажного атмосферного воздуха комнатной температуры и не хуже 13 Па (10–1 торр) при поглощении 100 см3. Для достижения существенного понижения остаточного давления необходимо вести откачку сосуда последовательно двумя насосами.
При повторной откачке сосуда от атмосферного давления без регенерации цеолита установившееся остаточное давление будет выше (примерно на прядок). Допустимое количество регенераций достигает нескольких сотен.
Однако даже непродолжительный прогрев цеолита при температуре выше 550 °С приводит к его разрушению, в особенности если цеолит предварительно адсорбировал большое количество влаги. При разрушении цеолита, о чем можно судить по снижению сорбционной емкости, его необходимо заменить.

2.6. Магниторазрядные насосы

Широкое распространение магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой пленкой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов, является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа. При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд. Для возникновения разряда достаточно случайного присутствия в разрядном промежутке нескольких электронов. Под действием сильного магнитного и электрического полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин.

Рис. 2.16. Схема диодного магниторазрядного насоса:
1 — два элемента катода из титана; 2 — цилиндрический анод;
В — индукция магнитного поля
Поскольку основная часть распыляемых частиц титана представляет собой электрически нейтральные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверхности электродов, но в основном на анод. Активные газы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.
Количество распыляемого металла приблизительно пропорционально току (и, следовательно, давлению газа); это означает, что распыление металла саморегулируется в зависимости от состояния вакуума. Величина разрядного тока является в некоторой степени мерой давления в откачиваемой системе.
Для получения большей скорости откачки соединяют параллельно большое число откачивающих элементов. Обычно анод имеет ячеистую конструкцию (наподобие восковых сот), а катод состоит из двух титановых пластинок, расположенных по обе стороны анода.
Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов распыляемым титаном. Такой механизм хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов магниторазрядным насосом.
Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различны, быстрота действия магниторазрядных насосов существенно зависит от рода откачиваемого газа. Относительная быстрота действия магниторазрядных насосов по разным газам, выраженная в процентах от быстроты действия по воздуху, представлена в табл. 2.1.
Недостатком диодных магниторазрядных насосов является малая быстрота действия по инертным газам. Этот недостаток в меньшей степени присущ триодным магниторазрядным насосам, схема устройства которых показана на рис. 2.17.
Таблица 2.1
Относительная быстрота действия диодных магниторазрядных
насосов по разным газам

Газ	Быстрота действия, %	Газ	Быстрота действия, %
Водород	250–350	Азот	100
Метан	300	Двуокись углерода	85
Аммиак	170	Кислород	55
Этиловый спирт	135	Гелий	10–20
Пары воды	130	Аргон, криптон,неон	1–4
Воздух	100	Аргон, криптон,неон	1–4

Рис. 2.17. Схема триодного магниторазрядного насоса:
1 — анод; 2 — катоды; 3 — коллектор (корпус насоса);
В — вектор напряженности магнитного поля

Электродный блок образует анод, располагаемый в середине, и два катода. Коллектором является корпус насоса. Катоды триодного насоса имеют ячеистую структуру, в силу чего положительные ионы, образующиеся в разряде при работе триодного насоса, бомбардируют катод не под прямым углом, как в диодном насосе, а под острым углом, что существенно увеличивает эффективность распыления титана, который равномерно осаждается на корпусе насоса. Благодаря триодной схеме и ячеистой структуре катодов часть ионов, движущихся из области анода, достигает коллектора (корпуса насоса). Ионы, достигнувшие коллектора, обладают малой энергией и не могут вызвать вторичного распыления титана с коллектора при их поглощении. Таким образом, благодаря однопотенциальной триодной схеме насос имеет повышенную быстроту действия по инертным газам. Например, по аргону она составляет 1/3 от быстроты действия по воздуху.

Эксплуатация и обслуживание

Перед подключением необходимо проверить сопротивление утечки между анодами и катодами, которое должно быть не менее 1 ГОм.
После проверки насос устанавливают в вакуумную систему, снабженную средствами предварительной откачки, и устанавливают магниты. Магниты в насосе располагаются таким образом (см. рис. 2.18), что силовые магнитные линии замыкаются, проходя через все магниты и магнитопроводы. Боковые магниты, расположенные с боковых сторон насоса, приклеиваются на заводе-изготовителе к металлическому листу, являющемуся магнитопроводом. Центральные магниты, вставляемые в пазы корпуса насоса, склеиваются попарно. Устанавливать магниты удобнее в следующей последовательности. Вначале закрепляют на корпусе насоса боковые магниты. Перемена местами при установке пластин с боковыми магнитами не имеет значения, так как в любом случае вектор напряженности магнитного поля в насосе сохранит свое направление. Затем устанавливают центральные магниты. В результате взаимодействия магнитных полей боковых и устанавливаемого магнитов последний должен втягиваться в паз корпуса насоса. Если при установке магнит разворачивается, а после установки он выталкивается назад, то необходимо перевернуть магнит. Затем охлаждаемые насосы подключают к системе подачи и слива воды. Подсоединяют блок питания. Создают предварительное разрежение и производят пробное включение насоса.
Длительность старта магниторазрядных насосов зависит от степени чистоты внутренних поверхностей откачиваемого сосуда и насоса, а также от степени предварительного разряжения. Допускается запуск неохлаждаемого магниторазрядного насоса с давлений более 10 Па (0,1 торр), но в таком случае длительность старта может превышать 3 часа. Если нет возможности создать лучшее предварительное разрежение, запуск насоса производят, не прекращая предварительной откачки. Средства предварительной откачки разобщают с откачиваемым сосудом и насосом после того, как стабильно начнет понижаться давление.

Рис. 2.18. Расположение магнитов в магниторазрядном насосе

Длительный старт не является особо опасным для магниторазрядных насосов. Это видно из рис. 2.19, на котором изображены энергетические характеристики насоса НОРД‑250. Наиболее опасными являются давления 10–2 Па (10–4 торр) для охлаждаемых и 10–3 – 10–2 Па (10–5 – 10–4 торр) для неохлаждаемых насосов. Именно в этом диапазоне давлений насос потребляет максимальную мощность, которая рассеивается на электродах разрядных блоков, и приводит к их неравномерному нагреву и может привести к деформации корпуса насоса.
Достигаемое с помощью магниторазрядных насосов предельное остаточное давление зависит от предыстории насоса, суммарной наработки, режимов работы и рода откачиваемого газа. На предельное остаточное давление, так же, как и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами.

Рис.2.19. Энергетические характеристики:
ток разряда( I ), разность потенциалов на электродах (V) и мощность (W), потребляемая насосом НМДО-0,25 (НОРД-250), в зависимости от впускного давления

Например, создание предварительного разрежения с помощью механических насосов с масляным уплотнением повышает предельное остаточное давление в 5–10 раз. В последующем паспортное значение предельного остаточного давления может быть достигнуто после 10–20-часового прогрева насоса при откачке его цеолитовым насосом. Насос хорошо обезгаживается и восстанавливается и при прогреве его с откачкой механическим насосом с защитной ловушкой.
Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеждает в практически неограниченном их ресурсе (~ 150 тыс. часов) при достаточной аккуратности обслуживающего персонала.