Основной принцип действия
Турбомолекулярный насос работает за счёт передачи молекулам разреженного газа направленного импульса от быстро движущихся твёрдых поверхностей. Это создаёт поток газа в нужном направлении.
Устройство и механизм откачки
Ключевой механизм насоса состоит из набора роторных и статорных дисков. На этих дисках выполнены радиальные косые пазы (каналы), боковые стенки которых наклонены под углом от 15° до 40°. Важно, что пазы на статорных дисках расположены зеркально по отношению к пазам на роторных дисках. Между дисками и корпусом, а также валом ротора предусмотрены рабочие зазоры.
При давлениях ниже 0.1–1 Па (молекулярный режим течения) такая система обеспечивает преимущественное движение молекул в сторону откачки. Молекула, попавшая в паз ротора со стороны входа, с высокой вероятностью пройдёт его, так как стенка паза «убегает» от неё. Напротив, молекула, пытающаяся двигаться в обратном направлении (со стороны форвакуума), с большой вероятностью будет остановлена этой же стенкой и отброшена назад. Отражённые молекулы получают дополнительную скорость, равную окружной скорости диска и направленную вдоль оси насоса. Статорные диски, благодаря зеркальному расположению пазов, также способствуют этому направленному движению.
Параметры ступеней и общая эффективность
Каждая пара дисков (роторный и статорный) представляет собой одну ступень, создающую перепад давлений. Степень сжатия в ступени определяется отношением вероятностей прохождения молекул в прямом и обратном направлениях. Для достижения максимальной быстроты действия (производительности) оптимальный угол наклона пазов составляет около 30°. Однако для получения высокой степени сжатия (в 3–5 раз) на одной ступени угол должен быть меньше — около 20°.
Поэтому в современных насосах применяется комбинированный подход: первые ступени, работающие в области высокого вакуума, имеют угол 35° для высокой производительности, а последующие — 20° для обеспечения необходимого сжатия. Поскольку лёгкие газы (например, водород) имеют более высокую тепловую скорость, эффективность их сжатия в ступени ниже, чем у тяжёлых газов (азот, пары воды).
Несмотря на небольшой перепад давления на одной ступени, их последовательное соединение (обычно 30–40 ступеней) позволяет насосу в целом достичь колоссальных коэффициентов сжатия: от 10²–10³ для водорода до 10⁷–10⁹ для азота. Это делает турбомолекулярный насос надёжным барьером против проникновения паров масла из форвакуумной области в высоковакуумную.
Конструкция и эксплуатационные характеристики
Надёжность насосов обеспечивается современными конструктивными решениями. Привод осуществляется от высокочастотного электродвигателя, ротор которого находится в форвакуумной полости на одном валу с ротором насоса. Это исключает необходимость вакуумного ввода вращения — слабого места многих конструкций. Ротор вращается со скоростью около 18 000 об/мин и тщательно балансируется, что гарантирует тихую работу без вибраций и долгий срок службы подшипников.
Смазка подшипников осуществляется от отдельного масляного насоса с собственным электродвигателем. При аварийном отключении питания ротор по инерции может вращаться до часа, но специальные текстолитовые сепараторы в подшипниках предотвращают их повреждение. Для охлаждения двигателя и снижения давления паров масла в зоне подшипников используется водяное охлаждение.
Остаточный газ в откачиваемом объёме в основном состоит из водорода (массовое число 2), а также паров воды (18), смеси CO/N₂ (28) и CO₂ (44). Тяжёлые углеводородные соединения, характерные для паров масел, отсутствуют, что позволяет считать эти насосы «безмасляными» средствами откачки высоковакуумной стороны.
Быстрота действия насоса остаётся постоянной в широком диапазоне давлений — от 10⁻¹ Па до 10⁻⁶ Па. Предельное остаточное давление, которое можно достичь с такими насосами, составляет 10⁻⁶ – 10⁻⁷ Па.
Преимущества и область применения
К достоинствам турбомолекулярных насосов относятся: быстрый запуск, малая селективность (разница в откачке разных газов), чистота вакуума (отсутствие паров и продуктов разложения масел), возможность получения сверхвысокого вакуума без криогенных ловушек, а также устойчивость к внезапным прорывам атмосферного воздуха. Эти качества обусловили их широкое применение в научных исследованиях, полупроводниковой промышленности, ускорительной технике и других высокотехнологичных областях.
Правила эксплуатации и обслуживания
При эксплуатации необходимо контролировать подачу масла к подшипникам (через смотровые окна) и следить за появлением посторонних шумов, свидетельствующих об износе. Категорически недопустима длительная работа механического форвакуумного насоса при остановленном турбомолекулярном, так как при давлении ниже 10 Па пары масла могут диффундировать в высоковакуумную полость.
Остановленный и отключённый от вакуумной системы насос должен быть заполнен осушенным воздухом или азотом до атмосферного давления через специальный кран на форвакуумном патрубке.
Незначительное загрязнение входной части парами масла обычно устраняется прогревом корпуса в области входного фланца до 100–120 °C при работающем насосе. Наибольшую опасность представляет попадание внутрь твёрдых частиц. Для защиты на входном патрубке рекомендуется устанавливать защитную металлическую сетку с размером ячейки примерно 1×1 мм.