Принцип действия и область применения
Диффузионные насосы — это ключевые устройства для создания высокого и сверхвысокого вакуума, способные достигать остаточных давлений от 10 до 10⁻⁶ Па и ниже. Их работа основана на молекулярном режиме течения газа, когда длина свободного пробега молекул превышает размеры впускного отверстия. Молекулы газа, попадая в зону действия паровой струи, захватываются и уносятся ею.
Механизм откачки основан на диффузионных процессах. Из-за разницы в концентрации газа над струей и внутри нее (где концентрация мала) молекулы газа диффундируют в струю. Там они получают импульс от молекул пара и направляются к охлаждаемым стенкам корпуса. Пар конденсируется, а сжатый газ перемещается к следующей ступени насоса. Хотя существует и обратная диффузия газа из области форвакуума, встречный поток пара эффективно отбрасывает большую часть молекул назад. Лишь при откачке легких газов этот обратный поток может заметно влиять на характеристики насоса.
Конструкция и типы насосов
Диффузионные насосы — многоступенчатые системы с соплами зонтичного типа. В зависимости от рабочей жидкости их делят на два основных класса:
Паромасляные насосы
В них используются органические жидкости с низким давлением пара. Это, как правило, смеси фракций с разными свойствами. Для эффективной работы разных ступеней предъявляются противоположные требования: высоковакуумной (входной) ступени нужна жидкость с низким давлением пара при комнатной температуре, но высоким — в кипятильнике; выпускной ступени, наоборот, важна высокая плотность струи. Поэтому в современных фракционирующих насосах реализовано разделение фракций внутри устройства: тяжелые фракции идут к первой ступени, а легкие — к последующим. Конструктивно это обеспечивается системой раздельных паропроводов и фракционирующего лабиринта. Охлаждение корпуса может быть водяным или, для мобильных установок, принудительным воздушным с ребристыми радиаторами и вентилятором.
Парортутные насосы
Их особенность обусловлена свойствами ртути: она однородна (не требует фракционирования) и химически активна, что диктует выбор материалов (стекло, нержавеющая сталь). Простейший пример — одноступенчатый стеклянный насос с цилиндрическим соплом. Из-за высокого давления паров ртути при комнатной температуре для получения высокого вакуума обязательна установка низкотемпературной (например, азотной) ловушки. Несмотря на токсичность, эти насосы незаменимы в системах, где ртуть является рабочей средой, или где требуется особая чистота (масс-спектрометрия, термоядерные установки).
Рабочие жидкости для паромасляных насосов
Высоковакуумные масла лишены недостатков ртути: они инертны, нетоксичны и позволяют достигать низких давлений без сложных ловушек. Основные типы:
- Минеральные масла (продукты переработки нефти): недороги, но имеют неоднородный состав, умеренную термостойкость и при окислении образуют смолы. Примеры: ВМ-1, ВМ-5, ИМ-8.
- Синтетические углеводородные жидкости (на основе алкилнафталинов): дороже, но состав воспроизводим, выше термоокислительная стойкость.
- Кремнийорганические соединения (полисилоксаны): обладают высокой термической стабильностью. Специальные жидкости (ФМ-1, ФМ-2) с ультранизким давлением пара используются для сверхвысокого вакуума.
- Сложные эфиры (полифениловые соединения): отличаются исключительной термической стабильностью.
Основные характеристики и их зависимость от параметров
Быстрота действия слабо зависит от температуры откачиваемого газа (пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры) и значительно — от рода рабочей жидкости, что связано с различиями в термодинамических свойствах и структуре создаваемой струи.
Предельное остаточное давление определяется несколькими факторами: противодиффузией газа, давлением паров рабочей жидкости, выносом газов из кипятильника и газовыделением стенок. Зависимость от мощности подогрева имеет минимум: сначала давление падает из-за снижения противодиффузии, а затем растет из-за термического разложения масла. Прогрев насоса для обезгаживания стенок может снизить остаточное давление на порядок.
Наибольшее выпускное давление зависит от работы последней ступени, плотности струи и мощности подогрева. В насосах с эжекторной ступенью оно может расти с увеличением впускного давления.
Оценочные параметры и особенности эксплуатации
Для оценки эффективности насосов используют удельные характеристики: удельную быстроту действия (на единицу площади впускного отверстия), вакуум-фактор (отношение реальной быстроты действия к теоретическому максимуму) и термодинамический КПД, который для диффузионных насосов крайне мал (доли процента).
Важный эксплуатационный аспект — обратный поток рабочей жидкости. Он резко возрастает во время пуска и остановки насоса, когда паровой поток нестабилен, что может привести к загрязнению откачиваемой системы. Для предотвращения этого, а также для расширения функциональности, насосы часто используются в составе вакуумных агрегатов, включающих переходные трубопроводы, затворы, отражатели и ловушки (в том числе азотные). Агрегаты монтируются на плитах со стойками или подвижных рамах-тележках.