Распространенные насосы, используемые в системах сверхвысокого вакуума

Механические насосы

Вихревые сухие насосы

Вихревые сухие насосы получили широкое распространение в последние годы благодаря своей простой конструкции и отсутствию проблем с возвратом масла, характерных для традиционных механических насосов с масляным уплотнением. Хотя они обеспечивают более простой процесс технического обслуживания и исключают необходимость управления маслом, они все же имеют свои недостатки. В частности, вихревые сухие насосы обычно имеют несколько меньшую скорость откачки и предельный уровень вакуума по сравнению со своими герметичными аналогами.

Несмотря на эти ограничения, такие преимущества, как сокращение объема технического обслуживания и экологичность, делают вихревые сухие насосы привлекательным вариантом для многих применений сверхвысокого вакуума.

Мембранные насосы

Мембранные насосы компактны и часто используются в небольших молекулярных насосных установках, хотя для них характерна более низкая скорость откачки по сравнению с другими типами механических насосов. Эти насосы работают по сухому методу, что делает их вакуумным решением с принудительным вытеснением. Мембрана, расположенная на штоке, соединенном с коленчатым валом, перемещается вертикально при вращении коленчатого вала. Это движение создает циклическое изменение объема камеры, что, в свою очередь, влияет на давление и поток молекул воздуха.

Когда диафрагма находится в нижнем положении, объем камеры увеличивается, что приводит к снижению давления. Пониженное давление втягивает молекулы воздуха в камеру. При движении мембраны вверх объем камеры уменьшается, сжимая молекулы газа и заставляя их двигаться к выходу. Впускной и выпускной клапаны подпружинены, что позволяет им динамически реагировать на эти изменения давления, обеспечивая эффективную работу.

Одним из существенных преимуществ мембранных насосов является их экологичность. Они служат альтернативой водоструйным вакуумным насосам, поскольку не производят сточных вод. Это делает их особенно привлекательными в тех случаях, когда речь идет о воздействии на окружающую среду. Кроме того, мембранные насосы позволяют сэкономить до 90 % эксплуатационных расходов по сравнению с водоструйными насосами, предлагая более экономичное решение. В отличие от пластинчато-роторных насосов, в насосной камере диафрагменных насосов полностью отсутствует масло, что исключает необходимость использования маслопогруженных уплотнений вала. Такая конструкция не только повышает надежность и долговечность насоса, но и упрощает процедуру технического обслуживания.

Механические насосы с масляным уплотнением

Механические насосы с масляным уплотнением давно стали краеугольным камнем вакуумных систем, славящихся высокой скоростью откачки и высокими показателями предельного вакуума. Эти насосы работают за счет использования масла для создания эффективного уплотнения, что позволяет им достигать предельного вакуума до <0,5 мбар (абс.). Масло не только уплотняет, но и смазывает критически важные компоненты, такие как пластиковые лопасти, роторы и подшипники корпуса, делая их практически неизнашиваемыми.

Роль масла выходит за рамки герметизации и смазки. Оно значительно снижает рабочую температуру за счет минимизации трения в камере сжатия, тем самым защищая насос от чрезмерного нагрева. Кроме того, масло действует как ингибитор коррозии, предохраняя все внутренние компоненты от реакции с перекачиваемыми газами и предотвращая их повреждение. Его очищающий эффект обеспечивает удаление любых загрязнений из компрессорной камеры, тем самым продлевая срок службы насоса и сохраняя его производительность.

Несмотря на эти преимущества, механические насосы с масляным уплотнением не лишены трудностей. Проблема возврата масла требует использования электромагнитных клапанов и молекулярных сит для ее решения и смягчения. Это требование усложняет их эксплуатацию и обслуживание, но общие преимущества этих насосов по-прежнему делают их предпочтительным выбором во многих областях применения.

Турбомолекулярные насосы

Коэффициент сжатия

В турбомолекулярных насосах степень сжатия является важнейшим параметром, определяющим эффективность сжатия газа. Этот коэффициент достигается в основном за счет высокоскоростного вращения лопаток, которые создают мощный механизм передачи кинетической энергии. Конструкция и скорость вращения лопаток тщательно продуманы для оптимизации процесса сжатия.

Одной из особенностей турбомолекулярных насосов является их способность достигать более высоких коэффициентов сжатия для газов с большим молекулярным весом. Это происходит за счет увеличения передачи импульса между высокоскоростными лопастями и молекулами газа. Например, более тяжелые газы, такие как аргон и ксенон, испытывают более значительное снижение давления по сравнению с более легкими газами, такими как гелий и водород.

В приведенной выше таблице показана зависимость между молекулярным весом и степенью сжатия для различных газов, обычно встречающихся в системах сверхвысокого вакуума. С увеличением молекулярного веса увеличивается и степень сжатия, что отражает повышенную эффективность турбомолекулярного насоса при работе с более тяжелыми газами.

Эта способность делает турбомолекулярные насосы особенно эффективными в приложениях, требующих точного контроля над давлением и составом газа, например, в производстве полупроводников и научных исследованиях. Высокая степень сжатия обеспечивает эффективное удаление даже следовых количеств нежелательных газов, способствуя повышению общей производительности и надежности вакуумной системы.

Предельный вакуум

Понятие "предельный вакуум" в сверхвысоковакуумных системах - это критическая метрика, которая часто измеряется в миллибарах (мбар). Традиционно такие системы стремятся достичь вакуума в диапазоне от 10-9 до 10-10 мбар. Однако последние технологические достижения позволили еще больше расширить эту границу, позволяя системам достигать еще более низких давлений.

Эти усовершенствования не просто дополнительные, а представляют собой значительный скачок вперед в данной области. Например, использование передовых материалов и инновационных конструкций в турбомолекулярных насосах позволило повысить степень сжатия и эффективность работы с газом. Это, в свою очередь, способствует достижению предельного вакуума, который ранее был недостижим.

Кроме того, изменились и эксплуатационные требования для достижения такого высокого вакуума. Современные системы часто требуют рабочего давления от 1 до 10-2 Па от вакуумного насоса передней ступени, обеспечивая минимизацию любых посторонних предметов, рывков, ударов, резонанса или газовых толчков во избежание повреждений. Такое тщательное внимание к деталям гарантирует, что предельный вакуум остается стабильным и надежным, что делает его краеугольным камнем передовых сверхвысоковакуумных систем.

Эксплуатационные требования

Турбомолекулярные насосы требуют точных условий эксплуатации, что обусловливает необходимость использования рабочего давления в диапазоне от 1 до 10 ^-2 Па от вакуумного насоса передней ступени. Это жесткое требование обеспечивает оптимальную производительность и долговечность насоса. Однако эти насосы очень чувствительны к внешним факторам, которые могут привести к потенциальному повреждению.

• Посторонние предметы: Любые инородные частицы, попавшие в насос, могут нанести значительный вред, что требует соблюдения строгих протоколов чистоты.
• Механические удары: Резкие движения или удары могут нарушить хрупкий баланс внутри насоса, что приведет к сбоям в работе.
• Резонанс: Механический резонанс может усиливать вибрации, вызывая структурные напряжения и потенциальные повреждения.
• Газовые удары: Внезапные изменения давления газа могут вывести из строя внутренние механизмы насоса, что приведет к сбоям в работе.

Чтобы снизить эти риски, операторы должны придерживаться тщательного графика технического обслуживания и использовать такие защитные меры, как фильтры и амортизаторы.

Ионные насосы для напыления

Принцип работы

Ионные насосы с напылением работают по принципу разряда Пеннинга, который представляет собой разновидность холодного катодного газового разряда. Этот механизм предполагает образование свежей титановой пленки путем бомбардировки титанового катода энергичными ионами. Процесс можно разбить на несколько ключевых этапов:

1. ионизация газов: В разряде Пеннинга электроны вылетают из холодного катода и ускоряются по направлению к аноду. Эти электроны сталкиваются с молекулами газа в насосе, ионизируя их и создавая плазму.

2. Образование титановой пленки: Энергичные ионы, образовавшиеся в плазме, притягиваются к титановому катоду. При ударе эти ионы распыляют атомы титана с катода, осаждая их на стенки камеры насоса. Это непрерывное распыление и осаждение приводит к образованию свежей титановой пленки.

3. Адсорбция активных газов: Вновь образованная титановая пленка обладает высокой реакционной способностью и эффективно адсорбирует активные газы, такие как водород, азот и кислород. Этот процесс адсорбции значительно снижает концентрацию этих газов в вакуумной камере.

4. Захоронение инертных газов: Инертные газы, такие как гелий и неон, которые менее реакционноспособны, не адсорбируются титановой пленкой. Вместо этого они погребаются под непрерывно формирующимся слоем титана. Этот процесс захоронения эффективно удаляет инертные газы из активного объема насоса.

Комбинируя эти этапы, ионные насосы с напылением достигают высокой степени адсорбции и удаления газов, что способствует их эффективности в системах сверхвысокого вакуума.

Преимущества

Ионные насосы с напылением обладают рядом преимуществ, которые делают их очень подходящими для сверхвысоковакуумных систем. Одним из наиболее заметных преимуществ является их превосходный предельный вакуум который может достигать давления до 10^-11 мбар. Такой уровень вакуума крайне важен для приложений, требующих высочайшей степени чистоты и стабильности.

Помимо превосходных вакуумных характеристик, ионные насосы для напыления не подвержены вибрациям и работают бесшумно . Эта характеристика особенно важна в чувствительных средах, где механические вибрации и шум могут помешать проведению деликатных экспериментов или процессов. Кроме того, эти насосы экологически чистые Они не загрязняют окружающую среду, что является важным фактором в современных научных и промышленных условиях.

Требования к техническому обслуживанию ионных насосов для напыления минимальны что способствует их эксплуатационной долговечности и экономичности. В отличие от некоторых других типов насосов, они не требуют частого обслуживания или замены расходных материалов, что сокращает время простоя и эксплуатационные расходы. Такая низкая стоимость обслуживания в сочетании с другими преимуществами делает ионные насосы с напылением популярным выбором в системах сверхвысокого вакуума.

Эксплуатационные требования

Для эффективной работы напылительных ионных насосов требуется минимальное рабочее давление более 10-⁷ мбар. Это жесткое требование гарантирует, что разряд Пеннинга может эффективно формировать свежую титановую пленку, что крайне важно для адсорбции активных газов и интонирования инертных газов. Для достижения и поддержания такого уровня вакуума эти насосы часто работают в паре с молекулярными насосами. Такая комбинация не только повышает вакуум в передней части очага, но и обеспечивает стабильную и оптимальную рабочую среду для ионных насосов напыления. Такие синергетические установки необходимы для поддержания высоких стандартов производительности и надежности, которыми славятся ионные насосы для напыления в сверхвысоковакуумных системах.

Титановые сублимационные насосы

Принцип работы

Титановый сублимационный насос работает по простому, но эффективному механизму. Он основан на контролируемом испарении металлического титана, в результате которого на внутренних поверхностях насоса образуется тонкая титановая пленка. Эта титановая пленка играет решающую роль в функциональности насоса, способствуя адсорбции химических веществ.

• Процесс испарения: Металлический титан нагревается до точки сублимации, в результате чего он сразу переходит из твердого состояния в газообразное, не проходя через жидкую фазу. Затем этот газообразный титан конденсируется на более холодных поверхностях внутри насоса, образуя равномерную пленку.

• Химическая адсорбция: Вновь образованная титановая пленка обладает высокой реакционной способностью, что позволяет ей химически связываться с различными газами, присутствующими в вакуумной камере. Этот процесс адсорбции эффективно удаляет эти газы из системы, способствуя повышению общего качества вакуума.

• Непрерывная работа: Для поддержания оптимальной производительности титановая пленка должна регулярно пополняться. Это достигается путем периодического нагрева источника титана, обеспечивающего свежий запас реактивного титана для непрерывной адсорбции газов.

Этот метод удаления газов особенно эффективен для водорода, что делает титановые сублимационные насосы предпочтительным выбором в тех областях применения, где водород представляет собой серьезную проблему.

Преимущества

Титановые сублимационные насосы (TSP) обладают целым рядом преимуществ, которые делают их предпочтительным выбором во многих системах сверхвысокого вакуума. Одной из наиболее привлекательных особенностей является их простая структура . В отличие от более сложных систем, требующих сложной сборки и калибровки, TSP имеют простую конструкцию, что снижает вероятность механического отказа и упрощает процедуры технического обслуживания.

Сайт низкая стоимость Еще одним существенным преимуществом TSP является низкая стоимость. В то время как другие высоковакуумные насосы могут требовать дорогостоящих материалов или передовых технологий производства, TSP относительно недороги в производстве и эксплуатации. Эта экономичность распространяется и на их обслуживание, которое является минимальным благодаря их надежной конструкции.

Техническое обслуживание TSP действительно не требует особых усилий. Благодаря простой механике их работы плановые проверки и ремонт проводятся быстро и легко, что сокращает время простоя и обеспечивает непрерывную работу. Такая простота обслуживания особенно выгодна в условиях, когда частые перерывы в работе обходятся дорого или мешают.

Еще одной отличительной особенностью является отсутствие радиации . В отличие от некоторых других вакуумных насосов, излучающих вредную радиацию, TSP работают без какого-либо риска. Это делает их более безопасными для использования в лабораториях и на производстве, где существует опасность облучения.

Кроме того, TSP не подвержены вибрационный шум . Отсутствие механических частей, генерирующих шум или вибрацию, обеспечивает более тихую и стабильную рабочую среду. Это особенно полезно в тех случаях, когда уровень шума должен быть сведен к минимуму, например, при проведении чувствительных научных экспериментов или точных производственных процессов.

Наконец, TSP очень эффективны для удаления водорода . Используемый в них процесс химической адсорбции особенно эффективен при улавливании молекул водорода, что делает их идеальными для применения в тех областях, где загрязнение водородом является серьезной проблемой. Эта способность повышает общую производительность и надежность вакуумной системы, обеспечивая более чистую и стабильную вакуумную среду.

Таким образом, преимущества титановых сублимационных насосов - простота конструкции, низкая стоимость, простота обслуживания, отсутствие радиации, отсутствие вибрационного шума и эффективное удаление водорода - делают их весьма привлекательным вариантом для многих применений сверхвысокого вакуума.

Недостатки

Титановые сублимационные насосы, обладая рядом преимуществ, имеют и заметные недостатки, которые необходимо учитывать. Одним из основных недостатков является необходимость регулярного напыления титана . Этот процесс, необходимый для поддержания эффективности насоса, может привести к временному ухудшению вакуума . Во время напыления качество вакуума может ухудшиться, что создает проблемы для приложений, требующих постоянных условий сверхвысокого вакуума.

Кроме того, следует избегать использования титановых сублимационных насосов следует избегать использования чувствительных к титану образцов или устройств. . Регулярное осаждение титана может нарушить целостность этих чувствительных материалов, что может привести к их загрязнению или деградации. Это ограничение особенно важно в исследовательских и производственных средах, где точность и чистота имеют первостепенное значение.

Эти недостатки подчеркивают необходимость тщательного выбора насоса для сверхвысоковакуумных систем, особенно в тех случаях, когда речь идет о чувствительности титана или стабильном качестве вакуума.

Криогенные насосы

Принцип работы

Криогенные насосы работают по принципу низкотемпературной физической адсорбции - процесса, использующего конденсацию газов на холодных поверхностях для достижения высокой скорости откачки и предельного вакуума. Этот метод основан на том, что газы легче конденсируются при низких температурах, что позволяет эффективно захватывать и удалять газы из вакуумной камеры.

Основу криогенного насоса составляет холодная ступень, обычно охлаждаемая жидким гелием или жидким азотом, которая обеспечивает необходимые низкие температуры для адсорбции газов. При контакте с холодной поверхностью газы конденсируются и прилипают к ней, эффективно удаляя их из вакуумной среды. Этот процесс особенно эффективен для широкого спектра газов, включая газы с низкой молекулярной массой, которые зачастую сложно откачать другими методами.

Скорость откачки криогенных насосов очень высока, в первую очередь благодаря большой площади поверхности, доступной для адсорбции. Эта высокая эффективность еще более усиливается благодаря способности криогенных насосов достигать предельного вакуума в диапазоне от 10^-11 до 10^-12 мбар, что делает их незаменимыми в системах сверхвысокого вакуума, где требуется чрезвычайно низкое давление.

Таким образом, криогенные насосы обеспечивают высокую скорость откачки и предельный вакуум за счет использования низкотемпературной физической адсорбции, что делает их важнейшим компонентом многих современных вакуумных систем.

Преимущества

Криогенные насосы обладают рядом неоспоримых преимуществ, что делает их предпочтительным выбором в системах, требующих высокого предельного вакуума. Одной из их отличительных особенностей является высокая скорость откачки . Эта способность позволяет им эффективно удалять большие объемы молекул газа из вакуумной камеры, значительно сокращая время, необходимое для достижения требуемого уровня вакуума.

Кроме того, криогенные насосы экологически чистые поскольку они не вносят никаких загрязнений в вакуумную систему. Это особенно важно в тех случаях, когда поддержание чистоты вакуумной среды имеет решающее значение, например, в производстве полупроводников или научных исследованиях.

Сайт высокий предельный вакуум достигаемый криогенными насосами, является еще одним ключевым преимуществом. Эти насосы могут достигать давления до 10^-10 мбар, что делает их идеальными для применения в сверхвысоком вакууме. Такой уровень вакуума необходим для проведения экспериментов, требующих крайне низкой концентрации остаточных газов, что обеспечивает точность и надежность результатов.

Криогенные насосы также характеризуются надежность и низкая потребность в техническом обслуживании . В отличие от некоторых других типов насосов, которые могут требовать частого обслуживания или замены масла и других расходных материалов, криогенные насосы работают с минимальным вмешательством, что сокращает время простоя и эксплуатационные расходы.

Таким образом, сочетание высокой скорости откачки, экологичности, высокого предельного вакуума и низких требований к обслуживанию делает криогенные насосы отличным выбором для систем, требующих сверхвысокого вакуума.

Недостатки

Криогенные насосы, несмотря на высокую эффективность в достижении высоких скоростей откачки и предельного вакуума, имеют свои собственные проблемы. Одним из основных недостатков является высокое потребление жидкого азота . Это не только повышает эксплуатационные расходы, но и требует надежных и непрерывных поставок жидкого азота, что может быть логистически сложным и дорогостоящим.

Кроме того, системы, включающие циркуляционные охладители часто сталкиваются с дополнительными проблемами. К ним относятся значительное энергопотребление что может привести к увеличению эксплуатационных расходов и негативному воздействию на окружающую среду. Кроме того, использование чиллеров может привести к появлению вибрация и шум что может быть проблематично в условиях сверхвысокого вакуума, где стабильность и бесшумность работы имеют решающее значение.

Эти факторы необходимо тщательно учитывать при выборе криогенных насосов для сверхвысоковакуумных систем, соотнося их высокую производительность с сопутствующими эксплуатационными сложностями.

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ ДЛЯ БЕСПЛАТНОЙ КОНСУЛЬТАЦИИ

Продукты и услуги KINTEK LAB SOLUTION получили признание клиентов по всему миру. Наши сотрудники будут рады помочь с любым вашим запросом. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и поговорите со специалистом по продукту, чтобы найти наиболее подходящее решение для ваших задач!