Вакуумная техника

Вакуумные насосы
С.В. Полосаткин ТПЭ
Способы получения вакуума:
- перемещение газа за счет применения внешних сил
- связывание путем сорбции, хим.реакций или конденсации
Параметры насосов:
Наибольшее давление запуска
Предельное остаточное давление
Быстрота действия SH и производительность QH = p2 SH
Невозможно с помощью одного типа насосов обеспечить вакуум во всем используемом диапазоне (105 – 10-11 Па)

Форвакуумные насосы
С.В. Полосаткин ТПЭ
Пластинчато-роторный
Пластинчато-статорный
Двухступенчатые насосы – до 0,1 Па

Как откачивать водяные пары
Пары воды не выкачиваются, т.к. при повышении давления при выталкивании вода конденсируется и, смешавшись с маслом, отправляется в вакуумный объем обратно
Газобалластное устройство
Важно, чтобы
Надо испортить промежуточный вакуум в насосе
Напускной клапан в насос увеличивает Pperm и уменьшает парциальную составляющую паров воды

Масло для вращательных насосов
· Низкое давление насыщенных паров ~10-3 Па
· Определенная вязкость для уплотнения
Указания к работе с форвакуумным насосом:
· контроль направления вращения
контроль тока двигателя
перед включением проворачивать вал рукой (если все застоялось)
· при необходимости охлаждать
· следить за уровнем масла
· не допускать попадания различных предметов
· напускать воздух в насос после остановки

Безмасляные насосы
Диафрагменные – до 100 Па
Спиральные – до 1 Па

ISP Structure

Двухроторные (Рутса) – до 10-3 Па

Двухроторные (Рутса) – до 10-3 Па

Высоковакуумные насосы
Пароструйные – до 10-6 Па
Ртуть – не смачивает стенки, химически не активна, не разлагается
высокое давление насыщенных паров (10-1 Па), яд
Масло – низкое давление насыщенных паров (10-6 – 10-7 Па), безопасно
разлагается при высокой температуре

Многоступенчатые с разделением фракций –
Разные фракции на разных ступенях
Порядок включения:
Форвакуумная откачка
Включение нагрева и охлаждающей воды
Через 30-60 мин после запуска включить азотную ловушку
Открыть затвор для откачки

Турбомолекулярные насосы
Молекулам придается касательный импульс от лопаток
Стартовое давление 1-10 Па, предельное давление 10-9 Па
Скорость откачки 50 – 4000 л/с
Могут быть безмасляные
Легкие газы откачиваются плохо

Параметры:
Входное отверстие DN 25 – DN 600
Скорость откачки 10 – 4000 л/с
Степень сжатия 102-105 (H2) 1011 (N2)
Предельное давление 10-9 – 10-11 Па

P1
P2
Спиральный насос
Sf=250 л/мин
Pmax=2,5 Па
Турбомолекулярный насос
St =500 л/с (N2) 200 л/с (H2)
K =108 л/с (N2) 102 (H2)
N2 10 см3/мин
H2
АЗОТ
ВОДОРОД
Предельный вакуум при большой газовой нагрузке

Молекулярные насосы
спираль Хольвека
Adixen-Alcatel MDP 5011
Параметры (Alcatel MDP 5011):
Входное отверстие DN 63
Скорость откачки 7,5 л/с
Степень сжатия 103 (H2) 109 (N2)
Рабочее давление 103 - 10-4 Па
Давление выхлопа 4*103 Па

Адсорбционные насосы
Принцип – физ. сорбция на поверхности
Требуется развитая поверхность
Адсорбенты –
Силикогель Алюмогель
Активированный уголь
Цеолиты – размер пор 1,3 нм, площадь поверхности 1000 м2/г
Откачка – при 77 К, регенерация 400 К.
Плохо откачивают инертные газы
Предельный вакуум 10-2 Па

Емкость адсорбционного насоса
1 монослой - ~1015 частиц/см2 - 1022 частиц/г – 40м3·Па/г – 400 л·мБар/г

Геттерные насосы
Хемосорбция или растворение откачиваемых газов
Рабочее вещество (абсорбент) – титан
Высокая скорость откачки, большая емкость, компактность

Вакуумные условия и подготовка первой стенки
(ГДЛ, эксперимент SHIP)
Fast Ti-deposition: P.A.Bagryansky, et. al., Journal of Nuclear Materials 265 (1999) 124-133.
Антенны СВЧ
интерферометра
Электродуговой
испаритель Ti
Анализатор
продольных
энергий
ионов

Нераспыляемые геттеры
Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузии
газов
Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации 350 - 650°С
LEP – лента 30 мм с покрытием 100 мкм Zr84%-Al16% (геттер St101)
2000 л/с·м, 2·10-10 Па
Скорость откачки (CO) ~ 0,01 л/(с·см2)
Емкость 5·10-2 Па·л/см2
10-6 Па - 5·106 с
Скорость откачки (Н2) ~ 0,1 л/(с·см2)
Емкость 102 Па·л/см2
0,1 Па - 104 с

Магнито-разрядные насосы
Используется Пеннинговский разряд
start c 10-1 Па → до 10-8 Па
Система с осциллирующими электронами
Электроны ионизируют газ, ускоренные ионы газа распыляют титан → работает как геттер
Не требуют форвакуумной откачки

Крионасосы
Эффекты:
Криоконденсация – конденсация газов при низких температурах
Криосорбция – поглощение газа веществами с развитой поверхностью
Криозахват – захват неконденсирующихся газов в слое конденсата

Криоконденсация
Наибольшее распространение – азотная ловушка

Криосорбция
Активный элемент – активированный уголь

Крионасосы Cryo-Torr
T=10-30 К, теплоноситель - гелий
Скорость откачки 0,3 – 6 м3/с
Параметр включения ~104 Па·л
Емкость (водород) 3-40 стандартных литров

Компрессор

Процесс Гриффина - Макнагона

Основное средство откачки-
Криосорбционные насосы (активированный уголь, 4,7 К)
Скорость откачки 80 м3/с
Цикл работа-регенерация 600 с
Форвакуумные насосы-
Насосы Рутса 250 м3/час
Отсутствие органических уплотнений
Вакуумная система токамака ИТЭР

Откачка криостата (10-4 Па)
Первичный вакуум -турбомолекулярные насосы
Поддержание вакуума – естественная криооткачка (1,9 К)
Откачка вакуумной камеры (10-6 Па)
Криооткачка – ограничение из-за энерговыделения в камере (0,1-1 Вт/м)
Охлаждение камеры газообразным гелием (20 К)
Вакуумная система LHC

Вакуумная система
1
2
4
6
5
9
8
7
8
3a
3
10
10
5
5
11
1. Вакуумная камера
2. Высоковакуумный насос
3. Форвакуумный насос
3а. Форвакуумный насос
4. Шибер
5. Вакуумные клапаны
6. Байпасс
7. Высоковакуумные лампы
8. Форвакуумные лампы
9. Масс-спектрометр
10. Клапан напуска атмосферы
11. Цеолитовая ловушка

Вакуумные измерения
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
100
1+2
10+4
P (Па)
Rough Vacuum
High Vacuum
Ultra High
Vacuum
Деформационные манометры
Масс-спектрометр
Теплоэлектрические

Деформационные мановакууметры
Абсолютные или относительные
1 – 105 Па
Не зависят от сорта газа

Пьезорезистивные мановакууметры
Абсолютные или относительные
2,5*103 – 105 Па
Погрешность 0,4 – 1%
Не зависят от сорта газа

Емкостной манометр
Баратрон (MKS instruments)
10-5 – 105 Па
Точность 0,12 %

Тепловые манометры
Разные газы имеют разную градуировку (теплопроводность зависит от сорта газа)
0.1 – 105 Па
MicroPirani (MKS inst) 10-3 – 105 Па

Ионизационные манометры
Лампа Байарда-Альперта
Измеряемый сигнал зависит от сорта газа
Можно проводить быстрые измерения

Магниторазрядные манометры
Ячейка Пеннинга
Ток разряда пропорционален давлению (до 10-10 Па)

Широкодиапазонные вакууметры
Совмещают несколько ламп
Диапазон до 10-10 -105 Па
Выходное напряжение пропорционально логарифму давления
Pfieffer PKR 251

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр

Поиск течей
Методы течеискания
1. Компрессионный -нагнетание воздуха при Р>Ратм
2. Люминесцентный
3. Искровой
4. Манометрический (контролирует проникновение по манометру при проникновении пробного вещества /спирт, бензин, вода, ацетон/ ) ? Для форвакуума
5. Галогенный
6. Масс-спектрометрический