Перегляд вихідного коду сторінки Молекулярний насос

'''Молекуля́рний насо́с'''{{sfn|Гірка І. О., Кононенко С. І., Юнаков М. М.|2002|c=5}}<ref>{{ref-ru}}{{книга|автор=Розанов Л. Н.|заголовок=Вакуумная техника:Учеб. Для вузов по спец. «Вакуумна я техника»|частина=4.6. Конструкция молекулярных насосов|видання=2-е изд. перераб. и доп.|місце=М.|видавництво=Высшая школа|рік=1990|сторінок=320|сторінки=100-102|isbn=5-06-000479-1}}</ref> ({{lang-en|molecular drag pump}})&nbsp;— обертовий (роторний) [[вакуумний насос]] кінетичного типу, принцип дії якого ґрунтується на наданні молекулам відкачуваного газу при зіткненні їх із поверхнею високошвидкісного ротора (частота обертання до 90 тис. об/хв) додаткової швидкості, спрямованої до виходу насоса. За видом виконання ротора розрізняють молекулярні насоси циліндричні, дискові, конічні тощо. Залишковий тиск, що досягається насосами цього типу становить від 10 до 10<sup>−9</sup> [[Паскаль (одиниця)|Па]].

== Історична довідка ==
Перший молекулярний насос було створено німецьким фізиком {{не перекладено|Вольфганг Геде|Вольфгангом Геде||Wolfgang Gaede}}, у якого виникла ідея такого насоса в 1905 році, й він потратив декілька років на переписку з компанією {{не перекладено|Leybold GmbH|Leybold|| Leybold GmbH}}, намагаючись створити пристрій, придатний до практичного використання<ref name=Redhead1994>{{cite book | last=Redhead | first=P. A. | title=Vacuum science and technology : pioneers of the 20th century : history of vacuum science and technology volume 2 | publisher=AIP Press for the American Vacuum Society | location=New York, NY | year=1994 | isbn=978-1-56396-248-6 | oclc=28587335 | pages=114–125}}</ref>. Патент №&nbsp;238213 під назвою «Rotierende Wakuumpumpe» («Обертовий вакуумний насос») йому було видано німецьким імператорським патентним відомством 3 січня 1909 року<ref>[https://www.vacuumscienceworld.com/vacuum-science-facts/wolfgang-gaede Wolfgang Gaede&nbsp;— A Hero of Vacuum] // Vacuum Science. World</ref>.

Перший прототип пристрою, який виправдовував очікування, досягнувши тиску менше за <math>10^{-6}</math>[[Бар (одиниця)|мбар]] (<math>10^{-4}</math> Па), було виготовлено у 1910 році<ref>{{cite journal | last=Henning | first=Hinrich | title=Renaissance einer Hundertjährigen. Die Molekularpumpe von Wolfgang Gaede|trans-title=Renaissance of a century: the molecular pump of Wolfgang Gaede| journal=Vakuum in Forschung und Praxis | publisher=Wiley | volume=21 | issue=4 | year=2009 | issn=0947-076X | doi=10.1002/vipr.200900392 | pages=19–22| s2cid=94485485 |language=de}}</ref>. До 1912 року було виготовлено дванадцять насосів, а сама концепція пристрою була представлена на зборах Фізичного товариства в [[Мюнстер]]і 16 вересня того ж року, і загалом була сприйнята позитивно<ref name=Redhead1994 />. Як вказував Геде, ідею нового методу видалення газів йому подала стаття {{не перекладено|Мартін Кнудсен|Мартіна Кнудсена||Martin Knudsen}}<ref>Knudsen, M. Die Molekularströmung der Gase durch Öffnungen und die Effusion. (German)Ann. der Phys. (4) 28, 999—1016 (1909)</ref>, в якій були сформульовані основні закономірності [[Молекулярна течія|молекулярного режиму течії]] газу.

Геде опублікував декілька статей про принципи роботи цього молекулярного насоса та його конструктивні особливості<ref>{{cite journal|title=Die äußere Reibung der Gase und ein neues Prinzip für Luftpumpen: Die Molekularluft-pumpe|trans-title=The exterior friction of gasses and a new principle for air pumps: the molecular air pump|first=W. |last=Gaede|journal=Physikalische Zeitschrift |year=1912|volume=13|pages=864–870 |url=https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015023176806&view=1up&seq=956|language=de}}</ref><ref>{{cite journal | last=Gaede | first=W. | title=Die Molekularluftpumpe |trans-title=The molecular air pump| journal=Annalen der Physik | publisher=Wiley | volume=346 | issue=7 | year=1913 | issn=0003-3804 | doi=10.1002/andp.19133460707 | pages=337–380 | language=de| bibcode=1913AnP...346..337G }}</ref>, і запатентував конструкцію<ref>{{cite patent | country = US | number = 1069408 | status = patent | title = Method and apparatus for producing high vacuums | pubdate	=  | gdate = 1913 Aug 05 | fdate = 1909 Dec 22 | pridate= | inventor= Wolfgang Gaede | invent1= | invent2= | assign1= | assign2	= | class = | url= }}</ref>.
Зокрема, в журналі «[[Annalen der Physik]]» з'явилася (1913) стаття В.Геде з описом будови та принципу роботи нового вакуумного насоса, який автор назвав «молекулярним». Вже на самому початку статті було підкреслено принципову відмінність нового насоса від існуючих раніше засобів отримання вакууму: «Усі відомі досі вакуумні насоси складаються із всмоктувального пристрою, який, згідно з первісною ідеєю Отто фон Геріке, відокремлює порцію газу з відкачуваної посудини і видаляє її до форвакууму або в атмосферу. Абсолютно необхідно при цьому, щоб між високим вакуумом і форвакуумом було досить добре защільнення. У механічних насосах це досягається щільно пригнаним поршнем і клапанами, а в ртутних та масляних насосах&nbsp;— самою рідиною. На відміну від цього в молекулярному насосі області високого і попереднього вакууму не розділяються ні поршнем, ні защільнювальною рідиною».

Цей «молекулярний насос Геде» знайшов використання в експериментах з тестування [[вакуумметр]]ів<ref>{{cite journal | last=Dushman | first=Saul | title=Theory and Use of the Molecular Gauge | journal=Physical Review | publisher=American Physical Society (APS) | volume=5 | issue=3 | date=1 February 1915 | issn=0031-899X | doi=10.1103/physrev.5.212 | pages=212–229|url=https://archive.org/details/physicalreview14univgoog/page/n243| bibcode=1915PhRv....5..212D }}</ref>. Незважаючи на високі технічні характеристики, значного поширення молекулярний насос Геде не отримав. Необхідність забезпечувати зазори близько 0,1&nbsp;мм між рухомими частинами насоса викликала значні технологічні труднощі у його виготовленні. При експлуатації потрапляння твердих частинок (наприклад, уламків скла) всередину корпусу або навіть невелике зношування підшипників виводили насос з ладу. З поширенням дифузійних засобів відкачування молекулярні насоси Геде збереглися переважно в дослідницьких лабораторіях Німеччини, Англії та Франції. У 1930-40-х роках популярність здобули також конструкції молекулярних насосів Гольвека і Зігбана.

== Будова і принцип роботи ==

=== Особливості молекулярного насоса на прикладі насоса конструкції Геде ===
[[Файл:Gaede molecular drag pump.png|thumb|Молекулярний насос конструкції Геде: 1&nbsp;— випускний патрубок, 2&nbsp;— впускний патрубок, 3&nbsp;— ротор, 4&nbsp;— статор]]

Принцип роботи насоса ґрунтується на молекулярно-кінетичних явищах та законах, що їх описують. Ротор 3 (див. рисунок) з великою швидкістю обертається в напрямку, вказаному стрілкою. Ротор має кільцеві рівці, у які входять виступи статора. Зазор між зовнішньою поверхнею ротора і внутрішньою поверхнею статора становить близько 0,1&nbsp;мм. Глибина рівців ротора становить у середньому 4&nbsp;мм. Між корпусом 4 і ротором 3 є зазор, який на ділянці між вхідними ''n'' і вихідними ''m'' сторонами значно менший. Тут величина зазору для більшої частини технічних моделей становить 0,02…0,05&nbsp;мм.

Явища, що мають місце в насосі відбуваються за відсутності міжмолекулярного зіткнення у газі, який відкачується (режим [[Молекулярна течія|молекулярної течії]]). Молекули, що входять у насос по впускній трубці 2, вдаряються в ротор 3 і отримують додатковий імпульс у напрямку випускного патрубка 1. Малий зазор між ротором і статором у зоні між вхідним і вихідним патрубками створює значний опір зворотному потокові газу безпосередньо через цю щілину. В результаті між випускною ''m'' і впускною ''n'' сторонами виникає різниця тисків <math>p_{fore}-p_{vac}</math>. Послідовне сполучення вхідних та вихідних отворів усіх рівців дає можливість збільшити загальний перепад тиску в насосі.

=== Розрахункові і реальні характеристики ===
Для молекулярного режиму течії газу взаємозв'язок між швидкістю ''u'' робочої поверхні ротора, довжиною ''L'' та поперечним розміром ''h'' робочої камери і значеннями тисків на вході <math>p_{vac}</math> і виході <math>p_{fore}</math> описується формулою Геде{{sfn|Борисов|2001}}:
: <math>L\cdot u=\frac{h}{\vartheta}\ln{\frac{p_{fore}}{p_{vac}}}</math>,
звідки:
: <math>\frac{p_{fore}}{ p_{vac}}=\exp{\frac{Lu\vartheta}{h}}</math>
Для u = 5700 см/с, L=7&nbsp;см, h = 0,1&nbsp;см і вважаючи що для повітря за кімнатної температури <math>\vartheta</math> = 0,000016, отримуємо співвідношення тисків <math>\frac{p_{fore}}{ p_{vac}}</math>=620.

Досягти таких співвідношень в експериментах Геде не вдалося. Великі проблеми виникли при створенні в установці молекулярного режиму течії газу, тобто тиску нижче 0,001&nbsp;мм рт. ст. Проте теоретичні викладки свідчили про принципову можливість створення ефективного засобу отримання високого вакууму.

Ці принципи були реалізовані Геде у конструкції молекулярного насоса, який випускався, починаючи з 1913 року, фірмою «Leybold's Nachfolgers».

В результаті розрахунків тиск розрідження визначається залежністю <math>S \sim \frac{\omega}{\sqrt{M}}</math>, де <math>\omega</math>&nbsp;— частота обертання ротора, ''M''&nbsp;— молекулярна маса газу, що відкачується.

Для зниження тиску на лінії випускного патрубка (вихід молекулярного насоса) використовується окремий форвакуумний насос, оскільки для того, щоб функціонувати, молекулярний насос повинен працювати під досить низьким тиском, щоб газ усередині рухався у режимі [[молекулярна течія|вільного молекулярного потоку]].

Найбільший тиск на виході молекулярних насосів не повинен перевищувати 0,1&nbsp;мм рт.ст (1,333 мбар). Граничний тиск розрідження таких насосів сягає нижче за 10<sup>−6</sup> мм рт. ст. (1,333·10<sup>−5</sup> мбар).

Одним з важливих показників насоса є ступінь стиснення, <math>K</math>. Він визначається як відношення тиску на виході, <math>p_{fore}</math> до тиску вакууму, <math>p_{vac}</math> і є приблизно постійним для різних тисків, але залежить від виду газу<ref>{{cite journal|journal=General Electric Review|title=The Production and Measurement of High Vacua: Part II Methods for the production of low pressures|first=Saul|last=Dushman|volume=23|issue=7|pages=612–614|url=https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015026741614&view=1up&seq=663|date=July 1920}}</ref>.
: <math> \frac{p_{fore}}{p_{vac}} = K</math>
Ступінь стиснення можна оцінити за допомогою [[Кінетична теорія|кінетичної теорії газів]] шляхом розрахунку потоку від зіткнення молекул газу з обертовими поверхнями та швидкості дифузії у зворотному напрямку<ref>{{cite journal | last=Jacobs | first=Robert B. | title=The Design of Molecular Pumps | url=https://archive.org/details/sim_journal-of-applied-physics_1951-02_22_2/page/217 | journal=Journal of Applied Physics | publisher=AIP Publishing | volume=22 | issue=2 | year=1951 | issn=0021-8979 | doi=10.1063/1.1699927 | pages=217–220}}</ref>. Ступінь стиснення має тенденцію бути вищим для важких молекул, оскільки {{не перекладено|теплова швидкість|||Thermal velocity}} легших газів вища і швидкість обертового циліндра у меншій мірі впливає на легші гази які є рухливішими.

== Розвиток конструкції молекулярного насоса ==

=== Конструкція Гольвека ===
Покращена конструкція молекулярного насоса Геде була запропонована на початку 1920-х років французьким фізиком {{не перекладено|Фернанд Гольвек|Фернандом Гольвеком|| Fernand Holweck}}<ref>{{cite journal|year=1923|journal=Comptes rendus de l'Académie des Sciences|first=M.|last=Holweck|title=Physique Moléculaire - pompe moléculaire hélicoïdale|trans-title=Molecular physics - helical molecular pump|volume=177|pages=43–46|language=fr|url=https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3130n/f45.image}}</ref><ref>{{cite journal | last=Elwell | first=C. F. | title=The Holweck demountable type valve | journal=Institution of Electrical Engineers - Proceedings of the Wireless Section of the Institution | publisher=Institution of Engineering and Technology (IET) | volume=2 | issue=6 | year=1927 | issn=2054-0655 | doi=10.1049/pws.1927.0011 | pages=155–156}}</ref>, що входила до складу апаратури по вивченню м'якого [[Рентгенівське випромінювання|рентгенівського випромінювання]]. Насос був виготовлений французьким виробником наукових інструментів Шарлем Бодуеном<ref>{{cite magazine|first=Denis|last=Beaudouin|magazine=Bulletin of the Scientific Instrument Society|volume=90|year=2006|page=34|title=Charles Beaudouin, a story of scientific instruments}}</ref>. Гольвек подав заявку на патент на пристрій у 1925 році<ref>{{cite patent | country	= FR | number	= 609813 | status	= patent | title	= Pompe moléculaire | pubdate=  | gdate =  | fdate = 1925 May 2 | pridate	= 1925 May 2 | inventor = Fernand-Hippolyte-Lo Holweck | invent1 = | invent2	= | assign1	=  | assign2	= | class = | url	= }}</ref>. Основною відмінністю від насоса Геде було додавання спірального рівця, врізаного або в обертовий циліндр, або в статичний корпус. Насоси Гольвека часто моделювали теоретично<ref name="NarisKoutandou2012">{{cite journal|last1=Naris|first1=Steryios|last2=Koutandou|first2=Eirini|last3=Valougeorgis|first3=Dimitris|title=Design and optimization of a Holweck pump via linear kinetic theory|journal=Journal of Physics: Conference Series|volume=362|issue=1|year=2012|pages=012024|issn=1742-6596|doi=10.1088/1742-6596/362/1/012024|bibcode=2012JPhCS.362a2024N|doi-access=free}}</ref><ref>{{cite conference | last=Skovorodko | first=Petr A. | title=Free molecular flow in the Holweck pump | journal=Unsolved Problems of Noise and Fluctuations | publisher=AIP |conference=AIP conference proceedings| year=2001 | issn=0094-243X | doi=10.1063/1.1407654 |volume=585 | page=900}}</ref><ref>{{cite journal | last1=Naris | first1=S. | last2=Tantos | first2=C. | last3=Valougeorgis | first3=D. | title=Kinetic modeling of a tapered Holweck pump | journal=Vacuum | publisher=Elsevier BV | volume=109 | year=2014 | issn=0042-207X | doi=10.1016/j.vacuum.2014.04.006 | pages=341–348|url=http://www.mie.uth.gr/files/2014VACUUMII.pdf| bibcode=2014Vacuu.109..341N }}</ref>. Співробітник Гольвека, {{не перекладено|Анрі Гонде|А. Гонде|fr| Henri Gondet}}, пізніше запропонував низку вдосконалень конструкції насоса<ref name=Redhead1994 /><ref>{{cite journal|first=H.|last=Gondet|journal=Le Vide|year=1945|volume=18|page=513|issn=1266-0167|title=Étude et réalisation d'une nouvelle pompe rotative à vide moléculaire|language=fr}}</ref>.

При зазорі між ротором і статором 0,025&nbsp;мм і форвакуумному тиску від 70 до 0,01&nbsp;мм рт.ст. насос Гольвека забезпечував ступінь стиснення близько 7·10<sup>7</sup>. При зазорі, у два рази більшому, і форвакуумному тиску від 30 до 0,01&nbsp;мм рт. ст. максимальна величина становила 2·10<sup>7</sup><ref>''Дюнуайе Л.'' Техника высокого вакуума. Пер. с фран. Издание 2-е. М.&nbsp;— Л. Государственное технико-теоретическое издательство. 1933.&nbsp;— 230 с.</ref>.

=== Конструкція Сігбана ===
Інша конструкція вакуумного насоса була запропонована шведським фізиком [[Манне Сігбан]]ом<ref>{{cite patent | country = GB | number = 332879A | status = | title = Improvements in or relating to rotary vacuum pumps | pubdate	= 1930-07-31 | gdate = | fdate = | pridate = | inventor =  | invent1	= | invent2 = | assign1 = Karl Manne Georg Siegbahn | assign2 = | class =  | url	= }}</ref>, який виготовив та використовував її у 1926 році<ref>{{cite journal | last=Kellström | first=Gunnar | title=Präzisionsmessungen in derK-Serie der Elemente Palladium und Silber |trans-title=Precision measurements of the K series of Palladium and Silver| journal=Zeitschrift für Physik A | publisher=Springer Science and Business Media LLC | volume=41 | issue=6–7 | year=1927 | issn=0939-7922 | doi=10.1007/bf01400210 | pages=516–523 | language=de| bibcode=1927ZPhy...41..516K | s2cid=124854698 }}</ref>. У насосі Сігбана ротор має форму вузького сталевого диска. Гвинтові канали для відпомповування прорізані у вертикальних стінках ротора; їх глибина змінюється від 22 до 1&nbsp;мм. При обертанні ротора зі швидкістю 3700 об./хв насос розвивав продкутивнісь 73 [[Літр|л]]/с. Граничний тиск, отриманий за допомогою насоса становив 6·10<sup>−7</sup> мм рт.ст. У період з 1926 до 1940 років було виготовлено близько 50 насосів конструкції Сігбана<ref name=Redhead1994 />. Ці насоси, як правило, були повільнішими, ніж аналогічні дифузійні насоси, тому були рідкістю за межами [[Уппсальський університет|Уппсальського університету]]. Більші і швидші насоси конструкції Сігбана почали виготовляти близько 1940 року для використання в [[циклотрон]]ах<ref>{{cite journal | last=von Friesen | first=Sten | title=Large Molecular Pumps of the Disk Type | journal=Review of Scientific Instruments | publisher=AIP Publishing | volume=11 | issue=11 | year=1940 | issn=0034-6748 | doi=10.1063/1.1751585 | pages=362–364}}</ref>. У 1943 році М.Сігбан опублікував статтю про ці насоси, що базувалися на обертовому диску<ref>{{cite journal|title=A new design for a high vacuum pump|year=1943|journal=Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik|volume=30B|issue=2|first=M.|last=Siegbahn|author-link=Манне Сігбан|page=261|issn=0365-4133}} via {{cite book|title=High Vacuum Pumping Equipment|first=Basil Dixon|last=Power|publisher=Chapman and Hall|year=1966|url=https://archive.org/details/highvacuumpumpin0000powe/|url-access=registration|page=190}}</ref>.

== Тубомолекулярні насоси ==
{{Main|Турбомолекулярний насос}}
[[Файл:Turbo pump schematic-2011-05-02-en.svg|thumb|Схема роботи турбомолекулярного насоса]]
Хоча молекулярні насоси конструкцій Геде, Гольвека і Сігбана є функціональними конструкціями, вони залишались відносно рідкісними як автономні насоси. Однією з проблем була швидкість відкачування: такі альтернативи, як [[дифузійний насос]], були набагато продуктивнішими. По-друге, основною проблемою цих насосів є надійність: із зазором між рухомими поверхнями в десятки мікрометрів будь-який пил або зміна температури загрожували контактом деталей і виходом насоса з ладу<ref>{{cite book | last=Henning | first=Hinrich | title=Handbook of Vacuum Science and Technology | url=https://archive.org/details/handbookofvacuum0000unse_w1a1 | chapter=Turbomolecular Pumps | publisher=Elsevier | year=1998 | isbn=978-0-12-352065-4 | doi=10.1016/b978-012352065-4/50056-0 | pages=[https://archive.org/details/handbookofvacuum0000unse_w1a1/page/183 183]–213}}</ref>.

[[Турбомолекулярний насос]] подолав багато з цих недоліків. Першу конструкцію турбомолекулярного насоса (ТМН) було винайдено і запатентовано у 1957 році В. Беккером (W. Becker)<ref>''Becker W.'' Deutsches Reich Patent №&nbsp;10155573 (16/09/1957)</ref> з компанії «Pfeiffer Vacuum». За своєю конструкцією насос Беккера нагадував багатоступінчастий компресор. Основною частиною таких насосів, що отримали згодом назву турбомолекулярних, є рухомі (роторні) й нерухомі (статорні) диски. В дисках було виконано косі прорізи, при цьому профілі прорізів статорних дисків були дзеркальним відбиттям роторних прорізів. Насос, описаний В. Беккером у 1961 році<ref>''Becker W.'' Vakuum-Technik. 1961. №&nbsp;10. S. 199.</ref>, мав ротор діаметром 600&nbsp;мм, що обертався зі швидкістю 6000 об/хв. ТМН є ефективним в області високого й надвисокого вакууму. ТМН Беккера забезпечував швидкість відкачування по повітрю 4250 л/с.

Вакуум, що створюється сучасним турбомолекулярним насосом, може становити від 10 <sup>−2</sup> Па до 10<sup>−8</sup> Па (10<sup>−10</sup> мбар; 7,5·10<sup>−11</sup> мм рт ст). Швидкість обертання ротора&nbsp;— десятки тисяч обертів на хвилину<ref>У стандартних лабораторних насосах ротор обертається із швидкістю від 48000 об/хв (старіші конструкції) до 90000 об/хв (новіші конструкції)</ref>.

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* {{ref-ru}}{{книга |автор  = Борисов В.П.  |частина  = Глава 4. Формирование основ современной вакуумной техники|посилання частина  = http://www.vacuum.ru/file/misc/borisov/vacuum/part4.html |заголовок = Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса  |посилання =  http://vtt.vacuum.ru/file/misc/borisov/vacuum/content.html |видання  =  |місце = М.  |видавництво  = НПК «Интелвак»  |рік   = 2001 |сторінки  =  |сторінок = 144 |isbn=5-93264-039-1|ref  = Борисов}}
* {{книга|автор=Гірка І. О., Кононенко С. І., Юнаков М. М.|заголовок= Теоретичні основи вакуумної техніки. Навчальний посібник|посилання=https://web.archive.org/web/20110810095840/http://www-htuni.univer.kharkov.ua/ftf/files/lt2.pdf|місце=Х.|рік= 2009|сторінок = 53 |сторінки=5, 43-44, 47-48|ref=Гірка І. О., Кононенко С. І., Юнаков М. М.}}
* ''Бех І.&nbsp;І.'' Основи фізики вакууму та вакуумної техніки. Методи отримання високого й надвисокого вакууму [Текст]: навч. посіб. / І.&nbsp;І.&nbsp;Бех та ін. ; Київський національний ун-т ім. Тараса Шевченка.&nbsp;— К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2001.&nbsp;— 105 с.&nbsp;— ISBN 966-594-261.{{Сторінка}}

[[Категорія:Вакуумні насоси]]