Молекулярный насос

Молекулярный насос — это тип вакуумного насоса , который использует сопротивление воздуха молекул относительно вращающейся поверхности. ^[1] Наиболее распространенным подтипом является насос Holweck , который содержит вращающийся цилиндр со спиральными канавками, которые направляют газ со стороны высокого вакуума насоса на сторону низкого вакуума насоса. ^[2] Более старая конструкция насоса Gaede аналогична, но встречается гораздо реже из-за недостатков в скорости откачки. ^[3] В общем, молекулярные насосы более эффективны для тяжелых газов, поэтому более легкие газы ( водород , дейтерий , гелий ) будут составлять большую часть остаточных газов, остающихся после работы молекулярного насоса. ^[4]

Турбомолекулярный насос, для него часто используется насос Холвека изобретенный в 1950-х годах, представляет собой более совершенную версию, основанную на аналогичном принципе, и в качестве форвакуумного насоса . Насос Holweck может создавать вакуум до 1 × 10 ⁻⁸ мм рт. ст. (1,3 × 10 ⁻⁶ Хорошо).

История

Геде

Самый ранний молекулярный насос был создан Вольфгангом Геде , которому пришла в голову идея насоса в 1905 году, и он провел несколько лет в переписке с Лейболдом , пытаясь создать практическое устройство. ^[5] Первый прототип устройства, оправдавшего ожидания, был создан в 1910 году, достигнув давления менее $10^{-6}$ мбар . ^[6] К 1912 году было создано двенадцать насосов, и эта концепция была представлена на собрании Физического общества в Мюнстере 16 сентября того же года и в целом была хорошо принята. ^[5]

Геде опубликовал несколько статей о принципах этого молекулярного насоса. ^[7]^[8] и запатентовал конструкцию. ^[9] Принцип работы заключается в том, что газ в камере подвергается воздействию одной стороны быстро вращающегося цилиндра. Столкновения между газом и вращающимся цилиндром придают молекулам газа импульс в том же направлении, что и поверхность цилиндра, которая призвана поворачиваться от вакуумной камеры к форваку. Отдельный форвакуумный насос используется для понижения давления на передней линии (выход молекулярного насоса), поскольку для функционирования молекулярный насос должен работать при достаточно низком давлении, чтобы газ внутри находился в свободномолекулярном потоке . Одним из важных показателей насоса является степень сжатия. $K$ . Это отношение давления вакуума, $P_{vac}$ к давлению на выходе, $P_{fore}$ и примерно постоянен при разных давлениях, но зависит от конкретного газа. ^[10]

{\frac {P_{fore}}{P_{vac}}}=K

Степень сжатия можно оценить с помощью кинетической теории газов, рассчитав поток за счет столкновений с вращающимися поверхностями и скорость диффузии в обратном направлении. ^[11] Степень сжатия, как правило, лучше для тяжелых молекул, поскольку тепловая скорость более легких газов выше, а скорость вращающегося цилиндра оказывает меньшее влияние на эти более быстро движущиеся и легкие газы.

Этот «молекулярный насос Геде» использовался в раннем эксперименте по тестированию вакуумметров . ^[12]

Хольвек

Усовершенствованная конструкция Хольвека была изобретена в начале 1920-х годов Фернаном Хольвеком. ^[13]^[14] как часть своего аппарата для работы по изучению мягкого рентгеновского излучения . Его изготовил французский производитель научных приборов Шарль Бодуэн. ^[15] Он подал заявку на патент на устройство в 1925 году. ^[16] Основным отличием от насоса Gaede было добавление спирали, врезанной либо во вращающийся цилиндр, либо в статический корпус. Насосы Holweck часто моделируются теоретически. ^[2]^[17]^[18] Одноклассник и соратник Хольвека Х. Гонде позже предложил другие улучшения конструкции. ^[5]^[19]

Трек победы

Другой дизайн разработал Манне Зигбан . ^[20] Он изготовил насос, который использовался в 1926 году. ^[21] Около 50 насосов Зигбана было изготовлено с 1926 по 1940 год. ^[5] их редко встречали Эти насосы, как правило, работали медленнее, чем сопоставимые диффузионные насосы, поэтому за пределами Уппсальского университета . Около 1940 года начали производить более крупные и быстрые насосы типа Зигбана для использования в циклотроне . ^[22] В 1943 году Зейгбан опубликовал статью об этих насосах, основанных на вращающемся диске. ^[23]

Использование в турбомолекулярных насосах.

Хотя молекулярные насосы Gaede, Holweck и Siegbahn представляют собой функциональные конструкции, они остаются относительно редкими в качестве автономных насосов. Одной из проблем была скорость откачки: альтернативы, такие как диффузионный насос, работают намного быстрее. Во-вторых, основной проблемой этих насосов является надежность: поскольку зазор между движущимися частями составляет десятки микрометров , любая пыль или изменение температуры грозят привести детали в контакт и привести к выходу насоса из строя. ^[24]

Турбомолекулярный насос преодолел многие из этих недостатков. Многие современные турбомолекулярные насосы содержат встроенные ступени молекулярного сопротивления, что позволяет им работать при более высоких форвакуальных давлениях.

В качестве ступени турбомолекулярных насосов наиболее широко используется конструкция типа Хольвека из-за значительно более высокой скорости откачки, чем конструкция Геде. Несмотря на то, что конструкция Gaede медленнее, она имеет то преимущество, что выдерживает более высокое давление на входе при той же степени сжатия и является более компактной, чем конструкция Holweck. ^[3] В то время как конструкции Геде и Холвека используются значительно более широко, конструкции типа Зигбана продолжают исследоваться из-за их значительно более компактной конструкции по сравнению со ступенями Хольвека. ^[25]

См. также

Насос Шпренгеля

Ссылки

^ Дюваль, П.; Рейно, А.; Солжо, К. (1988). «Молекулярный насос: принцип, характеристики и применение». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 6 (3). Американское вакуумное общество: 1187–1191. Бибкод : 1988JVSTA...6.1187D . дои : 10.1116/1.575674 . ISSN 0734-2101 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Нарис, Стериос; Котандо, Эйрини; Валуджоргис, Димитрис (2012). «Проектирование и оптимизация насоса Хольвека с помощью линейной кинетической теории» . Физический журнал: серия конференций . 362 (1): 012024. Бибкод : 2012JPhCS.362a2024N . дои : 10.1088/1742-6596/362/1/012024 . ISSN 1742-6596 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Конрад, А; Ганшоу, О (1993). «Сравнение стадий накачки Хольвека и Геде». Вакуум . 44 (5–7). Эльзевир Б.В.: 681–684. Бибкод : 1993Vacuu..44..681C . дои : 10.1016/0042-207x(93)90123-r . ISSN 0042-207X .
^ А. Бхатти, Дж; К. Айджази, М; В. Хан, А. (2001). «Конструктивные характеристики молекулярных насосов». Вакуум . 60 (1–2). Эльзевир Б.В.: 213–219. Бибкод : 2001Vacuu..60..213A . дои : 10.1016/s0042-207x(00)00374-2 . ISSN 0042-207X .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Рыжая, Пенсильвания (1994). Вакуумная наука и техника : пионеры ХХ века : история вакуумной науки и техники том 2 . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: AIP Press для Американского вакуумного общества. стр. 114–125. ISBN 978-1-56396-248-6 . OCLC 28587335 .
^ Хеннинг, Хинрих (2009). «Ренессанс века: молекулярный насос Вольфганга Геде» [Ренессанс века: молекулярный насос Вольфганга Геде]. Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке). 21 (4). Уайли: 19-22. дои : 10.1002/vipr.200900392 . ISSN 0947-076X . S2CID 94485485 .
^ Геде, В. (1912). «Внешнее трение газов и новый принцип воздушных насосов: молекулярный воздушный насос » . Физический журнал (на немецком языке). 13 :864-870.
^ Геде, В. (1913). «Die Molekularluftpumpe» [Молекулярный воздушный насос]. Аннален дер Физик (на немецком языке). 346 (7). Уайли: 337–380. Бибкод : 1913АнП...346..337Г . дои : 10.1002/andp.19133460707 . ISSN 0003-3804 .
^ Патент США 1069408 , Вольфганг Геде, «Способ и устройство для создания высокого вакуума», выдан 5 августа 1913 г.
^ Душман, Саул (июль 1920 г.). «Производство и измерение высокого вакуума: Часть II, методы создания низкого давления» . Обзор Дженерал Электрик . 23 (7): 612–614.
^ Джейкобс, Роберт Б. (1951). «Дизайн молекулярных насосов». Журнал прикладной физики . 22 (2). Издательство АИП: 217–220. дои : 10.1063/1.1699927 . ISSN 0021-8979 .
^ Душман, Саул (1 февраля 1915 г.). «Теория и использование молекулярного датчика» . Физический обзор . 5 (3). Американское физическое общество (APS): 212–229. Бибкод : 1915PhRv....5..212D . дои : 10.1103/physrev.5.212 . ISSN 0031-899X .
^ Холвек, М. (1923). «Молекулярная физика – винтовой молекулярный насос» . Труды Академии наук (на французском языке). 177 : 43–46.
^ Элвелл, CF (1927). «Клапан разъемного типа Holweck». Институт инженеров-электриков - Труды секции беспроводной связи института . 2 (6). Инженерно-технологический институт (ИЭТ): 155–156. дои : 10.1049/pws.1927.0011 . ISSN 2054-0655 .
^ Бодуэн, Дени (2006). «Шарль Бодуэн, история научных инструментов». Бюллетень Общества научных приборов . Том. 90. с. 34.
^ Патент Франции 609813 , Фернан-Ипполит-Ло Хольвек, «Молекулярный насос».
^ Сковородько, Петр А. (2001). Свободномолекулярный поток в насосе Хольвека . Материалы конференции АИП. Нерешенные проблемы шума и флуктуаций . Том. 585. АИП. п. 900. дои : 10.1063/1.1407654 . ISSN 0094-243X .
^ Нарис, С.; Тантос, К.; Валуджоргис, Д. (2014). «Кинетическое моделирование конического насоса Холвека» (PDF) . Вакуум . 109 . Эльзевир Б.В.: 341–348. Бибкод : 2014Вакуу.109..341Н . дои : 10.1016/j.vacuum.2014.04.006 . ISSN 0042-207X .
^ Гонде, Х. (1945). «Исследование и создание нового роторного молекулярного вакуумного насоса». Пустота (на французском языке). 18 :513. ISSN 1266-0167 .
^ GB 332879A , «Усовершенствования ротационных вакуумных насосов или относящиеся к ним», опубликован 31 июля 1930 г., передан Карлу Манне Георгу Зигбану.
^ Келлстрем, Гуннар (1927). «Прецизионные измерения палладия и серебра серии К». Журнал физики А (на немецком языке). 41 (6-7). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 516-523. Бибкод : 1927ZPhy...41..516K . дои : 10.1007/bf01400210 . ISSN 0939-7922 . S2CID 124854698 .
^ фон Фризен, Стен (1940). «Крупномолекулярные насосы дискового типа». Обзор научных инструментов . 11 (11). Издательство АИП: 362–364. дои : 10.1063/1.1751585 . ISSN 0034-6748 .
^ Зигбан, М. (1943). «Новая конструкция высоковакуумного насоса». Архивы по математике, астрономии и физике . 30Б (2): 261. ISSN 0365-4133 . с помощью Власть, Бэзил Диксон (1966). Высоковакуумное насосное оборудование . Чепмен и Холл. п. 190.
^ Хеннинг, Хинрих (1998). «Турбомолекулярные насосы». Справочник по вакуумной науке и технике . Эльзевир. стр. 183–213. дои : 10.1016/b978-012352065-4/50056-0 . ISBN 978-0-12-352065-4 .
^ Гиорс, С.; Кампанья, Л.; Эмелли, Э. (2010). «Новая конструкция спиральной ступени молекулярного сопротивления для компактных турбомолекулярных насосов с высокой степенью сжатия». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 28 (4). Американское вакуумное общество: 931–936. дои : 10.1116/1.3386591 . ISSN 0734-2101 .

Дальнейшее чтение

Андраде, ЭН ДА К. (1929). «Молекулярные воздушные насосы» . Природа . 124 (3130). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 657–659. дои : 10.1038/124657a0 . ISSN 0028-0836 .
Бимс, JW (20 ноября 1959 г.). «Молекулярная накачка». Наука . 130 (3386). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1406–1407. дои : 10.1126/science.130.3386.1406 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17807555 . S2CID 2501539 .
Сикафус, EN; Нельсон, РБ; Лоури, Р.А. (1 августа 1961 г.). МОЛЕКУЛЯРНЫЙ НАСОС ТИПА HOLWECK (Отчет). Управление научно-технической информации (ОСТИ). дои : 10.2172/4833839 .
Вакуумный насос модели Holweck № 2, май 1922 г.

[1] Дюваль, П.; Рейно, А.; Солжо, К. (1988). «Молекулярный насос: принцип, характеристики и применение». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 6 (3). Американское вакуумное общество: 1187–1191. Бибкод : 1988JVSTA...6.1187D . дои : 10.1116/1.575674 . ISSN 0734-2101 .

[NarisKoutandou2012-2] Перейти обратно: ^а ^б Нарис, Стериос; Котандо, Эйрини; Валуджоргис, Димитрис (2012). «Проектирование и оптимизация насоса Хольвека с помощью линейной кинетической теории» . Физический журнал: серия конференций . 362 (1): 012024. Бибкод : 2012JPhCS.362a2024N . дои : 10.1088/1742-6596/362/1/012024 . ISSN 1742-6596 .

[Conrad1993-3] Перейти обратно: ^а ^б Конрад, А; Ганшоу, О (1993). «Сравнение стадий накачки Хольвека и Геде». Вакуум . 44 (5–7). Эльзевир Б.В.: 681–684. Бибкод : 1993Vacuu..44..681C . дои : 10.1016/0042-207x(93)90123-r . ISSN 0042-207X .

[4] А. Бхатти, Дж; К. Айджази, М; В. Хан, А. (2001). «Конструктивные характеристики молекулярных насосов». Вакуум . 60 (1–2). Эльзевир Б.В.: 213–219. Бибкод : 2001Vacuu..60..213A . дои : 10.1016/s0042-207x(00)00374-2 . ISSN 0042-207X .

[Redhead1994-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Рыжая, Пенсильвания (1994). Вакуумная наука и техника : пионеры ХХ века : история вакуумной науки и техники том 2 . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: AIP Press для Американского вакуумного общества. стр. 114–125. ISBN 978-1-56396-248-6 . OCLC 28587335 .

[6] Хеннинг, Хинрих (2009). «Ренессанс века: молекулярный насос Вольфганга Геде» [Ренессанс века: молекулярный насос Вольфганга Геде]. Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке). 21 (4). Уайли: 19-22. дои : 10.1002/vipr.200900392 . ISSN 0947-076X . S2CID 94485485 .

[7] Геде, В. (1912). «Внешнее трение газов и новый принцип воздушных насосов: молекулярный воздушный насос » . Физический журнал (на немецком языке). 13 :864-870.

[8] Геде, В. (1913). «Die Molekularluftpumpe» [Молекулярный воздушный насос]. Аннален дер Физик (на немецком языке). 346 (7). Уайли: 337–380. Бибкод : 1913АнП...346..337Г . дои : 10.1002/andp.19133460707 . ISSN 0003-3804 .

[9] Патент США 1069408 , Вольфганг Геде, «Способ и устройство для создания высокого вакуума», выдан 5 августа 1913 г.

[10] Душман, Саул (июль 1920 г.). «Производство и измерение высокого вакуума: Часть II, методы создания низкого давления» . Обзор Дженерал Электрик . 23 (7): 612–614.

[11] Джейкобс, Роберт Б. (1951). «Дизайн молекулярных насосов». Журнал прикладной физики . 22 (2). Издательство АИП: 217–220. дои : 10.1063/1.1699927 . ISSN 0021-8979 .

[12] Душман, Саул (1 февраля 1915 г.). «Теория и использование молекулярного датчика» . Физический обзор . 5 (3). Американское физическое общество (APS): 212–229. Бибкод : 1915PhRv....5..212D . дои : 10.1103/physrev.5.212 . ISSN 0031-899X .

[13] Холвек, М. (1923). «Молекулярная физика – винтовой молекулярный насос» . Труды Академии наук (на французском языке). 177 : 43–46.

[14] Элвелл, CF (1927). «Клапан разъемного типа Holweck». Институт инженеров-электриков - Труды секции беспроводной связи института . 2 (6). Инженерно-технологический институт (ИЭТ): 155–156. дои : 10.1049/pws.1927.0011 . ISSN 2054-0655 .

[15] Бодуэн, Дени (2006). «Шарль Бодуэн, история научных инструментов». Бюллетень Общества научных приборов . Том. 90. с. 34.

[16] Патент Франции 609813 , Фернан-Ипполит-Ло Хольвек, «Молекулярный насос».

[17] Сковородько, Петр А. (2001). Свободномолекулярный поток в насосе Хольвека . Материалы конференции АИП. Нерешенные проблемы шума и флуктуаций . Том. 585. АИП. п. 900. дои : 10.1063/1.1407654 . ISSN 0094-243X .

[18] Нарис, С.; Тантос, К.; Валуджоргис, Д. (2014). «Кинетическое моделирование конического насоса Холвека» (PDF) . Вакуум . 109 . Эльзевир Б.В.: 341–348. Бибкод : 2014Вакуу.109..341Н . дои : 10.1016/j.vacuum.2014.04.006 . ISSN 0042-207X .

[19] Гонде, Х. (1945). «Исследование и создание нового роторного молекулярного вакуумного насоса». Пустота (на французском языке). 18 :513. ISSN 1266-0167 .

[20] GB 332879A , «Усовершенствования ротационных вакуумных насосов или относящиеся к ним», опубликован 31 июля 1930 г., передан Карлу Манне Георгу Зигбану.

[21] Келлстрем, Гуннар (1927). «Прецизионные измерения палладия и серебра серии К». Журнал физики А (на немецком языке). 41 (6-7). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 516-523. Бибкод : 1927ZPhy...41..516K . дои : 10.1007/bf01400210 . ISSN 0939-7922 . S2CID 124854698 .

[22] фон Фризен, Стен (1940). «Крупномолекулярные насосы дискового типа». Обзор научных инструментов . 11 (11). Издательство АИП: 362–364. дои : 10.1063/1.1751585 . ISSN 0034-6748 .

[23] Зигбан, М. (1943). «Новая конструкция высоковакуумного насоса». Архивы по математике, астрономии и физике . 30Б (2): 261. ISSN 0365-4133 . с помощью Власть, Бэзил Диксон (1966). Высоковакуумное насосное оборудование . Чепмен и Холл. п. 190.

[24] Хеннинг, Хинрих (1998). «Турбомолекулярные насосы». Справочник по вакуумной науке и технике . Эльзевир. стр. 183–213. дои : 10.1016/b978-012352065-4/50056-0 . ISBN 978-0-12-352065-4 .

[25] Гиорс, С.; Кампанья, Л.; Эмелли, Э. (2010). «Новая конструкция спиральной ступени молекулярного сопротивления для компактных турбомолекулярных насосов с высокой степенью сжатия». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 28 (4). Американское вакуумное общество: 931–936. дои : 10.1116/1.3386591 . ISSN 0734-2101 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]