Чем откачивать установку размером с дом?

Наиболее часто при откачке крупных установок применяются два типа насосов — турбомолекулярные и крио-сорбционные. Применяются они все чаще и чаще и в установках других классов. Происходит это по мере того, как их конструкция и технология совершенствуются, стоимость умень

доступность увеличиваются.

Турбомолекулярный насос состоит из ротора и статора. На роторе и статоре есть пластины, и они чередуются (рис. 58). Когда насос работает, роторные пластины вращаются, статорные стоят. Впрочем, насос, показанный на рис. 58, качать не будет — он абсолютно симметричен, и непонятно, где у него вход, а где выход. На самом же деле пластины, конечно, не целые, а с прорезями (рис. 59). Прорези косые, а сама пластина похожа на лопатку турбины. Впрочем, аналогия неполная — в газе как бы нет отдельных молекул, он взаимодействует с лопастями турбины как целое, как «среда», а вакуум состоит из молекул, взаимодействующих с пластинами индивидуально. Столкнувшись с роторной пластиной, молекула приобретает скорость, направленную вправо (рис. 60).

Попав в статорную пластину, молекула либо отразится (вариант а), либо, не потеряв скорости, пройдет сквозь пластину (вариант 6), а на выходе попадет в следующую роторную пластину. Отразившись (а), она либо отразится и от плоской части роторной пластины и опять же полетит вправо, или попадет в прорезь роторной пластины и после соударения опять-таки полетит вправо (хотя и не вдоль оси). На самом деле все происходит, как всегда, немного сложнее, но суть дела именно такова. Медленные молекулы, независимо от направления исходной их скорости, ведут себя примерно так же, как и докоящиеся. Быстрые имеют шансы пробиться против общего потока. Но шансы эти невелики, а ведь в насосе не одна пара пластин, а десятки.

Обратный поток насоса состоит из молекул, пробравшихся в обратном направлении с выхода насоса, и газа, десорбированного с его стенок. Этот поток можно было бы уменьшить, увеличив скорость движения лопаток, но совершенствование насосов сдерживается и прочностью материала — ведь скорость лопаток сравнима со скоростью сверхзвукового самолета.

Работа насоса, очевидно, тем эффективнее, чем больше скорость движения пластин и чем меньше зазор между ними. Поэтому, хотя принцип действия турбомолекулярного насоса известен давно, он начал широко применяться лишь в последнее десятилетие. Потребность в нем была и раньше, просто механика не доросла до уровня обеспечения необходимой точности изготовления. Вспомним, что в первой паровой машине можно было между цилиндром и поршнем просунуть палец.

Параметры насоса существенно зависят от угла наклона лопаток — обратный поток тем меньше, чем меньше угол между лопатками и плоскостью пластины, но скорость откачки при этом убывает. Чтобы убедиться в этом, представьте себе работу насоса с углом наклона, близким к нулю. Обычно турбомолекулярные насосы делают так: во входной части лопатки имеют наклон 35 %, а в выходной части — 20%. В целом насос оказывается и с высокой скоростью откачки и с малым обратным потоком. Можно считать, что такой насос — это два насоса, соединенных последовательно.

Второй тип насосов, получивших значительное распространение в последнее время, — это криосорбционные. В этих насосах газ «примораживается» к холодной стенке. Количество газа, которое можно так откачать, ограничено. Слой смерзшегося газа плохо проводит тепло, и температура поверхности по мере роста слоя «снега» начинает расти. Поэтому время работы такого насоса ограничено, но для насосов разных типов оно составляет от нескольких часов до сотен тысяч часов и является одним из основных параметров насосов. По истечении этого времени насос должен очищаться. По некоторым параметрам эти насосы близки к идеальным — например, они не вводят в систему никаких новых газов и паров. Скорость откачки таких насосов около 10“² м³/с для каждого квадратного сантиметра сорбирующей поверхности, если она обращена прямо в вакуум. К сожалению, охлаждаемые (сорбирующие) поверхности этих насосов приходится защищать со стороны вакуумной камеры экранами, иначе тепловое излучение (особенно если в камере есть источники энергии) недопустимо нагреет сорбент или слой сконденсированного газа. И еще недостаток — этим насосам (как, впрочем, и почти всем другим) свойственна значительная селективность, т. е. одни газы откачиваются хорошо, другие плохо (например, инертные газы).

Любопытно провести сравнение различных насосов по энергопотреблению. Дело в том, что энергопотребление растет с увеличением скорости откачки, и в крупных современных установках, в которых общая скорость откачки достигает 10⁴ м³/с, вопрос энергопотребления стоит достаточно остро. На рис. 61-дано сравнение различных типов насосов по энергопотреблению. Конечно, эти нс главный параметр насоиов, но и заОывать о нем в наше время не следует.

Лампочки в люстре включены параллельно, рубашка и куртка защищают человека от холода последовательно. Имеет ли смысл соединять последовательно и параллельно вакуумные насосы? Параллельное соединение применяется, например, если насосам свойственна значительная селективность. Например, крионасосы дополняют часто небольшим диффузионным, который откачивает плохо конденсирующиеся газы. Но вот, например, дополнять магниторазрядный насос диффузионным не следует — пары масла, попадая в магниторазрядный насос, сильно мешают его работе (масло при электронной бомбардировке полимеризуется на стенках насоса, а образование таких пленок приводит к вакуумному пробою). Между прочим, размещение в лампе двух нераспыляемых геттеров при разных температурах — это, по существу, тоже два насела, работающих параллельно.

ГКакой самый высоким вакуум можно получить? Если газо-выделение и натекание малы, то сорбцией на охлажденных чистых стенках вакуумной камеры можно получить очень и очень высокий вакуум. Так, при охлаждении лишь до 30 К достигнут предельный вакуум, измеряемый обычными вакуумметрами,—10"¹² Па. При этом концентрация молекул в вакууме составляет ~3 • 10⁸ м"³. При охлаждении до температуры жидкого гелия давление должно было бы составлять 10~³¹ Па *), но ни измерить, ни представить себе наглядно, что это такое, невозможно. Действительно, что такое плотность молекул ЗЮ^-11 м“³? Это значит, что через камеру в виде куба со стороной 1 м пролетает одна молекула раз в 3 года. Это можно с чистой совестью назвать сверхпустотой, ибо даже в межгалактическом пространстве пустота менее «пустая», так как давление в ней составляет 10“²⁷ Па. А в межзвездном пространстве внутри галактики вакуум «совсем плохой» — всего 10"¹⁵ Па.