ТУРБОМОЛЕКУЛНИ ПОМПИ
Принципът на работа на турбомолекулярната помпа се основава на придаването на насочена допълнителна скорост на молекулите на разреден газ от бързо движеща се твърда повърхност.
Работният механизъм на помпата се формира от роторни и статорни дискове с радиални наклонени канали - канали, чиито странични стени са наклонени спрямо равнината на диска под ъгъл 40-15 °; освен това жлебовете на статорните дискове са огледални спрямо жлебовете на роторните дискове. Има празнини между дисковете на статора и вала на ротора и между дисковете на ротора и корпуса на помпата. В молекулярния режим на газовия поток в помпата, т.е. при налягане под 10-1-1 Pa, такава система от подвижни и неподвижни процепи осигурява преобладаващото преминаване на газовите молекули в посоката на изпомпване. Наистина, газова молекула, която е преминала през слота на статора (или се отразява от диска на статора и се движи към диска на ротора отляво), след като е влязла в слота на диска на ротора, има голяма вероятност да премине през него, тъй като страничната стена на слота на ротора напуска пътя на молекулата. Стената не може да го настигне, докато същата молекула, приближаваща се към диска на ротора отдясно, т.е. срещу посоката на изпомпване, влизайки в жлеба, с голяма вероятност ще бъде задържана от стената на жлеба на ротора и отразена обратно в посоката на изпомпване. Молекулите, отразени от диска на ротора, в допълнение към топлинната скорост, придобиват допълнителна скорост. Тази скорост е равна на периферната скорост на роторния диск и е насочена успоредно на оста на помпата. Благодарение на подходящия ъгъл на наклон на страничните стени на статорния прорез, тук също се осигурява преференциалното преминаване на молекулите в посоката на извличане.
По този начин всяка степен, състояща се от роторни и статорни дискове, създава разлика в налягането. Освен това, най-голямото съотношение на натиск наддвете страни на стъпалото (степента на компресия) е приблизително равна на съотношението на вероятностите на молекулите, преминаващи през жлеба в посоката на изпомпване и в обратната посока, а най-високата възможна скорост на стъпалото е пропорционална на разликата 21-2-22-1. В диапазона на периферните скорости, постигнати в съвременните индустриални турбомолекулярни помпи, разликата XI-2- се характеризира с почти линейна зависимост, т.е. ефективността на помпата се увеличава с увеличаване на периферната скорост на ротора и с намаляване на най-вероятната скорост на молекулите. Изчисленията показват, че максимална скорост на действие се постига при ъгъл на наклон на каналите около 30°. От друга страна, за да се получи достатъчно висока степен на компресия в един етап (от 3 до 5), ъгълът на наклона на канала трябва да бъде не повече от 20 °.
Ето защо в съвременните помпи високовакуумните стъпала се изработват с ъгъл на наклон 35°, а всички останали - 20°. За "бързи" молекули (леки газове) периферната скорост на ротора е относително по-ниска, отколкото за "бавни" молекули (тежки газове), така че съотношението на компресия на етапа е значително по-ниско за леките газове. Всеки диск на ротора и статора създава малък спад на налягането, но поради големия брой последователни етапи (30-40) се осигурява високо съотношение на компресия на помпата като цяло (102-103 за водород, 107-109 за азот). Тъй като турбомолекулярните помпи имат много високо съотношение на компресия за тежки газове, по време на работа тези помпи са надеждна бариера срещу проникването на молекули на тежко масло от предната вакуумна кухина на помпата.
Дизайн и характеристики. Високата надеждност на помпите се постига от факта, че те се задвижват от високочестотен електродвигател, чийто ротор е разположен в предната вакуумна кухина на общ вал с ротора на помпата. По този начин изключвавход за вакуумно въртене, чиито маншети са подложени на износване. Роторът се върти със скорост около 18 000 об/мин и е внимателно динамично балансиран преди сглобяването на помпата, което осигурява работа на помпата без шум и вибрации, както и издръжливостта на лагерите.
Лагерите се смазват от маслена помпа, която има собствен малък електродвигател. В случай на аварийно прекъсване на захранването подаването на смазка се спира и роторът на турбомолекулярната помпа може да се върти по инерция още 40–60 минути. Това обаче не води до повреда на лагерите с текстолитни клетки. Малка струя вода се използва за охлаждане на намотката на статора на двигателя и крайните капачки, които отделят лагерите от кухината на изхода на последната предна линия на помпата, за да се намали налягането на маслените пари в тази област. Основният остатъчен газ е водород (масово число 2). Освен това съдържа малко количество водна пара (масово число 18), смес от въглероден оксид и азот (масово число 28) и въглероден диоксид (масово число 44). По този начин тежки въглеводородни съединения не се откриват в остатъчните газове и турбомолекулярните помпи разумно се считат за безмаслени помпени средства, въпреки че в техните предвакуумни кухини има маслени пари, използвани за смазване на лагерите на помпата, и маслени пари, които влизат там от механична вакуумна помпа. Скоростта на действие остава постоянна в широк диапазон на налягането - от 10 - 1 Pa, когато започне да се отразява промяна в режима на газовия поток през дисковете на помпата, до 10
® Pa, когато скоростта на действие се влияе от водорода, освободен от помпата и изтичащ от страната на предната вакуумна кухина на помпата. Ограничаващо остатъчно налягане на турбомолекулярни помпие 10s—10"7 Pa. Предимствата на турбомолекулярните помпи са бързо стартиране, ниска селективност при изпомпване на различни газове, липса на маслени пари и продукти от разлагането му в остатъчната атмосфера, възможност за получаване на свръхвисок вакуум без използване на входни уловители. Механизмът на помпата не се поврежда от пробиви на атмосферен въздух. Всичко това доведе до широкото им използване в много отрасли на науката и индустрията.
При работа на турбомолекулярни помпи е необходимо да се контролира потокът на маслото към лагерите (за които има инспекционни прозорци в помпата) и липсата на шум, чийто външен вид показва износване на лагерите. Недопустимо е да държите спряна турбомолекулярна помпа дълго време под налягане на предния вакуум (под 10 Pa), тъй като в този случай маслените пари могат да проникнат от страната на предния вакуум през роторния механизъм към страната на високия вакуум.
Спряната турбомолекулярна помпа трябва да се напълни със сух въздух или азот до атмосферно налягане през кран, разположен в предната вакуумна тръба на помпата. Малко количество маслени пари, които са влезли във входа на турбомолекулярната помпа, обикновено се отстраняват лесно чрез нагряване на корпуса в областта на входящата тръба до 100–120 °C, докато турбомолекулярната помпа работи. Голяма опасност за работата на помпата е навлизането на твърди частици в нея. Ако има такава опасност, във входа на помпата трябва да се монтира метална мрежа с размер на отворите 1 x 1 mm.