ВА́КУУМНЫЙ НАСО́С

ВА́КУУМНЫЙ НАСО́С, уст­рой­ст­во, пред­на­зна­чен­ное для уда­ле­ния (от­кач­ки) га­зов и па­ров из замк­ну­то­го объ­ё­ма с це­лью по­лу­че­ния ва­куу­ма. По прин­ци­пу дей­ст­вия В. н. де­лят­ся на ме­ха­ни­че­ские, струй­ные, сорб­ци­он­ные и крио­ген­ные. В за­ви­си­мо­сти от диа­па­зо­на дав­ле­ний, обес­пе­чи­вае­мо­го В. н., раз­ли­ча­ют низ­ко­ва­ку­ум­ные (дав­ле­ние от 10⁵ до 10² Па), сред­не­ва­ку­ум­ные (от 10² до 10^–1 Па), вы­со­ко­ва­ку­ум­ные (от 10^–1 до 10^–6 Па) и сверх­вы­со­ко­ва­ку­ум­ные (ме­нее 10^–6 Па) на­со­сы.

Осн. экс­плуа­тац. па­ра­мет­ры В. н.: пре­дель­ное дав­ле­ние (ос­та­точ­ное дав­ле­ние или пре­дель­ный ва­ку­ум), ко­то­рое мо­жет быть обес­пе­че­но на­со­сом; бы­ст­ро­та от­кач­ки – объ­ём га­за, от­ка­чи­вае­мый при дав­ле­нии в еди­ни­цу вре­ме­ни; до­пус­ти­мое (наи­боль­шее) вы­пу­ск­ное дав­ле­ние на вы­хо­де на­со­са, даль­ней­шее по­вы­ше­ние ко­то­ро­го на­ру­ша­ет нор­маль­ную ра­бо­ту, а так­же со­став ос­та­точ­ной ат­мо­сфе­ры.

Рис. 1. Схема (а) и общий вид (б) двухроторного вакуумного насоса.

Рис. 2. Схема (а) и общий вид (б) турбомолекулярного вакуумного насоса.

Ме­ха­ни­че­ские В. н., в свою оче­редь, де­лят­ся на вра­ща­тель­ные, двух­ро­тор­ные и тур­бо­мо­ле­ку­ляр­ные. Сре­ди вра­ща­тель­ных В. н. наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чил пла­стин­ча­то-ро­тор­ный на­сос с мас­ля­ным уп­лот­не­ни­ем. Вса­сы­ва­ние и вы­тал­ки­ва­ние га­за в та­ком В. н. осу­ще­ст­в­ля­ют­ся при из­ме­не­нии объ­ё­мов яче­ек, об­ра­зо­ван­ных экс­цен­трич­но рас­по­ло­жен­ным ро­то­ром, в про­ре­зях ко­то­ро­го по­ме­ще­ны под­виж­ные пла­сти­ны. Уп­лот­не­ние за­зо­ров ме­ж­ду де­та­ля­ми В. н., а так­же час­тич­ное их ох­ла­ж­дение обес­пе­чи­ва­ют­ся ва­ку­ум­ным мас­лом. Для от­кач­ки па­ро­га­зо­вых сме­сей с боль­шим со­дер­жа­ни­ем па­ров во­ды в пла­стин­ча­то-ро­тор­ном В. н. ис­поль­зу­ет­ся га­зо­бал­ла­ст­ное уст­рой­ст­во, ко­то­рое по­зво­ля­ет пре­дот­вра­щать кон­ден­са­цию па­ров во­ды за счёт за­пол­не­ния ка­ме­ры на­со­са оп­ре­де­лён­ным объ­ё­мом воз­ду­ха (бал­ла­ст­ным га­зом). Вра­ща­тель­ные В. н. обес­пе­чи­ва­ют по­лу­че­ние ва­куу­ма до 10–10^–1 Па и при­ме­ня­ют­ся гл. обр. как фор­ва­ку­ум­ные (для соз­да­ния пред­ва­рит. раз­ре­же­ния); бы­ст­ро­та от­кач­ки до 750 л/с. Двух­ро­тор­ный В. н. (рис. 1) со­сто­ит из двух фи­гур­ных ро­то­ров, ко­торые при вра­ще­нии соз­да­ют в ка­ме­ре на­со­са на­прав­лен­ное дви­же­ние га­за. Та­кие В. н. об­ла­да­ют дос­та­точ­но боль­шой бы­ст­ро­той от­кач­ки (до 15 м³/с) и час­то при­ме­ня­ют­ся как про­ме­жу­точ­ные (вспо­мо­га­тель­ные, или бус­тер­ные) ме­ж­ду фор­ва­ку­ум­ны­ми и вы­со­ко­ва­ку­ум­ны­ми на­со­са­ми. В тур­бо­мо­ле­ку­ляр­ном В. н. соз­да­ёт­ся пре­иму­ществ. дви­же­ние мо­ле­кул га­за в на­прав­ле­нии его от­кач­ки при вра­ще­нии ро­то­ра, со­стоя­ще­го из сис­те­мы дис­ков (рис. 2). Ис­поль­зо­ва­ние та­ких В. н. по­зво­ля­ет по­лу­чать пре­дель­ное раз­ре­же­ние до 10^–7 Па при прак­ти­че­ски без­мас­ля­ной ос­та­точ­ной ат­мо­сфе­ре.

Па­ро­струй­ные В. н. раз­де­ля­ют­ся на диф­фу­зи­он­ные (вы­со­ко­ва­ку­ум­ные) и бус­тер­ные; дей­ст­вие ос­но­ва­но на за­хва­те час­тиц от­ка­чи­вае­мо­го га­за стру­ёй па­ра. В та­ких на­со­сах пар об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те на­гре­ва ра­бо­чей жид­ко­сти (обыч­но ва­ку­ум­но­го мас­ла) в ки­пя­тиль­ни­ке, ко­то­рый рас­по­ло­жен в ниж­ней час­ти В. н. Диф­фу­зи­он­ные В. н. пред­на­зна­че­ны для по­лу­че­ния ос­та­точ­но­го дав­ле­ния до 10^–5 Па и ни­же при бы­ст­ро­те от­кач­ки до не­сколь­ких со­тен м³/с. Бус­тер­ные на­со­сы эф­фек­тив­ны в диа­па­зо­не дав­ле­ний 10–10^–1 Па, что обу­слов­ле­но вы­со­кой мощ­но­стью по­дог­ре­ва­те­лей, а так­же ис­поль­зо­ва­ни­ем ле­ту­чих ма­сел.

Рис. 3. Схема разрядной ячейки (а) и общий вид (б) магниторазрядного вакуумного насоса: А – анод; К – катод; Н – напряжённость магнитного поля.

В сорб­ци­он­ных В. н. ис­поль­зу­ет­ся спо­соб­ность не­ко­то­рых ве­ществ (напр., Ti, Mo) по­гло­щать газ. Внутр. по­верх­ность ка­ме­ры та­ких на­со­сов по­кры­ва­ют ли­бо плён­кой хи­ми­че­ски ак­тив­но­го ме­тал­ла (гет­тер­ный В. н.), ли­бо сло­ем по­рис­то­го ве­ще­ст­ва (ад­сорб­ци­он­ный В. н.). Для уда­ле­ния инерт­ных га­зов, ко­то­рые прак­ти­че­ски не по­гло­ща­ют­ся плён­ка­ми ме­тал­лов, при­ме­ня­ют в осн. ион­но-гет­тер­ные на­со­сы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли маг­ни­то­раз­ряд­ные на­со­сы (рис. 3), в ко­то­рых сорб­ци­он­ный спо­соб по­гло­ще­ния хи­ми­че­ски ак­тив­ных га­зов со­че­та­ет­ся с ион­ным спо­со­бом от­кач­ки инерт­ных га­зов и уг­ле­во­до­ро­да (их ио­ни­за­ци­ей силь­ным элек­трич. раз­ря­дом и уда­ле­ни­ем ио­ни­зи­ро­ван­ных мо­ле­кул маг­нит­ным по­лем). В та­ком В. н. анод пред­став­ля­ет со­бой на­бор яче­ек, на ко­то­рых оса­ж­да­ет­ся гет­тер (обыч­но Ti), рас­пы­ляе­мый с ка­то­дов. В маг­ни­то­раз­ряд­ном В. н. га­зо­вый раз­ряд в диа­па­зо­не ра­бо­чих дав­ле­ний 10^–1–10^–8 Па под­дер­жи­ва­ет­ся маг­нит­ным по­лем с на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 10⁴–10⁵ А/м. В сорб­ци­он­ных В. н. бы­ст­ро­та от­кач­ки за­ви­сит от то­го, ка­кой газ от­ка­чи­ва­ет­ся. Напр., бы­ст­ро­та от­кач­ки во­до­ро­да 5000 л/с, азо­та – 2000 л/с, ар­го­на – 50 л/с.

Рис. 4. Схема (а) и общий вид (б) криогенного вакуумного насоса с автономным холодильным устройством.

Дей­ст­вие крио­ген­ных В. н. ос­но­ва­но на по­гло­ще­нии га­за по­верх­но­стью, ох­ла­ж­дён­ной до низ­кой (ни­же 120 К) темп-ры. Раз­ли­ча­ют крио­ген­ные (кон­ден­са­ци­он­ные) В. н. за­лив­но­го ти­па и с ав­то­ном­ным хо­ло­диль­ным уст­рой­ст­вом. В. н. за­лив­но­го ти­па со­дер­жит ём­кость, за­пол­нен­ную хла­да­ген­том (обыч­но во­до­ро­дом), и за­щит­ную ём­кость, за­пол­нен­ную жид­ким азо­том (т. н. азот­ный эк­ран), на по­верх­но­сти ко­то­рых кон­ден­си­ру­ют­ся мо­ле­ку­лы от­ка­чи­вае­мо­го га­за. В. н. с ав­то­ном­ным хо­ло­диль­ным уст­рой­ст­вом (рис. 4) со­дер­жит га­зо­вую хо­ло­диль­ную ма­ши­ну (обыч­но с тем­пе­ра­тур­ны­ми уров­ня­ми от 70 до 100 К). Для по­лу­че­ния сверх­вы­со­ко­го ва­куу­ма при­ме­ня­ют­ся крио­сорб­ци­он­ные В. н., ко­то­рые пред­став­ля­ют со­бой крио­ген­ные на­со­сы с тон­кой плён­кой сор­бен­та на внутр. по­верх­но­сти ка­ме­ры.

Для соз­да­ния ва­куу­ма в разл. тех­но­ло­гич. ус­та­нов­ках и элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­рах В. н. обыч­но ис­поль­зу­ют в со­ста­ве ва­ку­ум­ных аг­ре­га­тов, кон­ст­рук­тив­но объ­е­ди­няю­щих в еди­ное це­лое В. н., ва­ку­ум­ные кла­па­ны, ло­вуш­ки, ре­ле, тру­бо­про­во­ды и др. уст­рой­ст­ва.

Пер­вый (ме­ха­нич.) на­сос для по­лу­че­ния ва­куу­ма соз­дал ок. 1650 О. фон Ге­ри­ке, при­ме­нив­ший его в сво­их опы­тах (в т. ч. с «ма­где­бург­ски­ми по­лу­ша­рия­ми») для до­ка­за­тель­ст­ва су­ще­ст­во­ва­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. Из­го­тов­ле­ние ламп на­ка­ли­ва­ния в кон. 1870-х гг. обу­сло­ви­ло даль­ней­шее раз­ви­тие ва­ку­ум­ной тех­ни­ки и со­вер­шен­ст­во­ва­ние В. н. В 1905 нем. учё­ный В. Ге­де впер­вые при­ме­нил вра­ща­тель­ный ртут­ный на­сос, в 1913 соз­дал пер­вый мо­ле­ку­ляр­ный на­сос, в 1915 опуб­ли­ко­вал от­чёт о диф­фу­зи­он­ном на­со­се. Кон­ден­са­ци­он­ный па­ро­ртут­ный на­сос изо­бре­тён И. Лен­гмю­ром в 1916; пер­вый тур­бо­мо­ле­ку­ляр­ный на­сос соз­дан нем. учё­ным В. Бек­ке­ром в 1957.