Обратный поток рабочей жидкости и его подавление (экраны, ловушки)

В струе пара из верхнего сопла диффузионного насоса молекулы рабочей жидкости двигаются не только в направлении охлаждаемых стенок насоса, но и обратно из-за межмолекулярных соударений. Эти молекулы могут попадать прямо вакуумную камеру. Для насосов серии LEYBOLDIFF и DI обратный поток масла составляет несколько миллиграмм в минуту на каждый см2 площади входного сечения. Чтобы максимально снизить обратный поток, можно одновременно использовать несколько методов:

  • сопло с высоковакуумной стороны и часть корпуса вокруг него должны быть спроектированы так, чтобы путь молекул от выхода из сопла до стенки насоса был как можно короче.
  • способ охлаждения стенок насоса должен обеспечивать максимальную конденсацию паров рабочей жидкости, а после конденсации жидкость должна быстро стекать.
  • необходимо установить одну или несколько ловушек (или экранов) между насосом и камерой, в зависимости от требуемого предельного давления.

В конструкции ловушек или экранов необходимо соблюдать два главных требования.

  1. Все молекулы обратного потока пара рабочей жидкости должны оседать (конденсироваться) как можно быстрее на внутренней поверхности этих устройств.
  2. Поверхность конденсации должна быть спроектирована и расположена так, чтобы проводимость потока ловушки (экрана) была как можно большей для откачиваемого газа. Оба этих требования обозначаются термином оптимальной темноты (непрозрачности). Это означает, что частички не могут пройти через ловушку, не ударившись о стенку, хотя ловушка имеет большую проводимость. Воплощение этой идеи приводит к созданию ловушек различной конструкции с этими требованиями.

Экран «холодная шапка»

Экран «холодная шапка» спроектирован таким образом, что может устанавливаться сразу над высоковакуумным соплом. Экран изготавливается из металла с высокой теплопроводностью с хорошим тепловым контактом с охлаждающимися стенками насоса, что означает на практике обеспечение на экране температуры охлаждающей воды или, если насос имеет воздушное охлаждение, температуры окружающей среды. В больших насосах экран «холодная шапка» имеет водяное охлаждение и установлен на корпусе насоса. При установке экрана эффективная быстрота действия диффузионного насоса снижается примерно на 10%, а обратный поток снижается почти на 90…95%.

Тарельчатый маслоотражатель

Тарельчатый маслоотражатель состоит из концентрически расположенных тарелок и центральной пластины. При соответствующем водяном охлаждении большинство свободных паров масла могут здесь задерживаться. Эффективная быстрота действия диффузионного насоса снижается как минимум на 50%. Экраны этого типа выпускаются LEYBOLD двух различных форм: с обмоткой охлаждения из нержавеющей стали или так называемые экраны Astrotorus с медными охлаждающими вставками. Корпус экрана изготовлен из нержавеющей стали.

Для небольших диффузионных насосов с воздушным охлаждением используются колпачки (пластинчатые экраны). При воздушном охлаждении экран состоит из медной пластины с медными перемычками, крепящимися к стенке. Во время работы диффузионного насоса температура экрана поддерживается равной окружающей.

Безмасляный вакуум

Если требуется получить безмасляный вакуум с помощью диффузионного насоса, необходимо использовать заливную ловушку с жидким азотом, и температура ловушки достигает -196°С. Низкотемпературные экраны или заливные (азотные) ловушки всегда используются в качестве холодной шапки. На ней конденсируется большая часть обратного потока масла, так что неизбежные потери рабочей жидкости при конденсации на поверхности с низкой температурой сведены к минимуму. При длительной работе на месте холодной шапки желательно установить экран с водяным охлаждением или шевронный экран между диффузионным насосом и азотной ловушкой.

Компания LEYBOLD производит заливные ловушки LN2. Их можно использовать в том случае, когда ловушка работает в течение длительного времени без необходимости доливки жидкого азота. Повышение температуры в баллоне с хладагентом во время работы незначительно, хотя уровень жидкости падает, значительной десорбции конденсата не происходит.

Расположенная со стороны откачки часть ловушки изготовлена из меди. Низкая температура этой панели гарантирует, что большая часть сконденсированной рабочей жидкости останется в жидком состоянии и может стечь обратно в насос. Сегодня масла, используемые для работы в диффузионных насосах, имеют очень низкое давление паров при комнатной температуре (например DIFFELEN легкий — 2.10-8 мбар, DC705 – 4.10-10 мбар). Совместное использование заливной азотной ловушки и экрана с азотным охлаждением позволяет получить полностью безмасляный вакуум.

Однако на практике не удается достичь полного подавления обратного потока. Всегда будет несколько молекул рабочей жидкости, которые в результате соударений друг с другом, проникнут в камеру без контакта с охлажденными поверхностями экрана или ловушки. Более того, всегда присутствуют несколько летучих компонентов рабочей жидкости, которые не задержатся на охлажденных поверхностях. Температура и адсорбированные на поверхности камеры молекулы пара определяются давлением в камере. Если поверхность не полностью покрыта адсорбированными молекулами рабочей жидкости, давление паров только незначительно повлияет на
давление в камере. Через некоторое время (время до начала повышения давления) образуется непрерывный слой молекул масла, а предельное давление определяется давлением пара рабочей жидкости при температуре стенок вакуумной камеры. Это время повышения давления может составлять от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от использования заливной ловушки/экрана с низкой температурой. Масло может проникать в камеру не только в виде паров, но и в виде тонкой пленки, т.к. масло собирается на стенках камеры.

При установке антимиграционного барьера, выполненного из полимеров (Тефлона, материала, который не впитывает масло и может нагреваться до 200°С) можно эффективно предотвратить дальнейшее проникновение масла. В большинстве случае барьер устанавливается над экраном.

Замечание: Необходимо заметить, что характеристики обратного потока масла,  применимы только для диффузионных насосов при непрерывной работе. Короткое включение верхнего сопла насоса не повлияет на паровую струю. Вместо струи пара будет распыление масла во всех направлениях в течении нескольких секунд, а влияние обратного потока будет значительным. При включении диффузионного насоса степень обратного потока возрастает.