Máy bơm khí phân tử của Wolfgang Gaede
Nhân dịp kỷ niệm 80 năm cái chết của Wolfgang Gaede của Guido Pfefferle và Gerhard Voss
Các hoạt động bên trong của bơm khí phân tử trong hình ảnh lịch sử
Wolfgang Gaede qua đời vào ngày 24 tháng 6 năm 1945 tại Munich. Với bài viết này, các tác giả kỷ niệm 80 năm ngày ông qua đời và, lần đầu tiên, xuất bản hình ảnh tiết lộ hoạt động bên trong của một máy bơm khí phân tử của những người kế thừa E. Leybold.
Bằng sáng chế của máy bơm chân không phân tử Gaede
Văn phòng Bằng sáng chế Hoàng gia [Berlin] - Bằng sáng chế số 239213 Tiến sĩ Wolfgang Gaede ở Freiburg im Breisgau - Bơm chân không xoay - Được cấp bằng sáng chế tại Đế chế Đức từ ngày 3 tháng 1 năm 1909
Tiêu đề của Bằng sáng chế số 239213 có thể ban đầu không có vẻ đặc biệt ngoạn mục. Tuy nhiên, đằng sau tên " Bơm chân không xoay " là một cột mốc thực sự trong công nghệ chân không: bơm khí phân tử.
Trong thông số kỹ thuật của bằng sáng chế nêu trên, Wolfgang Gaede viết: "Bơm khí phân tử chỉ sử dụng ma sát giữa khí được bơm và bề mặt rắn di chuyển nhanh để vận chuyển khí. Không cần sử dụng 'chất lỏng bịt kín', chẳng hạn như thủy ngân hoặc dầu. " Trong thuật ngữ ngày nay, điều này có nghĩa là: bơm khí phân tử của Wolfgang Gaede là bơm chân không nén khô đầu tiên trên thế giới.
Hình 1 [3] minh họa, bên trái, bơm khí phân tử được Leybold chế tạo theo bằng sáng chế của Gaede, ở đây minh họa việc hút chân không khỏi ống tia X. Tất nhiên, bơm cánh quạt xoay của Leybold được sử dụng làm bơm chân không sơ bộ.
Nguyên tắc hoạt động của bơm khí phân tử
Trong luận án của mình [1], Wolfgang Gaede giới thiệu thuật ngữ "ma sát bên ngoài của khí", mô tả sự tương tác của các phân tử khí với bề mặt rắn di chuyển nhanh. Máy bơm khí phân tử của anh ấy hoạt động dựa trên nguyên tắc này. Có thể tìm thấy biểu diễn sơ đồ về nguyên tắc hoạt động của bơm trong Thông báo sơ bộ về Bơm chân không cao mới, được xuất bản vào năm 1912 bởi E. Leybold's Nachfolger [2].
"Hình 2" có trong [2] được tái tạo trong bài viết này dưới dạng Hình 2. Nó đi kèm với văn bản gốc sau đây: "Các rãnh có độ sâu b và chiều rộng a được cắt vào xi lanh A, xoay quanh trục a. Ở khoảng cách h ', A được bao quanh bởi một vỏ hình trụ B. Ở một bên, một lược lamella C, được gắn vào vỏ B, nhô ra vào các rãnh." [Trong Hình 1 (trái), khí được vận chuyển từ n đến m khi rôto A xoay theo chiều kim đồng hồ ở tốc độ cao xung quanh trục a. Mất khí không mong muốn xảy ra khi khí chảy trở lại từ m đến n thông qua khe hở giữa C và A. Trong thực hiện kỹ thuật của bơm, khe hở này không được rộng hơn vài phần trăm milimét.] [Để đạt được chân không cao tốt nhất có thể, khí phải được nén đáng kể giữa đầu vào bơm (phía chân không cao) và đầu ra (phía chân không sơ bộ). Điều này được thực hiện theo nguyên tắc sau:] "Các rãnh riêng lẻ được nối tiếp theo thứ tự, sao cho lỗ m kết nối với n₁, m₁ đến n₂, v.v. Do đó, áp suất khí liên tục giảm từ các đầu của rôto về phía trung tâm."
Thiết kế kỹ thuật của Leybold
Hình 3 [3] minh họa thiết kế kỹ thuật của bơm khí phân tử Leybold trong một phần dọc theo trục rôto a. Vỏ B, được tô bóng trong Hình 3, hỗ trợ cụm chi tiết trên K và được gắn vào đó theo cách "kín khí". Rôto A, được làm từ một xi lanh đồng thau rắn, được kết nối cứng với trục a. Các rãnh D được phay vào xi lanh đồng thau, trong đó lược tấm C (màu nâu đậm) kéo dài. Ngoài ra, S chỉ ra cổng nạp của bơm ở phía chân không cao, trong khi H đánh dấu ròng rọc được sử dụng để truyền động trục a. Cần lưu ý rằng bí mật thực sự của bơm nằm trong cụm chi tiết trên K. Nó chứa một hệ thống phức tạp của các kênh phân phối khí - không có bản vẽ hoặc hình ảnh nào tồn tại.
Chiêm ngưỡng máy bơm Leybold
Để khám phá hoạt động bên trong của bơm khí phân tử, trước tiên chúng tôi đã tháo bốn vít cố định cụm chi tiết trên K. Sau khi nới lỏng, cụm chi tiết có thể được nâng ra khỏi vỏ B -và chúng tôi thực sự ngạc nhiên. Không có đệm giữa cụm chi tiết và vỏ, chỉ có đồng thau trên đồng thau với một chút mỡ.
Hình 4 cho thấy cả mặt dưới của cụm chi tiết trên K lật ngược lại và mặt trên của vỏ B. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn mặt dưới của K trong Hình 6. Ở mặt trên của B, bạn có thể thấy một loạt các khe nối với bên trong của B -và do đó cũng với các rãnh trong rôto. Ngoài ra, lược đệm C được gắn ở mặt trên của B, căn chỉnh song song với trục dọc của bơm. Các lỗ dành cho vít lắp cũng có thể nhìn thấy trong Hình 4. Sau khi loại bỏ các thành phần E, F, G và H được minh họa trong Hình 3, chúng tôi có thể chiết xuất và đo rotor A. Theo các phép đo của chúng tôi, nó có đường kính 100,00 + 0,01 mm. Để chứng minh sự tương tác giữa lược tấm và rotor, chúng tôi lắp lược được xay từ một mảnh đồng thau duy nhất vào rãnh của rotor. Điều này có thể được xem chi tiết hơn trong Hình 5.
Để cơ chế hoạt động như minh họa trong Hình 2, độ chính xác cơ học tinh vi và khả năng lặp lại trong phạm vi hàng trăm phần milimét là điều tuyệt đối cần thiết. Leybold đã có khả năng đạt được mức độ chính xác này vào năm 1912.
Với Hình 6, trong đó thể hiện chi tiết mặt dưới của cụm chi tiết trên K, chúng ta tiến gần hơn đến hoạt động bên trong "bí mật" của bơm khí phân tử. Sử dụng chất lỏng làm sạch kim loại, chúng tôi đã theo dõi các kênh bên trong.
Điều này cho phép chúng tôi theo dõi chi tiết đường dẫn phức tạp của khí giữa các bên chân không cao (HV) và chân không sơ bộ (FV): Cổng vào ở phía chân không cao (đầu nối HV S, trên cùng bên trái trong Hình 6) được kết nối với vị trí 1 trong Hình 6. Từ đó, rôto vận chuyển khí đến vị trí 2 ở bên phải. Điều này có nghĩa là rôto - khi nhìn từ phía được dán nhãn của K ( E. Leybold's Nachfolger, Coeln và Berlin, Bằng sáng chế Hoàng gia Đức ) - phải xoay ngược chiều kim đồng hồ.
Thông qua kênh nhìn thấy được đầy hàn mềm, khí di chuyển từ 2 phải sang 2 trái, sau đó qua rôto sang 3 phải, qua một kênh trong K sang 3 trái, qua rôto sang 6 phải, qua một kênh trong K sang 6 trái, qua rôto sang 4 phải, qua một kênh trong K sang 4 trái, qua rôto sang 7 phải, qua một kênh trong K sang 7 trái, qua rôto sang 5 phải, qua một kênh ở K đến 5 bên trái, qua rôto đến 8 bên phải,và cuối cùng qua một kênh ở K đến 8 bên trái,từ đó nó đến rãnh hình vòng (vị trí FV) được kết nối với bơm chân không sơ bộ.
Xin lỗi vì sự giải thích dài - nhưng sau 113 năm, nó phải được ghi lại và ghi chép lại. Do đó, chúng tôi đã có thể xác nhận trong thí nghiệm tuyên bố của Wolfgang Gaede rằng khí được chiết xuất từ trung tâm của bơm. Cấu trúc chính xác của hệ thống kênh bên trong ở K có khả năng chỉ có thể được xác định không phá hủy bằng cách sử dụng tia X. Điều quan trọng cần lưu ý là rãnh nối với bơm chân không sơ bộ bao quanh vùng chân không cao bên trong trong một vòng.
Thiết kế này đảm bảo rằng bất kỳ rò rỉ khí nào từ môi trường (1000 mbar) đến rãnh (0,1 mbar) đều được bơm chân không sơ bộ chặn lại. Chênh lệch áp suất giữa rãnh hình vòng và vị trí 1 thường nhỏ hơn 10.000 lần so với chênh lệch áp suất giữa khí quyển xung quanh và rãnh. Do đó, rò rỉ từ rãnh đến vị trí 1 nhỏ hơn nhiều so với rò rỉ từ môi trường xung quanh vào rãnh. Tóm lại: Rãnh hình vòng bảo vệ khu vực chân không cao khỏi rò rỉ khí từ khí quyển xung quanh.
Epilogue
Leybold có thể coi mình may mắn khi hai máy bơm khí phân tử ban đầu được bảo quản trong Lưu trữ Gaede. Tình huống may mắn này đã truyền cảm hứng cho ý tưởng khôi phục một trong các bơm về tình trạng hoạt động. Điều này đã đạt được thành công - nhưng vẫn còn công việc cần làm để tối ưu hóa hoàn toàn hoạt động của bơm.
Tài liệu tham khảo
[1] Luận án Wolfgang Gaede Habilitation: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Thông tin sơ bộ về một máy bơm chân không cao mới (bơm khí phân tử) theo Tiến sĩ Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] Danh sách giá đặc biệt số VI về máy bơm khí phân tử theo Tiến sĩ Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912
Người Soạn:
Hạt tiêu Guido
Nguyên mẫu và Dụng cụ Email: guido.pfefferle@leybold.com
Tiến sĩ Gerhard Voss
Gaede Lưu trữ Cologne
