Nguyên tắc hoạt động của bơm chân không cao và siêu cao Ngày 15 tháng 1 năm 2021

Mức chân không cao (HV) và chân không siêu cao (UHV) chỉ có thể đạt được hiệu quả và hiệu quả bằng cách sử dụng bơm chính có khả năng hoạt động. Lựa chọn bơm nào để sử dụng phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như tiếng ồn/rung động, chi phí (ban đầu và liên tục), khả năng chịu ô nhiễm, diện tích, lịch bảo trì và khả năng chống va đập. 

Trong bài đăng trên blog này, chúng tôi sẽ xem xét các nguyên tắc hoạt động của bơm HV và UHV để giúp bạn đưa ra quyết định sáng suốt. 

Bơm phân tử turbo (TMP) là các thiết bị động học sử dụng rôto quay tốc độ cao (thường từ 24.000 đến 90.000 vòng/phút). Các bộ phận làm việc của chúng tương tự như tuabin nhiều cánh, với các cặp cánh rôto/stator dọc theo trục.

TMP truyền tác động tốc độ cao của cánh quạt trực tiếp lên các phân tử khí, điều này thay đổi chuyển động của các phân tử này và "đẩy" chúng về phía "lối ra" của bơm. Như tên cho thấy, TMP thường hoạt động trong phạm vi lưu lượng phân tử từ 10-3 đến 10-11 mbar. Khi kết hợp với cơ chế bơm kéo, phạm vi này có thể mở rộng đến 10-2 mbar. Vì chúng không thể nén với áp suất khí quyển, nên tất cả các TMP đều yêu cầu bơm phụ thích hợp. Bơm phụ phổ biến là bơm cánh quạt xoay hoặc bơm khô như bơm xoắn ốc hoặc bơm roots nhiều tầng.

Có một số khái niệm ổ trục cho TMP, với khái niệm phổ biến nhất là:

• Thiết kế ổ trục lơ lửng từ tính hoạt động hoàn toàn (5 trục) 
• Tất cả thiết kế ổ trục cơ khí
• Kết hợp thiết kế ổ trục cơ khí và từ tính thụ động

Bơm thu ion (còn được gọi là bơm ion phún xạ hoặc bơm ion) tạo ra UHV mà không cần sự trợ giúp của các bộ phận hoặc van chuyển động. Bơm ban đầu - thường được quản lý bởi một tổ hợp bơm turbo phân tử - được sử dụng để loại bỏ khí rời cho đến khi chân không giảm xuống khoảng 10-4 mbar hoặc thấp hơn.

Sau khi loại bỏ khí rời, điện áp cao (từ 4.000 đến 7.000 volt) được áp dụng thông qua cụm chi tiết. Điều này "kéo" các electron vào cụm ống anốt hình trụ. Các electron được liên kết vào đường xoắn ốc hẹp bởi một nam châm vĩnh cửu (cường độ từ trường 0,12 Tesla) nằm bên ngoài buồng chân không, do đó tạo thành phóng điện plasma.

Các ion được tạo ra sau đó bombarde tấm catốt titan, và việc bơm các ion phân tử/khí có thể xảy ra thông qua cấy ghép (hấp thụ vật lý). Quá trình phun bom gây ra phún xạ các nguyên tử Titan từ lưới catốt, dẫn đến kết tủa trên bề mặt xung quanh của màng phún xạ. Màng này tạo ra quá trình bơm thông qua hấp thụ (tức là sự hấp thụ hóa học của các phân tử khí).

Bơm lạnh hoạt động bằng cách ngưng tụ hoặc hấp thụ khí trên bề mặt lạnh. Nhiệt độ thấp cần thiết thường được cung cấp bởi một đầu lạnh hai tầng, trong đó tầng đầu tiên thường đạt được nhiệt độ từ 50 đến 80K ở các tấm lạnh, và khoảng 10K ở tầng thứ hai.

Một tấm chắn bức xạ nhiệt với vách ngăn được liên kết chặt chẽ với giai đoạn đầu lạnh đầu tiên, nơi H20 và CO2 chủ yếu ngưng tụ. Các khí còn lại thâm nhập vào vách ngăn, nơi các khí như N2, O2 hoặc Ar sẽ ngưng tụ ở giai đoạn thứ hai. H2, He và Ne không thể được bơm bởi tấm lạnh nhưng sẽ được hấp thụ bởi than hoạt tính phủ bên trong tấm lạnh gắn vào giai đoạn thứ hai. Ưu điểm chính của bơm lạnh là hiệu quả bơm cao, giúp tăng tốc độ bơm hơi nước.

Bơm khuếch tán sử dụng tia hơi tốc độ cao để dẫn các phân tử khí từ cổ bơm về phía đáy bơm và ra khỏi khí xả. Bơm khuếch tán tạo ra áp suất < 10-7 mbar, lý tưởng cho cả công nghiệp và nghiên cứu.

Bơm khuếch tán hoạt động với dầu có áp suất hơi thấp, thường là dầu silicon hoặc polyphenyl ete. Một vòi phun tốc độ cao được tạo ra bằng cách đun sôi dầu này và hướng hơi qua một vòi phun, nơi dòng khí thay đổi từ dạng tầng sang siêu âm và phân tử, với một số vòi phun thường được sử dụng liên tiếp. Bên ngoài bơm khuếch tán được làm mát bằng luồng khí hoặc vỏ bọc nước. Khi vòi phun hơi chạm vào buồng làm mát bên ngoài của bơm, hơi nước ngưng tụ và được thu hồi trước khi được dẫn trở lại nồi hơi.

Bơm khuếch tán không có bộ phận chuyển động và bền và đáng tin cậy. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của bơm khuếch tán là xu hướng dầu chảy ngược vào buồng chân không. Điều này có thể dẫn đến cặn carbon hoặc silic. Do dòng chảy ngược này, bơm khuếch tán dầu không phù hợp với thiết bị phân tích có độ nhạy cao hoặc các ứng dụng khác đòi hỏi môi trường chân không cực kỳ sạch sẽ (mặc dù có thể sử dụng vách ngăn để giảm thiểu hiệu ứng này).

Bên cạnh những ưu và nhược điểm của một số loại bơm HV và UHV nhất định, còn có một số tác động bổ sung cần được xem xét. Khi chọn công nghệ bơm phù hợp nhất, bạn phải xem xét cả tác động tiềm ẩn của quy trình đối với bơm và ngược lại.