Molekularna pompa oporowa

Molekularna pompa oporowa to rodzaj pompy próżniowej , która wykorzystuje opór cząsteczek powietrza na obracającej się powierzchni. Najbardziej powszechnym podtypem jest pompa Holweck , która zawiera obracający się cylinder ze spiralnymi rowkami, które kierują gaz ze strony pompy o wysokiej próżni do strony pompy o niskiej próżni. Starsza pompy Gaede jest podobna, ale jest znacznie mniej powszechna ze względu na wady prędkości pompowania. Ogólnie rzecz biorąc, molekularne pompy oporowe są bardziej wydajne w przypadku ciężkich gazów, więc lżejsze gazy ( wodór , deuter) . , hel ) będzie stanowić większość gazów resztkowych pozostałych po uruchomieniu pompy molekularnej.

Pompa turbomolekularna wynaleziona w latach pięćdziesiątych XX wieku jest bardziej zaawansowaną wersją opartą na podobnym działaniu, a pompa Holweck jest często używana jako pompa wspomagająca. Pompa Holweck może ^wytworzyć podciśnienie o wartości zaledwie 1 × 10-8 mmHg (1,3 × 10-6 ^Pa ).

Historia

Gaede

Najwcześniejsza pompa molekularna została stworzona przez Wolfganga Gaede , który wpadł na pomysł pompy w 1905 roku i spędził kilka lat korespondując z Leyboldem , próbując zbudować praktyczne urządzenie. Pierwsze prototypowe urządzenie spełniające oczekiwania zostało ukończone w 1910 roku, osiągając ciśnienie poniżej ${\ displaystyle 10 ^ {-6}}$ mbar . Do 1912 roku powstało dwanaście pomp, a koncepcja została przedstawiona na spotkaniu Towarzystwa Fizycznego w Münster 16 września tego roku i została ogólnie dobrze przyjęta.

Gaede opublikował kilka artykułów na temat zasad tej pompy molekularnej i opatentował projekt. Zasada działania polega na tym, że gaz w komorze jest wystawiony na działanie szybko wirującego cylindra z jednej strony. Zderzenia między gazem a wirującym cylindrem nadają cząsteczkom gazu pęd w tym samym kierunku, co powierzchnia cylindra, który ma za zadanie odwrócić się od komory próżniowej w kierunku linii wstępnej. Oddzielna pompa wspomagająca służy do obniżania ciśnienia na linii wstępnej (wyjście pompy molekularnej), ponieważ pompa molekularna, aby działać, musi pracować pod ciśnieniem na tyle niskim, aby gaz w środku znajdował się w swobodnym przepływie molekularnym . Jedną z ważnych miar pompy jest stopień sprężania . ${\ displaystyle K}$ . Jest $ciśnień$ stosunek ciśnienia podciśnienia $jest$ i dla różnych , ale zależy od indywidualnego gazu.

\ Displaystyle {\ Frac {P_ {fore}} {P_ {vac}}} = K}

Stopień sprężania można oszacować za pomocą kinetycznej teorii gazów , obliczając przepływ w wyniku zderzeń z obracającymi się powierzchniami oraz szybkość dyfuzji w odwrotnym kierunku. Stopień sprężania jest zwykle lepszy w przypadku ciężkich cząsteczek, ponieważ prędkość termiczna lżejszych gazów jest wyższa, a prędkość obracającego się cylindra ma mniejszy wpływ na te szybciej poruszające się, lżejsze gazy.

Ta „pompa molekularna Gaede” została użyta we wczesnym eksperymencie testującym próżniomierze .

Holweck

Ulepszony projekt Holwecka został wynaleziony na początku lat dwudziestych XX wieku przez Fernanda Holwecka jako część jego aparatu do pracy nad badaniem miękkich promieni rentgenowskich . Został wyprodukowany przez francuskiego konstruktora przyrządów naukowych, Charlesa Beaudouina. Zgłosił patent na urządzenie w 1925 roku. Główną różnicą w stosunku do pompy Gaede było dodanie spirali, pociętej albo na obracający się cylinder, albo na statyczną obudowę. Pompy Holweck były często modelowane teoretycznie. Kolega z klasy i współpracownik Holwecka, H. Gondet, zasugerował później inne ulepszenia projektu.

Siegbahn

Inny projekt nadał Manne Siegbahn . Wyprodukował pompę, która była używana w 1926 roku. Około 50 pomp Siegbahna zostało wyprodukowanych w latach 1926-1940. Pompy te były generalnie wolniejsze niż porównywalne pompy dyfuzyjne, więc były rzadkie poza Uniwersytetem w Uppsali . Większe, szybsze pompy typu Siegbahn zaczęto produkować około 1940 roku do użytku w cyklotronie . W 1943 Seigbahn opublikował artykuł dotyczący tych pomp, które były oparte na obracającym się dysku.

Zastosowanie w pompach turbomolekularnych

Chociaż pompy molekularne firmy Gaede, Holweck i Siegbahn są konstrukcjami funkcjonalnymi, pozostały stosunkowo rzadkie jako samodzielne pompy. Jednym z problemów była prędkość pompowania: alternatywy, takie jak pompa dyfuzyjna, są znacznie szybsze. Po drugie, głównym problemem tych pomp jest niezawodność: przy szczelinie między ruchomymi częściami wynoszącej dziesiątki mikrometrów każdy pył lub zmiana temperatury grozi kontaktem części i awarią pompy.

Pompa turbomolekularna przezwyciężyła wiele z tych wad. Wiele nowoczesnych pomp turbomolekularnych zawiera wbudowane stopnie oporu molekularnego, co pozwala im pracować przy wyższych ciśnieniach na linii wstępnej.

Jako etap w pompach turbomolekularnych, najczęściej stosowaną konstrukcją jest typ Holweck, ze względu na znacznie wyższą prędkość pompowania niż konstrukcja Gaede. Chociaż konstrukcja Gaede jest wolniejsza, ma tę zaletę, że toleruje wyższe ciśnienie wlotowe przy tym samym stopniu sprężania i jest bardziej zwarta niż typ Holweck. Chociaż projekty Gaede i Holweck są znacznie szerzej stosowane, projekty typu Siegbahn są nadal badane ze względu na ich znacznie bardziej zwartą konstrukcję w porównaniu ze stopniami Holweck.

Zobacz też

Dalsza lektura

Andrade, EN DA C. (1929). „Molekularne pompy powietrza” . Natura . Springer Science and Business Media LLC. 124 (3130): 657–659. doi : 10.1038/124657a0 . ISSN 0028-0836 .
Belki, JW (1959-11-20). „Pompowanie molekularne”. nauka . Amerykańskie Stowarzyszenie Postępu Nauki (AAAS). 130 (3386): 1406-1407. doi : 10.1126/science.130.3386.1406 . ISSN 0036-8075 . PMID 17807555 . S2CID 2501539 .
Sickafus, EN; Nelson, RB; Lowry, RA (1961-08-01). POMPA MOLEKULARNA TYPU HOLWECK (raport). Biuro Informacji Naukowo-Technicznej (OSTI). doi : 10.2172/4833839 .
Pompe à vide modèle Holweck N°2 de mai 1922