Sposoby wytwarzania próżni

Zapoznaj się jedynie z poniższą tabelką. Budowa pomp NIE OBOWIĄZUJE do kolokwium. Zapoznaj się z tym materiałem jedynie wtedy, gdy cię to interesuje.

W zależności od rodzaju pompowanego gazu, od rodzaju przeprowadzanego eksperymentu oraz od ciśnienia startowego i końcowego do odpompowania komory analitycznej można zastosować następujące pompy:

Ciśnienie początkowe [Pa]	Ciśnienie końcowe [Pa]	Pompa	Uwagi
atmosferyczne	10^-3	rotacyjna	pompa wstępna
atmosferyczne	10^-8	turbomolekularna	droga pompa, niewielkie zanieczyszczenia węglowodorowe
10^-1	10^-9	dyfuzyjna	możliwość wystąpienia zanieczyszczeń węglowodorowych
10^-1	10^-8	tytanowa pompa sublimacyjna	zwykle współpracuje z pompą jonową, czysta pompa
10^-2	10^-9	jonowa	słabo pompuje gazy szlachetne
10^-2	10^-10	kriogeniczna	Nie wprowadza żadnych zanieczyszczeń

Zwykle w układach pomiarowych nie stosuje się jednej pompy, ale zespół kilku pomp, które bądź współpracują ze sobą, bądź są uruchamiane sukcesywnie.

 W zestawie na II Pracowni znajduje się pompa rotacyjna i pompa dyfuzyjna.

 Jednostki ciśnienia

Jednostki ciśnienia

• Atmosfera techniczna [AT] - ciśnienie wywierane przez siłę 1 kG na powierzchnię 1 cm².

• Bar [Bar] - ciśnienie wywierane przez siłę 10⁶ dyny na powierzchnię 1 cm².

• Pascal [Pa]- ciśnienie wywierane przez siłę 1 Newtona na powierzchnię 1 m².

• Tor [Tr] - ciśnienie wywierane przez słup rtęci o wysokości 1 mm.

Przeliczniki:

	Bar	AT	Pa	Tor
Bar	1	1.02	10^5	7.5 10^2
AT	0.981	1	9.81 10^4	735.5
Pa	10^-5	1.02 10^-5	1	7.6 10^-3
Tor	1.33 10^-3	1.36 10^-3	133	1

 

Pompa rotacyjna

Zasada działania 

  Pompy rotacyjne te służą do pompowania gazów o ciśnieniu w zakresie od 0.01 do 10⁵ Pa. Istnieje kilka odmian pomp rotacyjnych. Najczęściej stosowana jest łopatkowa pompa rotacyjna. 

W takiej pompie gaz jest zasysany do komory i jest sprężany przez łopatki i wirnik, by w końcu zostać wyrzucony do atmosfery przez zawór Z i ciecz znajdującą się ponad zaworem. Dokładne przyleganie łopatek wirnika do ścianek komory jest realizowane przy pomocy sprężyn. Łopatki wirnika i powierzchnie pomiędzy rotorem a ściankami pompy są uszczelniane przy pomocy oleju o niskiej prężności par, który również pełni rolę cieczy smarującej pompę. Pompa rotacyjna może mieć jeden lub dwa stopnie pompujące. Pompy dwustopniowe umożliwiają uzyskanie próżni końcowej 10^-3 Pa.

  
  Przy pracy z pompami rotacyjnymi powinny być spełnione następujące warunki:

• wylot pompy powinien być wyprowadzony na zewnątrz pomieszczenia

• pompa powinna być zapowietrzona po wyłączeniu tak, aby olej nie był zasysany z powrotem do pompowanego układu przez ciśnienie atmosferyczne

• często powinno się sprawdzać poziom oleju w pompie. Olej powinien być wymieniony po zauważeniu nieprawidłowości w pracy pompy i gdy ulegnie odbarwieniu lub zabrudzeniu.

Zakres pracy: 10⁵ - 10^-3 Pa

Szybkość pompowania

Zależność prędkości pompowania przykładowej pompy rotacyjnej od ciśnienia jest podana na poniższym rysunku.

                        

Uwagi

Pompy rotacyjne są używane jako pompy próżni wstępnej. Najczęściej pompy rotacyjne współpracują z pompami dyfuzyjnymi (patrz pompa dyfuzyjna).

 Pompa turbomolekularna

Zasada działania

    Pompa turbomolekularna jest niczym innym jak molekularną turbiną, która usuwa gaz z pompowanego obszaru w wyniku kierunkowego przekazu pędu w zderzeniach cząstek tego gazu z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami turbiny. Turbina obraca się z bardzo dużą prędkością. Zwykle prędkość ta wynosi od 24 do 70 tysięcy obrotów na minutę. Ponieważ kierunkowy przekaz pędu jest najbardziej wydajny w obszarze tzw. przepływu molekularnego, pompa turbomolekularna, podobnie jak pompa dyfuzyjna, potrzebuje pompy wstępnej (patrz pompa rotacyjna). Ponieważ stopień sprężania pojedynczego koła łopatkowego jest niewielki, w praktycznych rozwiązaniach stosuje się zespół wielu kół. Ponieważ moc potrzebna do obracania turbiny jest proporcjonalna do prędkości obrotowej i momentu siły, szybkość obrotowa turbiny będzie zwiększała się z obniżaniem ciśnienia (Dlaczego ?)

Zakres pracy: 10⁵ - 10^-9 Pa.

Szybkość pompowania

    Typowa zależność szybkości pompowania od ciśnienia jest pokazana poniżej.

Uwagi

    Zestaw pompy turbomolekularnej z pompą rotacyjną umożliwia uzyskanie ciśnienia końcowego około 10^-8 Pa. Ogromną zaletą tego zestawu jest możliwość rozpoczęcia pompowania od ciśnienia atmosferycznego oraz bardzo małe zanieczyszczanie węglowodorami pompowanego obszaru.

Zalety:

• łatwa w użyciu

• pompuje od ciśnienia atmosferycznego

• pompuje wszystkie gazy

Pompa dyfuzyjna

Zasada działania:

Pompa dyfuzyjna jest urządzeniem, w którym pompowanie odbywa się poprzez ukierunkowany
przekaz pędu od cząstek par cieczy pompującej do cząstek pompowanego ośrodka. Ciecz pompująca (zazwyczaj jest to olej) jest podgrzewana aż do momentu osiągnięcia intensywnego parowania. Pary oleju są następnie kierowane ku dołowi pompy przez zespół dysz (patrz poniższy rysunek). Cząsteczki par poruszają się z prędkością naddźwiękową. Cząstki gazu, które wdyfundowują do strumienia par ulegają zderzeniom z cząstkami oleju. W wyniku zderzeń cząstki gazu uzyskują, średnio rzecz biorąc, pęd skierowany ku dołowi i są wstrzeliwane w obszar o powiększonym ciśnieniu. Nowoczesne pompy mają kilka stopni pompujących. Każdy stopień wpompowuje gaz do obszaru o większym ciśnieniu. Ostatecznie cząstki gazu są usuwane z ostatniego stopnia pompy dyfuzyjnej przez pompę próżni wstępnej (patrz pompa rotacyjna). Cząstki oleju uderzają w ścianki pompy chłodzone wodą lub ciekłym azotem, ulegają skropleniu i wracają do rezerwuaru. Ścianki pompy dyfuzyjnej są chłodzone w celu skroplenia par oleju.

Jednym ze zjawisk ograniczających wartość ciśnienia końcowego jakie można uzyskać przy pomocy pompy dyfuzyjnej jest tzw. strumień wsteczny. Jest to nic innego jak strumień cząstek ośrodka pompującego przemieszczający się z pompy dyfuzyjnej do pompowanej komory. Zjawisko strumienia wstecznego powstaje w wyniku parowania cieczy pompującej skroplonej na górnej części ścianek pompy, rozbieżności strumienia w górnej części pompy, ewentualnych przecieków i paru innych procesów. Zjawisko to można w znacznym stopniu ograniczyć jeżeli pompa dyfuzyjna zostanie wyposażona w odrzutnik i pułapkę par chłodzoną wodą, lub ciekłym azotem.

Zakres pracy: 10^-1 - 10⁹ Pa

Szybkość pompowania:

Uwagi: Pompa musi współpracować z pompą próżni wstępnej.

Tytanowa pompa sublimacyjna

Zasada działania   

    Powierzchnia takich metali jak: molibden, niob, tantal, cyrkon, aluminium czy tytan silnie wiąże chemicznie aktywne gazy (tlenek węgla, tlen, pary wody, acetylen). Jednak wszystkie te metale stają się aktywne jedynie wtedy, gdy zostaną uformowane w bardzo cienkie warstwy. Metalem wykorzystywanym w zastosowaniach przemysłowych jest tytan, który sublimuje w znacznie niższych temperaturach niż pozostałe metale, jest tani i reaguje z dużą liczbą aktywnych gazów. Zasada działania pompy tytanowej jest bardzo prosta. Tytan jest odparowywany z prętów, które są podgrzewane prądem zmiennym. Odparowany tytan osadza się na powierzchni A, która jest chłodzona strumieniem wody lub ciekłym azotem. Aktywne gazy są pułapkowane na świeżej powierzchni tytanu. Ponieważ odpompowane gazy są na stałe związane z tytanem dla zapewnienia ciągłości pompowania konieczne jest okresowe deponowanie nowej warstwy tytanu.

 

Zakres pracy: 10^-2 - 10^-6 Pa.

Szybkość pompowania

Uwagi

    Pompa tytanowa słabo pompuje średnio aktywne chemicznie gazy, takie jak wodór czy azot. Gazy, które są nieaktywne chemicznie, np. gazy szlachetne, w minimalnym stopniu są pompowane przez pompę tytanową.

    Pompa tytanowa może zostać zastosowana od ciśnień 10^-1 Pa. Pompa tytanowa zazwyczaj występuje w parze z pompą jonowa (patrz pompa jonowa). Taki zestaw umożliwia uzyskanie ciśnienia końcowego około 10^-9 Pa.

 

Pompa jonowa

Zasada działania

  
  Zasada działania pompy jonowej jest połączeniem jonizacji polem elektrycznym z aktywną chemicznie warstwą tytanu (patrz tytanowa pompa sublimacyjna). Ponieważ jony są dużo bardziej aktywne chemicznie niż cząstki neutralne, pompa jonowa jest w stanie usuwać te gazy, których nie może pompować tytanowa pompa sublimacyjna. Dodatkowo, panujące w pompie jonowej pole elektryczne nadaje jonom znaczne energie kinetyczne powodując, że jon uderzający w warstwie tytanu głęboko penetruje do jej wnętrza i jest niejako "zagrzebywany" pod powierzchnią tytanu. Pod wpływem bombardowania jonami tytan ulega rozpyleniu tworząc na powierzchni anody świeżą warstwę aktywną.

    Jonizacja cząstek gazu następuje w wyniku zderzeń z elektronami wytwarzanymi w wyładowaniu jarzeniowym jakie rozwija się pomiędzy anodą i katodą. Pompa jonowa nie może pracować przy ciśnieniach gorszych niż 1 Pa, ponieważ w takich warunkach elektrony nie są w stanie uzyskać wystarczającej energii na przeprowadzenie jonizacji. Z kolej, przy ciśnieniach poniżej 10^-1-10^-2 Pa średnia droga swobodna elektronu staje się tak duża, że elektrony uderzają w ścianki pompy bez powodowania jonizacji. Aby uniknąć tego zjawiska stosuje się pole magnetyczne, które zakrzywia tory elektronów niejako zamykając je w niewielkim obszarze co w znacznym stopniu zwiększa wydajność jonizacji.

Zakres pracy: 10^-1 - 10^-9

Szybkość pompowania

    Szybkość pompowania pompy jonowej zależy od ciśnienie. Największą szybkość pompowania pompa jonowa osiąga przy ciśnieniu około 10^-3 Pa.

Zależność szybkości pompowania przykładowej pompy jonowej od ciśnienia gazu

Uwagi: Bardzo wydajna pompa o bardzo długim czasie użytkowania. Pompa jonowa jest bardzo chętnie stosowana w układach badawczych. Nie wprowadza zanieczyszczeń, jest niezawodna i wymaga minimalnej konserwacji. We współpracy z tytanową pompą sublimacyjną, pompa jonowa umożliwia uzyskanie ciśnienia końcowego 10^-9 Pa. Pompa słabo pompuje gazy szlachetne i wodór.

Zalety:

• łatwa w eksploatacji

• -duża prędkość pompowania

• -„czysta” pompa

Wady:

• słabo pompuje gazy szlachetne

• -słabo pompuje CH4

 

 Pompa kriogeniczna

Zasada działania   

    Pompowanie polega na zatrzymywaniu molekuł na gazu chłodzonej powierzchni. Oddziaływanie wiążące molekuły jest słabe i ma charakter sił van der Waalsa lub sił dyspersyjnych. Pompa kriogeniczna w zasadzie jest w stanie odpompować dowolny gaz, jeżeli można odpowiednio ochłodzić powierzchnię, na której ma nastąpić
adsorpcja. Aby zwiększyć aktywną powierzchnię pułapkowania gazów, pompy kriogeniczne są wyposażone we wkłady wykonane z węgla aktywnego. Obniżanie temperatury układu pułpkującego gaz następuje poprzez chłodzenie ciekłym azotem lub helem. W tym ostatnim przypadku wykorzystuje się chłodziarki oparte o zjawisko Joula-Thompsona, które pracują w cyklu zamkniętym.

Zakres działania: 10^-1 - 10^-10 Pa.

Uwagi

    Pompy kriogeniczne pracują zazwyczaj w zestawach z pompami tytanowymi (patrz tytanowa pompa sublimacyjna) lub turbomolekularnymi (patrz pompa turbomolekularna). Taka kombinacja pomp jest szczególnie zalecana, gdy chcemy zwiększyć szybkość pompowania wodoru i deuteru. Dla pozostałych gazów pompy kriogeniczne mają największą prędkość pompowania spośród wszystkich pomp. Pompa kriogeniczna nie wprowadza żadnych zanieczyszczeń do pompowanego obszaru.

 

Zalety:

• pompuje wszystkie gazy z wyjątkiem helu

• duża prędkość pompowania

• bardzo „czysta” pompa

• umożliwia osiągnięcie najniższych ciśnień

Wady:

• Drga

---