Наиболее важные теоретические работы были проделаны с 1960 по 1963 гг. Крюгером (Kruger) и Шапиро (Shapiro). Эти исследователи разработали основные методы для расчета производительности насосов и оптимизации геометрии турбин.

В 1961 г. французская компания SNECMA (Societe Nationale d’Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation), при участии Зелбштейна (Zelbstein) и Руссо (Rousseau) приступила к исследованиям по улучшению вертикального одностадийного насоса с открытой структурой из тонких лезвий. В 1965 г. насос был запущен в серийное производство и поступил в продажу.

В 1972 г. турбомолекулярные насосы претерпели дальнейшее изменение и улучшение благодаря объединенным усилиям 2-х компаний: Temescal и Elettrorava, расположенных в г.Турине, Италия.

В 70-х годах в основном определился дизайн насосов. Типичным было использование от 9 до 20 рядов пропеллеров на роторе в зависимости от размера и характеристик насоса. Шарикоподшипники, поддерживающие ротор, смазывались маслом из резервуара, расположенного на дне насоса. В 80-х годах необходимость в чистых высоко- и сверхвысоковакуумных системах привела к необходимости применения высококипящих густых смазок для понижения уровня углеводородного загрязнения объема и возможности работы насоса в любой ориентации.

Конструкция насосов опять была улучшена в связи с применением подшипников с шариками из керамики (вместо стали). Главное преимущество керамических шариков – их небольшая масса. Когда ротор тщательно сбалансирован, основные радиальные силы в подшипнике обусловлены массой вращающихся шариков. Уменьшение этих сил приводит к уменьшению рабочей температуры подшипника, что увеличивает его ресурс.

В то же время была разработана магнитная подвеска, в которой несмазываемые подшипники использовались
для поддержания ротора в стационарном состоянии. Основные преимущества таких систем – чистота вакуума
и низкий уровень вибрации.

Альтернативный путь достижения чистоты – применение безмасляных форвакуумных насосов. Это привело к разработке комбинированных насосов, в которых турбина и ступени форнасоса расположены на одной оси.

Простейшее решение - это добавление ступеней “turbodrag” к обычным турбомолекулярным ступеням. Первые добавленные ступени в действительности были половиной от насоса типа Holweck, с одним или несколькими параллельными спиральными каналами. Это позволяло достигать разряжения в районе 10 мбар, сделав возможным использования 3-х ступенчатого диафрагменного насоса или комбинации диафрагменного и пистонного насоса без понижения степени вакуума. Однако такая конструкция увеличивает цену насоса приблизительно в два раза.

В 1990 г. появилась конструкция насоса, в которой нижние ступени пропеллеров были заменены тремя доработанными ступенями типа Gaede. Все насосы Varian MacroTorr имеют сейчас именно такую конструкцию, что позволяет достигать в 10 раз более высокую степень сжатия для всех газов без какого-либо ухудшения других параметров, увеличения габаритов насоса и потребляемой мощности. В настоящее время конструкция насосов практически не меняется.

Принцип работы.

Турбомолекулярный насос состоит из серии вращающихся (ротор) и неподвижных (статор) пропеллеров. Пропеллеры ротора и статора чередуются и имеют противоположный наклон лопаток.

Работа насоса основана на передаче момента энергии от поверхности быстро вращающегося пропеллера
к молекуле газа.

Скорость движения поверхности должна быть высокой для того, чтобы достичь оптимальной эффективности откачки (скорости откачки и отношения сжатия).

picture1

При столкновении молекулы газа с поверхностью пропеллера составляющая скорости движения молекулы, направленная вниз (см рис.1) увеличивается, вследствие чего вероятность движения молекулы в направлении А-В значительно возрастает в сравнении с вероятностью движения в направлении В-А. Чередование ступеней ротора и статора в обычном турбомолекулярном насосе обеспечивает отношение сжатия.

Турбомолекулярный “drag” насос работает по следующему принципу:

picture2
Молекула газа сталкивается с быстро перемещающейся плоскостью и "протягивается" по каналу в сторону области с более высоким давлением.

Обычные турбомолекулярные насосы обеспечивают достаточно высокую скорость откачки, но имеют низкое отношение сжатия при давлении в линии форвакуума выше 10-1 мбар. “Drag” насосы имеют низкую скорость откачки, но обеспечивают высокое отношение сжатия при давлении в линии форвакуума до 10 мбар. Когда оба типа насосов объединены в один корпус (расположены на одной оси вращения), как у Varian MacroTorr, насос может работать в широком диапазоне давлений в линии форвакуума (смотри описание принципа работы MacroTorr).

Picture 3

Применение

Турбомолекулярные насосы в аналитических инструментах:

Эволюция развития аналитических приборов потребовала эквивалентного улучшения технологии вакуумных систем. Компактность, невысокая цена, надежность – это общие требования для всего спектра оборудования, но для каждого конкретного применения есть ряд специфических требований. Понимая это, фирма Varian сфокусировала разработку на достижение оптимальных решений для каждой специфической задачи.

Масс-спектрометры Бесшумная и надежная работа турбомолекулярных насосов необходима для этих систем, обычно работающих 24 часа в сутки. Насосы Varian Turbo-V с подвеской на подшипниках с керамическими шариками (см. далее) не требуют никакого обслуживания и обеспечивают долгую бесперебойную работу в таком режиме. Однако, в случае необходимости сервиса, программы сервисной поддержки и обмена насосов минимизируют время простоя оборудования.

Picture 4

Многокамерные масс-спектрометры

Некоторые передовые аналитические технологии, такие как LC-MS, GC-MS, ICP-MS и API-CI требуют наличия в приборе многокамерных вакуумных систем. Структура этих приборов обычно требует поддержания различных степеней разрежения в разных камерах и одновременно высокой газовой проводимости между камерами. В связи с этим, вакуумные системы составляют большую часть стоимости прибора и обычно имеют довольно сложную конструкцию, поэтому такие критерии как компактность, стоимость и простота работы приобретают особую важность. В основе требований к вакуумной системе лежат требования к характеристикам самого аналитического прибора, поэтому фирма Varian понимает, что нет общего решения для всех проблем и фокусирует разработки на решении каждой конкретной задачи в отдельности.

Команда высококлассных инженеров готова рассмотреть любую Вашу задачу и определить оптимальную комбинацию из стандартных и специальных насосов Turbo-V и контроллеров к ним для оптимизации работы системы, достижения заданных аналитических характеристик, надежности и оптимальной цены прибора.

Анализаторы газа

Керамические шарики в подшипниках насосов Turbo-V и ступени MacroTorr обеспечивают полностью свободную от углеводородов работу и высокое отношение сжатия для легких газов. Насосы серии Turbo-V70 и V250 - это самые миниатюрные насосы, доступные на рынке на сегодняшний день, именно поэтому эти насосы – наиболее предпочтительны для портативных систем.

Электронные микроскопы

Когда величина уровня вибрации имеет основное значение, насосы Turbo-V – идеальное решение. Все наши насосы тщательно сбалансированы для минимизации остаточной вибрации. В дополнение к этому, вибрационные сигнатуры измеряются для каждого насоса в процессе производства и предоставляются пользователю по его требованию. Типовое значение вибрации (смещение) приводится в спецификации для каждого насоса. В случае специфических требований, частота вращения насосов Turbo-V может быть модифицирована на заводе для предотвращения нежелательных резонансов в вакуумной системе пользователя.

Насосы Turbo-V полностью обеспечивают заданные характеристики и чистоту, предсказуемость работы в системах анализа газов и в системах мониторинга окружающей среды.

Производство полупроводников

Быстро меняющиеся технологические требования к глубине вакуума в полупроводниковой индустрии заставляют производителей оборудования постоянно заниматься улучшением производительности, надежности, уменьшать время пуска вакуумного оборудования для наращивания производительности и воспроизводимости технологических процессов.

Поэтому поставщики вакуумных насосов обязаны отвечать все время возрастающим требованиям индустрии.

Насосы Turbo-V разработаны в соответствии с требованиями различных технологических процессов:

- ионная имплантация
- напыление
- покрытие
- травление
- испарение
- химическое осаждение из паровой фазы (CVD/LPCVD)
- микролитография
- камеры загрузки/выгрузки

Фирма Varian уделяет особое внимание специфическим требованиям, типичным для вышеупомянутых процессов.

Чистота:

В насосах Turbo-V применяются подшипники с керамическими шариками, пропитанными смазкой с чрезвычайно низким давлением паров. Это обеспечивает наивысшее отношение степени чистоты и стоимости, достигаемое на сегодняшний день.

Более того, применение ступеней MacroTorr в некоторых насосах Turbo-V позволяет использовать безмасляные диафрагменные форвакуумные насосы, что делает возможным создание полностью свободных от углеводородов вакуумных систем.

Защита от распыленных частиц

Процессы осаждения очень часто являются источником мельчайших частиц, попадающих в турбомолекулярный насос. Внутренние размеры насоса достаточно велики по сравнению со средним размером частиц. Поэтому частицы проходят через насос, не повреждая его. Также все насосы Turbo-V имеют или могут быть оборудованы дополнительным портом очистки, тем самым опасность аккумуляции частиц исключается.

Коррозионная стойкость

В процессах сухого травления и ионной имплантации применяются агрессивные или коррозийные газы, поэтому турбомолекулярные насосы должны иметь соответствующую защиту. Насосы Turbo-V для этих использований оборудуются портом очистки и имеют специальное защитное покрытие.

Защита от взрыва Некоторые газы, используемые в технологических процессах (силан и т.п.) в комбинации с атмосферным кислородом образуют взрывоопасные смеси. Поэтому насосы Turbo-V сконструированы так, чтобы обеспечить длительную и надежную работу при многократных циклах включения-выключения. Опционные защищенные контроллеры для работы в присутствии сильных электрических полей доступны для пользователей.

Picture 5

Работа с коррозийными газами

Когда насос работает с агрессивными газами, подшипники и двигатель должны быть защищены от возможного повреждения с помощью использования так называемого чистящего газа (например, чистый азот).

Чистящий газ работает как барьер и предотвращает проникновение агрессивных газов в камеру подшипников.

Все насосы марок V300HT, V550, V700HT, V1000A и V1800A поставляются с системой очистки и отдельным портом для подсоединения газовой линии. Другие турбомолекулярные насосы могут быть оборудованы системой очистки по желанию заказчика.

Дозирующее устройство также может быть установлено по желанию заказчика для обеспечения идеальных условий очистки и работает как дополнительный порт во время вентилирования насоса.

Особое внимание необходимо обращать при работе насоса с высоко агрессивными газами, такими как хлорин и флюорин. Эти газы взаимодействуют с алюминиевыми деталями насоса и могут разрушить ротор.

Дополнительное внимание должно быть уделено предотвращению наличия паров воды в системах с кислотами (HCl и т.п.). Кислоты относительно инертны в безводном состоянии и становятся экстремально коррозийными в присутствии влаги. Для устранения возможности коррозии при воздействии агрессивных газов фирма Varian применяет никелирование ротора и статора, что делает насосы защищенными от коррозии.

Picture 6

Физика высоких энергий, исследовательские и системы с ультравысоким вакуумом.

Эти применения обычно требуют экстремально низкого давления, чистого вакуума и простоты работы систем.

Насосы Turbo-V MacroTorr, благодаря их уникальной запатентованной конструкции, гарантируют получение вакуума с заданными параметрами без усложнения конструкции вакуумной системы.

Насосы Turbo-V MacroTorr обеспечивают высокое отношение сжатия, высокую скорость откачки, работают в любой ориентации, с безмаслянными диафрагменными насосам и крайне просты в управлении.

Использование насосов в промышленности

Насосы Turbo-V разработаны для работы в цеховых условиях. Прочный ротор, надежная электроника с датчиками защиты позволяет использовать эти насосы для широкого круга приложений:
- производство кинескопов и радиоламп
- вакуумные печи
- системы течеискания
- производство электронных приборов

Специальные применения

Работа при воздействии радиоактивности

Некоторые материалы, используемые в турбомолекулярных насосах, чувствительны к радиоактивному излучению. Полимерные уплотнители, смазки и другие органические компоненты могут менять свои свойства при облучении. Насосы Varian Turbo-V устойчивы к уровням радиации до 105 рад.

Специальные насосы с устойчивостью 107 рад могут быть изготовлены по требованию заказчика c заменой критических компонентов на радиационно-устойчивые материалы.

Работа в присутствии магнитных полей

Магнитные поля могут индуцировать паразитные токи в роторе, что может приводить к изменению направления вращения ротора.

В результате может увеличиваться потребление электрической энергии, которая будет рассеиваться в роторе. Так как ротор не имеет контакта со статором, ротор может перегреваться, в то время как неподвижные части насоса будут оставаться холодными.

Этот эффект зависит от интенсивности, времени воздействия и распределения магнитных полей. В общем случае все влияние этого эффекта приведет к увеличению потребляемого насосом тока. Если подобное нарастание не превысит 50% от максимально потребляемого при высоком вакууме тока, то вероятнее всего никаких проблем не будет. Однако при превышении 50% порога необходимо обращаться для консультации к специалистам фирмы Varian. При воздействии сильных магнитных полей на ротор будут действовать силы, которые могут привести к выходу насоса из строя.

Влияние работающего насоса на внешнюю среду

Электрический шум, наводимый насосом, можно разделить на два вида:

1. Шум, излучаемый контроллером насоса
2. Шум, наводимый в линию питания

Новое поколение контроллеров для насосов Varian Turbo-V соответствует требованиям и ограничениям стандарта VDE 0871 Class B Norms для излучаемых и наводимых шумов (смотри графики).

Соответствие этим нормам гарантирует, что не будет никаких ограничений на применение этих контроллеров и соответственно никакого влияния на любое электрооборудование, подключенное к той же питающей линии.

Diagram1

Diagram2