Принцип действия турбомолекулярного насоса основан на идеях, заложенных в молекулярном насосе, впервые предложенном Геде в 1913 г.

В простейшем варианте (рис. 3.5, а) молекулярный насос состоит из металлического цилиндра (ротора), вращающегося с большой скоростью внутри герметически закрытого корпуса (статора). По своей конструкции этот насос напоминает ротационный, но отличается от него тем, что в нем нет физической границы между объемами низкого и высокого вакуума.

 

Для молекул газа, попадающих во впускное отверстие насоса со скоростями теплового движения, довольно высока вероятность столкновения с вращающейся поверхностью ротора, в результате чего они остаются на ней некоторое время (равное времени пребывания). После отрыва от поверхности молекулы приобретают высокую скорость, направленную по касательной к вращающемуся ротору.

Таким образом, за счет импульсов, полученных при таких столкновениях, молекулы будут двигаться вслед за цилиндром в полости насоса. Для эффективной работы насоса необходимо, чтобы приобретаемая молекулой дополнительная скорость значительно превосходила скорость ее теплового движения, а длина свободного пробега молекулы была больше размеров впускного отверстия насоса, чтобы практически полностью исключить межмолекулярные столкновения. Геде показал, что в условиях свободно-молекулярного течения отношение давлений на выходе и на входе насоса (степень сжатия) определяется вьтажением

(3.1)

где w — угловая скорость вращения ротора, которая должна быть порядка 10000 об/мин, и А — константа, определяемая геометрией рабочего зазора насоса и природой газа.

Для того чтобы константа А была большой, необходимо увеличивать площадь части поверхности ротора, взаимодействующей с входящим потоком газа, но зазор между ротором и статором при этом должен быть малым. Кроме того, для обеспечения условий свободно-молекулярного течения предварительный вакуум должен быть не хуже 100 Па. В одной из разработанных конструкций (рис. 3.5, б) поверхность была увеличена за счет пазов в роторе, в которые входят перегородки, находящиеся на статоре (рис. 3.5, б). Диаметр ротора при этом составлял 5 см, а зазор между ним и статором — 0,1 мм. Несколько таких откачивающих секций, включенных последовательно, создавали общую степень сжатия по азоту 10⁵.

Быстрота откачки такого насоса относительно низкая и составляет около 10^-3 м³с^-1. Были предложены различные конструкции насосов этого типа, в частности насос Голвека , в кото ром использован гладкий ротор, а статор снабжен винтовыми желобками правой и левой нарезки. Ширина желобков постоянна, высота же уменьшается от средней части ротора насоса (вход) к его торцам (выход). При вращении статора молекулы откачиваемого газа перемещаются вокруг и вдоль оси насоса. Аналогичная идея использована в конструкции дискового насоса Зигбана, в котором гладкий диск вращается вплотную к поверхности статора, снабженного несколькими спиральными желобками, по которым откачивается газ.

Однако вследствие требований высокой скорости вращения и очень малых зазоров между вращающимися и неподвижными элементами насоса, а также относительно невысокой быстроты откачки, такие конструкции не выпускались в промышленных масштабах.

 Ситуация изменилась в связи с идеей турбомолекулярного насоса, впервые описанной Баккером в 1958 г. Этот насос по своей конструкции напоминает многоступенчатый компрессор или паровую турбину (рис. 3.6, а). Его статор и ротор снабжены лопатками, установленными под определенными углами. Этот насос удовлетворительно функционирует при миллиметровых зазорах между лопатками статора и ротора, что позволяет назначать нежесткие допуски на его изготовление и сборку. Хотя молекулы газа движутся по окружности, в соответствии с направлением движения лопаток, откачка, в отличие от молекулярного насоса, происходит вдоль оси. 

Принцип действия тур-бомолекулярного насоса проиллюстрирован на рис. 3.6, б.

Рассматривая усредненный поток молекул газа, движущихся в направлении вращающихся лопаток, можно видеть, что их средние относительные скорости будут составлять с направлением вращения довольно острый угол и они будут ударяться о кромку лопатки, как показано на рисунке. В предположении диффузного механизма рассеяния отраженных частиц молекулы, отраженные в пределах угла ?1, будут возвращаться в область 1, тогда как все молекулы, отраженные в пределах угла  ?3, будут попадать в область 2. Молекулы, отразившиеся в пределах угла  ?2, могут оказаться как по ту, так и по другую сторону лопаток.

В аналогичных ситуациях оказываются и молекулы, сталкивающиеся с лопаткой со стороны 2. Вероятность того, что молекулы перейдут с одной стороны лопатки ротора на другую, зависит от соотношения углов, и, как видно из рисунка, вероятность переноса молекул в область 2 намного выше вероятности обратного процесса.

Механизм переноса молекул был исследован с помощью метода Монте-Карло. Оказалось, что зависящая от скорости вращения лопатки и угла ее установки вероятность переноса молекулы из области 1 в область 2 примерно в 10—40 раз больше, чем в обратном направлении.

Однако суммарный поток газа вдоль оси ротора зависит не только от рассмотренных вероятностей, но также от перепада давлений на лопатках. Конструкция, рассчитанная на максимальную быстроту откачки, обычно характеризуется низкой степенью сжатия, и наоборот. Таким образом, приходится идти на компромисс между степенью сжатия и быстротой откачки.

Поскольку молекула, отраженная лопаткой, приобретает тангенциальную составляющую скорости в направлении движения ротора, она будет ударяться о лопатку статора под углом отражения. Но поскольку лопатки статора расположены под противоположным углом по отношению к лопаткам ротора, поток молекул газа будет ускоряться вдоль оси насоса. В реальных конструкциях используются несколько пар ротор — статор; каждая пара образует одну откачивающую ступень.

В современных насосах этого типа довольно часто несколько откачивающих ступеней на входе конструируют из расчета достижения максимальной быстроты откачки, тогда как остальные, расположенные на выходе насоса, конструируют из расчета достижения высоких степеней сжатия. Конструкция турбомолекулярного насоса, описанного Беккером и выпускаемого фирмой Arthur Pfeiffer GmbH, имеет две откачивающие секции, расположенные симметрично относительно входа (рис. 3.7).

Скорость вращения ротора зависит от размеров насоса и обычно составляет около 10 000 об/мин. Такая высокая скорость вращения создает значительные нагрузки в подшипниках, которые в связи с этим следует эффективно смазывать потоком масла и одновременно охлаждать водой. На турбомолекулярных насосах были получены почти такие же скорости откачки, как и у диффузионных насосов таких же размеров. Насосы, изготовляемые фирмой Pfeiffer, обеспечивают быстроту откачки в диапазоне 250— 15 000 м³ч^-1 при степени сжатия 10⁹ по азоту и 10³ по водороду.

Поскольку для достижения свободномолекулярных условий течения турбомолекулярные насосы откачиваются ротационными или сорбционными насосами, возможно достижение в вакуумной системе степени разрежения ниже 10^-8 Па. В системе остаются в основном легкие газы, такие, как водород.

Поскольку максимальная степень сжатия соответствует тяжелым молекулам, пары масла из подшипников не попадают в систему, так что турбомолекулярные насосы позволяют получать вакуум, в котором отсутствуют следы углеводородов и нет необходимости использовать отражатели и ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Однако необходимо отметить, что когда насос находится в нерабочем состоянии (не вращается), пары масла из подшипников могут попадать в вакуумную систему, поэтому должны быть приняты соответствующие меры предосторожности.

Последние конструкции турбомолекулярных насосов рассчитаны по теории Кругера и Шапиро. В этих насосах усовершенствованы лопатки, что позволило повысить их эффективность по сравнению с базовой конструкцией Беккера. Увеличение скорости вращения ротора до 42 ООО об/мин при помощи электродвигателей постоянного тока с электронным управлением позволило Остерстрему и Шапиро разработать конструкцию, обладающую десятикратной быстротой откачки (при небольшом уменьшении степени сжатия) и в два раза меньшим числом откачивающих секций по сравнению с базовой моделью такого же размера.

Миргелем предложена альтернативная конструкция, в которой ротор вращается вокруг вертикальной оси, а поток газа движется в одном направлении (в отличие от конструкции Беккера, где входящий газ разделяется на два потока, рис. 3.7). По сравнению с горизонтально расположенным ротором такой насос, выпускаемый фирмой Leybold-Heraues, обладает более компактной конструкцией (рис. 3.8). 

Одно из преимуществ этого насоса заключается в отсутствии неравномерности нагрузок на подшипники, что могло бы привести к выдавливанию смазывающей жидкости или ее паров из привода и последующему попаданию их в вакуумную установку. Насос имеет следующие характеристики: диаметр 20 см, высота 46 см, скорость вращения статора 24000 об/мин, быстрота откачки 1332 м³*ч^-1.

Позже этой же фирмой была выпущена новая модель насоса с подшипниками на магнитной подвеске с целью исключения любой возможности загрязнения вакуума маслом. Подшипники этого типа имеют очень сложную конструкцию и поэтому весьма дорогие.

Хотя турбомолекулярный насос обеспечивает более высокую скорость откачки по сравнению с молекулярным насосом, последний способен достигать большей степени сжатия. Это соображение было использовано фирмой CIT-Alcatel в комбинированном варианте насоса. Конструкция этого насоса, в котором соединены оба устройства, описана в работе  и схематически представлена на рис.3.9. На входе насоса расположен четырехступенчатый турбомолекулярный насос диаметром 20 см. За ним на той же самой оси размещен молекулярный насос цилиндрического типа.

Рис. 3.9 Сблокированные турбомолекуляриый и молекулярный насосы  

Высокая степень сжатия позволяет осуществлять откачку до давлений ниже 10^-6 Па с выхлопом откачанного газа непосредственно в атмосферу. Однако для достижения условий свободно-молекулярного течения на входе в насос необходимо создать начальный форвакуум 10 Па.В последних конструкциях предусмотрена установка воздушного турбокомпрессора на оси ротора.

Такие турбомолекулярные насосы обеспечивают высокую быстроту откачки, высокий вакуум (до 10^-8 Па) и отсутствие загрязняющих следов масла. Рабочая часть насоса обычно может прогреваться до 10O⁰C или несколько выше; кроме того, при эксплуатации такого насоса не требуется отражателей или ловушек.

Однако эти насосы все же представляют собой прецизионные устройства, работающие при высоких скоростях вращения ротора, поэтому они весьма дороги и требуют регулярного и квалифицированного технического обслуживания. Особенно это касается проблемы износа подшипников, которые легко подвержены повреждениям от твердых частиц, способных попасть в насос. Если форвакуум создается ротационным насосом, то следует предусмотреть меры, предотвращающие попадание паров масла, хотя эта проблема для турбомолекулярного насоса не так важна, как в случае диффузионного, ввиду высокой степени сжатия для тяжелых молекул.

В последнее время турбомолекулярные насосы находят все более широкое применение, особенно в электронных микроскопах, где требуется довольно высокая производительность при полном отсутствии загрязнения маслом.