Проблема получения "чистого",или "безмасляного", вакуума является одной из наиболее актуальных для вакуумной науки и техники. Наличие каких-либо веществ (загрязнений) в объеме откачиваемой камеры чрезвычайно вредно во многих исследовательских или промышленных системах: масс-спектрометрах, ускорителях элементарных частиц, установках для получения тонких пленок. Согласно данным многочисленных исследований, загрязнения в большей части создаются проникновением вакуумных масел - рабочих жидкостей - в откачиваемый объем.

В отечественной литературе данное явление принято называть "обратным потоком"(ОП),или "обратной миграцией" (backstreaming,baokmigratlon), в немецкой - "обратным потоком масла" (Olruckstromung), во французской - "ретродиффузией", или "контрдиффузией" (retrodiffusion, contrediffusion)

В некоторых работах высказывается мнение, что в общем виде под ОП нужно понимать любой перенос вещества из системы откачки в вакуумную камеру. В связи с этим ОП разделяют на "первичный" ОП, т. е. тот, который идет непосредственно из насоса, и "вторичный" ОП - который идет в вакуумную камеру после маслоотражателя и ловушки.

Принципиальная трудность в исследовании механизмов образования ОП заключается в определении относительного вклада каждого из источников в общий ОП, исходящий из входного сечения насоса. Возможными источниками ОП в паромасляных насосах являются следующие (cм.рис.5.1): вылет масла из пограничной зоны струи и верхней ступени (1), испарение масла с кромки сопел соответствующих ступеней (2,4,5), испарение масла со стенки насоса (3), вылет масла из зоны кипятильника через зазор между корпусом насоса и паропроводом нижней ступени (6), проникновение паров масла из форвакуумного насоса до выхода паромасляного насоса на рабочий режим (7). Согласно экспериментальным данным, относительный вклад источников ОП в общий ОП, величина которого принимается за единицу, распределяется, как показано в табл, 5.1 (измерения проводились при давлении 2,7.10^-4 Па).

Таблица 5.1Удельный вклад в ОП его основных источников в паромаслянном ВН

Определение приведенных выше величин проводилось весовым методом. Направленность ОП изучалась по соответствующей ориентации пластины во входном канале насос. Величина ОП монотонно увеличивается от сопла к стенке насоса; разница в величине ОП у стенки и непосредственно у охлаждаемого колпачка (маслоотражателя) 100-кратная на расстоянии 1 см от плоскости входного сечения насоса и 10-кратная - на расстоянии 10 см от входного сечения насоса.

Интересное явление наблюдалось в рабочем режиме насоса - пульсация величины ОП. Его назвали "взрывным ОП". Измерения проводились с помощью масс-спектрометра Наблюдаемые всплески имели длительность 0,1 с, вклад их в интегральную величину ОП был очень мал. Наблюдаемый факт объясняется падением капель масляного конденсата с маслоотражателя в насос, что приводит к возмущению струи, истэкающей из сопла.

Если говорить вообще о механизме загрязнения откачиваемого объема рабочими жидкостями, то помимо ОП нужно учитывать также испарение масла, например, с незахоложенных поверхностей конструктивных элементов системы. Удельный вклад этого источника загрязнений вакуумных систем мал относительно первичного ОП в силу относительно низкой летучести вакуумных масел, но велик по отношению ко вторичному ОП, например, за азотной ловушкой.

Вопреки распространенному мнению, величина ОП не снижается с уменьшением мощности нагревателя. Для каждого диффузионного насоса конкретной конструкции существует оптимальная мощность, подводимая для нагрева рабочей жидкости, соответствующая минимальному остаточному давлению при максимальной быстроте откачки и наименьшему ОП.

Это связывается с тем, что когда мощность увеличивается в некоторых пределах, повышается максимальная степень сжатия насоса, повышается энергия струй, исходящих из сопел, которые образуют как бы "паровую ловушку" для ОП.

При выборе режима работы паромасляного насоса с целью обеспечения минимального ОП необходимо учитывать зависимость ОП от впускного давления. Уменьшение впускного давления паромасляного насоса в диапазоне 10^-4.. 10^-2 Па не вызывает заметного изменения ОП, однако при давлениях больших чем 10 Па ОП уменьшается наблюдаемая закономерность связывается с тем, что при таких давлениях поток откачиваемого газа достаточно плотный, чтобы заметная часть молекул отражалась в сторону насоса.

Известно, что величина ОП в паромасляном насосе в режимах его работы "пуск" и "останов" превышает величину ОП в рабочем режиме на 2...3 порядка. Имеются разные подходы к объяснению такого явления.

Большая величина ОП в пусковой период связывается с тем, что при включении кипятильника разогрев его происходит не мгновенно, а в течение 10-20 минут, следовательно, некоторое время происходит истечение паров масла из сопел (особенно легколетучих фракций) с относительно малой скоростью.

Такие неорганизованные в струю пары масла идут преимущественно "вверх", не достигая стенки насоса (не конденсируясь на ней). Кроме того, во время непосредственного выхода паромасляного насоса на рабочий режим давление в системе резко падает, что вполне вероятно приводит к взрывному вскипанию масла (которое оказывается как бы перегретым для таких давлений), в результате чего брызги масла из зазора кипятильника могут вылетать в сторону откачиваемого объема.

Величина ОП сильно зависит от рода рабочей жидкости (вакуумного масла). Сейчас находят применение синтетические жидкости типа полисилоксанов и полиэфиров и минеральные продукты нефтепереработки.

Вакуумные масла имеют низкое парциальное давление порядка 10^-6..10^-8 Па при 20*С и соответственно малую скорость испарения.

Если говорить отдельно о загрязнении вакуумной среды, определяемой испарением масла со стенок, то в табл. 5.2 представлены расчетные данные зависимости скорости испарения минерального вакуумного масла от температуры.

Приведенные величины расчетные, а не экспериментальные, и если учитывать наличие в минеральных маслах легких фракций, особенно в маслах окисленных (после некоторого срока эксплуатации), то реальные величины скорости испарения могут существенно отличаться от приведенных в табл 5.2.

Таблица 5.2 Расчетная скорость испарения вакуумного масла

Таким образом, испарение масла со стенок не вносит заметного вклада в ОП,исходящий из насоса, хотя в вакуумных агрегатах с азотной ловушкой ОП, проходящий через нее ("вторичный ОП"), сравним с потоком испаряющегося со стенок вакуумного масла.

 Существенным параметром рабочих жидкостей, заметно влияющим на величину первичного ОП, считается молекулярно-массовое распределение, которое особенно заметно у минеральных масел как сложной смеси различных природных продуктов и практически отсутствует у синтетических ра,чих жидкостей, которые являются монопродуктами.

Широкое молекулярно-массовое распределение минеральных масел затрудняет оптимизацию режима работы насоса, поскольку в данном случае рабочая жидкость представляет как бы смесь рабочих жидкостей с различными параметрами. Эти проблемы отсутствуют в случае применения синтетических рабочих жидкостей,что и обуславливает лучший режим работы паромасляного насоса и соответственно малые величины ОП в случае их применения.

Следует также учитывать, что параметры рабочей жидкости изменяются по мере ее эксплуатации. Так, минеральные масла достаточно легко подвергаются термоокислительным превращениям, в результате чего увеличивается доля как легких (деструкция), так и тяжелых (полимеризация) фракций, что приводит к ухудшению эксплуационных характеристик вакуумного масла.

Подобные изменения происходят и в синтетических жидкостях, но их термоокислительная стойкость значительно выше; чем у минеральных, особенно высока стойкость у кремнийорганических жидкостей (полисилоксанов).

Рабочие жидкости с относительно малым молекулярным весом дают большие значения ОП, чем рабочие жидкости с относительно большим молекулярным весом. Самый низкий ОП получается в случае использования в паромасляных насосах полифениловых эфиров.

 В то же время минимизация величины ОП не должна быть самоцелью д ряде практических задач может оказаться полезным использование относительно летучей рабочей жидкости (если даже с ней ОП относительно велик), так как ее конденсат на стенках откачиваемого объема легче удалить прогревом системы.

Отсюда можно сделать вывод, что если требуется минимум загрязнений поверхности, то ее температура должна быть относительно высокой, хотя это приведет к высоким парциальным давлениям загрязнений.

Если же требуется именно низкое парциальное давление загрязнений(паров рабочей жидкости), то температуру поверхностей откачиваемого объема необходимо поддерживать достаточно низкой. В первом случае, очевидно, потребуется относительно летучая жидкость, во втором -относительно малолетучая.

На основании усреднения результатов ряда работ отмечается, что величина ОП в диффузионных паромасляных насосах составляет 0,1...0,001% от количества пара, истекающего из сопла верхней ступени. Усредненная величина ОП в области входного сечения составляет 1.. .5 мг/(см2.ч). При этом применение маслоотражателя уменьшает величину ОП в 10... 100 раз.

На основании этих данных можно оценить величину загрязнения масляным конденсатом поверхности, расположенной на входе паромасляного насоса. Так, величина 0П 1 мг/(см². ч) образует масляную пленку толщиной порядка 1000 А за 1 мин. Если с помощью маслоотражателя уменьшить величину ОП до 2.10^-2 мг/(см²*ч), то это будет соответствовать уменьшению толщины пленки до 20 А/мин. Если эта жидкость будет осаждаться на поверхности рабочей камеры по площади,превосходящей площадь входного сечения в 20 раз, то скорость роста пленки масла будет 1 А/мин.

Отметим, что при использовании ловушек, согласно научным публикациям и рекламным проспектам, величина OП для диффузионного насоса с азотной ловушкой ("вторичного OП") будет значительно меньше - порядка 10^-4... 10^-6 мг/(см²*ч).