Во многих вакуумных системах существует потребность передачи движения сквозь стенки вакуумной камеры, например, для изменения положения или обеспечения постоянного вращения какого-либо элемента вакуумной установки.

Используемые средства передачи движения условно могут быть разделены на две группы: к первой группе относятся устройства, позволяющие осуществлять ограниченное перемещение или относительно медленное вращение (до ~ 1000 об/мин); ко второй — значительное перемещение или вращение с высокой скоростью и (или) большим крутящим моментом.

В вакуумных системах, эксплуатируемых при давлениях выше 10^-4 Па, перемещения первого типа осуществляются с помощью уплотнений на основе эластичных прокладок или вакуумной смазки. Хотя скорость натекания через такие уплотнения может быть достаточно низкой, их использование в условиях сверхвысокого вакуума ограничено ввиду недопустимости их нагрева. Вакуумные качества соединений этого типа могут быть улучшены путем использования кольцевых прокладок из витона-А с графитовой смазкой. Однако даже в этом случае их можно эксплуатировать при давлениях не ниже 10^-6 Па.

Проблема передачи движения в область сверхвысокого вакуума может быть решена путем использования гибких сильфонов. Подсоединяемый к оболочке вакуумной системы сильфон позволяет осуществлять манипулирование элементами установки. Простейший мунипулятор этого типа, выпускаемый фирмой Vacuum Generators Ltd., представлен на рис.6.5.

Для таких манипуляторов используются сильфоны двух типов— штампованные или сварные (рис. 6.6). Сильфоны первого типа получают путем штамповки тонкостенных трубок изнутри с помощью специальных раздвижных пресс-форм. Сильфоны второго типа изготовляют путем сварки установленных последовательно штампованных тонкостенных кольцевых мембран. Кольцевые мембраны могут иметь различные конфигурацию и ширину, что позволяет варьировать форму и механические характеристики сильфонов. Штампованные сильфоны при одинаковых вакуумных характеристиках значительно дешевле сварных, но жесткость их выше, а линейное осевое удлинение на единицу длины — меньше. Сильфоны обоих типов изготавливаются из нержавеющей стали1' марки 18/8; они способны выдерживать нагрев до 450 ⁰C Сильфоны предпочтительнее использовать в сжатом состоянии, а перемещение не должно вызывать растяжения сильфона.

Способ передачи линейного перемещения с помощью сильфонов достаточно очевиден из рис. Передача же непрерывного вращения является более сложной задачей. На рис. 6.7 показана схема конструктивного решения такого устройства с использованием шаровых шарниров.

Рис. 6.7. Схема передачи вращательного движения при помощи шарниров и сильфонного уплотнения.

Существуют и другие конструктивные решения, основанные на том же принципе. Это устройство позволяет передавать вращение со скоростью до 2000 об/мин, но используются они, главным образом, для передачи более низких скоростей вращения или только ручного вращения.

Механические вакуумные вводы линейного и вращательного движения на основе системы сильфонов, как простые, так и прецизионные с микрометрическим перемещением, выпускаются большинством фирм, специализирующихся на изготовлении вакуумного оборудования. Такие устройства монтируются, как правило, на фланцах. На рис. 6.8 показан один из выпускаемых серийно прецизионных манипуляторов.

Рис.6.8. Прецизионный сверхвысоковакуумный манипулятор.

Использование сильфонов для передачи больших перемещений или вращений с более высокими скоростями приводит к менее удовлетворительным результатам. Одним из принципов передачи такого движения через сплошную стенку вакуумной камеры является принцип магнитного или электромагнитного по-токосцепления. Например, статор электродвигателя может быть расположен вне вакуумной системы, а вращающийся ротор — внутри системы. Поскольку ротор не должен являться дополнительным источником газа в системе, он должен иметь минимальные размеры и выдерживать нагрев, требуемый для обезгаживания. Поэтому ротор с обмотками, если только он не помещен в герметичную оболочку, нельзя устанавливать в вакуумной камере. С этой целью применяют специальные вакуумные электродвигатели, в которых ротор не имеет обмоток, например короткозамкнутый асинхронный двигатель или компактный синхронный двигатель с магнитным ротором, возбуждаемый постоянным током.

Основная проблема таких устройств состоит в том, что в воздушном зазоре между ротором и статором должна быть размещена герметичная оболочка, что приводит к уменьшению крутящего момента и КПД. Электродвигатели этого типа применяются в тех случаях, когда нужна высокая скорость вращения при сравнительно небольшом крутящем моменте. Альтернативным методом является создание вращающегося магнитного поля путем вращения постоянного магнита, расположенного вне вакуума.

Такой тип передачи механического движения допускает больший воздушный зазор между магнитными приводом и ротором и, следовательно, более толстую оболочку вакуумной камеры. Подобные устройства применялись еще в 1960-х гг. Позже был предложен привод для механического бустерного насоса, состоящий из трех вращающихся магнитов.

Описанным методом можно осуществлять и линейное перемещение компонентов системы, расположенных в вакуумной камере. Для этого внешний магнит должен либо перемещаться параллельно внутреннему компоненту на необходимое расстояние, либо вращаться, осуществляя поступательную подачу ходового винта. Единственное требование, предъявляемое к устройствам подобного типа, заключается в том, чтобы материал вакуумной оболочки не оказывал влияния на магнитное поле.

Таким образом, в большинстве случаев рассмотренные методы позволяют осуществить передачу движения в область сверхвысокого вакуума через сплошную стенку камеры. Однако встречаются ситуации, когда необходимо передать высокий крутящий момент при относительно высокой скорости вращения. В этом случае приходится передавать движение через отверстие в стенке, для чего необходимы эффективные вакуумные уплотнения вращающегося вала. Такое уплотнение осуществляется путем нанесения тонкой пленки вакуумной смазки на хорошо отполированные поверхности вала и стенки корпуса вакуумной камеры (аналог подшипника скольжения). Использование вакуумной смазки или масла с низким давлением паров позволяет поддерживать с помощью таких уплотнений вакуум порядка 10^-4 Па.

 Вместо вакуумной смазки можно применять втулки, изготовленные из ПТФЭ, которые выдерживают нагрев вплоть до 200°С. Кроме того, пригодны вакуумные вводы с сальниковыми уплотнениями типа разработанного фирмой BAL-seal Engineering Corp. В этом уплотнении применяется U-образный тефлоновый сальник, в полости которого установлена специальная пружина (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Сальниковое уплотнение, разработанное фирмой BAL-seal Engineering Corp: 1 — сальник из ПТФЭ; 2 — пружина.

Сальник расположен открытым концом в сторону атмосферного давления. Такое уплотнение работает аналогично уплотнению с прокладками круглого сечения и может быть использовано для передачи вращательного или возвратно-поступательного движения. Если использовать две такие прокладки, а пространство между ними откачивать с помощью форвакуумного насоса, то можно достичь минимальной скорости натекания. Тефлоновые уплотнения такого рода выпускаются серийно различными фирмами вместе с соответствующими фланцами.

Для передачи вращательного движения недавно фирмой Ferrofluidic Corp. был разработан новый тип высоковакуумного уплотнения (для давлений вплоть до 10^-6 Па), которое становится все более популярным. Оно основано на использовании в качестве уплотнителя магнитной жидкости, представляющей собой коллоидный раствор субмикроскопических магнитных частиц в каком-либо растворителе. В вакуумной технике в качестве растворителя используется жидкая вакуумная смазка с низким давлением паров. В отсутствие магнитного поля эта жидкость ничем не отличается от обыкновенных жидкостей.

При приложении магнитного поля магнитные частицы в жидкости начинают перемещаться вдоль силовых линий поля, а смазка ведет себя под действием осмотических сил как единое целое. Магнитная жидкость удерживается в магнитном поле, сохраняя свойства жидкости и создавая барьер для атмосферного воздуха. Пример такого уплотнения для вращающегося вала показан на рис. 6.10. Магнитное поле создается постоянным магнитом,имеющим несколько наконечников. В результате образуется ряд последовательных уплотнений, которые способны противостоять атмосферному давлению.

Ввиду практически полного отсутствия трения соединения этого типа обладают значительным ресурсом работы и допускают высокие скорости вращения вала; в обычных конструкциях скорость вращения может достигать ~5000 об/мин, а в специальных ~ 50 000 об/мин. По сравнению с конструкциями других типов их стоимость относительно низкая; кроме того, они удачно сочетаются со стандартными фланцевыми соединениями. Однако до сих пор нет удовлетворительных уплотнений для передачи вращательного движения через отверстие в стенке камеры, которые могли бы использоваться в вакуумных системах при давлении ниже 10^-7 Па.

Независимо от того, какой механизм привода используется, всегда существует необходимость в смазывании трущихся деталей; иначе может происходить залипание или даже холодная сварка металлических компонентов. Поэтому возникает проблема создания соответствующей смазки, которая не загрязняла бы вакуумную систему и допускала нагрев. Этим требованиям не удовлетворяет большинство известных жидких и твердых вакуумных смазок.

Проблема смазки также весьма важна для устройств, работающих в космосе, поэтому она в последнее время тщательно изучается. Предлагаются различные варианты решения этой проблемы: от использования мягких металлов, таких, как свинец или серебро, для покрытия шарикоподшипников, до применения сухих пленок из смеси дисульфида молибдена с графитом. Тефлоновые детали или покрытия также дают хорошие результаты, если система не нагревается до высоких температур.

Были предложены также магнитные подшипники, которые позволяют удерживать вращающиеся детали или узлы в подвешенном состоянии. Наилучшим решением проблемы смазки подшипников в системах сверхвысокого вакуума является использование тонкопленочных покрытий из мягких металлов либо из твердых материалов, обладающих низким коэффициентом трения (сульфида молибдена или стеклографита).