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.