Molekylär släppump

En molekylär dragpump är en typ av vakuumpump som använder luftmolekylernas drag mot en roterande yta. Den vanligaste undertypen är Holweck-pumpen , som innehåller en roterande cylinder med spiralspår som leder gasen från pumpens högvakuumsida till lågvakuumsidan av pumpen. Den äldre Gaede-pumpkonstruktionen är liknande, men är mycket mindre vanlig på grund av nackdelar i pumphastighet. I allmänhet är molekylära dragpumpar mer effektiva för tunga gaser, så de lättare gaserna ( väte , deuterium , helium ) kommer att utgöra majoriteten av de restgaser som finns kvar efter att ha kört en molekylär dragpump.

Den turbomolekylära pumpen som uppfanns på 1950-talet är en mer avancerad version baserad på liknande drift, och en Holweck-pump används ofta som stödpump för den. Holweck-pumpen kan producera ett vakuum så lågt som 1 × 10 ⁻⁸ mmHg (1,3 × 10 ⁻⁶ Pa).

Historia

Gaede

Den tidigaste molekylära dragpumpen skapades av Wolfgang Gaede , som fick idén om pumpen 1905, och tillbringade flera år med att korrespondera med Leybold för att försöka bygga en praktisk anordning. Den första prototypen som motsvarade förväntningarna färdigställdes 1910 och uppnådde ett tryck på mindre än $10^{-6}$ mbar . År 1912 hade tolv pumpar skapats, och konceptet presenterades för fysiska sällskapets möte i Münster den 16 september samma år, och mottogs allmänt väl.

Gaede publicerade flera artiklar om principerna för denna molekylära pump och patenterade designen. Arbetsprincipen är att gasen i kammaren exponeras mot ena sidan av en snabbt snurrande cylinder. Kollisioner mellan gasen och den snurrande cylindern ger gasmolekylerna momentum i samma riktning som cylinderns yta, som är utformad för att vända bort från vakuumkammaren och mot en framlinje. En separat stödpump används för att sänka trycket vid förlinjen (utgången av molekylpumpen), eftersom molekylpumpen för att fungera måste arbeta under tillräckligt låga tryck för att gasen inuti är i fritt molekylärt flöde . Ett viktigt mått på pumpen är kompressionsförhållandet, $K$ . Detta är förhållandet mellan trycket i vakuumet, $P_{vac}$ och trycket till utloppet, $P_{fore}$ och är ungefär konstant över olika tryck , men beror på den individuella gasen.

{\frac {P_{fore}}{P_{vac}}}=K

Kompressionsförhållandet kan uppskattas med hjälp av den kinetiska teorin för gaser genom att beräkna flödet på grund av kollisioner med de roterande ytorna och diffusionshastigheten i motsatt riktning. Kompressionsförhållandet tenderar att vara bättre för tunga molekyler, eftersom den termiska hastigheten för lättare gaser är högre och hastigheten på den roterande cylindern har en mindre effekt på dessa snabbare rörliga, lättare gaser.

Denna "Gaede molekylära pump" användes i ett tidigt experiment som testade vakuummätare .

Holweck

Den förbättrade Holweck-designen uppfanns i början av 1920-talet av Fernand Holweck som en del av hans apparat för hans arbete med att studera mjuka röntgenstrålar . Den tillverkades av den franske instrumenttillverkaren Charles Beaudouin. Han ansökte om patent på enheten 1925. Den största skillnaden från Gaede-pumpen var tillägget av en spiral, skuren i antingen den snurrande cylindern eller till det statiska huset. Holweck-pumpar har ofta modellerats teoretiskt. Holwecks klasskamrat och samarbetspartner, H. Gondet, skulle senare föreslå andra förbättringar av designen.

Siegbahn

En annan design gavs av Manne Siegbahn . Han hade tillverkat en pump som användes 1926. Ett 50-tal av Siegbahns pumpar tillverkades från 1926 till 1940. Dessa pumpar var generellt sett långsammare än jämförbara diffusionspumpar, så de var sällsynta utanför Uppsala universitet . Större, snabbare pumpar av Siegbahn-typ började tillverkas omkring 1940 för användning i en cyklotron . 1943 publicerade Seigbahn ett dokument om dessa pumpar, som var baserade på en roterande skiva.

Används i turbomolekylära pumpar

Även om de molekylära dragpumparna från Gaede, Holweck och Siegbahn är funktionella konstruktioner, har de förblivit relativt ovanliga som fristående pumpar. En fråga var pumphastigheten: alternativ som diffusionspumpen är mycket snabbare. För det andra, ett stort problem med dessa pumpar är tillförlitligheten: med ett gap mellan rörliga delar på tiotals mikrometer hotar eventuella damm- eller temperaturförändringar att få delarna i kontakt och orsaka att pumpen går sönder.

Den turbomolekylära pumpen övervann många av dessa nackdelar. Många moderna turbomolekylära pumpar innehåller inbyggda molekylära motståndssteg, vilket gör att de kan arbeta vid högre forlinetryck.

Som ett led i turbomolekylära pumpar är den mest använda designen av typen Holweck, på grund av en betydligt högre pumphastighet än Gaede-designen. Även om den är långsammare har Gaede-designen fördelen att den tål ett högre inloppstryck för samma kompressionsförhållande och är mer kompakt än Holweck-typen. Medan Gaede- och Holweck-designerna är betydligt mer använda, fortsätter konstruktioner av Siegbahn-typ att undersökas, på grund av deras betydligt mer kompakta design jämfört med Holweck-steg.

Se även

Vidare läsning

Andrade, EN DA C. (1929). "Molekylära luftpumpar" . Naturen . Springer Science and Business Media LLC. 124 (3130): 657–659. doi : 10.1038/124657a0 . ISSN 0028-0836 .
Beams, JW (1959-11-20). "Molekylär pumpning". Vetenskap . American Association for the Advancement of Science (AAAS). 130 (3386): 1406–1407. doi : 10.1126/science.130.3386.1406 . ISSN 0036-8075 . PMID 17807555 . S2CID 2501539 .
Sickafus, EN; Nelson, RB; Lowry, RA (1961-08-01). MOLEKYLARPUMP AV HOLWECK TYP (Rapport). Office of Scientific and Technical Information (OSTI). doi : 10.2172/4833839 .
Pompe à vide modèle Holweck N°2 maj 1922