Báo cáo bơm khuếch tán
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Tóm tắt Bơm chân không thiết bị quan trọng việc tạo chân không cao siêu cao, loại bơm thường sử dụng lĩnh vực sản xuất có liên quan tới kỹ thuật chân không cao công nghệ màng mỏng…Cấu tạo, nguyên lý làm việc đặc trưng xem xét tới báo cáo Vấn đề quan trọng cần phải quan tâm lưu chất làm việc bơm chân không, mô hình giả thiết công thức tính toán dựa kiến thức kỹ thuật chân không giải thích lại thay thuỷ ngân dầu chân không, đồng thời số loại dầu chân không thị trường đem xem xét để có nhiều lựa chọn Thực tế hơn, số giá chi phí đưa mang tính chất tham khảo cho hệ thống chân không cao thấy nói bơm khuếch tán có giá thành chi phí thấp Ở phần cuối, giới thiệu sơ hệ thống chân không công nghệ phủ màng mỏng quang học I-GIỚI THIỆU 1/Lịch sử hình thành phát triển Bơm khuếch tán ( Diffusion Pump-DP) phát minh Wolfgang Gaede vào năm 1915 dựa nguyên tắc dòng khí chế độ chảy phân tử khuếch tán qua dòng mà bị theo dòng chảy Tuy nhiên, mô hình bơm khuếch tán sử dụng thuỷ ngân Irving Langmuir vào năm 1916 thường đem so sánh Gaede Một số tài liệu cho Gaede Langmuir phát minh DP độc lập có tài liệu cho phát minh Langmuir cải tiến từ Gaede a) Của Wolfgang Gaede b)Của Irving Langmuir Hình Những bơm khuếch tán W.Gaede I.Langmuir Tiếp theo sau đó, bơm khuếch tán với lưu chất bên thuỷ ngân tiếp tục nghiên cứu cải thiện, điển hình bơm Crawford, Ruggles Kurth Ngày nay, thuỷ ngân bơm khuếch tán thay dần loại lưu chất khác Với vỏ bọc thép, kích thước cấu tạo bơm thay đổi dần để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp Hình Các loại bơm khuếch tán nghiên cứu phát minh sau có sử dụng thuỷ ngân a)Bơm Crawford có miệng loe giải nhiệt không khí b)Bơm Ruggles Kurth cải tiến thành tầng phun (2 cấp nén) a)Mô hình bơm khuếch tán phục vụ giảng dạy đại học bang Arizona b)Bơm khuếch tán ngày sử dụng Hình Bơm khuếch tán ngày sử dụng dầu chân không, số cấp nén lớn 2/Giới hạn hoạt động Với kỹ thuật chân không, thiết bị tạo chân không (bơm) chia thành loại: -Bơm hoạt động dựa sở định luật Boyle-Mariotte -Bơm hoạt động dựa sở ma sát nội không khí -Bơm phân tử -Bơm làm việc nhờ ion hoá chất khí -Bơm bề mặt Theo đó, DP thuộc loại bơm phân tử Khoảng hoạt động DP từ 10 -1 10-10 torr thích hợp để tạo chân không cao chân không siêu cao Cũng thấy khoảng làm việc DP rộng so với loại bơm độ chân không Cryopump, Suptter Ion Pump, Turbo Pump,… Hình Giới hạn làm việc loại bơm II-CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Để giải thích nguyên lý hoạt động bơm khuếch tán người ta thường dựa mô hình Langmuir từ suy nguyên tắc hoạt động bơm khuếch tán ngày Hình Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán I.Langmuir hệ đầu Dựa hình, nguyên lý hoạt động bơm Langmuir sau: Một lượng thuỷ ngân định nằm buồng đốt bị bốc cấp nhiệt không ngừng Hơi nóng bốc lên bay dọc theo tới miệng phun phun Lớp cách nhiệt thiết kế với mục đích để cố ngăn ngưng tụ thuỷ ngân suốt quãng đường đi, nghĩa nhiều miệng phun tốt Dòng miệng phun lao với tốc độ lớn va phải thành ngưng tụ chảy buồng đốt Các phân tử khí miệng phun bị lôi theo xuống tới vùng chân không sơ cấp bị hút Sự giảm áp suất gần vòi phun kéo theo di chuyển phân tử khí từ vùng muốn tạo chân không để đạt tới độ chân không mong muốn Các DP hệ sau cải tiến cách làm miệng phun loe để tăng tốc độ dòng khí, điển hình bơm Crawford Năng suất bơm ngày cải thiện dẫn tới ảnh hưởng dòng lưu chất tràn ngược vào buồng chân không đáng kể Vì từ DP hệ phải cải tiến hệ thống bẫy không ngừng, nhờ mà áp suất tới hạn giảm đáng kể Ngay DP có vỏ kim loại sử dụng dầu chân không ngày nay, vai trò bẫy lạnh đề cao nhằm tăng vùng hoạt động cho bơm khuếch tán Hình Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán ngày với vỏ bọc kim loại, sử dụng dầu chân không Tương tự vậy, mặt cấu tạo bơm khuếch tán dầu ( Oil Diffusion PumpODP) có cấu tạo bơm khuếch tán sử dụng thuỷ ngân (Mercury Diffusion PumpMDP) Langmuir, tức gồm phận như: buồng đốt 1, miệng phun 3, áo làm mát Về bản, MDP Langmuir tốc độ khí từ miệng phun không cao ODP, điều ODP khe miệng phun thiết kế thành miệng loe cho phép với vận tốc siêu Hình Miêu tả va đập phân tử khí với dòng thoát từ miệng Điểm mấu chốt để bơm phân tử hoạt động chân không không ban đầu, lý để dòng chảy khí cần hút chế độ chảy phân tử Ở chế độ đó, va chạm, phân tử khí không bị phản xạ lại mà bị giữ lại khoảng thời gian định Một vài phân tử khí va chạm với phân tử hơi, nhận động chuyển động xuống phía Ngay bề mặt ngưng tụ, ngưng tụ thành lỏng, phân tử khí tiếp tục chuyển động xuống phía hút vào chân không sơ cấp Hình Sự phân bố khối lượng riêng khí bơm khuếch tán đo chân không ion kế Dựa vào Hình 8, ta thấy phân bố áp suất tầng ( cấp) ngày tăng lên đặc biệt vùng nằm sát thành thiết bị vùng có áp suất lớn Như vậy, phân tử khí từ vùng có áp suất thấp sang áp suất cao truyền động cho khí Vậy bơm khuếch tán, nhiệm vụ truyền động cho khí, mục đích việc ngưng tụ thành lỏng để tách thu hồi lưu chất, làm giảm áp suất thành khí tự di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp 10 Thiết kế ODP trở nên phức tạp MDP thay đổi thuỷ ngân thay dầu khuếch tán Bản thân thuỷ ngân lưu chất vận hành với thiết bị thuỷ tinh sử dụng lại nhiều lần, dầu khuếch tán trái lại, có khả bị nhiễm bẩn hấp phụ khí lạ Do sau vận hành thời gian, dầu khuếch tán buồng đốt không đồng khiến cho có thành phần trở nên khó dễ bay bình thường, bắt buộc buồng đốt phải có cấu tạo đặc biệt cho phần dầu dễ bay nằm cùng, nghĩa tạo thành tia khuếch tán tầng thấp, cấu tử khó bay nằm cùng, bay thoát tầng cao Bộ phận gia nhiệt cấu thành từ nhiều điện trở đun nóng nhờ nguồn điện III-CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BƠM 1/Áp suất tới hạn Hình Mô hình giả thiết luồng thoát theo dạng hình trụ Để cho dễ tính toán, ta giả sử dòng hình phễu có dạng hình trụ Hình Hình trụ có chiều dài L, khí di chuyển từ điểm có toạ độ x=0(miệng phun) tới x=L(mặt ngưng tụ) tương ứng với áp suất p0 p1 Gọi vp vận tốc luồn hơi, lượng phân tử khí qua đơn vị tiết diện hình trụ: +theo chuyển động phân tử hơi: v '1+ = vπ n v '1− = − D +theo khuếch tán ngược lại chênh lệch nồng độ: 11 dn dx Trong đó: n nồng độ khí D = 6, 2.10 M + M 0,π −16 M M 0,π T3 (d + d 0,π ) pπ số khuếch tán M0,M0,p phân tử lượng T:nhiệt độ dòng khí (K) d0,d0,p: kích thước hình học đặc trưng phân tử khí Khi cân thiết lập nghĩa ⇒ vπ n = D v '1+ + v '1− =0 dn dn vπ dx ⇒ = dx n D ⇒ dn dp = n p Ta lại có p=nkT với k số Boltzmann dp vπ dx = ⇒ p D Suy ra: Tỷ số p1 p0 p0 vπ L vπ dx p0 vπ L dp p1 ∫p p = ∫L D ⇒ ln p1 = − D ⇒ p0 = e D p0 = p1e gọi tỷ số nén, áp suất tới hạn − vπ L D Như vận tốc dòng quãng đường luồn nhau, việc chọn lưu chất làm việc DP định hệ số khuếch tán D Nếu thay D vào ta áp suất 12 p0 = p1e −C M M 0,π ( d0 + d0,π ) M M 0,π ( d + d 0,π ) M + M 0,π M + M 0,π tới hạn Tỷ số lớn áp suất tới hạn nhỏ Trong trường hợp khảo sát Bảng 1, hỗn hợp không khí dầu Silicon cho độ chân không tới hạn bé M M 0,π ( d + d0,π ) M + M 0,π Bảng Sự phụ thuộc tỷ số Khí vào loại khí sử dụng H2 Không khí CO2 Hg 4,5 6,5 Apiezon 2,5 10 15 Silicon 13 18 Hơi Thêm vào đó, dễ thấy L tăng lên tỷ số nén tăng Vì sau chọn loại lưu chất thích hợp rồi, vấn đề để tăng L lên Đôi người ta thiết kết phần thân phình ra, nguyên để nhằm mục đích Thông thường với bơm cỡ trung, người ta sử dụng từ 3-4 cấp nén, bơm cỡ lớn, số cấp nén lớn 2/Vận tốc hút Q= p Gọi Q suất bơm, ta có: dV dx = pA0 = pA0vπ = p.S dt dt Trong đó: S0 vận tốc bơm chân không ban đầu A0 diện tích vành khuyên chắn S= Vận tốc bơm vành khuyên màng chắn: 13 S 0C S0 + C Với C = vA0 v ( vận tốc trung bình số học khí) χ= Đặt S C χ= hệ số hiệu dụng màng chắn, 1 = S 1+ 1+ v C vπ Hệ số hiệu dụng màng chắn đặc trưng cho khả bắt chiếm phân tử khí luồn Khi vận tốc dòng số, khối lượng phân tử khí cần bơm lớn hệ số hiệu dụng màng chắn lớn theo Bảng Sự phụ thuộc hệ số hiệu dụng màng chắn vào vận tốc khí cần hút Vận tốc vπ Khí cần hút v m.sec-1 m.sec-1 200 150 100 50 H2 1710 0,31 0,26 0,19 0,1 Không khí 450 0,63 0,56 0,46 0,3 CO2 370 0,68 0,62 0,52 0,35 3/Chọn bơm chân không ban đầu cho bơm khuếch tán Bản thân DP muốn hoạt động phải có bơm chân không để tạo chân không sơ cấp Q = p1S1 = p2 S Áp dụng phương trình lên tục: Trong đó: p1,p2 áp suất đầu vào bơm chân không sơ cấp bơm khuếch tán S1,S2 tốc độ bơm bơm chân không sơ cấp bơm khuếch tán 14 Giả sử, p2=10-4torr, suất bơm khuếch tán, suất DP Q=2.10 -2torr.l.s-1 (điểm A hình) Áp dụng phương trình liên tục nên ta giống ngang đường Q=2.10 -2 cắt đường 1a 1b điểm B’’ C’’ Điểm B’’ có p