Думаю, пришло время начать рассказывать, чем я занимался более года с момента написания моей первой статьи. Безусловно, я много чем занимался, не одной лишь только вакуумной установкой, но речь сегодня пойдёт о ней.
Итак, напомню, что я начинал, по сути, с голого лопастного двухступенчатого вакуумного насоса с ужасного цвета маслом и не менее ужасным названием модели (TOP-3). В этой конфигурации у меня не было никакого способа измерить остаточное давление газа в моих изделиях и полагаться приходилось исключительно на авось. Как итог, оказалось, что давление это слишком велико для нормальной работы электровакуумных приборов, таких как диоды и триоды. Делать газоразрядные лампы тоже было нельзя из-за того, что регулировать быстроту откачки было невозможно и насос практически мгновенно создавал чрезмерное разрежение внутри лампы. Таким образом не получалось ни того, ни другого. Но и это не всё. При работе насос вибрирует и с ним вибрирует и вся лампа к нему подключённая. Получается своеобразное встроенное испытание на вибростенде, которое многие лампы не прошли. Также непосредственная близость насоса практически гарантирует наличие масла, летящего из него, в лампе на момент её запайки, что не делает лампу надёжнее.
Исходя из вышеописанных проблем, я приступил к проектированию обновления моей установки. Перед рассказом непосредственно о ней, хотелось бы вспомнить наиболее распространённые типы вакуумных насосов. В целом их можно разделить на несколько групп: механические, газодинамические и сорбционные. Механические, как мне кажется, наиболее просты, но и вакуум, достигаемый ими неглубок. Первое, что приходит на ум – это поршневой насос, а-ля компрессор холодильника. Им глубокого вакуума не достичь, но разряд в разреженном воздухе наблюдать можно, как показали мои первые опыты.
Поршневые насосы ограничены скоростью перемещения поршней, им необходимо масло (которое будет лететь внутрь вакуумной системы), а также, в случае компрессора холодильника, в какой-то момент атмосфера таки пересиливает мотор и компрессор останавливается что закончится плачевно, если не уследить. То есть, необходим баланс между скоростью откачки и мощностью мотора, оба фактора упрутся в диаметр поршня. Остаточное давление, которое можно ими достичь лежит в интервале 100 – 10 Па.
Пластинчатый насос работает по-другому, в нём есть расположенный эксцентрично относительно камеры, цилиндр с пазами под пластины. Пластины могут быть подпружинены, а могут просто выходить из пазов под действием центробежной силы. Суть в том, что сначала при повороте ротора сначала образуется разрежение, а затем, когда пластина проходит середину камеры – избыточное давление.
Это типичные насосы для откачки холодильных систем и систем кондиционирования. Так же такие насосы применяются в качестве форвакуумных (предварительная ступень) в различных производствах и исследовательских лабораториях (видел лично у наших физиков). Для более - менее серьёзных применений, такие насосы имеют две ступени и теоретически могут откачивать до давлений порядка 0,1 Па. Хотя для изготовления радиоламп такое давление слишком высоко, jdflyback смог изготовить рабочие образцы триодов и ЭЛТ при помощи такого насоса и последующего использования титанового геттера. К относительным недостаткам этих насосов можно отнести наличие внутри масла (оно тоже будет гостить в вашей вакуумной системе) и шумность, а при открытом газовом балласте ШУМНОСТЬ!!! (серьёзно, как трактор). Кроме того, он ещё создаёт масляный туман, дышать которым крайне противопоказано, так что надо ставить фильтр на выхлоп.
Третий тип механических насосов – это спиральные насосы. Внутри них есть две спирали – подвижная и неподвижная. За счёт перемещения подвижной части происходит вытеснение газов в сторону выхлопа. Эти насосы не содержат трущихся частей, поэтому малошумны и не содержат масла в рабочей камере. К недостаткам можно отнести сложность изготовления и как следствие более высокую цену. Я живьём таких не видел. По данным из сети, они достигают давлений от 10 до 1 Па, что тоже позволяет использовать их как форвакуумные.
Далее рассмотрим газодинамические насосы, их представляют турбомолекулярный и диффузионный типы. Турбомолекулярный – это, по сути, турбина со множеством ступеней, лопатки которых раздают волшебных пенделей молекулам газов, направляя их к выходу. Конструкция такого насоса чрезвычайно сложна и требует очень высокой точности обработки деталей и качественных подшипников. Ротор турбины может раскручиваться до 80-90 тысяч оборотов в минуту. Представьте, что что-то попадёт внутрь при работе. Брр… А ещё ему нужен отдельный контроллер управления мотором. Зато внутри нет масла, что круто для изготовления электровакуумных приборов. 10⁻⁷ – 10⁻¹⁰ Па это предел для турбонасоса. В общем, дорого-богато.
А ещё есть диффузионный насос. Это прямо антипод турбонасоса – простой как самогонный аппарат (с примерно тем же принципом действия), при большом желании можно сделать самому, довольно дёшев и прост в обращении, не требует дополнительных блоков, абсолютно тих (ну ладно, может не абсолютно, если он воздушного охлаждения). Как эта ерунда работает? Примерно так:
Нагреватель греет бадью с маслом, то испаряется, поднимается вверх, затем поток через серию конусов направляется вниз-в-сторону к холодным стенкам, где масло конденсируется. При этом пары масла увлекают с собой и молекулы газа в сторону выходного патрубка. Никаких движущихся частей, как видно нет, только немного специфическая геометрия. Масло, правда, есть и оно довольно специфическое, т.к. должно иметь низкое давление паров. Такие насосы могут достичь 10⁻⁶ – 10⁻⁸ Па.
Общие черты обоих типов газодинамических насосов следующие. Они не запустятся сами по себе, им нужна предварительная ступень. Их нельзя ударно соединять с атмосферой – раскрученный турбонасос может превратиться в салат из лопаток, а горячий диффузионный сделает БУМ, т.к. масло вполне себе горит. Эти особенности накладывают некоторый отпечаток на вакуумную систему, в которой они должны стоять, но об этом чуть позже.
Последняя разновидность насосов – это сорбционные, тут три основных подвида – это ионные, криогенные и адсорбционные. Эти насосы не имеют подвижных частей, в них нет масла, они надёжны и долговечны, и они могут создавать очень высокий вакуум. К недостаткам можно отнести более низкую производительность и некоторые проблемы с эффективной откачкой определённых газов. И, разумеется, им тоже нужен форвакуумный насос, а, иногда, сначала форвакуумный, а потом турбомолекулярный.
Ионные насосы работают за счёт ионизации молекул газа, которые потом осаждаются на поверхности катода. Полагаю, что вскоре BabayMazay нас порадует экспериментами с таким насосом, мне будет очень интересно. В теории, такие насосы могут давать остаточное давление 10⁻² Па до 10⁻¹⁰ Па.
Название криогенных насосов говорит само за себя, газ просто замерзает, оседая на стенках. Это, конечно, совсем экзотика, простым смертным малодоступная, т.к. используют их для достижения давлений 10⁻³ Па до 10⁻¹² Па в местах где нужен очень чистый вакуум (без всякого масла), например в полупроводниковой промышленности и ускорителях частиц.
И, наконец, адсорбционные насосы, которые собирают молекулы на поверхности пористых материалов, таких как цеолиты. Примерно на таком принципе работает кислородный концентратор. Эти насосы дают от 10⁻² Па до 10⁻⁵ Па.
Принимая во внимание вышенаписанное, для достижения вакуума, при котором радиолампа будет гарантированно работать, вариантов не так много. В любом случае система должна состоять из форвакуумного насоса (скорее всего пластинчатого как наиболее доступного и подходящего по параметрам), плюс газодинамического насоса. Самый доступный вариант газодинамического насоса – это, конечно, диффузионный. Именно этот насос мне помог купить мой друг Игорь. Огромное тебе спасибо!
До меня насос добрался небыстро, но главное добрался. В любом случае, у меня до него руки тоже не сразу дошли. Насос является частью установки MICROtorr 11 HIGH VACUUM PUMPING STATION, которая состоит из двухступенчатого пластинчатого форвакуумного насоса Alcatel 2004 A, спаренного с небольшим диффузионным насосом воздушного охлаждения. Мне, конечно, достался только диффузионник, который надо было как-то поженить с тем пластинчатым насосом, что был у меня и который я показывал в моей первой статье про радиолампы.
Перед тем как отправить мне насос, Игорь просветил его на томографе у себя на работе и получились вот такие любопытные картинки богатого внутреннего мира диффузионника:
Как видно, конусов всего 2, но внутри очень много всяких интересных перегородок. Возможно, это связано с тем, что насос очень компактный, насосы побольше устроены проще. Этот, к тому же ещё и неразъёмный, что несколько усложняет его чистку, а чистить его было нужно, т.к. даже то, что было видно через патрубки взгляд не радовало. И, действительно после того, как я залил в него ацетона и дал постоять сутки из него вышла черепаха куча всякой дряни. Я повторил операцию промывки ещё пару раз до тех пор, пока ацетон на выходе не стал чистым. По инструкции после промывки ацетоном его надо было продуть сухим азотом, но у меня и мокрого-то не было, поэтому я просто оставил его в покое на пару месяцев, прикрыв патрубки неплотными крышками просто чтобы пыль внутрь не попала, в результате чего ацетон улетучился сам.
За то время пока насос стоял я прикидывал как сделать установку. Я подумал, что неплохо было бы организовать всё это в едином блоке из алюминиевого профиля, закрепив систему жёстко и в то же время развязав её с форвакуумником, чтобы исключить тряску лампы. Эту развязку я решил делать установкой гофрированного гибкого шланга, как, в прочем, было и в оригинальной системе. Единственное, что соединения насосов не совпадали по размеру – на пластинчатом стоял фланец KF-16, а на диффузионном KF-25. Пришлось, конечно, покупать ещё и адаптеры. Во многом закупка всяких адаптеров и соединителей и затормозила постройку установки, так как я не очень представлял их размеров, а китайцы не особо их указывали. Надеяться на стандартизацию я не стал, чёрт их знает, чего от них ждать от китайцев. Потом, когда что-то приходило и примеривалось, появлялась мысль, что надо купить что-то ещё и всё начиналось сначала. В результате, когда я всё же собрал все части, которые казались мне нужными, я приступил к отрисовке модели в Solidworks. Получилось примерно это:
Поясню примерную логику расположения вещей. Все самые тяжёлые детали установлены внизу установки, к ним относятся – форвакуумный насос, трансформатор питания и аргоновый баллон (он на будущее, когда будет готова часть установки для напуска газа для изготовления газоразрядных устройств). Трансформатор нужен для питания нагревателя диффузионного насоса, нагреватель сделан под 110 В. От форвакуумного насоса магистраль идёт на выход диффузионного, магистраль эта гибкая, чтобы вибрации от насоса не шли дальше. Диффузионный насос закреплён над форвакуумным и закрыт кожухами, которые я не нарисовал, т.к. я тогда ещё не решил, как я их хочу делать. Вообще, не нарисовал я много чего по аналогичным причинам, тут только общая компоновка. Верхний кожух нужен для обдува рубашки радиатора, нижний, чтобы защитить дно от чрезмерного охлаждения окружающим воздухом и случайного касания руками или чем-нибудь легко воспламеняемым. Далее из насоса магистраль выходит вверх, она специально сделана довольно длинной и изогнутой, чтобы меньше масла залетало в откачиваемый прибор. Сразу наверху установлен ионизационный вакуумметр, затем идёт кран, после крестообразный разветвитель у которого снизу временно стоит заглушка (под систему напуска), сверху – термопарный вакуумметр, а справа выход, к которому подключается радиолампа.
Рассмотрим подробнее некоторые элементы. Начнём идти от откачиваемого прибора. Термопарный вакуумметр типа ПМТ-2 (да, мне во Франции было дешевле заказать из Белоруси старое советское барахло, чем покупать китайское или б/у) может измерять давление в двух пределах: от 666,6-13,3 Па и 13,3-0,133 Па. Предельным значением можно принять что-то около 0.01 Па, правда, как средство измерения близко к пределу он работать не может, зато может как средство индикации (об этом в практической части). Этот вакуумметр работает весьма просто – в нём есть нагреватель и термопара. По нагревателю течёт фиксированный ток, который греет термопару. По мере уменьшения давления внутри системы становится меньше газа, и он хуже отбирает тепло у нагревателя, т.е. температура на термопаре возрастает, что приводит к увеличению генерируемого ей напряжения. По сути, чтобы измерить давление нам нужен всего-то милливольтметр. Ну или чувствительный аналогово-цифровой преобразователь. Тут на Хабре была уже статья откуда я взял код и идею для измерительного блока к ПМТ-2. Выражаю автору большое спасибо!
Почему я поставил ПМТ-2 именно в эту часть установки? Чтобы можно было мерить давление напускаемого газа. В этом случае большой кран закрывается и в газоразрядный прибор напускается аргон через несуществующую пока ветвь системы. Ионизационный вакуумметр для таких операций не предназначен.
Далее за крестовиной стоит кран, у которого несколько задач. Первая уже была упомянута – отсечь насосы от прибора для напуска аргона. А вторая - безопасность. Как я уже говорил, попадание атмосферного воздуха в разогретый диффузионный насос чревато неприятными последствиями. Это может случиться если, например, неудачно запаивать лампу. Поэтому перед запайкой я предполагаю кран закрывать.
За краном стоит тройник (хотя в модели и крестовина) с ионизационным вакуумметром. Эту часть мне пока только предстоит освоить. Сам вакуумметр устроен нехитро (это, кстати, ПМИ-2, тоже советские), по сути, это триод, но немного нестандартный. В этом триоде катод (вольфрамовая нить) испускает электроны, которые летят к сетке, на которую подано ускоряющее напряжение. Но сетка имеет большой шаг навивки, и большая часть электронов просто промахивается и пролетает мимо, а потом летит обратно, снова промахивается и так далее, пока всё же не попадёт на сетку. И вот пока они там летают, они попадают по молекулам газа, содержащимся в колбе, ионизируя их. Ионы летят в сторону коллектора ионов, к электроду, что был бы анодом в обычном триоде, однако этот электрод не имеет ускоряющего потенциала. Вместо этого к нему подключен измерительный блок, который фиксирует ионный ток, очень слабый ток, порядка пикоампер. Это не самая тривиальная задача, у меня такого блока пока нет, но мысли по его изготовлению есть.
Начертив модель установки, я закупил нужный профиль (использовал 20 х 20 мм) и крепёж. Конечно же, оказалось, что я накосячил с заказом и крепежа заказал меньше, поэтому ещё половину месяца ждал из Китая оставшееся, чтобы не переплачивать местной компании и за доставку. Потом я это собрал, купил масло для диффузионного насоса, а оно, кстати, не самое дешёвое и продавать в мелкой фасовке мне его хотели не только лишь все. Его, кстати надо всего 55 мл, я купил 500. С паспортной частотой замены раз в два года, бутылки хватит на 18 лет.
Я собрал систему процентов на 80 и долго прокрастинировал. Было довольно много вещей, о которых не было чёткого представления, включая измерительный блок для ионизационного вакуумметра. Потом было много дел и вот не так давно, как тот кот, я решил, что пора! Начал я с кожухов диффузионного насоса. Кожух обдува я вырезал из листа алюминия толщиной 0.5 мм, который давно меня раздражал, т.к. был гнутый и с остатками какой-то дряни на поверхности (он, конечно, был подобран в университетском мусоре годы назад). Нижний кожух, защищающий нагретую часть от излишнего обдува, я сделал из половинки от корпуса компьютерного блока питания, добавив ему недостающие стенки. Под этим кожухом должна скрываться нижняя часть насоса с нагревателем, что диктует необходимость в пропускании через его стенки силовых проводов. У меня возникли резонные сомнения в безопасности прокладки их через голые и острые металлические стенки. К сожалению, в моих запасах не было специальных резиновых пропускные кольца (уж не знаю как их правильно звать), поэтому я сделал их сам.
Для проводов, кстати, надо было сделать крепление по корпусу, чтобы всё было по-человечески и не болталось. Можно было бы воспользоваться и стяжками, но не хотелось. Зная себя, как только я бы закончил, сразу же бы понадобилось что-то переделывать, срезая и выкидывая стяжки (кстати, я был от истины недалёк, т.к. переделывать придётся). Поэтому хотелось сделать что-то вроде прижимов для проводов, которые бы крепились к профилю. Выход был найден следующий. Из того же тонкого алюминия отрезалась полоска шириной 10 мм и длиной, зависящей от диаметра пучка провода. Затем на концах этой полосы делались отверстия под винт и на тело полосы надевалась силиконовая трубка, защищающая провода от повреждения острыми гранями. После полоса сгибалась в петлю, через неё продевался провод и всё это крепилось на профиль.
Сверлить отверстия в такой тонкой полосе – дело неблагодарное, поэтому я соорудил дырокол. В хозяйстве был маленький ручной пресс, к которому я быстренько выточил необходимые штампы. В верхней половине штампа был использован кусок китайского быстрореза диаметром 4 мм, заточенный при помощи сферического алмазного инструмента, зажатого в дремель.
Кроме вышеописанного, я установил термометр на диффузионный насос, чтобы иметь представление, когда можно выключить форвакуумный (и вообще, что он включён). А также панель управления, верхнюю панель и прочие мелочи. На данном этапе моя вакуумная установка выглядит так:
Оставались лишь сомнения в том, запустится ли диффузионный насос от наличествующего пластинчатого. К тому времени я уже померил остаточное давление, которое он может развить, и оно оказалось не таким приятным – целых 5 Па. В теории, диффузионный насос должен запускаться при давлениях ниже 10 Па, но черт ведь его знает, вдруг этот мелкий насос окажется капризным и не захочет работать от 5 Па? Я стал просматривать местную онлайн барахолку, не надеясь особо ничего толкового найти, но в этот раз мне несказанно повезло – мне попался абсолютно новый, в родной коробке и со всеми принадлежностями, включая мануал, насос Alcatel Pascal 2005I. Этот профессиональный двухступенчатый пластинчатый насос, который с завода стоит около трёх тысяч евро отдавали всего за 300. А тут ещё и доставку на время выходных снизили с 15 евро до одного. Потратив немного времени на убеждение жены, я таки купил себе этот агрегат.
Он, безусловно, разительно отличается от старого. Не TOP-3, конечно, но всё же. Во-первых, он в два раза больше и тяжелее. Во-вторых, в отличии от старого, у него есть защита от всасывания воздуха через насос, в случае отключения электричества, что очень важно для диффузионного насоса. И, в-третьих, он должен создавать давление порядка 0.1 Па, что точно хватит для диффузионного. Он, кстати, и выглядит точь-в-точь как в инструкции к Микротору 11, хотя в реальности насос там другой.
Первым делом, я решил померить, что же он на самом деле может выдать. Для чего я провёл все необходимые процедуры по заливу масла (в новеньком насосе его не было, но оно шло в комплекте). А после подключил верхнюю часть своей вакуумной системы вместе ПМТ-2. Тут надо заметить, что у нового насоса штатные фланцы больше и как раз подходят к родным от диффузионного, но для меня это будет проблемой, т.к. подключить его к системе нечем, нет ни переходников (если рассматривать подключение к наличествующему гибкому шлангу), ни подходящего гибкого шланга.
Так вот, чтобы измерить давление по ПМТ-2, надо смотреть на график из её паспорта, на котором изображена зависимость напряжения термопары от давления. В теории, этот график должен был быть зашитым в коде, который я взял в уже упомянутой мной статье. Однако, почему-то он не заработал адекватно. К слову, мой измеритель использует «ардуину» на Атмеге8, я не спец, может и поэтому он не работает. Но нормальную ардуину мне было жалко ставить на этот показометр, поэтому обойдусь пока графиком.
Это испытание я намеренно провёл немного неправильно. Правильно было бы сначала погонять насос с открытым газовым балластом где-то с полчаса, чтобы все испарения (например вода) покинули систему и не растворились в масле насоса. Однако оказалось, что при открытом балласте новый насос работает пропорционально размерам громче старого и создаёт совершенно непотребные объёмы масляного тумана. Даже если надеть защитные наушники и наплевать на соседей, то ни дышать маслом ни вытирать его со всех поверхностей мне не хотелось, поэтому балласт я закрыл с самого начала. Вообще балласт, по сути, отсекает одну ступень насоса и качает он при этом хуже. Так, что в закрытом состоянии остаточное давление будет ниже, что нам и надо. Но это не совсем верный подход, так как если в масле раствориться достаточно дряни, она будет испаряться и не даст достичь желаемого вакуума. Но один раз не.. в общем, можно пренебречь.
Погоняв насос примерно 10 минут, я подумал, что хватит и включил нагрев ПМТ-2 и подождав ещё пару минут стал снимать показания, которые меня весьма обрадовали.
Судя по графику, давление соответствует примерно половине Паскаля (надо правда ещё учитывать, что показания ПМТ-2 не особо точны и там допуск ±20%). Это уже на порядок лучше старого насоса! С ним диффузионный запустится с вероятностью 100%.
Однако, вернёмся к нашим баранам, то бишь к вакуумной установке. Я уже упомянул, что ПМТ в ней, в данном случае, будет играть роль индикаторную, а не измерительную. Смысл этого в том, что можно определить какие насосы работают в данный момент. Старый пластинчатый насос выдаёт показания на приборе около 5 мВ, то есть, если показания будут выше и дойдут до 10 мВ, то это будет означать, что диффузионный насос запустился и давление вышло за пределы измерения ПМТ-2. К сожалению, более точные данные мне на данный момент недоступны.
Для проведения испытаний я собрал установку обратно, предварительно залив положенные 55 мл силиконового масла во входной патрубок диффузионного насоса. Затем я открыл газовый балласт на пластинчатом насосе и 20 минут гонял его так. Затем газовый балласт я закрыл и подождал пока насос создаст максимально доступное ему разрежение.
Пришло время включить диффузионный насос. Тумблер щёлкнул, и я стал ждать, мониторя термометр. Температура росла очень неспеша, и я отошёл заняться другими делами. Вернувшись, я обнаружил следующие показания ПМТ-2:
Казалось бы, что же это? Давление должно же падать, а оно растёт. Но я читал инструкцию к Микротору и знаю, что это – норма, просто масло с нагревом начало обезгаживаться (и из него стала выходить всякая гадость, в смысле газы). Надо всего лишь ещё немного подождать. И, действительно, через минут десять на приборе была уже совсем другая картина:
Заветные 10 милливольт были получены, что соответствует 10-2 Па и является пределом измерения этого датчика. Сколько там на самом деле мне ещё предстоит выяснить, собрав измерительный блок к ионизационному вакуумметру ПМИ-2. В принципе, даже 10-2 Па должно быть достаточно для изготовления радиолампы-триода с титановым геттером. Опыты jdflyback наглядно это демонстрируют, а ведь он пользуется только хорошим пластинчатым насосом. В общем, установка экзамен сдала и, вероятно, вскоре я сумею получить рабочий образец триода о чём, конечно же напишу.
Спасибо, что дочитали до конца!
Автор: dio_eraclea
