المحاضرة الخامسة

مضخات بخار الزيت الانتشارية(Oil vapor diffusion pumps)
اكتشف هذا النوع من المضخات 1915 واستخدم في حينها معدن الزئبق كمائع للمضخة. لقد اكتشف في السنوات العشرة التالية، إن بعض الزيوت تملك نقاط غليان عالية وضغوط بخار قليلة وبالتالي فهي موائع مضخات جيدة. ان هذه الزيوت مفيدة كونها تبقى في المضخة لفترة طويلة وتسمح بالوصول الى ضغوط قليلة دون استخدام مصائد باردة. ان المضخات الانتشارية مرت بتغيرات كبيرة في تصميمها خلال الحرب العالمية الثانية وخلال الستينات (لاغراض برنامج الفضاء) لزيادة سرعة التفريغ وزيادة مقدرتها لانتاج ضغوط قليلة بالاضافة الى ان الزيوت قد أعطت الطريق لانتاج موائع مضخات جديدة. تتميز هذه المضخات ببساطتها وادائها العالي وكلفتها الابتدائية الواطئة مما جعلها تبقى مصدر اساسي للفراغ العالي الصناعي. يستخدم هذا النوع من المضخات في مختبرات البحث والتطوير، مستلزمات الطلاء، التصنيع ومحاكات الفضاء. فاذا استخدمت مضخات الفراغ الانتشارية مع الموائع الصحيحة، المصائد والمصدات المناسبة فانها قادرة على انتاج فراغ بحدود .2×10-10Torr
نظرية التشغيل) :(Theory of operation
تعتبر المضخات الانتشارية مضخات تدفق او نفث بخارية (vapor jet) تعمل على اساس مبدا انتقال العزم. يحصل هذا عندما تصطدم ، جزيئة بخار ثقيلة بسرعة عالية مع جزيئة غاز وتحركها بالاتجاه المرغوب خلال المضخة. تحوي قاعدة المضخة على مسخن كهربائي يستخدم لتسخين مائع المضخة الى درجة غليانه وبالتالي ينتج البخار. يجب اجراء هذه العملية عند ضغط منخفض. هذا يعني انه قبل تشغيل المضخة الانتشارية، يجب تفريغها مبدئيا(rough pumped) الى ضغط مقبول، أي حوالي 100 mTorr .اذا لم نحقق هذا الشرط "فان المضخة سوف لاتؤدي عملها او ربما تسبب تلفا" لمائع المضخة. حالما تصل درجة الحرارة الى نقطة غليان المائع فان البخار سوف يندفع ثم يخرج البخار عند كل اتجاه نفث نحو الاسفل على شكل ستائر جزيئية .(jet assembly) نحو اعلى الاعمدة المركزية لمجموعة النفث التي تصطدم بجسم المضخة. يكون جسم المضخة مبرد بشكل كبير وبالتالي سوف يعمل على تكثيف المائع على (molecular curtain) سطوحه الداخلية ويرجع المائع الى الوراء نحو الاسفل باتجاه المرجل منطقة التسخين ). يتم تبريد اجسام المضخات نموذجيا" باستخدام الماء (ولكن يستخدم في بعض الاحيان الهواء لاغراض التبريد. حالما تدخل جزيئات الغاز من النظام بشكل عشوائي نحو المضخة (ظروف الجريان الجزيئي) فانها تواجه النفث القادم من الاعلى. بعض جزيئات هذا الغاز تصطدم وترسل الى النفث التالي. وبالتدريج سوف تصل الى منطقة حيث يتم طرحها الى الجو بواسطة المضخة الميكانيكية الساندةالدعم(foreline) .
النسبة الانضغاطية :(Compression Ratio)
تملك المضخة الانتشارية خصائص تشابه الخصائص للمضخات المكبسية الاخرى في انها تعمل على اعطاء ضغط عادم عالي وضغط داعم 2×10-7Torr فمثلا"، لضغط داخل مقداره .(Inlet pressure) نسبيا" بالمقارنة مع الضغط الداخل (exhaust pressure) ، نجد ان النسبة الانضغاطية تكون بحدود واحد مليون. بالنسبة لحالة الانضغاط في مزيج من الغازات، فان كل
مركب مقداره 2×10-1Torr ربما يفرغ مع تاثيرات مختلفة. من الممكن ان تجد انواع مختلفة من النسب الانضغاطية العظمى ومعدلات جريان مختلفة لغازات تملك اوزان جزيئية مختلفة. فمثلا" النسبة الانضغاطية للهيدروجين تختلف بشكل كبيرعن النسبة الانضغاطية للاركون وذلك ببساطة بسبب ان اوزانها الجزيئية مختلفة. بالاضافة الى ذلك، عندما يملك الغاز المفرغ وزنا" جزيئيا" يختلف عن الهواء فان النسبة الانضغاطية العظمى سوف تنحرف ولكن قيمة ضغط الدعم) (foreline اوضغط التفريغ الحرج (critical discharge pressure ستبقى كما هي :

ضغط التفريغ الحرج (:(Critical discharge pressure
يعرف ضغط التفريغ الحرج للمضخة الانتشارية بانه اعظم ضغط مسموح به عند منطقة الدعم خلال تشغيل المضخة الاعتيادي. يتوقف عمل التفرغ المتوقع للمضخة الانتشارية عندما يتعدى ضغط التفريغ الحرج. الذي يحصل هنا هو ان بخار مرحلة التفريغ للمضخة لايملك طاقة كافية وكثافة لتوفير عائق للهواء في منطقة الدعم بالنسبة لاغلب المضخات الانتشارية الحديثة، فان ضغط الدعم الاقصى المسموح به يكون بحدود 0.5 Torr وبالتالي فان هذا الهواء سوف يسري خلال المضخة بالاتجاه الخاطئ حاملا" معه بخار مائع المضخة. لاتعمل المضخات الانتشارية بشكل جيد مالم يكون ضغط الدعم محصور تحت هذه الحدود بواسطة المضخة الداعمة .القاعدة الاساسية في تشغيل المضخة الانتشارية: هي ان لاتزيد قيمة الضغط في المنظومة عن قيمة ضغط التفريغ الحرج .
الجريان الاسترجاعي :(Backstreaming)
يمكن تعريف الجريان الاسترجاعي على انه انتقال مائع المضخة خلال ميناء دخول المضخة وباتجاه معاكس الى اتجاه جريان الغاز المطلوب.
لكن يجب عدم تحديد الجريان الاسترجاعي عند المضخة فقط وانما يجب ان تتضمن المصئدة، المصدة وانابيب التصريف plumbing ,ايضا"، بسبب انها جميعا" تؤثر على انتقال ابخرة مائع المضخة من جسم المضخة الى الحاوية. هناك عدد كبير من الظروف التي يمكن ان تسبب الجريان الاسترجاعي. الظروف الاكثر شيوعا" هي، زيادة ضغط التفريغ الحرج في منطقة الدعم، زيادة سعة الجريان النافذ(throughput) الاعظم لفترة زمنية طويلة، والتسلسل الغير صحيح لعملية بداء او انهاء التفريغ. تعتبر دائم ا" عملية الاسترجاع العكسي , النصيحة التي يجب ان تعطى للعاملين مع هذا النوع من المضخات هي ان " لموائع المضخة الى بيئة العمل خلل كبيرا.(catastrophic) يعرفوا معداتهم بشكل جيد وان يتدربوا على تقنيات تشغيل مناسبة. حوالى % 99 من مشاكل الجريان الاسترجاعي المكلف يعود الى الخطا في التشغيل مناسبة يجب تجهيز نظام الفراغ بمنظومات تعشيق (interlock) التي تعمل على منع الصمام بالدوران فوق ضغط محدد.. . ان هذا سوف يساعد على حماية نظامك كلما ترك (غير ممكن الوصول اليه(

المصدات والمصائد :(Baffles and Traps)
ان للمصدات غرض واحد محدد هو تقليل الاسترجاع العكسي لمائع المضخة الى حاوية الفراغ. اكثر انواع المصدات تدعى بالمعتمة بصريا" التي تعني ان الشكل الهندسي الداخلي لايسمح للضوء بالمرور خلالها بشكل مباشر. ان هذا يضمن ان الجزيئة تصطدم (optically opaque)
على الاقل مرة واحدة مع السطح بغض النظر عن الاتجاه القادمة منه. تعمل المصدات على عرقلة جريان الغازات المفرغة، ولكن جميع الوحدات المصممة بشكل جيد تحتجز حوالي % 60 من سرعة التفريغ. يتم تثبيت المصدات مباشرة فوق فتحة المضخة وتستخدم عادة بالتوافق مع المصائد. المصدات المبردة بالماء يمكن ان تقلل من معدل اعادة التبخير للمائع المتكثف وبالتالي تقليل كثافة البخار في الفضاء بين المصدة والمصئدة. الشكل 7.1 يوضح شكل تخطيطي للمصدات والمصائد المستخدمة مع منظومة التفريغ الانتشارية.