Кустарные вакуумные триоды Клода Пайяра. Часть 4. Вакуумные насосы / Хабр

Мы уже познакомились с Клодом Пайяром — французским радиолюбителем, в бытность, редактором журнала Radio-REF, энтузиастом-электровакуумщиком, воссоздавшим в своей мастерской кустарное производство практических триодов ТМ [1] (первых, 1920-х годов, промышленных «жёстких» — с высоким вакуумом, электронных ламп), и рассмотрели его самодельное огневое оснащение (Часть 1), установку для контактной сварки и технологическую печь (Часть 2), ламповую установку ТВЧ для дегазации электродов ламп при откачке (Часть 3). Сегодня мы взглянем на высоковакуумную установку Клода, самодельную, как и всё его оборудование.

1. Лозунги

Развитие исторических радиоламп в начальное время здорово хромало из-за отсутствия надёжных и удобных средств получения сильного разрежения в их колбах. Первые приёмно-усилительные лампы (ПУЛ) были с низким вакуумом (с остатками атмосферных газов), а иногда и специально наполненные каким-то рабочим газом или парами — «ионные» лампы. Нормальная работа таких приборов была возможна только при определённом давлении рабочего газа, к��торое постоянно изменялось от внешних условий, наработки лампы и т. д. Управление радиоустановкой на таких усилительных лампах было сложным, сродни искусству, делом. И только с развитием и применением в производстве ПУЛ оборудования для получения высокого вакуума, радиолампы стали надёжными, сравнительно долговечными, стабильными и простыми в эксплуатации.

Любой приступающий к электровакуумным работам коллега-любитель, спустя малое время добирается до этого камня преткновения: низковакуумные приборы работают плохо, а получение высокого (и долговременного!) разрежения в своих приборах или установках — почти всегда дело очень хлопотное, громоздкое, энергоёмкое и, разумеется, дорогое, несмотря на современное развитие этой области бытия.

2. Старинные способы откачки

Будучи техническим реконструктором, Клод не отказал себе в удовольствии немного повозиться с вовсе старинным вакуумным насосом, таким, какие сопровождали рождение первых электровакуумных приборов (ЭВП). Насос Шпренгеля, насос Теплера и т. п. — работа всех их основана на стекании цепочки капель ртути в высокой тонкой трубке-капилляре, подобно маленьким поршням, увлекающих и выводящих наружу понемногу воздуха каждая. Например, такой самодельный насос, в 1920-х годах, в своих домашних работах использовал месье Минье [2].

Sprengel_vacuum_pump_ — Рис. 2.1. Схема устройства ртутно-поршневого насоса Шпренгеля, где: 1, 4 — резервуары со ртутью; 2 — краны; 3 — капельная трубка. Диаметр трубки выбирается не более 2,5...2,75 мм, чтобы поверхностное натяжение капли ртути обеспечивало перекрытие сечения трубки, не позволяя воздуху проходить снизу вверх. Темп подачи ртути по каплям подбирался так, чтобы в вертикальной трубке постоянно находилось несколько капель, разделённых воздушными промежутками. После стекания ртути в нижний сосуд, её нужно переливать в сосуд верхний. Справа — усовершенствованный насос Шпренгеля не требующий неотрывного контроля оператора, где: А — верхний сосуд с коленом-затвором; В — капельная воронка; М — манометр; R — откачиваемый объём

Насосы подобного типа могли быть сравнительно легко построены из стекла или металла самостоятельно, но имели несколько крупных неустранимых недостатков. Первое — из-за небольшого сечения трубок, их производительность была очень невелика, например, небольшой маломощный триод требовал для откачки до часа, при этом было необходимо внимание и участие оператора. Разумеется, любитель должен быть терпеливым, однако второй недостаток несравненно серьёзней: сравнительно невысокое создаваемое разрежение, сильно зависящее от чистоты рабочего тела — ртути, и от её температуры. Минимальное остаточное давление, создаваемое таким насосом при обычных комнатных условиях ~0,001 мм. рт. ст. (Торр), на порядок понижается при отрицательных температурах ~0,0004 мм. рт. ст. Дальнейшее понижение невозможно без охлаждаемых жидким азотом ловушек.

image610_ — *Фото 2.2. Удачно добыв на* ***ихнем*** французском блошином рынке ~4 кг ртути в жестянке из-под маринованной сельди, Клоду пришлось отфильтровать её грубые механические загрязнения через фильтр, и хорошенько почистить свою ртуть азотной и серной кислотой. Капельный насос он изготовил из нержавеющей стали — большое преимущество, по сравнению с историческими стеклянными вариантами, имевшими неприятное свойство нередко лопаться. Проблема подъёма стёкшей вниз ртути решена им с помощью небольшого перистальтического насоса с неопреновой рабочей трубкой. С ней и поработавшей ртутью удавалось получить разрежение ~0,05 Торр, с трубкой марки «витон» и свежеочищенной ртутью — до 0,001 Торр

Рис. 2.3. Несмотря на несовершенство ртутно-капельных насосов, они позволили появиться первым усилительным лампам — ими, например, Ли де Форест опустошал свои Аудионы. На картинке — сравнительно простой капельный ртутный насос с ручным подъёмом ртути, откачивает лампы накаливания Эдисона на фабрике. Наверху установки — пара обрабатываемых ламп и разрядная трубка — простой индикатор разрежения

3. Механические низковакуумные насосы

Необходимый нашим лампам высокий вакуум приходится получать специальными насосами, для запуска и нормальной работы которых, нужно некоторое предварительное разрежение — т. н. форвакуум. Обычно, это 10^-2...10^-3 Торр. То есть высоковакуумная система состоит из двух соединённых частей-ступеней — низковакуумной (форвакуумной) и высоковакуумной.

3.1. Поршневой насос

Ртутно-капельный насос можно отнести к форвакуумным, ещё и очень медленным. Намного быстрее действуют насосы механические.

Рис. 3.1. Первым и очевидным вариантом механического насоса, является поршневой — в общем, повторяющий цилиндр паровой машины или двигателя внутреннего сгорания, но с клапанами, работающими наоборот

Трудноустранимыми, требующими продуманной конструкции и высокой точности изготовления, пороками такого насоса являются клапаны, плохо работающие при низких давлениях, и неиспользуемый, «мёртвый» объём в высшей точке поршня.

Фото 3.2. Внешний вид экспериментального поршневого вакуумного насоса Клода, с принудительным открытием клапанов электромагнитами по сигналам оптического датчика на коленчатом валу. Насос показал высокую эффективность, но оказался слишком сложным в эксплуатации

*Фото 3.4. Датчики и система управления электромагнитами*

Разрежение, создаваемое насосом, зависит, в том числе от массы и жёсткости (неуправляемых) клапанов, вес которых не должен быть больше нескольких грамм. Хорошего результата Клод добился, применив стальной шарик Ø 6 мм с уплотнительным кольцом с выпускной стороны, и силиконовый клапан от регулятора давления акваланга, со стороны впускной. Минимальный же оставшийся «мёртвый» зазор в высшей точке поршня удалось сократить почти до нескольких сотых миллиметра.

Фото 3.5. Ещё один недостаток поршневого насоса — очень неравномерное усилие в течение одного оборота коленчатого вала, удалось преодолеть соединением двух поршневых насосов, работающих в противофазе. Их последовательное включение позволило получить вакуум ниже 1.5 Торр, пригодный для запуска следующей высоковакуумной ступени. Диаметр поршней 32 мм, их ход — 25 мм, вращение вала — со скоростью 30 об/мин. С помянутыми неуправляемыми клапанами насос особенно надёжен, требует самого малого внимания, приятно выглядит и красиво работает

3.2. Пластинчато-роторный насос

Тип насосов, ставший классическим для первичной откачки. Его подвижный элемент — барабан с текстолитовыми или графитовыми пластинами, совершает простое вращательное движение. Ось барабана смещена относительно оси рабочей камеры насоса, а пластины в барабане раздвигаются пружинами и постоянно прижаты к стенкам камеры. Хорошо видно, как, вращаясь, они поочерёдно захватывают порции воздуха из откачиваемого объёма, сжимают и выбрасывают его наружу. Зазоры между рабочими поверхностями, и без того очень небольшие, дополнительно уплотнены масляной плёнкой — весь насос погружён в ёмкость-картер с ним.

Рис. 3.6. Схема работы пластинчато-роторного насоса, где: 1 — камера; 2 — барабан; 3 — впускной патрубок; 4 — выпускной патрубок; 5 — пружина; А, Б — пластины. I...IV *— характерные положения барабана, демонстрирующие работу насоса*

Д��я получения значительного разрежения масло в насосе применяется специальное — с низким давлением пара, а несколько насосов могут быть установлены на одном валу и соединены последовательно. Такие их варианты компактны, и могут получать разрежение до 0,001 Торр, что сравнимо со ртутными трубками, но без ядовитой и противозаконной для современного любителя, ртути; работает же роторный насос несравненно быстрее, а небольшие их варианты для холодильной техники распространены и доступны.

001_ — Фото 3.7. Современный одноступенчатый роторно-пластинчатый насос небольшой производительности для обслуживания холодильной техники. Вариант двухступенчатый чуть крупнее

Фото 3.8. Основные части самодельного двухступенчатого роторно-пластинчатого насоса Клода. Барабан Ø50 мм вращается в камере Ø60 мм, пластины шириной 20 мм. Насос окружён картером Ø105 мм с маслом. Вращаясь со скоростью ~300 об/мин, насос доводит 200 см3 до 0,02 Торр за 5 минут, требует минимального внимания и обслуживания

Фото 3.9. Форвакуумный агрегат Клода. Здесь на едином основании расположены оба механических низковакуумных насоса — пластинчато-роторный и поршневой, откачивать систему можно любым из них. Между насосами и выходом установлен небольшой вакуумный резервуар, позволяющий работать насосам только при первичной откачке. Его ёмкости достаточно для длительной работы высоковакуумной ступени при отключённых форвакуумных насосах. В системе установлены несколько кранов и электромагнитный клапан. Манометр Пирани постоянно присматривает за давлением и запускает выбранный насос, если разрежение падает. Открытая муфта между редуктором электромотора и роторно-пластинчатым насосом позволяет провернуть его вал рукой, чтобы преодолеть первичное большое усилие насоса от натекания масла в рабочие полости

4. Высоковакуумный молекулярный насос

p0104 — Рис. 4.1. Схема молекулярного насоса Геде [3]. Внутри цилиндрической полости статора 1 быстро вращается ротор 2. Зазор между статором и ротором на участке 3–4 очень мал и создаёт сравнительно высокое сопротивление (обратному) потоку газа между входом и выходом. Участок 3-5-4 имеет бо*льший зазор, образуя камеру высотой h, в ней и происходит откачка*

Молекулы газов, попадая через входной патрубок в рабочий зазор насоса 3-5-4, несколько раз сталкиваются с вращающимся ротором 2, отскакивая от стенок статора 1. При каждом столкновении с ротором молекула получает тангенциальную составляющую к имеющейся скорости — этакий пинок в направлении выхода. Молекулярный насос с гладким ротором и статором будет не слишком эффективен, улучшить его работу удалось, увеличив длину рабочего зазора (повысив количество столкновений-пинков молекулам газа) — снабдив статор винтовыми или спиральными канавками.

p0105 — Рис. 4.2. Развитие идеи — молекулярный насос Голвека. Ротор — гладкий цилиндр Ø 30 см, внутренняя поверхность статора имеет винтовые канавки правой и левой нарезки. Ширина канавок постоянна, их высота уменьшается от входа к выходам. Зазор между статором и ротором — 0,06 мм. Электропривод — двухфазный, с вращающимся магнитным полем повышенной частоты. Частота вращения ротора — 4500 об/мин, потребляемая мотором мощность около 10 Вт. Подшипники и двигатель насоса находятся в пространстве форвакуума. При предварительном разрежении 10^-3 Торр, насос получает до 10^-6 Торр. Скорость откачки — несколько литров в секунду

p0106 — *Рис. 4.3. Дисковый молекулярный насос Зигбана, где: 1 — сцепление; 2 — спиральные каналы; 3 — вращающийся диск*

Молекулярные — предшественники популярных ныне насосов турбомолекулярных, требуют предварительной откачки и поддержания с форвакуумной стороны давления (обычно) в сотые доли тора, чтобы откачиваемый газ находился в молекулярных условиях (длина свободного пробега его молекул должна быть достаточно большой по отношению к размерам насоса). Скорость вращения роторов небольших насосов составляет 10...20 тыс. об/мин и более, а зазоры между статором и ротором должны быть не крупней нескольких сотых долей миллиметра.

Рис. 4.4. Эскиз молекулярного насоса Клода. Гладкий конический ротор 6 в нём вращается между двух рабочих стенок статора 2, 5 с винтовыми канавками. В насосе применён восстановленный маломощный электромотор (3-фазный, 24 тыс. об/мин, 400 Гц) специально для подобного (в среде высокого вакуума) применения и аналогичная (высокоскоростная, с малым давлением паров) смазка для подшипников. Встроенный тахометр позволяет следить за правильностью работы мотора

*Фото 4.5. Гладкий алюминиевый ротор молекулярного насоса Клода и два статора с канавками в натуре*

Фото 4.6. Молекулярный насос Клода в сборе. Ротор — конический, Ø 60 мм, для облегчения веса и работы подшипников выполнен из алюминия. Размеры насоса без патрубков — диаметр 100 мм, высота 150 мм. Насос питается от трёхфазного генератора частотой 400 Гц, с фазовым сдвигом 3х120º, работающего на усилители TDA2003. Выходное сопротивление усилителей согласуется с обмотками мотора трансформаторами на крупных ферритовых кольцах. Мотор насоса набирает положенные 24 тыс. об/мин за 2 минуты. Предварительное разрежение, требующееся молекулярному насосу — около 1 Торр, в откачиваемом объёме около 100 см3 он создаёт вакуум до 7.5 * 10^-6 Торр

5. Итого

Подытожим: вакуумная система Клода, редкий случай! — полностью самодельная, и «маломасляная» — с уменьшенным проникновением рабочего тела — вакуумного масла из обычных диффузионных насосов, в откачиваемый объём без специальных вымораживающих (жидким азотом) ловушек. Форвакуумный агрегат автоматизирован и имеет ёмкость-ресивер, что позволяет работать низковакуумным насосам без присмотра, и в основном сравнительно малое начальное время откачки, а это уменьшенный износ механизмов, меньше шума и выбросов масляного тумана в помещение.

Фото 5.1. Откачной пост Клода (высоковакуумная часть), где: 1 — молекулярный насос; 2 — откачиваемый триод; 3 — створчатая печь для прогрева (обезгаживания) стекла во время откачки; 4 — генератор установки токов высокой частоты (ТВЧ) для прогрева анода триода при откачке

Несмотря на высокую точность механических работ и невозможность балансировки ротора молекулярного насоса в сборе, такой прибор самостоятельно спроектирован и изготовлен коллегой-любителем и успешно работает — у Клода есть соответствующие знания и навыки, доступ к металлообрабатывающему оборудованию и умение в полной мере им пользоваться. Более того, очевидно, точная механика своими руками — конёк Клода, наши ему аплодисменты.

*Фото 5.2. Заключительный этап откачки — прогрев вольфрамовой нити накала прямонакального триода*

Тем не менее — молекулярный насос даёт разрежение существенно ниже его потомков — насосов турбомолекулярных, устроенных сложнее. Полученный при откачке высокий вакуум после отпайки лампы доводится до сверхвысокого обычным способом — распылением геттера.

6. Дополнительные материалы

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, ноябрь, 2025 г.

Кустарные вакуумные триоды Клода Пайяра. Часть 4. Вакуумные насосы