M C L CỤ ỤTóm tắt.................................................................................................................................4

I-GIỚI THIỆU.....................................................................................................................5

1/Lịch sử hình thành và phát triển....................................................................................5

2/Giới hạn hoạt động........................................................................................................6

II-CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG.............................................................7

III-CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BƠM..................................................................11

1/Áp suất tới hạn............................................................................................................11

2/Vận tốc hút..................................................................................................................13

3/Chọn bơm chân không ban đầu cho bơm khuếch tán.................................................14

IV-DẦU CHÂN KHÔNG SỬ DỤNG TRONG BƠM KHUẾCH TÁN...........................15

1/Sự thay thế của thuỷ ngân bằng dầu chân không trong DP.........................................15

2/Các loại dầu chân không.............................................................................................16

V-ỨNG DỤNG CỦA BƠM KHUẾCH TÁN...................................................................18

1/So sánh với các loại bơm khác....................................................................................18

2/Các ứng dụng của bơm khuếch tán.............................................................................20

3/Ứng dụng bơm khuếch tán trong công nghệ màng mỏng...........................................21

VI-KẾT LUẬN..................................................................................................................21

VII-TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................22

DANH M C HÌNH NHỤ ẢHình 1. Những cái bơm khuếch tán đầu tiên của W.Gaede và I.Langmuir.........................5Hình 2. Các loại bơm khuếch tán được nghiên cứu phát minh về sau có sử dụng thuỷ ngân......................................................................................................................................6Hình 3. Bơm khuếch tán ngày nay sử dụng dầu chân không, số cấp nén lớn hơn 1...........6Hình 4. Giới hạn làm việc của các loại bơm........................................................................7Hình 5. Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán của I.Langmuir thế hệ đầu.....................................8Hình 6. Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán ngày nay với vỏ bọc kim loại, sử dụng dầu chân không...................................................................................................................................9Hình 7. Miêu tả sự va đập của các phân tử khí với dòng hơi thoát ra từ miệng................10Hình 8. Sự phân bố khối lượng riêng của khí ở trong bơm khuếch tán đo được bằng chân không ion kế......................................................................................................................10Hình 9. Mô hình giả thiết luồng hơi thoát ra theo dạng hình trụ.......................................11Hình 10. Năng suất của hệ bơm khuếch tán và bơm chân không quay dầu 1 bậc nén (1a) và 2 bậc nén (1b)................................................................................................................15Hình 11. Sản phẩm dầu khoáng dùng làm dầu chân không của hãng Leybold.................17Hình 12. Sản phẩm dầu silicone dùng làm dầu chân không của hãng Dow Corn.............17Hình 13. Sản phẩm Saltovac 5 của hãng SantoLubes có thành phần chủ yếu là các polyether............................................................................................................................18Hình 14. Ứng dụng của bơm khuếch tán...........................................................................20Hình 15. Sơ đồ hệ thống thiết bị tạo chân không của thiết bị phủ màng mỏng tại công ty II-VI của hãng Optorun.....................................................................................................21

DANH M C CÁC B NG BI UỤ Ả Ể

Bảng 1. Sự phụ thuộc của tỷ số vào loại khí và hơi sử dụng............12Bảng 2. Sự phụ thuộc của hệ số hiệu dụng màng chắn vào vận tốc hơi và khí cần hút. . .13Bảng 3. Một số loại dầu chân không thông dụng..............................................................18Bảng 4. Chi phí cho các hệ thống bơm chân không thông dụng nhằm tạo chân không cao và siêu cao..........................................................................................................................19

Tóm t tắBơm chân không là một trong những thiết bị quan trọng trong việc tạo ra chân không cao và siêu cao, là loại bơm thường được sử dụng nhất trong các lĩnh vực sản xuất có liên quan tới kỹ thuật chân không cao như công nghệ màng mỏng…Cấu tạo, nguyên lý làm việc cũng như các đặc trưng cơ bản cũng được xem xét tới trong báo cáo này. Vấn đề quan trọng nữa cần phải quan tâm đó là lưu chất làm việc trong bơm chân không, mô hình giả thiết và các công thức tính toán dựa trên kiến thức cơ bản về kỹ thuật chân không sẽ giải thích tại sao lại thay thế thuỷ ngân bằng dầu chân không, đồng thời một số loại dầu chân không trên thị trường hiện nay cũng được đem ra xem xét để có nhiều sự lựa chọn hơn. Thực tế hơn, một số giá cả chi phí được đưa ra mang tính chất tham khảo cho hệ thống chân không cao để cho thấy tại sao nói bơm khuếch tán có giá thành và chi phí thấp. Ở phần cuối, sẽ là giới thiệu sơ về hệ thống chân không trong công nghệ phủ màng mỏng quang học.

I-GI I THI UỚ Ệ

1/L ch s hình thành và phát tri nị ử ểBơm khuếch tán ( Diffusion Pump-DP) là phát minh của Wolfgang Gaede vào năm

1915 dựa trên nguyên tắc dòng khí ở chế độ chảy phân tử không thể khuếch tán qua dòng hơi mà bị cuốn theo dòng chảy của hơi đó. Tuy nhiên, mô hình bơm khuếch tán sử dụng hơi thuỷ ngân của Irving Langmuir vào năm 1916 thường được đem ra so sánh hơn là của Gaede. Một số tài liệu cho rằng Gaede và Langmuir phát minh ra DP độc lập nhau nhưng cũng có tài liệu cho rằng phát minh của Langmuir là sự cải tiến từ của Gaede.

a) Của Wolfgang Gaede b)Của Irving Langmuir

Hình 1. Những cái bơm khuếch tán đầu tiên của W.Gaede và I.Langmuir

Tiếp theo sau đó, bơm khuếch tán với lưu chất bên trong là thuỷ ngân được tiếp tục nghiên cứu và cải thiện, điển hình là bơm của Crawford, Ruggles và Kurth. Ngày nay, thuỷ ngân trong bơm khuếch tán được thay thế dần bằng một loại lưu chất khác. Với vỏ bọc thép, kích thước và cấu tạo của bơm cũng được thay đổi dần để đáp ứng nhu cầu sản xuất trong công nghiệp.

Hình 2. Các loại bơm khuếch tán được nghiên cứu phát minh về sau có sử dụng thuỷ ngân

a)Bơm Crawford có miệng loe và giải nhiệt bằng không khí b)Bơm của Ruggles và Kurth được cải tiến thành 2 tầng phun (2 cấp nén)

a)Mô hình bơm khuếch tán phục vụ giảng dạy tại đại học bang Arizona b)Bơm khuếch tán ngày nay sử dụng

Hình 3. Bơm khuếch tán ngày nay sử dụng dầu chân không, số cấp nén lớn hơn 1

2/Gi i h n ho t đ ngớ ạ ạ ộVới kỹ thuật chân không, thiết bị tạo chân không (bơm) được chia thành 5 loại:

-Bơm hoạt động dựa trên cơ sở định luật Boyle-Mariotte

-Bơm hoạt động dựa trên cơ sở ma sát nội trong 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 của DP là từ 10-1 cho tới 10-10 torr vì thế rất thích hợp để tạo chân không cao và chân không siêu cao. Cũng có thể thấy khoảng làm việc của DP rộng hơn so với các loại bơm ở cùng độ chân không như Cryopump, Suptter Ion Pump, Turbo Pump,…

Hình 4. Giới hạn làm việc của các loại bơm

II-C U T O VÀ NGUYÊN T C HO T Đ NGẤ Ạ Ắ Ạ ỘĐể giải thích nguyên lý hoạt động của bơm khuếch tán người ta thường dựa trên mô

hình của Langmuir từ đó suy ra nguyên tắc hoạt động của bơm khuếch tán ngày nay.

Hình 5. Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán của I.Langmuir thế hệ đầu

Dựa trên hình, nguyên lý hoạt động của bơm Langmuir như sau:

Một lượng thuỷ ngân nhất định nằm trong buồng đốt 1 bị bốc hơi do cấp nhiệt không ngừng. Hơi nóng bốc lên bay dọc theo 6 tới miệng phun 2 thì phun ra. Lớp cách nhiệt 6 được thiết kế với mục đích là để cố ngăn sự ngưng tụ của hơi thuỷ ngân trên suốt quãng đường đi, nghĩa là càng nhiều hơi ở miệng phun 2 càng tốt. Dòng hơi ở miệng phun 2 lao ra với tốc độ lớn va phải thành 3 và ngưng tụ chảy về buồng đốt 1. Các phân tử khí ở ngay miệng phun 2 bị lôi theo xuống tới vùng chân không sơ cấp 5 và bị hút ra ngoài. Sự giảm áp suất ở gần vòi phun 2 kéo theo sự di chuyển của các phân tử khí từ vùng muốn tạo chân không để đạt tới độ chân không mong muốn.

Các DP thế hệ sau được cải tiến bằng cách làm 1 miệng phun loe ra để tăng tốc độ của dòng khí, điển hình là bơm của Crawford. Năng suất của bơm cũng ngày càng được cải thiện dẫn tới sự ảnh hưởng của dòng hơi lưu chất tràn ngược vào buồng chân không là đáng kể. Vì thế ngay từ những DP thế hệ đầu tiên cũng đã phải cải tiến hệ thống bẫy không ngừng, nhờ vậy mà áp suất tới hạn giảm đi đáng kể. Ngay cả đối với DP có vỏ kim loại và sử dụng dầu chân không ngày nay, vai trò của các bẫy lạnh vẫn được đề cao nhằm tăng vùng hoạt động cho bơm khuếch tán.

Hình 6. Sơ đồ cấu tạo bơm khuếch tán ngày nay với vỏ bọc kim loại, sử dụng dầu chân không

Tương tự như vậy, về mặt cấu tạo thì bơm khuếch tán dầu ( Oil Diffusion Pump-ODP) cũng có cấu tạo như bơm khuếch tán sử dụng thuỷ ngân (Mercury Diffusion Pump-MDP) của Langmuir, tức là gồm các bộ phận chính như: buồng đốt 1, miệng phun 3, áo làm mát 4. Về cơ bản, MDP của Langmuir tốc độ phụt khí từ miệng phun không cao bằng của ODP, điều này là do ở ODP các khe ở miệng phun được thiết kế thành các miệng loe cho phép hơi phụt ra với vận tốc của siêu thanh.

Hình 7. Miêu tả sự va đập của các phân tử khí với dòng hơi thoát ra từ miệng

Điểm mấu chốt để bơm phân tử có thể hoạt động được chính là chân không không ban đầu, chính là lý do để dòng chảy của khí cần hút ở chế độ chảy phân tử. Ở chế độ đó, khi va chạm, phân tử khí sẽ không bị phản xạ lại ngay mà bị giữ lại một khoảng thời gian nhất định. Một vài phân tử khí va chạm với phân tử hơi, nhận động năng và chuyển động xuống phía dưới. Ngay tại bề mặt ngưng tụ, hơi ngưng tụ thành lỏng, còn các phân tử khí thì tiếp tục chuyển động xuống phía dưới cho tới khi được hút vào chân không sơ cấp.

Hình 8. Sự phân bố khối lượng riêng của khí ở trong bơm khuếch tán đo được bằng chân không ion kế

Dựa vào Hình 8, ta cũng thấy rằng phân bố áp suất ở dưới mỗi tầng ( mỗi cấp) ngày một tăng lên và đặc biệt những vùng nằm sát thành thiết bị là vùng có áp suất lớn nhất. Như vậy, các phân tử khí đi từ vùng có áp suất thấp sang áp suất cao được là do hơi đã truyền động năng cho khí. Vậy trong bơm khuếch tán, nhiệm vụ của hơi là truyền động năng cho khí, mục đích việc ngưng tụ hơi thành lỏng là để tách và thu hồi lưu chất, không phải là làm giảm áp suất tại thành để cho khí tự di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp.

Thiết kế của ODP trở nên phức tạp hơn MDP là vì thay đổi thuỷ ngân được thay bằng dầu khuếch tán. Bản thân thuỷ ngân là một lưu chất rất sạch khi vận hành với thiết bị thuỷ tinh do đó có thể sử dụng lại rất nhiều lần, còn dầu khuếch tán thì trái lại, có khả năng bị nhiễm bẩn cũng như hấp phụ các khí lạ. Do đó sau khi vận hành một thời gian, dầu khuếch tán trong buồng đốt 1 không còn đồng nhất nữa khiến cho có những thành phần trở nên khó hoặc dễ bay hơi hơn bình thường, bắt buộc buồng đốt 1 phải có cấu tạo đặc biệt sao cho các phần dầu dễ bay hơi nhất sẽ nằm ngoài cùng, nghĩa là sẽ tạo thành các tia khuếch tán ở tầng thấp, còn cấu tử khó bay hơi nhất sẽ nằm ở trong cùng, và khi bay hơi sẽ thoát ra ở tầng cao nhất. Bộ phận gia nhiệt 2 được cấu thành từ nhiều điện trở đun nóng nhờ nguồn điện.

III-CÁC Đ C TR NG C B N C A B MẶ Ư Ơ Ả Ủ Ơ

1/Áp su t t i h nấ ớ ạ

Hình 9. Mô hình giả thiết luồng hơi thoát ra theo dạng hình trụ

Để cho dễ tính toán, ta giả sử dòng hơi hình phễu có dạng hình trụ như Hình 9. 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 và p1.

Gọi vp là vận tốc của luồn hơi, lượng phân tử khí đi qua 1 đơn vị tiết diện hình trụ:

+theo sự chuyển động của các phân tử hơi:

+theo sự khuếch tán ngược lại do chênh lệch nồng độ:

Trong đó:

n là nồng độ của khí

là hằng số khuếch tán

M0,M0,p là phân tử lượng

T:nhiệt độ dòng khí (K)

d0,d0,p: kích thước hình học đặc trưng của phân tử khí và hơi

Khi cân bằng được thiết lập nghĩa là =0

Ta lại có p=nkT với k là hằng số Boltzmann

Suy ra:

Tỷ số được gọi là tỷ số nén, áp suất tới hạn .

Như vậy nếu vận tốc dòng hơi và quãng đường của luồn hơi là như nhau, việc chọn lưu chất làm việc trong DP sẽ quyết định hệ số khuếch tán D. Nếu thay D vào ta được áp suất

tới hạn . Tỷ số càng lớn thì áp suất tới hạn càng nhỏ. Trong cả 3 trường hợp khảo sát trong Bảng 1, đối với hỗn hợp không khí thì dầu Silicon cho độ chân không tới hạn bé nhất.

Bảng 1. Sự phụ thuộc của tỷ số vào loại khí và hơi sử dụng

Khí

HơiH2 Không khí CO2

Hg 1 4,5 6,5

Apiezon 2,5 10 15

Silicon 3 13 18

Thêm vào đó, dễ thấy rằng nếu L tăng lên thì tỷ số nén cũng tăng. Vì thế sau khi đã chọn được loại lưu chất thích hợp rồi, vấn đề chỉ còn là làm sao để tăng L lên thôi. Đôi khi người ta thiết kết phần thân trên hơi phình ra, nguyên do cũng là để nhằm mục đích đó. Thông thường với bơm cỡ trung, người ta sử dụng từ 3-4 cấp nén, đối với các bơm cỡ lớn, số cấp nén có thể lớn hơn 5.

2/V n t c hútậ ố

Gọi Q là năng suất bơm, ta có:

Trong đó: S0 là vận tốc của bơm chân không ban đầu

A0 là diện tích vành khuyên màn chắn

Vận tốc bơm của vành khuyên trong màng chắn:

Với ( là vận tốc trung bình số học của khí)

Đặt là hệ số hiệu dụng của màng chắn, khi đó

Hệ số hiệu dụng của màng chắn đặc trưng cho khả năng bắt chiếm phân tử khí của luồn hơi. Khi vận tốc dòng hơi là hằng số, khối lượng phân tử khí cần bơm càng lớn thì hệ số hiệu dụng của màng chắn cũng lớn theo.

Bảng 2. Sự phụ thuộc của hệ số hiệu dụng màng chắn vào vận tốc hơi và khí cần hút

Khí cần hút

v

m.sec-1

Vận tốc hơi v

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/Ch n b m chân không ban đ u cho b m khu ch tánọ ơ ầ ơ ếBản thân DP muốn hoạt động phải có một bơm chân không để tạo chân không sơ cấp.

Áp dụng phương trình lên tục:

Trong đó: p1,p2 là áp suất đầu vào của bơm chân không sơ cấp và bơm khuếch tán

S1,S2 lần lượt là tốc độ bơm của bơm chân không sơ cấp và bơm khuếch tán

Giả sử, p2=10-4torr, năng suất của bơm khuếch tán, năng suất của DP Q=2.10-2torr.l.s-1

(điểm A trên hình). Áp dụng phương trình liên tục nên ta giống ngang đường Q=2.10 -2

cắt đường 1a và 1b tại 2 điểm B’’ và C’’. Điểm B’’ có p<p0m tức là vẫn còn nằm trong giới hạn làm việc của bơm khuếch tán. Riêng C’’ có p nằm ngoài khoảng làm việc của bơm. Kết luận là trường hợp này không thể chọn bơm chân không sơ cấp là bơm quay dầu 1 bậc mà phải chọn bơm quay dầu 2 bậc.

Nếu như áp suất p2 tăng lên tới điểm A’ tức là lên tới 10-3torr, lúc này đường đẳng Q cắt đường cong 1a và 1b tại 2 điểm B’ và C’. Điểm C’ vẫn nằm ngoài vùng hoạt động của DP nghĩa là bơm chân không quay dầu 1 bậc vẫn không thể được dùng để tạo chân không ban đầu. Còn điểm B’ thì trở thành điểm nguy hiểm do vận hành ngay tại vị trí p0m, bởi vì chỉ cần vì một lý do nào đó mà có sự sụt giảm vận tốc bơm chân không sơ cấp cũng có thể làm đóng bơm khuếch tán.

Hình 10. Năng suất của hệ bơm khuếch tán và bơm chân không quay dầu 1 bậc nén (1a) và 2 bậc nén (1b)

IV-D U CHÂN KHÔNG S D NG TRONG B M KHU CH TÁNẦ Ử Ụ Ơ Ế

1/S thay th c a thu ngân b ng d u chân không trong DPự ế ủ ỷ ằ ầNhững thế hệ DP đầu tiên sử dụng thuỷ ngân làm lưu chất làm việc trong bơm khuếch

tán. Thuỷ ngân có 2 ưu điểm chính khi dùng trong DP:

+Thuỷ ngân là lưu chất làm việc rất sạch trong DP. Thuỷ ngân hạn chế hấp thụ các chất khí, ngay cả khi có tương tác hoá học với các chất như Oxygen trong không khí tạo Thuỷ ngân oxide thì chất này vẫn bị phân huỷ nhiệt để hoàn nguyên thuỷ ngân và tự nhả các cấu tử khí kia ra. Bản thân thuỷ ngân nguyên chất không bị phân huỷ nhiệt nên nhìn chung tính chất ổn định.

+Khả năng dẫn nhiệt tốt do đó buồng đốt của DP có thiết kế đơn giản.

Mặc dầu 2 ưu điểm đã kể trên, việc sử dụng thuỷ ngân làm lưu chất vẫn bộc lộ nhiều hạn chế:

+Khả năng tạo áp suất tới hạn không sâu. Áp suất hơi bão hoà của thuỷ ngân tại 20 oC là xắp xỉ 10-3torr. Trên thực tế nếu không có bẫy lạnh thì áp suất tới hạn của bơm loại này rất khó xuống dưới 10-5torr.

+Hơi thuỷ ngân rất độc. Bất kì sự rò rĩ nào cũng có thể gây ảnh hưởng rất xấu tới môi trường xung quanh.

+Thuỷ ngân dễ tạo hỗn hóng với các kim loại như Cu, Ni,…do đó nếu phát triển lên thành quy mô công nghiệp, các chi tiết bằng thép hợp kim sẽ không bền khi tiếp xúc với thuỷ ngân.

Sự xuất hiện của dầu chân không khắc phục được các nhược điểm mà thuỷ ngân gây nên do đó ngày nay được nghiên cứu rộng rãi, thích hợp cho quy mô công nghiệp.

2/Các lo i d u chân khôngạ ầKể từ sau thế chiến thứ 2, dầu chân không được bắt đầu nghiên cứu để thay thế dần

cho thuỷ ngân trong DP. Đa phần các loại dầu đều ít độc và một số loại cho phép ta giảm áp suất tới hạn xuống cỡ 10-10torr. Tuy nhiên do truyền nhiệt thấp nên bắt buộc cấu tạo buồng đốt phải phức tạp hơn so với khi dùng thuỷ ngân.

Yêu cầu đặt ra khi chọn dầu chân không để DP có thể hoạt động:

+Áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ thường phải rất bé còn ở nhiệt độ cao phải rất lớn. Điều này đảm bảo cho áp suất tới hạn nhỏ nhất có thể và khi bay hơi thì thuận lợi cho quá trình truyền động năng từ phân tử hơi tới các phân tử khí.

+Độ nhớt không cao. Khi dòng hơi chạm tới bề mặt ngưng tụ, một lớp màng lỏng sẽ xuất hiện và chảy về phía buồng đốt. Nếu độ nhớt quá cao, sự chảy bị chậm trễ và có thể dẫn đến sự thiếu hụt dầu chân không cho buồng đốt.

+Bền nhiệt và trơ về mặt hoá học. Càng bền nhiệt và càng ít phản ứng càng tốt, sẽ đảm bảo duy trì được chất lượng của dầu chân không. Tuy nhiên dầu chân không ít nhiều gì cũng phân huỷ một phần và cũng có thể tham gia các phản ứng hoá học. Để bảo vệ tuổi thọ của bơm thường dùng Ejector để loại bỏ những chất không mong muốn.

Trên thị trường hiện nay có nhiều nhóm dầu khác nhau:

+Dầu khoáng: là hỗn hợp các hydrocarbon thuộc họ parafin, napthten, không màu, không mùi và được chiết xuất từ các hỗn hợp có nguồn gốc khoáng, thường là dầu mỏ. Bản thân dầu khoáng là sản phẩm phụ trong quá trình lọc dầu thô để tạo thành các sản phẩm khác, do đó dầu khoáng là hỗn hợp nhiều cấu tử khác nhau. Vì có nguồn gốc dầu mỏ nên giá cả tương đối rẻ, bù lại do thiếu tính đồng nhất và kém ổn định nhiệt. Ngày nay các nhà sản xuất đã cố gắng tinh chế và cam kết dù không cho thêm chất phụ gia, dầu chân không có nguồn gốc khoáng vẫn thể hiện được tính ổn định nhiệt cao như các loại dầu chân không khác. Một vài loại điển hình như dầu chân không LVO 510 của hãng Leybold, tính chất được trình bày qua Hình 11.

Hình 11. Sản phẩm dầu khoáng dùng làm dầu chân không của hãng Leybold

+Dầu Silicone:bản chất là polysiloxane mạch dài, số mắc xích tuỳ thuộc vào hãng sản xuất. Đặc tính nổi bậc của dầu silicone là tính ổn định nhiệt và bôi trơn tốt.

Hình 12. Sản phẩm dầu silicone dùng làm dầu chân không của hãng Dow Corn

+Dầu ether:hay còn gọi là hỗn hợp các polyphenol. Cũng như dầu silicone, dầu ether có áp suất hơi bão hoà rất thấp (có thể đạt gần 10-10torr đối với Santovac 5 tại 27oC), dòng ngược ít, khả năng ăn mòn với kim loại làm DP là thấp và khá bền nhiệt (Santovac 5 phân huỷ ở 870oF). Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất là độ nhớt của dầu loại này thường rất cao, cao hơn hẳn so với dầu silicone, thường độ nhớt không nhỏ hơn 1000cS.

…

Hình 13. Sản phẩm Saltovac 5 của hãng SantoLubes có thành phần chủ yếu là các polyether

Bảng 3. Một số loại dầu chân không thông dụng

Nhận thấy trong Bảng 3, dầu Silicon DC-705 có áp suất hơi bão hoà tại 20oC là thấp nhất và đồng thời cũng là một trong những chất dẫn đầu về độ nhớt. Rõ ràng là áp suất hơi hơi bão hoà tỷ lệ với độ nhớt của một chất, vì thế rất khó để tìm ra loại dầu chân không thoả mãn tất cả những điều kiện đã nêu.

Hiển nhiên, dầu chân không, dù ít hay nhiều, cũng bị biến tính theo thời gian. Người ta thường phải trộn chung dầu chân không với các loại phụ gia để tăng tính bền cho dầu chân không. Ở công ty II-VI, người ta vận hành DP với chế độ 3 năm mới phải thay dầu chân không một lần, vì lúc đó chất lượng dầu đã giảm, làm tăng thời gian để đạt tới cùng độ chân không.

V- NG D NG C A B M KHU CH TÁNỨ Ụ Ủ Ơ Ế

1/So sánh v i các lo i b m khácớ ạ ơTrong nhóm bơm phân tử, đặc trưng nhất có 3 loại là bơm khuếch tán, bơm turbo và

bơm lạnh (Cryopump). Những ưu điểm cơ bản của bơm khuếch tán là:

+Khả năng tạo độ chân không cao: khả năng đạt được tới 10-10torr, tức là khả năng tạo chân không cao hơn bơm lạnh.

+Hoạt động rất êm: bản thân trong DP không hề có chi tiết chuyển động do đó DP là lựa chọn hoàn toàn thích hợp cho môi trường đòi hỏi sự yên lặng, tránh ô nhiễm tiếng ồn.

+Tốc độ bơm lớn, giá thành rẻ: ở cùng độ chân không và năng suất, DP thường rẻ hơn các loại bơm cùng loại. Dựa vào Bảng, có thể thấy ở cái giá từ $4000-$5000 thì DP cho tốc độ hút gấp khoảng 15 lần bơm Turbo và bơm Ion, trong khi đó nếu muốn tốc độ hút lên 3000L/s, nếu so sánh giữa việc dùng 2 bơm DP mắc thích hợp với việc dùng một bơm lạnh thì việc dùng DP vẫn rẻ hơn bơm lạnh ít nhất $1600.

Bảng 4. Chi phí cho các hệ thống bơm chân không thông dụng nhằm tạo chân không cao và siêu cao

Small Diffusion Pump SystemVarian SD541 Rotary Pump 450L/min,17cfm $3500Rotary Pump Oil Leskar TKO-19 VP 8.8x10-9torr,4L $15Varian VHS-6 Diffusion Pump 2400L/s $4000

Cryotrap $2400Hi-vac gate valve $3000Roughing valve $800

Diffusion pump oil DC 704 500mL work horse $103Fomblin Y06 500ml high oxygen

loads$138

Santovac-5 500ml oxidation resistant

$1632

Cryopump System, Helix TechnologyCryo-torr 10 3000L/s air $9555Compressor $10180Regenerator $1900

Thermometer $1300UHV(Ultra High Vacuum) System

Varian Vac-Sorb Sortionpump 76000torr-L $1000Varian Vac-Ion Plus-150

Ionpump 150L/s $4600Controller $3200

Varian TSP Titanium Sublimation

$3000

Controller $1600Varian V150HT Turbopump 130L/s $5300

Controller $2000Rotary Pump,SD-40 $1300

2/Các ng d ng c a b m khu ch tánứ ụ ủ ơ ếVì vùng hoạt động của bơm khuếch tán nằm trong khoảng từ 10-1-10-10torr tức là chân

không cao và siêu cao nên trong lĩnh vực công nghệ hoá học thường ít được sử dụng tới. Các ứng dụng chủ yếu là:

+Phục vụ nghiên cứu chân không

+Phục vụ nghiên cứu giảng dạy trong lĩnh vực vật lý phân tử

+Ứng dụng tạo chân không trong công nghệ sản xuất màng mỏng (thin film coating) dùng cho nghiên cứu và sản xuất.

Hình 14. Ứng dụng của bơm khuếch tán

a)Dùng trong công nghệ màng mỏng tại công ty II-VI b) Dùng trong nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên TpHCM

3/ ng d ng b m khu ch tán trong công ngh màng m ngỨ ụ ơ ế ệ ỏ

Hình 15. Sơ đồ hệ thống thiết bị tạo chân không của thiết bị phủ màng mỏng tại công ty II-VI của hãng Optorun

Đối với máy Coating của hãng Optorun ( Nhật Bản) đôi khi hệ thống tạo chân không đã trị giá hơn 1/3 tổng giá trị của hệ thống phủ màng mỏng quang học chân không. Người ta sử dụng bơm Root (Root Pump-RP) để làm nguồn tạo chân không sơ cấp cho khoang chứa (Chamber). Bình thường 2 bơm khuếch tán dùng trong hệ thống(DF1 và DF2) luôn ở trong tình trạng sẵn sàng hoạt động, nhiệt độ bên trong DF1 và DF2 xấp xỉ 190oC.

Quá trình vận hành như sau: Khi chưa hoạt hút chân không thì tất cả các valve đều đóng. Khi bắt đầu hút, đầu tiên valve SRV (Slow Rough Valve) thông giữa RP và Chamber sau đó đóng lại và mở tiếp RV (Roughvalve) tới khi áp suất trong Chamber đạt khoảng 10-3Pa thì bắt đầu đóng lại. Valve FV và MV được mở ra để thông 2 đầu của bơm khuếch tán với buồng cần hút chân không và vùng chân không sơ cấp. Kết thúc quá trình, các valve đóng theo thứ tự ngược lại và cuối cùng là các lổ thở DGV, SLV và LV ( các Leaking Valve khác nhau về kích thước) được mở lần lượt để đưa buồng chân không về lại áp suất khí quyển.

VI-K T LU NẾ ẬBơm khuếch tán là một thiết bị tạo chân không có vùng hoạt động rộng trong vùng

chân không cao và siêu cao (10-1-10-10torr). Nguyên tắc hoạt động của bơm khuếch tán dựa trên sự truyền động năng của các phân tử hơi truyền cho các phân tử khí, nhờ vào chế độ chảy phân tử của khí, do đó cần thiết có một bơm chân không sơ cấp ban đầu.

Các giả thiết thích hợp được đề ra để đơn giản hoá quá trình công thức hoá, bằng tính toán và thực nghiệm đã giải thích lý do tại sao khi thay thuỷ ngân bằng dầu chân không thì các tính chất đặc trưng của bơm khuếch tán như tỷ số nén, tốc độ hút lại tăng lên. Điển hình là tốc độ hút sẽ tăng lên 3 lần khi thay thuỷ ngân bằng dầu silisone nếu khí cần được hút là không khí, trên lý thuyết.

Trong thực tế có nhiều loại dầu chân không được sử dụng để thay thế thuỷ ngân, tuy nhiên dựa vào yêu cầu khắc khe về dầu chân không thì dầu silisone và dầu ether được dùng nhiều nhất. Điển hình là các loại dầu DC704 và Saltovac 5. Dầu khoáng ít được sử dụng hơn do kém bền mặt dù giá thành rẻ.

Ngày nay, bơm khuếch tán là lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực chân không cao vì có giá thành rẻ và tốc độ hút lớn hơn các loại bơm phân tử khác. Đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất màng mỏng, sự ổn định của chân không là vô cùng quan trọng, vì thế phải cân nhắc kỹ lưỡng khi chọn bơm sơ cấp thích hợp tuỳ vào năng suất máy.

Tóm lại, kể từ cái bơm khuếch tán đầu tiên của Gaede năm 1915 cho tới nay, đã có nhiều thay đổi, từ kích thước hình học cho tới lưu chất làm việc bên trong. Sự đổi mới này, hay nói đúng hơn là sự cải tiến không ngừng, đã giúp cho bơm khuếch tán trở thành lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực chân không cao. Ngoài mục đích nghiên cứu, bơm khuếch tán cũng thích hợp để đưa vào thực tế ứng dụng sản xuất trong những ngành công nghệ cao liên quan tới vật lý kỹ thuật phân tử. Mặc dù bơm khuếch tán không được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ hoá học, nhưng bài báo cáo này cũng đã mang lại một cái nhìn tổng quan về bơm khuếch tán, cho chúng ta sự hiểu biết thêm về loại bơm này, cũng như sự đóng góp của nó trong kỹ thuật chân không.

VII-TÀI LI U THAM KH OỆ Ả1.D.M.Hoffman, B.Singh, J.H.Thomas. Handbook of Vacuum Science and

Technology. Academic Press,1998, page 116-144.

2.Nguyễn Hữu Chí. Vật lý kỹ thuật chân không. NXB Đại học quốc gia TpHCM,2008, trang 158-173.

3.Nguyễn Thị Phượng Mai. Kỹ thuật chân không và công nghệ bề mặt. NXB Khoa học và kỹ thuật,2014, trang 66-75

4. P.A.Redhead. Histories of Vacuum Device. National Research Council. Canada