分子ドラッグポンプ

分子ドラッグポンプは、回転面に対する空気分子の抗力を利用する真空ポンプの一種です。^[1]最も一般的なサブタイプはホルウェックポンプで、らせん状の溝が付いた回転シリンダーが含まれており、ポンプの高真空側から低真空側へガスを導きます。^[2]古いゲーデポンプの設計も同様ですが、排気速度の点で不利なためあまり一般的ではありません。^[3]一般に、分子ドラッグポンプは重いガスに対してより効率的であるため、分子ドラッグポンプを実行した後に残る残留ガスの大部分は、より軽いガス（水素、重水素、ヘリウム）で構成されます。^[4]

1950 年代に発明されたターボ分子ポンプは、同様の動作に基づくより高度なバージョンであり、ホルウェックポンプは、その補助ポンプとしてよく使用されます。ホルウェックポンプは、1 × 10 ⁻⁸ mmHg (1.3 × 10 ⁻⁶ Pa) という低い真空を生成できます。

歴史

ゲーデ

最も初期の分子ドラッグポンプは、1905年にポンプのアイデアを思いついたヴォルフガング・ゲーデによって作られ、彼は数年をかけてライボルトとやり取りしながら実用的な装置を作ろうとした。^{[5]期待に応える最初のプロトタイプ装置は1910年に完成し、}mbar未満の圧力を達成した。^[6] 1912年までに12個のポンプが作られ、そのコンセプトは同年9月16日にミュンスターで開催された物理学会の会議で発表され、概ね好評を博した。^[5] $10^{-6}$

ゲーデはこの分子ポンプの原理に関する論文をいくつか発表し、^[7]^[8]、設計の特許を取得しました。^[9]動作原理は、チャンバー内のガスが高速回転するシリンダーの片側にさらされることです。ガスと回転するシリンダーの衝突により、ガス分子はシリンダーの表面と同じ方向に運動量を与え、シリンダーは真空チャンバーから離れてフォアラインに向かうように設計されています。分子ポンプが機能するには、内部のガスが自由分子流になるほど低い圧力で動作する必要があるため、フォアライン（分子ポンプの出力）の圧力を下げるために別のバックアップポンプが使用されます。ポンプの重要な指標の1つは圧縮比です。これは、真空の圧力と出口の圧力の比であり、さまざまな圧力にわたってほぼ一定ですが、個々のガスによって異なります。^[10] $K$ $P_{vac}$ $P_{fore}$

{\frac {P_{fore}}{P_{vac}}}=K

圧縮比は、回転面との衝突による流れと逆方向の拡散速度を計算することで、気体の運動論を使用して推定できます。 ^{[11]軽いガスの}熱速度は高く、回転シリンダーの速度はこれらのより速く移動する軽いガスにあまり影響を与えないため、圧縮比は重い分子の方が良くなる傾向があります。

この「ゲーデ分子ポンプ」は真空計をテストする初期の実験で使用されました。^[12]

ホルウェック

改良されたホルウェック設計は、1920年代初頭にフェルナン・ホルウェック^[13]^[14]が軟X線の研究のための装置の一部として発明した。フランスの科学機器メーカー、シャルル・ボードゥアンが製造した。^[15]彼は1925年にこの装置の特許を申請した。^[16]ゲーデポンプとの主な違いは、回転シリンダーまたは静的ハウジングに螺旋が追加されていることである。ホルウェックポンプは理論的に頻繁にモデル化されている。^[2]^[17]^[18]ホルウェックの同級生で共同研究者のH.ゴンデは、後にこの設計に他の改良を提案した。^[5]^[19]

ジークバーン

もう一つの設計はマンネ・ジークバーンによるものでした。^[20]彼は1926年に使用されたポンプを製作しました。 ^[21]ジークバーンのポンプは1926年から1940年にかけて約50台が作られました。 ^{[5]これらのポンプは一般に同等の拡散ポンプよりも低速であったため、}ウプサラ大学以外では珍しいものでした。ジークバーン型のより大きく高速なポンプは、サイクロトロンで使用するために1940年頃に作られ始めました。^[22] 1943年、ジークバーンは回転ディスクをベースにしたこれらのポンプに関する論文を発表しました。^[23]

ターボ分子ポンプでの使用

ゲーデ、ホルベック、ジークバーンの分子ドラッグポンプは機能的な設計ではあるが、スタンドアロンポンプとしては比較的珍しいままである。1つの問題はポンプ速度であり、拡散ポンプなどの代替手段の方がはるかに高速である。2つ目に、これらのポンプの大きな問題は信頼性である。可動部品間の隙間が数十マイクロメートルであるため、ほこりや温度変化によって部品が接触し、ポンプが故障する恐れがある。^[24]

ターボ分子ポンプは、これらの欠点の多くを克服しました。多くの最新のターボ分子ポンプには分子ドラッグステージが組み込まれており、より高いフォアライン圧力で動作できます。

ターボ分子ポンプのステージとして最も広く使用されている設計は、ゲーデ設計よりも大幅に高い排気速度のため、ホルベック型です。ゲーデ設計は低速ですが、同じ圧縮比でより高い入口圧力に耐えることができ、ホルベック型よりもコンパクトであるという利点があります。^[3]ゲーデ設計とホルベック設計の方がはるかに広く使用されていますが、ホルベックステージと比較して大幅にコンパクトな設計のため、ジークバーン型設計の研究が続けられています。^[25]

参照

シュプレンゲルポンプ

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さらに読む

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