31.Metody otrzymywania i 

pomiaru próżni-

systematyka, porównanie

Alicja Wilczyńska

 

 

1.Wstęp

1.1 Próżnia – środowisko gazów rozrzedzonych 
wytworzone w sposób zamierzony lub występujące w 
sposób naturalny w górnych warstwach atmosfery.
1.2 Zalety próżni:
•Zmniejszone oddziaływanie gazów atmosferycznych na 
zachodzące procesy technologiczne(np. przy wyciąganiu 
płytek krzemowych)
•Możliwość wytworzenia strumieni nośników energii o 
dużej koncentracji(wiązki elektronowe – mikroskopy 
elektronowe; wiązki jonowe – implantacja 
półprzewodników)
•Materiał izolacyjny ( np. termos)
1.3Ciśnienie – parametr charakteryzujący stopień 
rozrzedzenia gazów













2

m

N

A

F

p

 

 

1.4 zakresy próżni
próżnia niska 

    10

2 

Pa p <ciśnienie 

atmosferyczne = 10

5

P

próżnia średnia           10

-1

Pa  p < 10

2 

Pa

próżnia wysoka          10

-6

Pa  p  < 10

-1

Pa

próżnia ultrawysoka   10

-10

Pa   p  < 10

-6

Pa

próżnia ekstremalna    p < 10

-10

Pa

 

 

Podczas pompowania ciśnienie w zbiorniku maleje, a 
odpompowany gaz przepływa do pompy poprzez 
przewód łączący o przewodności G. Ilość gazu jaka 
przepływa przez przewód w jednostce czasu to 
natężenie przepływu:
I=G(p

2

 – p

1

) – różnica ciśnień powoduje przepływ 

gazu.

Przepływ gazu ze zbiornika do pompy

 

 

Pompy pośrednie stosuje się aby szybkość 
pompowania nie była mała. 

 

 

2.Pompy próżniowe
2.1 Podział ze względu na uzyskiwaną próżnię 
końcową
Pompy próżni wstępnej
Pompy pośrednie
Pompy wysokiej próżni

•2.2 Podział ze względu na sposób pompowania
* Pompy przepompowujące gaz ( mają wlot i wylot)

•   

Pompy magazynujące gaz (mają tylko wlot)

2.3 Podział ze względu na zasadę działania
•Pompy 
mechaniczne(objętościowe,molekularne,turbomolekula
rne)
•Pompy strumieniowe(dyfuzyjne)
•Pompy sorpcyjne

 

 

3. Pompy mechaniczne
3.1Pompy objętościowe
- pompy próżni wstępnej, przepompowujące, 
mechaniczne

Zasada działania:
Po dołączeniu pierwszego zbiornika ilość gazu Q nie 
zmienia się , zmienia się objętość V. Ponieważ Q=Vp, to 

 

 

atm

k

z

k

atm

2

z

1

z

2

2

z

1

atm

z

1

1

z

atm

p

V

V

V

p

p

V

V

V

p

V

V

V

p

p

)

V

V

(

Vp

p

V

V

V

p

p

)

V

(V

Vp

















































 

 

3.2Pompy molekularne

Zasada działania:
Proces pompowania zachodzi w wyniku nadawania 
cząsteczkom pompowanego gazu pewnego momentu 
kierunkowego, przez szybko wirującą powierzchnię 
wirnika, w wyniku czego między wlotem a wylotem 
pompy ustala się pewna różnica ciśnień

 

 

3.3Pompy turbomolekularne

Zasada działania:Wewnątrz statora znajdują się 
dwa zespoły tarcz. W każdym z tych zespołów 
tarcze mocowane są na przemian do statora i 
wirnika pompy. Każda tarcza ma nacięcia 
wykonane wzdłuż promienia pod takim kątem, 
że poszczególne segmenty tworzą łopatki 
nachylone względem płaszczyzny tarczy. 

 

 

4.Pompy strumieniowe
4.1Pompy dyfuzyjne

Zbiornik pompy wypełniony jest rtęcią lub olejem i 
podgrzewany oporowo za pomocą spirali 
grzejnej.Wytworzony strumień pary doprowadza się 
do dyszy, która kieruje go  na wewnętrzne ścianki 
korpusu pompy spełniające rolę 
kondensora(chłodzony wodą lub powietrzem).Między 
dyszą a kondensorem strumień par tworzy przesłonę 
pompującą.

 

 

O efekcie pompowania 

decydują:

Dyfuzja gazu w obszar 

strumienia par

 uzyskiwanie przez cząsteczki 

gazu pewnego 

ukierunkowanego pędu w 

wyniku zderzeń z 
cząsteczkami par

 

 

1.Pompa sublimacyjna
Rolę sorbentu(pochłaniacza) spełnia aktywna chemicznie warstwa
metaliczna nanoszona przez naparowywanie(najczęściej tytan,
rzadko molibden,cyrkon i tantal). Cząsteczki gazu padając na 

aktywną

powierzchnię tytanu zostają zaadsorbowane, a następnie przykryte
świeżą warstwą naparowywanego sorbentu. Pompowany gaz
zostaje trwale zmagazynowany(w wyniku reakcji chemicznych)
w objętości materiału pochłaniającego, a desorpcja gazu zachodzić 

może

jedynie na drodze jego dyfuzji z wnętrza materiału.

 

 

Współczynnik przylgnięcia zależy od:

•Rodzaju pompowanego gazu
•Materiału sorpcyjnego
•Stopnia pokrycia powierzchni
•Struktury i stanu powierzchni warstwy adsorbującej
Współczynnik ten jest znikomo mały dla gazów 
szlachetnych i dla metanu – te gazy nie są pompowane

Metan może powstać wewnątrz pompy w wyniku reakcji 
wodoru i węgla. Węgiel jest typowym 
zanieczyszczeniem tytanu. Duża zawartość węgla w Ti 
wpływa na próżnię końcową.
O trwałości pompy decyduje zapas Ti
Zastosowanie –jako pompa pomocnicza
Szybkość pompowania duża dla gazów aktywnych 
chemicznie.

 

 

Pompy jonowo-sorpcyjne

Pompa jonowo sorpcyjna z gorącą katodą jest pompą 
sublimacyjną wyposażoną dodatkowo w system 
elektrod służących do jonizacji pompowanego gazu.
Zjawiska jonizacji nie odgrywają większej roli w 
przypadku pompowania gazów aktywnych 
chemicznie, natomiast decydują o szybkości 
pompowania gazów szlachetnych.

Ciśnienia końcowe jakie można uzyskać za pomocą 
pomp jonowo-sorpcyjnych są rzędu 10

-7

 – 10

-8

Pa

Istnieje możliwość wystąpienia efektu tzw. 
„rozpylania gazowego”

 

 

Zasada działania pompy jonowo-sorpcyjnej:

Sublimator zawiera zapas tytanu, który odparowując osadza się na 
chłodzonych wodą ścianach korpusu tworząc lustro 
sorpcyjne.System elektrod: żarzona katoda i siatka. Emitowane z 
elektrody elektrony przyspieszane są w polu elektrycznym, 
wytworzonym miedzy elektrodą a siatką. Część przechodzi między 
zwojami i dostaje się w obszar pola hamującego między siatką a 
uziemionym korpusem . Elektrony wówczas zawracają w kierunku 
siatki.Wokół siatki tworzy się chmura oscylujących elektronów, 
które jonizują obojętne cząsteczki gazu. Powstałe jony kierowane 
są w kierunku korpusu pompy i wbijają się trwale w głąb 
naparowanej warstwy tytanu. Jony kierowane do katody są tam 
neutralizowane i powracają do obszaru jonizacji.  

 

 

Pompy kondensacyjne

Kondensacja- fizyczne wiązanie atomów lub cząsteczek 
na powierzchni, na której są już takie same cząsteczki. 
Pierwsza warstwa jest adsorbowana.
W pompach kriogenicznych wykorzystuje się efekt 
pompowania kriogenicznego, który zachodzi w wyniku 
kondensacji cząsteczek pompowanego gazu na 
powierzchniach ochłodzonych do bardzo niskich 
temperatur. Przy temperaturze ciekłego helu(4.2K) w 
objętości opróżnianej pozostaje jedynie hel i wodór.
O próżni końcowej decyduje temperatura kondensora i 
zawartość gazów nie ulegających kondensacji.

 

 

Porównanie pomp mechanicznych

Parametr

Objętościowa

Molekularna

turbomolekularna

Próżnia 

końcowa

Pompa próżni 

wstępnej

10

-4

Pa

10

-6

-10

-8

Pa

Próżnia 

wstępna na 

wylocie

-

+

+

Molekularny 

przepływ 

gazu

-

+

+

Przepływ 

gazu w 

pompie

Wlot-komora-

wylot

Wlot-kanał-

wylot

Wlot w centralnej 

części pompy-w 

kierunku obszarów 

peryferyjnych, które 

połączone są 

wzajemnie kanałem 

wylotowym

Sposób 

pompowania

Pompa 

przepompowuj

ąca

Pompa 

przepompowuj

ąca

Pompa 

przepompowująca

Szybkość 

pompowania

8-200m

3

/h

1,5-80l/s

50-900l/s

Szybkość 

obrotów

1500obr/min

8*10

3

-

20*10

3

obr/min

20*10

3

 – 

90*10

3

obr/min

 

 

Porównanie pomp

Parametr

Dyfuzyjna

Sublimacyj
na

jonowo-
sorpcyjna

Kriosorpcyj
na

Próżnia 

końcowa

10

-5

-10

-6

Pa

<10

-8

10

-7 

– 10

-8

Szybkość 
pompowani
a

12-
60000l/s

Bardzo 
duża dla 
gazów 

aktywnych 
chemicznie

12-1000l/s

350-60000

Sposób 
pompowani

a

przepompo
wująca

Magazynuj
ąca

Magazynuj
ąca

magazyują
ca

Wymóg 

próżni 
wstępnej

P<10Pa

P<10

-2

P<10

-2

Pa

Rodzaj 
pompowan
ego gazu

Wszystkie

Nie 
pompuje 
gazów 

szlachetny
ch i  
metanu

wszystkie

 

 

Klasyfikacja próżniomierzy ze względu na sposób 
działania:

•Cieplnoprzewodnościowe
•Oporowe
•Jonizacyjne z gorącymi katodami

Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe
Próżniomierz składa się z głowicy pomiarowej oraz z 
układu zasilająco pomiarowego. Wewnątrz głowicy 
dołączonej do obszaru o ciśnieniu p

x 

znajduje się element 

podgrzewany oporowo do pewnej temperatury. 
Temperatura tego elementu zależy od parametrów 
zasilania i od warunków chłodzenia. Ciepło może być 
odprowadzane przez promieniowanie q

R

, przewodnictwo 

cieplne gazu q

c

 oraz przez przewodnictwo cieplne 

zamocowań elementu q

p

Q

el

= q

R

 + q

c

 + q

p

Przy założeniu, że q

p

 nie zależy od ciśnienia gazu 

wyróżniamy tzry warianty zasilania elementu grzejnego

 

 

Metoda stałej mocy zasilania

Jeżeli do elementu grzejnego doprowadzana jest zawsze 
stała moc, a temperatura osłony nie ulega zmianie, to 
wzrostowi ciśnienia wzrostowi ciśnienia gazu towarzyszy 
spadek temperatury elementu grzejnego. Na podstawie 
pomiaru temperatury tego elementu wnioskujemy o 
wartości ciśnienia p

x

.

Metoda stałej temperatury
Jeśli element grzejny utrzymywany jest w stałej 
temperaturze, to wraz ze wzrostem ciśnienia i 
zwiększeniem ilości ciepła odprowadzanego przez 
przewodnictwo cieplne gazu wzrosnąć musi moc 
dostarczana do elementu. Mierząc moc wnioskujemy o 
ciśnieniu p

x

Metoda stałych parametrów zasilania
Stosuje się stałe napięcie zasilania elementu bądź stałe 
natężenie prądu przepływającego przez ten element. 
Zmiana ciśnienia powoduje zmianę mocy doprowadzanej 
i zmianę temperatury elementu grzejnego.
W praktyce najwygodniejsza jest trzecia metoda

 

 

Próżniomierze oporowe
Włókno oporowe zamocowane wewnątrz głowicy 
pomiarowej, włączone jest do jednego z ramion mostka 
oporowego. Mostek zasilany jest napięciem stałym. 
Głowicę odpompowuje się do ciśnienia znacznie niższego 
od dolnej granicy zakresu pomiarowego próżniomierza  i 
sprowadza się mostek do stanu równowagi poprzez 
regulację opornika R

1

, wówczas R

1

R

3

 = R

2

R

x

.  Następnie 

ciśnienie wewnatrz głowicy rośnie, rośnie ilość 
odprowadzanego  ciepła , maleje temperatura włókna a 
wraz z nią oporność R

x

 i równowaga mostka zostaje 

naruszona.
Metoda stałej temperatury
Mostek sprowadza się ponownie do stanu równowagi 
zwiększając napięcie tak aby R

x ,

w wyniku wzrostu 

doprowadzonej mocy , osiągnęła poprzednią wartość. Ze 
zmian napięcia wnioskujemy o ciśnieniu.
Metoda zasilania stałym napięciem
Miarą ciśnienia gazu w głowicy jest stopień 
rozrównoważenia mostka

 

 

Próżniomierze jonizacyjne z gorącymi katodami

Głowica próżniomierza to układ trójelektrodowy. 
Termoelektroda-źródło elektronów wykorzystywanych do 
jonizacji gazu. Elektroda dodatnio spolaryzowana – kolektor 
elektronów-służy do wytworzenia pola elektrycznego,w którym 
elektrony uzyskują energię niezbędną do jonizacji gazu. 
Elektroda ujemnie spolaryzowana – kolektor jonów-służy do 
przechwytu jonów z obszaru jonizacji.
Przy założeniu,że prąd kolektora jonów jest prądem 
jonowym(od ciśnień>10

-5

), a prąd kolektora elektronów jest 

prądem elektronów emitowanych z katody
Natężenie prądu kolektora jonów jest proporcjonalne zarówno 
do ciśnienia gazu jak i do wartości prądu elektronowego.