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Das Prinzip der Molekularpumpe beruht darauf, dass die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen durch Zusammenstöße mit den schnell bewegten Flächen eines Rotors einen Impuls in Förderrichtung erhalten. Jede Stufe einer Turbomolekularpumpe besteht aus einem Schaufelringpaar, d.h. einem Stator und einem Rotor, die auf ihrem Umfang mit Schaufeln bestückt sind. Die gesamte Pumpe besteht aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Stufe. Das abzupumpende Gas gelangt durch die Öffnung des Ansaugflansches direkt in die obersten Saugstufen, die mit langen Schaufeln ausgerüstet sind, um so eine möglichst große aktive Fläche zu bilden. Das in diesen Stufen eingefangene Gas wird in den etwas weiter unten liegenden mit kürzeren Schaufeln versehenen Kompressionsstufen auf den Vorvakuumdruck verdichtet. Das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe ist über den gesamten Druckarbeitsbereich konstant. Es nimmt bei Ansaugdrücken, die höher sind als 1 Pa (10-2 mbar) ab, da in diesem Druckbereich die Pumpe nicht mehr im molekularen, sondern im viskosen Strömungsbereich arbeitet.
Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe
Die Kompression der Turbomolekularpumpe ist für schwere Moleküle besonders hoch, für leichte Moleküle dagegen erheblich niedriger. So besteht das Restgas einer Turbomolekularpumpe zu 80 – 90% aus H2. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die H2-Moleküle auf Grund ihres geringeren Gewichts wesentlich höhere Geschwindigkeiten aufweisen als schwerere Moleküle. Daher kann es bei besonders leichten Molekülen im Ultrahochvakuumbereich dazu kommen, dass sie eine höhere Geschwindigkeit als die Rotorschaufeln besitzen und daher nicht mehr von diesen erfasst werden können. Je nach Bauweise unterscheidet man zwischen ein- und zweiflutigen TMP. Die Drehzahl der Rotoren liegt in der Größenordnung von einigen 10.000 bis zu 100.000 U/min-1 (Umdrehungen pro Minute. Die Pumpleistung variiert je nach Typ von drei bis zu mehreren tausend Litern pro Sekunde. Turbomolekularpumpen betreibt man mit einer vorgeschalteten Vorvakuumpumpe, da die Pumpe sich sonst wegen der Luftreibung zu stark erhitzen würde.
Mit einer Turbomolekularpumpe kann ein Enddruck von ca. 10-3 Pa (10-5 mbar) erreicht werden.