真空科学技术-分子泵

1、现代真空科学技术-分子泵随着科学技术的不断开展，新型功能材料的不断崛起，科学研究领域的不断深入，我们的实验对真空系统提出了新的要求。特别是科学研究对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空系统的要求。分析泵应时而生，它以高的抽速比，高压缩以及清洁无油污的特点而深受实验室的欢送，从而迅速并且广泛的应用于真空科学系统中。一 分子泵的开展1912年德国W.Gaede创造分子泵至今已快近一个世纪了。但在1970年以前，分子泵的应用还仅限于核物理、电真空、外表科学等研究领域。直至近20年来，由于半导体产业的兴起和薄膜工业的开展，分子泵又开始被人们所重视，并

2、得到了兴旺和兴旺。初期的分子泵的结构简单，它的转子直径为Á50mm，厚度约为20mm，转子上切有8个尺寸不同的槽。其转速为12000r/min。前级压力为1300Pa时极限压力为4×10-3Pa，其抽速约为1.5L/s。这种泵在美国曾用于电子管的排气，但由于故障多，在1915年W.Gaede自已开发的水银扩散泵所代替。1923年F.Holweck开发一种筒型的分子泵。其转子直径为Á150mm，长为230mm，转子的转速为30004500r/min。转子与泵体之间的间隙为0.0250.050mm。出口压力为2700Pa时极限压力为1.3×10-3Pa，抽速

3、为4.58L/s。曾用于海军通讯三极管的排气，也用于真空分析仪器、电子显微镜和阴极射线管等。上述分子泵均属于牵引式分子泵，其缺点是体积大抽速小，间隙小，故障多。而1958年德国PFEIFFER公司在第一次国际真空会议上首先提出了一种名叫涡轮分子泵的新型分子泵。这种泵的结构为卧式的，被抽气体由泵体中央的吸气口进入，经过泵内的动、静叶轮交替排列的抽气通道流至轴向两侧，气体被叶轮压缩后由排气口排出。转子直径为Á170mm，由19级叶轮组成。转速为16000r/min，抽速为140L/s。1971年日本理化研究所与大阪真空公司合作成功研制出立式涡轮分子泵，该设备有12.5级叶轮(动叶轮13、

4、静叶轮12)，转子直径为Á300mm，转速为12000r/min。其抽速最高可达为25000L/s的TH-25000大型泵为物理学、核聚变实验、外表科学等研究部门所广泛应用。为了使泵能在高压区域保持有较高的抽气性能， 1980年人们在原有的涡轮分子泵的高压侧配置了螺旋槽式的牵引分子泵，将两种泵的抽气单元串联组成一个整体，形成了一种宽域型的复合式分子泵。至此开启了分子的新时代，随后陶瓷分子泵，低温型涡轮分子泵，极高真空涡轮分子甭应运而生。极大的满足了各个科研对的真空系统的要求，促进了研究的深入。二 分子泵的结构及工作原理现在我们所用的分子泵多为涡轮分子泵。它是由德国Gaede式分子泵的

5、根底上衍变而成的根本结构。近10年来，由于轴承和高速旋转技术以及数控加工工艺的不断开展，使涡轮分子泵取得了长足的进步。抽速从soL/s到40000L/s的各种类型的涡轮分子泵已研制成功并用于生产。现代的分子泵具有一下的优点：1 可连续排气2 容易获得清洁的超高真空3 悲愁气体的种类对泵的抽气速率影响不大4 操作与保养简便，维修周期长5 启动，停车时间短6 振动小，噪音低因而在半导体制造设备及理化仪器为主要应用对象之外，现在的涡分子泵作为清洁超高真空的获得手段已普及到各个应用领域。分子泵主要由带有进气口法兰的泵壳；包括动叶轮和静叶轮的涡轮排；由中频电动机和润滑油循环系统构成的驱动装置以及底座组成

6、。其结构如图1 所示：图1. 立式涡轮分子泵的结构由于单个叶轮的压缩比很小，因此涡轮分子泵一般由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸根本相同，但叶片倾斜角相反。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。工作时静叶轮(图2)外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙，动叶轮图2在静叶轮间高速旋转。由于动叶轮所具有的几何形状图3，高速旋转时其两侧的气体分子呈漫散射状态。在叶轮左侧(图3a)，当气体分子到达A点附近时，在角度1内反射的气体分子回到左侧；在角度1内反射的气体分子一局部回到左侧，另一局部穿过叶片到达右侧；在角度1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶

7、轮右侧(图3b)，当气体分子入射到B点附近时，在2角度内反射的气体分子将返回右侧；在2角度内反射的气体分子一局部到达左侧，另一局部返回右侧；在2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。资料个人收集整理，勿做商业用途 图3 动叶轮工作示意图图2 动，静叶轮 分子泵中有很多动叶轮和静叶轮交替排列，每一个动叶轮和静叶轮组成了一个工作单元使分子从左向右流动，而下一组动叶轮和静叶轮工作那么是在前一级的抽气根底上工作，这使得分子泵的压缩比逐级放大。因而分子泵的

8、压缩比为各级叶轮的乘积。考虑到叶轮的几何形状，转速与管道对气体的流导作用的影响，泵的抽气速率S可以表示为：S1=S0HmaxAS=CS1 /C+S1 升/秒其中： S0 为最大理论抽速 A为叶轮的总吸气面积 Hmax 为叶轮的何氏系数 C为管道对气体的流导作用分析可知，分子泵的抽速主要与转速有关，转速越大，那么抽气速率越大。现在的分子泵在工作时，其转速可达10000-60000 转/分。图4 分子泵抽速与转速的关系而压缩比那么主要受转速和被抽气体分子量影响，图5 曲线反响了影响压缩比的因素和它们之间的关系。图5 (a)压缩比/转速曲线 (b)压缩比/分子量曲线可见压缩比随转速的增大而增大，与相

9、对分子量的平方根成约正比关系。三 分子泵的未来与展望由于分子泵有这众多的优点和广泛的应用，因而分子泵的使用寿命那么显得尤为重要。科学家们也从各个方面对分子泵加以改良以提高其适用不同环境的能力和使用的寿命。高速旋转的分子泵使用寿命很大程度受其内部轴承影响，轴承的失效和润滑油的变质很容易影响分子泵的使用。经过科学家的反复尝试，先后用磁悬浮式轴承代替了原本的球型轴承，由于这种轴承不用润滑油，可实现全无油型干式真空泵，其次这种轴承无滑动局部，无磨损和摩擦损耗，可以实现高转速，轴承寿命长，一般无需保养且振动和噪音非常低，而且泵的安装姿势可以是任意的，该轴承局部只需充满保护性气体即可。由于磁悬浮轴承的优点

10、和泵本身抽气性能的优良，使磁悬浮型涡轮分子泵在半导体制造设备和各种理化仪器上得到广泛应用。而热核反响装置上使用的涡轮分子泵常采用气体静压轴承。因为在这种装置上采用油润滑的轴承，氖会引起油变质，假设用磁悬浮轴承，在有强磁场存在的环境里，维持涡轮分子泵稳定运行是不可能的。涡轮分子泵在强磁场环境中运行，泵的转子会因涡流而发热并引起转速下降。为了防止这些问题的发生，转子可用陶瓷材料制作，采用不受磁场干扰的气体静压轴承系统和气体涡轮驱动系统，这种真空泵很可能成为下一个世纪有希望开展的技术。现在分子泵也经常将其组合使用形成组合型轴承，应用于不同的使用环境中。另一个改良方向那么是大流量宽域型的复合式分子泵。

11、这种泵吸气侧首先设置56级轴流式涡轮叶片抽气级,接着是螺旋槽式抽气级,在圆筒体外表上开螺旋形抽气槽(或多级圆盘形抽气槽),这两段抽气级用铝合金材料加工成整体转子。这种涡轮转子是把在分子流范围有较高抽气效率的涡轮叶片和在过渡流和粘滞流范围有较好排气效果的螺旋槽转子相组合起来,使这种复合式分子泵的工作压力范围向高压力侧伸展。这种泵有如下特点:(1) 在几百帕的出口压力下,泵仍有很高的压缩比,有的泵出口压力可到达1护帕,直排大气亦能正常工作。(2) 大量气体流过这种泵时,泵吸气压力仍能保持很低。第一个特点,由于泵的出口压力增高,可使前级泵的容量减小,价格廉价,占地面积小。而在刻蚀和CVD装置上的排气

12、系统,要求低压下有大的流量,正符合这种泵的第二个特点。最近5年来这种泵得到快速地开展。随着轴流式涡轮叶片级数的减少,比普通的涡轮分子泵的体积缩小了,但对轻气体的压缩比降低了,极限压力也有些升高。目前的复合式分子泵最典型的结构是将涡轮分子泵和螺旋槽式真空泵实现一体化,从而得到了与常规的涡轮分子泵不同的抽气性能。近来这种复合式分子泵得到了越来越多的推广和应用。分子泵，以其众多的有点而广泛应用与真空系统之中，然而它仍有很大的改良空间。相信在不久的将来，会有更加新型，具有更多优良性能的分子泵应用与现代的高真空科学系统之中。参考文献：1 杨乃恒，巴德顿.如何选择和使用分子泵J.辽宁.东北大学学报.2021.03，47(2): 53-572 王晓东，杨乃恒，于志明.分子泵的世纪回忆与展望J.辽宁.东