Chapter 2 真空泵

1、第二章 真空科学与技术 本课程仅介绍与质谱仪器相关的真空科学与技术，真空系统设计原理等。本章内容1，质谱仪器对真空的基本要求；2，真空简介；3，真空的获得与测量；4，真空泵的种类与原理；5，真空系统设计原理。主要参考资料1，真空设计手册真空设计手册著者 达道安国防工业出版社 20042，真空获得设备真空获得设备著者 杨乃恒冶金工业出版社 20013，真空工程技术真空工程技术著者 徐成海化学工业出版社 2006 一般质谱仪需具备以下组成部分:(1). 离子源: 用于产生样品离子。(2). 离子光学系统: 用于高效传输离子。(3). 离子质量分析器: 用于分离各种离子。(4). 离子探测器: 用于

2、检测离子信号。(5). 真空系统: 为上述各部分提供必要的工作环境。(6). 信号记录和处理系统，用于得到质谱图。质谱仪器简单分类1), 磁质谱；2), 四极杆质谱（QMS）；3), 四极离子阱质谱（ITMS）；4), 飞行时间质谱（TOFMS）；5), 富利叶变换-离子回旋共振（FTICR）质谱；6), 上述几种质谱仪组合而成的复合型质谱，如QqQ，Q-TOF， IT-TOF等。LCMS-IT-TOFMS 的基本结构图1，质谱仪器对真空的基本要求(1). 保证离子可以从离子源有效传输到离子质量分析器和探测器。(2). 保证质谱仪的各部分可以正常工作。(3). 各部分对真空度的要求不同。2，真

3、空简介 凡是气体压力小于一个标准大气压的状态都可以被称为是真空状态。 （1标准大气压（atm）= 760 Torr）真空分类：(1), 低真空：1atm10-3 Torr(2), 高真空： 10-3 10-8 Torr(3), 超高真空：10-8 10-12 Torr各种真空/压力单位换算表真空特点：(1), 较少的气体分子碰撞机会(2), 较少的残余气体成份因此，它可以使得：(1), 样品分子的传输更有效；(2), 较低的本底干扰；(3), 高压放电的机会降低。平均自由程(Mean Free Path)：分子发生两次碰撞之间的平均距离: =1/（21/2d2n）d 为分子直径，单位是cm，n

4、表示分子密度，单位是每立方厘米的分子数。对室温下的空气，有:MFP=5x10-3/Ptorr (cm)分子在不同压力下的部分特征压力（Torr）密度（分子/cm3) 平均自由程(cm) 760 2.49x1019 3.9x10-6 1 3.25x1016 5.1x10-3 1X10-3 3.25x1013 5.1 1X10-6 3.25x1010 5.1x103 1X10-9 3.25x107 5.1x106 1X10-12 3.25x104 5.1x1091 atm 下的干燥空气组成不同真空度下的主要气体成分压力（Torr） 主 要 成 分 760Wet Air（见上页） 10-3Water

5、 Vapor (75%95%) 10-6H2O, CO 10-9H2O, CO, N2, H2 10-10CO, H2 10-11H2质谱仪器各部分的真空状况：1)，大多数质谱仪器的工作状态为低、高真空条件；2)，离子源部分可为大气压或低真空；3)，离子传输部分可为低真空；4)，离子质量分析部分为高真空；5)，离子探测部分为高真空。3，真空的获得与测量；1)，真空的获得: 真空泵常用真空泵的分类与工作原理分类：机械泵（Mechanical Pump）扩散泵（Diffusion Pump）涡轮分子泵（Turbo-molecular Pump）离子泵（Ion Pump/Ti Sublimation

6、 Pump）冷凝泵（Cryo Pump）选择真空泵需要考虑的两个主要性能指标抽气速率抽气速率：L/S （升/秒）清洁度清洁度：使用真空泵油的情况，油蒸汽是否会对真空系统及实验结果造成污染？各种真空泵的抽气速率范围和所能达到的极限真空度 抽速(torr.L/s) 真空范围(torr)机械泵 100101 10010-4 扩散泵10110410-310-9 涡轮分子泵 100103 10-110-10离子泵 100102 10-310-11 冷凝泵102103 10-410-11 几种真空泵的特性2)，真空的测量：真空计热偶真空计：主要用于低真空度的测量测量范围：76010-3 Torr电离真空计

7、：主要用于高真空度的测量测量范围：10-4 10-13 Torr复合真空计：可以对从1atm直到10-13 Torr 范围内的真空度进行连续测量（价格较贵）。常用高真空泵的抽速体积比常用高真空泵的成本抽速比5，质谱仪器真空系统设计原理基本考虑：(1), 科学原则：其最终真空度符合各部分功能的需要；(2), 方便原则：操作，维护方便；(3), 经济原则：结构尽可能简单，造价尽可能低；(4), 习惯原则：照顾设计者和用户的习惯。质谱仪器各部分对真空度的基本要求(1), 离子源(2), 离子光学系统(3), 离子质量分析器(4), 离子探测器离子源：ESI (Electrospray Ionizat

8、ion)：大气压条件下 APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization):大气压条件下 EI (Electron Impact)：真空条件下CI：Chemical Ionization: 真空条件下离子光学系统四极离子导引 (Quadrupole Ion Guide): 10-2 Torr 10-4 Torr六极离子导引 (Hexapole Ion Guide): 10-2 Torr 10-8 Torr八极离子导引 (Octopole Ion Guide): 10-2 Torr 10-8 Torr光学离子透镜 (Einzel Lens)： 10-4

9、 Torr上述离子光学系统中，其中以Einzel Lens 和四极离子导引因为较简单而被广泛应用.离子质量分析器四极离子质量分析器：10-4 Torr 飞行时间离子质量分析器： 10-5 Torr 磁质谱仪离子质量分析器： 10-5 Torr 离子回旋共振质量分析器： 10-8 Torr 离子探测器对于离子探测器，其真空度必须保证离子探测器在其工作电压下(一般为一千至五千伏), 不会因为气体被击穿而放电。一般情况下，离子探测器正常工作所要求的真空度: 10-5 Torr 。但更高的真空度将有利于提高离子探测器的使用寿命。真空系统设计计算主要原则：(1), 根据所“装载”部件的大小来决定真空腔体

10、的大小；(2), 根据真空度的要求来选择真空管道的大小，和真空泵的抽速。此外，还需考虑经济性，和可获得性。问题：如何根据真空度的要求设计腔体和选择真空泵的规格？3D-Ion TrapElectrosprayQ0Q11.2 Torr (P1)7.0 mTorr (P2)0.75 mTorr (P3)IQ OrificeL1SamplingOrificeSkimmerCurtainPlateL2to pumpto pump气体流动状态分类粘性流 (Viscous Flow)：气体分子间距离很小，分子间以碰撞为主，气体流动过程主要通过动量传递，一般 P 0.1 Torr。分子流 (Molecular

11、 Flow)：气体分子间距离很大，分子与真空腔体的表面碰撞为主，气体流动过程主要为随机运动，一般 P 0.001 Torr。当真空系统的几何尺寸大于分子的平均自由程时，其内部的分子运动为分子流。介质流 (Transition Flow)：介于粘性流和分子流之间的状态。粘性流 (Viscous Flow)：平均自由程/真空腔体直径 0.01介质流 (Transition Flow)：0.01 平均自由程/真空腔体直径 1设计计算例题在ESI离子源部分，假定离子入口小孔的直径为0.1mm，需要多少抽速的真空泵才能使得其后真空腔的压力为 1 Torr （133 Pa）？ ESI(P1=760 tor

12、r)P2=1 torrPump设计计算方法系统气体压力：P=Q/SP：系统在达到平衡状态下的压力，Q：总的气体负载总量，包括样品进样量，真空系统漏气率，和真空系统中各种材料的总放气量，S：系统所用真空泵的抽气速率。P=Q/S：(1), 对于理想的封闭体系，即Q0，用很小抽速的泵即可获得很高的真空度。(2), 真空体系的负载，或进气量越大，所需泵的抽速也越大。流 导C=Q/（P1-P2） 或 Q=C（P1-P2）C：流导，单位：m3.s，Q：总的气体流量, Pa.m3.s-1P1,P2, 管道中的入口和出口压力，Pa ( 1 torr=133Pa )。P1P2Q流导的计算P 1P 2假定： (1

13、), P1P2; (2), 小孔为薄壁孔（即忽略壁厚度的影响），其小孔的直径为D，面积为 A；(3), r = P2/P1。粘性流 (Viscous Flow)时：r0.525 时： C=766r0.712sqr(1-r0.288)*A/(1-r) (m3/s)r 0.525 时: C=200r0.712*A/(1-r) (m3/s)r 0.1 时： C=200A (m3/s)当小孔为圆形时：r0.525 时： C=602r0.712sqr(1-r0.288)*D2/(1-r) (m3/s)r 0.525 时: C=157r0.712* D2 /(1-r) (m3/s)r 0.1 时： C=157D2 (m3/s)分子流 (Molecular Flow) 时：小孔时：C=116A (m3/s)圆孔： C=91D2(m3/s)圆管的流导：C=121 D3/L (m3/s)D，L分别为圆管的直径和长度。在ESI离子源部分，假定离子入口小孔的直径为0.1毫米，需要多少抽速的真空泵才能使得其后真空腔的压力为 1 Torr （133 Pa）？ ESI(P1=760 torr)P2=1 torrPumpQ=C（P1-P2）（1），Viscous Flow（2）