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1、真空物理与技术,第5章 真空获得（机械真空泵）,第5章 真空获得,真空泵概述 机械式真空泵 旋片泵 分子泵 罗茨泵 气流泵 扩散泵 俘获泵 吸附泵 低温泵 升华泵 离子泵,真空泵概述,什么是真空泵？,This is not a trivial question! 能对空间排气（减少气相分子数,产生低压空间）的设备 通过容积压缩排气 ( Bulk action) 机械压缩 动量传输( molecular action ) 分子直接碰撞 夹带：和其他分子碰撞 降低空间气体分子浓度: 气体分子储存在表面时间 实验时间 所有的真空泵都有一定的工作范围: 压强 气体种类,抽气原理,降低空间气体分子浓度（
2、钛泵、低温泵） 排出气体：旋片泵 定向运动：扩散泵、分子泵、罗茨泵 “气体二极管” 前进 反向 压力差 返流 （back through-put) 反扩散、脱附 真空泵：能够维持压力差的设备,按照抽气方式分类,压缩性真空泵：将气体由一方压缩到另一方 利用膨胀-压缩-排出原理：旋片泵 利用气体束流牵引作用：蒸汽流喷射泵 利用高速表面牵引分子作用：分子泵 吸附型真空泵：利用各种吸附作用将气体吸掉 利用电离吸气作用：离子泵 利用物理、化学吸附作用：吸附泵、低温泵、吸附剂泵,按照压强范围分类,粗真空泵: 大气压-10 - 3 torr 旋片泵 旋转柱塞泵 滑片泵 吸附泵 罗茨泵,高真空泵 10 - 3
3、 to 10 - n torr 扩散泵 低温泵 分子泵 离子泵,按照排气压强分类,排气压强：泵在此压强下可以排气 往大气排气的泵 前级泵 前级压强 旋片式机械泵 只往低于大气压的环境排气 系统粗抽 需要前级泵（串联） 扩散泵、分子泵、罗茨泵 束缚泵 不需要出气口,典型泵组,粗抽:机械泵 主泵:扩散泵 前级:机械泵,真空泵性能的基本参数,抽气速率S(抽速) 单位时间流入泵内的气体量Q=S.P S=Q/P 极限压强pu 经过足够长时间的抽气后，所能达到的最低平衡压强 最大工作压强 泵能正常工作的最高压强 使用范围 具有抽气能力的压强范围 排气压强 这一压强下,泵可以可以工作排气 超高真空泵参数 抽
4、气选择性、残余气体组分,抽速曲线,工作压强范围 抽速 极限压强 抽速与气体种类的关系,抽速S一般不是常数，随压强变化而变化,抽速范围,1. 单级旋片泵(无气镇) 2. 单级气镇泵 3.罗茨泵 4. 喷射泵 5.扩散泵 6.分子泵,真空泵的压强范围,抽气曲线,被抽容器中压强随时间变化曲线 不随时间变化的压强 就是极限压强 抽速大小由达到一定压强所需时间长短来估计 时间越短，抽速越大,真空系统时间常数,问题：S=60L/s的机械泵，对一个体积为10L的容器排气，是否经过10/60s，能将容器抽至P=0呢？ 即使是S=常数的理想真空泵，答案也是否定的 容器内压强P随抽气降低，同一体积（V）对应的气体
5、量（PV）越来越小 就气体量而言，抽气实际上越来越慢,时间常数越大，压强下降越慢，“惰性” 反映系统和泵的综合性能 时间常数就是压强值将为1/e所需时间 压强降低1个数量级需要2.303个时间常数,机械泵,早期机械泵,液体泵 利用液体压缩和排气,往复泵,斯普伦杰尔泵,水喷射泵,水环泵,旋转式真空泵,容积压缩泵 使用机械方法使一个工作室体积周期性的扩大和缩小达到抽气目的 旋片式 定片式 滑阀式,旋片泵,最常用的粗真空泵 皮带泵和直联泵 单级泵和双级泵 实际上就是一个小型旋转压缩机,旋片泵工作图,最大抽速,几何抽速,L：泵腔深度（摩擦力） L=0.5-2.0D1 否则电动机功耗太高 j：翼片伸缩频
6、率 一般j=450转/分 D2：不能太小，否则旋片泵的翼片容易断裂或密封不良,旋片式:D2=0.75-0.85D1 定片式:D2=0.80-0.90D1 滑阀式:D2=0.65-0.70D1,有害空间,理想抽速 理论上的极限压强 压缩比（排气口压强与进气口压强比） 机械泵油封,1. 有害空间 2. 定子 3. 转子 4.旋片,机械泵油,功能 润滑剂 密封剂 热传导/冷却 腐蚀防护 基本要求 化学稳定性 热稳定性 适当的润滑能力 适度的粘性 低饱和蒸汽压,矿物油 各种馏分混合 棕色 - 5/liter 白色 - 20/liter 氧化 合成泵油 炭氟化合物 惰性 500/liter,典型的直联式
7、旋片泵,电机和泵直接相连 j提高 1450转/分钟 7 cfm （cubic ft per minute） = 鞋盒尺寸 60 cfm = 中等大小的狗尺寸 Essentially all rotary vane pumps in research laboratories are now Direct Drive,双级旋片泵,两个串联压缩腔 更低的极限真空 10-4Torr 低返油,抽速曲线,压强较高时，抽速稳定 压强较低时，抽速显著下降 极限压强时，抽速为0,单级,双级,气镇,抽除冷凝蒸汽（如水蒸汽） 饱和蒸汽且温度较高-立刻凝结 蒸汽压缩-压强增大-凝结 凝结液体与泵油混合 低压侧蒸发，
8、限制极限压强 气镇阀 定时将一定量空气放入压缩区 压缩气体-蒸汽混合物 提前喷射,20C水蒸气 Pv=17.5Torr 60C水蒸气 Pv=149Torr 压缩比9:1,可抽除的蒸汽压,返油,油的返流 油蒸汽逆着气流的方向进入泵入口，并进入真空室 返油量随着真空度的降低而增加 最轻的馏分 防止返油 吸附阱 低返油的泵油（贵） 打开气镇,使用,启动泵 一定的转向和转速 冷却 关泵 回油 放气 电磁阀 Great for pumping on air 2X-2（2L/s） 1500 维护费用低 防止水汽、杂物(尤其腐蚀性物质)进入泵油,旋片泵小结,压强范围 大气压-10-3Torr 优点 可靠 价
9、廉 抽大气 缺点 噪音 脏 油 大且重,分 子 泵,分子牵引,基本原理：动量传输 分子流条件下，碰撞运动表面的分子，离开表面时具有和运动表面速率u相近的切向速率 气体分子从具有运动的表面得到定向动量,牵引分子泵-Gaede泵, h 特点： 分子平均速度越大，S越大 10000转/分 UB UL和气导相关，反比M1/2， M越大，S越大 优点： 启动时间短 容易抽重气体分子 缺点： 密封间隙太小(h0.1mm) 加工精度，机械故障,UCD: 从C迁移到D的气量 UB: 逆扩散(p1p2) UL: 缝隙漏率 UDC: 逆时针返流,涡轮分子泵,轴向交错排列的转子和定子,转速16000-40000 叶
10、轮很薄（3mm)，单极压差很小，但数量很多（多级） 转子直径越大，要求叶片数量越多 倾角越小，压缩比越大，但抽速小 一般20度 单极压缩5 开缝（间隙1mm) 具有实用价值,抽速曲线,10-2Torr 取决于前级泵 几乎与种类无关,M较小时S略降低 但对氢抽速比空气抽速大20% 逆扩散，极限压强10-10Torr,a: 抽速45m3/h前级泵 b: 抽速10m3/h前级泵,稳态(S=0)时M越大,压缩比越大 H2 1000 N2 108 Ar 109 重氢化合物 1010,涡轮分子泵基本结构,以中型涡轮分子泵为例,横式:中部为高真空端,两端为前级 高真空端定子和转子各12片,每片开槽48条,=
11、30o 前级端定子8片,转子7片,每片开槽20条, =15o 转速16000转/分(外沿线速度150m/s) 最大抽速 140L/s 压缩比 k=5x10-7 经过300度烘烤后,极限压强pu10-10Torr,横式和立式分子泵比较,涡轮分子泵系统,应用,最高工作压强 10-2-10-1Torr之间 需要前级泵 电源 专用中频电源 启动电机，5min后转速稳定，泵正常工作 强迫冷却 极限压强 取决于最轻气体成分 He,涡轮分子泵小结,启动压强 10-2Torr 极限压强 10-10Torr 优点 无油泵，干净 排出气体 缺点 振动 价格昂贵 相对效率低 对He 抽速较低 机械损坏灾难性损坏,罗茨泵,原理 容积压缩分子牵引 结构 两个双叶型转子 相反方向运转 运转过程中紧密配合，不互相触及，也不触及泵体 压缩比低,返流大（前级真空） 无摩擦,转速高,相对抽速大,罗茨泵工作图,特性,抽速曲线,低压下效率高 间隙流导减小 10-2Torr最高,必须配备前级泵,罗茨泵组,罗茨泵和旋片泵配合工作 吞吐量较旋片泵高,“干式”泵,湿泵（油泵） 返油，油分子污染 干式泵 没有润滑液体的容积压缩泵 罗茨泵的问题 不能从大气开始 压缩比比较小 各种各样的干式机械压缩泵 组合在一起构成干式泵,