真空科學(xué)技術(shù)-分子泵

1、現(xiàn)代真空科學(xué)技術(shù)-分子泵隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，新型功能材料的不斷崛起，科學(xué)研究領(lǐng)域的不斷深入，我們的實(shí)驗(yàn)對(duì)真空系統(tǒng)提出了新的要求。特別是科學(xué)研究對(duì)超高真空和無油真空環(huán)境的需求，使得過去大量使用的擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)已不能適應(yīng)無油清潔超高真空系統(tǒng)的要求。分析泵應(yīng)時(shí)而生，它以高的抽速比，高壓縮以及清潔無油污的特點(diǎn)而深受實(shí)驗(yàn)室的歡送，從而迅速并且廣泛的應(yīng)用于真空科學(xué)系統(tǒng)中。一 分子泵的開展1912年德國W.Gaede創(chuàng)造分子泵至今已快近一個(gè)世紀(jì)了。但在1970年以前，分子泵的應(yīng)用還僅限于核物理、電真空、外表科學(xué)等研究領(lǐng)域。直至近20年來，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起和薄膜工業(yè)的開展，分子泵又開始被人們所重視，并

2、得到了興旺和興旺。初期的分子泵的結(jié)構(gòu)簡單，它的轉(zhuǎn)子直徑為Á50mm，厚度約為20mm，轉(zhuǎn)子上切有8個(gè)尺寸不同的槽。其轉(zhuǎn)速為12000r/min。前級(jí)壓力為1300Pa時(shí)極限壓力為4×10-3Pa，其抽速約為1.5L/s。這種泵在美國曾用于電子管的排氣，但由于故障多，在1915年W.Gaede自已開發(fā)的水銀擴(kuò)散泵所代替。1923年F.Holweck開發(fā)一種筒型的分子泵。其轉(zhuǎn)子直徑為Á150mm，長為230mm，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為30004500r/min。轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙為0.0250.050mm。出口壓力為2700Pa時(shí)極限壓力為1.3×10-3Pa，抽速

3、為4.58L/s。曾用于海軍通訊三極管的排氣，也用于真空分析儀器、電子顯微鏡和陰極射線管等。上述分子泵均屬于牽引式分子泵，其缺點(diǎn)是體積大抽速小，間隙小，故障多。而1958年德國PFEIFFER公司在第一次國際真空會(huì)議上首先提出了一種名叫渦輪分子泵的新型分子泵。這種泵的結(jié)構(gòu)為臥式的，被抽氣體由泵體中央的吸氣口進(jìn)入，經(jīng)過泵內(nèi)的動(dòng)、靜葉輪交替排列的抽氣通道流至軸向兩側(cè)，氣體被葉輪壓縮后由排氣口排出。轉(zhuǎn)子直徑為Á170mm，由19級(jí)葉輪組成。轉(zhuǎn)速為16000r/min，抽速為140L/s。1971年日本理化研究所與大阪真空公司合作成功研制出立式渦輪分子泵，該設(shè)備有12.5級(jí)葉輪(動(dòng)葉輪13、

4、靜葉輪12)，轉(zhuǎn)子直徑為Á300mm，轉(zhuǎn)速為12000r/min。其抽速最高可達(dá)為25000L/s的TH-25000大型泵為物理學(xué)、核聚變實(shí)驗(yàn)、外表科學(xué)等研究部門所廣泛應(yīng)用。為了使泵能在高壓區(qū)域保持有較高的抽氣性能， 1980年人們?cè)谠械臏u輪分子泵的高壓側(cè)配置了螺旋槽式的牽引分子泵，將兩種泵的抽氣單元串聯(lián)組成一個(gè)整體，形成了一種寬域型的復(fù)合式分子泵。至此開啟了分子的新時(shí)代，隨后陶瓷分子泵，低溫型渦輪分子泵，極高真空渦輪分子甭應(yīng)運(yùn)而生。極大的滿足了各個(gè)科研對(duì)的真空系統(tǒng)的要求，促進(jìn)了研究的深入。二 分子泵的結(jié)構(gòu)及工作原理現(xiàn)在我們所用的分子泵多為渦輪分子泵。它是由德國Gaede式分子泵的

5、根底上衍變而成的根本結(jié)構(gòu)。近10年來，由于軸承和高速旋轉(zhuǎn)技術(shù)以及數(shù)控加工工藝的不斷開展，使渦輪分子泵取得了長足的進(jìn)步。抽速從soL/s到40000L/s的各種類型的渦輪分子泵已研制成功并用于生產(chǎn)。現(xiàn)代的分子泵具有一下的優(yōu)點(diǎn)：1 可連續(xù)排氣2 容易獲得清潔的超高真空3 悲愁氣體的種類對(duì)泵的抽氣速率影響不大4 操作與保養(yǎng)簡便，維修周期長5 啟動(dòng)，停車時(shí)間短6 振動(dòng)小，噪音低因而在半導(dǎo)體制造設(shè)備及理化儀器為主要應(yīng)用對(duì)象之外，現(xiàn)在的渦分子泵作為清潔超高真空的獲得手段已普及到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。分子泵主要由帶有進(jìn)氣口法蘭的泵殼；包括動(dòng)葉輪和靜葉輪的渦輪排；由中頻電動(dòng)機(jī)和潤滑油循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置以及底座組成

6、。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖1. 立式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)由于單個(gè)葉輪的壓縮比很小，因此渦輪分子泵一般由十多個(gè)動(dòng)葉輪和靜葉輪組成。動(dòng)葉輪和靜葉輪交替排列。動(dòng)、靜葉輪幾何尺寸根本相同，但葉片傾斜角相反。每兩個(gè)動(dòng)葉輪之間裝一個(gè)靜葉輪。工作時(shí)靜葉輪(圖2)外緣用環(huán)固定并使動(dòng)、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙，動(dòng)葉輪圖2在靜葉輪間高速旋轉(zhuǎn)。由于動(dòng)葉輪所具有的幾何形狀圖3，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)其兩側(cè)的氣體分子呈漫散射狀態(tài)。在葉輪左側(cè)(圖3a)，當(dāng)氣體分子到達(dá)A點(diǎn)附近時(shí)，在角度1內(nèi)反射的氣體分子回到左側(cè)；在角度1內(nèi)反射的氣體分子一局部回到左側(cè)，另一局部穿過葉片到達(dá)右側(cè)；在角度1內(nèi)反射的氣體分子將直接穿過葉片到達(dá)右側(cè)。同理，在葉

7、輪右側(cè)(圖3b)，當(dāng)氣體分子入射到B點(diǎn)附近時(shí)，在2角度內(nèi)反射的氣體分子將返回右側(cè)；在2角度內(nèi)反射的氣體分子一局部到達(dá)左側(cè)，另一局部返回右側(cè)；在2角度內(nèi)反射的氣體分子穿過葉片到達(dá)左側(cè)。傾斜葉片的運(yùn)動(dòng)使氣體分子從左側(cè)穿過葉片到達(dá)右側(cè)，比從右側(cè)穿過葉片到達(dá)左側(cè)的幾率大得多。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體分子便不斷地由左側(cè)流向右側(cè)，從而產(chǎn)生抽氣作用。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 圖3 動(dòng)葉輪工作示意圖圖2 動(dòng)，靜葉輪 分子泵中有很多動(dòng)葉輪和靜葉輪交替排列，每一個(gè)動(dòng)葉輪和靜葉輪組成了一個(gè)工作單元使分子從左向右流動(dòng)，而下一組動(dòng)葉輪和靜葉輪工作那么是在前一級(jí)的抽氣根底上工作，這使得分子泵的壓縮比逐級(jí)放大。因而分子泵的

8、壓縮比為各級(jí)葉輪的乘積?？紤]到葉輪的幾何形狀，轉(zhuǎn)速與管道對(duì)氣體的流導(dǎo)作用的影響，泵的抽氣速率S可以表示為：S1=S0HmaxAS=CS1 /C+S1 升/秒其中： S0 為最大理論抽速 A為葉輪的總吸氣面積 Hmax 為葉輪的何氏系數(shù) C為管道對(duì)氣體的流導(dǎo)作用分析可知，分子泵的抽速主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，那么抽氣速率越大?，F(xiàn)在的分子泵在工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)10000-60000 轉(zhuǎn)/分。圖4 分子泵抽速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系而壓縮比那么主要受轉(zhuǎn)速和被抽氣體分子量影響，圖5 曲線反響了影響壓縮比的因素和它們之間的關(guān)系。圖5 (a)壓縮比/轉(zhuǎn)速曲線 (b)壓縮比/分子量曲線可見壓縮比隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，與相

9、對(duì)分子量的平方根成約正比關(guān)系。三 分子泵的未來與展望由于分子泵有這眾多的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用，因而分子泵的使用壽命那么顯得尤為重要。科學(xué)家們也從各個(gè)方面對(duì)分子泵加以改良以提高其適用不同環(huán)境的能力和使用的壽命。高速旋轉(zhuǎn)的分子泵使用壽命很大程度受其內(nèi)部軸承影響，軸承的失效和潤滑油的變質(zhì)很容易影響分子泵的使用。經(jīng)過科學(xué)家的反復(fù)嘗試，先后用磁懸浮式軸承代替了原本的球型軸承，由于這種軸承不用潤滑油，可實(shí)現(xiàn)全無油型干式真空泵，其次這種軸承無滑動(dòng)局部，無磨損和摩擦損耗，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，軸承壽命長，一般無需保養(yǎng)且振動(dòng)和噪音非常低，而且泵的安裝姿勢(shì)可以是任意的，該軸承局部只需充滿保護(hù)性氣體即可。由于磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)

10、和泵本身抽氣性能的優(yōu)良，使磁懸浮型渦輪分子泵在半導(dǎo)體制造設(shè)備和各種理化儀器上得到廣泛應(yīng)用。而熱核反響裝置上使用的渦輪分子泵常采用氣體靜壓軸承。因?yàn)樵谶@種裝置上采用油潤滑的軸承，氖會(huì)引起油變質(zhì)，假設(shè)用磁懸浮軸承，在有強(qiáng)磁場存在的環(huán)境里，維持渦輪分子泵穩(wěn)定運(yùn)行是不可能的。渦輪分子泵在強(qiáng)磁場環(huán)境中運(yùn)行，泵的轉(zhuǎn)子會(huì)因渦流而發(fā)熱并引起轉(zhuǎn)速下降。為了防止這些問題的發(fā)生，轉(zhuǎn)子可用陶瓷材料制作，采用不受磁場干擾的氣體靜壓軸承系統(tǒng)和氣體渦輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種真空泵很可能成為下一個(gè)世紀(jì)有希望開展的技術(shù)?，F(xiàn)在分子泵也經(jīng)常將其組合使用形成組合型軸承，應(yīng)用于不同的使用環(huán)境中。另一個(gè)改良方向那么是大流量寬域型的復(fù)合式分子泵。

11、這種泵吸氣側(cè)首先設(shè)置56級(jí)軸流式渦輪葉片抽氣級(jí),接著是螺旋槽式抽氣級(jí),在圓筒體外表上開螺旋形抽氣槽(或多級(jí)圓盤形抽氣槽),這兩段抽氣級(jí)用鋁合金材料加工成整體轉(zhuǎn)子。這種渦輪轉(zhuǎn)子是把在分子流范圍有較高抽氣效率的渦輪葉片和在過渡流和粘滯流范圍有較好排氣效果的螺旋槽轉(zhuǎn)子相組合起來,使這種復(fù)合式分子泵的工作壓力范圍向高壓力側(cè)伸展。這種泵有如下特點(diǎn):(1) 在幾百帕的出口壓力下,泵仍有很高的壓縮比,有的泵出口壓力可到達(dá)1護(hù)帕,直排大氣亦能正常工作。(2) 大量氣體流過這種泵時(shí),泵吸氣壓力仍能保持很低。第一個(gè)特點(diǎn),由于泵的出口壓力增高,可使前級(jí)泵的容量減小,價(jià)格廉價(jià),占地面積小。而在刻蝕和CVD裝置上的排氣

12、系統(tǒng),要求低壓下有大的流量,正符合這種泵的第二個(gè)特點(diǎn)。最近5年來這種泵得到快速地開展。隨著軸流式渦輪葉片級(jí)數(shù)的減少,比普通的渦輪分子泵的體積縮小了,但對(duì)輕氣體的壓縮比降低了,極限壓力也有些升高。目前的復(fù)合式分子泵最典型的結(jié)構(gòu)是將渦輪分子泵和螺旋槽式真空泵實(shí)現(xiàn)一體化,從而得到了與常規(guī)的渦輪分子泵不同的抽氣性能。近來這種復(fù)合式分子泵得到了越來越多的推廣和應(yīng)用。分子泵，以其眾多的有點(diǎn)而廣泛應(yīng)用與真空系統(tǒng)之中，然而它仍有很大的改良空間。相信在不久的將來，會(huì)有更加新型，具有更多優(yōu)良性能的分子泵應(yīng)用與現(xiàn)代的高真空科學(xué)系統(tǒng)之中。參考文獻(xiàn)：1 楊乃恒，巴德頓.如何選擇和使用分子泵J.遼寧.東北大學(xué)學(xué)報(bào).2021.03，47(2): 53-572 王曉東，楊乃恒，于志明.分子泵的世紀(jì)回憶與展望J.遼寧.東