第二章 真空的獲得

第二章、真空的獲得重慶大學應用物理系1、概述真空泵:用來獲得真空的設備真空泵的分類:(工作原理)壓縮型真空泵：其原理是將氣體由泵的入口端壓縮到出口端。(排出型真空泵)例子:(1)利用膨脹-壓縮作用的旋轉式機械真空泵；

(2)利用氣體粘滯牽引作用的蒸汽流噴射泵；

(3)利用高速表面牽引分子作用的蓋德型分子泵;

(4)利用渦輪風扇排除氣體的渦輪分子泵等.1、概述吸附型真空泵：其原理是利用各種吸氣作用將氣體吸掉。例子:1)利用電離吸氣作用的離子泵；

2)利用物理或化學吸附作用的吸附泵、低溫泵等。

在這類泵中氣體分子并不排出泵外，而是被暫時或永久地貯存于泵內。真空泵的使用范圍

任何真空泵，在工作時除了抽氣作用，總是伴隨著出現(xiàn)一些破壞抽氣的效應。稱此為返流

例如氣體被壓縮后要反擴散；分子被吸附后還會脫附等。只有在抽氣作用強于返流時，泵才能有效地工作，因此每種泵都有它自己的有效運用壓強范圍及固有特點。

真空泵的種類和運用范圍泵壓強/Pa抽速/(L.s-1)10510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10旋片機械泵+++++++→1~100低溫擴散泵+++++++→擴散泵←++++++→1~1000渦輪分子泵←+++++++→5~10000+表示能應用的區(qū)域;主泵、前級泵、輔助泵（角色）泵壓強/Pa抽速/(L.s-1)10510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10鈦升華泵←++++++→1~100000離子泵←++++++++→1~5000低溫泵←+++++++++++++300~5000

真空泵的種類和運用范圍+表示能應用的區(qū)域;主泵、前級泵、輔助泵（角色）

真空泵的基本參數(shù)抽氣速率S：在泵進氣口處，在給定泵口壓強下，單位時間流入泵的氣體體積量：極限壓強pu

：泵對自身抽氣時，經過足夠長時間的抽氣后，能達到的最低平衡壓強最大工作壓強使用范圍抽速曲線（S-p曲線）流量：在泵進氣口處，單位時間內流過的氣體量。pSp2p1

真空中的抽氣概念——時間常數(shù)/排氣時間理想抽氣過程：當真空容器的內表面上無氣體的吸附和脫附現(xiàn)象發(fā)生時的抽氣過程。則有：t=0，p=p0時長時間抽氣時間常數(shù)非理想抽氣過程：排氣時間

真空泵的型號及規(guī)格表示基本型號輔助型號①③②⑥⑤④

代表真空泵的等級，阿拉伯數(shù)字表示代表真空泵名稱，名稱的關鍵字的漢語拼音1、2首字母表示代表真空泵特征，關鍵字的漢語拼音1、2首字母表示代表真空泵的特點，關鍵字的漢語拼音1、2首字母表示代表真空泵規(guī)格或主參數(shù)，阿拉伯數(shù)字表示代表真空泵設計序號，以字母A、B、C......表示。2、機械泵獲得低真空常采用機械泵，機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內吸氣空腔的體積，使被抽容器內氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。改變空腔的容積方式：活塞往復式、定片式、旋片式；主要構件：轉子、定子、旋片等偏心轉子置于定子的圓柱形空腔內切位置上，空腔上連接進氣管和出氣閥門。轉子中鑲有兩塊旋片旋片間用彈簧連接，使旋片緊壓在定子空腔的內壁上。定子置于油箱中，油起到密切、潤滑與冷卻的作用。旋片式機械泵

當轉子逆時針轉動時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入，旋片隨著轉子的轉動使與進氣管相連的區(qū)域不斷擴大，而氣體就不斷地被吸入。當轉子達到一定位置時，另一旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開，并將氣體壓縮，直到壓強增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉子的不斷轉動使氣體不斷地從被抽容器中抽出。轉速:450~1450r/min原理氣鎮(zhèn)閥旋片式機械泵的特性及使用1、抽速和壓強的關系泵的幾何抽速/理論抽速泵的實際抽速討論:1)泵的實際抽速隨容器壓強的降低而降低；2)3)有害空間的體積越大或者系數(shù)α越大，則極限壓強越高，真空度越差；2、使用及注意事項1)機械泵使用時,有一定的轉向和轉速要求,有些需要水冷以降低油的蒸汽壓；2)開啟時,需等泵正常工作后,才與被抽系統(tǒng)接通；3)停止時,防止返油；4)選擇合適的機械泵油,并及時更換油；5)機械泵可以單獨使用,也可作為前級泵使用；油的返流除塵裝置油的返流：在旋片泵工作時，油蒸汽會逆著氣流運動方向進入泵入口，通過入口管道最終進入被抽容器。返流量隨壓強的降低而增加，在極限壓強附近時，返流量最大?？刂品椒ǎ涸诒萌肟谠O定放氣閥打開氣鎮(zhèn)閥工作（單級泵）在泵入口設置吸附阱使用特殊泵油

無油干式機械真空泵

由于半導體、電子工業(yè)等制造工業(yè)中無油污清潔真空的需求，產生工作在大氣到0.1Pa區(qū)域的干式真空泵。干式真空泵：非接觸式的羅次式、爪式、螺桿式接觸式的葉片式、凸輪式、活塞式特點：非接觸式轉速高，但最大壓縮比較小；接觸式轉速相對要低，但最大壓縮比大；無油爪式泵螺桿泵渦旋泵無油干式機械真空泵羅茨真空泵羅茨真空泵

羅茨真空泵（簡稱羅茨泵）是一種旋轉式變容真空泵。根據(jù)羅茨真空泵工作范圍的不同，又分為直排大氣的低真空羅茨泵；中真空羅茨泵（又稱機械增壓泵）和高真空多級羅茨泵

。轉速:3000~4000r/min工作原理

羅茨泵的結構如圖所示。在泵腔內，有二個“8”字形的轉子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉運動。

在轉子之間，轉子與泵殼內壁之間，保持有一定的間隙，可以實現(xiàn)高轉速運行。由于羅茨泵是一種無內壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級泵。羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結構和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空。為了提高泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯(lián)使用。多重羅次泵組合2、機械泵3、動量傳遞式真空泵

前面介紹的機械泵只能獲得低真空(>0.1Pa)，在真空系統(tǒng)中充當前級泵作用。如果要獲得高真空還需要一個主泵。廣泛使用的獲得高真空的主泵：擴散泵和分子泵。二者均為動量傳遞式真空泵。油擴散泵的結構如示意圖泵的底部—是裝有真空泵油的蒸發(fā)器，真空泵油經電爐加熱沸騰后，產生一定的油蒸汽，蒸汽沿著蒸汽導流管傳輸?shù)缴喜?，經由三級傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運動的高速蒸汽流，氣體分子擴散到蒸汽流中，油分子與氣體分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的結果是油分子把動量交給氣體分子自己慢下來，而氣體分子獲得向下運動的動量后便迅速往下飛去．并且，在射流的界面內，氣體分子不可能長期滯留，因而界面內氣體分子濃度較?。捎谶@個濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地擴散進入蒸汽流而被逐級帶至出口，并被前級泵抽走．慢下來的蒸汽流在向下運動的過程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來，沿著泵壁流回蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)使用。冷阱的作用是減少油蒸汽分子進入被抽容器。冷阱擴散泵的抽氣理論Jaekel(亞開耳)模型假設:1)自傘形噴嘴射出的射流,在噴嘴平面上各處流速的大小及方向均完全相等,并且在長度L的范圍內也保持為常數(shù);2)氣體分子一旦落入蒸汽流中,即可獲得向出口方向的動量,即不考慮分子與蒸汽碰撞時的反射;3)蒸汽流的數(shù)密度遠大于氣體分子數(shù)密度;擴散泵的抽氣理論1、壓縮比設:ω：蒸汽流運動的速度；nd：在蒸汽流內單位時間單位面積上被往下抽的氣體分子數(shù)；nu：在蒸汽流內單位時間單位面積上被往上反擴散回的氣體分子數(shù)；D：蒸汽中氣體分子的擴散系數(shù)；與n值無關擴散泵的抽氣理論1、壓縮比即壓縮比K討論：1）壓縮比K>1;2)若射流的流速和射流的長度愈大，以及氣體分子擴散系數(shù)愈小，則噴嘴的壓縮比愈高；3）前級壓強一定時，K愈大，泵抽氣后的極限壓強愈低；擴散泵的抽氣理論2、抽速A：噴嘴處環(huán)行的面積噴嘴平面處經射流抽走的氣體流量為：考慮到：氣體進入此環(huán)形面積時，截面對氣流所呈現(xiàn)的孔眼流導，則在環(huán)行截面處的有效抽速為：擴散泵的抽氣理論2、抽速有效抽速比抽速：單位面積的抽速討論：1)理想情況下：ω→∞，H=1，;2)實際情況下:H≠1(0.5~0.7)；3)較大的環(huán)形截面積、較高的何氏系數(shù)、以及大的進口管道，有利于獲得高抽速；擴散泵的抽氣理論討論：4)抽速與壓強的關系；5)抽速與壓縮比、氣體種類的關系；6)極限壓強與出口壓強的關系；7)擴散泵的油蒸汽返流；擴散泵擴散泵是利用氣體擴散現(xiàn)象來抽氣的。分子泵分子真空泵是利用高速旋轉的轉子把動量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮、被驅向排氣口后為前級抽走的一種真空泵。這種泵具體可分為：

牽引分子泵氣體分子與高速運動的轉子相碰撞而獲得動量，被驅送到泵的出口。

渦輪分子泵靠高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的。

復合分子泵它是由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合起來的一種復合型的分子真空泵。分子泵分子泵結構最早利用動量傳輸作用來獲得真空的是蓋德型分子泵。這種泵中有一柱形高速轉子，將氣體分子從進氣口“拖動”到出氣口。但由于轉子定子間允許的間隙很小(~0.1mm)，難于制造，50年代末期，出現(xiàn)了渦輪分子泵。渦輪分子泵的工作原理渦輪分子泵內裝有許多動、靜相間安排輪葉，每一輪葉上有許多斜置葉片。輪葉轉動時有電風扇輪葉類似的作用，能將氣體從一方抽向另一方。碰撞于表面的分子，離開表面時獲得了與表面速率相近的切向速率。這就是動置傳輸作用。分子υ以速度υ

運動的壁渦輪分子泵的工作原理渦輪分子泵的工作原理考慮一個輪葉，（并將輪葉拉直來看）側視圖如下量化：旋轉輪葉產生的抽速及壓縮比假設：1）氣體分子為分子流狀態(tài)，與輪葉碰撞后按余弦分布；2）氣體分子溫度和輪葉溫度相同；3）輪葉兩側的分子速率分布相同；穩(wěn)定平衡時：①②輪葉兩側溫度相等：渦輪分子泵的工作原理輪葉壓縮作用產生的壓縮比討論：1)：當H=0，零流量時，2)：當H=1，p1=p2時，二者折中3)：靜止輪葉的抽氣能力與動輪葉相同；4)：何氏系數(shù)決定于輪葉的形狀、轉速、氣體種類。渦輪分子泵的特征1)：抽速與轉速的關系：2)：抽速與進口壓強的關系：分子流時，抽速幾乎不變，與進口壓強無關，只決定于輪葉的形狀、轉速、氣體種類3)：壓縮比與抽速及相對分子量的關系：4)：抽速與氣體種類的關系：5)：壓縮比與前級壓強的關系：渦輪分子泵的使用1)：前級壓強<1Pa，機械泵作前級泵。2)：中頻電機需要風冷/水冷；3)：烘烤除氣（達到極限真空），除氣溫度為100~120℃；4)：極限真空主要取決于分子相對質量小的氣體成分/水汽；5)：軸承潤滑油存在污染，為準無油系統(tǒng)，充入氮氣可抑制油的蒸汽擴散，可采用氣浮軸承、磁懸浮軸承；6)：不能在磁場下工作，渦流發(fā)熱；7)：防止各種碎屑飛入泵內；渦輪分子泵的操作流程干泵系統(tǒng)(用螺桿泵/膜片泵增壓)開啟增壓泵粗抽真空室當真空室達到幾百mTorr,啟動渦輪分子泵抽氣；渦輪分子泵自動完成增速到抽氣；有油系統(tǒng)（利用旋片機械泵增壓）啟動旋片式機械泵，利用旁抽回路為真空室粗抽真空；在粗抽時，當壓強低于10Pa時，啟動渦輪分子泵時刻記住小心油污染渦輪分子泵；有些系統(tǒng)中，渦輪分子泵和旋片機械泵可以同時啟動。關閉渦輪分子泵系統(tǒng)流程關閉渦輪分子泵；讓渦輪分子泵轉速下降到接近0；關閉機械泵關閉放氣閥時，關閉冷卻水；渦輪分子泵的操作流程渦輪分子泵立式渦輪分子泵4、氣體捕集式真空泵一種將被抽氣體吸附或凝結在在泵內表面上的真空泵。它有兩種：吸附泵；低溫泵低溫泵——Cry