第二章 真空的獲得

第二章、真空的獲得重慶大學(xué)應(yīng)用物理系1、概述真空泵:用來獲得真空的設(shè)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(zhuǎn)式機(jī)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(fēng)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(xué)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(shí)或永久地貯存于泵內(nèi)。真空泵的使用范圍

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

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

真空泵的種類和運(yùn)用范圍泵壓強(qiáng)/Pa抽速/(L.s-1)10510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10旋片機(jī)械泵+++++++→1~100低溫?cái)U(kuò)散泵+++++++→擴(kuò)散泵←++++++→1~1000渦輪分子泵←+++++++→5~10000+表示能應(yīng)用的區(qū)域;主泵、前級(jí)泵、輔助泵（角色）泵壓強(qiáng)/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(yùn)用范圍+表示能應(yīng)用的區(qū)域;主泵、前級(jí)泵、輔助泵（角色）

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

：泵對(duì)自身抽氣時(shí)，經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間的抽氣后，能達(dá)到的最低平衡壓強(qiáng)最大工作壓強(qiáng)使用范圍抽速曲線（S-p曲線）流量：在泵進(jìn)氣口處，單位時(shí)間內(nèi)流過的氣體量。pSp2p1

真空中的抽氣概念——時(shí)間常數(shù)/排氣時(shí)間理想抽氣過程：當(dāng)真空容器的內(nèi)表面上無氣體的吸附和脫附現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的抽氣過程。則有：t=0，p=p0時(shí)長(zhǎng)時(shí)間抽氣時(shí)間常數(shù)非理想抽氣過程：排氣時(shí)間

真空泵的型號(hào)及規(guī)格表示基本型號(hào)輔助型號(hào)①③②⑥⑤④

代表真空泵的等級(jí)，阿拉伯?dāng)?shù)字表示代表真空泵名稱，名稱的關(guān)鍵字的漢語拼音1、2首字母表示代表真空泵特征，關(guān)鍵字的漢語拼音1、2首字母表示代表真空泵的特點(diǎn)，關(guān)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?dāng)?shù)字表示代表真空泵設(shè)計(jì)序號(hào)，以字母A、B、C......表示。2、機(jī)械泵獲得低真空常采用機(jī)械泵，機(jī)械泵是運(yùn)用機(jī)械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)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(fù)式、定片式、旋片式；主要構(gòu)件：轉(zhuǎn)子、定子、旋片等偏心轉(zhuǎn)子置于定子的圓柱形空腔內(nèi)切位置上，空腔上連接進(jìn)氣管和出氣閥門。轉(zhuǎn)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(nèi)壁上。定子置于油箱中，油起到密切、潤(rùn)滑與冷卻的作用。旋片式機(jī)械泵

當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由被抽容器通過進(jìn)氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使與進(jìn)氣管相連的區(qū)域不斷擴(kuò)大，而氣體就不斷地被吸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定位置時(shí)，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(qiáng)增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)使氣體不斷地從被抽容器中抽出。轉(zhuǎn)速:450~1450r/min原理氣鎮(zhèn)閥旋片式機(jī)械泵的特性及使用1、抽速和壓強(qiáng)的關(guān)系泵的幾何抽速/理論抽速泵的實(shí)際抽速討論:1)泵的實(shí)際抽速隨容器壓強(qiáng)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(qiáng)越高，真空度越差；2、使用及注意事項(xiàng)1)機(jī)械泵使用時(shí),有一定的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速要求,有些需要水冷以降低油的蒸汽壓；2)開啟時(shí),需等泵正常工作后,才與被抽系統(tǒng)接通；3)停止時(shí),防止返油；4)選擇合適的機(jī)械泵油,并及時(shí)更換油；5)機(jī)械泵可以單獨(dú)使用,也可作為前級(jí)泵使用；油的返流除塵裝置油的返流：在旋片泵工作時(shí)，油蒸汽會(huì)逆著氣流運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)入泵入口，通過入口管道最終進(jìn)入被抽容器。返流量隨壓強(qiáng)的降低而增加，在極限壓強(qiáng)附近時(shí)，返流量最大。控制方法：在泵入口設(shè)定放氣閥打開氣鎮(zhèn)閥工作（單級(jí)泵）在泵入口設(shè)置吸附阱使用特殊泵油

無油干式機(jī)械真空泵

由于半導(dǎo)體、電子工業(yè)等制造工業(yè)中無油污清潔真空的需求，產(chǎn)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(diǎn)：非接觸式轉(zhuǎn)速高，但最大壓縮比較??；接觸式轉(zhuǎn)速相對(duì)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(jī)械真空泵羅茨真空泵羅茨真空泵

羅茨真空泵（簡(jiǎn)稱羅茨泵）是一種旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡?。根?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(jī)械增壓泵）和高真空多級(jí)羅茨泵

。轉(zhuǎn)速:3000~4000r/min工作原理

羅茨泵的結(jié)構(gòu)如圖所示。在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對(duì)平行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級(jí)泵。羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級(jí)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(jī)械泵3、動(dòng)量傳遞式真空泵

前面介紹的機(jī)械泵只能獲得低真空(>0.1Pa)，在真空系統(tǒng)中充當(dāng)前級(jí)泵作用。如果要獲得高真空還需要一個(gè)主泵。廣泛使用的獲得高真空的主泵：擴(kuò)散泵和分子泵。二者均為動(dòng)量傳遞式真空泵。油擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)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(jīng)電爐加熱沸騰后，產(chǎn)生一定的油蒸汽，蒸汽沿著蒸汽導(dǎo)流管傳輸?shù)缴喜?，?jīng)由三級(jí)傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強(qiáng)較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運(yùn)動(dòng)的高速蒸汽流，氣體分子擴(kuò)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(jié)果是油分子把動(dòng)量交給氣體分子自己慢下來，而氣體分子獲得向下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量后便迅速往下飛去．并且，在射流的界面內(nèi)，氣體分子不可能長(zhǎng)期滯留，因而界面內(nèi)氣體分子濃度較小．由于這個(gè)濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地?cái)U(kuò)散進(jìn)入蒸汽流而被逐級(jí)帶至出口，并被前級(jí)泵抽走．慢下來的蒸汽流在向下運(yùn)動(dòng)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(jìn)入被抽容器。冷阱擴(kuò)散泵的抽氣理論Jaekel(亞開耳)模型假設(shè):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(zhǎng)度L的范圍內(nèi)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(dòng)量,即不考慮分子與蒸汽碰撞時(shí)的反射;3)蒸汽流的數(shù)密度遠(yuǎn)大于氣體分子數(shù)密度;擴(kuò)散泵的抽氣理論1、壓縮比設(shè):ω：蒸汽流運(yùn)動(dòng)的速度；nd：在蒸汽流內(nèi)單位時(shí)間單位面積上被往下抽的氣體分子數(shù)；nu：在蒸汽流內(nèi)單位時(shí)間單位面積上被往上反擴(kuò)散回的氣體分子數(shù)；D：蒸汽中氣體分子的擴(kuò)散系數(shù)；與n值無關(guān)擴(kuò)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(zhǎng)度愈大，以及氣體分子擴(kuò)散系數(shù)愈小，則噴嘴的壓縮比愈高；3）前級(jí)壓強(qiáng)一定時(shí)，K愈大，泵抽氣后的極限壓強(qiáng)愈低；擴(kuò)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(jīng)射流抽走的氣體流量為：考慮到：氣體進(jìn)入此環(huán)形面積時(shí)，截面對(duì)氣流所呈現(xiàn)的孔眼流導(dǎo)，則在環(huán)行截面處的有效抽速為：擴(kuò)散泵的抽氣理論2、抽速有效抽速比抽速：?jiǎn)挝幻娣e的抽速討論：1)理想情況下：ω→∞，H=1，;2)實(shí)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(jìn)口管道，有利于獲得高抽速；擴(kuò)散泵的抽氣理論討論：4)抽速與壓強(qiáng)的關(guān)系；5)抽速與壓縮比、氣體種類的關(guān)系；6)極限壓強(qiáng)與出口壓強(qiáng)的關(guān)系；7)擴(kuò)散泵的油蒸汽返流；擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵是利用氣體擴(kuò)散現(xiàn)象來抽氣的。分子泵分子真空泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動(dòng)量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮、被驅(qū)向排氣口后為前級(jí)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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動(dòng)量，被驅(qū)送到泵的出口。

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

復(fù)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(fù)合型的分子真空泵。分子泵分子泵結(jié)構(gòu)最早利用動(dòng)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(zhuǎn)子，將氣體分子從進(jìn)氣口“拖動(dòng)”到出氣口。但由于轉(zhuǎn)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(nèi)裝有許多動(dòng)、靜相間安排輪葉，每一輪葉上有許多斜置葉片。輪葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有電風(fēng)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(shí)獲得了與表面速率相近的切向速率。這就是動(dòng)置傳輸作用。分子υ以速度υ

運(yùn)動(dòng)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(gè)輪葉，（并將輪葉拉直來看）側(cè)視圖如下量化：旋轉(zhuǎn)輪葉產(chǎn)生的抽速及壓縮比假設(shè)：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(cè)的分子速率分布相同；穩(wěn)定平衡時(shí)：①②輪葉兩側(cè)溫度相等：渦輪分子泵的工作原理輪葉壓縮作用產(chǎn)生的壓縮比討論：1)：當(dāng)H=0，零流量時(shí)，2)：當(dāng)H=1，p1=p2時(shí)，二者折中3)：靜止輪葉的抽氣能力與動(dòng)輪葉相同；4)：何氏系數(shù)決定于輪葉的形狀、轉(zhuǎn)速、氣體種類。渦輪分子泵的特征1)：抽速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：2)：抽速與進(jìn)口壓強(qiáng)的關(guān)系：分子流時(shí)，抽速幾乎不變，與進(jìn)口壓強(qiáng)無關(guān)，只決定于輪葉的形狀、轉(zhuǎn)速、氣體種類3)：壓縮比與抽速及相對(duì)分子量的關(guān)系：4)：抽速與氣體種類的關(guān)系：5)：壓縮比與前級(jí)壓強(qiáng)的關(guān)系：渦輪分子泵的使用1)：前級(jí)壓強(qiáng)<1Pa，機(jī)械泵作前級(jí)泵。2)：中頻電機(jī)需要風(fēng)冷/水冷；3)：烘烤除氣（達(dá)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(duì)質(zhì)量小的氣體成分/水汽；5)：軸承潤(rùn)滑油存在污染，為準(zhǔn)無油系統(tǒng)，充入氮?dú)饪梢种朴偷恼羝麛U(kuò)散，可采用氣浮軸承、磁懸浮軸承；6)：不能在磁場(chǎng)下工作，渦流發(fā)熱；7)：防止各種碎屑飛入泵內(nèi)；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(dāng)真空室達(dá)到幾百mTorr,啟動(dòng)渦輪分子泵抽氣；渦輪分子泵自動(dòng)完成增速到抽氣；有油系統(tǒng)（利用旋片機(jī)械泵增壓）啟動(dòng)旋片式機(jī)械泵，利用旁抽回路為真空室粗抽真空；在粗抽時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)低于10Pa時(shí)，啟動(dòng)渦輪分子泵時(shí)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(jī)械泵可以同時(shí)啟動(dòng)。關(guān)閉渦輪分子泵系統(tǒng)流程關(guān)閉渦輪分子泵；讓渦輪分子泵轉(zhuǎn)速下降到接近0；關(guān)閉機(jī)械泵關(guān)閉放氣閥時(shí)，關(guān)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(jié)在在泵內(nèi)表面上的真空泵。它有兩種：吸附泵；低溫泵低溫泵——Cry