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1、经作者授权,版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意, 任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义,或用于商业用途。 东北大学第六期真空技术培训班 高真空与超高真空高真空与超高真空 获得设备获得设备 主讲人:杨乃恒主讲人:杨乃恒 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 真空技术真空技术 o一. 真空技术发展概况 (杨乃恒) o二. 真空工程理论基础 (孙丽娜) o三. 真空系统设计 (刘坤) o四. 低真空获得设备 (张以忱) o五

2、. 清洁真空获得技术 (巴德纯) o六. 中真空获得设备 (张以忱) o七. 高真空与超高真空获得设备 (杨乃恒) o八. 真空测量 (刘玉岱) o九. 真空检漏 (刘玉岱) o十. 真空镀膜(一):PVD物理气相沉积 (张以忱) o十一. 真空镀膜(二):CVD化学气相沉积 张世伟) o十二. 真空冷冻干燥技术 (徐成海) o十三. 真空设备的自动化控制 (王庆) o十四. 真空材料与真空卫生 (张以忱) 东北大学第六期东北大学第六期 培训系列之培训系列之 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univers

3、ity, China )概述 o真空系统的工作压强是由气体的流入量和 气体的抽除量达到动态平衡所决定的。即 由公式: Q=SP所决定的。系统内气体流 入量Q恒定时,系统的工作压强P决定于系 统出口处的抽速S。压强降低一个量级, 要求抽速相应增加一个量级。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o泵的实际抽速小于理论抽速,并与入口压 强有关。泵口在一个有限的工作压强范围 内工作,超过此范围抽速减少到零。目前 还没有一种泵能从大气压到超高真空的整 个压强范围内工作。如工作在高真空

4、区域 内就称作高真空获得设备,或工作在超高 真空区域的就称超高真空获得设备。由于 工作压强范围不同就出现了各种不同的真 空获得设备。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o 据文献报道:英国BOC Edwards公司的 EPX干泵,德国pfeiffer公司的OnTool干泵, 利用牵引分子泵及旋涡泵的工作原理组成 多级的单体泵,可实现高真空到直排大气。 抽速140 l/s,极限真空10-4Pa。 o 因此,通常选用适当的多泵串联的机组 来对系统抽气。 Vacuum and

5、Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o 普通型扩散泵与机械泵组成的机组可使 系统压强降到10-5Pa,即达到高真空状态。 改进型扩散泵与机械泵组成的机组,可使 系统压强降低到10-8Pa,即超高真空状态。 这说明一种泵有可能既是高真空获得设备, 又是超高真空获得设备。现代的离子泵、 升华泵、吸附泵和低温泵等,能使很大的 被抽系统抽到超高真空状态,且可以满足 不同气体种类的要求。 o涡轮分子泵与机械泵的组合,既能获得高 真空也能非常迅速地抽到10-8Pa的超高真 空。 o 本节课介绍各种高真空泵和

6、超高真空 泵的性能和使用规则 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2)高真空获得设备 o(1)金属油扩散泵 o高真空抽气系统通常至少包括一台扩散泵 和一台机械泵。 o机械真空泵从被抽容器中抽走99.99%空气 (粗抽)。剩余的空气(压强降至10-1 10-7Pa)由扩散泵抽走排入机械泵中。 o当要求泵对所有气体都有恒定的高抽速, 并且长时间使用无需维护时,一般使用扩 散泵。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of No

7、rtheastern University, China o 扩散泵不能直接将气体排入大气中,要 求机械泵先将真空系统中的压强降低到符 合要求的压力区域,这一工作称为粗抽。 在达到适当的工作压强条件后,扩散泵方 可接着工作。此时,在前级管道上连接的 机械泵为扩散泵维持适当的排气压强条件。 这一工作被称为前级抽空。 o扩散泵在本质上是专门用于高真空的蒸汽 喷射泵。以前过分强调了气体向蒸汽流中 扩散和蒸汽被冷凝。因此定名它为扩散泵 (或冷凝泵)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chi

8、na o最初的扩散泵设计是在1915年。约在10 年后确定了其基本结构形式。现代扩散泵 的特点是蒸汽流是按抽气方向高速运动, 被抽气体被蒸汽流带走。其原理与蒸汽喷 射泵没有太大的差别。最初用的工作流体 是汞。第一次用油类作为工作流体是在 1928年。下面主要讨论油扩散泵及其附件。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China ()泵的抽气机理 o典型的扩散泵有一个垂直的、通常是圆筒 形的泵体,泵体上固定着一个入口法兰, 以便了连接到系统上进行抽气。圆筒的底 部是封闭的,形成一个锅炉,

9、锅炉与加热 器固定在一起。泵体上部的三分之二缠绕 着冷却水管或水套。出口管道设置在泵体 下部的一侧,以便将被抽气体或蒸汽排到 前级机械泵。图1中的剖视图给出了单级 扩散泵的示意结构。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o喷射系统(导管系统)安置在泵体中。它 由顶部盖帽的同轴圆管组成,并与张开的 末端配合形成喷嘴,泵工作液蒸汽经过喷 嘴可以高速按预定方向喷出。这里没有机 械运动部件。 o工作时,由固定在泵底下部的电炉元件加 热,将锅炉中的工作液体变成蒸汽。蒸汽 流在导流管中

10、上升,通过环形喷嘴间隙向 由水冷却的泵内壁喷射。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o达到泵入口的气体分子为泵工作蒸汽流所 携带,并获得向下的动量。蒸汽流通常以 超音速流动。气体蒸汽混合物向前级管道 方向运动。喷射流中的油蒸汽碰到水冷却 泵壁后冷凝,以液体形式重新回到锅炉。 而被携带的气体分子则继续流向出口,在 泵出口处被机械泵抽走排到大气中。 o冷凝的油蒸汽沿泵内壁流回锅炉,再加热 后又被蒸发,以维持到喷嘴处的蒸汽流和 抽气的连续性。图2是典型的多级扩散泵 的剖视图。

11、Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o扩散泵的抽气作用是由蒸汽与气体分子的 碰撞,动量交换形成的。气体分子难于逆 流方向上穿越蒸汽流,回到泵的入口处。 由于蒸汽射流两侧出现了压强差(分子密 度差),由蒸汽射流形成的压缩比可以近 似地表示为下式式中为蒸汽流密度,u 为蒸汽流速度,L为蒸汽流的宽度,D为扩 散系数,它与蒸汽和气体分子的直径 和 及 分子量M1和M2有关。 1 2 1 exp() p uL D p 1 2 Vacuum and Fluid Engineering

12、Research Center of Northeastern University, China o式中下标1为被抽气体,2为抽气流体。由 此可知,较轻的气体压缩比是很低的。 0.52 1212 1/2 12 3 () () 8(2 )2 M M DR T MM Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum an

13、d Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o扩散泵的工作压力范围:扩散泵的适用压 强范围在10-8 10 Pa之间。无辅助的低 温抽气在不加烘烤的情况下所能达到的入 口压强约为10-6Pa。对运用的泵结构,高 压强端的稳态压强(在泵入口处)一般不 超过110-1Pa,如果借助低温抽气,如 用冷阱(液氮)可以获得约10-8Pa的入口 压强。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o

14、扩散泵的级数,或喷嘴的数量,取决于其 性能规范。单级泵不能同时有高抽速和高 压缩比。一般来说,入口处的第一级具有 高的抽速和低的压缩比,最后一级(排气 级)正好相反。小泵常常有23级,大泵 有56级。开头几级有环形喷嘴,排气级 有时有一个圆喷嘴。有时为了获得某种性 能,将两个扩散泵串联使用。这样,有增 加压缩级数的作用,而且允许两个泵使用 不同的工作液。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o蒸汽和气体分布:工作液在锅炉内蒸发升 高了蒸汽压强,(势能)经过喷嘴射出高 速蒸汽

15、流(势能转化成动能),气体在抽 气方向上被蒸汽分子碰撞,动量传递给气 体分子而被抽除。因为扩散泵用的工作液 在室温下容易冷凝,所以可在一个紧凑的 空间内安装一个多级喷嘴的导流系统。 o蒸汽流与被抽气体的相互作用,可通过实 验来测其密度分布(如图3),即分子密 度及蒸汽到达泵壁的分布(图4),喷嘴 出口处气体相对减少,可以排放气体被逐 渐压缩的状态。以下各级以次类推。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o扩散泵的特性曲线。扩散泵的抽速与入口 压强的关系用曲线图表示。如图3所

16、示。 曲线由四段组成。靠左段,可见抽速在极 限真空附近明显降低。再向右段为抽速恒 定部分,由于在分子流状态下,通导是恒 定的,与压强无关。蒸汽捕获效率是恒定 的。标有过载的部分是一段排气量恒定的 阶段,这表明已达到最大的排气能力。右 边最后一段曲线表明,前级机械泵大小对 扩散泵性能的影响很大。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图3 扩散泵的抽速曲线 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern

17、University, China (2)抽速 o泵的抽速是指泵入口平面处的抽速。把泵 和被抽容器连接起来的管道,阀门,障板 和阱,对气流产生流阻,引起压强差。在 分子流条件下,障板和阱的流导,在数值 上等效于泵的抽速。因而,在容器抽气口 处的抽速很可能是泵抽速的1/2或1/3。 o因为有放气、漏气等原因,高真空系统中, 气体负荷总不会是零。所以真空室的极限 真空总是低于泵的极限真空。 o通常假定扩散泵在系统压强高于10-1Pa以 上时,工作是不稳定的。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universit

18、y, China o尺寸的影响:已生产的扩散泵入口法兰尺 寸从5cm到120cm甚至更大。大泵与小泵 的差别是油蒸汽从喷嘴到泵壁或冷凝表面 所经过的距离。显而易见,在油蒸汽到达 泵壁时,大泵中的油蒸汽密度低于小泵中 的油蒸汽密度。即5cm口径的扩散泵的抽 速稳定段可延伸到310-1Pa,而120cm 的大泵,其稳定段也能达到310-2Pa的 原因。在稳定工作区域相差一个数量级是 很明显的。在系统设计中必须要考虑到这 一点。为了改善大泵的高压强工作特性, Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University

19、, China o必须采取特殊措施(相应地提高功率输入, 增加泵的级数)。应该注意到大泵和小泵 的几何形状并不相似。但小泵和大泵的锅 炉压强大致是相同的,因为要限制泵工作 液的最高蒸发温度,以避免热裂解。因此, 对所有的泵来说,喷嘴出口处蒸汽密度几 乎是相同的。但是蒸汽既向轴向又向径向 膨胀。我们可以假设蒸汽的密度与离喷嘴 的距离的平方成反比,因此,射流越靠近 泵壁,密度则越低,以致于在较高压强下 抽除气体分子的效率低下。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o对各种气体的

20、抽速:扩散泵的抽速与每种 气体的分压强有关。每种气体都有各自的 抽速,都有各自的极限压强。通常测得的 极限压强是由残留在系统中的泵工作液蒸 汽裂解物或水蒸气造成的。如果泵设计不 合理,对He和Ne的抽速可能要比对空气 低得多。需要时要对不同气体分别进行测 量。真空系统中经常存在的气体有H2、 He、水蒸气、CO、CO2、N2和Ar。一般 说来对He的抽速比空气的高约20%, H2 的抽速比空气的约高30%。障板和阱对轻 气体的阻抗要比对空气的低一些。在相同 挡板的条件下对轻气体的抽速相对高于对 空气的抽速。 Vacuum and Fluid Engineering Research Cente

21、r of Northeastern University, China ()抽气量 o 最大抽气量通常比抽速更重要。最大抽气量值 取决于扩散泵给定的加热功率。抽气量和功率在 量纲上是相同的。目前所设计的泵,用的是现代 泵工作液,要获得160 Pa l/s(1.2Torr l/s)的最 大抽气量需要1 KW的功率。因为1000 Pa l/s=1W。所以扩散泵的效率160 Pa l/s=1.6W与 1000W之比为1.610-4。由此看出扩散泵的效率 是很低的。最大抽气量是对应的入口压强那一点 是很重要的,低于这个压强点,抽速对压强是恒 定的,高于这个压强点,抽气量对压强是恒定的。 Vacuum

22、and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o用压强对抽气量的曲线,如图4所示,这 样就很容易看清大抽气量和压强稳定的范 围,以及超出此范围的过载概念。要记住, 对于给定的系统,给予泵的气体负荷,泵 便有一个入口压强。这有助于选择所需泵 的大小。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图4 抽气量与入口压强的关系曲线 Vacuum and Fluid Engineering R

23、esearch Center of Northeastern University, China ()前级压强 o扩散泵是为高真空的应用而设计的,其锅炉压强 一般是133200Pa(11.5Torr),即意味着泵 的最大压强可达200 Pa(1.5 Torr)。另外,扩 散泵的工作液不能在高压强下沸腾,因为高温会 使泵工作液分解,所以扩散泵必须要有一个泵作 为前级,以便在扩散泵的排气口处形成低于67 Pa(0.5 Torr)的压强。扩散泵的许可前级压强 是在前级管道处的最大许可压强。超过许可的前 级压强就破坏了扩散泵的抽气作用。从本质上说, 当前级管道中的压强超过某个值(通常为0.5 Torr

24、左右)时,泵的排气级的蒸汽就没有足够的 能量和密度来对前级管道中的空气形成屏障。于 是会使空气携带泵工作液蒸汽反向穿过扩散泵。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o现在扩散泵的锅炉压强大约为1.5 Torr,允许前 级压强约为锅炉压强的一半,此值由实验可以获 得泵的入口压强与出口压力的关系。 o最大出口压强是最后一级喷嘴的工作状态决定的。 主要取决于蒸汽射流的密度和喷嘴的蒸汽流量和 最后一级喷嘴的结构。为了提高最大排气压强, 必须提高最后一级的蒸汽射流的密度和流量,即 提

25、高泵的加热功率。最大排气压强与加热功率成 线性关系。 o在多级游扩散的结构中,最后一级喷嘴常作成喷 射型结构。最大出口压强一般规定为40 Pa。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o对前级泵的要求:为给定扩散泵选择合适 的前级泵,必须考虑的几个问题。首先是 作粗抽泵用该多大,它是否既作粗抽泵又 作前级泵用?其次是否要求前级泵在扩散 泵的最大抽气量下运行?最后,扩散泵的 最大许可的排气压强是多少?还有前级管 道的容积(如设储气罐)有多大?在满负 荷条件下,前级泵的抽速由下式

26、求得: max 2 2 Q S P Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o式中Qmax为扩散泵的最大抽气量,P2为最大许可 的前级压强。S2为前级泵的名义抽速。若考虑安 全系数和前级管道的阻力影响。通常安全系数可 以是2。下面举个实例说明。 o假设一个泵满负荷(最大抽气量)时的最大抽气 量是4 Torr l/s(即532 Pa l/s),允许的前级压强 为0.5 Torr(67Pa),则前级泵抽速为: o假设两泵之间的流导没有受到过大限制,那么, 选择名义抽速为14 l/s

27、的泵做前级泵是合适的。 (如按安全系数为2考虑应为16 l/s) max 2 2 Q S P 4(Torr l/s) 8 / 0.5Torr l s Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China (5)极限压强: o关于泵的极限压强问题,可能有两种意见。极限 压强可以被看作是气体负荷的极限或压缩比的极 限。两种看法都有实际意义。后者常适于抽轻气 体。无论压强如何降低,蒸汽流的抽气作用都不 停止。泵的极限压强取决于抽走的和反扩散的分 子数之比,再加上气体负荷与抽速之比泵本身 可能通过泵

28、工作液蒸汽及其裂解物的返流以及部 件的放气形成气体负荷,测得的总的极限压强实 际上是几种因素的组合。一般观察到工作液影响 最大。虽然用最好的工作液,在低于10-6Pa的情 况下,必须对系统进行烘烤除气后才能得到。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o 障板和阱的作用:水冷障板使冷凝或截 获的工作液使之不能再蒸发,因此在阱和 挡板中间的空间中,蒸汽的密度减少了。 减少了蒸汽分子间的相互碰撞,增加了蒸 汽分子碰撞低温表面的几率,即降低了通 过低温阱的几率。 o低温阱有两个基本

29、作用:对泵向系统的可 凝性蒸汽流的阻挡作用,对从系统中释放 出的可凝性蒸汽又起低温泵的作用。在多 数情况下,后者对极限压强起主要影响。 在初抽后的不烘烤的系统中,水蒸气可能 占剩余气体的90%,使冷阱冷却很容易增 加对水蒸气的抽速(一般到23倍)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o对轻气体的压缩比:如前所述,对轻气体 的压缩比(入口压强与出口压强的关系) 可能是相当小的。据测量报道:H2是3 10 2 10 ,He是10 2 10, Ne是1或2 10, CO和Ar为

30、10, 和Kr为(35) 10 ,n C2 H3是7 10 。 o就极限压强而言, H2可能是残余气体成 分的主要部分,因为它存在于金属,泵工 作液及水蒸气中。对超高真空工作来说, 这是个重要问题。此时,一些扩散泵可能 需要串联第二个泵。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o泵工作液的选择:各种有机液体已经用于 扩散泵的工作液。选择工作液的标准是: 在室温下蒸汽压要低,热稳定性好,化学 惰性,无毒性,表面张力大,以便将蠕爬 减到最小程度,闪点和燃点要高,室温下 有适当的粘

31、度,汽化热低,成本要低。例 如常用的DC705油,分子量546,25 蒸汽压5 10-Pa,闪点243,粘度 ( 25)170(cst);表面张力30.5 (达因/厘米)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o有资料报道:用 DC705油的工作特性: 用水冷挡板时极限压力可达10-7Pa,用- 20 障板时极限压强可达10- Pa 。 o在不用低温阱的系统中,其极限压强是工 作液的蒸汽压所能达到的最小值。工作液 沿壁冷凝后的去气可用控制锅炉附近泵壁 温度来实现。即锅炉附近

32、的泵壁温度足够 高,使工作液回入锅炉前去气。这样可使 极限压强得到明显的改善。增加热输入常 可以增加泵的压缩比,但也会破坏极限压 强。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China ()返流 o泵工作液进入真空系统中的任何迁移都 可称为返流。泵的返流率常指无障板泵 的入口平面的返流率。就扩散泵本身而 言,可能存在如下一些返流源: 来自顶喷嘴边缘的过分发散的蒸汽流; 顶喷嘴帽处密封不良而造成的穿透; 顶喷嘴喷出的蒸汽流上层蒸汽分子之间的 相互碰撞 Vacuum and Fluid En

33、gineering Research Center of Northeastern University, China o气体分子与蒸汽分子之间的碰撞,尤 其在高气体负荷下(10-110-2Pa区域) o流回的冷凝物在进入锅炉之前(在喷 嘴部件和泵壁之间)沸腾,使一些工作 液的飞沫向上穿过射流蒸汽; o冷凝液从泵壁上蒸发 o以上各项返流源,通过合理设计可以解 决。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o所有能用室温障板停止或截止的返流称为 一次返流,泵工作液从障板上再蒸发穿

34、过 障板称为二次返流。一次返流可用冷帽进 行有效控制。在有液氮阱的系统中,除了 偶然事故和高气体负荷工作情况之外,返 流可以控制得足够低。在离入口两倍泵口 直径D的位置处,返流率一般可以降到 1/50,入口管道弯90度,可起到挡板的作 用。这样,返流率可以降到该环境温度下 工作液自然蒸发速率的水平。没有低温阱 不可能进一步降低返流率。(图5) Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o扩散泵阱的最佳设计,可获得40%的净抽 速,返流率降到110-7 mg/cm2 min(在 阱

35、的入口平面处)。这个值已被测到。 图5 返油率的降低 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o表面迁移:一些泵工作液可能有蔓延到金属表面 形成油膜的趋势。表面张力为30达因/厘米以上 的工作液不会在普通的金属表面上蔓延。这类工 作液不在覆盖于金属表面上的自身的单分子层上 蔓延。 o泵工作液的损耗:通常工作液面高度30%变化 不会有明显影响。当液面太低时,会导致锅炉表 面过热,长时间对大泵可能引起锅炉底变形,中 心可能露出液面,导致进一步过热,造成加热器 与泵底接触不良,使加热

36、元件过热引起故障如 果液面过高,加热过程可能使工作液起泡沫,使 液面上升与排气管道同样高的位置。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o工作液的损耗除正常返流之外,在接近最 大抽气量下长时间工作,高压强和高速的 空气以正向或反向事故性地流过泵,温度 分布不当造成高蒸汽压的工作液的蒸发。 当气体负荷相当低时,扩散泵工作液可以 工作许多年而不用添加或更换。在加速器 系统上工作超过10年的扩散泵的报道。在 大泵中为了减少损耗,一些泵内装有前级 挡板。 Vacuum and Flu

37、id Engineering Research Center of Northeastern University, China o冷帽是现代扩散泵所必备的,可使返流率 降低到1/50或更小。冷帽通常用铜制成。 要用水冷却。当温度低于80时足以使冷 帽有效地冷凝。当高于105时,冷帽基 本上失去作用。为了保持冷帽正常工作, 必须将冷帽与热的顶喷嘴帽进行隔热。并 留有适当的间隔,以免高粘度的泵工作液 在冷热两部分之间积聚。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o扩散泵压强稳定

38、性:扩散泵系统偶然出现 压强的不稳定,可能是泵外原因和泵内原 因。泵外部原因有:(1)合成橡胶密封 件产生气泡;(2)障板上出现液滴;(3) 前级管道内轻气体的压强高;(4)抽气 量过载;(5)冷阱除霜;(6)阱中冷冻 层爆裂。泵的内部原因为:(1)喷发和 不稳定沸腾;(2)在喷嘴组件外部沸腾; (3)轻气体的低压缩比;(4)喷嘴中的 液体微滴;(5)顶喷嘴温度太低;(6) 锅炉附近泄露。为防锅炉溅起工作液加一 障板来消除。顶喷嘴温度过低导致蒸汽流 间断,从而造成无规律的压强变化。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeas

39、tern University, China o轻气的低压缩比可能引起压强的不稳定。 除增加级数外,可增加功率是有益的。合 成橡胶密封产生的气泡是压强突然上升的 主要原因。入口法兰是最薄弱的部位。O 型圈密封槽的精心设计可将这种不稳定性 减少到最小程度。障板上的液滴落到顶喷 嘴帽的热表面上进行蒸发。所产生的蒸汽 也会影响抽速,据报道,轻气体在泵入口 处的压强波动10%。 o扩散泵的冷却方式,视大小泵不同。通常 小泵用风冷(口径最大为10cm),大泵 用风冷是行不通的。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Un

40、iversity, China 2.其他高真空获得设备 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.1 牵引分子泵 o牵引分子泵和涡轮分子泵与扩散泵在性能上有许 多方面相似。扩散泵中的被抽气体分子在与蒸汽 分子相碰撞过程中得到动能。而在分子泵中的被 抽气体是靠与快速运动的固体表面碰撞而获得动 能的。 o分子泵有两类:第一类是有整体的运动表面(圆 筒型、圆锥型或圆盘型),当气体分子在运动表 面(转子)和静止表面(定子)间多次反射时, 运动将他们牵引到泵的排气侧;第二类,有一系 列

41、类似于轴流压缩机的叶片。每个压缩机由一个 动盘和一个静盘组成。这后一种结构的一个优点 是同一表面不会周期性地暴露于高压强下和低压 强下。 o这种牵引分子泵的结构如图1所示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图几种牵引分子泵的结构示意图 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o一般泵的入口压强为1Pa。特殊构造的可 超出1 Pa,并能向大气排气,这样的泵

42、不 适于反复迅速排气,只适于粗抽后的连续 排气。由于排气量低,容易卡住,应用较 少。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.2 油喷射泵 o可将油喷射泵看成为增压泵和水蒸气喷射泵之间 的过渡。油增压泵与扩散泵很相似,增压泵设计 得使性能曲线平移,这样,其对应的入口压强比 普通扩散泵提高的大约10倍。它们使用具有较高 蒸汽压的泵工作液(如增压泵油)。因此其锅炉 压强和许可出口压强也相对较高。它们被用于高 气体负荷的场合(如真空冶炼),并且在1 Pa附 近常有最大抽速。最近期

43、间由于更有效的扩散泵 和机械增压泵的进展,油增压泵的使用已经减少 了。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o油喷射泵进一步向高的入口压强方向发展。 除了有整体加热器和水冷扩压器外,外型 和蒸汽喷射泵相似。由于机械增压泵的出 现,这样泵很少应用了。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.3 水银扩散泵 o用水银作泵工作液可使锅炉内压强和入口 压强的范围

44、扩大。小型水银扩散泵排气压 强可达50Torr(6650 Pa)。理论上,排 气压强甚至可达到大气压。在下列情况下 使用水银扩散泵是有优越性的。例如被抽 容器内充满水银蒸汽;泵必须处理突然出 现的大的气体负荷;不允许碳氢化物污染。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o室温下水银的蒸汽压接近1.510-3 Torr (0.2Pa)。因此,必须考虑水银的返流 和捕集问题。通常,水银扩散泵与障板、 液氮冷阱一起使用。 o水银泵是有毒的,为避免散落,必须小心 地处理水银蒸汽。水银

45、扩散泵的详细操作 和性能详见专门的文献介绍。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.4 吸附泵(高真空) o普通表面或多孔材料对气体分子的物理吸附或吸 收可用来获得高真空。可以在任一压强下利用吸 附或吸收技术,但由于实际上的限制,它只能作 某种特殊应用。 o为了消除油封机械泵产生的碳氢化合物污染的可 能性,吸附泵常用于超高真空系统的粗抽,并且 常与干式无油机械泵一起使用。抽气步骤依次使 用两台或三台吸附泵,可以从被抽容器中排走大 量的空气。通过离子吸气剂泵抽气,可以获得

46、足够低的压强而不使其过载。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o利用吸附泵获得高真空,可以通过升温将 吸附的气体解吸,然后回到室温,也可冷 却到低温。 o商业用吸附泵通常是为获得前级真空而设 计的。然而,用类似结构的泵进行多级抽 气也能获得高真空。但要有较高的入口流 导。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3 超高真空获得设备 Vacuum and

47、Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 3.1 涡轮分子泵概述 o涡轮分子泵于1957年首次问世。各国真空 企业都有产品投放市场。已获得发展和推 广应用。涡轮分子泵的应用范围与扩散泵 基本相同,这两种泵均可由前级泵不停地 向大气中排气。进口压力在1 Pa10-7Pa 范围。抽气都对分子类别无选择性,从70 l/s10000l/s的泵都能得到。特殊用途还 有更小或更大的涡轮分子泵。扩散泵有 60000 l/s的产品,目前一般用途的涡轮分 子泵没有大于10000l/s的。 Vacuum and Flui

48、d Engineering Research Center of Northeastern University, China o需要高抽速,气体量很小的地方,如大的 超高真空系统中,将涡轮分子泵与捕集泵 (如离子泵、升华泵或低温泵)相并联可 能比单用涡轮分子泵更经济。在这种用法 中,涡轮分子泵可抽除He和H2。而捕集 泵抽除这两种气体会有困难。尤其对升华 泵和低温泵更是如此。涡轮分子泵也可单 独用来将系统粗抽到110-5Pa左右,以 便被捕集的气体量减至最少。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Unive

49、rsity, China 3.2 涡轮分子泵抽气理论 o最常被引用的涡轮分子泵理论是shapiro 和他在麻省理工学院的学生一起提出的。 他们的原始的理论描述如图2所示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeas

50、tern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o实际的叶栅组成如图5所示。 o图3是将三维的转子叶栅简化为二维的叶栅。不 考虑由半径上变化而产生的泵壁表面和几何形状 上的变化因素。这样一个叶栅运动时的抽气能力 是由两侧入射在转子上的分子到达相反一侧的通 过几率不等所引起的。通常考虑叶

51、片速度为与气 体分子热运动速度大的情况,就很容易说明其工 作原理了。假设叶片是静止的和分子相对运动如 图3所示。几乎所有来自侧的气体分子可被认 为入射在C点附近的斜面上。假设是漫反射,那 么在C1角内再发射的分子将回到侧, C3角内 的那些分子将进入侧,而C2 角内的分子将逃 到叶片的两侧。图4是表示从侧入射叶栅的所 有分子将达到D点附近。在d1 角内发射的分子将 回到侧,d3 角内的分子将进到侧,而d2 角 内的分子将逃到两侧。比较不同角度的相对大小, 可见分子从侧到侧的传输几率远大于从侧 到侧的传输几率。 Vacuum and Fluid Engineering Research Cent

52、er of Northeastern University, China o设M12 为从侧碰撞叶片的分子最终被传 输到侧的几率。并设M21 为自侧入射 的分子将被传输到侧的几率。设N1 代 表从侧入射到叶栅上的分子通量,N2 代表从侧入射到叶栅上的分子通量。设 W为从侧到侧通过的净分子通量与入 射通量N1 之比(通常在真空技术中W称为 “何氏系数”)。 o根据分子数守恒原理,可写出如下稳态方 程式 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o或 o因为 是数密度比 等于 o所以

53、 1112221 W N NMNM 212 12121 NM W NMM 2 1 N N 2 1 n n 2 1 P P 2 1 n n 2 1 P P 12 2121 M W MM Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o当W增加时,压缩比呈线性降低。当气流量为零 时,(W=0),则压缩比为 o o当没有压差时,压缩比为1时,则W为 W=M12 M21 o从正反两个方向通过运动叶栅的分子至少与叶片 表面碰撞一次。当它们从运动叶栅发出并接近邻 近的静止叶栅时,具有与运动叶栅的

54、速度相同的 分量。因而,碰撞静止叶栅的分子对静止叶片有 同样的相对速度,如转子叶栅和定子叶栅几何形 状相同,则转子和定子两者的传输几率和压缩比 都相同。 2 1 P P 12 21 M M Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o8个转子叶栅和8个定子叶栅的泵中,对空气和水 蒸气之类的气体从进口到出口的总压缩比至少为 1106 左右。泵入口级为高流导和低压缩比, 而出口级为低流导和高压缩比。 o涡轮分子泵是通过进入叶片之间的通道的气体分 子受叶片的碰撞而实现抽气的。抽速是与叶

55、片速 度以及气体分子所能进入叶片的通道的流导及叶 片的几何形状有关。如果泵入口压强是分子流范 围,则抽速不随入口压强不同而变化。因为分子 流流导不随压强变化而变化。叶片速度是个常数。 这说明,涡轮分子泵的抽速曲线有“平坦部分” (图6所示)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o从入口级抽气开始发生分子间碰撞的高压 强区,一直延伸到低压强的倾斜区,这区 间受涡轮分子泵设计影响,压缩比接近于 气流量为零(W=0)时的压缩比(最大压 缩比)。 Vacuum and Fluid

56、 Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o图6所示的低压倾斜,首先发生于H2 ,要 了解涡轮分子泵出口H2 的分压强,除以 泵的压缩比才得入口压强。涡轮分子泵出 口处H2 的分压强主要取决于前级泵产生 H2 的趋势。 H2 可能在机械泵滑片局部高 温的情况下来自前级泵油的分解,可以想 到低摩擦速度比高摩擦速度,稳定的油比 不稳定的油产生的H2 分压强更低

57、。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China oH2 压缩比约为100的涡轮分子泵具极低的 总压强(大部分为H2 )在110-7 Pa以下, 据此推出低速前级泵的H2 分压强必定在 110-5 Pa左右。对H2 以外的其他气体, 抽速倾斜的压强非常低,以致难于测量。 因为进入泵的分子彼此无关,泵在极限压 强下,除H2 以外的气体陆续有抽气作用。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univers

58、ity, China o分子量对抽速的影响,对于不同的气体, 平坦抽速不同,是由于分子量不同的气体 达到入口叶栅的流导不同,和传输几率不 同所致。除H2 以外的所有气体,抽速大 致是相同的。因为流导反比于分子量的平 方根,而传输几率大致正比于分子量的平 方根。这两个因数彼此趋于抵消。除H2 以外的所有气体的抽速大致相同。在某些 涡轮分子泵中,通过采用较大的前级泵, 使H2 的抽速大大提高。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o涡轮分子泵速度的影响,最佳设计的涡轮 分子泵的

59、抽速大致正比于转速。例如设计 速度最佳,使涡轮分子泵运行在许可的最 高叶片顶端速度下,便可得到最大抽速。 当叶片速度增加时,泵所需的级数相应减 少,在过去的30年中,通用的涡轮分子泵 的叶列顶部速度已经从143 m/s增加到 374m/s,并且采用新型材料,加上设计 优化,使得N2 的何氏系数从0.05增至 0.40,增加7倍。可使最大何氏系数为 0.75。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China o前级泵容量的影响,出口级处的压强,主 要由前级泵的容量控制,因此在过渡区内,

60、前级泵容量越大,涡轮分子泵的抽速越大, 入口应接近分子流状态。在大约133 Pa的 涡轮分子泵入口压强下,所有各级的压强 高到量不出压缩比来。在涡轮分子泵入口 的有效抽速是前级泵的抽速,由于涡轮分 子泵通道的阻抗使前级泵抽速略有下降。 在过渡范围,大量气体在叶栅上的摩擦阻 力使马达上形成摩擦扭矩,马达扭矩越大, 涡轮分子泵抽速越快,并摆脱过渡区就越 快。如果无限地持续过载,泵的马达便会 过热。过渡区入口压强从133 Pa到10-1 Pa跨三个量级。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

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