第二章 真空的获得

第二章、真空的获得重庆大学应用物理系1、概述真空泵:用来获得真空的设备真空泵的分类:(工作原理)压缩型真空泵：其原理是将气体由泵的入口端压缩到出口端。(排出型真空泵)例子:(1)利用膨胀-压缩作用的旋转式机械真空泵；

(2)利用气体粘滞牵引作用的蒸汽流喷射泵；

(3)利用高速表面牵引分子作用的盖德型分子泵;

(4)利用涡轮风扇排除气体的涡轮分子泵等.1、概述吸附型真空泵：其原理是利用各种吸气作用将气体吸掉。例子:1)利用电离吸气作用的离子泵；

2)利用物理或化学吸附作用的吸附泵、低温泵等。

在这类泵中气体分子并不排出泵外，而是被暂时或永久地贮存于泵内。真空泵的使用范围

任何真空泵，在工作时除了抽气作用，总是伴随着出现一些破坏抽气的效应。称此为返流

例如气体被压缩后要反扩散；分子被吸附后还会脱附等。只有在抽气作用强于返流时，泵才能有效地工作，因此每种泵都有它自己的有效运用压强范围及固有特点。

真空泵的种类和运用范围泵压强/Pa抽速/(L.s-1)10510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10旋片机械泵+++++++→1~100低温扩散泵+++++++→扩散泵←++++++→1~1000涡轮分子泵←+++++++→5~10000+表示能应用的区域;主泵、前级泵、辅助泵（角色）泵压强/Pa抽速/(L.s-1)10510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10钛升华泵←++++++→1~100000离子泵←++++++++→1~5000低温泵←+++++++++++++300~5000

真空泵的种类和运用范围+表示能应用的区域;主泵、前级泵、辅助泵（角色）

真空泵的基本参数抽气速率S：在泵进气口处，在给定泵口压强下，单位时间流入泵的气体体积量：极限压强pu

：泵对自身抽气时，经过足够长时间的抽气后，能达到的最低平衡压强最大工作压强使用范围抽速曲线（S-p曲线）流量：在泵进气口处，单位时间内流过的气体量。pSp2p1

真空中的抽气概念——时间常数/排气时间理想抽气过程：当真空容器的内表面上无气体的吸附和脱附现象发生时的抽气过程。则有：t=0，p=p0时长时间抽气时间常数非理想抽气过程：排气时间

真空泵的型号及规格表示基本型号辅助型号①③②⑥⑤④

代表真空泵的等级，阿拉伯数字表示代表真空泵名称，名称的关键字的汉语拼音1、2首字母表示代表真空泵特征，关键字的汉语拼音1、2首字母表示代表真空泵的特点，关键字的汉语拼音1、2首字母表示代表真空泵规格或主参数，阿拉伯数字表示代表真空泵设计序号，以字母A、B、C......表示。2、机械泵获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。改变空腔的容积方式：活塞往复式、定片式、旋片式；主要构件：转子、定子、旋片等偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。旋片式机械泵

当转子逆时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。转速:450~1450r/min原理气镇阀旋片式机械泵的特性及使用1、抽速和压强的关系泵的几何抽速/理论抽速泵的实际抽速讨论:1)泵的实际抽速随容器压强的降低而降低；2)3)有害空间的体积越大或者系数α越大，则极限压强越高，真空度越差；2、使用及注意事项1)机械泵使用时,有一定的转向和转速要求,有些需要水冷以降低油的蒸汽压；2)开启时,需等泵正常工作后,才与被抽系统接通；3)停止时,防止返油；4)选择合适的机械泵油,并及时更换油；5)机械泵可以单独使用,也可作为前级泵使用；油的返流除尘装置油的返流：在旋片泵工作时，油蒸汽会逆着气流运动方向进入泵入口，通过入口管道最终进入被抽容器。返流量随压强的降低而增加，在极限压强附近时，返流量最大。控制方法：在泵入口设定放气阀打开气镇阀工作（单级泵）在泵入口设置吸附阱使用特殊泵油

无油干式机械真空泵

由于半导体、电子工业等制造工业中无油污清洁真空的需求，产生工作在大气到0.1Pa区域的干式真空泵。干式真空泵：非接触式的罗次式、爪式、螺杆式接触式的叶片式、凸轮式、活塞式特点：非接触式转速高，但最大压缩比较小；接触式转速相对要低，但最大压缩比大；无油爪式泵螺杆泵涡旋泵无油干式机械真空泵罗茨真空泵罗茨真空泵

罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵

。转速:3000~4000r/min工作原理

罗茨泵的结构如图所示。在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。

在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。多重罗次泵组合2、机械泵3、动量传递式真空泵

前面介绍的机械泵只能获得低真空(>0.1Pa)，在真空系统中充当前级泵作用。如果要获得高真空还需要一个主泵。广泛使用的获得高真空的主泵：扩散泵和分子泵。二者均为动量传递式真空泵。油扩散泵的结构如示意图泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，气体分子扩散到蒸汽流中，油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用。冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。冷阱扩散泵的抽气理论Jaekel(亚开耳)模型假设:1)自伞形喷嘴射出的射流,在喷嘴平面上各处流速的大小及方向均完全相等,并且在长度L的范围内也保持为常数;2)气体分子一旦落入蒸汽流中,即可获得向出口方向的动量,即不考虑分子与蒸汽碰撞时的反射;3)蒸汽流的数密度远大于气体分子数密度;扩散泵的抽气理论1、压缩比设:ω：蒸汽流运动的速度；nd：在蒸汽流内单位时间单位面积上被往下抽的气体分子数；nu：在蒸汽流内单位时间单位面积上被往上反扩散回的气体分子数；D：蒸汽中气体分子的扩散系数；与n值无关扩散泵的抽气理论1、压缩比即压缩比K讨论：1）压缩比K>1;2)若射流的流速和射流的长度愈大，以及气体分子扩散系数愈小，则喷嘴的压缩比愈高；3）前级压强一定时，K愈大，泵抽气后的极限压强愈低；扩散泵的抽气理论2、抽速A：喷嘴处环行的面积喷嘴平面处经射流抽走的气体流量为：考虑到：气体进入此环形面积时，截面对气流所呈现的孔眼流导，则在环行截面处的有效抽速为：扩散泵的抽气理论2、抽速有效抽速比抽速：单位面积的抽速讨论：1)理想情况下：ω→∞，H=1，;2)实际情况下:H≠1(0.5~0.7)；3)较大的环形截面积、较高的何氏系数、以及大的进口管道，有利于获得高抽速；扩散泵的抽气理论讨论：4)抽速与压强的关系；5)抽速与压缩比、气体种类的关系；6)极限压强与出口压强的关系；7)扩散泵的油蒸汽返流；扩散泵扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的。分子泵分子真空泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为：

牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。

涡轮分子泵靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。

复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。分子泵分子泵结构最早利用动量传输作用来获得真空的是盖德型分子泵。这种泵中有一柱形高速转子，将气体分子从进气口“拖动”到出气口。但由于转子定子间允许的间隙很小(~0.1mm)，难于制造，50年代末期，出现了涡轮分子泵。涡轮分子泵的工作原理涡轮分子泵内装有许多动、静相间安排轮叶，每一轮叶上有许多斜置叶片。轮叶转动时有电风扇轮叶类似的作用，能将气体从一方抽向另一方。碰撞于表面的分子，离开表面时获得了与表面速率相近的切向速率。这就是动置传输作用。分子υ以速度υ

运动的壁涡轮分子泵的工作原理涡轮分子泵的工作原理考虑一个轮叶，（并将轮叶拉直来看）侧视图如下量化：旋转轮叶产生的抽速及压缩比假设：1）气体分子为分子流状态，与轮叶碰撞后按余弦分布；2）气体分子温度和轮叶温度相同；3）轮叶两侧的分子速率分布相同；稳定平衡时：①②轮叶两侧温度相等：涡轮分子泵的工作原理轮叶压缩作用产生的压缩比讨论：1)：当H=0，零流量时，2)：当H=1，p1=p2时，二者折中3)：静止轮叶的抽气能力与动轮叶相同；4)：何氏系数决定于轮叶的形状、转速、气体种类。涡轮分子泵的特征1)：抽速与转速的关系：2)：抽速与进口压强的关系：分子流时，抽速几乎不变，与进口压强无关，只决定于轮叶的形状、转速、气体种类3)：压缩比与抽速及相对分子量的关系：4)：抽速与气体种类的关系：5)：压缩比与前级压强的关系：涡轮分子泵的使用1)：前级压强<1Pa，机械泵作前级泵。2)：中频电机需要风冷/水冷；3)：烘烤除气（达到极限真空），除气温度为100~120℃；4)：极限真空主要取决于分子相对质量小的气体成分/水汽；5)：轴承润滑油存在污染，为准无油系统，充入氮气可抑制油的蒸汽扩散，可采用气浮轴承、磁悬浮轴承；6)：不能在磁场下工作，涡流发热；7)：防止各种碎屑飞入泵内；涡轮分子泵的操作流程干泵系统(用螺杆泵/膜片泵增压)开启增压泵粗抽真空室当真空室达到几百mTorr,启动涡轮分子泵抽气；涡轮分子泵自动完成增速到抽气；有油系统（利用旋片机械泵增压）启动旋片式机械泵，利用旁抽回路为真空室粗抽真空；在粗抽时，当压强低于10Pa时，启动涡轮分子泵时刻记住小心油污染涡轮分子泵；有些系统中，涡轮分子泵和旋片机械泵可以同时启动。关闭涡轮分子泵系统流程关闭涡轮分子泵；让涡轮分子泵转速下降到接近0；关闭机械泵关闭放气阀时，关闭冷却水；涡轮分子泵的操作流程涡轮分子泵立式涡轮分子泵4、气体捕集式真空泵一种将被抽气体吸附或凝结在在泵内表面上的真空泵。它有两种：吸附泵；低温泵低温泵——Cry