渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

  1958年，德意志聯(lián)邦共和國的W. Baker首先提出了具有應(yīng)用價(jià)值的渦輪分子泵，隨后相繼提出了各種不同結(jié)構(gòu)的分子泵，主要是立式和臥式。 渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子（即動(dòng)葉輪）、靜葉輪和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。 葉輪外緣的線速度與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)速度一樣高（通常為150~400 m/s）。 單個(gè)葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵由十多個(gè)動(dòng)葉輪和靜葉輪組成。 動(dòng)葉輪和靜葉輪交替布置。 動(dòng)靜葉輪的幾何尺寸基本相同，但葉片的傾角相反。 圖 2 顯示了一個(gè)由 20 個(gè)移動(dòng)葉輪組成的整體轉(zhuǎn)子。 每兩個(gè)動(dòng)葉輪之間安裝一個(gè)靜葉輪。 靜葉輪外緣用圓環(huán)固定，動(dòng)葉輪與靜葉輪之間保持1mm左右的間隙，動(dòng)葉輪可以在靜葉輪之間自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

 
  動(dòng)葉片兩側(cè)的氣體分子呈彌散分布。 在葉輪的左側(cè)（見下圖3a），當(dāng)氣體分子到達(dá)A點(diǎn)附近時(shí)，以角度a1反射的氣體分子返回左側(cè)； 在角度 β1 反射的氣體分子部分返回左側(cè)，另一部分返回左側(cè)。 向右穿過葉片：在角度 γ1 內(nèi)反射的氣體分子將直接穿過葉片向右。 同理，在葉輪右側(cè)（見下圖 3b），當(dāng)氣體分子在 B 點(diǎn)附近入射時(shí)，以 a2 角反射的氣體分子將返回右側(cè)； 在角度 β2 反射的氣體分子將部分到達(dá)左側(cè)，另一部分 A 部分返回右側(cè)； 在 y2 角內(nèi)反射的氣體分子通過葉片向左移動(dòng)。 傾斜葉片的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致氣體分子從左到右通過葉片的頻率比從右到左的頻率要高得多。 葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體分子時(shí)不時(shí)地從左向右流動(dòng)，從而產(chǎn)生吸力作用。

分子泵性能和特點(diǎn)

  泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。 壓縮比不僅與泵的級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與氣體的種類有關(guān)。 具有高分子量的氣體具有高壓縮比。 氮?dú)猓ɑ蚩諝猓┑膲嚎s比為108～109； 氫氣為 102 ~ 104； 對(duì)于油蒸氣等分子量較大的氣體，大于1010。泵的極限壓力為10-9 Pa，工作壓力范圍為10-1～10-8 Pa，抽氣量為數(shù)十～ 每秒數(shù)千升（1 升 = 10-3 立方米）。 渦輪分子泵必須工作在分子流動(dòng)狀態(tài)（氣體分子均勻自由距離遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流動(dòng)狀態(tài)）才能顯示其優(yōu)越性，因此需要配備一個(gè) 工作壓力1～10-2 Pa.級(jí)真空泵。 分子泵本身由中頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為10,000至60,000 rpm。

  渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將動(dòng)量傳遞給氣體分子，使氣體沿一個(gè)方向流動(dòng)而抽氣的真空泵。
  渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，耐各種射線的照射，耐大氣沖擊，無儲(chǔ)氣和解吸作用，無油蒸氣污染或污染極少，可獲得潔凈的超高真空 . 渦輪分子泵廣泛應(yīng)用于需要高真空度的高能加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)堆、重粒子加速器以及真空鍍膜工藝等領(lǐng)域。

分子泵的優(yōu)缺點(diǎn)

為了利用渦輪分子泵獲得潔凈真空，國外常采用干式機(jī)械泵作為其前級(jí)泵，形成無油真空系統(tǒng)。 但目前國內(nèi)大部分渦輪分子泵都采用油封機(jī)械泵作為前級(jí)泵，構(gòu)成油基真空系統(tǒng)。 如果操作不當(dāng)，很難避免油蒸汽倒流和污染真空系統(tǒng)。 利用油路系統(tǒng)獲得清潔真空，國內(nèi)外已有一些有效的防止回流的措施和成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)今使用的分子泵

今天，渦輪分子泵越來越多地用于現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)。 濺射、蝕刻、蒸發(fā)、注入、分子束外延和離子處理等設(shè)備都需要在真空環(huán)境中運(yùn)行。 又如電子顯微鏡、表面分析儀器、殘余氣體分析儀和氦質(zhì)譜檢漏儀等，常使用渦輪分子泵抽真空。 此外，空間模擬設(shè)備、核聚變裝置、太陽能集熱管涂裝生產(chǎn)線等也采用大型渦輪分子泵或低溫泵替代油擴(kuò)散泵系統(tǒng)，防止油蒸氣污染。 因此，近十年來，國內(nèi)外渦輪分子泵得到了顯著的改進(jìn)和發(fā)展。 在渦輪分子泵的應(yīng)用日益增多的情況下，干式前級(jí)泵并沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用，有時(shí)不得不使用油封機(jī)械泵作為渦輪分子泵的前級(jí)泵。 因此，針對(duì)這種情況，渦輪分子泵的合理選擇和正確運(yùn)行顯得非常重要。