分子泵简介及应用

分子泵起源

•分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德(w · Gaede) 首先发明的，这种分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。

牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。

分子泵抽气原理

•分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 分子泵必须在分子流状态下工作。

•因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时，分子间平均自由程可达 4.4mm 。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。

•2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。

•例： H_{2 在空气中含量甚徽，但由于H2 分子具有很大的运动速度 ( 最大速度为 1557m /s) ，所以分子泵对}

H_{2 的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85 ％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。}

涡轮分子泵

•涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。

优点：由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积，放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高

•1) 卧式涡轮分子泵卧式涡轮分子泵特点是其转子主轴水平布置。

•这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装在各抽气单元的排气侧，

•特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过程中，转子位置不动，维修方便。

•2) 立式涡轮分子泵

•其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着转子组和定子组自高真空端向低真空端压缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大，通常在 lmm 左右，因此泵工作时很安全。

轴承润滑

•有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等

方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备

以下三个条件，才能满足泵的工作要求： a. 高速下具备良好的润滑性能； b. 饱和蒸气压低于前级泵工作液的饱和蒸气压． c. 粘度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。

复合式分子泵

•复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合。

•在很宽的压力范围内 ((10-6 ～ 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国 Alcate 公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油。

•缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。

分子泵在系统中的应用

•随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。

•分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。

分子泵在应用系统中常用结构

•以上结构图是分子泵常用情况，实际的应用需视具体设备而定；

•Gate Valve：位于分子泵前端，阀体较大，属闸板阀，开关速度有的可调节，真空异常时，阀的关闭速度是保护分子泵的关键。生成物较多，会造成关闭不严，而无法起到保护作用。需定期清洁保养测试。•Vac test point1：位于被抽单元或Gate Valve口附近，与Gate Valve构成interlok，分子泵端口极限真空为500mTorr，设定值建议为300mTorr以下。

•Rough Valve：粗抽阀，当CHB真空较低时，绝对不能打开Gate Valve用分子泵抽真空。在确认Gate Valve 和 Foreline Valve关闭的情况下，开启Rough Valve，抽CHB真空到300mTorr以下。一般Rough Valve & Foreline Valve & Gate Valve相互有interlok，需测试确认功能是否正常，也需防止误操作（解除interlok情况下，开关不受影响，而不致分子泵损坏）。

•Soft Valve：细（慢）抽阀，防止压差过大而起尘。CHB大气时，一般先用此阀抽。

•Purge N2：有些制程会产生大量粉尘，因分子泵底部有用于冷却分子泵的冷却盘，会致大量积尘于冷却部分，用N2吹扫可减少这方面的影响，另外也作冷却轴承等用途。此N2在分子泵运行时开启，停止时延时关闭。

•Protect N2：此N2通常情况下是关闭的。分子泵高速运转中，突然出现真空或其他方面的异常时，分子泵必须尽快停止运转，充入此N2可尽快让分子泵减速，尽量避免分子泵的损失。