真空物理技术

真空技术在真空泵中的应用院系名称：理学院专业班级：应物1102班学生姓名：闫新政学号：201121020216真空技术在真空泵中的应用闫新政（河南工业大学理学院，郑州，450001）摘要本文主要介绍了真空技术在真空泵中的一些应用。以机械泵、扩散泵、分子泵、离子泵、低温泵为例，分别介绍了它们的结构、原理和一些具体的应用等。文章最后对真空泵的应用前景进行了简单的展望。关键词：真空技术；机械泵；扩散泵；分子泵；离子泵；低温泵AbstractThispapermainlyintroducessomeapplicationsofvacuumtechnologyinthevacuumpump.Themechanicalpump,diffusionpumps,molecularpump,ionpump,cryogenicpumpasanexample,introducestheirstructure,principleandsomeconcreteapplication.Finally,theapplicationprospectofthevacuumpumpisasimpleprospect.Keywords:vacuumtechnology;mechanicalpump;diffusionpumps,molecularpump,ionpump,cryogenicpump引言：随着真空获得技术的发展，真空泵的真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面；已经在工业、食品、航空航天等领域得到了广泛的应用。近年来，伴随着我国经济持续高速发展，真空泵相关下游应用行业保持快速增长势头，同时在真空泵应用领域不断拓展等因素的共同拉动下，我国真空泵行业实现了持续稳定地发展。1机械泵1.1旋片泵的工作原理旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。图1旋片泵的结构示意图Fig.1Schematicdiagramoftherotaryvanepump定子腔内高速旋转的偏心转子，使进气腔容积周期性扩大而吸气，排气腔的容积周期性缩小而压缩气体，并借助压缩气体的压力推开排气阀门，使待抽容器的气压下降图2旋片旋转时的几个典型位置Fig.2rotaryvanerotatesseveraltypicalposition两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个部分，当转子按图示方向旋转时，与吸气口相通的空间A的容积不断地增大，A空间的压强不断的降低，当A空间内的压强低于被抽容器内的压强，根据气体压强平衡的原理，被抽的气体不断地被抽进吸气腔A，此时正处于吸气过程。B腔的空间的容积正逐渐减小，压力不断地增大，此时正处于压缩过程。而与排气口相通的空间C的容积进一步地减小，C空间的压强进一步的升高，当气体的压强大于排气压强时，被压缩的气体推开排气阀，被抽的气体不断地穿过油箱内的油层而排至大气中，在泵的连续运转过程中，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的。排气阀浸在油里以防止大气流入泵中，油通过泵体上的间隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有运动的表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔的密封，同时油还充满了一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。1.2气镇阀油封机械真空泵的压缩室上开一小孔，并装上调节阀，当打开阀并调节入气量，转子转到某一位置，空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外，起此作用的阀门称为气镇阀。工作原理：由于大气中都含有一定量的水蒸气，所以泵工作时所抽除的气体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。这种混合气体在泵内被压缩排气的过程中，如果可凝性气体的分压力超过了泵温下的饱和蒸气压，那么它们就会凝结并与泵油混合，随油一起循环。当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。随着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油。气镇阀是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。这种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔中与被抽气体相混合。当把这种混合气体压缩到排气压力时，由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温状态的饱和蒸气压以下，因而蒸汽不会凝结而与其它气体一起被排至泵外。被抽气体中蒸汽的含量越多，掺入的干燥气体量就需越多。1.3旋片泵的用途及使用范围1.3.1旋片泵是用来对密封容器抽除气体的基本设备之一。它可单独作用，也可作为增压泵、扩散泵、分子泵等的前级泵，维持泵，钛泵的预抽泵用。可用于电真空器件制造、保温瓶制造、真空焊接、印刷、吸塑、制冷设备修理以及仪器仪表配套等。因为它具有体积小、质量轻、操声低等优点，所以更适宜于实验室里使用。1.3.2在环境温度5℃–40℃范围内，进气口压强小于1.3×103帕的条件下允许长期连续运转，被抽气体相对湿度大于90%时，应开气镇阀。1.3.3进气口连续畅通大气运转不得超过一分种。1.3.4不适用于抽除对金属有腐蚀的，对泵油起化学反应的，含有颗粒尘埃的气体，以及含氧过高的，有爆炸性的，有毒的气体。1.4旋片式机械真空泵特点1.4.1其工作压强范围为101325-1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。1.4.2它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵1.4.3结构简单，工作可靠1.4.4由于它以油作为密封物质，因此它会造成油蒸气的回流和对真空系统造成油的污染。2扩散泵2.1工作原理泵油经电加热后，产生油蒸汽沿做蒸汽导流管上升到泵的上部，从伞型嘴向下喷出，形成高速运动的、具有优越运载气体分子的能力射流，达到把气体分子抽出的效果。2.2优缺点2.2.1优点：稳定、蒸汽压低、汽化热小、不分解、不吸收气体、不与周围物质起反应。2.2.2缺点：油蒸汽对真空腔的污染。2.3油扩散泵2.3.1工作原理：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，使之具有很好的运载气体分子的能力。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。2.3.2特点：扩散泵必须和机械泵联合工作，才能构成高真空抽气系统。单独的扩散泵时没有抽气作用的；理论上，扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性；扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质，即使时常温下，长期接触大气也会因为吸收水分而降低性能。因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态；扩散泵油易挥发，因此在进气口都有挡油的冷阱。图3扩散泵的结构示意图Fig.3Schematicdiagramofthediffusionpump3分子泵3.1分子泵原理分子泵是一种动量型真空获得设备，在分子流态下，气体分子与高速运动的表面发生碰撞获得一定方向的动量，从而使气体分子得到逐级压缩，最后被抽除。图4动叶片的工作示意图Fig.4Schematicdiagramofthebladework在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a),当气体分子到达A点附近时，在角度α1内反射的气体分子回到左侧；在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶轮右侧(图3b),当气体分子入射到B点附近时，在α2角度内反射的气体分子将返回右侧；在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧从而产生抽气作用。3.2涡轮分子泵3.2.1工作原理：通过高速转动（24000-80000rpm）的叶片将动量传递给气体分子，使气体产生定向流动而抽气，极限真空：5X10-11乇3.2.2涡轮分子泵的特点：涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。3.3分子泵输送气体应满足二个必要条件3.3.1涡轮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0.06μm，即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06μm，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。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。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。3.3.2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：H2在空气中含量甚微，但由于H2分子具有很大的运动速度(最可几速度为1557m/s)，所以分子泵对H2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。3.4分子泵的应用一般来讲，分子泵用来获得高，或超高真空。广泛应用于：工业工艺过程（装饰、ITO、PVD、晶振、玻璃镀膜，照明、真空炉排气）；仪器、设备；科研、军工以及半导体等领域。4离子泵4.1溅射离子泵4.1.1工作原理：极板间加高压(~5kV)；电子螺旋运动(longerpath-length).气体分子被电子离化，向阴极运动；离子注入阴极(Ti，Ta)，溅射阴极材料；溅射出的阴极材料与气体反应，沉积在角落中或阳极上；10-4Torrto10-11Torr4.1.2溅射离子泵的组成：溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。4.1.3溅射离子泵的工作过程：首先，电源启动,用磁控放电生成离子。其次用化学活性金属（通常是钛）制作的阴极在离子的轰击下发生溅射。最后被溅射的金属形成的薄膜对气体进行吸附，空间中的气体和被溅射的阴极材料形成化合物从空间中除去。4.1.4溅射离子泵的优缺点优点：是一种完全不用油的清洁泵。一旦封离，跟大气空间的通道就全部截断，即使由于停电等原因而中断能量的供给也无关紧要，如果再通电又会再启动。所需的只是电力,高真空时耗电量少。缺点：对排除反应性气体十分有效（如氧气，氮气），但是对排除惰性气体的排除是有限的。特别是氩气，在排气过程中，压强急剧变化，很不稳定。每隔2-3年清洗一次，费用较高。4.2钛升华泵4.2.1工作原理：加热Ti丝使其蒸发到冷壁.Ti原子与气体反应.4.2.2优点及缺点：工作范围10-8-10-11Torr；便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题；需要再生，很难排除惰性气体和甲烷。5低温泵图5低温泵的结构示意图Fig.5Schematicdiagramofcryogenicpump5.1