培训系列之7(杨乃恒)：高真空与超高真空获得设备学习资料.ppt

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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获得(hud)设备主讲人：杨乃恒第一页，共167页。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(shj)（刘坤）o四.低真空获得设备（张以忱）o五.清洁真空获得技术（巴德纯）o六.中真空

2、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培训(pixn)系系列之列之第二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China）概述(i sh)o真空系统的工作压强是由气体的流入

3、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(xingyng)增加一个量级。第三页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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。如工作在高真空区域(qy)内就称作高真空获得设备，或工作在超高真空

4、区域(qy)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。第四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 据文献(wnxin)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。第五页，共167页。Vacuum and Fluid

5、 Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 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(lz)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超高真空泵的性能和使用规则 第

6、六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China2）高真空(zhnkng)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10-110-7Pa）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(shyng)无需维护时，一般使用(shyng)扩散泵。第七页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Researc

7、h Center of Northeastern University,Chinao 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(linji)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）。第八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeaste

8、rn University,Chinao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(yunl)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。第九页，共167页。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(

9、jnxng)抽气。圆筒的底部是封闭的，形成一个锅炉，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。第十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(zhn ki)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

10、电炉元件加热，将锅炉中的工作液体变成蒸汽。蒸汽流在导流管中上升，通过环形喷嘴间隙向由水冷却的泵内壁喷射。第十一页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(lngnng)，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(lngnng)的油蒸汽沿泵内壁流回锅炉，再加热

11、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。第十二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(nli)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。第十三页，共1

12、67页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao式中下标1为被抽气(chu q)体，2为抽气(chu q)流体。由此可知，较轻的气体压缩比是很低的。第十四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China第十五页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universi

13、ty,China第十六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(jigu)，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。第十七页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center

14、of Northeastern University,Chinao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(zuhu)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。第十八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao蒸汽和

15、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(j)以次类推。第十九页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chi

16、nao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(fnz)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。第二十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 图3 扩散(kusn)泵的抽速曲线 第二十一页，共167页

17、。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern 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(zhnkng)系统中，气体负荷总不会是零。所以真空(zhnkng)室的极限真空(zhnkng)总是低于泵的极限真空(zhnkng)。o通常假定扩散泵在系统压强高于10-1Pa以上

18、时，工作是不稳定的。第二十二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao尺寸的影响：已生产的扩散泵入口法兰尺寸从5cm到120cm甚至(shnzh)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。

19、为了改善大泵的高压强工作特性，第二十三页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(xio

20、 l)低下。第二十四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao对各种气体的抽速：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(zhn q)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3

21、0%。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。第二十五页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China（）抽气量(qling)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

22、.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(duyng)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。第二十六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(fh)，泵便有一个入口压强。这有助于选择所需泵的大小。第二十七页，共167

23、页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 图4 抽气量与入口压强(yqing)的关系曲线第二十八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China（）前级压强(yqing)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

24、为(yn wi)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。第二十九页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao

25、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(shyn)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。第三十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univ

26、ersity,Chinao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(qling)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求得：第三十一页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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

27、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(xinzh)，那么，选择名义抽速为14 l/s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）第三十二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China（5）极限(jxin)压强：o关于泵的极限压强问题，

28、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(ybn)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。第三十三页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern U

29、niversity,Chinao 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(knng)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）。第三十四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Cen

30、ter of Northeastern University,Chinao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(zhnkng)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。第三十五页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center

31、 of Northeastern University,Chinao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，室温下有适当的粘度，汽化热低，成本要低。例如(lr)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）。第三十六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Ch

32、inao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。即锅炉附近的泵壁温度足够高，使工作液回入锅炉前去(qin q)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。第三十七页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China（）返流o泵工作液进入

33、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：o来自顶喷嘴边缘的过分发散(fsn)的蒸汽流；o顶喷嘴帽处密封不良而造成的穿透；o顶喷嘴喷出的蒸汽流上层蒸汽分子之间的相互碰撞 第三十八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao气体分子与蒸汽(zhn q)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

34、射流蒸汽(zhn q)；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。第三十九页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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过障板称为二次返流。一次返流可用冷帽进行有效控制(kngzh)。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(kngzh)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

35、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）第四十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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（在阱的入口平面处）。这个(zh ge)值已被测到。oo 图5 返油率的降低第四十一页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Ch

36、inao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(gul)表面过热，长时间对大泵可能引起锅炉(gul)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。第四十二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center

37、 of Northeastern University,Chinao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(bodo)。在大泵中为了减少损耗，一些泵内装有前级挡板。第四十三页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao冷帽是现代扩散泵所必备的，可使返流率降低到1

38、/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(jnxng)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。第四十四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao扩散泵压强稳定性：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

39、；（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(pnf)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。第四十五页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao轻气的低压缩比可能引起压强的不稳定(wndng)。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

40、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(wndng)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。第四十六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China2.其他(qt)高真空获得设备第四十七页，共167页。Vacuum and Fluid Engin

41、eering Research Center of Northeastern University,China2.1 牵引(qinyn)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，有一系列类似于轴流压缩机的叶片。每个压缩机由一个(y)动盘和一个(y)静盘组成。这后一种结构的一个(y)优点是同一表面

42、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。第四十八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao oo图几种(j zhn)牵引分子泵的结构示意图第四十九页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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，这样的泵不适于反复迅速(xn s)排气，只适于粗抽后

43、的连续排气。由于排气量低，容易卡住，应用较少。第五十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China2.2 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(fh)的场合（如真空冶炼），并且在1 Pa附近常有最大抽速。最近期间由于更有效的扩散泵和机械增压

44、泵的进展，油增压泵的使用已经减少了。第五十一页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(jxi)增压泵的出现，这样泵很少应用了。第五十二页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China2.3 水银(shuyn)扩散泵 o用水银作泵工作液可使锅炉(g

45、ul)内压强和入口压强的范围扩大。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。第五十三页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(s

46、nlu)，必须小心地处理水银蒸汽。水银扩散泵的详细操作和性能详见专门的文献介绍。第五十四页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China2.4 吸附(xf)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(hud)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

47、容器中排走大量的空气。通过离子吸气剂泵抽气，可以获得(hud)足够低的压强而不使其过载。第五十五页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(shngy)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。第五十六页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of N

48、ortheastern University,Chinao 3 超高真空(zhnkng)获得设备 第五十七页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China3.1 涡轮分子(fnz)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(fzhn)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

49、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。第五十八页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao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(shnghu)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(shnghu)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11

50、0-5Pa左右，以便被捕集的气体量减至最少。第五十九页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China3.2 涡轮分子泵抽气(chu q)理论o最常被引用的涡轮分子泵理论(lln)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(lln)描述如图2所示。第六十页，共167页。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China第六十一页，共167页。Va