1、 真空系統的組成及各種真空泵的工作原理在真空實用技術中，真空的獲得和測量是兩個最重要的方面，在一個真空系統中，真空獲得的設備和測量儀器是必不可少的。目前常用的真空獲得設備主要有旋片式機械真空泵、油擴散泵、渦輪分子泵、離子濺射泵、升華泵等。真空測量儀器主要有U型真空計、熱傳導真空計、電離真空計等。隨著電子技術和計算機技術的發展，各種真空獲得設備向高抽速、高極限真空、無污染方向發展。各種真空測量設備與微型計算機相結合，具有數字顯示、數據打印、自動監控和自動切換量程等功能。究竟什么是真空系統?用一句話來概括，就是用來獲得有特定要求的真空度的抽氣系統。真空系統設計的基本內容：是根據被抽容器對真空度的要

2、求，選擇適當的真空系統設計方案，進行選、配泵計算；確定導管、閥門、捕集器、真空測量元件等，進行合理配置，最后劃出真空系統裝配圖和零部件圖。真空應用設備種類繁多，但無論何種真空應用設備都有一套排除被抽容器內氣體的抽氣系統，以便在真空容器內獲得所需要的真空條件。舉例來說：一個真空處理用的容器，用管道和閥門將它與真空泵連接起來，當真空泵對容器進行抽空時，容器上要有真空測量裝置，這就構成了一個最簡單的真空抽氣系統(如圖1)。圖1所示的最簡單的真空系統只能在被抽容器內獲得低真空范圍內的真空度，當需要獲得高真空范圍內的真空度時，通常在圖1所示的真空系統中串聯一個高真空泵。當串聯一個高真空泵之后，通常要在高

3、真空泵的入口和出口分別加上閥門，以便高真空泵能單獨保持真空。如果所串聯的高真空泵是一個油擴散泵，為了防止大量的油蒸氣返流進入被抽容器，通常在油擴散泵的入口加一個捕集器水冷障板(如圖2所示)。根據要求，還可以在管路中加上除塵器、真空繼電器規頭、真空軟連接管道、真空泵入口放氣閥等等，這樣就構成了一個較完善的高真空系統。凡是由兩個以上真空泵串聯組成的真空系統，通常都把抽低真空的泵叫做它上一級高真空泵的前級泵(或稱前置泵)，而最高一級的真空泵叫做該真空系統的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的極限真空度和工作真空度就由主泵確定。被抽容器出口到主泵入口之間的管路稱為高真空管路，主泵入口處的閥門稱為主閥。

4、 通常前級泵又兼作予真空抽氣泵。被抽容器到予抽泵之間的管路稱為予真空管路，該管路上的閥門稱為予真空管道閥。主泵出口到前級泵入口之間的管路稱為前級管道，該管路上的閥門稱為前級管道閥，而軟連接管道是為了隔離前級泵的振動而設置的。 總起來說，一個較完善的真空系統由下列元件組成： 1抽氣設備：例如各種真空泵； 2真空閥門； 3連接管道； 4真空測量裝置：例如真空壓力表、各種規管；5其它元件：例如捕集器、除塵器、真空繼電器規頭、儲氣罐等。獲得真空用真空泵。真空泵按工作條件的不同分為兩類: 能夠在大氣壓下工作的真空泵稱為初級泵(如機械泵),用來產生預備真空。 需要在預備條件下才能工作的真空泵稱為次級泵(擴

5、散泵),次級泵用來進一步提高真空度,獲得高真空。真空分段: 粗真空760 10 Pa; 低真空10 10- 2 Pa; 中真空10- 2 10- 4 Pa; 高真空10-410-7Pa;超高真空10- 1210- 14 Pa; 擴散泵是高真空泵, 當機械泵的極限真空度不能滿足要求時,通常加擴散泵來獲得高真空。這種泵不能從通常氣壓下開始工作,只能在低于1 Pa 氣壓下才能工作。因此,必須與初級泵串聯使用。由機械泵和油擴散泵組成的高真空系統工作過程介紹未抽氣前，主閥活塞在下面閉合，4預真空管道閥、5前級管道閥、7放氣閥均關閉。開始抽氣前打開擴散泵9冷卻水, 然后開機械泵, 這時機械泵對4預真空管道

6、閥5前級管道閥到機械泵出口的一段管道抽氣,當抽氣到一定程度時, 5前級管道閥打開,機械泵對擴散泵的前級抽氣,當抽到符合擴散泵開啟條件時,擴散泵電爐通電加熱,這時維持 2030min,以便擴散泵充分加熱,進入工作狀態。擴散泵進入工作狀態后, 5前級管道閥關閉，4預真空管道閥打開，機械泵對被抽容器抽氣,抽氣達到要求時, 4預真空管道閥關閉，數秒鐘后, 3主閥5前級管道閥打開,擴散泵對被抽容器抽高真空。10.水冷障板作用是防止擴散泵油蒸汽進入高真空的被抽容器。在掃描電鏡真空系統中采用的是液氮低溫冷阱。真空系統舉例1. 鈉燈封接用的超高真空系統用擴散泵和鈦升華泵并聯為主泵，擴散泵單獨串聯前級機械泵的真

7、空系統。圖3所示，稱為鈉燈超高真空封接爐的系統。可以達到極限真空度為1.33×10-6Pa。 圖3.鈉燈封接用的超高真空系統2. 回旋加速器的真空系統回旋加速器的真空系統如圖4所示。該系統一般由真空箱、真空泵（包括高真空泵和前級真空泵）和真空計組成。在真空箱中連接了2個真空計，PIR1控制0.1Pa10-5Pa的壓力范圍，PEN控制高真空范圍。高真空泵是帶有阻尼柵板的油擴散泵DP，在油擴散泵和前級真空泵之間連接一個PIR2，用來監測油擴散泵的前級真空壓力。 圖4.回旋加速器真空系統示意圖3. AMRAY1000B掃描電鏡真空系統AMRAY1000B掃描電鏡真空系統如圖5所示。圖5.掃

8、描電鏡的真空系統示意圖掃描電鏡真空系統的工作過程:打開擴散泵冷卻水,空氣壓縮計達到4個氣壓時,打開真空電源,開機械泵,按下準備狀態,這時機械泵對前級閥V2、旁路閥V3前頭到機械泵出口的一段管道抽氣,當抽氣到一定程度時,氣壓計TC1 提供信號給控制系統,使V2打開,機械泵對擴散泵的前級抽氣,當抽到符合擴散泵開啟條件時,氣壓計TC2給控制系統提供信號,擴散泵電爐通電加熱,這時維持 2030min,以便擴散泵充分加熱,進入工作狀態。擴散泵進入工作狀態后,關掉準備狀態,V2關,V3開,機械泵對樣品室抽氣,抽氣達到要求時,高真空氣壓計TC4提供控制信號,這時V3、V4關閉，數秒鐘后,V4、V5、V2同時

9、打開,擴散泵對整個系統抽高真空。其中的冷阱為液氮低溫冷阱，是為防止擴散泵的油蒸汽進入高真空的電鏡腔室所設。 各種真空泵的工作原理1.旋片式機械泵旋片式機械泵的結構圖。它由轉子、定子、旋片（或稱刮板）、活門和油槽等構成。泵的定子裝在油槽中，定子的空腔時圓柱形。轉子是圓柱形輪子，它偏心地裝成與定子空腔內切的位置。轉子可繞自己的旋轉對稱軸轉動，轉子是由馬達帶動的。轉子中鑲有兩塊刮板，刮板之間用彈簧相連，使刮板緊貼在定子空腔內壁上。當轉子轉動時，被抽容器中的氣體經過進氣口到定子與轉子之間的空間，由活門及進氣口排出。定子浸在油中，油是起密封、潤滑與冷卻作用的，進油槽是為了讓油進入空腔。進空腔的油除了上述

10、作用外，還起著協助打開活門的作用，因為在壓強很低時被壓縮的氣體不足以打開活門，而不可壓縮的油，將強迫活門打開，活門的作用是讓氣體從泵中排出，而不讓大氣進入泵中。泵的工作原理如下圖所示。（a） 表示兩刮板轉動時上刮板A與進氣口之間的體積不斷增大，這時被抽容器內氣體從進氣口進入這部分空間。（b）、（c）表示進入泵中的氣體被刮板B與被抽容器 隔開并被壓縮到活門。當轉子轉動到圖（d）的位置時，被壓縮的氣體的壓強大于大氣壓強，這時活門被打開，氣體排出泵外。兩個刮板不停地重復以上過程，實現 了對容器連續抽氣的目的。以下是另一種旋片式機械泵的結構圖。2油擴散泵 金屬油擴散泵 利用低壓、高速和定向流動的油蒸氣

11、射流抽氣的真空泵。這種泵的極限真空為10-410-5帕，工作壓力范圍為10-110-4帕,抽速范圍為幾十至十幾萬升秒（1升10-3米3）。油擴散泵是獲得高真空的主要設備，廣泛用于真空冶煉、真空鍍膜、空間模擬試驗和對油污染不敏感的一些真空系統中。簡史 1915年，德國物理學家W.蓋得發表了他研究的擴散泵報告。1916年，美國人I.朗繆爾制成泵壁帶有冷卻系統的所謂冷凝泵。這些泵以汞蒸氣為工作介質可獲得10-5帕真空。1928年,英國人C.D.伯爾奇發現高沸點的石油衍生物，1936年，C.D.希克曼等人制成人工合成油。這兩種油在室溫下的飽和蒸氣壓都非常低，從而取代了汞作為擴散泵的工作液。從此油擴散泵

12、在高真空領域的工業生產和科學試驗中就日漸普遍使用，并奠定了高真空技術的基礎。60年代開始，油擴散泵又有了新的發展。主要的改進是：泵的材料采用放氣量甚小的不銹鋼。采用飽和蒸氣壓很低、熱穩定性好的油如聚苯醚和硅油作為泵的工作液。改革結構，新型油擴散泵在泵口法蘭不變和不過分增大泵的外形尺寸條件下，在法蘭下部突出地擴大泵腔的斷面，其抽氣速率可增大 2040。如在此裝設一個大直徑擴散噴嘴和液氮冷卻的大直徑擋油帽等。泵可有通常泵（指沒有擴大泵腔斷面的泵）的抽氣速率，并比較徹底地克服了泵的返油而獲得低于10-8帕清潔超高空。因此,油擴散泵在清潔超高真空的工業生產和科學試驗中又取得重要的地位。結構和工作原理油

13、擴散泵主要由泵體、擴散噴嘴、蒸氣導管、油鍋、加熱器、擴散器、冷卻系統和噴射噴嘴等部分組成（見圖）。當油擴散泵用前級泵預抽到低于1帕真空時,油鍋可開始加熱。沸騰時噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運動的氣體分子擴散到蒸氣流中，與定向運動的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動量，產生和油蒸氣分子運動方向相同的定向流動。到前級，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級泵抽走而達到抽氣目的。泵油的蒸氣壓直接影響泵的真空性能。但油擴散泵所使用的任何泵油，都是蒸氣壓不同的多組分的混合物。因此，要提高油擴散泵的抽氣和真空性能，泵在工作中自身還要對泵油進行分餾和凈化。分餾目的是使高蒸氣壓組分的油不進入高真空工作噴嘴（高真空

14、端的噴嘴）；凈化目的是使高蒸氣壓組分的油在工作過程中不斷為前級泵所抽除，使油逐漸趨于純凈。泵油 在泵結構一定和無漏氣的前提下，油擴散泵的抽氣特性和極限真空主要取決于泵油的性能。泵油種類很多，表幾類泵油的特性另一種低成本的玻璃油擴散泵。擴散泵是高真空泵, 當機械泵的極限真空度不能滿足要求時,通常加擴散泵來獲得高真空。這種泵不能從通常氣壓下開始工作,只能在低于1 Pa 氣壓下才能工作。因此,必須與初級泵（機械泵）串聯使用。 玻璃四級油擴散泵結構原理圖擴散泵的液體油有多種, 目前廣泛使用的是3 號擴散泵油( 20時飽和汽壓為1.3×10- 6 Pa)沸點375 和275 號硅油( 20 時

15、飽和汽壓為1.3×10- 8 Pa) 沸點430。擴散泵開始工作之前, 必須先開動機械泵抽氣, 達到預備真空時( 約1.3 Pa) , 便可以使用電爐對擴散泵蒸發器中的油進行加熱, 約2535 min的時間, 便可觀察到, 擴散泵油開始沸騰, 油蒸汽開始順向每一級噴口定向噴發, 形成射流。當硅油加熱至沸騰時430, 便產生大量油蒸汽, 蒸汽經過導管由各級噴嘴高速噴出, 此時, 由于來自被抽容器的氣體不斷向蒸汽流中擴散,( 便稱擴散泵) 便被帶到下方傘形帽噴發的射流, 這股射流的壓強大于上一級射流, 氣體分子進入下一級射流, 這一級壓強又大于上一級射流, 而油蒸汽被冷凝水套凝結, 沿著

16、管壁經過回油管流回蒸發器, 被帶到下方的氣體則由機械泵以每秒4 升的速率抽走, 20 min 后可達到擴散泵的極限真空度。這些工作狀態, 只有透過玻璃很容易觀察到,擴散、噴發和冷凝的過程, 這也是擴散泵名稱的由來, 這些工作狀態金屬擴散泵是無法觀察到的。工作中的玻璃油擴散泵。金屬油擴散泵的分解圖如下。3.渦輪分子泵 渦輪分子泵外形立式渦輪分子泵Pfeiffer TPU 150 的結構圖利用高速旋轉的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產生定向流動而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優點是啟動快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無氣體存儲和解吸效應，無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。渦輪分子泵廣

17、泛用于高能加速器、可控熱核反應裝置、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。結構和工作原理1958年，聯邦德國的W.貝克首次提出有實用價值的渦輪分子泵，以后相繼出現了各種不同結構的分子泵，主要有立式和臥式兩種,圖1為立式渦輪分子泵的結構圖。渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉子(即動葉輪)、靜葉輪和驅動系統等組成。動葉輪外緣的線速度高達氣體分子熱運動的速度(一般為150400米秒)。單個葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵要由十多個動葉輪和靜葉輪組成。動葉輪和靜葉輪交替排列。動、靜葉輪幾何尺寸基本相同,但葉片傾斜角相反。圖2為20個動葉輪組成的整體式轉子。每兩個動葉輪之間裝一個靜葉輪。靜葉輪外緣用環固定并使

18、動、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙,動葉輪可在靜葉輪間自由旋轉。渦輪分子泵的動靜葉片結構 立式渦輪分子泵的剖面圖上圖為一個動葉片的工作示意圖。在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(圖3a),當氣體分子到達A點附近時，在角度1內反射的氣體分子回到左側；在角度1內反射的氣體分子一部分回到左側，另一部分穿過葉片到達右側；在角度1內反射的氣體分子將直接穿過葉片到達右側。同理，在葉輪右側(圖 3b),當氣體分子入射到B點附近時，在2角度內反射的氣體分子將返回右側；在2角度內反射的氣體分子一部分到達左側，另一部分返回右側；在2角度內反射的氣體分子穿過葉片到達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉

19、片到達右側，比從右側穿過葉片到達左側的幾率大得多。葉輪連續旋轉，氣體分子便不斷地由左側流向右側，從而產生抽氣作用。性能和特點泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級數和轉速有關外，還與氣體種類有關。分子量大的氣體有高的壓縮比。對氮(或空氣)的壓縮比為108109;對氫為102104；對分子量大的氣體如油蒸氣則大于1010。泵的極限壓力為 10-9帕,工作壓力范圍為10-110-8帕,抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1升10-3米3)。渦輪分子泵必須在分子流狀態(氣體分子的平均自由程遠大于導管截面最大尺寸的流態)下工作才能顯示出它的優越性,因此要求配有工作壓力為110-2帕的前級真空泵

20、。分子泵本身由轉速為 1000060000轉分的中頻電動機直聯驅動。4.吸氣劑離子泵（蒸發離子泵和濺射離子泵）將被抽氣體分子電離，并在電磁場或電場的作用下將其輸送到泵的吸附表面而被吸氣劑捕集的一種真空泵。吸氣劑離子泵是一種無污染的超高真空泵，極限壓力可達10-710-9帕。 吸氣劑真空泵分為蒸發離子泵和濺射離子泵兩種。蒸發離子泵和濺射離子泵在可控熱核反應裝置、加速器、空間模擬裝置和電子器件等方面都得到廣泛的應用。 蒸發離子泵 由電離抽氣作用與蒸發（或升華）活潑金屬的吸附作用相結合的真空泵。蒸發離子泵因對活潑金屬(通常是鈦)的加熱蒸發形式不同， 有各種不同的結構形式。圖1為大型蒸發離子

21、泵的基本結構。在外部控制的輸送機構帶動下，鈦絲筒把鈦絲送到加熱柱上。加熱柱受環形燈絲產生的電子束的轟擊而 加熱到2000左右，鈦絲便連續不斷地蒸發、沉積在冷卻的泵體內壁上，形成新鮮的鈦膜而吸附抽氣。同時,柵極也吸引由燈絲發射的部分電子,使其在電場中 高速運動而同氣體分子碰撞，電離氣體分子。離子在靜電場的作用下飛向低電位的泵體內壁，被新沉積的鈦膜所“掩埋”，能量較大的離子還可直接打入沉積在泵壁 上的鈦膜內。這種蒸發離子泵對活性氣體有較大的抽速，而對惰性氣體的抽速則較小。為了提高對惰性氣體的抽氣速率，必須提高電離幾率，因而電離機構就有多種形式。 濺射離子泵濺射離子泵外形電鏡上的濺射離子泵早在本世紀

22、初, 就有人在抽真空的電子管中蒸發一些化學活動性強的金屬, 使其與管內未能抽凈的氣體發生反應, 從而降低空間的氣體分子濃度。這種金屬以及起著相同作用的材料就叫做吸氣劑, 這種方法叫做化學清除。實驗證明, 用鈦持續蒸發到一個冷卻的壁上, 可以形成具有相當抽氣速率的泵, 形成簡單的升華泵。 俘獲氣體分子還可以使用電離吸附的方法。利用高速電子轟擊氣體分子可以得到正離子, 正離子在電場作用下被驅逐到負電極上, 中和后由于分子間的范德瓦爾斯力被金屬吸附而不再離開電極。這樣降低了空間氣體分子濃度, 達到了獲得真空的目的。這種現象稱為電清除, 利用電清除達到除氣目的的泵稱為離子泵。離子泵對吸附的氣體沒有選擇

23、性。 離子泵和升華泵都能獲得很高的真空度, 但是單獨使用它們來獲得更高的真空就有很大的困難。這與它們的工作機理有很大的關系。依靠物理吸附的離子泵俘獲氣體分子的能力有限; 升華泵產生的化學鍵能雖然大, 但很容易在其表面形成飽和, 影響其進一步吸收氣體, 而且升華泵對惰性氣體吸附效果不好。因此將兩種泵合二為一, 就能得到吸氣效果更好的濺射離子泵。濺射離子泵的組成 濺射離子泵主要由陽極、陰極、永磁鐵和泵體四大部分組成。陽極是由多個不銹鋼圓筒排列組成的蜂窩狀結構, 陰極是兩塊平行的鈦合金板, 將陽極夾在中間, 三者相互間保持一定距離并通過高壓絕緣陶瓷連接。陽極施加37 kV 直流高壓, 陰極接地。陰陽

24、極板被泵體密封在內部, 在泵體外部吸附相對放置的兩塊永磁鐵, 磁場方向與極板垂直, 磁感應強度10002000 Gs。泵體結構如圖1。拆開的濺射離子泵內部濺射離子泵的工作過程 濺射離子泵又稱潘寧泵, 顧名思義, 它是利用潘寧放電進行除氣的。濺射離子泵是目前比較好的抽真空設備。 濺射離子泵的原理圖 濺射離子泵的工作過程比較復雜, 可簡單的概括如下: 首先, 電源啟動, 在陰陽極板間產生高壓。由于級間距離很近, 根據E=U/d 可知, 電場強度E數值非常大, 尤其在陽極筒壁邊緣處。在強大的電場和與之平行的磁場作用下, 電子以螺旋線方式高速運動, 由于電子運動行程的增加, 大大提高了與氣體分子碰撞的幾率。電子在空間與氣體分子碰撞產生正離