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　　1、曳空汤理鸟技*Vacuum Physics and Technology赵风周物理学院2011.5第三章真空获得I、真变泵的分类与性能二、家积式I真空泵三、动量传适式真变泵呵、毛体蜡集式真空泵五、起富真变获得技术第三节动量传递式真空泵利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体 或气体分子，使气体不断地从入口传输到出口的线) 分子泵：牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。(2) 喷射真空泵：水喷射泵、气体喷射泵和蒸汽喷射泵三大类(3) 扩散泵：以油或汞蒸汽作为工作介质。汞扩散泵不带分馆 装置,油扩散泵有分馆装置5 今 &宴空泵(Molecular Pump)和概述&分子线年德国人盖德（W.Gaede）发 明的，之后他又以气体的外摩擦作用为分子泵奠定了理论基 础。利用了气体的外摩擦输运现象，也就是分子牵引力 ,所以称为牵引分子泵。1956年，德国人贝克（W.Becker）发明了涡轮分子泵,以高 速旋转的动叶片和静止的定叶片配合来实现抽气，极限压强 可达10-9pa以下.& 1972年出现了涡轮牵引复合分子泵，采用螺旋动密封，可直 接向大气排气。近年来，空气轴承和磁悬浮轴承的应用，使分子泵作为清洁 线空气轴承(AirBearing)Journal Air BearingReservoirThrust Air Bearin

　　6、P有关第二项为常量某一瞬间，不是第一项起支配作用就是第二项起支配作用八bh3dpQ c = p 212 chbh2 dp于是可得一个特征压强PL粘滞流态和分子流态的分界压强#6Oh(1-7)#讨论：（1）粘滞流态和分子流态的流量与抽速 分界压强久把压强范围分盹 羽和P%两个区域PPs区域，气体为粘滞流状态22叭十Sbp-% +U2hb-卩中s区域，气体为分子流状态Kibh3 dpbh3 dp12 dxbh2 dp20 dxbh2 dp2pO dr(1-8)(1-9)d-10)(1 11)182进气口转子叶片!:1O1325Pa出气口7直排大气的牵引分子泵211.3涡轮分子泵的抽气原理与结构特点

　　8、间和 &气体分子从空间经过叶片进入空间的几率为W2,反向 几率为旳1转子运动速度2526抽气系数和压编比气体分子的平均热运动速度设为C站在叶片上观测，速度分(b 布如(d)、(e)口 令A,、A I,。、A 2,0、构成的通道空间为K 口屈的空间内，区分子可 自由地通过K区到区口爲的空间内，没有分子能 自由的飞过K区到达区27节弦比：sbu速度比：q二z-1 2RT / Ma气体分子从侧到W的净气流量为Cn,Cn,Cn-AH = 4 Wp - AW?j4 141 1242 21H表征抽气效率的抽俸数何氏系数3 若41=人2,右=卩2, PPl=nJnl#dp讦P2时，得最大抽气系数dnaxH

　　9、喰=Wl2-W2ld-14)0#0#时，得最大压缩比Kmaxmax( 、V 1 /max21(1-15)a气体分子通过叶列的几率We和旳1与叶列的速度比5 叶列倾角心叶列的节弦比必有关。通常旳2和“21可用积分方程法、蒙特卡洛法.传输矩阵法和角系数法求得1.0q-?o.i.a-40*-=-/a/b=l8 6 4 2 0 o o o o M5:SHJS出划*0#0#08 64 n速率比45031P叶片的速度比C值涡轮分子泵的结枸特点涡轮分子泵都. ,叶列的级数 1531级叶列。 若要提高抽速 若要提高压缩 多级叶列组合时， 压缩比可相对小一 降，这时应选择压 的就能获得抽速

　　10、高强度与气体摩擦生热的限制,oE序交替排列子泵有P2I速大的叶片形状， 压强增大，抽速下 整个涡轮分子泵 ，但是由于叶列受C1不能选的过高，一般选Ci 10 10 1 10*10*10* ltf八/Pa#5、抽速与气休种类的关系,/氮扌EA速为1加数妾决41PUMP_NG SPEEDPumping speed L/secl-n-et Pressure【mbarjNitrogen Argon xasf Hydrogen3OO6. 涡轮分子泵应用特点工作压力范围宽，在10T107pa范围内具有稳定抽速;起动时间短，能抽除各种气体和蒸汽;分子泵适用于在要求清洁的高线、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线 复合分子泵(Compound molecular pump)复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体，在很宽的压强范围内(lOlPa)具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了出口压强。复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种: 涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合 涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合 涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在10级以内。牵引级主要用来增加泵的

　　15、油蒸汽经过导流管进入伞形喷 嘴，形成超音速蒸汽流丄由于存在密度梯度,油蒸汽射 流上方的被抽气体扩散到蒸汽 射流内部获得动量，被携带 到泵壁上丄油蒸汽在水冷泵壁上冷凝，释 放出气体，被前级泵抽走丄冷凝油滴沿泵壁流回锅炉进气口伞形喷嘴/扩散泵油 加热电炉69321亚什金模夏Jaekel模型是一个初步的理论模型:自伞形喷嘴射出的射流，在喷嘴平面上各处流速的大小和方向均完全相等，且在射流长度L范围内保持为常数；气体分子一旦落入蒸汽流中，即可获得向出口方向的动量，不考虑分子与蒸汽碰撞时的散射;蒸汽流分子数密度 气体分子数 密度713.2.2爲俯比绘蒸汽流运动速度为和 在蒸汽流内单位时间.单位面积上被向

　　17、e。专11 +4 wS#S#鞭何氏系数：表征抽气效率的系数，HH = ipzr1 +丄4 wS773J扩散泵的性能33、1抽速层入压强果t扩散泵抽速在很宽的压强范围内保持不变，但在压强较高或 很低时，抽速下降很快。当泵入口压强很低时，气体从前级通过射流的反扩散会增加 ,同时工作油蒸汽的含气量和泵壁放气影响变得显著入口压强较高时，大量气体压缩比限制区恒定抽速区恒定排气量区109o.l-iu Pa)入口压强分子进入射流与蒸汽分子碰 撞，射流的定向速度衰减较 大，增大了前级的反流，抽 速降低3.3.2敘限层强e油扩散泵的极限压强与前级侧气体的反扩散、泵壁温度下 泵油的饱和蒸汽压、泵油的裂化程度、蒸汽

　　18、射流的放气量以及泵壁的放气量等因素密切相关e当泵的出口压强小于某一出口压强卩时，泵的入口压强不受出口压强的影响，气体的反扩散对泵的极限压强影响不大出口压强/Pa333舉丈出口层强田油扩散泵的最大出口压强取决于最后一级喷嘴的工作状态,与蒸汽射流密度、喷嘴蒸汽流量以及最后一级喷嘴的结 构有关。田为提高泵的最大出口压强，可提高泵的加热功率，最大出口压强与加热功率成线性关系。田油扩散泵的最大出口压强一般规定为40Pa。7734减少返油的措施(1)返油源于以下四个方面 凝结于顶喷嘴表面的油膜蒸发， 占总返油量的70%左右； 泵壁上凝结油膜的蒸发，与泵壁 的冷却状况有关； 蒸汽射流碰壁后的散射，与射流 强

　　19、度有关； 蒸汽射流中油分子向高真空侧的 扩散，与射流温度有关(2)减少返油的措施 在顶喷嘴上加挡油帽，可大幅减少顶喷嘴表面油膜的蒸发返油量，且对泵的抽速影响不大一现代扩散泵的标配;第四节化体捕集式真空泵气体捕集泵是一种将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上的真 空泵，主要有两种形式。(1)吸附泵：主要是依靠具有大表面积的吸附剂的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵，KB体育如吸附阱、吸气泵;还有连续不断的形成新鲜的吸气剂膜的捕集式真空泵, 如溅射离子泵、热蒸发钛升华泵等。(2)低温泵：利用低温表面来冷凝捕集气体的真空泵，如冷凝泵和小型制冷机低温泵等。槪射离&泵(Ion Pump)8183溅射离子泵是1958

　　20、年由Hail等人发现潘宁放电真空计在测量真空 时，真空计本身具有一定的抽气作用，所以离子泵又称为潘宁 泵。优点：（1）无油,无振动，无噪声；（2）简单可靠，寿命长，可烘烤;（3）不需冷却剂，安装方向不限；工作压强范围宽（l-1010Pa）；对惰性气体抽速大，是目前抽惰性气体最好的泵。缺点：（1）带有笨重的磁铁，体积重量都较大；（2）对有机蒸气污 染敏感，连续抽30min油蒸汽就会使泵启动困难；（3）二极泵抽 惰性气体会出现不稳定，需用三极泵。应用：现代尖端技术的超高真空领域，原子能.核工业、高能加 速器、宇宙模拟.表面物理.电子工业、高纯金属冶炼851.2基本结构 泵的阴极由钛板构成，阳极由多

　　21、个不锈钢圆筒并联组成 至于两个阴极钛板之间 磁场(永久磁铁)方向垂直于阴极板 阴.阳极间加适当直流高压 (3kV8kV),且气压低于IPa 时，在阳极桶内放电。13工作原理1.3.1港彳敘电潘宁放电：在电场和磁场联合作用下，使电子较长时间内局限 于某一特定空间内运动所形成的一种气体放电类型电子的运动受两方面限制 外加电场对其轴向运动的限制 磁场对其半径方向运动的限制TA鞭电子在圆筒内长时间运动，与气体分子碰撞而使大量气体分子 电离，在阳极筒内形成空间电荷。鞭 正离子质量很大，不受磁场限制，很快飞到阴极中和成分子圆筒内空间电荷主要是电子，密度很高。圆筒内有外加电磁场，还有空

　　22、间电荷的电磁场，比较复杂，但是只要单位时间内进入阳极的电子数和新产生的电子数相等,就会使气体出现稳定的自持放电。轮滚线卑无泵內的汤理过程单元泵加上电场与磁场后，等电位线如图所示。潘宁放电，电子在电磁场的综合作用下，轨迹像一根拉开的电炉丝绕成一个螺旋状放在阳极筒里。电子在阳极筒内转速很高，要经历很长的路程后才落到阳极上a) 104Pa： lkm,束缚时间Imsb) 108Pa： KHkmc) 1010Pa：束缚时间可达17min正离子产生以下作用： 角度、能量合适，注入阴极板内 Ti原子被溅射出来，形成Ti膜吸气 打出二次电子14二极泵的氨不稳定性越 二级溅射离子

　　23、泵的最大缺点：sAr：缺只有1%述 惰性气体的不稳定性：二极溅射离子泵长时间抽气后，会出现Ar循环不稳定现象二极离子泵在抽除Kr, Xe等惰性气体时，经常会出现真空系统的压强突然脉冲式的上升，幅度可达102PaoAr循琢耒穗定的原系统长期运行后，压强降低，气体放电模式改变，离子轰击阴极表面不再集中于中心部位，开始想周围阳极边缘所对的阴极环形部分扩展，在正离子轰击下引起溅射和Ar气释放，反过来 又增加更大的离子轰击因此Ar压强急剧上升；随着压强上升，放电再次向阴极中央集中，边缘重新抽除A$强降低。主要原因：阴极的双重功能引发二极泵的阴极一方面作为溅射源，另一方面作为Ar的收集极，导致前面被掩埋的

　　24、气体被轰击出来，所以会周期性的释放被掩埋的气体。8915溅射离子泵的改进Is为了提高惰性气体的抽速，克服循环不稳定性，离子泵的设计中把溅射和埋藏作用分开，并且把Sa/Sm作为一个重要的评 价指标三极溅射离子泵 三电位三极型：增加一个处于中间电位的收集极，Sa/SnMU% 二电位三极型：阳极与收集极均接地，SJS2=25% 异形阴极二极型 阴极短柱型：Sa/Sn2=25% 磁控管型1.6溅射离子泵的工作特性1、6敎电特徃泵内放电空间的电子不断电离气体分子，泵外回路上有放电电流人z的大小与泵内气压p的次方成正比I =CpnC,n常数，1（繁流放电、二次电护生）可根据工作时泵流的大小,估算泵内压强1

　　25、.6.2柚速特槌 y离子泵的抽速与放电强度(血)成正比s = k- = kCpnx pk =6.7 10.7Pa L/ 库仑(1) 压强较高时:电离产生放电电流 大，由于电源的高内阻，加大阳 极的电压较低；过多的空间电子 是电子分部扩展，空间电位下降 速较低(2) 压强较低时:气体稀薄、密度低 ,产生繁流的初始电子和二次电109 107 105 10 3 10 】 p/Pa子少，放电强度太低，抽速下降17离子泵的使用和维护 烘烤 氮清洗处理Ar离子轰击钛板，把阴极上的玷污物或溶解在阴极板里面的氢轰击出来，一般12小时。 工作寿命为了提高使用寿命，尽量不要在高气压范围内使用93二、铁育华泵(Ti

　　26、 sublimation pump)2.1概述钛、错、铠、铤、钩、钳等金属在一定的温度范围内,对活性 气体有很好的吸附和吸收性能真空条件下，将这些金属蒸发 沉积到真空腔内壁上，形成一层薄膜，可用来吸附活性气体铠的吸气性能最好，但是蒸发温度高；钛价格便宜易蒸发，且 抽气性能和工艺性能耗，一般采用钛做升华泵（TSP）优点：（1）抽速大，液氮温度下，对氮的抽速达10.1L/（cm2 s）,对 氢可达19.9L/（cm2s） ; （2）极限线）超高真空 状态下，抽速随压强降低而增大；（4）可获得清洁线）结构 简单，使用费用低缺点：对惰性气体抽速小952.2 TSP的工作原理

　　27、与抽气性能U TSP的结构：吸气面、升华器、控制器U工作过程：通电加热钛丝至1102C直接升华，沉积到冷却的表面上，形成钛膜,与活性气体结合成稳定的化合物（固琳CFCB瓷fr-ipm的 TiO 或 TiN),抽除气体分子0吸附机理：比较复杂，通常认为是物理吸附和化学吸附的综合作用力以化学吸 附为主1-吸气面；2-钛丝3-电气控制装置97柚速特徃9CO田- Pa2.3 TSP的结构钛升华器的要求能提供所需的钛升华率;钛升华率易于调节，可连续或间断的提供吸气剂;99# 钛升华器本身出气少或易于去气； 有足够的工作寿命，即有足够的钛存储量低升华率和高升华率两种TSPa）小功率升华器：升华率每小时几十

　　28、毫克，吸气剂量为几克到几十克的升华器，工作可靠，结构简单，操作方便，主要作为辅 助泵b)高升华率升华器：升华率每小时几克到几十克，作为主泵使用#升华器輪畑食方式加热方式有电阻加热式、热传导加热式、辐射加热式、电子轰击加热式等类型a.324mm324mm(1)电阻加热式324mm324mmmi芯金IS280mm324mm(2辐射加热式将加热源和升华源两部分独立 ,利用钛球壳内的鹄丝加热, 利用辐射加热空心钛球，使之 升华加热均匀，储钛量大；但是加 热丝固定困难易烧断钛球支撑杆/辐射灯丝101三、需爲合金吸扎泵n链铝吸气泵采用错铝合金材料（84%错，16%铝）在高温下吸附活性气体;H错飢铁合金（7

　　29、0%错，24.6%飢，5.4%铁）吸气泵错铝吸气泵优点：结构简单体积小、造价低，操作安全可靠，维修方便，清洁无油，对活性气体，尤其是对氢具有很高的 抽气能力。SB缺点：不能抽惰性气体错铝吸气泵对氢、氛、氟吸气是可逆的，其他活性气体则是以稳定的化合物形式扩散到吸气剂内。1033-1错铝吸气泵的结构与工作原理U泵芯是错铝合金(84%:16%) 粉末涂敷在金属吸气带上做 成的，主要成分为Zr5Al3和Zr3Al2o合金结构是铝进入错晶产生很多孔穴，增加链的吸 气面积，提高扩散速率180-C以下以表面吸附为主，180忆以上以体内扩散为主1-泵壳；2-泵芯；3-加热器；4-电极5-线(PC范围内对所有的活性气体都有很高的抽气能力105裕铝吸芯泵的饱和鸟激活人链铝吸气剂长期在高温下工作，会出现“饱和”,吸气率下降;甚至吸气剂表面形成氧化膜，失去吸气性能S当吸气速率降低到80%时，就需要进行再激活处理：在vlPa的压强下，加热至750850oC,使吸气剂表面的固体氧化膜分解，使金属和气体的产物向更深的体内扩散，生出高度活泼的金属表面，同时除去过量的氢BB 一般的吸气带可以反复激活多次（20次），直到全部的吸气剂饱和为止更换错铝合金吸气帶32错铝吸气泵的工作条件压强低于103pa时，抽活性气体的工作温度为400C,体内扩散速 率是金属表面维持足够的吸气速

　　31、率而不能释放氢； l(WlPa范围内，抽活性气体工作温度为750吃提高温度加速 体内扩散，加速清洗吸气剂表面 对H2要求高抽速，工作温度为400吃 对纯氢要求大抽速和大吸气量是，工作温度一般为20030(FC 对纯氢要求尽可能大的吸气量而不需要大抽速时，可室温工作 高真空或者超高真空系统中，工作温度一般为402C四、低温泵&低温泵是利用低温表面将被抽空间的气体冷凝、捕集、吸附或冷凝+吸附，使被抽空间的压强大大降低，获得并维持真 空状态的抽气装置&低温泵抽气是一种储存式捕集抽气，气体并没有排出泵外,一旦冷凝表面温度发生变化，它抽走的气体又会重新释放, 破坏线获辖系就 （枯附儿卑）凝结系数：入射到冷凝面上并发生物理吸附的气体分子数与入射到冷凝面的总分子数之比,温度为T的表面比，单位时间碰撞分子数2V,个被反射，同时有M个分子脱附NN -Nr N a =L =N N冷液温度7；冷空表而冷面ifl度斥气体（流）不考虑蒸发（生温度很低）:,N -N -N N -N（2）考虑解吸蒸发：a = N当冷凝面温度很低时,a = a1174.3.2 限压祓根据麦克斯韦分布和余弦定律，气体分子在单位面积上的碰撞率为N = nv =4Pyl27rmkT119#设气体分子碰撞冷凝面的凝结系数为a,则冷凝吸附速率为1V 2jcm kT若凝聚层超过单分子层

　　33、（厚度为兀），则蒸发速率为N227tmkTs八必：冷凝面温度和该温度F勺气体饱和蒸汽压凝结速率与蒸发速率达到平衡时,22此时的压强即为极限压强內Nr、“2都很小,对低温冷凝泵，设r=300K, rs=42K,则极限压强为Pf =84#s 4.2K温度下，除He. H2 Ne外，各种气体的都很小，对绝大 多数气体来说Pf达到10叫怡是很容易的1214.3.3抽速设泵的冷却面积为A,则抽速为N、NkTS =A =(N、NJA -Pn仁1Aa 1a pv P丿kT27tmkT .=aA av 2兀m= vAa 1-Psp4123 二 ” . O7 3 2 10 压强/Pa10115第五节超高线)影响极限压强的因素 表面脱附 体内扩散逸出 大气渗透作用 材料的饱和蒸汽压(2)材料的选择与处理a)b) Ai离子放电清洗(3)泵的选用作业思考题第三章:2、3、7、8、9、也、13、14 V 15、1B、22、24、药、26、27、33H7

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