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渦輪分子泵的結構和工作原理

   應用高速旋轉的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產生定向活動而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優點是啟動快，能抗各種射線的映照，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，能取得清潔的超高真空。渦輪分子泵普遍用于高能加速器、可控熱核反響安裝、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。  

    構造和工作原理 

    1958年，聯邦德國的W.貝克初次提出有適用價值的渦輪分子泵，以后相繼呈現了各種不同構造的分子泵，主要有立式和臥式兩種,圖1為立式渦輪分子泵的構造圖。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(普通為150～400米／秒)。單個葉輪的緊縮比很小，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、靜葉輪幾何尺寸根本相同,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動、靜葉輪間堅持1毫米左右的間隙,動葉輪可在靜葉輪間自在旋轉。 

   在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(圖3a),當氣體分子抵達A點左近時，在角度α1內反射的氣體分子回到左側；在角度β1內反射的氣體分子一局部回到左側，另一局部穿過葉片抵達右側；在角度γ1內反射的氣體分子將直接穿過葉片抵達右側。同理，在葉輪右側(圖3b),當氣體分子入射到B點左近時，在α2角度內反射的氣體分子將返回右側；在β2角度內反射的氣體分子一局部抵達左側，另一局部返回右側；在γ2角度內反射的氣體分子穿過葉片抵達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉片抵達右側，比從右側穿過葉片抵達左側的幾率大得多。葉輪連續旋轉，氣體分子便不時地由左側流向右側，從而產生抽氣作用。  

    性能和特性 

    泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為緊縮比。緊縮比除與泵的級數和轉速有關外，還與氣體品種有關。分子量大的氣體有高的緊縮比。對氮(或空氣)的緊縮比為108～109;對氫為102～104；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10-1～10-8帕,抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1升＝10-3米3)。渦輪分子泵必需在分子流狀態(氣體分子的均勻自在程遠大于導管截面大尺寸的流態)下工作才干顯現出它的*性,因而請求配有工作壓力為1～10-2帕的前級真空泵。分子泵自身由轉速為10000～60000轉／分的中頻電動機直聯驅動。 

首先介紹了渦輪分子泵的工作原理，結構型式及其優缺點。為了利用渦輪分子泵，獲得清潔真空，國外多利用干式機械泵作其前級泵，構成無油的真空系統。然而，目前國內渦輪分子泵多以油封機械泵為其前級泵，構成了有油真空系統，如果操作不當，很難避免油蒸汽返流，對真空系統的污染。利用有油系統獲得清潔真空，國內外都有一些有效防止返流的措施和成功的操作經驗。這些對用戶正確選擇和使用渦輪分子泵有油系統獲得清潔真空，有一定的參考價值。

  當今，現代化的半導體行業中，越來越多地應用渦輪分子泵。如濺射、刻蝕、蒸發、注入、分子束外延、離子加工等設備都需要在真空環境下運行。又如電子顯微鏡，表面分析儀器，殘余氣體分析儀及氦質譜檢漏儀等也經常使用渦輪分子泵來抽真空。此外，在宇宙模擬設備、核聚變裝置、太陽能集熱管鍍膜生產線上也都改用大型渦輪分子泵或低溫泵來代替油

擴散泵系統，以防止油蒸汽的污染。因此，近十幾年來，渦輪分子泵，在國內、外都得到了顯著的改進和發展。在渦輪分子泵的應用日益增加干式的前級泵還沒有大量普及和應用的情況下，有時還不得不用油封機械泵來作渦輪分子泵的前級泵。因此，針對這種現狀，對渦輪分子泵的合理選用和正確操作是很重要的。弄清楚渦輪分子泵的特點和使用方法，對用戶是很必要的。

  渦輪分子泵的結構型式與工作原理

  渦輪分子泵在結構上有立式和臥式之分，如圖1(a、b)為立式泵結構示意圖，圖2 為臥式泵結構示意圖。

 圖1(a)立式渦輪分子泵結構示意圖

  圖1(b)帶磁軸承的立式渦輪分子泵結構示意圖

圖2 臥式渦輪分子泵結構泵意圖

  渦輪分子泵的工作原理很簡單。當氣體分子以VP1 碰撞到運轉速度為VB(400 m/s)的表面上，就會被攜帶轉向到葉片的運動方向上如VP2。(如圖3) 典型的渦輪分子泵是在分子流范圍內工作的。入口壓力可以1×10- 3 Torr 延至10- 11 Torr。渦輪分子泵葉片在非常高的速度下，使氣體分子被連續不斷地折射，轉向和壓縮，氣體分子被葉列壓縮到前級側后被前級泵排出。典型的前級泵多為小型的油封式旋片泵或干式機械泵。

圖3 渦輪分子泵的工作原理示意圖

  泵中的這種旋轉的渦輪葉列稱為轉子，被裝在由軸承支撐的軸上。兩個轉子葉片圓盤之間有靜止的渦輪葉片稱作定子。它安裝在泵殼內，每一對轉子和定子構成一級壓縮。氣體分子通過泵的入口經多級葉列壓縮后排到出口處，多級壓縮可有很高的壓縮比，故在入口處可獲得非常低的壓力(非常高的真空度)。