渦輪分子泵

用於重粒子加速器等的真空泵

渦輪分子泵是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,耐大氣衝擊,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。渦輪分子泵廣泛用於高能加速器、可控熱核反應裝置、重粒子加速器以及真空鍍膜等需要獲得高真空度製造工藝中。

歷史沿革


1955年,聯邦德國的Willi.Becker首次提出有實用價值的渦輪分子泵,以後相繼出現了各種不同結構的分子泵
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,以後相繼呈現了各種不同構造的分子泵,主要有立式和卧式兩種,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並使動、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,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

結構組成


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。

工作原理


主要有立式和卧式兩種。
動葉輪外緣的線速度高達氣體分子熱運動的速度(一般為150~400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。右圖為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並使動、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。
圖3 動頁片的工作原理
圖3 動頁片的工作原理
圖3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 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部分回到左側,另一部分穿過葉片到達右側;在角度γ1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 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部分到達左側,另一部分返回右側;在γ2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。

性能特點


性能

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10 ~10 ;對氫為10 ~10 ;對分子量大的氣體如油蒸氣則大於10 。
泵的極限壓力為10 Pa,工作壓力範圍為10 ~10 Pa,抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1L=10 m )。
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於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1~10 Pa的前級真空泵。
分子泵本身由轉速為10000~60000轉/分的中頻電動機直聯驅動。

特點

抽速大、無油、啟動快
工作範圍:低真空~中、高真空,大氣~超高真空
極限真空:10 / 10 torr
缺點:振動、成本高、易損