超高真空系统中常用的泵

机械泵

旋涡干泵

近年来，旋涡干泵因其简单的设计和不存在传统油封机械泵常见的回油问题而备受瞩目。虽然它们提供了更简单的维护过程，并且无需进行油管理，但它们也有其局限性。具体来说，旋涡干泵的抽速和极限真空度通常略低于油封泵。

尽管存在这些局限性，但减少维护和环保的优势使涡旋干泵成为许多超高真空应用的理想选择。

隔膜泵

隔膜泵结构紧凑，通常用于小型分子泵装置，但与其他类型的机械泵相比，其抽速较低。这些泵通过干式方法工作，是一种容积式真空解决方案。隔膜位于通过曲轴连接的杆上，随着曲轴的旋转而垂直移动。这种运动会使真空室的容积发生周期性变化，进而影响压力和空气分子的流动。

当膜片处于低位时，气室容积增大，导致压力降低。较低的压力将空气分子吸入腔体。当膜片向上移动时，气室的容积减小，压缩气体分子并迫使它们流向出口。入口阀和出口阀都由弹簧加载，可对这些压力变化做出动态响应，确保高效运行。

隔膜泵的一个显著优点是环保。隔膜泵不会产生任何废水，因此是喷水真空泵的替代品。这使得隔膜泵在注重环境影响的环境中特别具有吸引力。此外，与水喷射泵相比，隔膜泵最多可节省 90% 的运行成本，是一种更经济的解决方案。与旋片泵不同，隔膜泵的泵腔完全不含油，因此无需油浸轴封。这种设计不仅提高了泵的可靠性和使用寿命，还简化了日常维护工作。

油封机械泵

长期以来，油封机械泵一直是真空系统的基石，因其抽气速度快、极限真空能力强而闻名。这些泵的工作原理是利用油形成有效的密封，从而使其达到 <0.5 毫巴（绝对值）的极限真空。这种油不仅能密封，还能润滑塑料叶片、转子和外壳轴承等关键部件，使其几乎无磨损。

这种油的作用不仅限于密封和润滑。它通过最大限度地减少压缩腔内的摩擦来显著降低工作温度，从而保护泵免受过多热量的影响。此外，润滑油还是一种腐蚀抑制剂，可保护所有内部组件不与泵送气体发生反应，防止损坏。其清洁效果可确保清除压缩机腔内的任何杂质，从而延长泵的使用寿命并保持其性能。

尽管有这些优点，油封机械泵也并非没有挑战。由于回油问题，必须使用电磁阀和分子筛来管理和缓解这一问题。这一要求增加了操作和维护的复杂性，但这些泵的整体优点仍然使其成为许多应用中的首选。

涡轮分子泵

压缩比

在涡轮分子泵中，压缩比是决定气体压缩效率的关键参数。该压缩比主要通过叶片的高速旋转来实现，叶片的高速旋转产生了强大的动能传递机制。这些叶片的设计和速度都经过精心设计，以优化压缩过程。

涡轮分子泵的一个显著特点是能够对分子量较高的气体实现更高的压缩比。这是因为高速叶片和气体分子之间的动量传递增加了。例如，与氦气和氢气等较轻气体相比，氩气和氙气等较重气体的压力降低幅度更大。

上表说明了超高真空系统中常见的各种气体的分子量与压缩比之间的关系。随着分子量的增加，压缩比也随之增加，这反映了涡轮分子泵在处理较重气体时效率的提高。

这种能力使得涡轮分子泵在半导体制造和科学研究等需要精确控制气体压力和成分的应用中特别有效。实现的高压缩比可确保即使是微量的无用气体也能被有效去除，从而提高真空系统的整体性能和可靠性。

终极真空

超高真空系统中的 "极限真空 "概念是一个关键指标，通常以毫巴（mbar）为单位。传统上，这些系统的目标真空度在 10-9 至 10-10 毫巴之间。然而，最近的技术进步将这一界限推得更远，使系统能够达到更低的压力。

这些改进不仅是渐进式的，而且代表着该领域的重大飞跃。例如，在涡轮分子泵中使用先进材料和创新设计，可以获得更好的压缩比和更高效的气体处理。这反过来又有助于实现以前无法达到的极限真空。

此外，实现如此高真空的操作要求也在不断变化。现代系统通常要求前级真空泵的工作压力为 1 至 10-2 Pa，确保将任何异物、抽搐、撞击、共振或气体冲击降至最低，以防止损坏。这种对细节的一丝不苟确保了极限真空的稳定和可靠，使其成为先进超高真空系统的基石。

操作要求

涡轮分子泵需要精确的运行环境，工作压力范围必须在 1 到 10 ^-2 Pa 的工作压力范围。这一严格要求确保了泵的最佳性能和使用寿命。然而，这些泵对外部因素高度敏感，可能导致潜在的损坏。

• 异物:任何进入泵内的异物都可能造成重大损害，因此必须采取严格的清洁措施。
• 机械冲击:突然的运动或撞击可能会破坏泵内的微妙平衡，从而导致故障。
• 共振:机械共振会放大振动，造成结构应力和潜在损坏。
• 气体冲击:气体压力的突然变化会使泵的内部机制不堪重负，从而导致运行故障。

为降低这些风险，操作人员必须遵守严格的维护计划，并采用过滤器和减震器等保护措施。

溅射离子泵

工作原理

溅射离子泵通过一种称为潘宁放电的过程运行，这是一种冷阴极气体放电形式。这种机制是通过用高能离子轰击钛阴极来形成一层新的钛膜。该过程可细分为几个关键步骤：

1. 气体电离:在潘宁放电中，电子从冷阴极发射并加速向阳极运动。这些电子与泵中的气体分子碰撞，使其电离并形成等离子体。

2. 形成钛膜:等离子体中形成的高能离子会被钛阴极吸引。撞击后，这些离子将钛原子从阴极溅射出来，沉积在泵室壁上。这种持续的溅射和沉积形成了一层新的钛膜。

3. 活性气体的吸附:新形成的钛膜具有高活性，可有效吸附氢、氮和氧等活性气体。这种吸附过程大大降低了真空室中这些气体的浓度。

4. 惰性气体的埋藏:氦气和氖气等惰性气体的活性较低，不会被钛膜吸附。相反，它们被埋在不断形成的钛层下面。这种掩埋过程可有效地将惰性气体从泵的有效容积中去除。

通过将这些步骤结合起来，溅射离子泵实现了高度的气体吸附和清除，从而提高了其在超高真空系统中的效率。

优势

溅射离子泵有几个明显的优势，使其非常适合超高真空系统。其中最显著的优点是 出色的极限真空能力 能力，压力可低至 10^-11 毫巴。这种真空度对于要求最高洁净度和稳定性的应用来说至关重要。

除了卓越的真空性能外，溅射离子泵还具有以下优点 无振动，运行安静 .在机械振动和噪音会干扰精细实验或过程的敏感环境中，这一特性尤为有利。此外，这些泵 环保 在现代科学和工业环境中，这是一个重要的考虑因素。

溅射离子泵的维护要求极低 极少 这有助于延长其使用寿命和提高成本效益。与其他一些类型的泵不同，溅射离子泵不需要经常维修或更换消耗品，从而减少了停机时间和运行费用。这种低维护特性加上其他优点，使溅射离子泵成为超高真空系统中的热门选择。

运行要求

溅射离子泵需要 10-⁷ mbar 以上的最低工作压力才能高效运行。这一严格要求可确保潘宁放电能够有效形成新鲜的钛膜，这对于吸附活性气体和夹带惰性气体至关重要。为了达到并维持这一真空度，这些泵通常与分子泵装置搭配使用。这种组合不仅能提高供料道的真空度，还能确保溅射离子泵有一个稳定和最佳的工作环境。这种协同设置对于保持溅射离子泵在超高真空系统中的高标准性能和可靠性至关重要。

钛升华泵

工作原理

钛升华泵的运行机制简单而有效。它依靠金属钛的受控蒸发，在泵的内表面沉积一层薄薄的钛膜。这层钛膜通过促进化学吸附对泵的功能起着至关重要的作用。

• 蒸发过程:将金属钛加热至升华点，使其直接从固态转变为气态，而不经过液态。气态钛随后在泵内较冷的表面凝结，形成一层均匀的薄膜。

• 化学吸附:新形成的钛膜具有高活性，可与真空室中的各种气体发生化学键合。这种吸附过程可有效地将这些气体从系统中去除，从而提高整体真空质量。

• 连续运行:为保持最佳性能，必须定期补充钛膜。这可以通过定期加热钛源来实现，从而确保为持续气体吸附提供新鲜的活性钛。

这种气体去除方法对氢气特别有效，因此钛升华泵成为氢气是主要问题的应用领域的首选。

优势

钛升华泵（TSP）具有一系列优势，使其成为许多超高真空系统的首选。其中最引人注目的特点是 结构简单 .与需要复杂装配和校准的复杂系统不同，钛升华泵结构简单，降低了发生机械故障的可能性，简化了维护程序。

成本低 低成本 与 TSP 相关的低成本是另一个重要优势。其他高真空泵可能需要昂贵的材料或先进的制造技术，而 TSP 的生产和运行成本相对较低。这种成本效益还体现在其维护方面，由于其设计坚固耐用，因此维护工作非常简单。

对于 TSP 来说，维护的确是轻而易举的事。其简单明了的操作机械意味着例行检查和维修方便快捷，从而减少了停机时间并确保了连续运行。这种易于维护的特点在频繁中断会造成高昂成本或破坏的环境中尤为有利。

另一个突出特点是 无辐射 .与其他一些会发出有害辐射的真空泵不同，TSP 运行时没有任何辐射风险。这使得它们在实验室和工业环境中使用时更加安全，因为在这些环境中，辐射暴露是一个令人担忧的问题。

同样，TSP 也没有 振动噪音 .由于没有产生噪音或振动的机械部件，因此能确保更安静、更稳定的运行环境。这对于需要尽量降低噪音水平的应用尤其有利，例如敏感的科学实验或精密制造过程。

最后，三羟甲基丙烷在 有效地去除氢气 .它们采用的化学吸附工艺在捕捉氢分子方面特别有效，因此非常适合氢污染问题严重的应用。这种能力可提高真空系统的整体性能和可靠性，确保真空环境更清洁、更稳定。

总之，钛升华泵具有结构简单、成本低廉、易于维护、无辐射、无振动噪音、可有效去除氢气等优点，是许多超高真空应用中极具吸引力的选择。

缺点

钛升华泵在提供多项优势的同时，也存在一些必须考虑的明显缺点。主要缺点之一是必须 定期溅射钛 .这一过程对保持泵的效率至关重要，但会导致 暂时性真空恶化 .在溅射过程中，真空质量可能会下降，这给需要持续超高真空条件的应用带来了挑战。

此外，钛升华泵应避免用于 对钛敏感的样品或设备应避免使用钛升华泵。 .钛的定期沉积会干扰这些敏感材料的完整性，可能造成污染或降解。这一限制在对精度和纯度要求极高的研究和制造环境中尤为重要。

这些缺点突出表明，在为超高真空系统选择真空泵时需要慎重考虑，尤其是在对钛敏感或真空质量不稳定的情况下。

低温泵

工作原理

低温泵的工作原理是低温物理吸附，这是一种利用气体在低温表面凝结的过程来实现高速抽气和极限真空的方法。这种方法依赖于气体在较低温度下更容易凝结这一事实，从而可以从真空室中有效地捕获和去除气体。

低温泵的核心是一个冷级，通常由液氦或液氮冷却，提供必要的低温以促进气体吸附。当气体接触到这些低温表面时，就会凝结并附着在表面上，从而有效地将它们从真空环境中去除。这一过程对包括低分子量气体在内的多种气体特别有效，而使用其他方法抽取这些气体往往具有挑战性。

低温泵的抽气速度非常高，这主要是由于其表面吸附面积大。低温泵能够达到 10^-11 至 10^-12 毫巴的极限真空，进一步提高了这种高效率，因此在需要极低压力的超高真空系统中不可或缺。

总之，低温泵通过利用低温物理吸附，既能提供高抽气速度，又能提供极限真空，因而成为许多先进真空系统的关键部件。

优势

低温泵具有多项令人信服的优势，是要求高极限真空的系统的首选。其突出特点之一是 抽气速度高 .这种能力使它们能够有效地从真空室中抽除大量气体分子，从而大大缩短了达到所需真空度所需的时间。

此外，低温泵 环保 因为它们不会将任何污染物带入真空系统。这一点在半导体制造或科学研究等对保持原始真空环境至关重要的应用中尤为重要。

高极限真空 高极限真空 低温泵实现的高极限真空是另一个关键优势。这些泵可以达到低至 10^-10 毫巴的压力，是超高真空应用的理想选择。这种真空度对于需要极低残余气体浓度的实验至关重要，可确保实验结果的准确性和可靠性。

低温泵还具有以下特点 可靠性和低维护要求 .与其他一些可能需要经常维修或更换油和其他消耗品的泵不同，低温泵在运行时只需最少的干预，从而减少了停机时间和运行成本。

总之，抽气速度快、环境友好、极限真空高、维护成本低，这些特点使低温泵成为需要超高真空条件的系统的最佳选择。

缺点

低温泵虽然在实现高抽气速度和极限真空方面非常有效，但也有其自身的一系列挑战。主要缺点之一是 液氮消耗量大 .这不仅增加了运行成本，还需要可靠、持续的液氮供应，而这在物流方面可能是复杂而昂贵的。

此外，包含 循环冷却器 通常还面临其他问题。这些问题包括 能耗大 这可能导致更高的运行成本和环境影响。此外，使用冷却器还会带来 振动和噪音 在超高真空环境中，稳定和安静的运行至关重要。

在为超高真空系统选择低温泵时，必须仔细考虑这些因素，在高性能与相关操作复杂性之间取得平衡。

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