涡轮分子泵的结构和工作原理

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  分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子,使气体产生定向流动而抽气的真空泵涡轮分子泵的优点是启动快,能抗各种射线的照射,耐大气冲击,无气体存储和解吸效应,无油蒸气污染或污染很少,能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。

涡轮分子泵的结构和工作原理

  1958年,联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵,以后相继出现了各种不同结构的分子泵,主要有立式和卧式两种,图1为立式涡轮分子泵的结构图。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150~400米/秒)。单个叶轮的压缩比很小,涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同,但叶片倾斜角相反。图2为20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。

涡轮分子泵的动、静叶片图

图:涡轮分子泵的动、静叶片图

立式涡轮分子泵的结构图

图1:立式涡轮分子泵的结构图

动叶片的工作示意图

图3:分子泵动叶片的工作示意图

  图3为分子泵的一个动叶片工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a),当气体分子到达A点附近时,在角度α1内反射的气体分子回到左侧;在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧,另一部分穿过叶片到达右侧;在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理,在叶轮右侧(图3b),当气体分子入射到B点附近时,在α2角度内反射的气体分子将返回右侧;在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧,另一部分返回右侧;在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧,比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转,气体分子便不断地由左侧流向右侧,从而产生抽气作用。

涡轮分子泵的性能和特点

  泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外,还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮(或空气)的压缩比为108~109;对氢为102~104;对分子量大的气体如油蒸气则大于1010。泵的极限真空度为10-9帕,工作压力范围为10-1~10-8帕,抽气速率为几十到几千升每秒(1升=10-3米)。涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性,因此要求配有工作压力为1~10-2帕的前级真空泵。分子泵本身由转速为10000~60000转/分的中频电动机直联驱动。

  参考书目

  J . F . O'Hanlou,AUser's Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons,New York,1980.

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