如何选择和使用涡轮分子泵

分子泵 杨乃恒 东北大学

  首先介绍了涡轮分子泵的工作原理,结构型式及其优缺点。为了利用涡轮分子泵,获得清洁真空,国外多利用干式机械泵作其前级泵,构成无油的真空系统。然而,目前国内涡轮分子泵多以油封旋片机械泵为其前级泵,构成了有油真空系统,如果操作不当,很难避免油蒸汽返流,对真空系统的污染。利用有油系统获得清洁真空,国内外都有一些有效防止返流的措施和成功的操作经验。这些对用户正确选择和使用涡轮分子泵有油系统获得清洁真空,有一定的参考价值。

  当今,现代化的半导体行业中,越来越多地应用涡轮分子泵。如溅射、刻蚀、蒸发、注入、分子束外延、离子加工等设备都需要在真空环境下运行。又如电子显微镜,表面分析仪器,残余气体分析仪氦质谱检漏仪等也经常使用涡轮分子泵来抽真空。此外,在宇宙模拟设备、核聚变装置、太阳能集热管镀膜生产线上也都改用大型涡轮分子泵或低温泵来代替油扩散泵系统,以防止油蒸汽的污染。因此,最近十几年来,涡轮分子泵,在国内、外都得到了显著的改进和发展。在涡轮分子泵的应用日益增加干式的前级泵还没有大量普及和应用的情况下,有时还不得不用油封机械泵来作涡轮分子泵的前级泵。因此,针对这种现状,对涡轮分子泵的合理选用和正确操作是很重要的。真空技术网(http://www.chvacuum.com)认为弄清楚涡轮分子泵的特点和使用方法,对用户是很必要的。

1、涡轮分子泵的结构型式与工作原理

  涡轮分子泵在结构上有立式涡轮分子泵卧式涡轮分子泵之分,如图1(a、b)为立式涡轮分子泵结构示意图,图2 为卧式涡轮分子泵结构示意图。

立式涡轮分子泵结构示意图

图1(a)立式涡轮分子泵结构示意图 (b)带磁轴承的立式涡轮分子泵结构示意图

卧式涡轮分子泵结构泵意图

图2 卧式涡轮分子泵结构泵意图

  涡轮分子泵的工作原理很简单。当气体分子以VP1 碰撞到运转速度为VB(400 m/s)的表面上,就会被携带转向到叶片的运动方向上如VP2。(如图3) 典型的涡轮分子泵是在分子流范围内工作的。入口压力可以1×10-3 Torr 延至10-11 Torr(目前国际真空度标准单位为帕斯卡,即Pa。若各位对真空度的不同单位的换算存在不是很了解的情况,请使用真空度在线换算工具:http://www.chvacuum.com/tools/pressure.php)。

  涡轮分子泵叶片在非常高的速度下,使气体分子被连续不断地折射,转向和压缩,气体分子被叶列压缩到前级侧后被前级泵排出。典型的前级泵多为小型的油封式旋片泵或干式机械泵。

涡轮分子泵的工作原理示意图

图3 涡轮分子泵的工作原理示意图

  泵中的这种旋转的涡轮叶列称为转子,被装在由轴承支撑的轴上。两个转子叶片圆盘之间有静止的涡轮叶片称作定子。它安装在泵壳内,每一对转子和定子构成一级压缩。气体分子通过泵的入口经多级叶列压缩后排到出口处,多级压缩可有很高的压缩比,故在入口处可获得非常低的压力(非常高的真空度)。

2、涡轮分子泵的优缺点

2.1、涡轮分子泵的优点

  由于涡轮分子泵在某些方面,要比低温泵、离子泵和扩散泵表现得更优越。故在一般情况下,多选用涡轮分子泵。它的优点有:

  (1)清洁,无油蒸汽返流

  涡轮分子泵可不用任何阱,按操作规程工作,就能为被抽容器提供一个极为清洁的真空环境,且不含有任何碳氢化合物。由于现代的涡轮分子泵除大泵外很少用油润滑的了,对于小泵多用油脂润滑,也有用空气轴承的,但磁悬浮轴承用得较多。近几年来也有不少干式前级泵出现,使涡轮分子泵系统不存在油蒸汽返流,使它真正成为一种清洁的干式高真空泵(如图4)。

涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图

图4 涡轮分子泵典型的残余气体的频谱图

  图4 表明涡轮分子泵系统中不含有碳氢化合物,曲线上17 和18 为OH+ 和H2O+。

  (2)使用方便

  在许多应用中,涡轮分子泵可不用高真空阀门或粗真空阀。只是简单地一按电钮,泵便能开始工作。从大气压力可降至极限压力。这种系统可以通过涡轮分子泵进行粗抽,可一直加速到工作速度为止。这样就可以不用阀门、管道、阱、阀门控制器等真空元件。同时也消除了这些元件所带来的故障。因此涡轮分子泵系统所占的空间小,而且涡轮分子泵的安装方向不受限制,可在任意方向安装(用油润滑的泵除外,它只能在垂直±5°范围内工作)。这个特点,可用于安装位置受限制的地方。

  (3)气体输送能力强

  大多数涡轮分子泵对于输送轻气体(如氢、氦)的能力很强。因而它非常适于超高真空下的工艺操作。对于那些富氢的工艺过程,氦质谱检漏仪等场合均可得到应用。有专门设计用于抽除腐蚀性气体的涡轮分子泵,适用于刻蚀、反应离子刻蚀,离子束加工,低压化学气相沉积,外延及离子注入等工艺操作。在这些工艺过程中,抽除的气体会对低温泵、离子泵、扩散泵油等有腐蚀作用。甚至也会破坏标准的未加保护的涡轮分子泵。由于涡轮分子泵属于传输型泵,被抽气体可穿膛而过,不在泵内积存。因而它适于气体负荷高的工艺过程。如溅射、刻蚀等。

  (4)适于超高真空应用

  一台密封和除气良好的涡轮分子泵,配以性能良好的双级旋片泵(或同样性能的干式前级泵),其极限真空度一般可达到10-9~10-10 Torr(即133.3~13.33 nPa)之间。若一台涡轮分子泵再串一台涡轮分子泵,用金属密封并除气良好的泵,一般其极限压力在1×10-10 ~1×10-11 Torr (即13.33~1.333 nPa)之间。而且不像低温泵或离子泵那样,涡轮分子泵在超高真空条件下能满抽速运转。这些性能再加上它有良好的清洁性(测不到碳氢化合物),显然用户会选择涡轮分子泵用于高分辨率质谱仪,分子束外延设备及超高真空分析仪器等设备上的。

  (5)高压力下性能良好

  有些涡轮分子泵的入口压力可在10-1~10-3 Torr(即13.33 Pa~133.3 mPa)之间运行。在这个压力范围内,离子泵不能应用,对于低温泵需要节流抽速或经常再生,对扩散泵的工作也会变得不稳定。

  (6)循环的时间短

  多数涡轮分子泵,尤其小一些的,要达到正常的运行速度的时间,一般需要1~3 min。对于不同品种和型号的泵有所不同。并且能立即关闭,并可暴露大气。这种快速循环特性在样品输入系统中很有用,尤其对手提式氦检漏仪有用。

  (7)正常使用时间长

  在某些应用中,涡轮分子泵的正常使用时间要比其它泵优越。因为在重气体负荷和阀门漏气的情况下,会引起低温泵经常不定时的再生或离子泵经常修复,而涡轮分子泵使用还能消除因泵油对真空室的污染。