油扩散泵抽气速率与被抽气体的关系(2)
3、气体分子平均热运动速度
从公式(2)中可以看出气体分子平均热运动速度与气体种类有关, 表1中列出了常用气体的分子平均热运动速度和各气体与空气平均热运动速度的比值。这个事实导致“选择作用”的出现, 凡是与热运动速度有关的现象, 其结果对各种气体是不相同的。
混合气体通过同一管路时同样发生“选择作用”[5],即混合气体中各成分通过同一管路的快慢不同, 亦即不同气体通过同一管路的能力是不同的。所以不同气体从被抽容器到达油扩散泵抽气界面的能力是有差异的。
4、分子流态下气体的流导
分子流状态下, 容器中气体的平均自由程接近或者大于容器的线性尺寸时, 可以忽略气体分子之间的碰撞, 这时气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位。在这种情况下气体分子之间的内摩擦作用消失, 分子靠热运动自由而独立地直线前进, 只发生与管壁的碰撞而飞过管道。
根据分子流状态下气体分子的净迁移数推导出气体流量, 气体流量与管道流导有关, 那么分子流无论是通过长管、孔、短管何种情况下各种气体之间的流导关系均可用下式表达
假设两种气体温度相等, 即T1=T2, 则
式中U1、U2——气体流导
M 1、M 2——气体摩尔质量
根据公式(4) 计算的结果与表1 中所列的VP/V空气比值相同。任何一种油扩散泵进气口和抽气界面之间存在一定的距离, 因此就存在一定的流导,该流导与被抽气体种类有关。
5、真空测量
在测试油扩散泵对不同气体的抽气速率时, 要特别注意测量高真空的电离规同样与被抽气体的种类、成分有关, 要根据电离规相对常数进行修正。电离规工作时, 在栅极和收集极之间的空间内产生的正离子被收集极接收形成的离子流与气体压力呈线性关系, 与规管常数呈反比关系。由于各种气体的电离电位是不同的, 所以电离规的常数与气体种类有关, 因此采用电离规的相对常数来表达这种关系。
式中R ——电离规相对常数
K ——电离规对某种气体的常数
KN2——电离规对氮气的常数
由于电离真空计是以N2校准的, 若被测气体不是N2, 则电离真空计的读数Pread是被测气体离子流所对应的等效氮压力, 不是真实压力Preal。通过被测气体相对常数, 其真实压力为
表2 列出了普通型电离规对各种气体的相对常数R。
表2 电离规对各种气体的相对常数R
6、对文献[2]相关内容的探讨
文献[2]主要讲述了通过传输几率的质量连续公式, 采用直接模拟蒙特卡罗法(DSMC-D irectSimulat ion Monte Carlo ) 解决单级、多级油扩散泵模拟分析的方法。文中, 作者在介绍油扩散泵的特点时, 提出“constant pumping speed for all gases”, 即“对所有的气体抽气速率为常数”。实际上, 作者在文中表述的意思是: 在多级油扩散泵中每一级进、出气口的气体性质都是均匀的和每一级进气口气体分子的平均速率为零的这种假设条件下, 得出油扩散泵各级的抽气速率是泵几何参数、喷嘴结构的函数, 因此泵的抽气速率在经过第一级喷嘴时只是压力比,而不是进口压力的函数。由此得出: 在多级油扩散泵正常工作状态下, 在忽略泵进、出口压力的情况下,每一级的传输概率(Tr)几乎可以认为是常数, 从而可以得出泵的总传输概率wp。泵口环形面积的流导(C0)和总传输概率(wp)的乘积为泵的抽气速率。即便如文献[2]所述, 泵的抽气速率仍然和被抽气体的种类有关, 因为在分子流状态下泵口环形面积的流导(C0)与被抽气体分子摩尔质量有关, 参见本文“4 分子流态下气体的流导”的内容。因此文献[2]从另一角度说明了油扩散泵抽气速率和被抽气体的关系, 从而部分验证了本文的观点。
7、结论
① 从理论上和实践中都能得出油扩散泵对不同气体的抽气速率是不同的。所谓油扩散泵“对各种气体无选择性”, 可以理解为油扩散泵能够抽除各种气体, 但是抽气速率是有差异的, 与被抽气体的摩尔质量和分子热运动速度有关系。
② 以上观点仅限于高真空压力范围。压力大于1. 0×10-1Pa, 油扩散泵对气体抽除作用中的裹挟作用增大, 分子热运动的扩散作用已经降低, 是否满足上述分析结果需要进一步研究。
③ 使用油扩散泵抽空时, 要了解被抽气体的特性, 通过测试来确定泵对气体的实际抽气速率作为设计的基础。对油扩散泵制造企业来说, 要研究、测试泵对不同气体的抽气速率、极限压力和临界前级压力等重要性能指标。
④ 本文认为表1中A=50°、W=300数据基本符合目前油扩散泵设计过程中的参数选择和实际情况, 因此依此计算出的SP、S空气为合理结果。
本文观点是否正确、计算数据是否准确, 请业内同行、专家指正。
参考文献:
[1] 达道安. 真空设计手册[K]. 北京: 国防工业出版社, 2004.
[2] L ee Y K, L ee J W. Direct Simulation of pumping characteristics fo r a model diffusion pump [J]. V acuum,1996, 47: 2972306.
[3] 王欲知. 真空技术[M]. 成都: 四川人民出版社, 1984.
[4] 王铭朴, 等. 油蒸汽流泵的抽速表达式[J]. 真空, 1984(4) : 17～19.
[5] 高本辉. 真空物理[M]. 北京: 科学出版社, 1983.
[6] 刘玉岱. 真空测量[J]. 真空, 1983 (2).
