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扩散泵工作原理
发布时间:2015-01-12 浏览:5375 次

在地球大气层任何地方造成真空要抽掉组成大气层的分子(主要为氮、氧、二氧化碳,以及常见的约150种污染物).分子的抽取一直要持续到获得预期基本的真空水平。

抽取的过程在此后通常会继续以保持需要的真空水平进行工作。这项工作可能涉及电子显微镜、 气相色谱-质谱(GC-MS)、表面分析、分子束系统、先进的材料焊接、大型真空炉,甚至模拟太空环境.

最常见的一种用于高真空应用的是油扩散真空泵(或者更正确地说、蒸气喷射泵)。油扩散真空泵是最早、最可靠的途径,在25°C能创造10-10 Torr真空或更低。扩散泵的首次设计要追溯到1915年,发明者是Irving Langmuir。原来是用水银扩散泵液,可以承受的温度提高了,但缺点是有毒。喷射泵的设计经过多年的改进和合成液体的进步使得更高程度的真空能够实现。虽然测量气压的单位众多,但Torr(陶而)却是最常用的。在海平面正常的大气压下,无液气压计的水银柱高29.92英寸,29.92英寸等于760毫米水银或760Torr。为了测量很高的真空下极低的压力,也可使用微米(1000微米为1毫米)作单位,因此,真空扩散泵实现了10-3Torr真空也可以说已经到了1微米的真空。

10-3Torr真空虽已大量抽取出大气分子,但实际上在这一水平上真空扩散泵刚开始运作。因为油扩散真空泵开始工作,内腔不能有完全的大气压。相反,一个辅助 低真空机械泵(或前置真空泵)能够少量的抽压,它首先使油扩散真空泵内腔压力减至约10-3Torr。在此时, 油扩散真空泵开始工作使真空水平保持在10-3和10-10Torr之间。由于真空扩散泵不能直接自排气压 ,机械辅助泵的使用能维持适当的排压条件。


虽然在某些应用场合,他们已经被一些更先进设计的产品替代,例如低温泵或离子泵,但真空扩散泵仍受青睐。因为他们有几个好处: 他们有可靠的而简单的设计,运行无噪音振动,相对低廉的操作和维修。事实上,扩散泵仍然是最廉价的制造高真空环境的手段。这些泵也容许存在超过作业条件的活性粒子和气体。而这对其他类型的高真空泵则有很大的破坏作用 。体积上,最小的只稍大于一个咖啡杯。最大的直径近一米,高两米。


油扩散真空泵,采用不锈钢内腔并含有纵向叠加的锥形喷射口的内室。通常有三个喷射口内室其大小逐个减小, 最大的在底部。在内腔的底部是一滩特殊的低蒸汽压油。油由内腔底部下设的电加热器加热煮沸,气化的油油向上移,从各个内室的喷射口排出来。而水通过在内腔外壁的循环使内腔降温,从而避免热量外溢并维持其长时间的运转。

之所以称它为扩散泵的唯一理由是,根据观察抽取气体的分子渗透进蒸汽喷口的方式类似于一种气体扩散到另一种气体里。( "来源HablanianMH,高真空技术第二版207页" )。 从相当大直径的喷射口出来,高能油滴以时速750英里每小时的速度在内室和内腔壁之间向下落去。这些油滴已达到了超音速,但却没有音爆,主要因为部分真空状态下分子间隔太大以至于不能传导声能。蒸汽喷口的捕捉率取决于他的密度,速率和分子量。高速喷口 与在碰巧进入其内部的气体分子发生碰撞是由于气体分子的热运动。这通常会给分子以向下的动力使它们能从泵的排气口排出从而达到更高的真空水平。在内腔底部,积淀下来的大气气体分子被辅助泵消除,同时积淀下来的油则开始又一轮的循环。

分子清除的作用是创造一个上层部分高真空的内腔。而这一部分的高真空正是应用中所需要的—比如,用于电子显微镜。为阻止热量外溢,在内腔外壁会有水从旋管中流动来降温。

在油被蒸发的内腔底部温度大约处于190°C到280°C之间。油有几种,分别由硅氧烷、碳氢化合物、酯、全氟化物,聚苯醚制成。聚苯醚(Santovac® 5)液或油在25多年来一直是全球的标准,它兼具高分子量,低反应 活性和优良的蒸汽力等优点。泵液的选择标准包括室温下的低蒸汽压力,低毒性,化学惰性还有蒸发的热量和成本。所有的油在大气压下都要有更高的沸点。分子量小的油倾向于在温度范围的低端达到沸点,而分子 量大的聚苯醚(446)则要到230°C和270°C之间才会沸腾。这已接近温度范围的高端。当温度开始上升时真空内腔的自动开关会关闭泵。因此,在使用聚苯醚的情况下,若开关温度指示器仍是为轻质油设置在低温,那内腔就会自动关闭。
 

 

 

各种油也有各种不同的热分解温度—油分子在这一温度时会分解并,并与任何存有的氧气分子结合。对于泵的运转来说,油的沸点并不特别重要,但是热分解很重要。低沸点的油的热 分解温度相应也较低。

由于内腔本身除了油滴外,没有移动的部分,因此真空扩散泵能够长期稳定运行。在各种扩散泵中,少量的回流会发生。顾名思义,所谓回流就是少量的油会向相反的方向移动,移向泵的入口处进入进程流--电子显微镜和焊接室操作的某个阶段。在一些应用中,回流的发生并无影响。可是在对物质纯度要求苛刻的条件下,它的发生是不容许的。有鉴于此,一些系统会附加一个液氮低温 冷阱,在油粒进入进程流之前将其清除。但多数时候使用聚苯醚就可以了,因为它的高纯度本身即可最大程度地减少回流。但对某些敏感场合,这种方法也不能彻底进行保护。这就是为什么半导体制造商早在几年前就放弃真空扩散泵而转用更加昂贵的低温泵和 汽轮式分子泵的原因。


由于油扩散真空泵的目的是通过清除分子来创造一个真空,所以在运作时腔内壁必须要保持清洁。建议技术员在操作时戴上手套,因为甚至是一个指印也可能会要求除去水蒸气和其他分子。有时油扩散真空泵在抽真空以降至理想水平时比平常缓慢,原因可能是内壁塑料表面在除湿,或是有其它挥发性物质或是泄露。而这都会增加泵需要抽取的空气中的分子。在对泵分拆进行例行维护清理时,最后一定要用干燥的氮来净化。
 

扩散泵内腔不是特别难以分拆,但故障超出日常维修范围时工作可能很困难。最坏的情况是发生大量的氧气渗入和热量升高致使油分解或变质。一般这会发生在辅助泵失灵或气缸门坏了时,或当制冷系统不能正常工作时。高温和高压的共同作用会使油烧焦。而产生的胶状物是很难清理的。但究竟会发生什么有赖于油的品种及其发生分解的温度。非 硅树脂烃类油的分解物最难清理。残留物很象焦油并且很粘。在尽可能去除污垢之后,维护人员可以用砂布清理接着再进行广泛仔细的液滴爆破(类似于沙子爆破,但对表面的损害更小,特别是对脆弱的铝制喷射内室来说)。最后,可用酒精,其他 溶剂,肥皂水和除电离子水清理。

硅树脂制成的油类的残留物较易于去除。而含有全氟化物的油类却会分解形成氟化合物,这种物质极具毒性并对铝制的喷射内室造成很大伤害。最少污染和破坏性的是聚苯醚,部分原因是它只会在很高温度下分解(350°Cvs300°C), 即使是分解产生的也是无毒的分子比如水和二氧化碳。但它的分解通常很难发生。 在被用于一次特制材料的焊接后,它是如此持久以至于还能被保留下来用于另一台来替换的扩散泵。

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