涡轮分子泵的工作原理与应用

涡轮分子泵的工作原理与应用

涡轮分子泵是高真空和超高真空技术中的关键设备，广泛应用于半导体制造、质谱分析等领域。本文将详细介绍涡轮分子泵的工作原理、历史发展以及实际应用中的选型建议。

历史背景

涡轮分子泵最早由Willi Becker博士于1955年在Pfeiffer Vacuum公司发明。他最初的目标是解决扩散泵中油回流的问题。通过使用旋转风扇轮作为挡板，Becker发现不仅可以防止油分子倒流，还能产生更低的总压力。进一步的研究中，他开发了转子-定子组合和多级泵结构，最终在1956年获得专利。这项发明对现代科技产生了深远影响，特别是在半导体生产和真空镀膜工艺中。

工作原理

涡轮分子泵的工作原理基于动量传递。快速旋转的转子叶片与气体分子发生碰撞，将部分动能传递给分子，使其沿压力梯度方向移动。这一过程需要满足以下条件：

1. 分子在泵中的流动占主导地位
2. 平均自由路径大于通道高度
3. 转子叶片速度远大于分子热运动速度

压缩比K0可以通过Gaede公式进行估算：

其中：

• pV：前级真空压力
• pA：吸气压力
• v：叶片速度
• c：平均分子热运动速度
• L：通道长度
• h：通道高度
• g：指定平均冲击距离的系数

抽气速度计算

抽气速度S0与吸气面积A和叶片的平均圆周速度v成正比。具体计算公式如下：

霍尔韦克级的特殊功能

霍尔韦克级（Holweck stage）是一种多级Gaede分子泵，具有螺旋形泵通道。其工作原理是通过转子的旋转使气体分子获得速度。为了减少回流损失，转子和定子之间的间隙需要保持较小。现代涡轮分子泵通常包含多个优化设计的霍尔韦克级，以提高压缩比和泵送效率。

前级泵的选择

涡轮分子泵的性能很大程度上取决于前级泵的选择。旋片泵、多级罗茨泵等前级泵可以提供较低的前级压力，但存在油返流的风险。干式前级泵虽然价格较高，但能提供更好的真空兼容性。对于需要极高真空度的应用，可以选择带有优化霍尔韦克级的涡轮分子泵，配合小型隔膜泵即可达到所需压力。

激光平衡技术

2021年，Pfeiffer Vacuum公司推出了激光平衡技术，进一步提升了涡轮分子泵的性能和可靠性。

使用建议

1. 开机前先将前级泵抽至2托，再启动涡轮分子泵
2. 在涡轮分子泵与前级泵之间可串入挡油阱
3. 不能在前级泵工作时停掉涡轮分子泵
4. 选择前级泵时应保持分子流状态
5. 不能让涡轮分子泵在低于额定转速下运行
6. 分子泵入口应装设防护网
7. 规范使用可延长使用寿命