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
涡轮分子泵是现代真空技术中的重要设备，广泛应用于半导体制造、真空镀膜等领域。本文将详细介绍涡轮分子泵的工作原理、历史发展以及关键技术和使用要点，帮助读者深入了解这一精密设备的核心技术。
历史背景
涡轮分子泵的发明可以追溯到1955年，当时Willi Becker博士在Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik GmbH（现在的Pfeiffer Vacuum）工作。他最初关注的是如何防止扩散泵中的油回流到泵壳中。通过将一个旋转风扇轮作为挡板，他发现气体粒子能够沿压力梯度方向流动，而倒流的油分子则被旋转的风扇轮反射。这一发现不仅解决了油回流问题，还意外地产生了较低的总压力。
威利-贝克尔博士，1958年在阿瑟-普发真空技术有限公司（今天的普发真空）的实验室里
工作原理与压缩比
涡轮分子泵的工作原理基于从快速旋转的叶片到被抽气的气体分子的动量转移。转子和定子叶片的排列方式如图1所示。
图1 涡轮分子泵的工作原理
撞击到叶片上的分子被吸附并在短时间内再次离开叶片。叶片速度v被叠加到分子热运动速度c上。分子热运动速度c是分子离开泵的速度。为了确保分子流动在泵中占主导地位，平均自由路径T必须大于通道高度h。
压缩比K0可以根据Gaede的公式进行估计：
其中：
- pV = 前级真空压力
- pA = 吸气压力
- v = 叶片速度
- = 平均分子热运动速度
- L = 通道长度
- h = 通道高度
- g = 用于指定平均冲击距离的系数，是通道高度的倍数（1<g<3)
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。考虑到叶片角度α，可以得到：
图3 涡轮泵的具体泵送速度
图3中输入的点是根据所示的Pfeiffer Vacuum泵的测量值确定的。远高于曲线的点在实际上是不可能的。以这种方式确定的泵送速度还不能说明轻质气体的数值，例如氢气（图4）。
图5 抽速与抽气压力的关系
霍尔韦克级的特殊功能
Holweck级（图6）是一个多级Gaede分子泵，有一个螺旋形的泵通道。转子的旋转使得进入泵通道的气体分子在泵通道的牵引方向上获得一个速度。
图9 纯涡轮分子泵和涡轮拖动泵对氢气的压缩比
选择正确的前级泵
涡轮分子泵和前级泵的压缩在获得最低的压力范围方面起着重要作用。旋片泵、多级罗茨泵或泵站等前级泵可以提供这样的低前级压力。然而，旋片泵在涡轮泵关闭时有油倒流的风险。干式前级泵虽然能产生很低的前级真空，但价格较高且需要相对较大的空间。
表1 使用Hipace300H和不同的前级泵所能达到的极限压力
激光平衡技术
2021年，Pfeiffer真空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。
使用建议
- 开机前先将前级泵抽至2托，然后再启动涡轮分子泵。
- 在涡轮分子泵与前级泵之间可串入一只挡油阱以防止机械泵油蒸汽的返油。
- 不能在前级泵工作时（前级管路接通）和真空室处于真空状态时将涡轮分子泵停掉。
- 选择系统前级泵大小时，应使涡轮分子泵的前级泵保持在分子流状态下。
- 不能让涡轮分子泵在低于额定工作转速下运行。
- 分子泵入口应装设防护网，以免异物进入泵内损坏转子和定子叶片。
本文详细介绍了涡轮分子泵的工作原理、历史发展、关键技术和应用要点，内容专业且深入，涵盖了从基本工作原理到具体技术参数的全面解析。文章通过图文结合的方式，清晰地展示了涡轮分子泵的结构和功能，具有较高的科学性和实用性。
本文原文来自instrument.com.cn