如何選擇和使用渦輪分子泵

2013-05-05 楊乃恒 東北大學

  首先介紹了渦輪分子泵的工作原理,結構型式及其優缺點。為了利用渦輪分子泵,獲得清潔真空,國外多利用干式機械泵作其前級泵,構成無油的真空系統。然而,目前國內渦輪分子泵多以油封旋片機械泵為其前級泵,構成了有油真空系統,如果操作不當,很難避免油蒸汽返流,對真空系統的污染。利用有油系統獲得清潔真空,國內外都有一些有效防止返流的措施和成功的操作經驗。這些對用戶正確選擇和使用渦輪分子泵有油系統獲得清潔真空,有一定的參考價值。

  當今,現代化的半導體行業中,越來越多地應用渦輪分子泵。如濺射、刻蝕、蒸發、注入、分子束外延、離子加工等設備都需要在真空環境下運行。又如電子顯微鏡,表面分析儀器,殘余氣體分析儀氦質譜檢漏儀等也經常使用渦輪分子泵來抽真空。此外,在宇宙模擬設備、核聚變裝置、太陽能集熱管鍍膜生產線上也都改用大型渦輪分子泵或低溫泵來代替油擴散泵系統,以防止油蒸汽的污染。因此,最近十幾年來,渦輪分子泵,在國內、外都得到了顯著的改進和發展。在渦輪分子泵的應用日益增加干式的前級泵還沒有大量普及和應用的情況下,有時還不得不用油封機械泵來作渦輪分子泵的前級泵。因此,針對這種現狀,對渦輪分子泵的合理選用和正確操作是很重要的。真空技術網(http://www.bdfwqmh.cn)認為弄清楚渦輪分子泵的特點和使用方法,對用戶是很必要的。

1、渦輪分子泵的結構型式與工作原理

  渦輪分子泵在結構上有立式渦輪分子泵臥式渦輪分子泵之分,如圖1(a、b)為立式渦輪分子泵結構示意圖,圖2 為臥式渦輪分子泵結構示意圖。

立式渦輪分子泵結構示意圖

圖1(a)立式渦輪分子泵結構示意圖 (b)帶磁軸承的立式渦輪分子泵結構示意圖

臥式渦輪分子泵結構泵意圖

圖2 臥式渦輪分子泵結構泵意圖

  渦輪分子泵的工作原理很簡單。當氣體分子以VP1 碰撞到運轉速度為VB(400 m/s)的表面上,就會被攜帶轉向到葉片的運動方向上如VP2。(如圖3) 典型的渦輪分子泵是在分子流范圍內工作的。入口壓力可以1×10-3 Torr 延至10-11 Torr(目前國際真空度標準單位為帕斯卡,即Pa。若各位對真空度的不同單位的換算存在不是很了解的情況,請使用真空度在線換算工具:http://www.bdfwqmh.cn/tools/pressure.php)。

  渦輪分子泵葉片在非常高的速度下,使氣體分子被連續不斷地折射,轉向和壓縮,氣體分子被葉列壓縮到前級側后被前級泵排出。典型的前級泵多為小型的油封式旋片泵或干式機械泵。

渦輪分子泵的工作原理示意圖

圖3 渦輪分子泵的工作原理示意圖

  泵中的這種旋轉的渦輪葉列稱為轉子,被裝在由軸承支撐的軸上。兩個轉子葉片圓盤之間有靜止的渦輪葉片稱作定子。它安裝在泵殼內,每一對轉子和定子構成一級壓縮。氣體分子通過泵的入口經多級葉列壓縮后排到出口處,多級壓縮可有很高的壓縮比,故在入口處可獲得非常低的壓力(非常高的真空度)。

2、渦輪分子泵的優缺點

2.1、渦輪分子泵的優點

  由于渦輪分子泵在某些方面,要比低溫泵、離子泵和擴散泵表現得更優越。故在一般情況下,多選用渦輪分子泵。它的優點有:

  (1)清潔,無油蒸汽返流

  渦輪分子泵可不用任何阱,按操作規程工作,就能為被抽容器提供一個極為清潔的真空環境,且不含有任何碳氫化合物。由于現代的渦輪分子泵除大泵外很少用油潤滑的了,對于小泵多用油脂潤滑,也有用空氣軸承的,但磁懸浮軸承用得較多。近幾年來也有不少干式前級泵出現,使渦輪分子泵系統不存在油蒸汽返流,使它真正成為一種清潔的干式高真空泵(如圖4)。

渦輪分子泵典型的殘余氣體的頻譜圖

圖4 渦輪分子泵典型的殘余氣體的頻譜圖

  圖4 表明渦輪分子泵系統中不含有碳氫化合物,曲線上17 和18 為OH+ 和H2O+。

  (2)使用方便

  在許多應用中,渦輪分子泵可不用高真空閥門或粗真空閥。只是簡單地一按電鈕,泵便能開始工作。從大氣壓力可降至極限壓力。這種系統可以通過渦輪分子泵進行粗抽,可一直加速到工作速度為止。這樣就可以不用閥門、管道、阱、閥門控制器等真空元件。同時也消除了這些元件所帶來的故障。因此渦輪分子泵系統所占的空間小,而且渦輪分子泵的安裝方向不受限制,可在任意方向安裝(用油潤滑的泵除外,它只能在垂直±5°范圍內工作)。這個特點,可用于安裝位置受限制的地方。

  (3)氣體輸送能力強

  大多數渦輪分子泵對于輸送輕氣體(如氫、氦)的能力很強。因而它非常適于超高真空下的工藝操作。對于那些富氫的工藝過程,氦質譜檢漏儀等場合均可得到應用。有專門設計用于抽除腐蝕性氣體的渦輪分子泵,適用于刻蝕、反應離子刻蝕,離子束加工,低壓化學氣相沉積,外延及離子注入等工藝操作。在這些工藝過程中,抽除的氣體會對低溫泵、離子泵、擴散泵油等有腐蝕作用。甚至也會破壞標準的未加保護的渦輪分子泵。由于渦輪分子泵屬于傳輸型泵,被抽氣體可穿膛而過,不在泵內積存。因而它適于氣體負荷高的工藝過程。如濺射、刻蝕等。

  (4)適于超高真空應用

  一臺密封和除氣良好的渦輪分子泵,配以性能良好的雙級旋片泵(或同樣性能的干式前級泵),其極限真空度一般可達到10-9~10-10 Torr(即133.3~13.33 nPa)之間。若一臺渦輪分子泵再串一臺渦輪分子泵,用金屬密封并除氣良好的泵,一般其極限壓力在1×10-10 ~1×10-11 Torr (即13.33~1.333 nPa)之間。而且不像低溫泵或離子泵那樣,渦輪分子泵在超高真空條件下能滿抽速運轉。這些性能再加上它有良好的清潔性(測不到碳氫化合物),顯然用戶會選擇渦輪分子泵用于高分辨率質譜儀,分子束外延設備及超高真空分析儀器等設備上的。

  (5)高壓力下性能良好

  有些渦輪分子泵的入口壓力可在10-1~10-3 Torr(即13.33 Pa~133.3 mPa)之間運行。在這個壓力范圍內,離子泵不能應用,對于低溫泵需要節流抽速或經常再生,對擴散泵的工作也會變得不穩定。

  (6)循環的時間短

  多數渦輪分子泵,尤其小一些的,要達到正常的運行速度的時間,一般需要1~3 min。對于不同品種和型號的泵有所不同。并且能立即關閉,并可暴露大氣。這種快速循環特性在樣品輸入系統中很有用,尤其對手提式氦檢漏儀有用。

  (7)正常使用時間長

  在某些應用中,渦輪分子泵的正常使用時間要比其它泵優越。因為在重氣體負荷和閥門漏氣的情況下,會引起低溫泵經常不定時的再生或離子泵經常修復,而渦輪分子泵使用還能消除因泵油對真空室的污染。