真空系统组成及各种真空泵的工作原理

真空系统的组成及各种真空泵的工作原理

在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子溅射泵、升华泵等。真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等。随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。各种真空测量设备与微型计算机相结合，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。

究竟什么是真空系统?用一句话来概括，就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器对真空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。

真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。

图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板(如图2所示)。根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。

凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。

通常前级泵又兼作予真空抽气泵。被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。

总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：

1．抽气设备：例如各种真空泵；

2．真空阀门；

3．连接管道；

4．真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；

5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。

获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类: 能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵(如机械泵),用来产生预备真空。需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵(扩散泵),次级泵用来进一步提高真空度,获得高真空。

真空分段: ①粗真空760 ～10 Pa;②低真空10 ～10- 2 Pa; ③中真空10- 2 ～10- 4 Pa; ④高真空10-4～10-7Pa;⑤超高真空10- 12～10- 14 Pa; 扩散泵是高真空泵, 当机械泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于1 Pa 气压下才能工作。因此,必须与初级泵串联使用。

由机械泵和油扩散泵组成的高真空系统工作过程介绍

未抽气前，主阀活塞在下面闭合，4预真空管道阀、5前级管道阀、7放气阀均关闭。开始抽气前打开扩散泵9冷却水, 然后开机械泵, 这时机械泵对4预真空管道阀5前级管道阀到机械泵出口的一段管道抽气,当抽气到一定程度时, 5前级管道阀打开,机械泵对扩散泵的前级抽气,当抽到符合扩散泵开启条件时,扩散泵电炉通电加热,这时维持20～30min,以便扩散泵充分加热,进入工作状态。扩散泵进入工作状态后, 5前级管道阀关闭，4预真空管道阀打开，机械泵对被抽容器抽气,抽气达到要求时, 4预真空管道阀关闭，数秒钟后, 3主阀

5前级管道阀打开,扩散泵对被抽容器抽高真空。10.水冷障板作用是防止扩散泵油蒸汽进入高真空的被抽容器。在扫描电镜真空系统中采用的是液氮低温冷阱。

真空系统举例

1. 钠灯封接用的超高真空系统

用扩散泵和钛升华泵并联为主泵，扩散泵单独串联前级机械泵的真空系统。图3所示，称为钠灯超高真空封接炉的系统。可以达到极限真空度为1.33×10-6Pa。

图3.钠灯封接用的超高真空系统

2. 回旋加速器的真空系统

回旋加速器的真空系统如图4所示。该系统一般由真空箱、真空泵（包括高真空泵和前级真空泵）和真空计组成。在真空箱中连接了2个真空计，PIR1控制0.1Pa~10-5Pa的压力范围，PEN控制高真空范围。高真空泵是带有阻尼栅板的油扩散泵DP，在油扩散泵和前级真空泵之间连接一个PIR2，用来监测油扩散泵的前级真空压力。

图4.回旋加速器真空系统示意图

3. AMRAY1000B扫描电镜真空系统

AMRAY1000B扫描电镜真空系统如图5所示。

图5.扫描电镜的真空系统示意图

扫描电镜真空系统的工作过程:打开扩散泵冷却水,空气压缩计达到4个气压时,打开真空电源,开机械泵,按下准备状态,这时机械泵对前级阀V2、旁路阀V3前头到机械泵出口的一段管道抽气,当抽气到一定程度时,气压计TC1 提供信号给控制系统,使V2打开,机械泵对扩散泵的前级抽气,当抽到符合扩散泵开启条件时,气压计TC2给控制系统提供信号,扩散泵电炉通电加热,这时维持20～30min,以便扩散泵充分加热,进入工作状态。扩散泵进入工作状态后,关掉准备状态,V2关,V3开,机械泵对样品室抽气,抽气达到要求时,高真空气压计TC4提供控制信号,这时V3、V4关闭，数秒钟后,V4、V5、V2同时打开,扩散泵对整个系统抽高真空。其中的冷阱为液氮低温冷阱，是为防止扩散泵的油蒸汽进入高真空的电镜腔室所设。