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真空知识解析 制作： 鲍云峰 真空的基本概念 什么是真空呢？ 一句话，就是当容器里的气压低于标准大气压时，即为真空现象。其标准的定义为： 在标准温度和压力下，当一升容积的容器里的气体分子数少于2.7×1022个时，就产生了真空现象。 Mean Free Path 平均自由程是指两次碰撞之间一个分子平均所走的距离。 平均自由程的大小取决于气体的温度、压力及分子的尺寸。 气体流动的种类 气体的流动条件会随着压力的减小而改变，气体的流动种类分为三种：湍流、层流和分子流。 气体流动图示 粘性流动 粘性层流 分子流 常用真空单位：Torr, bar, Pa, atm（kgf/cm2）， psi(磅/平方英寸)一个大气压 = 766 Torr = 1bar = 14.5psi = 105Pa 实现真空的方法 —— 真空泵 依据可以实现真空的能力分为： 机械泵 分子泵 冷泵 各类泵的抽真空能力 粗真空 粗轴泵 罗茨鼓风机 中真空 高真空 超高真空 涡轮泵 低温泵 机械泵（ Roughing Pump） 机械泵工作原理图 排气口 交叉 进气口 转子1 叶片1 第一阶段 第二阶段 转子2 叶片2 排气阀 罗茨鼓风机（roots blower） 为了减少抽气时间、增加抽气速率，通常会在机械泵的基础上再加装一台罗茨鼓风机，加装罗茨鼓风机后的泵组，可以将抽气速率提升20%左右。 罗茨鼓风机工作原理图 转子 进气口 内壁 排气口 分子泵 （turbomolecular pump） 分子泵工作原理图 密封圈 进气口 固定片 转子 电机 电机轴 冷却水通道 支持端口 水供应/返回口 转子 固定片 旋转方向 流动方向 返扩散 冷泵 (cryopump) 冷泵构造图 TC计 车载控制器 二级管连接器 置换剂 80K阵列 氦回港 氦自动入港口 再生氮 前级管道连接 辅助TC计 电源连接器 减压阀 进气口 冷头 15K阵列 压缩机构造 油的视线玻璃（前面） 供水口 回水口 低温泵开关 低温泵电源连接器 输入电源连接器 充氦气的拟合 手动充气阀 氦返回压力表 氦气供应端口 氦回港 供应压力安全阀 安全阀回座压力 差示压力救济阀 压力切断阀 电气控制机箱 吸附器 冷泵工作原理 以氦气作为制冷剂，即热量载体。压缩机将氦气压缩至200psi的高压，高压的氦气在冷泵冷头处膨胀吸热，实现冷头的降温，冷头的温度最终降到10K（-263 ° C）左右来实现对气体的吸附。吸热膨胀后氦气回到压缩机中重新被压缩，体积压缩过程中释放的热量被冷却循环水带走。 冷泵的吸附可以分为三级来完成： 80 K array：一级冷凝面由镀镍铜制成，主要吸附水蒸汽、碳氢化合物。 15 K array(快速再生):二级冷凝面也是由镀镍铜制成，主要吸附N2, O2, Ar, CO2, and CO 。 最底层的活性炭主要吸附H2, He, and Ne 。 冷泵的再生 冷泵的冷头经过长时间的气体吸附，吸附能力也会逐渐下降。 这个时候就需要对冷泵进行再生。 再生的方式是用加热的氮气对冷泵内部进行90分钟的吹扫。冷头上吸附的气体在这个过程中会释放从而被氮气带走，经过充分的吹扫，冷头恢复洁净状态。 再经过压缩的氦气对冷头的降温，冷泵实现再生。