扩散泵的世纪回忆与发展.docxVIP

扩散泵的世纪回忆与发展 本文表达了盖得的发明专利, 从初期的汞扩散泵到分馏油扩散泵的演变过程。讨论了泵体构造、喷咀型式、泵油性能和几个关键技术问题。现代油扩散泵的何氏系数达0.65 以上, 返油率达10- 5 mg/cm2·min,1 kW 功率抽气量可达200 PaL/s 。最后对泵的性能、构造和应用前景作了展望。  古人云: 温故而知新。继承、创新才能发展。因而回忆扩散泵近一个世纪的发展过程, 对其改良和发展是有重要意义的。尊重历史沿革, 单位制没作统一, 请见谅。  在低于10- 2 Torr 的压力区域, 对现代工业和科学研究是非常重要的。高真空在活性金属和难熔金属的熔化和精炼, 塑料的装饰镀膜等许多方面得到广泛的应用。为了获得所需要的高真空而且应用最广的抽气设备是扩散泵。扩散泵借助定向的高速蒸汽流抽气, 可获得10- 2~10- 11 Torr 或更低的压力。( 在10- 9 Torr 以下通常使用障板和冷阱) 。扩散泵是高真空和超高真空获得设备。扩散泵与低温泵联合工作, 可获得10- 14 Torr 的真空度。 1、扩散泵的发展过程与构造改良  盖得于1913 年9 月25 日, 在德国申请了一项专利。用水银蒸汽流来产生高真空的装置。他指出: 高真空是通过扩散作用而得到的。因而, 这种泵就以扩散泵而闻名。据前苏联文献报道:1912 年俄罗斯学者巴洛维克在彼得堡物理研究所首先提出这种泵, 而且在1913 年俄罗斯学者巴甫洛夫, 用这种泵开展过气体分子碰撞方面的研究工作。对于谁先发明的扩散泵这类知识产权的问题, 我们不必深究, 因为已经过去快一个世纪了, 虽然在工作原理上没什么变化, 但和原来盖得泵相比构造上完全不同了。今天的现代扩散泵是经过几代人的不断研究, 改良和创新的成果。但我们不能忘记盖得对扩散泵所作的奉献。  盖德型扩散泵是以水银作为工作介质, 以煤气加热产生水银蒸汽流来抽气的。其抽气原理及构造如图1 所示。泵体及喷咀构造大部分由玻璃制成。这种泵抽速低, 水银蒸汽的温度要准确控制。  1916 年I. Langmuir 发明了凝结泵, 它改良了盖德泵的缺点。  这种凝结泵如图2 所示。该泵喷咀所形成的蒸汽流方向与被抽气体分子扩散的方向是一致的。蒸汽被良好的冷凝在泵壁上, 提高了泵的抽速,对电加热功率波动不敏感无需准确控制温度。  (a) 利用扩散原理抽真空(b) 盖德型扩散泵  图1 盖德扩散泵的原理与构造  1917 年Crawford 对蒸汽流的速度作了改良,利用了渐扩喷咀,不用水冷却如图3 所示。  图2 朗缪尔冷凝泵图3 Crawford 蒸汽喷射泵  1923 年盖德发明了三级水银扩散泵, 抽速到达15 L/s。1927 年日本东芝公司引进盖得三级扩散泵。  1928 年C. R. Burch 在扩散泵上开始使用油作工作介质。  1932 年何增禄先生提出何氏系数Ho 的概念以评价扩散泵的抽气效率, 并开展了多喷咀(19个喷咀) 的抽气试验。  图4 为三级卧式玻璃油扩散泵。  1935 年由K.C.D.Hickman 发明了分馏式油扩散泵的专利。分馏式油扩散泵如图5 及图6所示。  工业上应用的分馏式三级金属油扩散泵如图7 所示。  图4 三级卧式玻璃油扩散泵; 图5 分馏式三级金属油扩散泵(Hicman型) ; 图6 多级分馏式金属油扩散泵(Hicman型)  (a) 泵剖面图(b) 油分馏路线图  如图7 所示: 沿泵壁回流至油锅的泵油先经过外分馏环1, 轻馏分蒸发供应第三级喷咀;当泵油进入到分馏环2 时蒸发的次轻馏分的蒸汽供给第二级喷咀, 最后重馏分进入中心分馏区3 后蒸发供应一级喷咀, 分馏可以提高泵的极限真空度。  用扩散泵获得高真空, 单级喷咀是不行的, 一般小泵为2~3 级, 大泵则为4~5 级, 甚至更多。  各级喷咀串联工作的性能如图8、9 所示。从图8 和图9 可以得出如下结论:入口压力在5 ×10- 5 P 5 ×10- 3 Torr 时多级泵的抽速S 是根据高真空喷咀的尺寸来确定的;在5×10- 3 和 5×10- 2 Torr 中间(或10- 1 Torr),多级泵的抽速大于每个单喷咀的抽速S; 入口压力在5×10- 2 (或10- 1 Torr) P 5×10- 1 Torr 范围内时,多级泵的抽速,是根据前级真空喷咀尺寸来决定的。  图7 三级分馏式油扩散泵构造图  限于篇幅，文章中间章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。  由于篇幅所限, 其他各国的扩散