涡轮分子泵,真空技术,帕纳光电

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扫描电镜真空系统--涡轮分子泵一、涡轮分子泵的结构原理

利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。

分子泵的结构

1958年，联邦德国的W.贝克***提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种。

图1 为立式涡轮分子泵Pfeiffer TPU 150 的结构图。

涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子（即动叶轮）、静叶轮和驱动系统等组成。是由多级叶列串联，即按动片、定片、动片、……次序交替排列的。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度（一般为150～400米／秒）。单个叶轮的压缩比很小，涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同,但叶片倾斜角相反。

20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。气体分子在与高速运动的分子泵叶片的碰撞过程中得到加速

在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。

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分子泵泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮(或空气)的压缩比为108～109;对氢为102～104；对分子量大的气体如油蒸气则大于1010。泵的极限压力为10-9帕,工作压力范围为10-1～10-8帕,抽气速率为几十到几千升每秒（1升＝10-3米3）。涡轮分子泵必须在分子流状态（气体分子的平均自由程远大于导管截面***尺寸的流态）下工作才能显示出它的***性,因此要求配有工作压力为1～10-2帕的前级真空泵。分子泵本身由转速为10000～100000转／分的中频电动机直联驱动

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分子泵输送气体应满足二个必要条件：

1).涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有0.06μm，即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在1.3Pa时，分子间平均自由程可达4.4mm。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。

2).分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。例：H2在空气中含量甚徽，但由于H2分子具有很大的运动速度( ***可几速度为1557m/s)，所以分子泵对 H2的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达85％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。

二、扫描电子显微镜真空要求

电子光学系统，包括电子***室，电磁透镜光路，样品室等需要高真空。这样才能减少阴极发射电子和气体分子碰撞几率，得到符合要求的电子束；防止钨灯丝因迅速氧化，减少灯丝寿命；太高阴阳极之间的空气绝缘性，使之能够承受高电位差，而不至高压击穿；减少空气中的尘埃对电子***，镜筒和样品的污染，减少气体对X射线，尤其是软X射线的吸收，以提高分析灵敏度。

一般电镜正常工作需要***真空度为10-4-10-5torr（1torr=1mmhg= 133.322Pa），在此真空下，气体分子的平均自由程为2米左右，基本可以满足电子束发射的需要。

 真空系统可以用机械泵和油扩散泵来实现，油扩散泵的应用使得样品及电子光学镜筒，电子***，探测器等的污染增加，尤其需要超高真空环境的电子设备，更无法容忍油污染，因此现在大多数扫描电镜采用涡轮分子泵代替传统的油扩散泵以***扩散泵油的分解物，对样品室和镜筒的污染。

三、涡轮分子泵的优点

由于涡轮分子泵在某些方面，比油扩散泵表现得更***。故在一般情况下，多选用涡轮分子泵。它的优点有：

(1)清洁，无油蒸汽返流

    扫描电镜污染主要是碳氢化合物。油扩散泵真空系统的扫描电镜，扩散本油的挥发和分解是主要污染源，造成样品二次污染，二次电子产额降低，图像模糊不清；污染电子光学镜筒，产生像差像散，需要及时维护；污染探测器，尤其能谱探测器，窗口处处于低温区，油气容易凝结在窗口表面，造成探测灵敏度下降，或者定量误差加大。为了弥补扩散泵的这个缺陷，往往增加冷阱，捕获油气。  

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涡轮分子泵可不用任何冷却，目前全自动控制，能为被抽容器提供一个极为清洁的真空环境，且不含有任何碳氢化合物。由于现代的涡轮分子泵除大泵外很少用油润滑的了，对于小泵多用油脂润滑，也有用空气轴承的，但磁悬浮轴承用得较多。近几年来也有不少干式前级泵出现，使涡轮分子泵系统不存在油蒸汽返流，使它真正成为一种清洁的干式高真空泵