川崎前锋队阵容:渦輪分子泵的結構和工作原理

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  分子泵利用高速旋轉的動葉輪將動量傳給氣體分子,使氣體產生定向流動而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優點是啟動快,能抗各種射線的照射,耐大氣沖擊,無氣體存儲和解吸效應,無油蒸氣污染或污染很少,能獲得清潔的超高真空。渦輪分子泵廣泛用于高能加速器、可控熱核反應裝置、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。

渦輪分子泵的結構和工作原理

  1958年,聯邦德國的W.貝克首次提出有實用價值的渦輪分子泵,以后相繼出現了各種不同結構的分子泵,主要有立式和臥式兩種,圖1為立式渦輪分子泵的結構圖。渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉子(即動葉輪)、靜葉輪和驅動系統等組成。動葉輪外緣的線速度高達氣體分子熱運動的速度(一般為150~400米/秒)。單個葉輪的壓縮比很小,渦輪分子泵要由十多個動葉輪和靜葉輪組成。動葉輪和靜葉輪交替排列。動、靜葉輪幾何尺寸基本相同,但葉片傾斜角相反。圖2為20個動葉輪組成的整體式轉子。每兩個動葉輪之間裝一個靜葉輪。靜葉輪外緣用環固定并使動、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙,動葉輪可在靜葉輪間自由旋轉。

渦輪分子泵的動、靜葉片圖

圖:渦輪分子泵的動、靜葉片圖

立式渦輪分子泵的結構圖

圖1:立式渦輪分子泵的結構圖

動葉片的工作示意圖

圖3:分子泵動葉片的工作示意圖

  圖3為分子泵的一個動葉片工作示意圖。在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(圖3a),當氣體分子到達A點附近時,在角度α1內反射的氣體分子回到左側;在角度β1內反射的氣體分子一部分回到左側,另一部分穿過葉片到達右側;在角度γ1內反射的氣體分子將直接穿過葉片到達右側。同理,在葉輪右側(圖3b),當氣體分子入射到B點附近時,在α2角度內反射的氣體分子將返回右側;在β2角度內反射的氣體分子一部分到達左側,另一部分返回右側;在γ2角度內反射的氣體分子穿過葉片到達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉片到達右側,比從右側穿過葉片到達左側的幾率大得多。葉輪連續旋轉,氣體分子便不斷地由左側流向右側,從而產生抽氣作用。

渦輪分子泵的性能和特點

  泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級數和轉速有關外,還與氣體種類有關。分子量大的氣體有高的壓縮比。對氮(或空氣)的壓縮比為108~109;對氫為102~104;對分子量大的氣體如油蒸氣則大于1010。泵的極限真空度為10-9帕,工作壓力范圍為10-1~10-8帕,抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1升=10-3米)。渦輪分子泵必須在分子流狀態(氣體分子的平均自由程遠大于導管截面最大尺寸的流態)下工作才能顯示出它的優越性,因此要求配有工作壓力為1~10-2帕的前級真空泵。分子泵本身由轉速為10000~60000轉/分的中頻電動機直聯驅動。

  參考書目

  J . F . O'Hanlou,AUser's Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons,New York,1980.

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