渦輪分子泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)值得注意的幾個(gè)問題
1、返流
渦輪分子泵具有提供超清潔、無碳?xì)浠衔锏恼婵窄h(huán)境的能力，故常被用戶選用。然而，用戶也偶爾會發(fā)現(xiàn)渦輪分子泵提供不了不含碳?xì)浠衔锏恼婵窄h(huán)境。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)碳?xì)浠衔锏膩碓矗?0%是操作失誤所帶來的問題，如渦輪分子泵的前級泵為油封式旋片泵時(shí)，沒有控制返流的安全閥，不合理的放氣程序都會引起油蒸汽的返流，不合要求的安全閥也會引起油污染。
為了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無碳?xì)浠衔镞@一要求，在前級泵不是干式泵的情況下，有必要了解渦輪分子泵的壓縮比及如何給泵充氣的一些基本知識。
2、壓縮比
渦輪分子泵的壓縮比是指前級管道（排氣口處）的壓力與進(jìn)氣口處的壓力之比。由于被抽氣體的分子量不同，泵對各種氣體的壓縮比也不同。氣體分子量M 的平方根與壓縮比K 的關(guān)系如圖6所示，泵對氫的壓縮比很小，一般為1000 左右，這樣一來如果前級管道中氫的壓力為1×10- 7 Torr（13.33 μPa），那么進(jìn)氣口處氫的壓力則小1000倍，即為1×10- 10 Torr（13.33 nPa）。由于氫是超高真空系統(tǒng)中主要的殘余氣體，所以氫的壓縮比是決定渦輪分子泵的極限壓力的關(guān)鍵因素。
渦輪分子泵對于大分子量的氣體，如對那些碳?xì)浠衔锓肿拥膲嚎s比是相當(dāng)大的，一般高于1012。這個(gè)比值根據(jù)不同泵，以及不同分子量而不同，由于前級泵的不同和其它因素，渦輪分子泵的前級管道中的碳?xì)浠衔锏姆謮毫υ?0- 4 Torr（13.33 mPa）～10- 6 Torr（133.3 μPa）之間，在這種條件下，在泵的入口處碳?xì)浠衔锏姆謮毫⒌土?012 倍，即為10- 16 Torr（13.33 fPa）或更低。這樣幾乎是無限小的壓力，已超出了可測量的范圍，即使最靈敏的質(zhì)譜儀也難以測出。
圖6 不同分子量M 的平方根與壓縮比的關(guān)系曲線
3、充氣措施
(1)為什么要充氣
當(dāng)渦輪分子泵關(guān)閉或運(yùn)轉(zhuǎn)極慢時(shí)，泵將不再有足夠大的壓縮比（泵內(nèi)壓力梯度）來阻止前級側(cè)存在的碳?xì)浠衔锿ㄟ^渦輪葉片向真空室進(jìn)行返流。這種現(xiàn)象稱作反擴(kuò)散或分子返流。在靜態(tài)條件下，整個(gè)系統(tǒng)的壓力均衡時(shí)，在前級管道側(cè)， 油的分壓力通常為10- 4 ～10- 6 Torr （ 或13.33mPa～133.3μPa）最后也會波及到泵的入口處。當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)，適當(dāng)?shù)亟o泵內(nèi)充氣是控制油分子返流，保持真空室內(nèi)無碳?xì)浠衔锏囊环N有效的措施。
當(dāng)停泵后，碳?xì)浠衔锓盗骱芸焱ㄟ^泵進(jìn)入真空室內(nèi)，如果系統(tǒng)仍保持在真空狀態(tài)下，碳?xì)浠衔飳吃谇鍧嵉娜~片和真空室的表面上。在隨后再運(yùn)轉(zhuǎn)該系統(tǒng)時(shí)，將極難抽除粘著的碳?xì)浠衔铩Ａ硪环矫�，在渦輪分子泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果給泵充入干燥氮?dú)饣蚋稍锟諝�，則該干燥氣體將給暴露的表面提供一層氣體保護(hù)層，而且在系統(tǒng)充氣后，返流的碳?xì)浠衔镉捎谂c充入的氣體混合起來，從而它的粘著能力很弱，在混合氣體中碳?xì)浠衔锼急壤龢O小，在下一次抽空時(shí)也很快就能被抽走。
(2)延遲充氣
雖然在泵斷開電源后就應(yīng)給泵充氣已被大家所接受，且很平常，但是，渦輪分子泵在切斷電源后，泵要漸漸地減速，若延遲幾秒或幾分鐘再充氣會更好一些。在泵減速到它平時(shí)速度的30%～50%期間，此時(shí)泵仍能起到抽氣和壓縮作用。能有效地使真空室處在真空狀態(tài)下且能防止碳?xì)浠衔锏姆盗�。延遲充氣也能使閥門有足夠的時(shí)間關(guān)閉，在經(jīng)常停電的情況下，延遲充氣是很有用的。為了延遲充氣， 前級真空必須維持在1 ～1000 μmHg （1 ×10- 3 mmHg ~1 mmHg 或133.3 mPa～133.3 Pa）范圍之內(nèi)，所以在渦輪分子泵與前級泵之間必須有一個(gè)真空閥，或者在前級泵內(nèi)部裝一個(gè)控制閥，該閥應(yīng)在電源中斷時(shí)，使渦輪分子泵與前級泵隔離開來。否則，通過前級泵、前級管道被充氣，并導(dǎo)致了油的污染。
(3)在何處充氣
在渦輪分子泵的前級側(cè)充氣，能強(qiáng)制使碳?xì)浠衔锪⒖掏ㄟ^渦輪分子泵流入真空室。另一方面，若在渦輪分子泵吸入側(cè)充氣，能達(dá)到以清潔氣體覆蓋表面的目的。并使氣流流向渦輪分子泵（自上而下），能暫時(shí)阻止、延遲碳?xì)浠衔锏姆盗鳎灿行u輪分子泵在壓縮級之間進(jìn)行中間充氣，它和在吸入側(cè)充氣控制碳?xì)浠衔锓盗鲙缀跬瑯佑行�。在超高真空系統(tǒng)中，在壓縮級充氣尤其優(yōu)越。因?yàn)橹虚g充氣不需要價(jià)格昂貴的金屬密封的可烘烤的充氣閥。
(4)怎樣充氣
如果渦輪分子泵置于一個(gè)清潔、干燥的周圍環(huán)境中，就可以充室內(nèi)的空氣。然而充氣入口的位置必須仔細(xì)選擇。如果充氣入口位置靠近油封式旋片泵的排氣口位置之上，則充入的氣體中會含有油蒸汽勢必會對真空系統(tǒng)造成污染，而且如果空氣是濕的，為了減少以后再抽氣的時(shí)間，于是要充入干燥氮?dú)饣蚪?jīng)過干燥器過濾的空氣。另外也不一定總是充入大氣壓力下的氣體，若充入氣體的壓力為幾Torr（幾hpa）的干燥氣體就足以能控制碳?xì)浠衔锏姆盗鳌?/p>
4、前級管道設(shè)安全閥
如果不采用一個(gè)操作合理的前級管道安全閥，就有可能即污染渦輪分子泵又污染真空室。當(dāng)前級泵斷電停車時(shí)，前級泵就會給自己充氣反向通到渦輪分子泵的排氣口。這種前級泵充氣會輸送前級管道返流的泵油，之后通過渦輪分子泵進(jìn)入真空室，這種現(xiàn)象稱為油污染，被污染后渦輪分子泵的葉片就必須在廠家的指導(dǎo)下用氟利昂來清洗。
在渦輪分子泵與前級泵之間裝上一個(gè)真空閥，可以防止反向充氣，當(dāng)停電時(shí)立刻關(guān)上此閥。理想的情況是，它即能對前級泵入口充氣又不致于使泵油返流浸入安全閥。另外，只有當(dāng)它的壓力基本均衡時(shí)才能打開安全閥，否則就有可能出現(xiàn)壓力沖擊前級管道的問題，例如，在斷電瞬間前級泵壓力將為大氣壓力，然而前級管道仍可能處于真空狀態(tài)下。若閥門的兩側(cè)壓力差很大，一旦通電閥門會立刻打開，含污染油的大氣壓下的氣體將由前級泵沖向前級管道，從而會污染系統(tǒng)。所以安全閥需要一定的延遲開啟的時(shí)間，以便讓前級泵將閥門后的管道內(nèi)抽成真空，閥前后的壓差均衡時(shí)才可打開安全閥，總之采取辦法來控制閥門的兩側(cè)的壓力差，不使氣流返沖�，F(xiàn)在許多直聯(lián)式旋片泵，在泵內(nèi)裝有安全閥，但閥門密封性能一定要保證，一旦閥門關(guān)不上后果相當(dāng)嚴(yán)重，渦輪分子泵系統(tǒng)就會被油污染，這種問題是可能通過檢測事先發(fā)現(xiàn)的。在運(yùn)轉(zhuǎn)的前級泵上安裝一個(gè)前級真空規(guī)管，將泵關(guān)閉如果前級壓力增加值在10～1000 μmHg （1×10- 2～1 torr 或1.333～133.3Pa）之間并不再增加，則閥門有效如果壓力繼續(xù)上升很快，直接達(dá)到大氣壓力說明閥門失效。如果閥門的密封良好，檢查閥門是否立即開啟還是等壓力均衡后再開啟，觀察規(guī)管并開前級泵，如果規(guī)管馬上就跳到幾乎是大氣壓力，說明有返流的蒸汽的沖擊。
5、操作程序
由于渦輪分子泵的種類和型號是多種多樣的，每種泵的操作方式由制造廠家提供，渦輪分子泵的操作最簡單、最便宜的方法是同時(shí)啟動渦輪分子泵和前級泵，當(dāng)渦輪分子泵加速到正常轉(zhuǎn)速時(shí)，同時(shí)也預(yù)抽完了該系統(tǒng)，在此初始高壓強(qiáng)預(yù)抽階段，油蒸汽的返流是不可能的。因?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)內(nèi)氣體處于粘滯流或?qū)恿鳡顟B(tài)，排出氣體的密度大，可阻擋任何碳?xì)浠衔锏姆肿酉驕u輪分子泵方向返流。當(dāng)達(dá)到分子流態(tài)時(shí)，渦輪分子泵已進(jìn)入正常速度運(yùn)轉(zhuǎn)，在泵高壓縮比的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就可防止了油蒸汽的返流。
渦輪分子泵的前級泵由一個(gè)電紐開關(guān)控制，兩泵可同時(shí)啟動和停車。
在某些快速循環(huán)的系統(tǒng)中，也沒有足夠的時(shí)間，使渦輪分子泵在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，由于時(shí)間短來不及達(dá)到正常的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在這種情況下，就不能隨工作循環(huán)去周期性地開啟渦輪分子泵。此時(shí)渦輪分子泵就不得不連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，前級泵粗抽真空室，很快就能達(dá)到渦輪分子泵的啟動壓力，就可以很快打開主閥，渦輪分子泵可以在相對高的壓力下工作（節(jié)約了時(shí)間）也可使粗抽管道返流降到最低程度。
如果系統(tǒng)需要有粗抽管道，操作不當(dāng)也有可能出現(xiàn)返流問題，若是將系統(tǒng)粗抽到太低的壓力，粗抽管道內(nèi)就會出現(xiàn)分子流態(tài)。則粗抽泵的油蒸汽就有可能返流到真空室。當(dāng)壓力低于100～200 μmHg（13.33～26.66Pa）時(shí)，就會出現(xiàn)這種返流。
當(dāng)真空室粗抽適度后就關(guān)閉粗抽閥門，而粗抽泵還在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，粗抽管道內(nèi)的壓力降低了會出現(xiàn)分子流狀態(tài)。碳?xì)浠衔飼霈F(xiàn)返流，并凝結(jié)在粗抽閥蓋上或閥的密封處。當(dāng)粗抽閥再打開時(shí)，這些凝結(jié)物就有可能離開閥蓋或密封處而返流向真空室一側(cè)。在下一個(gè)高真空循環(huán)周期中這些油蒸汽就會遷移到真空室內(nèi)而遭到污染。
為了解決粗抽造成的返流問題，主要是在前級管道中避免分子流態(tài)的發(fā)生，以防油蒸汽返流。當(dāng)前級管道中達(dá)到前級壓力時(shí)，關(guān)閉粗抽閥對粗抽管道內(nèi)充氣（用一個(gè)充氣閥和一個(gè)可控漏孔），然后關(guān)閉粗抽泵。因而粗抽管道內(nèi)就不可能出現(xiàn)分子流態(tài)，防止了返流。
使用渦輪分子泵時(shí)，通�？刹挥么殖楣艿�。如在快速循環(huán)的系統(tǒng)中，不設(shè)粗抽管道，可以選用那些耐大氣沖擊的渦輪分子泵。能直接從大氣壓力下對真空室進(jìn)行抽真空。
上述討論是渦輪分子泵選用有油的前級泵工作時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。在當(dāng)前研制成功的不同型的干式前級泵可作為渦輪分子泵的前級泵時(shí)就解決了有油系統(tǒng)的返流問題，實(shí)現(xiàn)清潔的真空獲得，如能選用當(dāng)前出現(xiàn)的那種從大氣壓一直抽到高真空的新型分子泵工作就更好了。
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