第1章绪论
分子泵是一种工作在高真空、超高真空环境下的机械式真空泵。与依靠容积变化来实现抽气的变容式真空泵不同，分子泵是靠高速运动的刚体表面与气体的外摩擦携带作用，来实现对气体的抽出（牵引分子泵，简称牵引泵），或以高速旋转的动叶列和静止的静叶列相互配合来实现抽气（涡轮分子泵）的一种动量传递式真空泵[1，2]。
牵引分子泵以气体外摩擦作用原理为理论基础，其工作原理如图1-1所示。
图1-1 牵引分子泵工作原理图
高真空条件下，忽略气体分子之间的相互碰撞，气体分子以热运动速率 v由位置 1 入射到固体表面上，如果发生镜面反射，气体分子的速度仍为 v，反射位置为 2；高速运动的固体表面牵引速度为 u，气体分子与固体表面进行动量交换，在外摩擦力的作用下，气体分子反射时带有牵引速度 u，实际反射位置为 3，即在固体运动方向上产生定向流动，从而使动面具有了抽气能力。从图1-1中可知，运动固体表面对气体的抽气效率与动面的牵引速度密切相关。要想获得好的抽气效果，动面的速度应与气体分子热运动速率相当，这就是分子泵转速普遍很高的原因。此外，由于小分子热运动速率更大，分子泵对小分子气体（如氢气、氦气）的抽气能力较弱。由于分子泵对大分子气体（如氩气、油蒸气）具有更强的抽气能力，即使在有稀油对轴承进行润滑的情况下，分子泵入口处的油蒸气返油量也几乎测量不到，因此，常常把有油润滑的分子泵视为准无油的清洁真空获得设备。
分子泵的性能指标主要有抽速和压缩比。分子泵抽速为泵入口处被抽气体的体积流率；分子泵压缩比为泵出口压力与泵入口压力之比。分子泵抽速越大，抽气效率越高，对容器的抽空时间就越短。分子泵压缩比越大，被抽容器获得的极限真空度越高（极限压力越低）。
分子泵按结构分为牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵。一般地，牵引分子泵具有很高的压缩比，但抽速较小；涡轮分子泵在较宽的入口压力范围内具有较大的抽速，并可通过增加涡轮叶列数量等方式，获得较高的压缩比；复合分子泵集合了牵引分子泵和涡轮分子泵的优点，可以获得大抽速（涡轮级）和高压缩比（牵引级）[3]。
分子泵从 1912年发明以来，经历了 100多年的发展。分子泵早期仅应用于核物理、电真空、表面科学等研究领域，后随半导体产业、薄膜等工业的发展，得到更大规模的工业应用。分子泵抽气理论研究的不断深入和完善，机械加工方法、加工工艺的进步，以及新材料、新技术的采用等，推动了分子泵的设计和开发，分子泵的性能和可靠性得到大幅度提高，分子泵已经成为当前科研和工程中获得清洁高真空、超高真空环境的主要设备之一[4]。
1.1 分子泵的发展回顾
1.1.1 牵引分子泵的发明与改进
W. Gaede以气体外摩擦作用原理为理论基础，于 1913年发明了牵引分子泵（drag molecular pump，DMP），其具有启动时间短、抽大气体分子比抽小气体分子快等一系列优点，其结构如图1-2所示[5]。
牵引转子直径为 50mm，转速为 12000r/min，转子上开有 8条尺寸不等的牵引槽。当前级压力为 1300Pa时，泵的极限压力为 4×10.3Pa，抽速约为 1.5L/s。 W. Gaede牵引分子泵曾应用于美国电子管排气系统上，但由于故障多， 1915年被 W. Gaede自己发明的水银扩散泵代替。
图1-2 W. Gaede牵引分子泵结构图
1-进气口；2-排气口；3-牵引转子；4-泵体；5-挡块
1923年 M. Holweck开发了一种筒式牵引泵，其结构如图1-3所示[6]。转子直径为 150mm，长为 230mm，转子转速为 3000～4500r/min。转子与泵体之间间隙为 0.025～0.050mm。出口压力为 2700Pa时，泵的极限压力为 1.3×10.3Pa，抽速为 4.5～8L/s。M. Holweck的分子泵曾用于海军通信三极管、真空分析仪器、电子显微镜和阴极射线管等真空系统上。
M. Holweck筒式牵引泵的牵引筒展开图如图1-3（b）所示。其中，牵引筒高度用 L′表示；牵引槽长度用 L表示，深度用 h表示，宽度用 w表示，螺旋升角用 φ表示；转子与定子间隙用 δ表示；转子的牵引速度用 u表示。气体流动如图1-3中箭头方向所示。
图1-3 M. Holweck筒式牵引泵
筒式牵引泵压缩比很高，但泵入口有效抽气面积不大、抽速较小。由于筒式牵引泵进气口、排气口之间的压差很大，而转子与定子的间隙为被抽气体泄漏的通道，与牵引槽长度（抽气通道长度） L相比，牵引筒高度（泄漏通道长度） L′较短，因此，筒式牵引泵容易发生较大的间隙泄漏，对泵的抽气性能产生不利影响。为有效控制被抽气体沿筒式牵引泵转子-定子间隙的泄漏，保证泵的抽气性能，筒式牵引泵转子与定子之间的设计间隙非常小。这就对筒式牵引泵零部件的加工精度和装配精度要求很高，牵引分子泵高速运动条件下很小的工作间隙容易引起泵的机械故障，导致泵的损坏。
1943年，M. Siegbahn把外摩擦理论应用到了带槽的牵引盘上，在瑞典大学物理实验室开发了一种应用于筒型光谱计上的大抽速盘式牵引泵，其结构如图1-4所示[7]。其中，转子为光滑圆盘，泵体上开有螺旋槽，转子直径为 540mm，螺旋槽外侧尺寸为 22mm×22mm，内侧尺寸为 22mm×1mm，圆盘转速为 3700r/min，泵的抽速为 73L/s，极限压力为 8×10.5Pa。在 1926～1940年，瑞典大学工厂制造了 50台 M. Siegbahn分子泵，并于 1931年许可德国 LEYBOLD公司生产该泵。在 1939年，两台大型盘式牵引泵在回旋加速器上得到应用。
图1-5为一种盘式牵引槽（静盘）与光滑圆盘（动盘）的组合结构图，图中带箭头的虚线表示气体的流动路径。从图1-5中可见，由于盘式牵引泵扩大了抽气通道，使其抽速有所提高，同时，气体泄漏通道长度与抽气通道长度相当，相比于筒式牵引泵，盘式牵引泵的泄漏通道有了较大幅度的延长，因此，盘式牵引泵的工作间隙可以适当放宽，其工作可靠性也得到提高[8]。
图1-4 M. Siegbahn大抽速盘式牵引泵
图1-5 盘式牵引泵动-静盘组合结构图
初期的牵引分子泵的缺点是体积大、抽速小、间隙小、故障多，故在应用上受到了一定的限制。除特殊应用场合之外，在很长一段时间内，结构简单的油扩散泵是高真空应用领域中的主要真空获得设备。
1.1.2 涡轮分子泵的发明与发展
W. Becker于 1958年发明了适于高真空、超高真空环境下工作的涡轮分子泵（turbo-molecular pump，TMP）[9]。与牵引分子泵相比，涡轮分子泵在结构形式和工作原理上有较大变化。涡轮分子泵是以高速旋转的动叶列和静止的静叶列相互配合来实现抽气的，具有高运转可靠性以及大抽速，极限压力可达 10.9Pa，在很多科研和工业领域得到应用。涡轮分子泵对油蒸气等大分子量气体的压缩比很高，加之转子系统支承轴承设置于泵的出口侧，因而在泵运转过程中，轴承润滑油蒸气反扩散到泵入口的量极少，因此，涡轮分子泵可以获得清洁无油的超高真空。
W. Becker发明的涡轮分子泵为卧式结构，结构组成如图1-6所示。其转子直径为 170mm，共由 19级涡轮叶列组成，电动机转速为 16000r/min。被抽气体由泵体中央上部的进气口进入，经过泵内交替排列的涡轮动、静叶列的压缩，沿轴向流至泵体两侧，如图1-6（b）中箭头所示，*终由泵的排气口排出。 W. Becker发明的涡轮分子泵的抽速为 140L/s，对 H2的压缩比为 250，对空气的压缩比为 107。
图1-6 卧式涡轮分子泵
1966年法国 SENCMA公司的 L. Rubet开发了一种立式涡轮分子泵。Rubet立式涡轮分子泵转子直径为 286mm，由 14级涡轮叶列组成，电动机转速为 12000r/min，泵抽速为 650L/s，1971年许可德国 LEYBOLD公司生产。
1971年日本理化学研究所与大阪真空公司合作研制成功的立式涡轮分子泵，由 13级动叶列和 12级静叶列组成，转子直径为 300mm，电动机转速为 12000r/min，支承轴承的润滑*初为油泵供油，而后改为轴中心开孔自给式供油。
1978年，德国 PFEIFFER公司生产的、用于美国国家航空航天局（ National Aeronautics and Space Administration，NASA）质谱仪上的高压缩比微型涡轮分子泵，对 N2的抽速为 16L/s，对 H2的压缩比为 95000，转速为 87000r/min，尺寸为 8cm×8cm×19cm，重量仅为 1.5kg。
1990年，日本大阪真空公司生产了抽速为 25000L/s的 TH-25000大型立式涡轮分子泵，在物理学、核聚变实验、表面科学等研究领域中得到应用。
俄罗斯在大型涡轮分子泵方面研发了系列产品，如 TMPH-5000、TMPH-10000、TMPH-20000及 TMPH-40000，对 N2的抽速分别为 5.0m3/s、9.8m3/s、13.8m3/s、32m3/s。其中 TMPH-40000大型涡轮分子泵结构如图1-7所示，泵尺寸为 145cm×160cm×360cm，功率为 3kW，重量为 3500kg，极限压力为 2×10.6Pa，对 N2的抽速为 32m3/s，对 He的抽速为 38m3/s，对 H2的抽速为 40m3/s，对 H2的压缩比为 104。俄罗斯生产了一种抽速为 3500L/s的矮型立式涡轮分子泵，泵口径大于泵体总高，其结构如图1-8所示。
图1-7 TMPH-40000大型涡轮分子泵
图1-8 HBT-3500矮型立式涡轮分子泵
立式涡轮分子泵是当前工业应用中的主要结构形式，其结构组成如图1-9所示。与卧式涡轮分子泵一样，立式涡轮分子泵的抽气单元也是由动、静叶列相间排列，串联而成的，其中，第一级和*后一级为动叶列。立式涡轮分子泵被抽气体从泵上部进气口进入，沿轴向压缩，从下部排气口排出。立式涡轮分子泵一般要求垂直安装，若采用油脂润滑轴承或磁悬浮轴承，可以任意位置安装。
图1-9 立式涡轮分子泵的结构组成
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