擴散泵

自 1913 年 Gaede 發明擴散泵已有 101 年，在此期間技術上已經有很大進步。生產的油擴散泵抽速已達到 100000 L/s 以上，擴散噴射泵的抽速也達 40000 L/s，蒸汽流真空泵在真空應用領域中起着十分重要的作用。儘管有許多其它類型的抽氣方式也可以在高真空領域工作，但由於擴散泵結構簡單、操作和維護方便、使用壽命長、對各種氣體均有較好的抽氣特性，因而它一直是獲得高真空的主要抽氣設備。 ^[1] 

蓋得於1913年9月25日，在德國申請了一項專利。用水銀蒸汽流來產生高真空的裝置。他指出：高真空是通過擴散作用而得到的。因而，這種泵以擴散泵而聞名。據前蘇聯文獻報道：1912年俄羅斯學者巴洛維克在彼得堡物理研究所首先提出這種泵，而且在1913年俄羅斯學者巴甫洛夫，用這種泵進行過氣體分子碰撞方面的研究工作。現代擴散泵是經過幾代人的不斷研究，改進和創新的成果。但我們不能忘記蓋得對擴散泵所作的貢獻。 ^[1] 

該系統是上個世紀九十年代研發的新的大口徑擴散泵，對傳統的擴散泵作了重大改進.其主要特點有：①抽速大，抽速範圍為3000~50000 L/s六種規格。泵壁有上凹槽，冷卻水管卧在凹槽內，增大了接觸面積、冷卻效果好。萊寶公司又於2003年對DIP擴散泵進行了進一步的改進，將水冷管改為水冷夾層。擴散泵的整體改為全不鏽鋼材質。從而進一步提高DIP系列泵的性能指標。②油蒸汽返流率低。不加外置水冷擋板並使用普通礦物油，其返油率為1×10^-3mg/cm²·min；如果採用DC-705硅油，返油率可降至於1×10^-4mg/cm²·min；極限壓力低於10^-6Pa。③抽氣曲線上，在入口壓力為10^-1Pa時達到最大抽速，且抽速穩定。④採用插入擴散泵內部的多支加熱棒加熱，傳熱效率高，預熱時間短。對於抽速為3000~20000L/s的泵，預熱時間少於25min；30000~50000L/s的泵預熱時間少於30min。可在不停泵的情況下更換加熱棒。⑤裝有過熱裝置，防止泵油過熱。通過觀察窗可隨時觀察泵油的質和量。泵上設有注油口和放油口，換油時無須把擴散泵從真空系統中拆下。最大允許前級壓力高，為60 Pa。

其結構示意圖（以DIF800為例）如圖1所示：

DIF系列為3~4級噴咀，並作成托盤結構，可調節各級噴咀的喉部間隙。在泵體內帶水冷帽。用多個盤式加熱器。 ^[2] 

擴散泵系統的壓強不穩定的原因，有內部和外部之分。泵外的原因有：①來自橡膠墊圈的氣泡；②從障板上滴落下的泵油；③高的前級耐壓；④阱除霜；⑤阱內冷凍層的破裂。泵內的原因有：①泵油爆沸或沸騰不穩定；②在導流管外部油的沸騰；③輕氣體的低壓縮比；④噴咀內的液滴；⑤頂噴咀變冷（蒸汽冷凝）；⑥鍋爐附近泄漏，泵體要檢漏。

鍋爐內泵油的不穩定沸騰，會使噴出的蒸汽射流的密度波動，從而引起抽速和輕氣體壓縮比的變化。鍋爐可能一時過熱，使之有一段爆沸的時間，其補救的辦法是在現代的油擴散泵中採用有翼片的鍋爐，增加內表面積，降低熱流密度，增加功率能使爆沸減低到最小或消除。在真空中，強力的爆沸，會引起自爆升騰，對噴咀，引起瞬間堵塞，造成汽流波動。泵內加防爆板可以防止爆沸的影響，因對輕氣體壓縮比低，可引起壓力的不穩定，增加功率和泵的級數是有利的。在擴散泵中設置側面出口噴射噴咀和擴壓器，可使擴散泵這種不穩定性減至最小。頂噴咀帽過冷也會引起蒸汽流不連續，導致壓力的不穩定。設法保持頂噴咀的温度不降，不使其過冷。來自橡膠密封的氣泡，有時油捕集氣體，通過密封膠圈滲透放出，因氣泡有一定壓力使油膜破裂後進入系統中。密封槽內集存的泵油應能排出，可使不穩定減少，若用金屬墊圈就更好了。設計良好的冷帽能防止油滴落到頂噴咀的熱表面上蒸發。在用碳氫化合物泵油時，操作不當，擴散泵系統有發生爆炸的危險。大多數情況下規管的燈絲就是點火源。泵的日常操作要規範，定期檢查泵油的質和量。 ^[2] 

（1）國內生擴散泵的廠家較多，型號、尺寸不統一，大泵越作越大，小泵則很少生產。況且對泵的全面性能也沒有考核指標。行業應對提高性能和質量進行定期檢查、組織生產廠家多做改進工作，使用户配套方便。

（2）泵在結構方面：要縮小尺寸、降低重量，保證零件的加工精度，可增加級數，提高在4×10^-1Pa時的抽氣量。給出對幾種常用的被抽氣體的抽氣量。

（3）增加附件。如設置擋油帽，過熱保護裝置（對冷卻水水温、水壓和泵油温度的在線測和自動保護。可自動切斷和復位）。出口壓力的監控。

（4）規定油量的最大值和最小值和耗油量（如0.5~0.7 g/h等）。要觀察油位，以方便用户及時注油。從觀察窗看泵油變質情況以便及時更換。

（5）給出合適的前級泵的容量。

（6）為了節能加熱功率要可調，要快速起動和快速冷卻停泵，提高設備的運轉率。

（7）給出各種被抽氣體的性能曲線，最好給出對一些氣體的壓縮比（方便用户選用。

（8）用微機控制運行和故障診斷。

（9）密封處要選高質量的放氣率和透氣率小的橡膠圈。

（10）給出各種泵的返油率限定值，進一步降低返油率，擴大油擴散泵的用途。油擴散泵的工作壓力範圍寬（1~10^-5Pa以下），它比其它高真空泵的可靠性高，成本低，只有少數部件需要維修，泵內無運動部件，工作中可更換加熱器。硅油或聚苯醚的蒸汽壓為10^-9~10^-10Torr，使用合適的擋板或阱在室温狀態下可獲得10^-10Torr或更低的壓力。

擴散泵的缺點是返油問題，加上擋油帽和冷阱及正確操作，其返油率可降到1×10^-5mg/cm²min的地步。 ^[2] 

油擴散泵致命的缺點就是泵油返流污染被抽系統。經過大量的研究，現代擴散泵由於增加了擋油帽、障板和冷阱等措施，使擴散泵的返油率降得很低。

所有的油擴散泵都存在一定程度的返流現象。返流的氣體是少量殘餘的碳氫化合物。返流有兩個不同性質的來源：泵油分子朝向擴散泵頂噴咀的上方運動構成泵的主要的返流。其次要的返流是被泵壁冷凝的泵油的遷移或再蒸發。利用好的鍋爐和噴咀設計，可使主要的返流降至最低。在頂噴咀上方設置水冷擋油帽，它已成為頂噴咀專用的攔截返油的水冷裝置，由於不斷對冷帽結構的改進，使主要返流大大降低。

利用水冷擋油帽，使泵的抽速稍有損失外，可使返油率降低。對於許多應用場合是允許的。若在系統附加些管道、閥門和彎管，可使真空室的返流降低1/10~1/1000。若利用水冷式的光學密閉的障板，可限制主要返流，但使泵的抽速約下降50%。

次要的返流（即冷凝在表面上的泵油遷移和再蒸發是表面温度和泵油蒸汽壓的函數，到達真空室的這種返流量取決於設置在泵與真空室之間的冷阱的幾何形狀和温度，常用液氮（ 77K）冷阱來捕集油分子。因此真空室的壓力明顯地低於泵油的蒸汽壓。障板或冷阱不僅必須光學密閉，而且還必須使進入障板或冷阱的油分子與冷麪最少碰撞一次。對於使用吸附劑（如沸石）的障板，為避免油分子直線飛行，要設置交錯的吸附劑托盤。沸石是一種含有直徑比氣體分子直徑稍大的微孔物質。1盎司（ 28.35g）沸石內部約有5英畝吸附面積，在小型超高真空系統中，使用分子吸附劑障板是有效的。因為在低壓下，在幾個星期內它能連續地吸附碳氫化合物和其它氣體，並不需要液氮。

現代的油擴散泵在泵入口處，泵油的返流已降至大約室温下泵油蒸發速率的水平。 ^[2] 

只有在使用時遵守一定的操作規程，才能保證系統的正常工作。前已詳細敍述過有關機械泵、擴散泵的操作規程。經人們生產實踐，對排氣系統，也同樣總結出來一套操作規程。以高真空排氣系統為例（其他真空設備可仿照施行），其操作規程如下：

①檢查真空系統各部分，熟悉系統的氣路結構，瞭解真空系統各元件的作用以及操作部分的電路聯接。

②關閉放氣閥門，啓動機械泵，對系統進行抽氣，並隨時用火花檢漏器對系統各部分進行檢漏。如系全金屬系統，則可關閉閥門，用真空計讀數記下P-t曲線（作靜態升壓試驗）。如壓強隨時間呈直線上升，可斷定系統有漏氣源，應進行檢漏。

③當系統真空度達到油擴散泵的前置壓強（5×10^-2託）後，啓動擴散泵，使加熱電流逐漸升到額定（最佳）值。在啓動擴散泵前，必須先開冷卻水。

④擴散泵正常工作後，用火花檢漏器（或熱偶計）判斷量測系統的真空度。到10^-3託以上（熱偶計近滿偏或95格以上）才能使用電離真空計。使用時先對規管除氣，後測量真空度。

⑤對系統進行烘烤去氣處理。對玻璃系統而言，硬玻璃烘烤温度為400℃～450℃ ，軟玻璃為350℃～400℃ 。去氣時間視具體要求而定，一般1～2小時。去氣完後，真空度仍達不到要求，應使用電離計記P-t曲線，以判斷是否漏氣。亦可用丙酮、酒精等塗抹可疑處，看錶針的擺動以發現漏孔。若為去氣不良，應進一步烘烤，加長時間去氣。新系統一般要抽較長時間才能達到預期的真空度。真空度老上不去，則要考慮系統設計、安裝是否合理，有無死空間，放氣源多否，維修時是否帶進了髒物，被抽容器是否清潔等其他因素。 ^[3]