油擴散泵

1915年，德國物理學家W.蓋得發表了他研究的擴散泵報告。1916年，美國人I.朗繆爾製成泵壁帶有冷卻系統的所謂冷凝泵。這些泵以汞蒸氣為工作介質可獲得10-5帕真空。1928年，英國人C.D.伯爾奇發現高沸點的石油衍生物，1936年，C.D.希克曼等人制成人工合成油。這兩種油在室温下的飽和蒸氣壓都非常低，從而取代了汞作為擴散泵的工作液。從此油擴散泵在高真空領域的工業生產和科學試驗中就日漸普遍使用，並奠定了高真空技術的基礎。60年代開始，油擴散泵又有了新的發展。

主要的改進是：

①泵的材料採用放氣量甚小的不鏽鋼。

②採用飽和蒸氣壓很低、熱穩定性好的油如聚苯醚和硅油作為泵的工作液。

③改革結構，新型油擴散泵在泵口法蘭不變和不過分增大泵的外形尺寸條件下，在法蘭下部突出地擴大泵腔的斷面，其抽氣速率可增大20～40%。如在此裝設一個大直徑擴散噴嘴和液氮冷卻的大直徑擋油帽等。泵可有通常泵（指沒有擴大泵腔斷面的泵）的抽氣速率，並比較徹底地克服了泵的返油而獲得低於10-8帕清潔超高空。因此,油擴散泵在清潔超高真空的工業生產和科學試驗中又取得重要的地位 ^[1]  。

油擴散泵主要由泵體、擴散噴嘴、蒸氣導管、油鍋、加熱器、擴散器、冷卻系統和噴射噴嘴等部分組成。當油擴散泵用前級泵預抽到低於1帕真空時，油鍋可開始加熱。沸騰時噴嘴噴出高速的蒸氣流，熱運動的氣體分子擴散到蒸氣流中，與定向運動的油蒸氣分子碰撞。氣體分子因此而獲得動量，產生和油蒸氣分子運動方向相同的定向流動。到前級，油蒸氣被冷凝，釋出氣體分子，即被前級泵抽走而達到抽氣目的。

泵油的蒸氣壓直接影響泵的真空性能。但油擴散泵所使用的任何泵油，都是蒸氣壓不同的多組分的混合物。因此，要提高油擴散泵的抽氣和真空性能，泵在工作中自身還要對泵油進行分餾和淨化。分餾目的是使高蒸氣壓組分的油不進入高真空工作噴嘴（高真空端的噴嘴）；淨化目的是使高蒸氣壓組分的油在工作過程中不斷為前級泵所抽除，使油逐漸趨於純淨。

泵油分餾主要是利用泵油各組分的蒸發温度不同，使它們分別在不同的鍋爐面積上蒸發。當工作後冷凝迴流的泵油流到有保温罩部分的泵壁時，油即得到預加熱，隨即流到油鍋周邊,經鍋底環形加熱器加熱,輕餾分的油達到蒸發温度便在外層蒸發而進入低真空工作噴嘴 (靠近前級泵的噴嘴);未能蒸發的某些輕餾分油也因比重較其他餾分油小而浮到油麪上。由於外層蒸氣導管的限制，這部分餾分蒸發後仍進入低真空工作噴嘴。重餾分的油在外層蒸氣導管中因未達到蒸發温度而未蒸發，遂從外層由鍋底間的縫隙流到油鍋中心蒸發，進入高真空工作噴嘴。輕、重餾分的油蒸氣這樣分道供給低真空工作噴嘴和高真空工作噴嘴這一過程謂之分餾。從噴射噴嘴噴出的油蒸氣在前級得不到充分的冷卻，蒸氣中的輕餾分即未能完全冷凝而被前級泵抽除。如此循環工作，泵油中的輕餾分便越來越少，重餾分的比例則越來越大，泵油便逐漸趨於純淨。這一過程謂之淨化。泵油的分餾和淨化，對提高泵的極限真空有重要作用 ^[2]  。

油擴散泵真空系統的污染物來源：

(1)擴散泵油蒸汽的返流。這是最重大的污染源。

(2)系統中的零部件，在裝配時用有油的手拿。用有油污的手套拿，這樣粘染的有機分子可以造成系統內的污染。

(3)前級油封機械泵油的返流。這個問題也很嚴重，當入口壓力較高時，在達到過渡區(1～10-1Pa)壓力時，機械泵的油蒸汽即可直接進入擴散泵內，對系統直接進行污染。很多真空工藝過程的污染來自機械泵返油。當停機械泵時如不及時向泵內放大氣，機械泵油可直接返到擴散泵油鍋內。當擴散泵起動時對系統的污染更為嚴重。

(4)抽氣系統中密封材料的放氣造成的污染。特別是人造橡膠密封圈，密封油脂，潤滑油等，也同樣造成嚴重的污染。

(5)當停泵後放大氣時，使真空零部件在空氣中粘污上水蒸汽，油煙等，造成對真空系統的污染 ^[2]  。

消除系統油蒸氣返流的具體措施：

(1)加大擴散泵的啓動功率來縮短機械泵與擴散泵切換時的壓力過渡區。

(2)通過改變系統操作工藝和用閥門來避開返流危險區(切換過渡區)。例如，可使一個按照預定速度開啓的高真空閥，逐漸地開啓它，保證進入擴散泵的氣體流量低於它的最大排氣量，並且又使機械泵抽速保證擴散泵前級壓力，以使擴散泵能樹立工作。這樣就能避開過渡區的出現。

(3)改善操作工藝，將擴散泵的加熱功率調至最佳功率，避免出現泵油爆沸現象;一般擴散泵在加熱開始和關閉過程中，返流將出現峯值，所以可用泵口處的高真空閥門來控制避免返流。

(4)在擴散泵入口處加裝液氫冷阱或吸附阱來捕集返流油蒸氣。

(5)選用優質的擴散泵工作液。

(1)油擴散泵安裝或維修時應垂直放置，使泵芯部件處於正常工作狀態。

(2)清洗零件及泵腔時，先用航空汽油清洗，然後用絲綢蘸乙醚或丙酮進行擦洗，並置於80-100℃下烘乾或用電吹風吹乾。

(3)清洗完畢後，按順序進行裝配，注意保持泵芯與泵底垂直，並與泵腔同心，各級噴嘴間隙要按原要求調整好。

(4)連接密封處，橡膠密封應可靠。

(5)擴散泵如暫時不用，保管期問應在室温保持真空狀態，以免泵油污染和零件腐蝕，並將冷卻水套內的剩水吹淨。

(6)在長期工作後，泵性能逐漸變壞，應檢查油量是否減少或氧化，必要時增添油量，更換新油時要清洗後烘乾 ^[3]  。