分子增压泵在真空中的应用
分子增压泵是一种的高真空泵，它大的是清洁、节能，中真空具有的抽气能力。首先了解一下该泵为什么会具有以上的。
清洁真空。类型的真空泵由于工作机理和结构的不同所获得的真空质量是不一样的，可以分为无油真空，清洁真空和普通真空。无油真空即无任何油蒸汽污染的真空，是真空质量的高境界，低温泵、离子泵以及各类干式泵可以实现无油真空。清洁真空不是无油，而是真空中的油蒸汽分压可以降到极低的水平，从而使真空质量得到很大的。涡轮分子泵以及某些泵配合使用低温冷阱，可以实现清洁真空。而普通真空则含有较高的油蒸汽分压。油蒸汽作为高分子的碳水化合物，是一种主要的污染源。传统机械类型的真空泵以及以高速定向油蒸汽流抽气的真空泵，在获取真空的同时，不可避免地会产生油蒸汽对真空的污染。而不同的真空应用对真空的质量是有不同的要求的。类型的真空泵在抽除气体的同时，往往伴随着发生一些其他的过程，油蒸汽的返流即是一种，所谓返流就是油蒸汽分子沿着与抽气方向相反的方向逆向扩散运动，其后果造成了真空的油污染。低温泵、离子泵、干式泵等因无油污染源，所以也无油蒸汽的返流，故能获得无油真空。各类机械原理的传统真空泵，在抽气通道中存在用于润滑、密封等作用的泵油，所以会由于油蒸汽的扩散运动而造成的污染。高速定向的油蒸汽射流具有明显的方向性，但这仅是气体动力学决定的宏观运动，而作为组成射流的一个个油蒸汽分子还存在一种本质的无规的热运动，两种运动的叠加可使油分子折向真空一方而造成返流，当然还有其他原因。涡轮分子泵是一种高速旋转的机械类型的真空泵，其高速转动的轴承需用油润滑，故存在油污染源，但该位置处于整个抽气通道的前方，低真空一侧，而其与泵的进气口即高真空一侧之间，由于高速旋转的涡轮叶片组合存在的压缩比，这一压缩比是随气体分子的质量而成指数增加的。因为油分子是高分子，比一般的气体分子具有更大的分子量，故而涡轮分子泵能对它产生比其他分子更大的压缩比，这一态势使得油分子返流明显地减弱，表现在被抽空间中的油蒸汽分压大大降低，从而实现所谓的清洁真空，当然这是在泵的工作状态下。分子增压泵虽然工作机理与涡轮分子泵不一样，但同样具有极高的压缩比，其大小与分子的质量亦成指数关系，所以同样可以实现清洁真空。从某种意义上讲，分子增压泵比涡轮分子泵具有更高的压缩比。通过质谱分析对比，涡轮分子泵谱图上可以发现44质量数的CO2峰，而分子增压泵谱图 28（N2峰）以后就不存在可以观察到的谱峰。
图1分子/增压泵的残气质谱图（中科院近代物理研究所提供）
分子增压泵的抽气机理是基于全拖动的原理。气体分子在与其他分子或物体碰撞时，可以发生动量交换，若气体分子能始终获得定向动量，便能实现抽气作用。当气体分子与高速定向运动的蒸汽流碰撞时，气体分子是与单个油蒸汽分子之间发生动量交换。而气体分子与高速运动的物体发生碰撞时，则是气体分子与刚性表面之间发生动量交换。分子增压泵就是属于后者。该泵的抽气单元为圆盘上分割出的从边缘指向中心的螺旋通道，吸气级具有两个平行的拖动面，而压缩级仅有一个拖动面，且压缩级是由多个拖动面串接而成，气体沿着螺旋通道依次由中心流向外缘，再由外缘流向中心，多级迂回后终流向排气口。高速旋转的圆盘平面传递给碰撞其上的气体分子的动量应沿着切线方向，由于分割出的螺旋通道与半径方向有一夹角，故气体分子所获得的切向动量沿着螺旋通道方向有一分量，该分量迫使气体分子沿着通道从圆盘的外缘向中心运动（压缩），同样改变螺旋方向，也能迫使气体分子从中心向外缘运动（压缩）。正是多级的压缩通道串接起来，使得分子增压泵可以形成的压缩比（对N2而言可达108）。这样的压缩比可以处于泵的前级部分润滑装置产生的油蒸汽难于返流至高真空一侧，这就是分子增压泵能够获得清洁真空的关键所在。作为完整的真空机组，分子增压泵只需前级低真空泵即可组成高真空机组。对于机组，分子增压泵不仅能抑制自身的返流，其压缩比还能的抑制前级泵的返油，而对于罗茨泵机组便做不到这一点。由于罗茨泵压缩比很低（约几十），所以除自身的返油外，该机组系统的返油中还包含了前级泵的油蒸汽。除了以上所述，结合抽气工艺，由分子增压泵的抽气特性可在诸多应用场合实现清洁真空，在后面涉及的该泵的应用中会进一步讨论。
节能。真空泵在工作过程中要产生能耗，这能耗主要来自两方面的原因。对于机械类的泵来讲，泵的组件在运行过程中会产生摩擦损耗，在抽气的过程中需要对气体压缩做功。而对于靠蒸汽流工作的泵而言，除了蒸汽流在抽气过程中压缩气体需要做功外，在油从液态形成蒸汽的过程中还需要消耗大量的热能。工作在低真空的传统机械类泵，由于摩擦阻力较大，压缩气体的压力较高，故消耗的能量较大，不同种类、不同型号的泵能量消耗与其抽气能力的当量关系基本相同。而同种类型的真空泵由于制造工艺水平的差异，其能耗可能会有不同，但应都在同一数量级内。分子增压泵虽然属于机械类泵，但由于工作转速极高，其运动部件的平衡精度也高，所以工作时摩擦力极小，该泵从工作状态下断电，其自然停机过程需要2小时以上，足以说明这一点。分子增压泵和油蒸汽射流泵抽气原理虽然都是通过动量传递，但从动量传递效率而言，前者远远大于后者，这可从两方面来理解。其一，即使蒸汽射流和拖动圆盘具有相同的宏观速度，但前者是气态，后者是固态，两者密度相差甚大，蒸汽射流的浓度仅相当几十托的压力。故运动的圆盘比运动的蒸汽具有大得多的动量，并且气体分子在与圆盘刚体相碰中获得的动量应比气体分子在与单个蒸汽分子碰撞中获得的动量要大得多。其二，蒸汽射流要获得所需的动量（或能量），是基于气体动力学的方法消耗大量热能来实现的，而刚性的拖动圆盘要获得所需的转速（即动量），是通过机械驱动来实现的，由于泵的平衡精度高，只需少量的机械能便可。例如：抽速1000L/s的泵，对于油扩散泵，所需功率约2000W，而对于分子增压泵还不到200W，这是数量级的差别。从以上分析可以看出，分子增压泵是一种极低能耗的真空泵，下面例举的应用实例中更能生动地说明这一点。曾将抽速600L/s的分子增压泵应用于稀土永磁材料的熔炼炉上，原设备主泵是2300L/s的油增压泵，使用分子增压泵，抽气时间从40分钟缩短至18分钟。是材料在预熔过程中大量的放气，必须数次停止加热，否则油增压泵不能正常工作，而分子增压泵排气流量大，能及时抽除释放的大量气体，可持续加热。从能耗上看，油增压泵9KW，分子增压泵却不到0.2KW。与涡轮分子泵相比，分子增压泵的能耗也低于前者，由于涡轮分子泵也是低能耗泵，所以节能的意义不大。但作为高真空机组，涡轮分子泵一般需要3级机组，而分子增压泵只需要两级机组，因此还是有明显的节能效果。这是因为分子增压泵的抽气特性所决定的。对于分子增压泵的能耗低于涡轮分子泵可以从以下两点受到启发，一是涡轮分子泵转动方向和抽气方向是相互垂直的，而分子增压泵转动方向和抽气方向基本，因此能量的利用效率高。二是涡轮分子泵的叶轮的叶片是有一定角度的，就像风扇一样，所以旋转起来会产生阻力，而分子增压泵的拖动圆盘是一平面，相比之下旋转时不产生阻力。
中真空的抽气能力。所谓中真空是指10帕至0.1帕的压力范围，而分子增压泵的抽气能力可以延伸到数百帕的低真空区域。中真空区域在真空应用中是值得关注的一个区域，例如基于低气压放电的物**相沉积往往在0.1Pa的范围；而分子蒸馏、稀土永磁材料熔炼则在数帕的范围。分子增压泵的中真空抽气能力主要是与作为高真空泵的油扩散泵和涡轮分子泵，以及作为中真空泵的罗茨真空泵和油增压泵来比较。0.1Pa的压力对于油扩散泵和涡轮分子泵而言略高了一些，泵可以工作，但并不是很稳定，而1Pa的压力下不能工作。较高的压力会破坏油蒸汽的射流，射流一旦紊乱便失去抽气能力。同样这一压力下，对于一般尺寸入口的涡轮分子泵来讲还达不到的分子流状态，涡轮分子泵的抽气作用是对气体作相对运动的叶轮两侧传输几率的差异产生的，而这一差异必须是以气体处于分子流状态为前提的，如偏离分子流，则抽气能力要受到明显的影响，所以0.1Pa的压力对于油扩散泵和涡轮分子泵不仅抽气能力受到影响，抽气的稳定性也得不到，而工作压力的稳定往往对真空的应用是至关重要的。还有就是在几帕的范围内涡轮分子泵的工作是存在风险的。对于作为中真空泵的罗茨泵和油喷射泵而言，要实现这一压力范围内的抽气亦有一定的难度。罗茨泵在0.1Pa压力下实际抽速要比标称抽速下降很多，故抽气能力大大受到影响。油喷射泵在数帕的范围内也是其油蒸汽射流不稳定的压力，一旦射流破坏便失去抽气作用，而分子增压泵在中真空的压力范围的抽气作用不存在以上例举的各类真空泵的局限，显示了的能力，这一能力还需从分子增压泵的抽气特性来展示，从分子增压泵的抽速曲线可以看出，在几百帕的压力时泵就具有了抽气能力（以抽速达到前级泵抽速的两倍起算），而后随着压力的降低抽速线性增大，约在1Pa左右达到大值，当压力再降低时抽速略有下降，随后在高真空范围内保持一恒定值，极限真空在无烘烤的条件下可以达到好的10-5帕数量级，而烘烤后可以进入10-6Pa或更低。所以在0.1-1Pa范围内分子增压泵可以工作在额定抽速，在10Pa时抽速也可达到额定抽速的6成。分子增压泵在1Pa左右抽速会出现一个峰值，这是与涡轮分子泵抽速特性的一个的区别。造成这一小的极值的原因是由于泵此时工作在过渡流状态，而泵入口的流导比分子流状态下的流导要大。除了抽速曲线显示出分子增压泵在中真空范围具有强劲的抽速外，更需要强调的是分子增压泵与前级泵组成的真空机组实际抽气的动态过程中所表现出的高效率。当前级泵预抽达到100Pa时，分子增压泵开始切入抽气，尽管此时的实际抽速较小，但随着压力的降低抽速逐渐增大，从100Pa到达大抽速的1Pa的压力这一动态过程所历经的时间很短，类似一雪崩的过程，而这一过程归结于分子增压泵从进入抽气状态到抽速达到大值遵循的是所谓的恒流量工作模式，即这一阶段的抽气发展过程任一时刻气体流量是相同的。流量可用压力和抽速的乘积来表示，即PS，如流量恒定，则这阶段泵的抽速将随压力的降低反比增大。为什么会恒流量抽气，可以从物理上说明。粘滞流到分子流的过渡阶段，气体分子的密度较高，与分子态不同，此状态下并非的分子都能与拖动面碰撞，而是靠近拖动面的分子才能与其碰撞并获得定向动量。其后在与相邻近的分子的碰撞中再传递所获得的定向动量，这种分子之间的相互碰撞作用可以视为相互间的一种约束，这样就可以把一定量的离散的气体分子看做是一个质元，其有一个质心，从而可用质点动力学的方法来处**体分子与拖动面之间的相互作用。在讨论气体的粘滞性流动时，就曾采用过这种经典动力学的方法。这样运动的表面对气体的拖动作用就变为与一个个质量确定的质点之间的作用，是通过质心与拖动面之间的碰撞来实现的。在拖动的过程中由于气体压力在降低，质元的体积在增大，但其质心位置不变，质元的质量不变，所以这一阶段（过渡流）的抽气过程中，抽除的气体质量是恒定的。而等温条件下，流量正比于质量。这便是分子增压泵所谓恒流量工作模式的原由。
图二分子增压泵、高压强分子泵和罗茨泵的抽速与入口压强的关系
以上对分子增压泵的主要特性做了简单的讨论，正是由于这些特性使得分子增压泵适用于真空的应用中，并展示出其性。下面主要就分子增压泵在物**相沉积中的应用作一些介绍。物**象沉积又称真空镀膜，是真空应用于材料改性的重要内容。真空镀膜的形式丰富多样，但主要可以分为蒸发镀膜、溅射镀膜以及离子镀膜。蒸发镀膜由于沉积速率高，蒸发时间短，镀膜周期亦短，所以一般配置的真空机组抽速强劲，能在数分钟内将真空室抽至高真空（≤10-2Pa），由于镀膜时间短，所以不考虑此时的放气量，亦不考虑真空室内的油污染，如此往往机组的抽速要达到上万升/秒，主要采用大型的油扩散泵。由于目前出并推向市场的分子增压泵主要是200mm口径，抽速1000L/s，难于适应工业生产中蒸发镀膜对大抽速的要求，所以此处暂不涉及在蒸发镀膜中的应用，而当数千升/秒乃至上万升/秒的大口径分子增压泵出来后，必将在蒸发镀膜显示出过传统机组的性能。溅射镀膜和离子镀膜用于装饰涂层及刀具的硬质涂层，沉积的厚度往往在微米量级，所以沉积时间也相对较长，因此沉积过程中抑制真空室内残余活性气体（主要是水蒸气）的影响也格外重要，尤其是在反应沉积中。沉积环境中的活性气体主要来自真空室内的放气，要降低活性气体的分压就要降低室内的放气量或内表面的放气率，由于降低放气率是一个缓慢的过程，即使采用烘烤等强化措施亦是如此，这就决定了在溅射镀膜和离子镀膜中，合理的工艺必须经过较长时间的抽气过程（所谓精抽），目的是使真空室内的放气率降低到合理的程度，以至于不会对随后的沉积过程产生不能容许的影响。所以一般此类的镀膜设备配置的真空机组的抽速没有蒸发镀膜设备那么强劲，以1000L/s的分子增压泵为例，从1台到2台、3台、4台的并联使用能够满足0.3m3-1.5m3真空室大小的镀膜设备的抽气要求，抽速的大小并不是由被抽负载的体积决定的，而是决定于表面积。因此1000L/s分子增压泵目前也能较地满足溅射镀膜和离子镀膜设备的要求，并得以在实践中展现其优势。工业生产规模的溅射镀膜和离子镀膜设备大体可以分为连续镀膜的生产线和周期式镀膜的分体式设备。而连续镀膜生产线较为典型的亦有两类，一类是大型平面磁控溅射生产线，主要用于沉积阳光控制膜、低辐射膜、高反射膜等，卧式居多。另一类是透明导电膜（ITO膜）生产线，一般是立式的。
连续镀膜生产线
一、 大型真空镀膜生产线
① 进片室
所谓进片室就是被镀基片的输入端，它的特点主要是频繁进行大气——真空的转换，使基片实现从大气状态进入真空状态的过程，而这一功能是依靠装在该室两端的阀门配合真空机组来完成的。早期设备进片室后直接就是与溅射室相连的过渡室，而设备在进片室后设置一缓冲室，缓冲室通过又一阀门与过渡室连接，因此可按有无缓冲室的两类不同进片室分别加以讨论。
ⅰ 无缓冲室
图三 无缓冲室进片室示意图
无缓冲室的进片室一般配置抽速较大的罗茨滑阀机组或罗茨旋片机组。要求在较短的时间内（＜3分钟）完成大气——真空的转换，这一时间随
