擴散泵的世紀回顧與發展
本文敘述了蓋得的發明專利， 從初期的汞擴散泵到分餾油擴散泵的演變過程。討論了泵體結構、噴咀型式、泵油性能和幾個關鍵技術問題。現代油擴散泵的何氏系數達0.65 以上， 返油率達10- 5 mg/cm2·min，1 kW 功率抽氣量可達200 PaL/s 。最后對泵的性能、結構和應用前景作了展望。
古人云：溫故而知新。繼承、創新才能發展。因而回顧擴散泵近一個世紀的發展過程， 對其改進和發展是有重要意義的。尊重歷史沿革， 單位制沒作統一， 請見諒。
在低于10- 2 Torr 的壓力區域， 對現代工業和科學研究是非常重要的。高真空在活性金屬和難熔金屬的熔化和精煉， 塑料的裝飾鍍膜等許多方面得到廣泛的應用。為了獲得所需要的高真空而且應用最廣的抽氣設備是擴散泵。擴散泵借助定向的高速蒸汽流抽氣， 可獲得10- 2~10- 11 Torr 或更低的壓力。( 在10- 9 Torr 以下通常使用障板和冷阱) 。擴散泵是高真空和超高真空獲得設備。擴散泵與低溫泵聯合工作， 可獲得10- 14 Torr 的真空度。
1、擴散泵的發展過程與結構改進
蓋得于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， 這種泵就以擴散泵而聞名。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。對于誰先發明的擴散泵這類知識產權的問題， 我們不必深究， 因為已經過去快一個世紀了， 雖然在工作原理上沒什么變化， 但和原來蓋得泵相比結構上完全不同了。今天的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。
蓋德型擴散泵是以水銀作為工作介質， 以煤氣加熱產生水銀蒸汽流來抽氣的。真空技術網(http://203scouts.com/)分析其抽氣原理及結構如圖1 所示。泵體及噴咀結構大部分由玻璃制成。這種泵抽速低， 水銀蒸汽的溫度要精確控制。
1916 年I. Langmuir 發明了凝結泵， 它改進了蓋德泵的缺點。
這種凝結泵如圖2 所示。該泵噴咀所形成的蒸汽流方向與被抽氣體分子擴散的方向是一致的。蒸汽被良好的冷凝在泵壁上， 提高了泵的抽速，對電加熱功率波動不敏感無需精確控制溫度。
(a) 利用擴散原理抽真空 (b) 蓋德型擴散泵
圖1 蓋德擴散泵的原理與結構
1917 年Crawford 對蒸汽流的速度作了改進，利用了漸擴噴咀，不用水冷卻如圖3 所示。
圖2 朗繆爾冷凝泵 圖3 Crawford 蒸汽噴射泵
1923 年蓋德發明了三級水銀擴散泵， 抽速達到15 L/s。1927 年日本東芝公司引進蓋得三級擴散泵。
1928 年C. R. Burch 在擴散泵上開始使用油作工作介質。
1932 年何增祿先生提出何氏系數Ho 的概念以評價擴散泵的抽氣效率， 并進行了多噴咀(19個噴咀) 的抽氣試驗。圖4 為三級臥式玻璃油擴散泵。
1935 年由K.C.D.Hickman 發明了分餾式油擴散泵的專利。分餾式油擴散泵如圖5 及圖6所示。
工業上應用的分餾式三級金屬油擴散泵如圖7 所示。
圖4 三級臥式玻璃油擴散泵； 圖5 分餾式三級金屬油擴散泵(Hicman型) ； 圖6 多級分餾式金屬油擴散泵(Hicman型)
(a) 泵剖面圖 (b) 油分餾路線圖
如圖7 所示：沿泵壁回流至油鍋的泵油先經過外分餾環1， 輕餾分蒸發供給第三級噴咀；當泵油進入到分餾環2 時蒸發的次輕餾分的蒸汽供應第二級噴咀， 最后重餾分進入中心分餾區3 后蒸發供給一級噴咀， 分餾可以提高泵的極限真空度。
用擴散泵獲得高真空， 單級噴咀是不行的， 一般小泵為2~3 級， 大泵則為4~5 級， 甚至更多。
各級噴咀串聯工作的性能如圖8、9 所示。從圖8 和圖9 可以得出如下結論：入口壓力在5 ×10- 5< P < 5 ×10- 3 Torr 時多級泵的抽速S 是根據高真空噴咀的尺寸來確定的；在5×10- 3 和< 5×10- 2 Torr 中間(或10- 1 Torr)，多級泵的抽速大于每個單噴咀的抽速S； 入口壓力在5×10- 2 (或10- 1 Torr)< P< 5×10- 1 Torr 范圍內時，多級泵的抽速，是根據前級真空噴咀尺寸來決定的。
圖7 三級分餾式油擴散泵結構圖
由于篇幅所限， 其他各國的擴散泵的性能和結構特點，此處從略。
近年來， 世界各國對擴散泵抽氣性能和抽氣理論， 結構和操作等方面的研究工作一直沒有終斷， 如意大利學者Toth 博士對擴散泵外型對抽速的影響， 利用動力學理論模型對直筒泵、凸腔泵進行了分析， 又如近年來韓國學者利用蒙特卡羅直接模擬法， 對擴散泵內的流場進行模擬計算和分析。人們對快速加熱和局面速冷卻擴散泵進行了研究提出鍋爐快速冷卻到150℃， 即可放入大氣， 使功率大為降低。又如1987 年對擴散擴散泵噴咀的蒸汽密度和速度分布的計算。認為噴射為非粘滯的超音速噴射等。
擴散泵的發明專利也很多， 這方面俄羅斯的專利(SU) 很多。有感興趣者不妨查查。對研究工作是有益的。
由于資料收集和個人水平所很， 難免有不當之外， 懇請讀者指正。
