真空泵的工作原理图(水环式真空泵的工作原理)

真空泵原理是什么？

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真空泵可以分为两类：气体输运泵（gas transfer pump）和气体捕获泵（entrapment pump）。通俗地说气体输运泵就是把腔体内的气体分子搬运到腔体外面去，而气体捕获泵则是通过物理或化学方法把腔体内的气体分子固定下来，从而达到降压的目的。

气体输运泵可以分为：正排量泵（positive-displacement pump）和分子运动真空泵（kinetic vaccum pump）。旋转机械泵（rotatory mechanical pump）和罗氏泵（roots pump）都属于正排量泵，分子运动真空泵则包括扩散泵（diffusion pump）和涡轮分子泵（turbomolecular pump）。

气体捕获泵通过捕获气体分子实现降低气压，一般包括吸附泵（adsorption pump），溅射离子泵（sputter-ion pump）和低温泵（cryogenic pump），其中吸附泵和低温泵的原理类似，所以下面我们将只介绍低温泵的物理原理。

旋转机械泵示意图。

旋转机械泵一般用于对较大系统的粗抽真空，为了使活塞在旋转过程中紧贴器壁，同时也是为了润滑，旋转机械泵使用“油”做润滑剂，单级泵可以抽到10的-2次方托（torr，约等于1mm汞柱，760分之一标准大气压或1.333mbar），两级可以抽到10的-4次方托。要想气压再低就需要在此基础上使用扩散泵或涡轮分子泵了。旋转机械泵泵出的气体有一定刺激性（如包含油的颗粒等），我们需要用专门的管道把它们引导到室外排放。

罗氏泵示意图。

罗氏泵是旋转机械泵的变种，它里面有两个8字形的转子压缩并泵出气体，由于转子之间咬合的很紧密，这种泵甚至不需要使用“油”来密封，罗氏泵有很高的转速，在拥有一个前级泵（旋转机械泵）的情况下，罗氏泵甚至可以达到10的-5次方托。罗氏泵一般用于化学气相沉积（CVD），工作气压为约1托。

扩散泵示意图。

与机械泵不同，扩散泵没有“运动”部件。扩散泵一般用于10的-2次方托以下，最低可以达到比10的-10次方托还低。扩散泵不能直接把气体排放到大气里，扩散泵必须使用前级泵，以使得扩散泵的出气口维持在大约0.1托。扩散泵一般使用硅油（silicone oil）做工作介质，硅油沸腾气化后形成高速的蒸汽流，这些“硅油蒸汽流”由顶部注入腔体，裹挟残留的气体分子从底部离开腔体，达到抽真空的目的。

扩散泵的一个致命缺陷是，油的回流（backstreaming）会“污染”腔体。由于这个原因，扩散泵不能用于表面分析和薄膜生长。为了尽量避免“油回流”造成的影响，我们在扩散泵的上方会放一个冷凝盘（cold cap），使硅油蒸汽在上面冷凝下来。

涡轮分子泵示意图。

涡轮分子泵使用高速旋转的叶片使残存气体分子从腔体中泵出，叶片转速高达2万到3万转每分钟。涡轮分子泵也需要使用前级泵。涡轮分子泵能够实现“无油”真空，最低气压可达10的-10次方托，尽管十分昂贵，目前已广泛应用于薄膜的生长和表征中。

低温泵示意图：残存气体分子在如图多孔物质（活性木炭4）处凝结，时间久了无法凝结更多分子，造成低温泵效率的降低，此时需要更换多孔物质，这被称为低温泵的再生。

低温泵的原理是使残存气体分子在低温下发生冷凝，从而降低腔体内的气压。低温泵可以制备非常干净的从10的-3到10的-10次方托的真空。低温泵的使用也需要前级泵。由于低分子量的气体更难发生冷凝，在高真空环境中残存的气体将以氦和氢为主。

溅射离子泵示意图。

最后介绍溅射离子泵。这种泵使用高电压使残留气体分子发生电离，阳离子撞击阴极，使阴极的钛原子被撞击出来，暴露形成“新鲜”的钛表面可以吸附腔体内的残留气体，从而获得更高的真空度。

真空泵的工作原理？

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原理：

当工作液体为水时，称水环式真空泵，水环真空泵是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000~4000Pa，串联大气喷射器可达270~670Pa。

当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝;当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

拓展：种类

液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。

液环真空泵就是这种靠偏置叶轮在泵腔内回转运动使工作室容积周期性变化以实现抽气的真空泵。它的工作室由旋转液环和叶轮构成，其结构和工作原理与液环压缩机相似

刹车真空泵的工作原理？

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刹车助力真空泵利用发动机工作时吸入空气这一原理，造成助力器的一侧真空，相对于另一侧正常空气压力产生压力差，利用这压力差来加强制动推力。即使膜片两边只有很小的压力差，由于膜片的面积很大，仍可以产生很大的推力推动膜片向压力小的一端运动。

在工作的状态下，推杆回位弹簧使得制动踏板处于初始位置，此时，真空管与真空助力器连接位置的单向阀处于打开的状态，在助力器内部，隔膜将其分为真空气室和应用气室，这两个气室相互间可连通，在大多数时间里二者都与外界隔绝，通过有两个阀门装置可以实现气室与大气相连。

在发动机运转时，踩下制动踏板，在推杆的作用下，真空的阀门关闭，同时，推杆另一端的空气阀门被开启，待空气进入后（踩下制动踏板产生喘气声的原因）便会造成腔内气压不平衡的状态，在负压的作用下，膜片被拉向制动总泵一端，进而带动制动总泵的推杆，这便实现了将腿部力量进一步放大的功能。

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