真空系统的典型组合

真空设备通过不同原理和方法实现真空环境，以下是几种常见方式及其典型设备和适用真空级别：

1.机械泵（Mechanical Pumps）

原理：通过机械运动压缩气体并排出。

旋片泵（Rotary Vane Pump）：通过旋转叶片压缩气体。

螺杆泵（Screw Pump）：利用螺杆转子压缩气体。

真空级别：低真空（10⁵ ~ 10² Pa）到中真空（10² ~ 10⁻¹ Pa）。

特点：常用于前级抽气（预抽真空）。

2.扩散泵（Diffusion Pumps）

原理：利用高速油蒸气喷射将气体分子携带至泵出口。

设备：需要与机械泵联用（前级泵）。

真空级别：高真空（10⁻¹ ~ 10⁻⁶ Pa）。

特点：无运动部件，但需要冷却系统。

3.涡轮分子泵（Turbomolecular Pumps）

原理：高速旋转叶片（转速可达数万转/分钟）撞击气体分子，将其推向出口。

设备：需搭配前级机械泵。

真空级别：高真空至超高真空（10⁻⁴ ~ 10⁻¹¹ Pa）。

特点：清洁、无油污染，适用于半导体和科研。

4.离子泵（Ion Pumps）

原理：通过电离气体分子，利用电场将离子吸附在钛阴极表面。

设备：通常与分子泵联用。

真空级别：超高真空（10⁻⁷ ~ 10⁻¹² Pa）。

特点：无振动、无噪音，但抽速较低。

5.低温泵（Cryopumps）

原理：利用超低温表面（液氦或制冷机）冷凝或吸附气体分子。

设备：需定期再生。

真空级别：极高真空（10⁻⁷ ~ 10⁻¹³ Pa）。

特点：抽速极高，适用于大容量真空系统。

6.吸附泵（Adsorption Pumps）

原理：通过多孔材料（如分子筛）吸附气体分子。

设备：常用于无油系统中。

真空级别：中真空（10³ ~ 10⁻² Pa）。

特点：简单、无油，但需定期加热再生。

7.干泵（Dry Pumps）

原理：无油设计，通过爪式、涡旋或隔膜结构压缩气体。

真空级别：低真空到中真空（10⁵ ~ 10⁻² Pa）。

特点：清洁，适合半导体和制药行业。

真空级别分类及典型应用

真空级别压强范围典型应用低真空10⁵ ~ 10² Pa吸尘器、真空包装、气动输送中真空10² ~ 10⁻¹ Pa冷冻干燥、真空炉、真空蒸馏高真空10⁻¹ ~ 10⁻⁶ Pa电子显微镜、真空镀膜、质谱仪超高真空（UHV）10⁻⁶ ~ 10⁻¹² Pa粒子加速器、表面科学、量子实验极高真空（XHV）太空模拟、基础物理研究

真空系统的典型组合

实际应用中常采用多级泵组合：

前级泵（机械泵）→主泵（扩散泵/涡轮分子泵）→超高真空泵（离子泵/低温泵）。

例如：旋片泵（低真空）+ 涡轮分子泵（高真空）+ 离子泵（超高真空）。

常见的两级真空泵组合

1. 双级旋片式真空泵组合

由两个旋转的旋片组成，两个旋片的方向相反，气体进入泵体后被第一级旋片压缩和抽出，进入第二级旋片，再次被压缩和抽出，最后排出泵体，完成整个真空抽取过程。

缺点：相对于其他类型的真空泵，双级旋片式真空泵的极限真空度可能不是最高的，不适合极端真空应用。在高温或含有腐蚀性气体的环境中，旋片式真空泵的性能和耐用性可能会受到影响。

能够达到的真空度：双级旋片式真空泵的极限真空度通常在10^-2到10^-3托（1托 = 133.322 Pa）范围内。

2. 旋片式真空泵与罗茨真空泵组合

前级为旋片式真空泵，后级为罗茨真空泵。旋片式真空泵利用旋片在泵腔内旋转来抽取气体，罗茨真空泵则通过两个相反方向同步旋转的叶形转子来实现气体的抽取，二者串联使用。这种组合可以提高抽气速度和真空度，适用于真空冶炼、电力电容器、变压器真空热处理等领域。它的极限真空度可达10^-2Pa。

优点：能够提供从大气压到较高真空度的连续抽气，适用于多种工艺过程。

缺点：油封式泵可能会引入油蒸汽污染，需要额外的冷阱或过滤器。

3. 水环式真空泵与罗茨真空泵组合

利用水环式真空泵的粗抽能力和罗茨真空泵的高真空性能。水环式真空泵通过泵腔容积的变化实现进气、压缩、排气，是一种变容量真空泵，罗茨真空泵则是一种无内压缩的真空泵，两者串联工作。这种组合可以提高真空泵的抽气速度和极限真空度，适用于化工、制药、食品加工等领域。其极限真空度可达25Pa。4.双级罗茨泵组合

4.1 串联罗茨真空泵

用途：常被用于需要极高真空度的工业应用中，如半导体制造、真空镀膜、真空冶金等。

优点：能够达到较高的真空度，一般在10^-3至10^-4托（Torr），甚至更高。

缺点：成本较高，维护复杂，对前级泵依赖性强。

4.2并联罗茨真空泵

用途：适用于需要大抽速但对极限真空要求不高的场合，如气力输送、污水处理曝气等。

优点：提供高抽速，减少处理时间，结构相对简单。

缺点：极限真空度不如串联配置，效率可能受并联泵间匹配影响。

5.罗茨泵与扩散泵组合

用途：罗茨泵与扩散泵的组合，用于需要极高真空的科研和工业应用，如真空镀膜。优点：能够达到非常高的真空度，通常在10^-7托以上。缺点：扩散泵运行时产生大量热量，需要冷却，且油蒸汽可能回流污染真空腔体。6.罗茨泵与分子泵组合

用途：罗茨泵与分子泵的组合，适用于高真空和超高真空应用，如质谱仪、表面科学等。

优点：能够达到极高的真空度，一般在10^-10托以上。

缺点：成本高昂，维护要求高，对操作环境敏感。