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科學(xué)儀器的“心臟” --渦輪分子泵

發(fā)布日期:2023-4-5 15:35:10

科學(xué)儀器一般是指科學(xué)家使用的用來(lái)采集、處理數據、實(shí)驗、測量和檢查樣本等活動(dòng)的儀器裝置,它們可以幫助科學(xué)家們更加容易地能夠收集更多、更準確的觀(guān)測數據。 科學(xué)儀器應用廣泛,物理學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué).材料科學(xué)等,各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域都會(huì )使用儀器特定的科學(xué)儀器來(lái)獲取有效的數據。

在介紹“心臟”分子渦輪泵之前,我們先了解下真空環(huán)境在科學(xué)研究中具有非常重要的意義。

因為它可以提供以下優(yōu)勢和應用:

-- 消除氣體干擾:真空環(huán)境可以消除大多數氣體分子,從而避免其與實(shí)驗樣品相互作用或干擾,使得實(shí)驗結果更加準確可靠。

-- 防止材料氧化:在真空環(huán)境下,可以防止一些材料由于氧化反應而被污染或損壞,尤其是對于高溫的固態(tài)反應、納米制備技術(shù)以及電子器件制造等領(lǐng)域尤為重要。

-- 研究極低壓下的物理現象:一些科學(xué)研究需要探索極低壓下的物理現象,例如太空科學(xué)、星際物理等領(lǐng)域。

上述的作用可以在電子顯微鏡、質(zhì)譜儀、光譜儀、氣譜儀、核磁共振儀器等得到淋漓盡致的體現??傊档捅尘案蓴_、提高分析精確度、減少設備故障率都與真空環(huán)境有著(zhù)息息相關(guān)的聯(lián)系。研究數據越是精密精準,對于真空的要求就越高。

真空環(huán)境的形成:

在科學(xué)研究中,如何科學(xué)的獲得真空呢?在科學(xué)設備中,一般通過(guò)真空泵來(lái)獲取高真空。最簡(jiǎn)單的真空泵就是機械泵,原理上和小氣筒抽氣是一樣的。只不過(guò)是通過(guò)轉子旋轉,將空氣從吸氣口吸入,然后從出氣口排出。機械泵能夠達到的真空度大概是1Pa,也就是大氣壓的十萬(wàn)分之一。當然了,這樣的真空度還遠遠達不到很多物理實(shí)驗的要求。這時(shí)就要請出一位“泵”屆大佬,分子泵。分子泵利用靠高速旋轉的動(dòng)葉片和靜止的定葉片相互配合,給空氣分子一個(gè)額外的定向速度,從腔體中抽出。分子泵只可以用來(lái)抽已經(jīng)具有一定真空度的腔體,并且其出氣端也要保證有較好的真空度防止氣體倒灌傷害葉片。我們采取的辦法是給分子泵接入一個(gè)前級泵,一般都是用機械泵。只有先用機械泵將腔體中的真空度抽至10Pa以下的時(shí)候,分子泵才可以啟動(dòng)。并且只要分子泵在啟動(dòng)狀態(tài),前級機械泵就要一致維持運轉。啟動(dòng)和關(guān)閉都要嚴格遵循程序,否則就可能造成“機毀泵亡”哦。當然大家不用害怕,一般科學(xué)儀器都會(huì )配置UPS不間斷電源的。

現在我們來(lái)介紹“心臟”了--- 渦輪分子泵

渦輪分子泵屬于動(dòng)量真空泵的范疇,它們的設計類(lèi)似于渦輪機的設計,多級具有葉盤(pán)的渦輪狀轉子在殼體內旋轉,渦輪機或壓縮機的葉片被統稱(chēng)為葉片裝置,轉子盤(pán)之間插入具有類(lèi)似幾何形狀的葉片定子盤(pán)。

先看一下分子渦輪泵的組成,這個(gè)是電子驅動(dòng)單元,這個(gè)是陶瓷球軸承,旋轉軸,定子片,轉子片,永磁軸承,安全軸承。

渦輪分子泵工作原理是,是基于將動(dòng)量從快速旋轉的葉片傳輸給被泵送的氣體分子,與葉片碰撞的分子被吸附在葉片上,然后在一段時(shí)間后再次離開(kāi)葉片,在該過(guò)程中,葉片速度被加到分子熱運動(dòng)速度上,為確保由葉片傳輸的速度成分不因與其他分子碰撞而損失,分子流必須在泵中占主導地位,也就是上期說(shuō)的平均自由程必須大于葉片間距。氣體粒子進(jìn)入渦輪泵,這些粒子撞到定子片時(shí),會(huì )發(fā)生漫反射,當粒子撞到轉子片時(shí),它們的熱速度與轉子的速度相疊加,被撞擊到下層葉片中,下層葉片繼續反復這個(gè)過(guò)程,氣體粒子就沿著(zhù)前級真空法蘭的方向被壓縮,隨著(zhù)腔內氣體分子越來(lái)越少,腔內的真空度越來(lái)越高,最后達到目標真空度,氣體順著(zhù)法蘭由前級真空被排出,離開(kāi)渦輪泵。

常見(jiàn)的實(shí)驗用分子泵滿(mǎn)轉速可以達到1500Hz,也就是每分鐘90,000轉要知道,航空發(fā)動(dòng)機的轉速都不會(huì )高于500Hz,由此可見(jiàn)分子泵的抽氣能力是很強的。不過(guò)分子泵的高轉速使得它十分“脆弱”。一?;覊m甚至氣體本身都會(huì )對運轉中的風(fēng)扇造成巨大的傷害。如果非正常斷電造成的泄真空的過(guò)程,分子渦輪泵無(wú)法很緩慢的降低轉數,無(wú)法低于一定轉數后可以進(jìn)行關(guān)機。一般質(zhì)譜儀、電鏡、氣液相儀器都是配UPS不簡(jiǎn)單電源使用的。 其實(shí)斷電并不是最可怕的事情,電壓不穩定,電力中斷8ms以上都會(huì )對轉數失去控制。這個(gè)時(shí)候轉數迅速的下降上升,將會(huì )磨損渦輪泵的軸承,甚至會(huì )將脆弱的葉片瞬間打斷??茖W(xué)儀器領(lǐng)域常用的渦輪分子泵主要是英國Edwards和德國Pfeiffer,基礎型號價(jià)格在10萬(wàn)-20萬(wàn)。

相對于高昂分子泵價(jià)格,為科學(xué)儀器配置一臺 工業(yè)UPS不間斷電源 就顯得非常有必要了。 需要特別提醒UPS不間斷電源也分高頻UPS和工頻UPS;推薦大家選購工頻UPS不間斷電源。更大的電池儲備時(shí)間、更快的響應速度、更穩定輸出,最重要的是在線(xiàn)式供電模式基本杜絕電壓不穩與閃爍。我們推薦 ZGD系列UPS產(chǎn)品,其制造商谷登電氣擁有20余年歷史。

電子顯微鏡、質(zhì)譜儀、氣相儀在科學(xué)研究中廣泛的應用,作為他們的“心臟”渦輪分子泵舉足輕重。 這些儀器所能取得每一項分析數據都是極其珍貴的,為了保護好它們,必須考慮增配一臺 工頻UPS不間斷電源。 
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