应用案例 | 高压缩比涡轮分子泵可降低超高真空 （UHV）应用成本和复杂度

看似“虚无”，有时却是一切——在前沿科学研究中的确如此。超高真空，即压力范围10-7mbar (hPa) 至 10-12mbar 所定义的“虚无状态”，就是一个典型的例子

超高真空UHV是一个总称，指的是部署在各种基础研究工作中的一系列技术：从粒子加速器和引力波探测器到冷原子物理实验和扫描力显微镜。同时，UHV 条件在科学家们使用光子、电子或离子对样品表面进行探查时，确保表面化学清洁，没有任何不需要的吸附物，这也是分子束外延和脉冲激光沉积等先进薄膜生长和制备技术的必备条件。

所有这些应用的共同点是需要对真空系统设计采取整体的方法，以便定期提供并维持具有必要纯净度的极端 UHV 环境。简而言之，整个真空系统需要在多方面进行规划和配置，从而得以将腔体、泵、真空计、接头、泄漏检测系统和软件控制系统加以优化，成为UHV的基础设施部件，而不是分别作为孤立的组件来处理。

选择太多？

可惜，上述工作说起来容易，做起来难。仔细观察就会发现，很明显，当涉及指定 UHV 系统的核心构件时，真空终端用户面对的技术选择相当不少，并且都有各自的优缺点。也许最根本的是，选择最佳的泵并不简单，需要权衡资金/运营成本、能源消耗、尺寸和占地面积、维护周期和环境影响（噪音/振动）。

产生 UHV 环境时，所用泵（离子吸气泵、钛升华泵、涡轮分子泵与低温泵）和前级泵（隔膜泵、旋片泵或多级罗茨泵）的理想组合有多种选择，所以情况更加复杂——在某些情况下要通过快速抽空腔体，在其他情况下则可通过吸附残留气体的方法。

现在，普发真空作为德国专业的真空技术解决方案供应商，其研发团队公布了一项内部研究结果，指出了一种更简单、更经济的泵装置搭配方法，可用于多种UHV 研究应用——无论是小型表面科学实验室，还是大型科学设施的加速器综合体。

简而言之，普发真空的研究员已经证明，通过将高压缩比的涡轮分子泵（研究采用 HiPace 300 H）与合适的干式前级泵组合，可以产生low-UHV 条件（10-11mbar 数量级）。突破的关键在于找出一种有效的方法，以在形成UHV 过程中，从腔体中去除主要的残余气体（ 主要是氢气）。

“在达到极低超高真空压力这一课题上，氢气的返流与涡轮分子泵的抽气方向一直是最大的限制因素。”普发真空R&D行业负责人 Andreas Schopphoff 解释道，“因此，只要我们获得更高的压缩比，并进而降低返流效应，我们就能够达到比过去低得多的压力。”

Schopphoff 称，以这种方式部署高压缩比涡轮分子泵，是一种实现双赢的 UHV 系统创新。最值得注意的是，与传统产生UHV方法（例如用离子吸气泵与涡轮分子泵串联，后者作为前级泵）相比，这种方式的前期投资和拥有成本更有优势。这种方法在实施、现场维护和服务周期（通常长于四年）方面也更简单。“因此，这种真空泵适合那些需要 UHV 系统的科研用户，并且 100%可靠，100% 达到当今先进水平。”Schopphoff 解释说，“这也是一键开启型的，用一个可编程控制器就能驱动涡轮分子泵和干式前级泵。”

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彻底抽空：

普发真空研发团队用特制的测试台（上图）来评估自制 HiPace 300 H 涡轮分子泵与四台独立干式前级泵配对时的 UHV性能。

在他们的实验研究中，普发真空团队将小规模的腔体（直径 500mm，高 120 mm）在 120℃ 下烘烤了 7 天。然后，评估了HiPace 300 H 涡轮泵（氢气压缩比≥1 · 10 7 ）与四个独立的干式前级泵（一台旋片泵、一台多级罗茨泵、一台两级和三级隔膜泵）配对时的 UHV 性能。每次测量的时间跨度为一天，用热阴极和冷阴极电离真空计跟踪每个前级泵/主泵对腔体的抽真空情况（见表 1）。

表1：前级泵改进满足 UHV 性能需求

“对于相对简单的腔体，就像我们实验室里的腔体一样，我们发现即使是一台小的隔膜泵与 HiPace 300 H 组合起来作为前级泵也是足够的，”Schopphoff 说。他的团队还得出结论，多级罗茨泵（研究使用普发真空的 ACP 15）与 HiPace 300 H 串联，将是一种理想的前级泵/主泵组合，适合在容量为 100 l 或更大的腔体内产生low UHV。

“这在大型科学背景下尤为重要。”Schopphoff 补充道，“用户需要在粒子加速器的真空管道中产生 UHV，同时不能有泵系统上的颗粒污染。”事实上，对于加速器，他认为最佳的设置是将 HiPace300 H 与普发真空的 ACP 28 或ACP 40 多级罗茨前级泵搭配使用。这两种泵均为无氟型，并且电子控制装置和泵的位置之间可以用长达 120 m 的延长电缆连接实现操作（以使电子装置远离恶劣的辐射环境）。

目前，Schopphoff 及其同事们的首要任务是培训普发真空的R&D行业客户，充分传播使用高压缩比涡轮分子泵产生 UHV 的优点，特别是 HiPace 300 H 及其系列产品 HiPace 700 H（氢气压缩比≥2· 10 7 ）。公司关于这一主题的网络研讨会受到了科研界的欢迎，到目前为止，大部分业务订单来自高校的真空客户。

“HiPace 300 H 对于实现 UHV 已经是非常好的选择，但我们仍在努力让它变得更好。”Schopphoff 指出，“我们的终极任务，就是通过真空领域的创新，为我们在研发界的客户提供更多便利。而这个解决方案正符合这一目的。”