分子泵的发展概况

动量传输，气尽真空

 分子泵是利用高速转动的转子携带气体分子并将动量传递给气体分子使其产生定向流动而获得高真空及超高真空的一种机械真空泵，极限真空度可达10^-8Pa，具备“功耗小（同等抽速条件下，功率只有扩散泵的几十分之一）、震动小、噪音低、操作简单、方便、易维护、启动快、能抗各种射线照射、无气体存储和解吸效应、洁净”等优点，是扩散泵未来的替代产品；其广泛用于高能加速器、重粒子加速器、可控热核反应装置、等离子体物理空间研究、原子束分子束系统、表面物理和分析仪器、高级电子元器件制造、半导体和光学元器件制造、真空镀膜、真空冶炼等涉及真空技术的电子、冶金、化工、科研等众多领域。

分子泵主要发展阶段

 自1913年德国W.Gaede发明第一台分子泵以来，分子泵的发展已经历一个多世纪，随着科技的发展及技术的革新，分子泵的发展取得了巨大的进步，尤其是近15年来，随着计算机辅助设计技术、轴承技术、高速旋转技术、数控加工工艺技术等的飞速发展，分子泵的发展更是取得了空前的进步，抽速从50L/s到60000L/s的各类型分子泵已经研发成功并投放市场，磁悬浮涡轮分子泵及前级耐高压、宽域型复合分子泵也早已到达实用化程度。

 分子泵的发展主要经历了“初期分子泵、涡轮分子泵、磁悬浮轴承与气体静压轴承分子泵、复合分子泵”四个阶段。

初期分子泵

 早在1905年，德国W.Gaede就着手研究一种与位移原理无关的新型机械真空泵——分子牵引泵（简称分子泵），其基于以下设想：气体分子不断地与高速运转的固体表面发生碰撞，碰撞过程中高速运转固体与气体分子之间发生能量迁移，使气体分子自身获得动量，从而沿着一定的方向运动而被抽出。这种分子泵于1913年研发成功（同时，基于同样的设想，W.Gaede发明了扩散泵，在扩散泵中，气体分子被高速喷射的蒸汽分子带出而实现抽气）。在美国曾用于电子管的排气，但由于技术不成熟，故障多，在1915年被W.Gaede自己研发的水银扩散泵所代替。

 1923 年F.Holweck 开发出一种筒式分子泵——改进的W.Gaede分子泵。这种泵在转子或定子上开有螺旋槽，高速转动的转子迫使气体分子沿着螺旋槽流动而实现抽气，它能达到的抽速约为4.5L/s～8L/s，对气体的压缩比非常大，而且结实耐用，曾用于海军通讯三极管的排气，生产过80台；1940 年由瑞士厂家生产这种泵, 用于真空分析仪器、电子显微镜和阴极射线管等。

 1926 年M.Siegbahn 在瑞典的大学物理实验室开发了一种较高抽速的盘式分子泵（这种泵也是当今市场上主流盘形复合分子泵的前身），这种泵在定子盘面上开有螺旋槽, 转子为一光滑圆盘，其是为筒型光谱计用而研制的，抽速可达150 L/s，在1926～1940 年间, 大学的工厂制造过50 台，于1931 年许可德国莱宝LEYBOLD 公司生产，1939 年为回旋加速器用制造过两台大型的盘型分子泵。

涡轮分子泵

 上述的F.Holweck泵也好，M.Siegbahn泵也罢，尽管排气量大，对气体分子的压缩比高，但是由于工作间隙小，因离心力作用、热膨胀甚至微小颗粒杂质进入泵内均可导致转子卡壳或结构损坏，所以它们的工业应用未能实现。

 在1945年，德国普发PFEIFFER公司的W.Becker作了一次新的尝试，试图按照F.Holweck泵研发一种成熟的工业用分子泵，但是不幸的是，与他的前辈一样，以失败而告终；但W.Becker并未放弃其他形式的分子泵的研究，经过十多年后，于1958年，W.Becker设计出历史上第一台商品轴流式涡轮分子泵，至此，涡轮分子泵问世。这种泵采用卧式结构，靠动静叶片的交错匹配而实现抽气（这种泵是当今涡轮分子泵的前身）。

 1966 年法国SENCMA公司L.Rubet 基于W.Becker的涡轮分子泵开发出一种立式涡轮分子泵, 于1971 年授权德国莱宝LEYBOLD公司生产。

 之后，许多国家也陆续着手涡轮分子泵的研发试制：中国上海真空泵厂于1964年成功研制FW-140型卧式涡轮分子泵；1977年，南光机器（国营第七〇八厂）、中科科仪成功开发出F-150/450型立式涡轮分子泵，开启国产分子泵实用化进程，抽速达450 L/s，填补国内空白。日本大阪真空公司于1971研制成功立式涡轮分子泵，俄罗斯在80年代初期也成功研制历史上最大抽速的立式涡轮分子泵——60000L/s。

 80年代初期，市场上出现小型的宽域型涡轮分子泵，有标准型和化学型两种。标准型泵可用于10-7～200Pa 的压力范围, 流量之大可与低真空范围的机械增压泵相媲美。采用气体清洗措施保护轴承, 还设有防灰尘和玻璃碎片侵入的结构。化学型泵可适于对腐蚀性气体的连续稳定排气, 其转子上涂有耐腐蚀性涂层，排出腐蚀性气体时, 轴承采取气体清洗措施。

磁悬浮轴承与气体静压轴承分子泵

 1976 年德国莱宝LEYBOLD公司首先开发了完全无接触的磁悬浮轴承式的涡轮分子泵。其结构是中心轴固定, 带有叶列的转子在轴的外侧旋转, 故称为外环式旋转。这种泵停机接触应急轴承的直径较大, 易引起事故。

 1983年日本岛津Shimadzu公司在莱宝LEYBOLD公司的基础上开发了一种内环式旋转的磁悬浮分子泵, 即以轴旋转的磁悬浮轴承式涡轮分子泵。

 在热核反应装置上使用的涡轮分子泵, 常采用气体静压轴承, 因为若采用油润滑轴承, 氚会引起油变质，若采用磁悬浮轴承, 在有强磁场存在的环境里, 维持涡轮分子泵稳定运行非常困难，涡轮分子泵在强磁场环境中运行, 泵的转子会因涡流发热并引起转速下降, 故采用不受磁场干扰的气体静压轴承系统和气体涡轮驱动系统，这种气体静压轴承式涡轮分子泵于80年代中期在俄罗斯研制成功。

 2013年至今，国内中科科仪、飞旋科技相继推出磁悬浮轴承分子泵，打破国际垄断。

复合分子泵

 随着半导体产业和薄膜产业的飞速发展，要求分子泵能连续地大量排气并获得清洁的高真空，经常需要涡轮分子泵在大于1Pa的压力下工作，但涡轮分子泵的抽速恰在这个范围内急剧下降，远远不能满足工业需求，于是，为了能使涡轮分子泵在高压强下仍保持较优的抽气性能，研发工程师们在原有的涡轮分子泵出口侧合理配置了F.Holweck泵（筒式分子泵）或M.Siegbahn泵（盘式分子泵），将两种泵的抽气单元组配成一个整体，集两者优点于一身，形成了当今市场上的宽域型复合分子泵，这种泵在很宽的压力范围内具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。

 1974 年法国阿尔卡特ALCATEL公司成功开发了筒式复合式分子泵, 径向间隙很小, 使用空气静压轴承和气动涡轮驱动。

 1983 年日本大阪真空公司采用了新的设计理论, 增大了径向间隙, 成功研制了较为可靠的筒式复合式分子泵。

 如今，德国普发PFEIFFER、德国莱宝Lebold、英国爱德华Edwards、日本岛津Shimadzu等著名分子泵开发公司均采用筒式结构的复合分子泵，且大多采用磁悬浮轴承支撑。

 80年代末期，我国北京中科科仪开始着手盘式复合分子泵的研制，如今，技术相对成熟，达到批量生产，大量投放国内外市场。之后南光机器、北京帕纳、北京泰岳恒、成都无极真空等真空公司也陆续研制普通盘形复合分子泵，并大量投放市场。

 90年代初期，美国瓦里安VARIAN公司开始研制一种盘式拖动复合分子泵，但其设计理念有别于其他公司的盘式复合分子泵，由于采用了新颖的盘式牵引结构，其复合分子泵产品抽气性能优于其他盘式复合分子泵。

国内分子泵未来发展方向

 随着普通涡轮分子泵和复合分子泵的不断改进，其应用领域越来越广，甚至在某些抽气系统上完全替代扩散泵，缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁高真空及超高真空环境。

 对于国外来说，磁悬浮轴承支撑的涡轮分子泵和复合分子泵技术已趋于成熟，但特大抽速分子泵仍不多；然而对于国内而言，技术和国外相比有一定的差距，国内复合分子泵性能不尽良好，尤其是任意角度安装的分子泵安全性及稳定性也不及国外产品，且产品系列相对单一，尚不能完全满足工业的常态化应用需求。在今后相当长的时期内，国内分子泵的发展将以系列化复合分子泵为主体，并往以下几方面发展：
（1）高流量、前级高耐压复合分子泵；
（2）高稳定性磁悬浮复合分子泵；
（3）大抽速及超大抽速复合分子泵；
（4）高度集成“机电一体化”智能控制、绿色节能复合分子泵；
（5）对水蒸气快速排气的低温复合分子泵；
（6）直排大气干式复合分子泵。

结束语

 分子泵作为一种动量传输真空泵，它通过赋予气体分子动量使其产生定向运动进而实现抽气功能，具备更节能、更洁净、更高效等优点，在高真空及超高真空应用领域，其成为现代科学研究与高端制造的首选设备。

 当前，磁悬浮分子泵市场正迎来爆发式增长，2024年全球市场规模已达2.5亿美元，预计到2033年将突破5亿美元，年复合增长率高达8.5%。这一增长背后，是半导体、新能源、航空航天等领域对超高真空环境的迫切需求。

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