本文敘述了蓋得的發(fā)明專利, 從初期的汞擴(kuò)散泵到分餾油擴(kuò)散泵的演變過(guò)程。討論了泵體結(jié)構(gòu)、噴咀型式、泵油性能和幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題�，F(xiàn)代油擴(kuò)散泵的何氏系數(shù)達(dá)0.65 以上, 返油率達(dá)10^{- 5} mg/cm²·min,1 kW 功率抽氣量可達(dá)200 PaL/s 。最后對(duì)泵的性能、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用前景作了展望。

　　古人云: 溫故而知新。繼承、創(chuàng)新才能發(fā)展。因而回顧擴(kuò)散泵近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程, 對(duì)其改進(jìn)和發(fā)展是有重要意義的。尊重歷史沿革, 單位制沒(méi)作統(tǒng)一, 請(qǐng)見(jiàn)諒。

　　在低于10^{- 2} Torr 的壓力區(qū)域, 對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究是非常重要的。高真空在活性金屬和難熔金屬的熔化和精煉, 塑料的裝飾鍍膜等許多方面得到廣泛的應(yīng)用。為了獲得所需要的高真空而且應(yīng)用最廣的抽氣設(shè)備是擴(kuò)散泵。擴(kuò)散泵借助定向的高速蒸汽流抽氣, 可獲得10^{- 2}~10^{- 11} Torr 或更低的壓力。( 在10^{- 9} Torr 以下通常使用障板和冷阱) 。擴(kuò)散泵是高真空和超高真空獲得設(shè)備。擴(kuò)散泵與低溫泵聯(lián)合工作, 可獲得10^{- 14} Torr 的真空度。

1、擴(kuò)散泵的發(fā)展過(guò)程與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　蓋得于1913 年9 月25 日, 在德國(guó)申請(qǐng)了一項(xiàng)專利。用水銀蒸汽流來(lái)產(chǎn)生高真空的裝置。他指出: 高真空是通過(guò)擴(kuò)散作用而得到的。因而, 這種泵就以擴(kuò)散泵而聞名。據(jù)前蘇聯(lián)文獻(xiàn)報(bào)道:1912 年俄羅斯學(xué)者巴洛維克在彼得堡物理研究所首先提出這種泵, 而且在1913 年俄羅斯學(xué)者巴甫洛夫, 用這種泵進(jìn)行過(guò)氣體分子碰撞方面的研究工作。對(duì)于誰(shuí)先發(fā)明的擴(kuò)散泵這類知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題, 我們不必深究, 因?yàn)橐呀?jīng)過(guò)去快一個(gè)世紀(jì)了, 雖然在工作原理上沒(méi)什么變化, 但和原來(lái)蓋得泵相比結(jié)構(gòu)上完全不同了。今天的現(xiàn)代擴(kuò)散泵是經(jīng)過(guò)幾代人的不斷研究, 改進(jìn)和創(chuàng)新的成果。但我們不能忘記蓋得對(duì)擴(kuò)散泵所作的貢獻(xiàn)。

　　蓋德型擴(kuò)散泵是以水銀作為工作介質(zhì), 以煤氣加熱產(chǎn)生水銀蒸汽流來(lái)抽氣的。其抽氣原理及結(jié)構(gòu)如圖1 所示。泵體及噴咀結(jié)構(gòu)大部分由玻璃制成。這種泵抽速低, 水銀蒸汽的溫度要精確控制。

　　1916 年I. Langmuir 發(fā)明了凝結(jié)泵, 它改進(jìn)了蓋德泵的缺點(diǎn)。

　　這種凝結(jié)泵如圖2 所示。該泵噴咀所形成的蒸汽流方向與被抽氣體分子擴(kuò)散的方向是一致的。蒸汽被良好的冷凝在泵壁上, 提高了泵的抽速,對(duì)電加熱功率波動(dòng)不敏感無(wú)需精確控制溫度。

(a) 利用擴(kuò)散原理抽真空　(b) 蓋德型擴(kuò)散泵

圖1 蓋德擴(kuò)散泵的原理與結(jié)構(gòu)

　　1917 年Crawford 對(duì)蒸汽流的速度作了改進(jìn),利用了漸擴(kuò)噴咀,不用水冷卻如圖3 所示。

圖2 朗繆爾冷凝泵　圖3 Crawford 蒸汽噴射泵

　　1923 年蓋德發(fā)明了三級(jí)水銀擴(kuò)散泵, 抽速達(dá)到15 L/s。1927 年日本東芝公司引進(jìn)蓋得三級(jí)擴(kuò)散泵。

　　1928 年C. R. Burch 在擴(kuò)散泵上開(kāi)始使用油作工作介質(zhì)。

　　1932 年何增祿先生提出何氏系數(shù)Ho 的概念以評(píng)價(jià)擴(kuò)散泵的抽氣效率, 并進(jìn)行了多噴咀(19個(gè)噴咀) 的抽氣試驗(yàn)。

　　圖4 為三級(jí)臥式玻璃油擴(kuò)散泵。

　　1935 年由K.C.D.Hickman 發(fā)明了分餾式油擴(kuò)散泵的專利。分餾式油擴(kuò)散泵如圖5 及圖6所示。

　　工業(yè)上應(yīng)用的分餾式三級(jí)金屬油擴(kuò)散泵如圖7 所示。

圖4 三級(jí)臥式玻璃油擴(kuò)散泵; 　圖5 分餾式三級(jí)金屬油擴(kuò)散泵(Hicman型) ; 　圖6 多級(jí)分餾式金屬油擴(kuò)散泵(Hicman型)

(a) 泵剖面圖　　(b) 油分餾路線圖

　　如圖7 所示: 沿泵壁回流至油鍋的泵油先經(jīng)過(guò)外分餾環(huán)1, 輕餾分蒸發(fā)供給第三級(jí)噴咀;當(dāng)泵油進(jìn)入到分餾環(huán)2 時(shí)蒸發(fā)的次輕餾分的蒸汽供應(yīng)第二級(jí)噴咀, 最后重餾分進(jìn)入中心分餾區(qū)3 后蒸發(fā)供給一級(jí)噴咀, 分餾可以提高泵的極限真空度。

　　用擴(kuò)散泵獲得高真空, 單級(jí)噴咀是不行的, 一般小泵為2~3 級(jí), 大泵則為4~5 級(jí), 甚至更多。

　　各級(jí)噴咀串聯(lián)工作的性能如圖8、9 所示。從圖8 和圖9 可以得出如下結(jié)論:入口壓力在5 ×10^{- 5}< P < 5 ×10^{- 3} Torr 時(shí)多級(jí)泵的抽速S 是根據(jù)高真空噴咀的尺寸來(lái)確定的;在5×10^{- 3} 和< 5×10^{- 2} Torr 中間(或10^{- 1} Torr),多級(jí)泵的抽速大于每個(gè)單噴咀的抽速S; 入口壓力在5×10^{- 2} (或10^{- 1} Torr)< P< 5×10^{- 1} Torr 范圍內(nèi)時(shí),多級(jí)泵的抽速,是根據(jù)前級(jí)真空噴咀尺寸來(lái)決定的。

圖7 三級(jí)分餾式油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)圖

　　限于篇幅，文章中間章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

　　由于篇幅所限, 其他各國(guó)的擴(kuò)散泵的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),此處從略。

　　近年來(lái), 世界各國(guó)對(duì)擴(kuò)散泵抽氣性能和抽氣理論, 結(jié)構(gòu)和操作等方面的研究工作一直沒(méi)有終斷, 如意大利學(xué)者Toth 博士對(duì)擴(kuò)散泵外型對(duì)抽速的影響, 利用動(dòng)力學(xué)理論模型對(duì)直筒泵、凸腔泵進(jìn)行了分析, 又如近年來(lái)韓國(guó)學(xué)者利用蒙特卡羅直接模擬法, 對(duì)擴(kuò)散泵內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。人們對(duì)快速加熱和局面速冷卻擴(kuò)散泵進(jìn)行了研究提出鍋爐快速冷卻到150℃, 即可放入大氣, 使功率大為降低。又如1987 年對(duì)擴(kuò)散擴(kuò)散泵噴咀的蒸汽密度和速度分布的計(jì)算。認(rèn)為噴射為非粘滯的超音速噴射等。

　　擴(kuò)散泵的發(fā)明專利也很多, 這方面俄羅斯的專利(SU) 很多。有感興趣者不妨查查。對(duì)研究工作是有益的。

　　由于資料收集和個(gè)人水平所很, 難免有不當(dāng)之外, 懇請(qǐng)讀者指正。