质谱中的分子涡轮泵
感谢您关注紫泰科技，我是陶工，上期节目介绍了真空的概念，推导了达到真空需要降低系统的分子数量，和前级泵的种类，这期和大家聊分子涡轮泵和真空计。
涡轮分子泵属于动量真空泵的范畴，它们的设计类似于涡轮机的设计，多级具有叶盘的涡轮状转子在壳体内旋转，涡轮机或压缩机的叶片被统称为叶片装置，转子盘之间插入具有类似几何形状的叶片定子盘。
先看一下分子涡轮泵的组成，这个是电子驱动单元，这个是陶瓷球轴承，旋转轴，定子片，转子片，永磁轴承，安全轴承。
涡轮分子泵工作原理是，是基于将动量从快速旋转的叶片传输给被泵送的气体分子，与叶片碰撞的分子被吸附在叶片上，然后在一段时间后再次离开叶片，在该过程中，叶片速度被加到分子热运动速度上，为确保由叶片传输的速度成分不因与其他分子碰撞而损失，分子流必须在泵中占主导地位，也就是上期说的平均自由程必须大于叶片间距。
通过这个动画更深入的了解一下，可以看到气体粒子进入涡轮泵，这些粒子撞到定子片时，会发生漫反射，当粒子撞到转子片时，它们的热速度与转子的速度相叠加，被撞击到下层叶片中，下层叶片继续反复这个过程，气体粒子就沿着前级真空法兰的方向被压缩，随着腔内气体分子越来越少，腔内的真空度越来越高，最后达到目标真空度，气体顺着法兰由前级真空被排出，离开涡轮泵。
再来介绍一下混合轴承，是指单一泵中使用两个轴承，在这种情况下，油润滑球轴承安装在前真空侧上轴的端部，且高真空侧配备了免维护和无磨损的永磁轴承，其将转子置于径向中心位置，润滑前真空侧轴承的油置于油池内，小型安全轴承布置在磁轴承转子内，在正常工作期间，轴颈在该轴承内自由旋转，如果存在强劲的径向冲击，安全轴承则稳定转子转动，相比浮动轴承，如果转子失去平衡，轴两端的轴承产生较低的轴承振动力，高真空侧的磁轴承对振动完全不敏感，因此只有非常小的振动力被传输到壳体上。
通过距离传感器和电磁体实现的数字电气控制使转子悬浮，涡轮转子运动的自由度可连续监控并实时调整，转子与壳体之间无机械接触将泵产生的振动保持在低水平，转子围绕其自身的惯性轴线自转。
质谱在泄真空的过程，分子涡轮泵都是很缓慢的降低转数，当低于一定转数后可以进行关机，但质谱都是配UPS使用的，为了防止意外的停电，如果发生断电可以有足够的时间来关机，那为什么质谱怕断电呢？，其实如果突然断电影响最大的是分子涡轮泵，它的转数非常高，一旦突然停电对转数失去控制，如果这个时候转数迅速的下降，将会磨损涡轮泵的轴承，降低涡轮泵的性能或导致其损坏。
但实际工作中各家都用质量非常好的涡轮泵，即使突然断电，涡轮泵转数也不会突然下降，您就不管它让它慢慢转停就好，这个过程也是很缓慢的过程，问题不大。
另外分子涡轮泵的无磨损和免维护很重要，在停电的情况下，通过泵的旋转能量为磁轴承供电，这使得涡轮泵可以很容易地桥接数分钟，如果停电持续时间较长，通过使用集成的安全轴承，转子将以非常低的速度安全停止，在系统故障期间，安全轴承使转子减速，以避免对泵造成任何损坏。
电动机与驱动器能够提供旋转频率高达 1,500 Hz ，也就是每分钟90,000转，由无刷直流电动机用于驱动转子，使得叶片达到泵送气体所必需的速度，现在驱动器通常都是直接连接到泵上，电源是 24、48 或72 伏的直流电，通过外部电源包或集成在泵的电子单元中的电源包产生电流。
那么分子涡轮泵可以将全部的分子都抽走吗？，答案是不能，这里需要引入极限压力的概念，是在无气体进入的限定条件下，由盲板法兰连接的真空泵渐进的最低压力，在极限压力下，泵的抽速将为零，因为只有其自身的返流损失将被抽出，极限压力是理论值，现在用本底压力代替极限压力，由于必须在指定时间内获得本底压力，其通常高于极限压力。
是否达到极限压力，将取决于设备和泵的大小和清洁度以及烘烤条件，在极端烘烤后，在残余气体中将只发现 H2、CO 和CO2，这些是溶解在测试罩金属中并连续逸出的气体。
您可能会问，分子涡轮泵这么厉害，为什么需要前级泵的配合，它自己不就行了么，还真不行，因为大气压状态真空腔内有大量的气体分子，分子涡轮泵高速运转，让这些大量分子连续撞击叶片，会产生大量的热，这种热量会使涡轮泵叶片烧毁和变形，导致涡轮泵的性能下降，所以要加个前级泵，达到粗真空之后再分子涡轮泵再继续工作。
图中分别是扩散泵，标准涡轮泵和高性能涡轮泵，扩散泵在早期的气质中常见，但是扩散泵效率比较低，抽真空速度慢，而且需要换油，现在都用右侧的涡轮泵，不用维护，抽真空速度也快。
仪器领域常用的真空产品主要是两家，英国的Edwards和德国的Pfeiffer，两家都是百年老号，这两个品牌在不同版本的仪器中都能见到，Agilent收购Varian的真空业务后也有了自己的真空产品，会用在自家的仪器上。
那么如何对系统的真空度进行测量呢，压力的定义为每单位面积的受力大小，国际标准单位是Pa，如果通过施加在物体面积上的力的大小来测量压力，则压力测量与气体种类无关，但是如果在受力基础上的压力测量，压力低于1 hPa 时达到测量的极限，由于此时所施加的力太小，需要使用其他方法测量，在真空技术中，没有任何一种单一的测量方法能够涵盖整个压力范围，这里介绍几种常见的真空计。
压电膜片真空计，一个简单且效果强大的测量方式，使用压阻传感器，扩散的膜片被安置在具有参考压力 p0 的真空空间上方，测量膜片变形的阻力变化为压力，该传感器的特点是其对气体冲击的不敏感性及其高精度。
电容式膜片真空计，对膜片变形程度进行测量，这种变形导致平板电容器的电容变化，该变化是，通气良好的真空空间中的膜片和固定参考电极形成的，该膜片组由具有真空金属化涂层的陶瓷或不锈钢组成，该方法和具有不同敏感程度的膜片可用于执行四十年的测量，测量下限是 10-5 hPa，非常适合气质使用。
磁悬浮转子计，用于校准目的，球体被磁力悬浮在真空中并使其快速旋转，此时给驱动器断电，由于气体摩擦，可从旋转频率减少计算气体的压力，在分子流范围内，这些装置测量的压力 p > 10 -7 hPa，装置的校准只依赖于球体，这意味着经校准的球体可作为传递标准。
还有一种在质谱中也很常见，是依赖气体的间接压力测量，皮拉尼真空计。
利用压力 p 小于 10 至 100 hPa时的气体导热系数进行测量，管内的金属丝由电流加热到 110°C 和 130°C 之间的恒定温度，周围气体将热量消散到管壁上，在分子流范围内，热传递与分子数密度成正比，从而与压力成正比。
当然除了这些之外，也有冷阴极电离真空计，热阴极电离真空计，仪器行业中不太常见，这里就不进行介绍。
当然早期的质谱产品干脆没有真空计，使用完全凭感觉，其实也还好，就是抽真空的时间长一些罢了，如果您买二手气质的话，请确认配置表里是否有真空计。
真空系统需要进行的维护很少，唯一做的就是前级泵定期换泵油，这个油用官方指定的产品，不要乱加，前级泵维修需要手法，相同的操作有的人就能修好，有的人就搞不定，当然前级泵出问题也会非常明显，你能感觉房子都在跟这个泵在颤。
质谱中的分子涡轮泵
感谢您关注紫泰科技，我是陶工，上期节目介绍了真空的概念，推导了达到真空需要降低系统的分子数量，和前级泵的种类，这期和大家聊分子涡轮泵和真空计。
涡轮分子泵属于动量真空泵的范畴，它们的设计类似于涡轮机的设计，多级具有叶盘的涡轮状转子在壳体内旋转，涡轮机或压缩机的叶片被统称为叶片装置，转子盘之间插入具有类似几何形状的叶片定子盘。
先看一下分子涡轮泵的组成，这个是电子驱动单元，这个是陶瓷球轴承，旋转轴，定子片，转子片，永磁轴承，安全轴承。
涡轮分子泵工作原理是，是基于将动量从快速旋转的叶片传输给被泵送的气体分子，与叶片碰撞的分子被吸附在叶片上，然后在一段时间后再次离开叶片，在该过程中，叶片速度被加到分子热运动速度上，为确保由叶片传输的速度成分不因与其他分子碰撞而损失，分子流必须在泵中占主导地位，也就是上期说的平均自由程必须大于叶片间距。
通过这个动画更深入的了解一下，可以看到气体粒子进入涡轮泵，这些粒子撞到定子片时，会发生漫反射，当粒子撞到转子片时，它们的热速度与转子的速度相叠加，被撞击到下层叶片中，下层叶片继续反复这个过程，气体粒子就沿着前级真空法兰的方向被压缩，随着腔内气体分子越来越少，腔内的真空度越来越高，最后达到目标真空度，气体顺着法兰由前级真空被排出，离开涡轮泵。
再来介绍一下混合轴承，是指单一泵中使用两个轴承，在这种情况下，油润滑球轴承安装在前真空侧上轴的端部，且高真空侧配备了免维护和无磨损的永磁轴承，其将转子置于径向中心位置，润滑前真空侧轴承的油置于油池内，小型安全轴承布置在磁轴承转子内，在正常工作期间，轴颈在该轴承内自由旋转，如果存在强劲的径向冲击，安全轴承则稳定转子转动，相比浮动轴承，如果转子失去平衡，轴两端的轴承产生较低的轴承振动力，高真空侧的磁轴承对振动完全不敏感，因此只有非常小的振动力被传输到壳体上。
通过距离传感器和电磁体实现的数字电气控制使转子悬浮，涡轮转子运动的自由度可连续监控并实时调整，转子与壳体之间无机械接触将泵产生的振动保持在低水平，转子围绕其自身的惯性轴线自转。
质谱在泄真空的过程，分子涡轮泵都是很缓慢的降低转数，当低于一定转数后可以进行关机，但质谱都是配UPS使用的，为了防止意外的停电，如果发生断电可以有足够的时间来关机，那为什么质谱怕断电呢？，其实如果突然断电影响最大的是分子涡轮泵，它的转数非常高，一旦突然停电对转数失去控制，如果这个时候转数迅速的下降，将会磨损涡轮泵的轴承，降低涡轮泵的性能或导致其损坏。
但实际工作中各家都用质量非常好的涡轮泵，即使突然断电，涡轮泵转数也不会突然下降，您就不管它让它慢慢转停就好，这个过程也是很缓慢的过程，问题不大。
另外分子涡轮泵的无磨损和免维护很重要，在停电的情况下，通过泵的旋转能量为磁轴承供电，这使得涡轮泵可以很容易地桥接数分钟，如果停电持续时间较长，通过使用集成的安全轴承，转子将以非常低的速度安全停止，在系统故障期间，安全轴承使转子减速，以避免对泵造成任何损坏。
电动机与驱动器能够提供旋转频率高达 1,500 Hz ，也就是每分钟90,000转，由无刷直流电动机用于驱动转子，使得叶片达到泵送气体所必需的速度，现在驱动器通常都是直接连接到泵上，电源是 24、48 或72 伏的直流电，通过外部电源包或集成在泵的电子单元中的电源包产生电流。
那么分子涡轮泵可以将全部的分子都抽走吗？，答案是不能，这里需要引入极限压力的概念，是在无气体进入的限定条件下，由盲板法兰连接的真空泵渐进的最低压力，在极限压力下，泵的抽速将为零，因为只有其自身的返流损失将被抽出，极限压力是理论值，现在用本底压力代替极限压力，由于必须在指定时间内获得本底压力，其通常高于极限压力。
是否达到极限压力，将取决于设备和泵的大小和清洁度以及烘烤条件，在极端烘烤后，在残余气体中将只发现 H2、CO 和CO2，这些是溶解在测试罩金属中并连续逸出的气体。
您可能会问，分子涡轮泵这么厉害，为什么需要前级泵的配合，它自己不就行了么，还真不行，因为大气压状态真空腔内有大量的气体分子，分子涡轮泵高速运转，让这些大量分子连续撞击叶片，会产生大量的热，这种热量会使涡轮泵叶片烧毁和变形，导致涡轮泵的性能下降，所以要加个前级泵，达到粗真空之后再分子涡轮泵再继续工作。
图中分别是扩散泵，标准涡轮泵和高性能涡轮泵，扩散泵在早期的气质中常见，但是扩散泵效率比较低，抽真空速度慢，而且需要换油，现在都用右侧的涡轮泵，不用维护，抽真空速度也快。
仪器领域常用的真空产品主要是两家，英国的Edwards和德国的Pfeiffer，两家都是百年老号，这两个品牌在不同版本的仪器中都能见到，Agilent收购Varian的真空业务后也有了自己的真空产品，会用在自家的仪器上。
那么如何对系统的真空度进行测量呢，压力的定义为每单位面积的受力大小，国际标准单位是Pa，如果通过施加在物体面积上的力的大小来测量压力，则压力测量与气体种类无关，但是如果在受力基础上的压力测量，压力低于1 hPa 时达到测量的极限，由于此时所施加的力太小，需要使用其他方法测量，在真空技术中，没有任何一种单一的测量方法能够涵盖整个压力范围，这里介绍几种常见的真空计。
压电膜片真空计，一个简单且效果强大的测量方式，使用压阻传感器，扩散的膜片被安置在具有参考压力 p0 的真空空间上方，测量膜片变形的阻力变化为压力，该传感器的特点是其对气体冲击的不敏感性及其高精度。
电容式膜片真空计，对膜片变形程度进行测量，这种变形导致平板电容器的电容变化，该变化是，通气良好的真空空间中的膜片和固定参考电极形成的，该膜片组由具有真空金属化涂层的陶瓷或不锈钢组成，该方法和具有不同敏感程度的膜片可用于执行四十年的测量，测量下限是 10-5 hPa，非常适合气质使用。
磁悬浮转子计，用于校准目的，球体被磁力悬浮在真空中并使其快速旋转，此时给驱动器断电，由于气体摩擦，可从旋转频率减少计算气体的压力，在分子流范围内，这些装置测量的压力 p > 10 -7 hPa，装置的校准只依赖于球体，这意味着经校准的球体可作为传递标准。
还有一种在质谱中也很常见，是依赖气体的间接压力测量，皮拉尼真空计。
利用压力 p 小于 10 至 100 hPa时的气体导热系数进行测量，管内的金属丝由电流加热到 110°C 和 130°C 之间的恒定温度，周围气体将热量消散到管壁上，在分子流范围内，热传递与分子数密度成正比，从而与压力成正比。
当然除了这些之外，也有冷阴极电离真空计，热阴极电离真空计，仪器行业中不太常见，这里就不进行介绍。
当然早期的质谱产品干脆没有真空计，使用完全凭感觉，其实也还好，就是抽真空的时间长一些罢了，如果您买二手气质的话，请确认配置表里是否有真空计。
真空系统需要进行的维护很少，唯一做的就是前级泵定期换泵油，这个油用官方指定的产品，不要乱加，前级泵维修需要手法，相同的操作有的人就能修好，有的人就搞不定，当然前级泵出问题也会非常明显，你能感觉房子都在跟这个泵在颤。
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