2016国产磁测量与应用好仪器设备系列之三：记一次天津飞旋磁悬浮真空涡轮分子泵FX1200的测试

2016国产磁测量与应用好仪器设备系列之三：记一次天津飞旋磁悬浮真空涡轮分子泵FX1200的测试

原创：陆俊 工程师，中科院物理所磁学室

2016年8月15日

一句话推荐理由：可轻松实现亚微帕真空环境的国产磁悬浮分子泵。

一、引言

在一个给定的空间，当内部气体分子很稀薄，压强低于一个大气压(国际单位数值为1e5Pa)以下时的状态叫真空，气体的稀薄的程度叫真空度。严格讲真正意义上的真空并不存在，因为就目前人类的科学技术来说人类是不可能制造绝对真空环境的，因为无论人类应用怎样的高科技都不能把一个容器抽的达到什么都没有。根据历史记载真空技术始于1643年，托里拆利(Torricelli)将一端密封的长管注满水银并倒置在盛有Hg(汞)的槽里时，发现了密封的玻璃管中760mm水银柱顶端产生的真空，当时并未引起人们的关注，直到1654年著名的Magdeburg hemisphere马德堡半球实验证明真空与大气之间的压力差所产生的惊人力量后，真空的应用才逐渐被推广开，比如人们常见的真空吸盘、真空脱气、真空干燥、真空保鲜、真空灯具、真空保温Dewar杜瓦瓶等应用。目前，在众多高新科技产业（如精炼冶金、功能薄膜、太阳能电池、光电子器件、液晶显示屏等），与现代科学研究中（如高能粒子源与物质探测仪器、等离子体、可控核聚变、宇宙仿真等），真空更是不可缺少的基本支撑条件。

与真空的应用伴随不可避免要介绍真空的产生与测量两类技术，如图01所示，从大气环境到星系之间最接近真空的外太空，中间存在非常丰富的天然或人造的真空环境，如月球表面气压约1e-9Pa、粒子加速器、分子束外延腔(MBE)等高真空，离子源、电子管、溅射等离子体等中等真空，与火星表面、真空干燥与吸盘等低真空。与这些典型真空对应的是各种不同类型的真空泵与真空计技术类型。人们能产生真空的方法主要是机械部件抽运(如图中蓝色部分的旋片泵、活塞泵、膜片泵)、通过加热-扩散-冷却-吸附抽运原理的扩散泵、通过低温冷凝与吸附原理的低温泵、以及将中性气体离子化转移的溅射离子泵。度量和比较真空度的仪器分为气体类型无关的直接压强测试，如波尔登表、液面气压计、膜片压力计与电容真空规，一般常见于低真空应用，在图中以绿色字体标识；另一类是气体类型相关的精密量测仪，包括Pirani热导规、Penning冷阴极离子规、热阴极规、磁控规以及质谱真空计。

图01 图解不同区间真空相关的基本实现方法、测量仪表与典型应用

二、背景

从前面介绍中可以看出，在真空获得设备中，分子泵只涉及简单的机械运动部件，无需复杂的高温、低温或高压等特殊设计，但却能获得非常优异的性能。与其他有机械运动部件的真空泵相比，分子泵转速高但振动噪声小、平均无故障工作周期长而维护成本低。其抽气机理是，在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动飞离工作腔室，从而达到抽气的目的。从分子泵的抽气原理知：分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度，具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作离开真空腔室的定向运动。因此分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。这就要求配备给复合分子泵的轴承能够在高转速下长期稳定的运行，但是传统轴承不仅很难实现高转速而且就算实现了高转速其使用寿命也会大打折扣，造价也很高。同时，传统机械轴承分子泵需要油或油脂润滑，带来的油蒸汽返流对真空室产生污染、振动噪声相对较大、平均无故障工作周期短等缺陷。因此，无油轴承作为支承部件在分子泵领域极其有用，其中最有代表性的无油轴承是磁轴承，又称磁悬浮轴承，是一种转子与定子之间没有机械接触的新型高性能轴承，是分子泵的理想支承，无需油润滑、没有机械磨损、可实现高转速永久支承。在磁悬浮轴承研发方面，国外磁轴承技术起步较早，其性能在少数几个发达国家几家公司垄断经过多年迭代积累，已获广泛应用和大量市场份额。国内的相关研究起步于上世纪80年代，主要集中在大专院校及研究院所，由于多方面原因，多年来极缺商业化的产品，中科科仪公司已推出CXF2300型分子泵，是其中屈指可数的商品，但与国外同类型的产品相比仍然存在差距，因而几年来尚未获得明显的市场优势。2016年7月份，作者通过渠道获知天津飞旋科技有限公司于2006年开始研发磁悬浮轴承技术，于2009年研发成功国内第一台磁悬浮复合分子泵，并一直优化完善，同时进行产业化开发，其研发生产的磁悬浮分子泵在以下几个方面进行了技术革新：

1）五自由度控制的磁悬浮轴承技术，加上高可靠性相位、位移、转速检测技术和基于轴心轨迹监测的故障诊断、预警技术，能够实时监控分子泵的运行情况，并对紧急情况作出最快响应，产品的可靠性因而获得提升。

2）基于电感式位移传感器的高精度本机在线动平衡技术，不需要借助动平衡仪设备就能实现本机高速动平衡，有效的提高了叶轮系统的平衡精度，降低了分子泵的整体振动，几乎无声运转；无机械摩擦的另一个好处是发热量低，因而对冷却措施要求低。

3）基于降速发电的掉电安全技术，能在外接电源突然断电的情况下，通过将分子泵的机械能转化为电能反馈给磁轴承，使磁轴承继续工作，直到转子系统速度降到安全的低转速后再落到保护轴承上，避免了对保护轴承的高速冲击，提高了保护轴承的寿命。

4）分子泵用永磁同步高速直流电机控制技术，可实现分子泵高转速运行，并且有变频调速功能，可在实际运行环境中根据需求调节转速，有效的降低了分子泵的能量损耗。

5）整体式叶轮设计加工，实现了叶轮轻量化设计
值得一提的是，在这些技术革新的基础上，该公司于2012年开始成功完善并批量生产磁悬浮分子泵产品，照片如图02所示。

图02 本文测试用的国产磁悬浮真空涡轮分子泵FX1200及其配套电源FSP-1X100

三、简介

本文测试用的磁悬浮涡轮分子泵的主体内部结构如图03所示，其核心部件是磁悬浮高速电机和整体叶轮，叶轮的悬浮力与推动力都是无接触传递的，不过具体的方式不一样，其中悬浮力采用线圈产生的电磁力，而旋转力的无接触传递通过高速永磁电机直连实现。此外，其关键的实现抽气功能的组件是涡轮定子和转子(图03b)，他们相对高速转动，以较高的效率完成分子的定向转移；为了增加抽速，采用层叠的定子-转子结构(图03c)，涡轮分子泵抽出的气体通过后级低真空泵抽运到大气中；与真空泵配套的主要部件还有电机、真空腔体、悬浮线圈、测控器件及相关电路。

图03 本文测试用的国产磁悬浮真空涡轮分子泵主体内部结构示意图

图04 本文测试用的国产磁悬浮真空涡轮分子泵性能指标列表及抽速-压强曲线

5、振动幅度小于0.01微米；

6、安装角度任意。

四、验证

前面已经提到分子泵是非常基础的科学仪器通用保障设备，应用面极广，如果能够更大程度的用国产替代进口，对于国内的研发和生产会起到正面推动作用。而其中的关键在于，口头与纸面上的指标离用户能触及到的条件和环境究竟有多远距离，因而本文作者联系产家调配一台样机在实验室进行测试，主要分成两部分，一是真实应用环境替代性对比试验；二是极限真空实测。

1、试验准备
为了后续的试验顺利进行，需要预先准备的工具材料如图05所示，即针对真空腔室与真空泵之间在口径大小不匹配情况下的连接件，真空腔室与真空规之间的连接转换部件，一般没有特别现成的可以购买，则需要加工定做，定做时应当针对高真空需求进行特别考虑，如材料选择杂质含量低的不锈钢、有焊接的地方尽可能做内部焊接、内壁精抛等尽可能排除气体残存的可能性；高真空连接之处的无氧铜垫片；高真空规管GP274及配套控制器；用于高真空烘烤的热带及调压变压器；还有其他比如螺丝螺母扳手；供电及通讯线缆等。

图05 高真空测试需要的工具材料

图06 试验用真空腔室

图07 更换高真空法兰过程照片

由于此次试验获得了物理所“工程师之家”的支持，在“工程师之家”的组织下，共有20余位师生员工参加了本次国产新型分子泵试验活动的观摩与现场切磋讨论。经过更换分子泵前后的被测真空腔的真空度对比，在相同条件下，被实验泵比原有泵的真空度从2.6e-5Pa提高到1.6e-5Pa，对比照片如图09所示。

图08 更换分子泵过程照片

图09 旧泵的最终稳定真空度与被测试泵比较图片

为了获得被测分子泵的极限真空，需要在一个较小的腔室中借助烘烤除气促进腔室快速达到更高真空，主要是去除室温下吸附能力较强的水分子，真空腔室烘烤温度一般超过150摄氏度，在其他部件能够容许的情况下尽可能高，比如本次实验中接近300摄氏度，如图10所示，在外部包裹加热带需要注意内外缠上锡纸，内部锡纸为了让真空腔受热均匀，外部锡纸是为了防辐射保温。

实验所用的真空规控制器支持串口通讯，但串口与电脑程序之间的连接相对麻烦，不过经过调整串口转换线、通过硬件开关设置波特率、使用可靠性更高的串口-usb转换线、以及设定准确的气压读取命令“#RD\n(这里\n表示换行符)”等困难的克服后，最终调通了气压记录程序，如图11所示。

根据记录的气压-时间曲线，如图12所示，可知两次除气过程中气压先迅速升高，然后缓慢排气下降，直到30小时后达到3.1e-7Pa。

图10 极限真空测试腔体及烘烤过程照片

图11 真空气压记录程序实现过程照片

图12 程序记录真空度随时间变化曲线图

4、结果讨论

实验结束后，作者考虑了以下几个问题，自己考虑加查资料获得一些自己的认识，不对之处请读者指正：

1) 该泵的极限真空指标是5e-8Pa，为什么测出来的结果只有3.1e-7Pa？

首先，3.1e-7Pa已经属于亚微帕量级，相比普通分子泵在亚微帕以上已属较高性能，其次，实验条件无论在真空连接(有道转接法兰影响极限真空)、真空转换(原配分子泵是200mm口径，而测试腔是160mm口径，中间的变径影响了抽气速率)、时间(整个过程只进行一天多时间，因为样机要被安排调配到别的单位使用，没有更多的时间进行更高真空试验)，等方面均不太理想，不过另一方面也说明了如此实际的应用环境下，被测试泵能到到亚微帕以下已很难能可贵。

2) 相对真空测试的真空1.6e-5Pa与极限真空怎么差别如此明显？

这主要是因为被测试的真空退火腔因为要经常取放样品，有橡胶O圈设计，如图13所示，相比高真空法兰中的纯铜垫片因为借助塑性变形原理密封只能有限次使用，橡胶O圈弹性变形量大，适合反复使用，但极限真空度有限制，一般在1e-5Pa左右。此外腔室越大、真空窗口越多，系统总的漏率越高。

3) 分子泵的极限真空能到多少？

极限真空压强一方面来自于泵的抽速，但分子泵的抽速在往上提高时，会碰到叶片强度抵抗不了离心力、电机转速与负载抽速之间的矛盾等问题，目前的空间有限。另一方面取决于系统本身的漏率，如图14所示，在低真空下，真空压力下降过程中伴随体积抽取、表面脱附、扩散等效应后到达系统的极限，即不可避免的腔体自身对气体分子的渗透，导致极限真空大约接近1e-10Pa。不过使用极端条件如超低温可以走得更远。

图13 两种常见真空连接法兰

图14 极限真空的制约因素

五、结论

通过飞旋FX1200磁悬浮真空涡轮分子泵的相对真空比较与极限真空测试，结果显示该样机替换后的真空腔能够比现有的另一台分子泵具备明显更好的真空；该泵可轻松帮助用户进入亚微帕高真空环境，在接近实验物理应用条件下经过30小时左右的烘烤与抽运过程，实际真空度优于3.1e-7 Pa。是国产真空分子泵产品明显进步的标志。

六、致谢

1、感谢天津飞旋科技大力配合磁悬浮真空涡轮分子泵的调配及安装。

2、物理所磁学实验室磁性金属薄膜自旋关联研究组M07组组长蔡建旺研究员借予高温磁场高真空退火腔室，并带学生一块安装分子泵并亲自参与试验。

3、实验过程中使用的真空规、高真空三通、高真空隔离阀以及烘烤设备主要借自物理所超导实验室利用领先世界中国品牌的深紫外激光角分辨光电子能谱仪(ARPES)做超导物性及机理探索的SC7组(组长周兴江研究员)，没有SC7组的大力帮忙，本实验不会如此顺利的在三天之内完成。

4、物科光电技术有限公司，为实验提供若干高真空无氧紫铜密封圈，在此表示感谢。

5、在本次实验过程中，物理所“工程师之家”成员通过微信群在实验前期设计及试验过程当中提供了非常有益的指导与讨论，感谢这个由物理学工程师组成的温馨的团体。

6、本次实验当中，还有3位来自北京四中、北京35中、景山中学的高中生，他们通过中国科协的“英才计划”来到物理所参与科研，尽管高中生的物理积累还不够他们在试验中提供建设性帮助，但能让他们切身体会真正的科研试验过程，见习其中的思路方法，在将来的成长成才路上碰到类似的过程容易树立得心应手的信心，因此有必要感谢中国科协高瞻远瞩推出的“英才计划”。

七、参考文献

【1】谷田和雄，真空系统工程：基础与应用，机械工业出版社，1985

【2】达道安主编，真空设计手册，国防工业出版社，1991
【3】Nagamitsu Yoshimura, Vacuum technology: practice for scientific instruments, Springer, 2008

【4】张以忱，真空系统设计，冶金工业出版社，2013

【5】Alonso Rodr, Eddy current approximation of Maxwell Equations : theory, algorithms and applications, Springer, 2010

【6】A.J. Sangster, Fundamentals of electromagnetic levitation: engineering sustainability through efficiency, IET, 2012