真空泵怎么选:先看抽什么气,再看要多低,最后才看抽速

真空泵怎么选：先看抽什么气，再看要多低，最后才看抽速

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选真空泵最常见的错，是拿样本比谁的抽速大、极限压强低。这两项要看，但它们回答的是「这台泵最强能到什么程度」，不是「我这套系统该用哪台」。真正决定选型的是三件事：要抽走的是什么气、要到多低、允不允许有油。抽速是这三件事定完之后才轮到比的参数。

一、先分两大类：把气搬走，还是把气留下

Pfeiffer 真空技术知识库开篇就把泵分成两类：gas transfer（气体传输）与 gas binding 或称 capture（气体束缚／捕获），并写明后者「吸收容量有限、必须按工艺间隔再生」[1]。

传输式再分两种。一种是容积式：旋片泵、罗茨泵、干式螺杆泵、爪式泵，靠一个封闭腔把气体挤出去，推到大气侧或下一级泵。另一种是动量式：涡轮分子泵靠高速旋转的叶片把动量传给气体分子，油扩散泵靠一股定向的油蒸气流把气体带下去。两者的共同点是泵里不存气，只要不停转，抽多久都行。

储存式也分两种。一种是冷凝：低温泵把气体冻在冷面上。另一种是化学吸附：升华泵、离子泵、非蒸散型吸气剂（NEG）靠新鲜的活性金属表面把气体「吃」进去，离子泵还先把气体电离、再溅射埋进阴极[1]。

这个分法不是学术洁癖，它直接决定三件事：会不会返油、抽水汽快不快、要不要停机再生。传输式靠油润滑与油密封，油蒸气可能往回爬；储存式不靠油工作，天生无油，但肚子里装满了必须放掉。

顺带说清一个常见混淆：抽速大不等于容量大。抽速是每秒能抓多少，容量是一共能装多少。低温泵对水汽的抽速可以做到 18 万升每秒[4]，容量却按帕·升计——样本上这两项分开列，看的时候别拿抽速当容量。

二、四类泵，各自的看家本事与死穴

容积式：旋片泵、罗茨泵、干泵。 旋片泵是真空系统里最常见的「前级」：偏心转子上的滑片把气体刮进越来越小的空间，最后从排气阀顶出去。它便宜、皮实、能直接从常压启动，缺点是极限压强有限、有油、抽水汽时会乳化。抽湿气要开气镇阀，掺一点空气让水汽在凝结前被排出去；代价是本底变差，Pfeiffer 写明开气镇时极限压强会升高[2]。罗茨泵串在旋片泵前面做增压，干泵则把油换成间隙密封，适合怕油的工艺。

涡轮分子泵。 多级斜置叶片以每分钟几万转的速度旋转，给气体分子一个向下的动量。它的本事是压缩比：对氮约 10⁹、对氢只有约 1000[3]，所以它抽重气体很行、抽氢吃力。它必须有前级泵托着，前级压强大约在 10⁻² mbar 量级[3]；它也怕颗粒，叶片间隙很小，进一颗粉尘就可能扫膛。

图1｜涡轮分子泵剖面：腔室（Chamber）来的气体被转子（蓝色）与定子（绿色）的斜置叶片逐级压向下方，交给前级泵（Backing Pump）抽走（作者 Д.Ильин，公有领域，Wikimedia Commons）

油扩散泵。 泵油沸腾后从伞状喷嘴高速喷出，把进入泵口的气体分子撞向下方，再由前级泵抽走。它没有运动部件、抽速大、便宜，但用的是油——返油是它的原罪，挡板、冷帽都是为了压返油。要求无烃的工艺不能用它。

图2｜油扩散泵剖面：底部加热器（Heater）让泵油沸腾，蒸气流从伞状喷嘴向下喷出、把气体分子带向出口；侧壁冷却水管（Cooling Coils）把油气凝回泵底（作者 Kkmurray／Malyszkz，CC BY-SA 3.0，Wikimedia Commons）

低温泵。 一级冷到 60～80K 冻住水汽，二级冷到 10～20K 冷凝氮氧氩，氢氦氖靠 15K 冷板内侧的活性炭吸附[5]。它无油、对水汽抽速极大，但怕油（油蒸气被活性炭吸了就除不掉，只能换吸附板）、抽不动氦、必须定期再生。

离子泵与升华泵。 靠钛的化学吸附把气体「埋」进阴极或泵壁，无油、无振动、能进超高真空，常与低温泵并列用在加速器和表面分析设备上。它的死穴是惰性气体——氩这类气体只能靠离子埋入，埋满了就失效；容量也小，只适合低气载的场合。

图3｜溅射离子泵剖面：两块永久磁铁之间是一排阳极筒（anode），上下两片钛板（Ti grid）接负高压，电子被磁场困在筒内电离气体，离子打进钛板把气体埋住（作者 Schmid，CC BY-SA 4.0，Wikimedia Commons）

表 1　四类泵的看家本事与死穴（档位只给定性，各厂各型号差别很大，不给数量级）

三、选型只问三件事

第一问：抽走的是什么气。 这一问决定一半。腔里以水汽为主（大多数镀膜、干燥、放气重的腔体），低温泵的水汽抽速是涡轮分子泵的 4 倍[4]，优势明显。以氢为主（超高真空、加速器、金属体内扩散），低温泵靠活性炭、分子泵靠压缩比，两者都得算，氢是最难抽的一种。大量用氦的场合（检漏、低温系统），低温泵基本不能用——它对氦的抽速只有对氩的百分之一到千分之一，厂商页直接写「不推荐用低温泵排气」[5]。有腐蚀性气体的工艺（刻蚀、含氯工艺），泵内部件要被保护，Pfeiffer 的解法是往泵里通一股惰性密封气，让敏感部件不接触工艺气体[1]。

第二问：要到多低。 粗真空只要一台容积式泵；高真空要两级，前级加分子泵或扩散泵；超高真空要三级，再加低温泵或离子泵，而且腔体、法兰、密封全部要跟着升级——只换泵不换密封，本底压不下去。这一步容易被忽略：泵的极限压强是「泵口」的值，系统能到多低还取决于漏率与放气。

第三问：允不允许有油。 镀膜、半导体、表面分析、电子显微这类工艺，碳氢污染会直接毁掉结果，只能用无油泵（干泵、磁悬浮分子泵、低温泵、离子泵）。一般工业真空、粗抽、包装，用旋片泵更便宜也更皮实。中间地带（真空钎焊、热处理）看工艺要求：钎焊怕氧化不怕微量碳氢，旋片泵加冷阱就能用。

四、三套典型泵组

表 2　三套典型泵组（按目标档位配，不按行业配）

同样的目标档位，不同行业会选不同的泵。真空钎焊炉多数用罗茨加旋片做粗抽，不必上分子泵——它要的是把炉膛抽到 10⁻³ Pa 量级防氧化，不是超高真空[6]。空间环境模拟舱反过来，靠的是几十平方米的 6K 氦冷板本身当泵，再加扩散泵分担气载，不是一个「大低温泵」抽一个舱[7]。分析仪器要的是无烃超高真空，分子泵加离子泵或低温泵的组合更常见[8]。

五、两个常被忽略的参数

抽速与容量的区别。 传输式泵没有容量概念，抽多久都行；储存式泵有容量，装满了抽速会掉、必须再生。选储存式泵时，样本上的「排气容量」比「抽速」更该看——抽速决定抽得快不快，容量决定多久停一次机。

前级匹配。 涡轮分子泵、扩散泵、低温泵都不能直接对大气启动，必须有前级泵托着。前级泵选小了，主泵抽速再大也发挥不出来；前级泵的极限压强不够低，主泵的压缩比再高也压不住。Pfeiffer 的算例里，前级泵按腔体体积与目标时间算出 36.8 m³/h，主泵抽速取前级的 10 到 100 倍，这个比例关系比单看主泵铭牌有用[9]。

参考文献

1.Pfeiffer Vacuum. Vacuum Technology Book, 4.1 Vacuum pumps – working principles and properties: 4.1.1 Classification of vacuum pumps（gas transfer / gas binding；储存式容量有限须再生；容积式与动量式；吸气剂与冷凝）[EB/OL]. https://www.pfeiffervacuum.com/global/en/knowledge/vacuum-technology/knowledge-book/4-vacuum-generation/4_1_vacuum_pups__working_priciples_and_properties/

2.Pfeiffer Vacuum. Vacuum Technology Book, 4.2 Rotary vane vacuum pumps（气镇使水汽在凝结前排出；开气镇极限压强升高）[EB/OL]. https://www.pfeiffer-vacuum.com/us/en/knowledge/vacuum-technology/knowledge-book/4-vacuum-generation/4_2_rotary_vane_vacuum_pumps/

3.Pfeiffer Vacuum. Vacuum Technology Book, 4.9 Turbomolecular pumps（对氢压缩比约 1000、对氮 10⁹；前级压强约 10⁻² mbar；转速 1500 Hz）[EB/OL]. https://www.pfeiffer-vacuum.com/us/en/knowledge/vacuum-technology/knowledge-book/4-vacuum-generation/4_9_turbomolecular_pumps/

4.Leybold. How it works: cryopump technology（对水汽抽速为涡轮分子泵的 4 倍、氢 2 倍、氮高 40%；大型泵对水 180000 L/s）[EB/OL]. https://www.leybold.cn/zh-cn/knowledge/blog/how-it-works-cryopump-technology

5.ULVAC SHOWCASE. 低温泵｜真空泵（高真空）的基础知识（80K／10–12K、15K 冷凝板与吸附板、氦抽速仅为氩的 1/100～1/1000、不推荐用低温泵排气、排气容量与再生）[EB/OL]. https://showcase.ulvac.co.jp/cn/how-to/product-knowledge02/cryo-pump.html

6.影响真空炉钎焊质量因素（真空度与漏气率）（工作压强 ≤1×10⁻³ Pa；该页注明非标准条文）[EB/OL]. https://wenkzz.com/view/675.html

7.Leybold. Space simulation chambers（组件级舱 1～100 m³、整星级 10000 m³；氙难抽）[EB/OL]. https://www.leybold.cn/zh_cn/knowledge/blog/space-simulation-chambers

8.Baglin V. Cryogenics and vacuum（CERN Accelerator School 讲义）[Z]. 2017. 第 1、3、9 页. https://arxiv.org/pdf/2006.01574

9.Pfeiffer Vacuum. Vacuum Technology Book, 2.2 Calculations: 2.2.3.1（前级泵 36.8 m³/h、主泵取前级 10～100 倍、2.0 s 与 741 h）[EB/OL]. https://www.pfeiffer-vacuum.com/dk/en/knowledge/vacuum-technology/knowledge-book/2-basic-calculations/2.2-calculations.html

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