无油螺杆泵如何优化粒子加速器的真空系统？

2025-03-28 12:15:11 55阅读次数

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亚利桑那州立大学的材料离子束分析（IBeAM）实验室长期致力于材料分析设备的升级研究，该实验室的研究专家负责人马克曼格斯（Mark Mangers），与学生及行业合作伙伴紧密协作，不仅开展设备使用及数据处理方面的专业培训，还承担着设备维护的关键职责。

亚利桑那州立大学曼格斯教授

“我一直在探寻一个升级方案”

亚利桑那州立大学曼格斯教授说：“我一直在探寻一个升级方案，在实际工作中，如果我忙于设备维修，便无法开展对学生或其他研究人员的培训工作，也难以实施其他能够提升工作效率的事项。”

因此曼格斯教授一直想要给粒子加速器寻觅一款维护少，性能稳定的前级泵真空泵。

只有VACUUPURE 10可以完美解决他的难题。

曼格斯教授说：“对于粒子加速器而言，任何新型前级泵都需构建可靠、稳定且低振动的真空环境，从而为粒子加速器实验营造最为适宜的真空条件。基于此，对 VACUUBRAND 公司的 VACUUPURE 10 螺杆泵进行搭配测试，旨在以其替换油封旋片泵。经研究发现，该螺杆泵所达成的真空度与传统旋片泵相当，然而却无需进行泵油更换以及频繁维护，帮助他们团队节约了大量的时间。

离子加速器的前级泵的应用的一般要求有如下三点：

可靠性

最大限度减少停机时间，在高真空应用场景中，设备的持续稳定运行是保障实验进程顺利推进的基础，任何意外停机都可能导致实验中断，不仅浪费时间，还可能造成实验数据的缺失或不准确。

稳定真空

粒子加速器要求粗抽泵能够稳定提供 10?3 mabr 的真空度，以便与涡轮分子泵协同工作，进而达到低至10??mbar的稳定真空水平。这种稳定的真空环境是确保粒子加速器内粒子束稳定运行、精确控制以及实验结果准确性的必要条件。在粒子加速过程中，微小的真空波动都可能对粒子的轨迹和能量产生影响，从而干扰实验数据的可靠性。

低振动

尽可能降低振动能够确保精密设备的稳定性，显著提高实验数据的可重复性。粒子加速器作为一种高度精密的设备，对振动极为敏感。振动可能导致设备内部部件的微小位移，进而影响粒子束的传输和聚焦，使得实验数据出现偏差。通过减少振动，可以有效提升实验结果的一致性和可靠性，为科学研究提供更具说服力的数据支持。

粒子加速器的应用

IBeAM 实验室的粒子加速器为一台1.7 兆电子伏特的串联加速器，广泛应用于离子束分析（IBA）和材料离子束改性（IBMM）等多个领域的实验研究。其独特应用涵盖以下方面：

1.半导体薄膜化学成分分析：针对用于半导体的当前及下一代薄膜进行精确的化学成分分析。半导体材料的性能与其化学成分密切相关，通过离子束分析技术，可以深入了解薄膜中元素的种类、含量以及分布情况，为半导体材料的研发和优化提供关键数据支持，推动半导体技术的不断进步。

2.文化遗产文物化学分析：借助粒子（离子）诱发 X 射线发射（PIXE）技术，对诸如罗马时代的死亡面具、古代陶器、雕像以及古代武器所用金属等文化遗产文物进行化学分析。这一分析手段能够揭示文物的制作材料、工艺以及产地等重要信息，对于文物鉴定、保护以及古代贸易路线的研究具有重要意义。通过化学分析，可以确定文物的真伪，了解古代工艺的特点和传承，以及推断不同地区之间的贸易往来和文化交流。

3.能源领域元素同位素分析：利用粒子（离子）诱发伽马射线发射（PIGE）技术，对用于能源领域的锂及其他元素进行同位素分析。在能源研究中，元素的同位素组成对于理解能源材料的性能、反应机理以及能源转换效率等方面具有重要作用。通过精确的同位素分析，可以优化能源材料的设计和制备，提高能源利用效率，为可持续能源的开发提供技术支撑。

旋片泵、涡旋泵还是螺杆泵？

粒子加速器的分析腔运行于高真空范围（10??至 10?? mbar）。用于将样品和设备转移至分析腔的过渡舱，需借助前级泵将压力抽至约50 millitorr（0.07 mbar）的相对前级压力，随后启动涡轮分子泵，将过渡舱压力进一步降至10??至 10?? torr。实验室所采用的涡轮分子泵抽速最高可达260 升 / 秒。直至近期，实验室一直使用的是一台额定抽速为14.2 m3/h，极限真空为 2×103 mbar（1.5×103 托）的油封旋片泵。

为评估低维护粗抽泵的可行性，实验室将油封旋片泵替换为 VACUU?PURE 10。VACUU?PURE 10的额定抽速为 10 m3/h，极限真空为 5×10?3 mbar。实验数据表明，使用旋片泵将过渡舱从大气压抽至约50 毫托（0.07 毫巴）的相对前级压力，耗时约 6 分钟， VACUU?PURE 10 泵也能达到相近的抽气时间。当以VACUU?PURE泵作为粗抽泵，并打开将过渡舱与分析腔隔开的闸阀时，观察到压力上升小于一个数量级。

曼格斯曾对以涡旋泵替代现有旋片泵的可能性进行过简要考量。然而，在对市场上具有可比性的涡旋泵进行维护要求以及极限真空评估后，发现相较于涡旋泵，VACUU?PURE 10 泵与现有的旋片泵相比具有更显著的优势。在明确涡旋泵在该应用场景中的价值较为有限后，曼格斯仅将 VACUU?PURE 10 泵视为旋片泵的可行替代方案。

经过综合评估，曼格斯最终确定 VACUU?PURE 10 泵在提供可比泵送性能的同时，具备作为低维护粗抽泵的突出优势。油封旋片泵需要频繁更换机油，且曼格斯大约每两年就需将旋片泵送去进行大修，这一过程耗费了大量的时间和资源，严重限制了学生和亚利桑那州立大学行业合作伙伴使用粒子加速器开展研究的时间。

VACUU?PURE 10 的应用完全契合亚利桑那州立大学 IBeAM 实验室在可靠性、稳定性和低振动方面的严苛要求。其在性能上与传统泵相当，同时无需进行机油更换，极大地提高了研究流程的效率，为学生和行业合作伙伴创造了更多的合作机会，有力推动了材料分析领域的科研工作。

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VACUUBRAND GMBH + CO KG的总部位于德国韦特海姆（Wertheim），具有丰富的设计及制造真空泵的经验。作为真空领域的领导品牌，公司致力于新技术的不断拓展，使产品具有最完备性能及最佳性价比。我们提供一系列独特的以客户为导向的实验室级真空泵、真空规/控制器，可应用于粗真空及中真空领域。产品线包括旋叶泵、隔膜泵、化学防腐泵组、化学防腐隔膜泵、真空计、真空控制器、真空阀及配件和VACUU·LAN? 真空系统。