機械泵與分子泵工作原理及應用對比

機械泵和分子泵都屬于真空泵，它們是真空技術中兩種非常重要且常見的泵類型，但它們的工作原理、能達到的真空度（工作范圍）和應用場景有非常大的區別。

簡單來說，它們的關系是協同工作而非替代。通常在一個高真空系統中，會先用機械泵抽到一定的預真空（低真空），然后再啟動分子泵，將真空度進一步提升到高真空甚至超高真空。

下面是它們的詳細對比：

機械泵 (Mechanical Pump)

機械泵是通過機械運動（如旋轉、往復）使泵腔的工作容積周期性變化，從而直接吸入、壓縮和排出氣體來獲得真空的泵。

· 工作原理：主要利用容積變化來抽氣。常見的類型有：

  · 旋片泵 (Rotary Vane Pump)：利用轉子帶動旋片在泵腔內旋轉，將氣體吸入、壓縮然后排出。

  · 渦旋泵 (Scroll Pump)：利用兩個相互嚙合的渦旋盤相對運動來捕捉和壓縮氣體。

  · 螺桿泵 (Dry Screw Pump)：利用兩個嚙合的螺桿在泵腔內旋轉，將氣體從一端推向另一端并壓縮排出。

· 工作范圍：主要負責低真空 (Low Vacuum) 和中真空 (Medium Vacuum) 區域。通常從大氣壓（10? Pa）開始抽，極限真空度大約在 10?2 Pa 到 10?1 Pa 量級。

· 特點：

  · 優點：可以從大氣壓開始工作，抽氣速度大，結構堅固，維護相對簡單。

  · 缺點：有油蒸汽污染（油旋片泵），極限真空度較低，對于輕質氣體（如氫氣、氦氣）抽除效果較差。

· 主要應用：作為前級泵 (Backing Pump)，為分子泵、擴散泵等提供預真空；用于冷凍干燥、真空包裝、燈具制造等對真空度要求不高的場合。

分子泵 (Molecular Pump)

分子泵是利用高速旋轉的轉子（葉片轉速可達每秒幾百米）與氣體分子碰撞，給氣體分子施加定向的動量，從而將氣體分子從真空端拖拽并壓縮到出口端排出的泵。

· 工作原理：主要依靠動量傳遞來抽氣。常見類型有：

  · 渦輪分子泵 (Turbomolecular Pump)：由一系列動片和靜片交替組成，動片高速旋轉撞擊氣體分子，靜片改變氣體分子方向，共同作用將氣體泵出。

  · 復合分子泵 (Hybrid Pump)：結合了渦輪分子泵和牽引泵的特點，通常前端是渦輪級，后端是螺旋槽或牽引級。

· 工作范圍：負責高真空 (High Vacuum) 和超高真空 (Ultra-High Vacuum) 區域。其有效工作需要一個預真空環境（通常由機械泵提供），極限真空度可達 10?? Pa 到 10?1? Pa 甚至更高。

· 特點：

  · 優點：極限真空度要求高，是無油清潔真空的理想選擇，對輕質氣體也有較好的抽速。

  · 缺點：不能從大氣壓開始工作，必須在前級泵配合下運行；結構精密，價格昂貴，怕振動和顆粒物撞擊。

主要應用：半導體芯片制造、表面科學分析（如XPS, AES）、高能物理加速器、質譜儀、分子束外延（MBE）等需要清潔真空的領域。

因此，結論是：它們都是真空泵，但屬于不同類型，用于真空系統的不同階段，常常配合使用以達到所需的真空環境。