机械泵与分子泵工作原理及应用对比

机械泵和分子泵都属于真空泵，它们是真空技术中两种非常重要且常见的泵类型，但它们的工作原理、能达到的真空度（工作范围）和应用场景有非常大的区别。

简单来说，它们的关系是协同工作而非替代。通常在一个高真空系统中，会先用机械泵抽到一定的预真空（低真空），然后再启动分子泵，将真空度进一步提升到高真空甚至超高真空。

下面是它们的详细对比：

机械泵 (Mechanical Pump)

机械泵是通过机械运动（如旋转、往复）使泵腔的工作容积周期性变化，从而直接吸入、压缩和排出气体来获得真空的泵。

· 工作原理：主要利用容积变化来抽气。常见的类型有：

  · 旋片泵 (Rotary Vane Pump)：利用转子带动旋片在泵腔内旋转，将气体吸入、压缩然后排出。

  · 涡旋泵 (Scroll Pump)：利用两个相互啮合的涡旋盘相对运动来捕捉和压缩气体。

  · 螺杆泵 (Dry Screw Pump)：利用两个啮合的螺杆在泵腔内旋转，将气体从一端推向另一端并压缩排出。

· 工作范围：主要负责低真空 (Low Vacuum) 和中真空 (Medium Vacuum) 区域。通常从大气压（10⁵ Pa）开始抽，极限真空度大约在 10⁻² Pa 到 10⁻¹ Pa 量级。

· 特点：

  · 优点：可以从大气压开始工作，抽气速度大，结构坚固，维护相对简单。

  · 缺点：有油蒸汽污染（油旋片泵），极限真空度较低，对于轻质气体（如氢气、氦气）抽除效果较差。

· 主要应用：作为前级泵 (Backing Pump)，为分子泵、扩散泵等提供预真空；用于冷冻干燥、真空包装、灯具制造等对真空度要求不高的场合。

分子泵 (Molecular Pump)

分子泵是利用高速旋转的转子（叶片转速可达每秒几百米）与气体分子碰撞，给气体分子施加定向的动量，从而将气体分子从真空端拖拽并压缩到出口端排出的泵。

· 工作原理：主要依靠动量传递来抽气。常见类型有：

  · 涡轮分子泵 (Turbomolecular Pump)：由一系列动片和静片交替组成，动片高速旋转撞击气体分子，静片改变气体分子方向，共同作用将气体泵出。

  · 复合分子泵 (Hybrid Pump)：结合了涡轮分子泵和牵引泵的特点，通常前端是涡轮级，后端是螺旋槽或牵引级。

· 工作范围：负责高真空 (High Vacuum) 和超高真空 (Ultra-High Vacuum) 区域。其有效工作需要一个预真空环境（通常由机械泵提供），极限真空度可达 10⁻⁸ Pa 到 10⁻¹⁰ Pa 甚至更高。

· 特点：

  · 优点：极限真空度要求高，是无油清洁真空的理想选择，对轻质气体也有较好的抽速。

  · 缺点：不能从大气压开始工作，必须在前级泵配合下运行；结构精密，价格昂贵，怕振动和颗粒物撞击。

主要应用：半导体芯片制造、表面科学分析（如XPS, AES）、高能物理加速器、质谱仪、分子束外延（MBE）等需要清洁真空的领域。

因此，结论是：它们都是真空泵，但属于不同类型，用于真空系统的不同阶段，常常配合使用以达到所需的真空环境。