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“国产化关键零部件的研制和应用，是保障产业链供应链安全的关键环节，要加大对国产关键零部件的推广应用支持力度，提高其市场应用占比，进一步激发国内企业聚焦核心零部件、基础材料等关键领域攻关突破的内在潜力。”

 分子泵技术发展 

1. 分子泵关键部件

分子泵是利用高速旋转的固体表面的碰撞或携带作用，把能量传递给气体分子，宏观上形成向某一个方向的流动，实现抽气作用，从而获得洁净的超高真空。

▲ 分子泵结构

▲ 分子泵工作原理图

涡轮分子泵的发展主要取决于抽气结构、支撑结构、驱动部件三大关键部件的技术演变。

2. 分子泵抽气结构

❶ 牵引分子泵

1912年，德国人 W.Gaede 发明了世界上第一台分子泵，转子直径为 50mm，转速12000 rpm，抽速 1.5L/s；

1920年，法国科学家 F.Holweck 开发了 Holweck 级牵引分子泵，真空度可达 10^-4 Pa，具有较高背压，这种设计延续至今；

1926年，M.Siegbahn 在瑞典开发了一种盘型分子泵，并于1939年由 Leybold 公司试制生产，与现代盘式牵引式分子泵相似，泵体上开有螺旋槽，转子为一圆盘，直径 540 mm，转速 3700 rpm，抽速达 73L/s。

▲ 牵引分子泵发展历程

▲ 早期牵引式分子泵

❷ 涡轮分子泵

1957年，德国 PFEIFFER 公司的 W.Becker 发明了涡轮分子泵，直径 170 mm，转速为16000 rpm，抽速为 140L/s；

1977年，中科科仪研制成功国内第一台立式 F-160/450 涡轮分子泵。

▲ 左：第一台涡轮分子泵，右：早期立式涡轮分子泵

❸ 复合分子泵

现代分子泵多采用多种抽气结构组合而成的复合分子泵（牵引+涡轮结构）从而适配不同需求。下表为不同抽气结构分子泵的优缺点。

▲ 各种抽气结构组合的分子泵转子

3. 分子泵轴承

近年来基于分子泵支承技术的发展，分子泵从油润滑、脂润滑，向永磁轴承和磁悬浮方向发展，实现无油洁净真空的获得。

4. 电机驱动技术

从分子泵发明之初至今均采用电机驱动，分子泵驱动技术也随着电机技术而迅速发展。分子泵电机的两个关键性能是高功率密度、高效率。由于真空散热困难且电机位置空间充裕，分子泵更关注高效率。

分子泵电机演化趋势可以总结为从异步电机到直流无刷电机到永磁同步电机的技术进化。目前直流无刷电机仍占据大量市场份额，永磁同步电机主要用于相对高端的产品。

三种电机技术各有特点。异步电机技术成熟，成本低廉，结构及驱动简单，效率为75%~90%；直流无刷电机为方波驱动，拥有最高的功率密度，驱动较简单，效率为85%~92%；永磁同步电机为正弦波驱动，较高的功率密度，驱动复杂，但效率可达88~95%。

▲ 三种不同电机，从左至右依次为：异步电机、直流无刷电机、永磁同步电机（点击图片查看大图）

 分子泵国产化面临的挑战 

1. 国内外分子泵技术对比

对于工艺适应性而言，国外分子泵仍处于技术领先地位，产品系列覆盖更全面，尤其细分行业工艺适应性强，可靠性高。但近些年国内分子泵发展迅速，有追赶之势，在工业领域已有广泛应用。现逐渐向细分领域发展，以满足高端科学仪器、半导体核心工艺等应用。

主要差异原因在于基础工业能力差异（材料性能、加工精度）及细分行业工艺应用研究。

2. 需突破的关键技术

❶ 高性能材料开发：如高强度铝合金材料研发，用于制造涡轮转子；高弹性高阻尼橡塑材料研发，用于轴承支承；高发射率耐腐蚀表面涂层材料研发，用于分子泵散热涂层。

❷ 产品可靠性提升：可靠性是目前国内外差距最大的指标，应当综合从设计、加工、装配、调试、检验等技术角度提升。

❸ 应用技术研究：细分行业应用技术研究，应用场景工况模拟能力，如抗振动、低振动、多流口、耐辐射等。

❹ 国产化率提升：零部件/元器件级别做到100%国产化。

3. 产业化资源投入

在产业化资源投入方面，笔者认为可从以下方面进行改进。

原理研究：以基础研究为主，原创成果、新方法、注重文章、人才培养；

原理样机：片段化研究，成果的产业化规划与实践能力有待提升；

工程样机：研制能力散落于其他产业，应进一步整合；关键技术尚不完善；质量管理体系需改进；

应用改进：根据终端用户工况适配改进，提高产品可靠性；

成熟产品：实现产业化，满足用户需求，研发高可靠性产品。

 国产单磁分子泵研制进展 

1. 科学仪器真空需求

真空环境是质谱分析等科学仪器的必要条件，主要因素如下。

保证分析灵敏度：大部分质谱仪的离子源、质量分析器和离子检测器都需要在高真空下工作；需高真空来保证离子的平均自由程大于离子源到收集器的飞行路程；较差的真空会使离子在运动过程中与残留气体频繁碰撞，影响仪器灵敏度。

降低背景噪声：高气压产生的高本底会干扰质谱图及分析结果；离子源内高气压会引起离子-分子反应，改变质谱图样；电离盒内的高气压会干扰轰击电子束的正常调节。

保护仪器部件：保护精密部件避免氧化、放电、污染和损坏；氧气分压过高影响电子轰击离子源中灯丝的寿命；离子源内的高气压可能引起高达数千伏的加速电压放电。

满足特定分析需求：如痕量分析、气体分析等需要较高真空度来满足分析要求。

以质谱仪为例，离子源、质量分析器、离子检测器都是质谱仪器不可或缺的一部分。

▲ 质谱仪中的真空系统

多样的离子源扩展了质谱应用的范围，比如气体，液体，甚至固体和组织不需要经过前处理，可以直接质谱分析。

多样的质量分析器加深了质谱分析研究的深度，高通量/高分辨分析，各取所需。离子源与质量分析器串并联形成了各式各样的质谱。

真空系统总体原则：在满足部件所在质量分析器中所需真空度前提下，飞行的长度越长，滞留时间越久，所需的真空度越高。

▲ 质谱仪器核心部件所需真空环境