擴散泵中的油在真空中加熱到沸騰溫度(約為200度)產生大量的油蒸氣,油蒸氣經導流管由各級噴嘴定向高速噴出;氣體分子被壓縮到低真空端,再由下幾級噴嘴噴出的蒸氣進氣多級壓縮,最后由前級泵抽走,而油蒸氣在冷卻的泵壁上被冷凝后又返回到下層重新被加熱,如此循環工作達到抽氣目的。
如果對一般油擴散泵的結構進行改進,如減少油蒸氣的返流,加分鎦裝置,合理分配加熱功率,改進噴嘴角度設計,加以擋油帽、障板或冷阱、吸附阱等,就能使擴散泵性能大大改善,極限真空可達到更低的壓強;最大反壓強是指擴散泵所允許的前置壓強最大值。如果前級泵所產生的壓強高于最大反壓強,則擴散泵就不能正常工作;擴散泵的抽速可根據氣體分子運動理論來推算出來。
由于擴散泵噴嘴噴出來的油蒸氣分子,大部分由泵壁冷凝,這是因為泵壁外設置冷卻水套或冷卻管道的緣故。但是有少部分蒸氣分子被泵壁反射,散射會返回被抽空間,這種現象在低溫實驗室中要特別注意。如在擴散泵和被抽容器之前加上冷阱或低溫擋板,這樣就能使返加的蒸氣被冷凝下來,截止了油蒸氣的返流。
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