Wolfgang Gaede 的分子泵
纪念Wolfgang Gaede 逝世80 周，Guido Pfefferle 和 Gerhard Voss 编写
分子泵的内部工作原理（历史图片）
Wolfgang Gaede 于1945年6月24日在慕尼黑逝世。值此纪念他逝世80周年之际，我们首次发布由E.莱宝（E. Leybold）继承者制造的分子泵内部结构的图片，以展示其独特的工作原理。
Gaede 分子泵的专有技术
帝国专利局[ 柏林 ] - 专利号239213，Wolfgang Gaede 博士的 - 旋片真空泵 - 自 1909 年 1 月 3 日起在德国获得专利。
专利号239213 的名称或许平平无奇， 然而" 旋片真空泵 " 背后隐藏着真空技术的一座真正的里程碑：分子泵。
Wolfgang Gaede 在前面提到的专有技术规范中写道 :" 分子泵仅利用被抽取气体与快速移动的固体表面之间的摩擦来输送气体。无需使用水银或油等 " 密封液 "。" 在当今的术语中，这意味着：沃尔夫冈 · 盖德的分子泵是世界上首台干式真空泵。
图 1 [3] 左侧显示了 Leybold 莱宝根据 Gaede 专有技术制造的分子泵，此处显示的是抽空 X 射线管，使用 Leybold 莱宝的旋片泵作为前级真空泵。
分子泵工作原理
Wolfgang Gaede 在他的资格论文 [1] 中引入了 " 气体的外部摩擦 " 一词，描述了气体分子与快速移动的固体表面之间的相互作用。他的分子式泵的工作原理就是这个。泵工作原理的示意图可在 E. Leybold 的 Nachfolger 于 1912 年出版的 Preliminary Communication on a New High-Vacuum Pump 中找到 [2]。
[2] 中包含的 " 图 2" 在本文中复制为图 2。其附有以下原始文字 :" 深度 b 和宽度 a 的凹槽被切入圆柱体 A 中，该圆柱体围绕轴线 a 旋转。距离 h' 处，A 被圆柱形外壳 B 包围。一侧是薄片梳 C, 与外壳 B 相连，突出到凹槽中。"[ 在图 1（左）中，当转子 A 围绕轴 a 高速顺时针旋转时，气体从 n 输送到 m 。当气体通过 C 和 A 之间的间隙从 m 流回到 n 时，会发生不必要的气流损失。因此，在泵的技术实施中，该间隙不得超过几百分之一毫米宽。] [ 为了获得最佳的高真空，气体必须在泵入口（高真空侧）和出口（前级真空侧）之间得到显著压缩。这是通过以下原理实现的 :] " 各个凹槽串联在一起，使得开口 m 连接到 n₁、 m₁ 连接到 n₂ 等。因此，气压从转子末端向中心持续下降。"
Leybold 莱宝的技术设计
图 3 [3] 显示了 Leybold 莱宝分子泵沿着转子轴 a 纵向截面的技术设计。外壳 B，如图 3 所示为阴影，支撑上部组件 K，并以 " 气密 " 方式固定到其上。由实心黄铜圆柱体制成的转子 A 与轴线 a 刚性连接。在黄铜圆柱体中铣出凹槽 D，板条梳 C（深色阴影）延伸到其中。此外，S 表示泵在高真空侧的进气口，而 H 表示用于驱动轴 a 的皮带轮。值得注意的是，泵的真正秘密在于上部组件 K。它包含复杂的气体分配通道系统，没有图纸或照片。
了解 Leybold 莱宝泵的内部
为探索分子泵的内部结构，我们先拆下了固定上部组件 K 的四个螺钉。松开后，即可将组件就从外壳 B 上抬起，结果令人大吃一惊：组件和泵体之间没有垫圈，仅依靠黄铜和黄铜之间配合少量油脂完成密封。
图 4 显示了翻转后的上部组件 K 的下侧和外壳 B 的上侧。我们将在图 6 中更详细地观察 K 的下侧。在 B 的顶部，可以看到一系列槽，这些槽连接到 B 的内部，因此也连接到转子中的凹槽。此外，板条梳 C 安装在 B 的顶部，与泵的纵轴平行对齐。用于安装螺钉的孔也在图 4 中可见。拆除图 3 中所示的组件 E、F、G 和 H 后，我们能够提取并测量转子 A。根据我们的测量结果，它的直径为 100.00 + 0.01 mm。为了演示片状梳子和转子之间的相互作用，我们将一块黄铜制成的梳子插入转子的凹槽中。这可以在图 5 中更详细地看到。
为了使机械装置如图 2 所示发挥作用，精密机械精度和百分之几十毫米的可重现性是绝对必要的。Leybold 莱宝早在 1912 年就已经能够达到这一精度水平。
图 6 详细显示了上部组件 K 的底面细节图，我们进一步接近分子泵的 " 秘密 " 核心。使用金属清洗剂，我们清晰勾勒出内部通道的走向。
借此，我们得以全程追踪气体在高真空（HV）与前级真空（FV）侧之间的复杂路径：高真空入口（图6左上方的HV接口S）对应图中位置1；自此，转子将气体输送至右侧位置2。由此判定——从组件K铭牌侧（E. Leybold 的继任者，Coeln and Berlin, German Imperial Patent ）观察——转子必须逆时针旋转。
通过填充有软焊料的可见通道，气体从 2 向右移动到 2 向左，然后通过转子移动到 3 向右 ，通过 K 中的通道到 3 向左，通过转子移动到 6 向右，通过 K 中的通道到 6 向左，通过转子移动到 4 向右 ，通过 K 中的通道到 4 向左 ，通过转子移动到 7 向右，通过 K 中的通道到 7 向左，通过转子移动到 5 向右，通过 K 至左侧 5 处的通道， 通过转子至右侧 8 处， 最后通过 K 至左侧 8 处的通道， 从此处到达与前级真空泵相连的环形槽（FV 位置）。
解释稍长，敬请见谅——毕竟时隔113年，这段历史终得落笔成文。借此，我们实验验证了Wolfgang Gaede的断言：气体确由泵中央被抽出。组件 K 内部通道的完整构造，或唯有借助X射线无损探伤方能彻底揭晓；值得注意的是，与前级泵相连的沟槽呈环状包围着内部高真空区。
这一设计确保外界空气（1000 mbar）一旦渗入环形沟槽（0.1 mbar），立即被前级泵抽走；沟槽与位置1之间的压差仅为沟槽与外界压差的万分之一，因而沟槽向高真空区的反向泄漏微乎其微。简言之：环形沟槽为中央高真空区筑起一道“防漏环”，有效隔绝大气侵入。
Epilogue
值得庆幸的是，Leybold 莱宝Gaede 档案馆至今保存两台原装分子泵。这一罕见机缘催生了将其中一台修复至可运行状态的设想——如今目标已顺利达成，但距离彻底优化其性能，仍有细调空间。
参考
[1] Wolfgang Gaede Habilitation Thesis：The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau，1912 年 [2] Gaede E. Leybold's Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein] 博士关于全新高真空泵（分子泵）的初步交流 ，1912 年 [3] Gaede E. Leybold's Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein] 博士关于分子泵的第 VI 号特别价格表
作者：
Guido Pfefferle
原型和模具电子邮件：guido.pfefferle@leybold.com
Dr. Gerhard Voss
Gaede Archive Cologne
