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原则上，涡轮分子泵是在外壳中快速旋转的涡轮，其中涡轮的 配备有多个转子叶片。位于旋转的转子叶片之间的是固定的定子盘，其叶片以相反的方向排列。
通过从旋转的转子叶片到气体分子的动量传递，气体分子 初的非定向热运动转变为从泵的入口法兰沿轴向朝向前部真空法兰的定向运动。
在分子流范围内（即压力低于 10 -3 mbar (0.75 x 10 -3 Torr)），气体分子的平均自由程大于转子和定子叶片之间的间距（通常为十分之几毫米）。相应地，分子主要与光学密集的转子叶片碰撞，从而产生高效的泵送作用。在层流（恒定）流量范围内（即压力超过 10 -1 mbar (0.75 x 10 -1 Torr)），转子的效果会因分子本身之间的频繁碰撞而受损。
由于这个原因，涡轮分子泵不能在大气压下泵送气体。