培訓(xùn)系列之7(楊乃恒)：高真空與超高真空獲得設(shè)備學(xué)習(xí)資料

高真空與超高真空獲得(huòdé)設(shè)備主講人：楊乃恒第一頁，共167頁?！墩婵占夹g(shù)》一.真空技術(shù)發(fā)展概況（楊乃恒）二.真空工程理論基礎(chǔ)（孫麗娜）三.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)(shèjì)（劉坤）四.低真空獲得設(shè)備（張以忱）五.清潔真空獲得技術(shù)（巴德純）六.中真空獲得設(shè)備（張以忱）七.高真空與超高真空獲得設(shè)備（楊乃恒）八.真空測(cè)量（劉玉岱）九.真空檢漏（劉玉岱）十.真空鍍膜（一）：PVD物理氣相沉積（張以忱）十一.真空鍍膜（二）：CVD化學(xué)氣相沉積張世偉）十二.真空冷凍干燥技術(shù)（徐成海）十三.真空設(shè)備的自動(dòng)化控制（王慶）十四.真空材料與真空衛(wèi)生（張以忱）東北大學(xué)第六期培訓(xùn)(péixùn)系列之第二頁，共167頁。１）概述(ɡàishù)真空系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)是由氣體的流入量和氣體的抽除量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡所決定的。即由公式：Q=SP所決定的。系統(tǒng)內(nèi)氣體流入量Q恒定時(shí)，系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)P決定于系統(tǒng)出口處的抽速S。壓強(qiáng)降低一個(gè)量級(jí)，要求抽速相應(yīng)(xiāngyīng)增加一個(gè)量級(jí)。第三頁，共167頁。泵的實(shí)際抽速小于理論抽速，并與入口壓強(qiáng)有關(guān)。泵口在一個(gè)有限的工作壓強(qiáng)范圍內(nèi)工作，超過此范圍抽速減少到零。目前還沒有一種泵能從大氣壓到超高真空的整個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)工作。如工作在高真空區(qū)域(qūyù)內(nèi)就稱作高真空獲得設(shè)備，或工作在超高真空區(qū)域(qūyù)的就稱超高真空獲得設(shè)備。由于工作壓強(qiáng)范圍不同就出現(xiàn)了各種不同的真空獲得設(shè)備。第四頁，共167頁。據(jù)文獻(xiàn)(wénxiàn)報(bào)道：英國BOCEdwards公司的EPX干泵，德國pfeiffer公司的OnTool干泵，利用牽引分子泵及旋渦泵的工作原理組成多級(jí)的單體泵，可實(shí)現(xiàn)高真空到直排大氣。抽速140l/s，極限真空10-4Pa。因此，通常選用適當(dāng)?shù)亩啾么?lián)的機(jī)組來對(duì)系統(tǒng)抽氣。第五頁，共167頁。普通型擴(kuò)散泵與機(jī)械泵組成的機(jī)組可使系統(tǒng)壓強(qiáng)降到10-5Pa，即達(dá)到高真空狀態(tài)。改進(jìn)型擴(kuò)散泵與機(jī)械泵組成的機(jī)組，可使系統(tǒng)壓強(qiáng)降低到10-8Pa，即超高真空狀態(tài)。這說明一種泵有可能既是高真空獲得設(shè)備，又是超高真空獲得設(shè)備?，F(xiàn)代的離子(lízǐ)泵、升華泵、吸附泵和低溫泵等，能使很大的被抽系統(tǒng)抽到超高真空狀態(tài)，且可以滿足不同氣體種類的要求。渦輪分子泵與機(jī)械泵的組合，既能獲得高真空也能非常迅速地抽到10-8Pa的超高真空。本節(jié)課介紹各種高真空泵和超高真空泵的性能和使用規(guī)則第六頁，共167頁。2）高真空(zhēnkōng)獲得設(shè)備（1）金屬油擴(kuò)散泵高真空抽氣系統(tǒng)通常至少包括一臺(tái)擴(kuò)散泵和一臺(tái)機(jī)械泵。機(jī)械真空泵從被抽容器中抽走99.99%空氣（粗抽)。剩余的空氣（壓強(qiáng)降至10-1—10-7Pa）由擴(kuò)散泵抽走排入機(jī)械泵中。當(dāng)要求泵對(duì)所有氣體都有恒定的高抽速，并且長時(shí)間使用(shǐyòng)無需維護(hù)時(shí)，一般使用(shǐyòng)擴(kuò)散泵。第七頁，共167頁。擴(kuò)散泵不能直接將氣體排入大氣中，要求機(jī)械泵先將真空系統(tǒng)中的壓強(qiáng)降低到符合要求的壓力區(qū)域，這一工作稱為粗抽。在達(dá)到適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏簭?qiáng)條件后，擴(kuò)散泵方可接著工作。此時(shí)，在前級(jí)管道上連接(liánjiē)的機(jī)械泵為擴(kuò)散泵維持適當(dāng)?shù)呐艢鈮簭?qiáng)條件。這一工作被稱為前級(jí)抽空。擴(kuò)散泵在本質(zhì)上是專門用于高真空的蒸汽噴射泵。以前過分強(qiáng)調(diào)了氣體向蒸汽流中擴(kuò)散和蒸汽被冷凝。因此定名它為擴(kuò)散泵（或冷凝泵）。第八頁，共167頁。最初的擴(kuò)散泵設(shè)計(jì)是在1915年。約在10年后確定了其基本結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)代擴(kuò)散泵的特點(diǎn)是蒸汽流是按抽氣方向高速運(yùn)動(dòng)，被抽氣體被蒸汽流帶走。其原理(yuánlǐ)與蒸汽噴射泵沒有太大的差別。最初用的工作流體是汞。第一次用油類作為工作流體是在1928年。下面主要討論油擴(kuò)散泵及其附件。第九頁，共167頁。（１）泵的抽氣機(jī)理典型的擴(kuò)散泵有一個(gè)垂直的、通常是圓筒形的泵體，泵體上固定著一個(gè)入口法蘭，以便了連接到系統(tǒng)上進(jìn)行(jìnxíng)抽氣。圓筒的底部是封閉的，形成一個(gè)鍋爐，鍋爐與加熱器固定在一起。泵體上部的三分之二纏繞著冷卻水管或水套。出口管道設(shè)置在泵體下部的一側(cè)，以便將被抽氣體或蒸汽排到前級(jí)機(jī)械泵。圖1中的剖視圖給出了單級(jí)擴(kuò)散泵的示意結(jié)構(gòu)。第十頁，共167頁。噴射系統(tǒng)（導(dǎo)管系統(tǒng)）安置在泵體中。它由頂部蓋帽的同軸圓管組成，并與張開(zhānɡkāi)的末端配合形成噴嘴，泵工作液蒸汽經(jīng)過噴嘴可以高速按預(yù)定方向噴出。這里沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。工作時(shí)，由固定在泵底下部的電爐元件加熱，將鍋爐中的工作液體變成蒸汽。蒸汽流在導(dǎo)流管中上升，通過環(huán)形噴嘴間隙向由水冷卻的泵內(nèi)壁噴射。第十一頁，共167頁。達(dá)到泵入口的氣體分子為泵工作蒸汽流所攜帶，并獲得向下的動(dòng)量。蒸汽流通常以超音速流動(dòng)。氣體蒸汽混合物向前級(jí)管道方向運(yùn)動(dòng)。噴射流中的油蒸汽碰到水冷卻泵壁后冷凝(lěngníng)，以液體形式重新回到鍋爐。而被攜帶的氣體分子則繼續(xù)流向出口，在泵出口處被機(jī)械泵抽走排到大氣中。冷凝(lěngníng)的油蒸汽沿泵內(nèi)壁流回鍋爐，再加熱后又被蒸發(fā)，以維持到噴嘴處的蒸汽流和抽氣的連續(xù)性。圖2是典型的多級(jí)擴(kuò)散泵的剖視圖。第十二頁，共167頁。擴(kuò)散泵的抽氣作用是由蒸汽與氣體分子的碰撞，動(dòng)量交換形成的。氣體分子難于逆流(nìliú)方向上穿越蒸汽流，回到泵的入口處。由于蒸汽射流兩側(cè)出現(xiàn)了壓強(qiáng)差（分子密度差），由蒸汽射流形成的壓縮比可以近似地表示為下式．式中為蒸汽流密度，u為蒸汽流速度，L為蒸汽流的寬度，D為擴(kuò)散系數(shù)，它與蒸汽和氣體分子的直徑和及分子量M1和M2有關(guān)。第十三頁，共167頁。式中下標(biāo)1為被抽氣(chōuqì)體，2為抽氣(chōuqì)流體。由此可知，較輕的氣體壓縮比是很低的。第十四頁，共167頁。第十五頁，共167頁。第十六頁，共167頁。擴(kuò)散泵的工作壓力范圍：擴(kuò)散泵的適用壓強(qiáng)范圍在10-8—10Pa之間。無輔助的低溫抽氣在不加烘烤的情況下所能達(dá)到的入口壓強(qiáng)約為10-6Pa。對(duì)運(yùn)用的泵結(jié)構(gòu)(jiégòu)，高壓強(qiáng)端的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)（在泵入口處）一般不超過1×10-1Pa，如果借助低溫抽氣，如用冷阱（液氮）可以獲得約10-8Pa的入口壓強(qiáng)。第十七頁，共167頁。擴(kuò)散泵的級(jí)數(shù)，或噴嘴的數(shù)量，取決于其性能規(guī)范。單級(jí)泵不能同時(shí)有高抽速和高壓縮比。一般來說，入口處的第一級(jí)具有高的抽速和低的壓縮比，最后(zuìhòu)一級(jí)（排氣級(jí)）正好相反。小泵常常有2—3級(jí)，大泵有5—6級(jí)。開頭幾級(jí)有環(huán)形噴嘴，排氣級(jí)有時(shí)有一個(gè)圓噴嘴。有時(shí)為了獲得某種性能，將兩個(gè)擴(kuò)散泵串聯(lián)使用。這樣，有增加壓縮級(jí)數(shù)的作用，而且允許兩個(gè)泵使用不同的工作液。第十八頁，共167頁。蒸汽和氣體分布：工作液在鍋爐內(nèi)蒸發(fā)升高了蒸汽壓強(qiáng)，（勢(shì)能）經(jīng)過噴嘴射出高速蒸汽流（勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能），氣體在抽氣方向上被蒸汽分子碰撞，動(dòng)量傳遞給氣體分子而被抽除。因?yàn)閿U(kuò)散泵用的工作液在室溫下容易冷凝，所以可在一個(gè)緊湊的空間內(nèi)安裝一個(gè)多級(jí)噴嘴的導(dǎo)流系統(tǒng)。蒸汽流與被抽氣體的相互作用，可通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)其密度分布（如圖3），即分子密度及蒸汽到達(dá)泵壁的分布（圖4），噴嘴出口處氣體相對(duì)減少，可以排放氣體被逐漸壓縮的狀態(tài)。以下各級(jí)(ɡèjí)以次類推。第十九頁，共167頁。擴(kuò)散泵的特性曲線。擴(kuò)散泵的抽速與入口壓強(qiáng)的關(guān)系用曲線圖表示。如圖3所示。曲線由四段組成?？孔蠖危梢姵樗僭跇O限真空附近明顯降低。再向右段為抽速恒定部分，由于在分子(fēnzǐ)流狀態(tài)下，通導(dǎo)是恒定的，與壓強(qiáng)無關(guān)。蒸汽捕獲效率是恒定的。標(biāo)有過載的部分是一段排氣量恒定的階段，這表明已達(dá)到最大的排氣能力。右邊最后一段曲線表明，前級(jí)機(jī)械泵大小對(duì)擴(kuò)散泵性能的影響很大。第二十頁，共167頁。圖3擴(kuò)散(kuòsàn)泵的抽速曲線第二十一頁，共167頁。（2）抽速泵的抽速是指泵入口平面處的抽速。把泵和被抽容器連接起來的管道，閥門，障板和阱，對(duì)氣流產(chǎn)生流阻，引起壓強(qiáng)差。在分子流條件下，障板和阱的流導(dǎo)，在數(shù)值上等效于泵的抽速。因而，在容器抽氣口處的抽速很可能是泵抽速的1/2或1/3。因?yàn)橛蟹艢?、漏氣等原因，高真?zhēnkōng)系統(tǒng)中，氣體負(fù)荷總不會(huì)是零。所以真空(zhēnkōng)室的極限真空(zhēnkōng)總是低于泵的極限真空(zhēnkōng)。通常假定擴(kuò)散泵在系統(tǒng)壓強(qiáng)高于10-1Pa以上時(shí)，工作是不穩(wěn)定的。第二十二頁，共167頁。尺寸的影響：已生產(chǎn)的擴(kuò)散泵入口法蘭尺寸從5cm到120cm甚至(shènzhì)更大。大泵與小泵的差別是油蒸汽從噴嘴到泵壁或冷凝表面所經(jīng)過的距離。顯而易見，在油蒸汽到達(dá)泵壁時(shí)，大泵中的油蒸汽密度低于小泵中的油蒸汽密度。即5cm口徑的擴(kuò)散泵的抽速穩(wěn)定段可延伸到3×10-1Pa，而120cm的大泵，其穩(wěn)定段也能達(dá)到3×10-2Pa的原因。在穩(wěn)定工作區(qū)域相差一個(gè)數(shù)量級(jí)是很明顯的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要考慮到這一點(diǎn)。為了改善大泵的高壓強(qiáng)工作特性，第二十三頁，共167頁。必須采取特殊措施（相應(yīng)地提高功率輸入，增加泵的級(jí)數(shù)）。應(yīng)該注意到大泵和小泵的幾何形狀并不相似。但小泵和大泵的鍋爐壓強(qiáng)大致是相同的，因?yàn)橐拗票霉ぷ饕旱淖罡哒舭l(fā)溫度，以避免熱裂解。因此，對(duì)所有的泵來說，噴嘴出口處蒸汽密度幾乎是相同的。但是蒸汽既向軸向又向徑向膨脹。我們可以假設(shè)蒸汽的密度與離噴嘴的距離的平方成反比，因此，射流越靠近泵壁，密度則越低，以致于在較高壓強(qiáng)下抽除氣體分子的效率(xiàolǜ)低下。第二十四頁，共167頁。對(duì)各種氣體的抽速：擴(kuò)散泵的抽速與每種氣體的分壓強(qiáng)有關(guān)。每種氣體都有各自的抽速，都有各自的極限壓強(qiáng)。通常測(cè)得的極限壓強(qiáng)是由殘留在系統(tǒng)中的泵工作液蒸汽(zhēnɡqì)裂解物或水蒸氣造成的。如果泵設(shè)計(jì)不合理，對(duì)He和Ne的抽速可能要比對(duì)空氣低得多。需要時(shí)要對(duì)不同氣體分別進(jìn)行測(cè)量。真空系統(tǒng)中經(jīng)常存在的氣體有H2、He、水蒸氣、CO、CO2、N2和Ar。一般說來對(duì)He的抽速比空氣的高約20%，H2的抽速比空氣的約高30%。障板和阱對(duì)輕氣體的阻抗要比對(duì)空氣的低一些。在相同擋板的條件下對(duì)輕氣體的抽速相對(duì)高于對(duì)空氣的抽速。第二十五頁，共167頁。（３）抽氣量(qìliàng)最大抽氣量通常比抽速更重要。最大抽氣量值取決于擴(kuò)散泵給定的加熱功率。抽氣量和功率在量綱上是相同的。目前所設(shè)計(jì)的泵，用的是現(xiàn)代泵工作液，要獲得160Pal/s（1.2Torrl/s）的最大抽氣量需要1KW的功率。因?yàn)?000Pal/s=1W。所以擴(kuò)散泵的效率160Pal/s=1.6W與1000W之比為1.6×10-4。由此看出擴(kuò)散泵的效率是很低的。最大抽氣量是對(duì)應(yīng)(duìyìng)的入口壓強(qiáng)那一點(diǎn)是很重要的，低于這個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)，抽速對(duì)壓強(qiáng)是恒定的，高于這個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)，抽氣量對(duì)壓強(qiáng)是恒定的。第二十六頁，共167頁。用壓強(qiáng)對(duì)抽氣量的曲線，如圖4所示，這樣就很容易看清大抽氣量和壓強(qiáng)穩(wěn)定的范圍，以及超出此范圍的過載概念。要記住，對(duì)于給定的系統(tǒng)，給予泵的氣體負(fù)荷(fùhè)，泵便有一個(gè)入口壓強(qiáng)。這有助于選擇所需泵的大小。第二十七頁，共167頁。圖4抽氣量與入口壓強(qiáng)(yāqiáng)的關(guān)系曲線第二十八頁，共167頁。（４）前級(jí)壓強(qiáng)(yāqiáng)擴(kuò)散泵是為高真空的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其鍋爐壓強(qiáng)一般是133～200Pa（1～1.5Torr），即意味著泵的最大壓強(qiáng)可達(dá)200Pa（1.5Torr）。另外，擴(kuò)散泵的工作液不能在高壓強(qiáng)下沸騰，因?yàn)?yīnwèi)高溫會(huì)使泵工作液分解，所以擴(kuò)散泵必須要有一個(gè)泵作為前級(jí)，以便在擴(kuò)散泵的排氣口處形成低于67Pa（0.5Torr）的壓強(qiáng)。擴(kuò)散泵的許可前級(jí)壓強(qiáng)是在前級(jí)管道處的最大許可壓強(qiáng)。超過許可的前級(jí)壓強(qiáng)就破壞了擴(kuò)散泵的抽氣作用。從本質(zhì)上說，當(dāng)前級(jí)管道中的壓強(qiáng)超過某個(gè)值（通常為0.5Torr左右）時(shí)，泵的排氣級(jí)的蒸汽就沒有足夠的能量和密度來對(duì)前級(jí)管道中的空氣形成屏障。于是會(huì)使空氣攜帶泵工作液蒸汽反向穿過擴(kuò)散泵。第二十九頁，共167頁?，F(xiàn)在擴(kuò)散泵的鍋爐壓強(qiáng)大約為1.5Torr，允許前級(jí)壓強(qiáng)約為鍋爐壓強(qiáng)的一半，此值由實(shí)驗(yàn)(shíyàn)可以獲得泵的入口壓強(qiáng)與出口壓力的關(guān)系。最大出口壓強(qiáng)是最后一級(jí)噴嘴的工作狀態(tài)決定的。主要取決于蒸汽射流的密度和噴嘴的蒸汽流量和最后一級(jí)噴嘴的結(jié)構(gòu)。為了提高最大排氣壓強(qiáng)，必須提高最后一級(jí)的蒸汽射流的密度和流量，即提高泵的加熱功率。最大排氣壓強(qiáng)與加熱功率成線性關(guān)系。在多級(jí)游擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)中，最后一級(jí)噴嘴常作成噴射型結(jié)構(gòu)。最大出口壓強(qiáng)一般規(guī)定為40Pa。第三十頁，共167頁。對(duì)前級(jí)泵的要求：為給定擴(kuò)散泵選擇合適的前級(jí)泵，必須考慮的幾個(gè)問題。首先是作粗抽泵用該多大，它是否既作粗抽泵又作前級(jí)泵用？其次是否要求前級(jí)泵在擴(kuò)散泵的最大抽氣量(qìliàng)下運(yùn)行？最后，擴(kuò)散泵的最大許可的排氣壓強(qiáng)是多少？還有前級(jí)管道的容積（如設(shè)儲(chǔ)氣罐）有多大？在滿負(fù)荷條件下，前級(jí)泵的抽速由下式求得：第三十一頁，共167頁。式中Qmax為擴(kuò)散泵的最大抽氣量，P2為最大許可的前級(jí)壓強(qiáng)。S2為前級(jí)泵的名義抽速。若考慮安全系數(shù)和前級(jí)管道的阻力影響。通常安全系數(shù)可以是2。下面舉個(gè)實(shí)例說明。假設(shè)一個(gè)泵滿負(fù)荷（最大抽氣量）時(shí)的最大抽氣量是4Torrl/s（即532Pal/s），允許的前級(jí)壓強(qiáng)為0.5Torr（67Pa），則前級(jí)泵抽速為：假設(shè)兩泵之間的流導(dǎo)沒有受到過大限制(xiànzhì)，那么，選擇名義抽速為14l/s的泵做前級(jí)泵是合適的。（如按安全系數(shù)為2考慮應(yīng)為16l/s）第三十二頁，共167頁。（5）極限(jíxiàn)壓強(qiáng)：關(guān)于泵的極限壓強(qiáng)問題，可能有兩種意見。極限壓強(qiáng)可以被看作是氣體負(fù)荷的極限或壓縮比的極限。兩種看法都有實(shí)際意義。后者常適于抽輕氣體。無論壓強(qiáng)如何降低，蒸汽流的抽氣作用都不停止。泵的極限壓強(qiáng)取決于抽走的和反擴(kuò)散的分子數(shù)之比，再加上氣體負(fù)荷與抽速之比．泵本身可能通過泵工作液蒸汽及其裂解物的返流以及部件的放氣形成氣體負(fù)荷，測(cè)得的總的極限壓強(qiáng)實(shí)際上是幾種因素的組合。一般(yībān)觀察到工作液影響最大。雖然用最好的工作液，在低于10-6Pa的情況下，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行烘烤除氣后才能得到。第三十三頁，共167頁。障板和阱的作用：水冷障板使冷凝或截獲的工作液使之不能再蒸發(fā)，因此在阱和擋板中間的空間中，蒸汽的密度減少了。減少了蒸汽分子間的相互碰撞，增加了蒸汽分子碰撞低溫表面的幾率，即降低了通過低溫阱的幾率。低溫阱有兩個(gè)基本作用：對(duì)泵向系統(tǒng)的可凝性蒸汽流的阻擋作用，對(duì)從系統(tǒng)中釋放出的可凝性蒸汽又起低溫泵的作用。在多數(shù)情況下，后者對(duì)極限壓強(qiáng)起主要影響。在初抽后的不烘烤的系統(tǒng)中，水蒸氣可能(kěnéng)占剩余氣體的90%，使冷阱冷卻很容易增加對(duì)水蒸氣的抽速（一般到2～3倍）。第三十四頁，共167頁。對(duì)輕氣體的壓縮比：如前所述，對(duì)輕氣體的壓縮比（入口壓強(qiáng)與出口壓強(qiáng)的關(guān)系）可能是相當(dāng)小的。據(jù)測(cè)量報(bào)道：H2是3×10２—2×10６，He是10３—2×10６，Ne是1或2×10８，CO和Ar為10７，Ｏ２和Kr為（3—5）×10７，nC2H3是7×10８。就極限壓強(qiáng)而言，H2可能是殘余氣體成分的主要部分，因?yàn)樗嬖谟诮饘?，泵工作液及水蒸氣中。?duì)超高真空(zhēnkōng)工作來說，這是個(gè)重要問題。此時(shí)，一些擴(kuò)散泵可能需要串聯(lián)第二個(gè)泵。第三十五頁，共167頁。泵工作液的選擇：各種有機(jī)液體已經(jīng)用于擴(kuò)散泵的工作液。選擇工作液的標(biāo)準(zhǔn)是：在室溫下蒸汽壓要低，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性，無毒性，表面張力大，以便將蠕爬減到最小程度，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)要高，室溫下有適當(dāng)?shù)恼扯龋療岬?，成本要低。例?lìrú)常用的DC—705油，分子量546，25℃蒸汽壓5×10-８Pa，閃點(diǎn)243℃，粘度（25℃）170（cst）；表面張力＞30.5（達(dá)因/厘米）。第三十六頁，共167頁。有資料報(bào)道：用DC—705油的工作特性：用水冷擋板時(shí)極限壓力可達(dá)10-7Pa，用-20℃障板時(shí)極限壓強(qiáng)可達(dá)10-８Pa。在不用低溫阱的系統(tǒng)中，其極限壓強(qiáng)是工作液的蒸汽壓所能達(dá)到的最小值。工作液沿壁冷凝后的去氣可用控制鍋爐附近泵壁溫度來實(shí)現(xiàn)。即鍋爐附近的泵壁溫度足夠高，使工作液回入鍋爐前去(qiánqù)氣。這樣可使極限壓強(qiáng)得到明顯的改善。增加熱輸入?？梢栽黾颖玫膲嚎s比，但也會(huì)破壞極限壓強(qiáng)。第三十七頁，共167頁。（６）返流泵工作液進(jìn)入真空系統(tǒng)中的任何遷移都可稱為返流。泵的返流率常指無障板泵的入口平面的返流率。就擴(kuò)散泵本身而言，可能存在如下一些返流源：①來自頂噴嘴邊緣的過分發(fā)散(fāsàn)的蒸汽流；②頂噴嘴帽處密封不良而造成的穿透；③頂噴嘴噴出的蒸汽流上層蒸汽分子之間的相互碰撞第三十八頁，共167頁。④氣體分子與蒸汽(zhēnɡqì)分子之間的碰撞，尤其在高氣體負(fù)荷下（10-1—10-2Pa區(qū)域）⑤流回的冷凝物在進(jìn)入鍋爐之前（在噴嘴部件和泵壁之間）沸騰，使一些工作液的飛沫向上穿過射流蒸汽(zhēnɡqì)；⑥冷凝液從泵壁上蒸發(fā)以上各項(xiàng)返流源，通過合理設(shè)計(jì)可以解決。第三十九頁，共167頁。所有能用室溫障板停止或截止的返流稱為一次返流，泵工作液從障板上再蒸發(fā)穿過障板稱為二次返流。一次返流可用冷帽進(jìn)行有效控制(kòngzhì)。在有液氮阱的系統(tǒng)中，除了偶然事故和高氣體負(fù)荷工作情況之外，返流可以控制(kòngzhì)得足夠低。在離入口兩倍泵口直徑D的位置處，返流率一般可以降到1/50，入口管道彎90度，可起到擋板的作用。這樣，返流率可以降到該環(huán)境溫度下工作液自然蒸發(fā)速率的水平。沒有低溫阱不可能進(jìn)一步降低返流率。（圖5）第四十頁，共167頁。擴(kuò)散泵阱的最佳設(shè)計(jì)，可獲得40%的凈抽速，返流率降到1×10-7mg/cm2min（在阱的入口平面處）。這個(gè)(zhège)值已被測(cè)到。

圖5返油率的降低第四十一頁，共167頁。表面遷移：一些泵工作液可能有蔓延到金屬表面形成油膜的趨勢(shì)。表面張力為30達(dá)因/厘米以上的工作液不會(huì)在普通的金屬表面上蔓延。這類工作液不在覆蓋于金屬表面上的自身的單分子層上蔓延。泵工作液的損耗：通常工作液面高度±30%變化不會(huì)有明顯影響。當(dāng)液面太低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍋爐(guōlú)表面過熱，長時(shí)間對(duì)大泵可能引起鍋爐(guōlú)底變形，中心可能露出液面，導(dǎo)致進(jìn)一步過熱，造成加熱器與泵底接觸不良，使加熱元件過熱引起故障．如果液面過高，加熱過程可能使工作液起泡沫，使液面上升與排氣管道同樣高的位置。第四十二頁，共167頁。工作液的損耗除正常返流之外，在接近最大抽氣量下長時(shí)間工作，高壓強(qiáng)和高速的空氣以正向或反向事故性地流過泵，溫度分布不當(dāng)造成高蒸汽壓的工作液的蒸發(fā)。當(dāng)氣體負(fù)荷相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，擴(kuò)散泵工作液可以工作許多年而不用添加或更換。在加速器系統(tǒng)上工作超過10年的擴(kuò)散泵的報(bào)道(bàodào)。在大泵中為了減少損耗，一些泵內(nèi)裝有前級(jí)擋板。第四十三頁，共167頁。冷帽是現(xiàn)代擴(kuò)散泵所必備的，可使返流率降低到1/50或更小。冷帽通常用銅制成。要用水冷卻。當(dāng)溫度低于80℃時(shí)足以使冷帽有效地冷凝。當(dāng)高于105℃時(shí)，冷帽基本上失去作用。為了保持冷帽正常工作，必須將冷帽與熱的頂噴嘴帽進(jìn)行(jìnxíng)隔熱。并留有適當(dāng)?shù)拈g隔，以免高粘度的泵工作液在冷熱兩部分之間積聚。第四十四頁，共167頁。擴(kuò)散泵壓強(qiáng)穩(wěn)定性：擴(kuò)散泵系統(tǒng)偶然出現(xiàn)壓強(qiáng)的不穩(wěn)定，可能是泵外原因和泵內(nèi)原因。泵外部原因有：（1）合成橡膠密封件產(chǎn)生氣泡；（2）障板上出現(xiàn)液滴；（3）前級(jí)管道內(nèi)輕氣體的壓強(qiáng)高；（4）抽氣量過載；（5）冷阱除霜；（6）阱中冷凍層爆裂。泵的內(nèi)部原因?yàn)椋海?）噴發(fā)(pēnfā)和不穩(wěn)定沸騰；（2）在噴嘴組件外部沸騰；（3）輕氣體的低壓縮比；（4）噴嘴中的液體微滴；（5）頂噴嘴溫度太低；（6）鍋爐附近泄露。為防鍋爐濺起工作液加一障板來消除。頂噴嘴溫度過低導(dǎo)致蒸汽流間斷，從而造成無規(guī)律的壓強(qiáng)變化。第四十五頁，共167頁。輕氣的低壓縮比可能引起壓強(qiáng)的不穩(wěn)定(wěndìng)。除增加級(jí)數(shù)外，可增加功率是有益的。合成橡膠密封產(chǎn)生的氣泡是壓強(qiáng)突然上升的主要原因。入口法蘭是最薄弱的部位。O型圈密封槽的精心設(shè)計(jì)可將這種不穩(wěn)定(wěndìng)性減少到最小程度。障板上的液滴落到頂噴嘴帽的熱表面上進(jìn)行蒸發(fā)。所產(chǎn)生的蒸汽也會(huì)影響抽速，據(jù)報(bào)道，輕氣體在泵入口處的壓強(qiáng)波動(dòng)±10%。擴(kuò)散泵的冷卻方式，視大小泵不同。通常小泵用風(fēng)冷（口徑最大為10cm），大泵用風(fēng)冷是行不通的。第四十六頁，共167頁。2.其他(qítā)高真空獲得設(shè)備第四十七頁，共167頁。2.1牽引(qiānyǐn)分子泵牽引分子泵和渦輪分子泵與擴(kuò)散泵在性能上有許多方面相似。擴(kuò)散泵中的被抽氣體分子在與蒸汽分子相碰撞過程中得到動(dòng)能。而在分子泵中的被抽氣體是靠與快速運(yùn)動(dòng)的固體表面碰撞而獲得動(dòng)能的。分子泵有兩類：第一類是有整體的運(yùn)動(dòng)表面（圓筒型、圓錐型或圓盤型），當(dāng)氣體分子在運(yùn)動(dòng)表面（轉(zhuǎn)子）和靜止表面（定子）間多次反射時(shí)，運(yùn)動(dòng)將他們牽引到泵的排氣側(cè)；第二類，有一系列類似于軸流壓縮機(jī)的葉片。每個(gè)壓縮機(jī)由一個(gè)(yīɡè)動(dòng)盤和一個(gè)(yīɡè)靜盤組成。這后一種結(jié)構(gòu)的一個(gè)(yīɡè)優(yōu)點(diǎn)是同一表面不會(huì)周期性地暴露于高壓強(qiáng)下和低壓強(qiáng)下。這種牽引分子泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。第四十八頁，共167頁。

圖１幾種(jǐzhǒnɡ)牽引分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖第四十九頁，共167頁。一般泵的入口壓強(qiáng)為1Pa。特殊構(gòu)造的可超出1Pa，并能向大氣排氣，這樣的泵不適于反復(fù)迅速(xùnsù)排氣，只適于粗抽后的連續(xù)排氣。由于排氣量低，容易卡住，應(yīng)用較少。第五十頁，共167頁。2.2油噴射泵可將油噴射泵看成為增壓泵和水蒸氣噴射泵之間的過渡。油增壓泵與擴(kuò)散泵很相似，增壓泵設(shè)計(jì)得使性能曲線平移，這樣，其對(duì)應(yīng)的入口壓強(qiáng)比普通擴(kuò)散泵提高的大約10倍。它們使用具有較高蒸汽壓的泵工作液（如增壓泵油）。因此其鍋爐壓強(qiáng)和許可出口壓強(qiáng)也相對(duì)較高。它們被用于高氣體負(fù)荷(fùhè)的場(chǎng)合（如真空冶煉），并且在1Pa附近常有最大抽速。最近期間由于更有效的擴(kuò)散泵和機(jī)械增壓泵的進(jìn)展，油增壓泵的使用已經(jīng)減少了。第五十一頁，共167頁。油噴射泵進(jìn)一步向高的入口壓強(qiáng)方向發(fā)展。除了有整體加熱器和水冷擴(kuò)壓器外，外型和蒸汽噴射泵相似。由于機(jī)械(jīxiè)增壓泵的出現(xiàn)，這樣泵很少應(yīng)用了。第五十二頁，共167頁。2.3水銀(shuǐyín)擴(kuò)散泵用水銀作泵工作液可使鍋爐(guōlú)內(nèi)壓強(qiáng)和入口壓強(qiáng)的范圍擴(kuò)大。小型水銀擴(kuò)散泵排氣壓強(qiáng)可達(dá)50Torr（6650Pa）。理論上，排氣壓強(qiáng)甚至可達(dá)到大氣壓。在下列情況下使用水銀擴(kuò)散泵是有優(yōu)越性的。例如被抽容器內(nèi)充滿水銀蒸汽；泵必須處理突然出現(xiàn)的大的氣體負(fù)荷；不允許碳?xì)浠镂廴?。第五十三頁，?67頁。室溫下水銀的蒸汽壓接近1.5×10-3Torr（0.2Pa）。因此，必須考慮水銀的返流和捕集問題。通常，水銀擴(kuò)散泵與障板、液氮冷阱一起使用。水銀泵是有毒的，為避免散落(sànluò)，必須小心地處理水銀蒸汽。水銀擴(kuò)散泵的詳細(xì)操作和性能詳見專門的文獻(xiàn)介紹。第五十四頁，共167頁。2.4吸附(xīfù)泵（高真空）普通表面或多孔材料對(duì)氣體分子的物理吸附或吸收可用來獲得(huòdé)高真空?？梢栽谌我粔簭?qiáng)下利用吸附或吸收技術(shù)，但由于實(shí)際上的限制，它只能作某種特殊應(yīng)用。為了消除油封機(jī)械泵產(chǎn)生的碳?xì)浠衔镂廴镜目赡苄?，吸附泵常用于超高真空系統(tǒng)的粗抽，并且常與干式無油機(jī)械泵一起使用。抽氣步驟依次使用兩臺(tái)或三臺(tái)吸附泵，可以從被抽容器中排走大量的空氣。通過離子—吸氣劑泵抽氣，可以獲得(huòdé)足夠低的壓強(qiáng)而不使其過載。第五十五頁，共167頁。利用吸附泵獲得高真空，可以通過升溫將吸附的氣體解吸，然后回到室溫，也可冷卻到低溫。商業(yè)(shāngyè)用吸附泵通常是為獲得前級(jí)真空而設(shè)計(jì)的。然而，用類似結(jié)構(gòu)的泵進(jìn)行多級(jí)抽氣也能獲得高真空。但要有較高的入口流導(dǎo)。第五十六頁，共167頁。3超高真空(zhēnkōng)獲得設(shè)備第五十七頁，共167頁。3.1渦輪分子(fēnzǐ)泵概述渦輪分子泵于1957年首次問世。各國真空企業(yè)都有產(chǎn)品投放市場(chǎng)。已獲得發(fā)展(fāzhǎn)和推廣應(yīng)用。渦輪分子泵的應(yīng)用范圍與擴(kuò)散泵基本相同，這兩種泵均可由前級(jí)泵不停地向大氣中排氣。進(jìn)口壓力在1Pa—10-7Pa范圍。抽氣都對(duì)分子類別無選擇性，從70l/s—10000l/s的泵都能得到。特殊用途還有更小或更大的渦輪分子泵。擴(kuò)散泵有60000l/s的產(chǎn)品，目前一般用途的渦輪分子泵沒有大于10000l/s的。第五十八頁，共167頁。需要高抽速，氣體量很小的地方，如大的超高真空系統(tǒng)中，將渦輪分子泵與捕集泵（如離子泵、升華(shēnghuá)泵或低溫泵）相并聯(lián)可能比單用渦輪分子泵更經(jīng)濟(jì)。在這種用法中，渦輪分子泵可抽除He和H2。而捕集泵抽除這兩種氣體會(huì)有困難。尤其對(duì)升華(shēnghuá)泵和低溫泵更是如此。渦輪分子泵也可單獨(dú)用來將系統(tǒng)粗抽到1×10-5Pa左右，以便被捕集的氣體量減至最少。第五十九頁，共167頁。3.2渦輪分子泵抽氣(chōuqì)理論最常被引用的渦輪分子泵理論(lǐlùn)是shapiro和他在麻省理工學(xué)院的學(xué)生一起提出的。他們的原始的理論(lǐlùn)描述如圖2所示。第六十頁，共167頁。第六十一頁，共167頁。第六十二頁，共167頁。第六十三頁，共167頁。第六十四頁，共167頁。實(shí)際的葉柵組成如圖5所示。圖3是將三維的轉(zhuǎn)子葉柵簡(jiǎn)化為二維的葉柵。不考慮由半徑上變化而產(chǎn)生的泵壁表面和幾何形狀上的變化因素。這樣一個(gè)葉柵運(yùn)動(dòng)時(shí)的抽氣能力是由兩側(cè)入射在轉(zhuǎn)子上的分子到達(dá)相反一側(cè)的通過幾率不等所引起的。通?？紤]葉片速度為與氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度大的情況，就很容易說明其工作原理了。假設(shè)葉片是靜止的和分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)如圖3所示。幾乎所有來自①側(cè)的氣體分子可被認(rèn)為入射在C點(diǎn)附近的斜面上。假設(shè)是漫反射，那么在C1角內(nèi)再發(fā)射的分子將回到①側(cè)，C3角內(nèi)的那些分子將進(jìn)入②側(cè)，而C2角內(nèi)的分子將逃到葉片的兩側(cè)。圖4是表示從②側(cè)入射葉柵的所有分子將達(dá)到D點(diǎn)附近。在d1角內(nèi)發(fā)射的分子將回到②側(cè)，d3角內(nèi)的分子將進(jìn)到①側(cè)，而d2角內(nèi)的分子將逃到兩側(cè)。比較(bǐjiào)不同角度的相對(duì)大小，可見分子從①側(cè)到②側(cè)的傳輸幾率遠(yuǎn)大于從②側(cè)到①側(cè)的傳輸幾率。第六十五頁，共167頁。設(shè)M12為從①側(cè)碰撞葉片的分子最終被傳輸?shù)舰趥?cè)的幾率。并設(shè)M21為自②側(cè)入射的分子將被傳輸?shù)舰賯?cè)的幾率。設(shè)N1代表從①側(cè)入射到葉柵上的分子通量，N2代表從②側(cè)入射到葉柵上的分子通量。設(shè)W為從①側(cè)到②側(cè)通過的凈分子通量與入射通量N1之比（通常在真空技術(shù)中W稱為(chēnɡwéi)“何氏系數(shù)”）。根據(jù)分子數(shù)守恒原理，可寫出如下穩(wěn)態(tài)方程式第六十六頁，共167頁?；蛞?yàn)槭菙?shù)密度比等于(děngyú)所以＝＝第六十七頁，共167頁。當(dāng)W增加(zēngjiā)時(shí)，壓縮比呈線性降低。當(dāng)氣流量為零時(shí)，（W=0），則壓縮比為＝當(dāng)沒有壓差時(shí)，壓縮比為1時(shí)，則W為W=M12—M21從正反兩個(gè)方向通過運(yùn)動(dòng)葉柵的分子至少與葉片表面碰撞一次。當(dāng)它們從運(yùn)動(dòng)葉柵發(fā)出并接近鄰近的靜止葉柵時(shí)，具有與運(yùn)動(dòng)葉柵的速度相同的分量。因而，碰撞靜止葉柵的分子對(duì)靜止葉片有同樣的相對(duì)速度，如轉(zhuǎn)子葉柵和定子葉柵幾何形狀相同，則轉(zhuǎn)子和定子兩者的傳輸幾率和壓縮比都相同。第六十八頁，共167頁。8個(gè)轉(zhuǎn)子葉柵和8個(gè)定子葉柵的泵中，對(duì)空氣和水蒸氣之類的氣體從進(jìn)口到出口的總壓縮比至少為1×106左右。泵入口級(jí)為高流導(dǎo)和低壓縮比，而出口級(jí)為低流導(dǎo)和高壓縮比。渦輪分子泵是通過進(jìn)入葉片之間的通道的氣體分子受葉片的碰撞(pènɡzhuànɡ)而實(shí)現(xiàn)抽氣的。抽速是與葉片速度以及氣體分子所能進(jìn)入葉片的通道的流導(dǎo)及葉片的幾何形狀有關(guān)。如果泵入口壓強(qiáng)是分子流范圍，則抽速不隨入口壓強(qiáng)不同而變化。因?yàn)榉肿恿髁鲗?dǎo)不隨壓強(qiáng)變化而變化。葉片速度是個(gè)常數(shù)。這說明，渦輪分子泵的抽速曲線有“平坦部分”（圖6所示）。第六十九頁，共167頁。從入口級(jí)抽氣開始發(fā)生分子(fēnzǐ)間碰撞的高壓強(qiáng)區(qū)，一直延伸到低壓強(qiáng)的傾斜區(qū)，這區(qū)間受渦輪分子(fēnzǐ)泵設(shè)計(jì)影響，壓縮比接近于氣流量為零（W=0）時(shí)的壓縮比（最大壓縮比）。第七十頁，共167頁。第七十一頁，共167頁。圖6所示的低壓傾斜，首先發(fā)生于H2，要了解渦輪分子泵出口H2的分壓強(qiáng)，除以泵的壓縮比才得入口壓強(qiáng)。渦輪分子泵出口處H2的分壓強(qiáng)主要取決于前級(jí)泵產(chǎn)生H2的趨勢(shì)。H2可能在機(jī)械泵滑片局部高溫的情況下來自前級(jí)泵油的分解(fēnjiě)，可以想到低摩擦速度比高摩擦速度，穩(wěn)定的油比不穩(wěn)定的油產(chǎn)生的H2分壓強(qiáng)更低。第七十二頁，共167頁。H2壓縮比約為100的渦輪分子泵具極低的總壓強(qiáng)（大部分為H2）在1×10-7Pa以下，據(jù)此推出低速前級(jí)泵的H2分壓強(qiáng)必定在1×10-5Pa左右。對(duì)H2以外的其他氣體，抽速傾斜的壓強(qiáng)非常低，以致難于測(cè)量。因?yàn)檫M(jìn)入泵的分子彼此(bǐcǐ)無關(guān)，泵在極限壓強(qiáng)下，除H2以外的氣體陸續(xù)有抽氣作用。第七十三頁，共167頁。分子量對(duì)抽速的影響，對(duì)于不同的氣體，平坦抽速不同，是由于分子量不同的氣體達(dá)到入口(rùkǒu)葉柵的流導(dǎo)不同，和傳輸幾率不同所致。除H2以外的所有氣體，抽速大致是相同的。因?yàn)榱鲗?dǎo)反比于分子量的平方根，而傳輸幾率大致正比于分子量的平方根。這兩個(gè)因數(shù)彼此趨于抵消。除H2以外的所有氣體的抽速大致相同。在某些渦輪分子泵中，通過采用較大的前級(jí)泵，使H2的抽速大大提高。第七十四頁，共167頁。渦輪分子泵速度的影響，最佳設(shè)計(jì)的渦輪分子泵的抽速大致正比(zhèngbǐ)于轉(zhuǎn)速。例如設(shè)計(jì)速度最佳，使渦輪分子泵運(yùn)行在許可的最高葉片頂端速度下，便可得到最大抽速。當(dāng)葉片速度增加時(shí)，泵所需的級(jí)數(shù)相應(yīng)減少，在過去的30年中，通用的渦輪分子泵的葉列頂部速度已經(jīng)從143m/s增加到374m/s，并且采用新型材料，加上設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得N2的何氏系數(shù)從0.05增至0.40，增加7倍?？墒棺畲蠛问舷禂?shù)為0.75。第七十五頁，共167頁。前級(jí)泵容量的影響，出口級(jí)處的壓強(qiáng)，主要由前級(jí)泵的容量控制，因此在過渡區(qū)內(nèi)，前級(jí)泵容量越大，渦輪分子泵的抽速越大，入口(rùkǒu)應(yīng)接近分子流狀態(tài)。在大約133Pa的渦輪分子泵入口(rùkǒu)壓強(qiáng)下，所有各級(jí)的壓強(qiáng)高到量不出壓縮比來。在渦輪分子泵入口(rùkǒu)的有效抽速是前級(jí)泵的抽速，由于渦輪分子泵通道的阻抗使前級(jí)泵抽速略有下降。在過渡范圍，大量氣體在葉柵上的摩擦阻力使馬達(dá)上形成摩擦扭矩，馬達(dá)扭矩越大，渦輪分子泵抽速越快，并擺脫過渡區(qū)就越快。如果無限地持續(xù)過載，泵的馬達(dá)便會(huì)過熱。過渡區(qū)入口(rùkǒu)壓強(qiáng)從133Pa到10-1Pa跨三個(gè)量級(jí)。第七十六頁，共167頁。當(dāng)前渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)有立式與臥式之分。入口的氣流與旋轉(zhuǎn)軸平行的渦輪分子泵屬于立式的（圖7）；進(jìn)入氣流垂直于旋轉(zhuǎn)軸中心的渦輪分子泵屬于臥式的（圖8）。這種臥式泵，進(jìn)入氣體對(duì)稱(duìchèn)分為兩半，直角轉(zhuǎn)向兩側(cè)分別進(jìn)入兩側(cè)相同的轉(zhuǎn)子定子葉柵中，由兩側(cè)氣流匯集于共同的出口。這兩種形式的泵又稱單端泵和雙端泵。這兩種泵市場(chǎng)上均有出售。第七十七頁，共167頁。圖7典型(diǎnxíng)的單端或立式泵第七十八頁，共167頁。第七十九頁，共167頁。由于渦輪分子泵是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，因此軸承是泵的關(guān)鍵部件。軸承有如下幾種：（1）油潤滑(rùnhuá)軸承?，F(xiàn)在大部分渦輪分子泵轉(zhuǎn)子都用油潤滑(rùnhuá)軸承。因?yàn)檫@種軸承在轉(zhuǎn)子的排氣側(cè)，所以油蒸汽不會(huì)到達(dá)渦輪分子泵的入口。油通過軸上開的倒錐孔上油潤滑(rùnhuá)上、下軸承。在油循環(huán)的過程中，應(yīng)能控制加速、減速、全速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速降低運(yùn)行或電源故障時(shí)的油量。轉(zhuǎn)子和軸承的溫度可能超過65℃。第八十頁，共167頁。通常，高于此溫度時(shí)油便開始分解，油溫度越高，則油中出現(xiàn)油泥或油呈膠狀的速率越快。因此，使用者應(yīng)充分了解工作條件的限制，以免產(chǎn)生不希望的分解物。一直在高真空條件下工作的泵，通常不會(huì)有問題。在正常工作條件下，油潤滑的泵可運(yùn)行數(shù)年而不用去管油或軸承問題。在工作壓強(qiáng)(yāqiáng)的高壓端，通過軸承的油流可用來散失掉氣體摩擦熱。在低壓下主要是油的摩擦本身造成轉(zhuǎn)子溫度增高。第八十一頁，共167頁。（2）油脂潤滑軸承。最近開發(fā)出的有效粘度低，蒸汽壓極低的軸承用油脂，使渦輪分子泵避免了在抽氣時(shí)或放大氣時(shí)都要小心，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)子在高速工作時(shí)以免高速流動(dòng)的油進(jìn)到入口處。對(duì)油脂軸承，這樣顧慮是不必要的。因此(yīncǐ)，唯一的油污染是通過停泵時(shí)泵中油的氣相擴(kuò)散。油脂潤滑的主要缺點(diǎn)可能是由于油脂中液體成分的蒸發(fā)而造成損耗。使用者要定期加注油脂。如在不停的工作下每年加注一次或在間歇工作下每10000小時(shí)加注一次。使用油脂潤滑是使渦輪分子泵簡(jiǎn)單，可靠和確保安全工作的主要措施。第八十二頁，共167頁。（3）氣膜軸承，使用空氣膜軸承的渦輪分子泵已有商品(shāngpǐn)出售，因?yàn)榭諝廨S承需要在連續(xù)不斷地供給無顆粒物的干燥的高壓空氣。這樣空氣源的故障將會(huì)引起金屬高速摩擦接觸，使軸承瞬間遭到破壞。在泵突然振動(dòng)或空氣突然沖入單端泵時(shí)，會(huì)猛推轉(zhuǎn)子，空氣膜的強(qiáng)度必須是以防止接觸。必須經(jīng)常保持空氣源壓力大大增加，使空氣壓強(qiáng)是以克服這種偶然出現(xiàn)的推力。這種泵現(xiàn)在市場(chǎng)上很少有產(chǎn)品出售。第八十三頁，共167頁。（4）磁懸浮軸承。這種磁懸浮軸承在渦輪分子泵上得到廣泛地應(yīng)用，壽命可以無限長，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)體和支撐物之間沒有接觸，可在無潤滑情況下工作。如果在電磁激勵(lì)線圈上用了有機(jī)絕緣材料，則有可能存在碳?xì)浠衔镂廴驹磫栴}。線圈過熱時(shí)更是如此。磁軸承的振動(dòng)和噪音水平(shuǐpíng)很低。磁控電路功率非常小。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)用電池來工作是可行的。磁軸承失效和空氣突然充入或震動(dòng)，使高速轉(zhuǎn)子與機(jī)械軸承接觸。磁軸承系統(tǒng)必須有一個(gè)起約束作用的機(jī)械軸承系統(tǒng)。能承受如此加速的球軸承的壽命十分短且不確定，每次發(fā)生事故后，最好考慮更換軸承。第八十四頁，共167頁。

４氣體(qìtǐ)捕集式真空泵第八十五頁，共167頁。４.1低溫泵

４.1.1概述(ɡàishù)低溫抽氣是獲得潔凈真空環(huán)境的一種快捷(kuàijié)而有效的方法。低溫泵是利用低溫表面將被抽空間的氣體冷凝、捕集、吸附或冷凝＋吸附，使被抽空間的壓力大大降低，從而獲得并維持真空狀態(tài)的抽氣裝置。低溫泵抽氣是一種儲(chǔ)存式捕集排氣，它所抽走的氣體不是直接排到泵外，而是儲(chǔ)留在泵內(nèi)，一旦冷凝表面溫度發(fā)生變化，它所抽走的氣體又會(huì)重新放出，而破壞泵的正常工作。第八十六頁，共167頁。低溫泵的特點(diǎn)是：1）抽氣壓力范圍寬，其抽氣工作壓力范圍為10-1～10-12Pa；2）起始?jí)毫Ω撸ㄔ瓌t上可從大氣壓開始抽氣），極限壓力低，極限真空度可達(dá)到10-13Pa；3）抽氣速率大，對(duì)于20℃空氣，低溫泵的最大抽氣速率可達(dá)106L/s(11.6L/s.cm2)；4)抽氣種類廣，低溫泵可以抽除各種氣體，獲得清潔的超高真空。特別適合應(yīng)用在抽除可凝性氣體及氣體負(fù)荷大，真空度要求高的場(chǎng)合；5）泵的結(jié)構(gòu)型式靈活，低溫吸氣面可以做成插入式，用于無法布置其他類型泵的場(chǎng)合，使得泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度增大；6）作為(zuòwéi)大容量的排氣系統(tǒng)，占地面積小。但是，低溫泵運(yùn)行時(shí)需要制冷劑或制冷設(shè)備。第八十七頁，共167頁。低溫泵的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛：1）外層宇宙空間模擬。在空間科學(xué)技術(shù)中，宇宙空間存在著真空和低溫狀態(tài)，外層空間的真空度可達(dá)10-14Pa，溫度為3K左右。因此，低溫泵是宇宙空間模擬的理想抽氣設(shè)備。此外，研究空間條件下材料表面現(xiàn)象，低壓空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火試驗(yàn)，空間生物技術(shù)等，都用到低溫泵。2）應(yīng)用在高能物理、等離子體研究中。3）應(yīng)用在薄膜制備領(lǐng)域。4）應(yīng)用在微電子學(xué)，尤其(yóuqí)是半導(dǎo)體微電子技術(shù)．如離子注入，離子刻蝕等。5）應(yīng)用在現(xiàn)代表面分析儀器中。第八十八頁，共167頁。４.1.2低溫抽氣(chōuqì)原理北方的冬天，在玻璃窗上往往(wǎngwǎng)要結(jié)上很厚的一層霜，這就是低溫抽氣作用產(chǎn)生的。水蒸氣被凝結(jié)在0℃以下的玻璃表面上，使空氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)降低了，達(dá)到了抽除水蒸氣的目的。與此同理，低溫泵的抽氣基本原理是：如果設(shè)法使某一固體表面溫度足夠低，使其低于空氣中主要?dú)怏w成分的飽和蒸氣壓溫度，空氣中大部分氣體被凝結(jié)。第八十九頁，共167頁。實(shí)際上，在低溫抽氣過程中，低溫表面上發(fā)生的現(xiàn)象是十分復(fù)雜的。它受傳導(dǎo)(chuándǎo)、氣一固相變，低溫沉積物的不斷生長和不斷變化、低溫沉積物的結(jié)構(gòu)及其熱物理性質(zhì)等多種因素的影響。加之所抽氣體往往是熱物理性質(zhì)各不相同的多種組份混合氣體，使情況更為復(fù)雜。第九十頁，共167頁。低溫抽氣機(jī)理歸納起來主要有兩種：一種是根據(jù)速度分布決定捕獲率的學(xué)說，它認(rèn)為飛到冷表面的氣體分子中，僅僅(jǐnjǐn)是能量低于某一臨界值的分子才被捕獲；另一種是動(dòng)態(tài)平衡學(xué)說。這種學(xué)說認(rèn)為飛到冷表面上的氣體分子停留在冷表面上，同時(shí)有另外一些分子從表面蒸發(fā)，離開表面，被捕捉和離開表面的分子之差就是抽氣速率。后者比較流行。第九十一頁，共167頁。圖４-1各種(ɡèzhǒnɡ)氣體的蒸氣特性曲線第九十二頁，共167頁。如圖４-1所示，用液He冷卻固體表面達(dá)4.2K，空氣中除H2、He以外，大部分氣體的飽和蒸氣壓都低于10-10Pa，即空氣中主要?dú)怏w成分(chéngfèn)都會(huì)被冷凝，達(dá)到了抽真空的目的。按低溫冷凝原理抽真空的泵稱低溫冷凝泵。第九十三頁，共167頁。在泵的低溫表面上粘貼固體吸附(xīfù)劑，氣體分子入射到吸附(xīfù)劑上而被捕集。這種泵叫低溫吸附(xīfù)泵。根據(jù)吸附(xīfù)劑不同，這種泵又可分為兩種類型：一類是非金屬吸氣劑泵，以活性炭、分子篩等為吸附(xīfù)劑；另一類是金屬吸附(xīfù)劑泵，以蒸發(fā)或升華在冷面上的鈦、鋯、鉬等金屬或其合金為吸氣劑。氣體霜也有類似吸附(xīfù)劑一樣的捕集吸氣作用，像二氧化碳、水蒸氣等易冷凝的氣體，在低溫表面上凝結(jié)的同時(shí)，將不易冷凝的氣體（如氦）也一起埋葬或捕集吸附(xīfù)抽除。第九十四頁，共167頁。４.1.3低溫冷凝抽氣(chōuqì)的基本方程在冷凝板沉積物表面的低溫抽氣過程，不但發(fā)生(fāshēng)分子凝聚的正向過程，同時(shí)還發(fā)生(fāshēng)反射和被凝聚分子蒸發(fā)的逆向過程。抽氣時(shí)，正向過程進(jìn)行的速度大于逆向過程進(jìn)行的速度。總的抽氣速度在數(shù)值上等于兩者速度之差。為建立方程，首先作如下假定：（1）冷凝板溫度遠(yuǎn)低于被抽氣體的三相點(diǎn)溫度；第九十五頁，共167頁。（2）抽氣(chōuqì)時(shí)，朝冷凝板方向運(yùn)動(dòng)的氣體之間不發(fā)生相互作用；（3）忽略低溫沉積層影響時(shí)，假定被冷凝氣體的相變熱全部從低溫沉積物傳至冷凝板。這時(shí)低溫沉積層自身的溫度Ts等于冷凝板的溫度Tp。第九十六頁，共167頁。圖４-2低溫(dīwēn)冷凝第九十七頁，共167頁。圖４-2表示在低溫冷凝抽氣過程中，存在著入射、反射及蒸發(fā)三部分氣體分子。若N為落在冷凝板上的氣體分子數(shù)；Nr為反射出的氣體分子數(shù)；N2為蒸發(fā)出的氣體分子數(shù)，則被抽除（即被捕獲）的氣體分子數(shù)N1為N1＝N－（Nr＋N2）上式為低溫冷凝抽氣的基本(jīběn)方程。被抽除的氣體分子數(shù)N1也就是單位時(shí)間在單位冷凝表面上所凝結(jié)的氣體分子數(shù)。第九十八頁，共167頁。當(dāng)滿足Nr十N2＝0時(shí)，達(dá)到理想的最大抽氣效率。即入射的氣體分子全部(quánbù)被冷凝板所捕獲。如果N＝（Nr＋N2），則抽速等于零。即落在冷凝板上的分子數(shù)等于離開它的分子數(shù)，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。在實(shí)際的低溫泵中，低溫抽氣的效率介于這兩種極限工況之間。第九十九頁，共167頁。4.1.4低溫(dīwēn)吸附抽氣當(dāng)在低溫面上粘貼多孔固體吸附劑時(shí)，如果使某一帶有吸附劑的固體表面溫度足夠低，使其低于氣體成分的吸附平衡氣壓溫度，這些吸附劑將以自已的多孔吸附功能來捕獲被抽空間的氣體，達(dá)到(dádào)了抽真空的目的，稱低溫吸附抽氣。低溫下，固一氣界面上發(fā)生的這種吸附現(xiàn)象是物理吸附。其吸附量與吸附劑的表面積成正比。圖4-3給出低溫泵吸附現(xiàn)象的示意圖。第一百頁，共167頁。圖4-3低溫(dīwēn)吸附第一百零一頁，共167頁。在一個(gè)低溫表面上粘有多孔吸附劑。設(shè)吸附劑表面溫度等于冷表面溫度Ts，氣體分子以溫度T入射，打在吸附劑表面上，每秒打在每平方厘米上的分子數(shù)為在吸附抽氣過程中，打在吸附表面上的分子，只有C部分(bùfen)被表面吸附捕獲,被單位表面抽除的分子數(shù)為第一百零二頁，共167頁。若在抽氣過程中某階段，有N個(gè)分子已被吸附，它們均勻分布在吸附劑的微觀表面A上，且具有平均停留時(shí)間τ。則平均解吸速率為N／Aτcm-2·s－1。于是有純抽速為

s－1

式中：Ap—低溫泵抽氣室的宏觀(hóngguān)表面積，或稱投影截面積。一般Ap＜＜A。第一百零三頁，共167頁。設(shè)計(jì)低溫泵時(shí)，應(yīng)使上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)盡量增大，使第二項(xiàng)盡量減小。開始抽氣時(shí)N＝0，故第二項(xiàng)為零。可見C·Ap決定著泵的最大可能抽速。其中Ap僅是幾何形狀的設(shè)計(jì)問題。C卻依賴于若干物理因素，如抽氣表面的微觀形狀、氣體和吸附劑表面的物理化學(xué)性質(zhì)、泵體和低溫吸附表面的溫度以及氣體的流量。當(dāng)其他因素相同時(shí)，疏松表面的C值較大。因?yàn)楫?dāng)氣體分子逃逸表面前，將與表面發(fā)生多次碰撞；另外，高沸點(diǎn)氣體C值較低沸點(diǎn)C值大，因?yàn)榉悬c(diǎn)反映(fǎnyìng)了氣體原子和表面間相互吸引的牢固程度。在這諸因素中表面溫度是決定性因素。第一百零四頁，共167頁。4.1.5低溫(dīwēn)捕集抽氣過程實(shí)際上，低溫泵所抽的氣體往往是混合氣體，如空氣，因而對(duì)某一冷表面來說同時(shí)存在“可凝性”氣體和“不可凝性”氣體。于是在低溫表面上便發(fā)生如下奇特現(xiàn)象(xiànxiàng)：即在可凝性氣體的凝結(jié)過程中，能不斷捕獲其他非可凝成分，并降低其分壓力，起到一種抽氣作用，稱這種作用為低溫捕集。第一百零五頁，共167頁。(a)(b)(c)圖4-4低溫(dīwēn)捕集過程第一百零六頁，共167頁。該過程包括兩個(gè)方面(fāngmiàn)：1）裹協(xié)性的共吸附，即當(dāng)可凝結(jié)氣體流向低溫表面凝結(jié)時(shí)把非可凝性氣體也裹帶到低溫表面上，共同被吸附（如圖4-4a所示）。也有當(dāng)非可凝性氣體還沒有來得及離開低溫表面時(shí)又有一些可凝性氣體凝結(jié)在它上面，從而把它覆蓋在可凝性氣體底下來捕獲非可凝性氣體（如圖4-4b所示）。2）可凝性氣體在低溫表面形成固態(tài)沉積層，這是一種多孔性、疏松的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。它象多孔固體吸附劑一樣能吸附一定量的不可凝性氣體，從而使不可凝氣體的壓力降低，起到一定的抽氣作用（如圖4-4c所示）。第一百零七頁，共167頁。4.1.6低溫泵分類(fēnlèi)及基本結(jié)構(gòu)4.1.6.1低溫冷凝泵見圖4-5所示，低溫冷凝泵由三種部件組成，1）低溫介質(zhì)（液氦）冷卻的抽氣表面；2）各種形狀和溫度(wēndù)的輻射屏（液N2溫度(wēndù)）；3）泵體。第一百零八頁，共167頁。圖4-5低溫冷凝泵l冷凝面2人字形擋板3法蘭4雙層外套(wàitào)5銅箔6輻射屏第一百零九頁，共167頁。圖4-5（a）是第一代泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖?；窘Y(jié)構(gòu)是不銹鋼液氦容器，底部作為抽氣面，周圍被液氮容器包圍。冷凝抽氣面鍍銀，且擋板透射極小的熱輻射，這一措施，顯著地降低了低溫表面的熱負(fù)荷，因而使氫的平衡壓強(qiáng)大為降低。2.3K的鍍銀低溫表面可以獲得（9.33土2.66）×10-8Pa的氫平衡壓強(qiáng)；當(dāng)周圍以液氮冷卻擋板屏蔽時(shí)，氫平衡壓強(qiáng)趨近于10-10Pa；如果(rúguǒ)把擋板溫度降至64K，則可獲得1.33×10-11Pa。第一百一十頁，共167頁。另一種方法是在鍍銀表面上預(yù)先冷凝一層Ne、Ar、O2等氣體，則可以獲得1.33×10-1０Pa的氫壓強(qiáng)；如果再把周圍的擋板降至78K和64K，則可分別測(cè)得10-11和10-12Pa的氫壓強(qiáng)。冷凝面下邊的擋板有兩個(gè)作用：（1）減少室溫對(duì)冷凝面的熱輻射；（2）氣體分子通過它被冷卻后再打到冷凝面上?？赡詺怏w被冷凝在它上面；不可凝性氣體則被預(yù)冷，從而減少了對(duì)低溫冷量的消耗。因此要求它對(duì)氣體的傳輸幾率盡可能大。該泵的另一特點(diǎn)是除底部外，液氦容器壁的其它面做成雙層。冷卻期間夾層(jiācéng)空間抽成真空以絕熱。該泵的缺點(diǎn)是液氦損耗較大。有80％以上的液氦消耗于液氮保護(hù)壁的熱輻射。第一百一十一頁，共167頁。圖4-5（b）是對(duì)（a）進(jìn)行了改進(jìn)的第二代泵。基于上述缺點(diǎn)，該泵在液氦雙層壁和液氮容器之間附加一個(gè)輻射屏，固定在液氦容器的頸管處，并被排出的氣體冷卻。屏內(nèi)壁涂黑，外壁鍍銀，溫度T＜30K。這樣，雙層壁的熱負(fù)荷可減小到忽略不計(jì)。在給定的抽速下，由于圖4-5（b）所示結(jié)構(gòu)的泵降低了熱負(fù)荷，當(dāng)不考慮液氦的傳導(dǎo)損失時(shí)，使液氦消耗比常規(guī)低溫泵的凈蒸發(fā)率低一個(gè)數(shù)量級(jí)；若考慮傳導(dǎo)損失，大約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因而使4.2K液氦的保存(bǎocún)時(shí)間，即泵的工作壽命得到延長。第一百一十二頁，共167頁。4.1.6.2低溫(dīwēn)吸附泵利用低溫表面上的吸附劑和打在其上的氣體分子發(fā)生吸附而達(dá)到抽氣作用的泵。根據(jù)所用吸附劑不同，又可分為三種類型：l）非金屬吸附劑泵：以活性炭、分子篩等為吸附劑。2）金屬吸附劑泵：以蒸發(fā)或升華在冷面上的鈦、鉭、鉬等金屬或其合金為吸氣劑。3）氣體霜吸附：以二氧化碳、水蒸氣等易冷凝的氣體在低溫表面成霜作為吸附劑（也有類似吸附劑一樣的吸氣作用）。它是靠低溫捕集作用抽氣。在低溫表面上凝結(jié)（成霜）的同時(shí)，將不易冷凝的氣體（如氦、氫）也一起埋葬或吸附抽除，它是抽除非冷凝性氣體的一種有效方法。實(shí)際應(yīng)用的低溫泵常將低溫冷凝與吸附作用結(jié)合起來，組成(zǔchénɡ)可以抽除各種氣體的冷凝吸附泵結(jié)構(gòu)。第一百一十三頁，共167頁。4.1.6.3制冷機(jī)低溫泵制冷機(jī)低溫泵是把低溫面及擋板(dǎnɡbǎn)組裝在封閉循環(huán)制冷機(jī)系統(tǒng)中與制冷機(jī)組合為一體的低溫泵。它是利用泵的低溫表面的低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集等物理現(xiàn)象來獲得和保持高真空和超高真空。其特點(diǎn)為：1）便于抽氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制；2）可實(shí)現(xiàn)較高的抽速S≥100m3/s，可以滿足大型真空設(shè)備中所需要的抽速。第一百一十四頁，共167頁。1）制冷(zhìlěng)原理與循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)代低溫泵為閉循環(huán)小型制冷機(jī)式低溫泵，整個(gè)低溫泵系統(tǒng)由低溫泵、壓縮機(jī)和制冷膨脹(péngzhàng)機(jī)等部分組成。制冷介質(zhì)氦氣由壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)進(jìn)氣管到膨脹(péngzhàng)機(jī)。這時(shí)進(jìn)氣閥門打開，膨脹(péngzhàng)機(jī)活塞在專用電機(jī)帶動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，使膨脹(péngzhàng)機(jī)下腔充滿高壓氣體。當(dāng)活塞到達(dá)上部頂端時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，同時(shí)打開排氣閥，使膨脹(péngzhàng)機(jī)與低壓端相通，氣體膨脹(péngzhàng)制冷，活塞向下移動(dòng)把冷量貯存在活塞內(nèi)的蓄冷器中。如此多次循環(huán)，在一、二級(jí)冷頭處分別獲得低于80K和20K的低溫，并使氣體在低溫面上凝結(jié)，在活性炭上吸附而被抽除。第一百一十五頁，共167頁。低溫泵系統(tǒng)(xìtǒng)的核心是小型制冷機(jī)，它是一種小型閉循環(huán)氦氣膨脹制冷機(jī)。目前制冷機(jī)中廣泛采用的循環(huán)（適用于T＝20K的低溫循環(huán)）有：斯特林循環(huán)制冷機(jī)、索爾文循環(huán)制冷機(jī)和G－M（吉福特－麥克馬洪）循環(huán)制冷機(jī)等。尤以斯特林循環(huán)和G－M循環(huán)制冷機(jī)使用最廣。第一百一十六頁，共167頁。圖4-6是G－M循環(huán)制冷機(jī)低溫泵的工作系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部件有：1）制冷單元：包括制冷機(jī)（膨脹機(jī)）、一、二級(jí)冷頭、低溫抽氣冷陣及泵體；2）壓縮單元：氦壓縮機(jī)、換熱器、油氣分離器、管路濾油器等；3）吸附器、閥門等輔助元件。該系統(tǒng)的工作氣體是99.998％高純氦。G－M循環(huán)制冷機(jī)低溫泵的優(yōu)點(diǎn)是制冷與壓縮部分可以分開安裝，所以制冷部分可以做的很小，振動(dòng)容易(róngyì)控制。缺點(diǎn)是壓比低，可逆性較差。G－M循環(huán)制冷機(jī)低溫泵最低溫度可達(dá)7K左右。第一百一十七頁，共167頁。圖4-6G－M循環(huán)(xúnhuán)制冷機(jī)低溫泵系統(tǒng)第一百一十八頁，共167頁。2）制冷機(jī)低溫泵的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成圖4-7為制冷機(jī)低溫泵的結(jié)構(gòu)示意圖，圖（a）為一立式低溫泵，由制冷機(jī)2、活性炭吸附面4（吸附板）、低溫冷凝面5（冷板）、屏蔽擋板7、屏蔽罩9、泵殼10組成。為了對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還設(shè)有氫蒸汽壓溫度計(jì)1，其氫泡8裝在制冷機(jī)的二級(jí)冷頭6上，該泵通過泵殼上端的法蘭與被抽容器(róngqì)相連。當(dāng)泵工作時(shí)，由于制冷機(jī)一、二級(jí)冷頭產(chǎn)生低溫并制得冷量，第一百一十九頁，共167頁。使得擋板及屏蔽(píngbì)罩達(dá)到77～80K，冷板及活性炭吸附面達(dá)到15～20K低溫，并不斷的供給冷量，于是便將容器中可凝性氣體經(jīng)擋板預(yù)冷后凍結(jié)在冷板上，而將不可凝性氣體經(jīng)擋板預(yù)冷后吸附在活性炭吸附面上，形成所需要的真空。如果是開式裝置，則將不斷流入被抽容器的氣體，連續(xù)地凍結(jié)和吸附在冷板及活性炭吸附面上，從而保持住所需要的真空。第一百二十頁，共167頁。圖４-７(a)立式(lìshì)低溫泵頭結(jié)構(gòu)1－氫蒸氣壓溫度計(jì)；2－制冷機(jī)；3－一級(jí)冷頭；4－活性炭吸附面；5－低溫面；6－二級(jí)冷頭；7－屏蔽擋板；8－氫蒸氣壓溫泡；9－屏蔽罩；10－泵殼；11－真空腔；12－再生抽氣排出口；13－氦氣管線；14－冷頭驅(qū)動(dòng)組件(b)一種窄泵低溫泵頭結(jié)構(gòu)l－制冷機(jī)；2－一級(jí)冷頭；3－二級(jí)冷頭；4－氣體、電氣接頭；5－H2蒸氣壓溫度計(jì)；6－排水口；7－百葉窗式入口障板；8－保溫屏蔽板；9－冷板（三個(gè)）；10－壓力安全閥；11－排氣口；12－清洗口第一百二十一頁，共167頁。在有些系統(tǒng)中，在泵殼的上端法蘭與被抽容器之間還設(shè)置高真空隔離閥。當(dāng)泵停止工作時(shí)，將此閥關(guān)閉以保持被抽容器的真空度不變。泵停止工作后，制冷機(jī)不再產(chǎn)生冷量，冷頭逐漸恢復(fù)常溫。這時(shí)凍結(jié)在冷板上的可凝性氣體將蒸發(fā)，被活性炭吸附的非可凝性氣體將解吸，它們都跑到氣相中去，從而形成較高的壓力。為安全及排出這些氣體在泵殼上設(shè)有再生抽氣(chōuqì)排出口12，泵工作時(shí)，它用密封塞塞住。當(dāng)停機(jī)時(shí)，泵殼內(nèi)壓力升高，通過內(nèi)外壓差將密封塞頂開，殼內(nèi)氣體自動(dòng)排放到大氣。第一百二十二頁，共167頁。屏蔽罩9及擋板(dǎnɡbǎn)7由制冷機(jī)一級(jí)冷頭3來維持其77～80K的低溫，并不斷地供給冷量；低溫冷凝面5及活性炭吸附面4由制冷機(jī)的二級(jí)冷頭6保持其10～20K的低溫，并連續(xù)供給冷量把需要冷凝和吸附的氣體都冷凝和吸附在它上面，形成真空及抽氣作用。圖4-7（b）為一百葉窗擋板(dǎnɡbǎn)與制冷機(jī)冷頭平行的低溫泵窄泵結(jié)構(gòu)，它的泵頭的外形尺寸較小。第一百二十三頁，共167頁。圖4-8CRYO－U12H型低溫泵結(jié)構(gòu)(jiégòu)第一百二十四頁，共167頁。圖4-8是日本(rìběn)ULVAC公司的CRYO－U12H型低溫泵的泵體結(jié)構(gòu)圖。其第一級(jí)冷頭與80K輻射屏和障板相連，主要抽除水蒸氣；第二級(jí)冷頭與15K的低溫板相連，抽除其他可凝性氣體；最里邊是15K活性炭床，抽除He、Ne、Ar等氣體。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是單獨(dú)設(shè)有活性炭床，而不是將活性炭粘在低溫板的內(nèi)表面。因此，對(duì)惰性氣體的抽速可以提高。第一百二十五頁，共167頁。3)制冷(zhìlěng)單元制冷機(jī)低溫泵的制冷單元結(jié)構(gòu)如圖9-9所示。一級(jí)冷陣：輻射屏＋一級(jí)擋板。同制冷機(jī)的一級(jí)冷頭相連(xiānɡlián)，其溫度通常在45～100K范圍內(nèi)；二級(jí)冷陣：外側(cè)裸露的無氧銅抽氣表面＋內(nèi)側(cè)金屬面上粘貼吸附劑（一般為活性碳）形成的吸附抽氣面。二級(jí)冷陣與制冷機(jī)二級(jí)冷頭相接，溫度為10～20K。第一百二十六頁，共167頁。圖4-9制冷(zhìlěng)單元結(jié)構(gòu)示意圖第一百二十七頁，共167頁。各級(jí)冷陣的作用如下：一級(jí)冷陣中的擋板和防輻射屏用于阻擋來自泵壁和真空室的熱輻射，保護(hù)二級(jí)冷陣免受室溫?zé)彷椛涞闹苯诱丈?zhàoshè)，以減小制冷功率損耗，維持泵的正常工作；同時(shí)，它還具有抽除H2O、CO2。等大多數(shù)碳?xì)浠衔锛捌涓吣Y(jié)點(diǎn)氣體的功能；另外還預(yù)冷一級(jí)冷陣不能抽除的其它氣體。第一百二十八頁，共167頁。二級(jí)冷陣的外表面是冷凝抽氣(chōuqì)，用于抽除N2、O2、Ar等可凝性氣體，而對(duì)He、Ne、H2等非凝性氣體進(jìn)行預(yù)冷；粘貼活性炭的內(nèi)側(cè)以低溫吸附來抽除He、Ne、H2。泵在抽混合氣體時(shí)（如空氣），還會(huì)發(fā)生低溫捕集抽氣(chōuqì)作用，即可凝性氣體在一、二級(jí)低溫表面冷凝后形成固態(tài)多晶霜層，它對(duì)非凝性氣體具有相當(dāng)?shù)牟都闅?chōuqì)功能。第一百二十九頁，共167頁。4.2濺射(jiànshè)離子泵

4.2.1概述濺射離子泵是1958年由Hail等人發(fā)現(xiàn)潘寧放電真空計(jì)在測(cè)量真空時(shí)，真空計(jì)本身有一定的抽氣作用，根據(jù)這一現(xiàn)象而發(fā)明的，因此又稱潘寧泵。它是一種使用較廣泛的無油清潔真空泵。濺射離子泵的優(yōu)點(diǎn)是：1）無油、無振動(dòng)、無噪音；2）使用簡(jiǎn)單可靠，壽命長，可烘烤；3）不需要冷劑，置放方向不限；4）工作壓力范圍(fànwéi)寬（1～10-10Pa）5）對(duì)惰性氣體抽速大。是目前抽惰性氣體較好的泵。第一百三十頁，共167頁。其缺點(diǎn)為：1）帶有笨重的磁鐵，體積和重量較大；2）對(duì)有機(jī)蒸氣污染敏感，連續(xù)(liánxù)抽30min油蒸氣就會(huì)使泵啟動(dòng)困難；3）二極泵在抽惰性氣體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氬不穩(wěn)定性。這種泵被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代尖端技術(shù)的超高真空領(lǐng)域中，如原子能工程、核工業(yè)、高能加速器、宇宙模擬、表面物理、電子工業(yè)和高純金屬的冶煉等領(lǐng)域。第一百三十一頁，共167頁。4.2.2濺射離子(lízǐ)泵基本結(jié)構(gòu)和工作原理

4.2.2.1濺射離子(lízǐ)泵的結(jié)構(gòu)

4-101-陰極(yīnjí)板；2-陽極筒第一百三十二頁，共167頁。圖4-10示出了最簡(jiǎn)單的二極型濺射(jiànshè)離子泵的工作原理圖。泵的陰極由Ti板組成；陽極由多個(gè)不銹鋼圓筒（或四方格、六方格）并聯(lián)組成排氣部件，置于兩塊陰極鈦板之間。為了增加抽速，實(shí)際應(yīng)用的離子泵圖9-141-陰極板；2-陽極筒再由多個(gè)排氣部件組成。每一個(gè)方格為一個(gè)單元泵，抽速約為1～3l/s。磁場(chǎng)方向垂直于陰極板（永久磁鐵），當(dāng)在陽、陰極之間加上適當(dāng)直流高壓（對(duì)陰極為正電位3kv~8kv），并且在泵內(nèi)氣體壓力低于1Pa時(shí)，在陽極筒內(nèi)產(chǎn)生放電。第一百三十三頁，共167頁。4.2.2.2單元泵內(nèi)的物理(wùlǐ)過程當(dāng)單元泵加上電場(chǎng)與磁場(chǎng)以后，等電位線的形狀(xíngzhuàn)如圖4-11所示。在電磁場(chǎng)的綜合作用下，空間中的自由電子運(yùn)動(dòng)如下：自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)，可分解成兩個(gè)速度分量：軸向速度分量Vz和徑向速度分量VX。與磁場(chǎng)H方向垂直，因而磁場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)電子的作用力—洛侖茲力這樣電子在VX與f的綜合作用下，在水平橫截面上作輪第一百三十四頁，共167頁。滾線運(yùn)動(dòng)，輪滾線的圈大小受電、磁場(chǎng)強(qiáng)度控制。電場(chǎng)越強(qiáng)（電子速度愈大）則輪滾線的圈也就愈大，大到一定程度，電子就落到陽極(yángjí)上。磁場(chǎng)作用相反，磁場(chǎng)愈強(qiáng)，輪滾線的圈愈小，起約束的作用。所以陽極(yángjí)電壓較高時(shí)，需要加較強(qiáng)的磁場(chǎng)，以免電子直接落到陽極(yángjí)上。第一百三十五頁，共167頁。圖4-11電子(diànzǐ)在單元泵電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第一百三十六頁，共167頁。軸向電場(chǎng)的作用是使電子同時(shí)在作用下沿陽極筒軸向運(yùn)動(dòng)。如圖4-11所示，電子受軸向電場(chǎng)力作用向上加速運(yùn)動(dòng)，跨過陽極中心水平線后，開始受斥力而減速(jiǎnsù)運(yùn)動(dòng)，靠近陰極時(shí)Vz為零而反向，重新受軸向電場(chǎng)的加速向下運(yùn)動(dòng)，過中心水平線后又開始減速(jiǎnsù)，快到陰極前Vz又變?yōu)榱愣崔D(zhuǎn)。如此不停地作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電子的運(yùn)動(dòng)軌跡：在電磁場(chǎng)的綜合作用下，電子的軌跡像一根拉開了的電爐絲繞成一個(gè)螺旋狀放在陽極筒里。第一百三十七頁，共167頁。很多電子受磁場(chǎng)的約束，以輪滾線的形式貼近陽極筒旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)，而形成一層旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)電子云，像走馬燈似地快速旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)。電子在陽極筒里受磁場(chǎng)約束，轉(zhuǎn)速很高，電子路程也很長。要經(jīng)歷很長的路程后才落到陽極筒上。在10-4Pa時(shí)，電子約經(jīng)歷1km的路程才落到陽極上；在10-8Pa時(shí)，電子約經(jīng)歷104km。電子在電子云中的束縛時(shí)間也隨壓力的降低而增加。在10-4Pa時(shí)，電子的束縛時(shí)間為1ms；而在10-10Pa時(shí)，可達(dá)17min。第一百三十八頁，共167頁。由于大量電子在陽極筒里長時(shí)間旋轉(zhuǎn)，所以氣體分子很容易被電子碰撞電離。電離情況為，電子（自由＋發(fā)射）在運(yùn)動(dòng)中與氣體分子碰撞，使氣體分子產(chǎn)生電離，形成離子和電子。離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極并轟擊(hōngjī)Ti板，并產(chǎn)生以下作用：1）角度、能量合適，注入陰極板內(nèi)；2）鈦原子不斷被濺射出來，沉積在陽極筒內(nèi)壁和陰極板上，形成Ti膜而吸氣。第一百三十九頁，共167頁。每一個(gè)轟擊陰極的離子所能濺射出來的鈦原子數(shù)稱濺射率。能量大和質(zhì)量大的離子濺射能力強(qiáng)些，斜射要比正面轟擊的效果好得多。為保證陽極筒內(nèi)壁上鈦薄膜的吸氣能力，必須有足夠的濺射率，即要加足夠的電壓，以保證離子的轟擊能量。3）打出二次電子；氣體分子被電離放出的電子叫做繁流二次電子。這兩種電子都受電、磁場(chǎng)約束而進(jìn)人旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)電子云，補(bǔ)償因跑到陽極上而損失的電子，維持潘寧放電。第一百四十頁，共167頁。4.2.2.3對(duì)不同(bùtónɡ)氣體的抽氣過程圖4-12濺射(jiànshè)離子泵抽氣機(jī)理第一百四十一頁，共167頁。濺射離子泵對(duì)不同氣體的抽除機(jī)理如圖4-12所示，A）在低壓下（10-2~10-6Pa），當(dāng)陰極和陽極之間加上高電壓時(shí)，引起場(chǎng)致發(fā)射（潘寧放電），產(chǎn)生電子；B）在電、磁場(chǎng)作用下電子在陽極筒內(nèi)作往復(fù)螺旋運(yùn)動(dòng)；C）電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生正離子和繁流二次電子，引起雪崩效應(yīng)；D）活性氣體和惰性氣體離子在電場(chǎng)(diànchǎng)作用下加速向陰極運(yùn)動(dòng)，并轟擊Ti陰極，濺射出鈦原子落在陽極筒上形成新鮮Ti膜，進(jìn)行吸氣；也有的落在陰極外圍區(qū)（β區(qū)）?；钚詺怏w離子濺射產(chǎn)額很低，約為1。E）活性氣體的一部分注入陰極表層，大部分與新鮮Ti膜反應(yīng)形成化合物，第一百四十二頁，共167頁?；瘜W(xué)吸附在陽極筒內(nèi)壁上（少量化學(xué)吸附在陰極β區(qū)）；惰性氣體電離后，離子在轟擊陰極過程中被排除。其排除方式為：①少量離子直接注入陰極表面內(nèi)或β區(qū)（如圖中a）；部分斜射的離子切入陰極表面，離子和鈦一起被掀掉，埋葬在β區(qū)（圖中b）。②離子從陰極表面獲得一電子(diànzǐ)中和成中性粒子（原子或分子）后，發(fā)生荷能中性粒子反射到陽極筒內(nèi)表面的鈦沉積膜層中被埋掉（圖中c），荷能粒子能量決定于入射角和陰極材料的原子量。第一百四十三頁，共167頁。F）H2的抽除：由于H2質(zhì)量小，濺射能力很低。氫離子打到鈦板上與電子復(fù)合成H原子(yuánzǐ)，然后擴(kuò)散進(jìn)入到鈦的晶格內(nèi)，形成TiH固溶體而被排除。常溫下這種固溶體中H2的濃度為0.05%。但離子繼續(xù)撞擊及其他熱源會(huì)使陰極Ti板升溫，TiH在溫度高于250℃時(shí)開始分解放出氫氣，并導(dǎo)致鈦陰極板晶格膨脹龜裂。G）水蒸氣不能直接排除。水蒸氣先在陽極筒內(nèi)碰撞分解為H2和O2，其中O2與Ti膜形成化合物，H2與上述一樣被排除。第一百四十四頁，共167頁。根據(jù)以上說明，活性氣體靠陽極上的沉積層抽除，靠陰極上沉積層抽除，也靠注入陰極抽除，因而抽速較大；惰性氣體(duòxìngqìtǐ)靠陽極上沉積層抽除，靠陰極上沉積層抽除少部分，因而抽速較小。濺射離子泵對(duì)惰性氣體(duòxìngqìtǐ)氬氣的抽速是氮?dú)獾?％。第一百四十五頁，共167頁。4.2.3離子(lízǐ)泵抽氣過程中Ar不穩(wěn)定性4.2.3.1Ar循環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象(xiànxiàng)普通濺射離子泵為最簡(jiǎn)單的二級(jí)型結(jié)構(gòu)（陰陽極結(jié)構(gòu)），二極型泵制造工藝簡(jiǎn)單，磁鐵的磁隙小，但泵要求的起動(dòng)壓力低。如果泵不要求在較高壓力下起動(dòng)，而且對(duì)抽惰性氣體沒有特殊要求，選用二極型泵較好。第一百四十六頁，共167頁。簡(jiǎn)單二極式濺射離子泵的最大缺點(diǎn)是SAr／SN2只有(zhǐyǒu)1%，這使得它難以應(yīng)用到排除惰性氣體的真空系統(tǒng)中；其次是它的工作穩(wěn)定性較差。二極型泵在經(jīng)過長時(shí)間抽氣后，會(huì)出現(xiàn)Ar循環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象。即濺射離子泵在抽除氬、氪和氙等惰性氣體時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)真空系統(tǒng)內(nèi)的壓力突然脈沖式地上升，然后又下降，壓力幅度為10-2Pa數(shù)量級(jí)。圖4-13示出了二極型濺射離子泵在10-3Pa的空氣壓力下進(jìn)行數(shù)百小時(shí)或在10-4Pa下數(shù)千小時(shí)的排氣后所出現(xiàn)的氬不穩(wěn)定性。第一百四十七頁，共167頁。圖4-13氬壓力(yālì)不穩(wěn)定性第一百四十八頁，共167頁。對(duì)于經(jīng)常暴露大氣的系統(tǒng)很容易觀察到此現(xiàn)象。氬壓力循環(huán)變化的原因?yàn)槭怯捎谙到y(tǒng)經(jīng)長時(shí)間抽氣后，壓強(qiáng)降低，使氣體放電模式變化，離子轟擊陰極表面不再集中于中心部位，而放電開始(kāishǐ)向周圍陽極邊緣所對(duì)的陰極環(huán)形部分（β區(qū)）擴(kuò)展，在正離子轟擊下引起濺射和氬氣釋放(也會(huì)引起化合物分解)導(dǎo)致埋藏在這些地方的氬大量釋放，反過來又增加更大的離子轟擊，故氬壓力急劇上升，因而壓力升高，但隨后放電又向陰極中央集中，邊緣重又抽除氬氣，壓力降低。到全部放出后，又恢復(fù)以清除為主的過程，氬氣壓力迅速下降。第一百四十九頁，共167頁。這種氬氣的脈沖式放出，也可以由于壓力、陽極電壓等的變化而爆發(fā)。此外，當(dāng)溫度升至300℃以上，被排氬開始釋出，但直至750℃仍未全部放出。對(duì)于氦氣，初始抽速比較大，因?yàn)樗蟹烹姰a(chǎn)生的氦離子幾乎都打入鈦陰極表面內(nèi)。但隨著表面上氦濃度的增加，被濺射放出的數(shù)量增加，故抽速衰減。如果溫度升高至250℃，氦也大量釋出。Ar不穩(wěn)定性是由陰極的功能(gōngnéng)引起的：因?yàn)槎?jí)泵的陰極一方面作為濺射源，另一方面又作為Ar的收集極，所以出現(xiàn)周期性釋放被掩埋在陰極β區(qū)內(nèi)的氣體。第一百五十頁，共167頁。4.2.3.2濺射(jiànshè)離子泵改進(jìn)型式二極式濺射離子泵對(duì)氮抽速小和不穩(wěn)定，主要是由于鈦濺射區(qū)與惰性氣體埋藏區(qū)都同在陰極板上，沒有明顯的分開，因而前頭被埋的惰性氣體往往就被后面跟進(jìn)的離子重新轟出來。為了提高對(duì)惰性氣體的抽速，克服氬循環(huán)(xúnhuán)不穩(wěn)定