真空系統(tǒng)課件

現(xiàn)代實驗技術內(nèi)容與目的介紹各種與光電子微電子有關的實驗技術的基本原理通過實驗，掌握使用相關的實驗技術，進行科研訓練，達到培養(yǎng)創(chuàng)新思維和動手能力第一章：真空技術低于正常大氣壓的氣體狀態(tài)的特定空間，稱為真空特點：1、真空容器內(nèi)外存在氣壓差2、氣體分子之間或分子與其他質點之間的碰撞很少（氣體的密度n很低）真空度的劃分粗真空760-10乇低真空10-10-3乇高真空10-3-10-8乇超高真空10-8-10-12乇極高真空<10-12乇不同真空度下的測量方法在低真空時采用熱偶真空計熱偶真空計是以鐵－康銅，銅－康銅或康銅－鎳鉻等材料組成熱絲加恒定的電流（mA級）熱平衡時具有確定的溫度，熱電偶產(chǎn)生相應的電動勢，熱電偶的熱端溫度與熱絲周圍散熱情況有關，在低真空下以氣體熱傳導為主，因此熱端溫度與氣體壓強有關，當氣壓增大，熱傳導能力強，使熱端溫度降低，熱電動勢小，反之，熱電動勢增大，由此測定真空度高低熱電偶真空計校準曲線在高真空（低于10-3乇）采用電離真空計利用氣體分子收電子碰撞而電離，用一個離子收集極將這些離子收集起來，產(chǎn)生的離子數(shù)目與氣體密度成比例真空的測量電離真空計實物圖

真空泵的工作參數(shù)旋片泵：10－3乇（單級），10-4乇（雙級）吸附泵：10-5乇渦輪分子泵：10-4乇－10-9乇油擴散泵：10-4乇－10-8乇濺射離子泵＋鈦升華泵<10-10乇污染旋片泵1-泵體;2-旋片;3-轉子;4-彈簧;5-排氣閥

兩個旋片把轉子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個部分，當轉子按圖示方向旋轉時，與吸氣口相通的空間A的容積不斷地增大，A空間的壓強不斷的降低，當A空間內(nèi)的壓強低于被抽容器內(nèi)的壓強，根據(jù)氣體壓強平衡的原理，被抽的氣體不斷地被抽進吸氣腔A，此時正處于吸氣過程。B腔的空間的容積正逐漸減小，壓力不斷地增大，此時正處于壓縮過程。雙級泵雙級旋片式真空泵由兩個工作室組成，兩室前后串聯(lián)，同向等速旋轉，Ⅰ室是低真空級，Ⅱ室是高真空級，被抽氣體由進氣口進入Ⅱ室，當進入的氣體壓力較高時，氣體經(jīng)Ⅱ室壓縮，壓強急速增大，被壓縮的氣體不僅從高級排氣閥排出，而且經(jīng)過中壁通道，進入Ⅰ室，在Ⅰ室被壓縮，從低級排氣閥排出；當進入Ⅱ室的氣體壓力較低時，雖經(jīng)Ⅱ室的壓縮，也推不開高級排氣閥排出，氣體全部經(jīng)中壁通道進入Ⅰ室，經(jīng)Ⅰ室的繼續(xù)壓縮，由低級排氣閥排出，因此雙級旋片式真空泵比單級旋片式真空泵的極限真空高。旋片泵的用途及使用范圍1.旋片泵是用來對密封容器抽除氣體的基本設備之一。它可單獨作用，也可作為增壓泵、擴散泵、分子泵等的前級泵，維持泵，鈦泵的預抽泵用?？捎糜陔娬婵掌骷圃?、保溫瓶制造、真空焊接、印刷、吸塑、制冷設備修理以及儀器儀表配套等。因為它具有體積小、質量輕、操聲低等優(yōu)點，所以更適宜于實驗室里使用。2.在環(huán)境溫度540范圍內(nèi)，進氣口壓強小于1.3X103帕的條件下允許長期連續(xù)運轉，被抽氣體相對濕度大于90%時，應開氣鎮(zhèn)閥。3.進氣口連續(xù)暢通大氣運轉不得超過一分種。4.不適用于抽除對金屬有腐蝕的，對泵油起化學反應的，含有顆粒塵埃的氣體，以及含氧過高的，有爆炸性的，有毒的氣體。5、相對濕度較高或被抽氣體中含水汽等可凝性蒸汽時，應使用氣鎮(zhèn)閥。6、按說明書推薦選用真空泵油。注意酯類真空泵油不可與礦物油型真空泵油和其他油類混用，必須嚴格清洗后才能換入酯類真空泵油。7、檢查泵的極限壓力以壓縮式水銀真空計為準。全壓力計應注意做好計與規(guī)管的配對校準和備用比對規(guī)管。建議在規(guī)管與被測泵之間裝一球閥。不測時關閥，可延長規(guī)管使用時間。

操作須知1．查看油位，以停泵時注油至油標中心為宜。過低對排氣閥不能起油封作用，影響真空度。過高，可能會引起通大氣起動時噴油。運轉時，油位有所升高，屬正常現(xiàn)象。油采用規(guī)定牌號的清潔真空泵油，從加油孔加入。加油畢后，應旋一上螺塞。油宜經(jīng)過濾，以免雜物進入，堵塞油孔。2．可在通大氣或任何真空度下一次起動。泵口如裝接電磁閥，應與泵同時動作。3．環(huán)境溫度過高時，油的溫度升高，粘度下降，飽和蒸汽壓會增大，會引起極限真空有所下降，特別是用熱偶計測得的全壓強。如加強通風散熱，或改善泵油性能，極限真空可得到改善。

氣鎮(zhèn)閥工作原理由于大氣中都含有一定量的水蒸氣，所以泵工作時所抽除的氣體多是某些可凝性氣體和永久性氣體的混合物。這種混合氣體在泵內(nèi)被壓縮排氣的過程中，如果可凝性氣體的分壓力超過了泵溫下的飽和蒸氣壓，那么它們就會凝結并與泵油混合，隨油一起循環(huán)。當它們返回到高真空端時又重新蒸發(fā)變成蒸汽。隨著泵的運轉，凝結物不斷增加，使泵的極限真空和抽速降低。當抽除的氣體中濕度較大時，泵油的污染更加嚴重，使泵的密封、潤滑和冷卻性能變差，以至于經(jīng)常更換新油。氣鎮(zhèn)法是防止蒸汽凝結從而避免油污染的有效方法。這種方法是將室溫干燥的空氣經(jīng)氣鎮(zhèn)孔進入泵的壓縮腔中與被抽氣體相混合。當把這種混合氣體壓縮到排氣壓力時，由于摻氣作用使得其中的蒸汽分壓能保持在泵溫狀態(tài)的飽和蒸氣壓以下，因而蒸汽不會凝結而與其它氣體一起被排至泵外。被抽氣體中蒸汽的含量越多，摻入的干燥氣體量就需越多。6．泵油選擇：泵油的粘度影響起動功率和泵的極限真空，粘度高時對真空度有利，起動功率則大一些。油在泵溫下的飽和蒸汽壓則會影響泵的極限總壓強，越低越好。高速真空泵油和3#擴散泵油的粘度較1號真空泵油大，飽和蒸汽壓較1號真空泵油低，但3#擴散泵油價格較高。具體選什么油，可根據(jù)上述介紹結合具體使用要求來選擇。

(1)一般情況下，凡希望總壓強在6X10-2帕以上的應用上海產(chǎn)的高速真空泵油。4升/秒以下小泵也可用1號真空油泵代，8升/秒以上直聯(lián)泵可用3#擴散泵油代。(2)如果對真空度要求不高，且油的污染更換頻繁，真空泵油供應困難，可采用50號機械油代替。(3)如果環(huán)境溫度低，起動困難，極限真空要求不高，可采用粘度較上略低的真宅泵油或機械油典型雙級旋片泵性能參數(shù)型號2XZ-0.252XZ-0.52XZ-12XZ-22XZ-42XZ-8形式直聯(lián)雙級串聯(lián)旋片式抽氣速率0.250.51248極限真空Pa6×10-16×10-2轉速轉/分1400進氣口直經(jīng)mmΦ10Φ13Φ13Φ19Φ19Φ32用油量MI0.30.420.40.480.550.7泵油溫升℃404040454560電機功率kW0.120.180.250.370.550.75重量Kg151819273035噪音分貝646466687074維護和保養(yǎng)一、注意事項：1．保證真空泵的清潔，防止雜物進入泵內(nèi)。2．保持真空泵油位。3．存放下當水份或其它揮發(fā)性物質進入泵內(nèi)而影響極限真空時，可開氣鎮(zhèn)閥凈化之，觀察極限真空回升情況，數(shù)小時無效，應更換泵油，必要時可再次更換。換油方法：泵運轉約半小時，使油變稀，停泵從放油孔放油，再敞開進氣口運轉10～20秒鐘，此間可從吸氣口緩緩加入少量清潔泵油，以更換泵腔內(nèi)存油。如出來的油很臟，后者可重復進行。

4．真空泵不可混入柴油、汽油等其它飽和蒸汽壓較大的油類，以免降低極限真空。拆洗泵內(nèi)零件時，一般用紗布擦拭即可以。若發(fā)現(xiàn)有金屬碎屑、砂泥或其它有害物質必須清洗時，可用汽油等擦洗，干燥后方可裝配，切忌用汽油浸泡。5．倘若因泵需拆開清洗或檢修，必須注意拆裝步驟，以免損壞機件。

故障分類分為運轉故障和性能故障。運轉故障可包括泵不轉，泵溫太高，漏油，漏水，最大功率超標等。性能故障可包括極限壓力、抽氣效率、噪聲、噴油，氣鎮(zhèn)性能等不達標或不能滿足要求。

故障判斷與診斷例舉

1、泵不轉。情況不明不能先開泵，以免加重故障。用手能盤動和不能盤動。

A、泵能盤動而不轉。原因可以是聯(lián)軸器故障；皮帶打滑；電機接線有誤；電機損壞；電源沒電等。

B、不能盤動或盤起來很重的，原因可以是因為起動泵溫太低，泵油粘度太高；設計制造原因的停泵返油太多。油位太高引起的停泵返油太多（加油太多，或有水汽在泵中凝結，或在排氣管中凝結的水流回泵中）；有異物在泵內(nèi)（進氣管中的焊渣、氧化物；旋片彈簧等泵零件的碎屑）；旋片變形卡??；發(fā)生了咬合（銅套、轉子、中壁、泵蓋、定子、軸承）。

2、泵溫太高。指低級排氣閥附近測得的最高油溫超過使用說明書規(guī)定值。由于泵溫升高會使泵油粘度大幅下降，并使泵油的飽和蒸汽壓升高，使泵的極限壓力升高和抽氣效率下降；使橡膠件容易老化；熱膨脹使運轉的可靠性降低。泵溫太高的原因可能是泵環(huán)境溫度太高，進氣溫度太高，進氣冷卻裝置失效，泵長期連續(xù)運轉入中壓力太高；水冷泵冷卻水量不足，循環(huán)水設計效果不佳；溫控水量調節(jié)閥失效等。

3、漏油?？梢园l(fā)生在軸封，油箱與泵零部件的密封面，放油塞、油標、油孔悶頭、定子部件與支座的通孔連接處，氣鎮(zhèn)閥（例如2X-8）等部位?？捎擅芊饧匣惭b不當，損壞失效，表面不平整、有雜質、粗糙和鑄件疏松等引起。如果停泵后返油，油會進入氣鎮(zhèn)閥，不關氣鎮(zhèn)閥可能會漏油。

自制橡膠墊時，一定要用耐油橡膠，要按照原設計形狀，密封面太大時壓不緊會漏油。

4、漏水?？梢园l(fā)生在水管頭，水套悶蓋平面，放水孔螺塞，放水閥等處，水套鉆穿，鑄件缺陷，凍裂，也可能導致漏水。

5、最大功率超標?？捎砷L期連續(xù)工作入口壓力太高、排氣壓力太高、雜物進入發(fā)生咬合、泵溫太高、旋片等配合間隙太小、電壓太高、泵液返入泵內(nèi)太多等引起，會使電機損壞。應盡量避免在最大功率附近長期連續(xù)運轉。如果表面有沉積物，要定期拆開清除。

6、極限壓力不達標?？捎赏饴?、內(nèi)漏、油孔堵塞、泵油質量不良或污染變質、有水汽等到可凝性物質、儀器儀表失真、泵運轉不正常等引起。

外漏較多時、排氣口可看白色蒸汽。油標處有較多氣泡，手在排氣口上感到排氣壓力。低級排氣閥處油面有較多氣泡。功率會有所增加。這時，首先應檢查氣鎮(zhèn)閥是否已關好。由于新泵出廠每臺都在泵口測極限壓力，所以如有外漏現(xiàn)象，應對泵口及管道、閥門、容器逐一檢查。外軸封失效、油杯無油、油孔悶頭漏氣也可造成外漏。內(nèi)漏可由泵內(nèi)的運動間隙、排氣閥等平面、排氣閥的密封面、內(nèi)軸封、泵蓋平面、進氣管、氣鎮(zhèn)閥密封件等引起磨損、腐蝕、咬合會使運轉間隙加大。油孔阻塞時，打開加油孔聽，泵的噪聲會較輕，在油箱密封良好的情況下，如果手在排氣口上有被吸的感覺，排氣閥可能失效。

如果泵油清潔，長期存放未用，可開氣鎮(zhèn)閥凈化泵內(nèi)水汽。若無效，要檢查儀表。若泵油發(fā)黃發(fā)白已乳化，可全開氣鎮(zhèn)，調大氣鎮(zhèn)量凈化運轉，必要時可在泵口放入適量氣體運轉，可加快凈化過程。若抽入其他揮發(fā)性氣體或液體，要及時換油，必要時請洗油箱。有些泵，在級間氣道里會沉積泵液，為取得好的換油效果，要設法把沉積泵液排出。

7、噪聲。泵的結構設計，電機與泵軸承的噪聲，旋片等運動件是否滑暢、進油量太多、風扇、傳動件產(chǎn)生的噪聲、進氣量大，開氣鎮(zhèn)運轉、擋油板等泵內(nèi)零件松動，安裝不平等引起振動，都會影響泵的噪聲。

8、噴油。防止噴油用的油盒回油孔的大小、位置、密封狀況，擋油板的設計、安裝，排氣口部分的減霧器、擋油帽、油氣分離器，油位的高低，進油量的大小，都會影響泵的噴油，泵口敞開油大氣時，直聯(lián)泵排氣口的氣流速度可以高達30M/S，吹開油面時，泵內(nèi)的循環(huán)油和氣流帶出的油就將考驗防止噴油的各項措施。渦輪分子泵工作原理：通過高速轉動（24000-80000rpm）的葉片將動量傳遞給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動而抽氣，極限真空：5X10-11乇注意：防止雜散磁場引起輪葉的渦流?。π≠|量的氣體（氫氣）的效果受限渦輪分子泵的特點渦輪分子泵的優(yōu)點是啟動快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無氣體存儲和解吸效應，無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。渦輪分子泵結構分子泵輸送氣體應滿足二個必要條件1).渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)下工作。因為當將一定容積的容器中所含氣體的壓力降低時，其中氣體分子的平均自由程則隨之增加。在常壓下空氣分子的平均自由程只有0.06μm，即平均看一個氣體分子只要在空間運動0.06μm，就可能與第二個氣體分子相碰。而在1.3Pa時，分子間平均自由程可達4.4mm。若平均自由程增加到大于容器壁間的距離時，氣體分子與器壁的碰撞機會將大于氣體分子之間的碰撞機會。在分子流范圍內(nèi)，氣體分子的平均自由程長度遠大于分子泵葉片之間的間距。當器壁由不動的定子葉片與運動著的轉子葉片組成時，氣體分子就會較多地射向轉子和定子葉片，為形成氣體分子的定向運動打下基礎。2).分子泵的轉子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動葉片相碰撞后改變隨機散射的特性而作定向運動。分子泵的轉速越高，對提高分子泵的抽速越有利。實踐表明，對不同分子量的氣體分子其速度越大，泵抽除越困難。例：H2在空氣中含量甚微，但由于H2分子具有很大的運動速度(最可幾速度為1557m/s)，所以分子泵對H2的抽吸困難。通過對極限真空中殘余氣體的分析，可發(fā)現(xiàn)氫氣比重可達85％，而分子量較大，而運動速度慢的油分子所占的比重幾乎為零。這就是分子泵對油蒸氣等高分子量的氣體的壓縮比很高，抽吸效果好的原因。渦輪分子泵工作原理渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉子(即動葉輪)、靜葉輪和驅動系統(tǒng)等組成。動葉輪外緣的線速度高達氣體分子熱運動的速度(一般為150～400米/秒)。單個葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵要由十多個動葉輪和靜葉輪組成。動葉輪和靜葉輪交替排列。動、靜葉輪幾何尺寸基本相同，但葉片傾斜角相反。上圖是渦輪分子泵的靜葉輪和動葉輪為20個動葉輪組成的整體式轉子。每兩個動葉輪之間裝一個靜葉輪。靜葉輪外緣用環(huán)固定并使動、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙，動葉輪可在靜葉輪間自由旋轉。在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(圖3a),當氣體分子到達A點附近時，在角度α1內(nèi)反射的氣體分子回到左側；在角度β1內(nèi)反射的氣體分子一部分回到左側，另一部分穿過葉片到達右側；在角度γ1內(nèi)反射的氣體分子將直接穿過葉片到達右側。同理，在葉輪右側(圖3b),當氣體分子入射到B點附近時，在α2角度內(nèi)反射的氣體分子將返回右側；在β2角度內(nèi)反射的氣體分子一部分到達左側，另一部分返回右側；在γ2角度內(nèi)反射的氣體分子穿過葉片到達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉片到達右側，比從右側穿過葉片到達左側的幾率大得多。葉輪連續(xù)旋轉，氣體分子便不斷地由左側流向右側，從而產(chǎn)生抽氣作用。

擴散泵工作原理：泵油經(jīng)電加熱后，產(chǎn)生油蒸汽沿做蒸汽導流管上升到泵的上部，從傘型嘴向下噴出，形成高速運動的、具有優(yōu)越運載氣體分子的能力射流，達到把氣體分子抽出的效果。泵液：穩(wěn)定、蒸汽壓低、汽化熱小、不分解、不吸收氣體、不與周圍物質起反應結構的改進缺點：油蒸汽對真空腔的污染低溫真空泵低溫真空泵(又稱低溫泵、冷泵、冷凝泵)是一種利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的容積式真空泵，是無油高真空環(huán)境獲得設備。低溫泵應用于半導體、集成電路、光電器件的制造工藝過程，是集成電路專用設備中的關鍵設備之一；低溫泵也用于各種其它鍍膜設備和真空應用設備中。特點◆真正的無油真空泵：利用低溫冷板來冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，清潔無污染；◆抽速大：特別是對H2O、H2等氣體抽速很大，因而排氣速度比其他真空泵快，大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量；◆適應性強：真空腔內(nèi)無運動部件，來自外界的干擾或來自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作；◆

可以安裝在任何方位；◆

運動部件少且低速運行，壽命長；◆低溫泵可以達到10－9Pa的極限真空度，部分特殊品種的極限真空度可達10－11Pa工作機理1）低溫冷凝。由于低溫泵冷板表面溫度很低，極容易將撞擊其表面之氣體分子粘住，使其溫度急速下降而被凍結，從而減低空間中的分子數(shù)。2）低溫吸附。這是基于低溫泵的吸附材料與碰撞的氣體分子之間的束縛力而產(chǎn)生的對一些像H2和He等不易冷凝的氣體分子的相對固定，盡管它們的蒸汽壓力還相對較高。3）低溫捕集。兩種氣體同時被抽，但其中一種充當吸附劑。如：如果Ar氣被冷凝成冰晶，它對其它氣體來說，又相當于吸附劑及冷阱。低溫泵的冷源可以是低溫液體(液氮或液氦)，也可以是低溫制冷機。這里介紹制冷機型低溫泵，這種低溫泵的制冷機在兩個溫度級上產(chǎn)生制冷，分別冷卻兩個低溫表面，被抽的氣體就被冷卻在低溫表面上。制冷機的一級通常工作在50K—70K范圍，它用來冷卻靠外的冷板，這個外部冷板既為更冷的冷板充當防輻射的屏蔽，同時又用來冷卻擋在泵入口處的百葉窗(障板)，當水蒸汽碰到障板上時就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。制冷機的二級，即最冷的一級，通常工作在10K—20K之間，用來冷卻靠內(nèi)的冷板，它冷凍穿過百葉窗的N2、O2、Ar等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內(nèi)部的活性炭吸附。低溫泵抽氣機理之一：低溫冷凝

上圖表示低溫泵把真空室內(nèi)的壓力降到極低水平的能力。它表示了低溫沉積層上面平衡壓力和低溫沉積溫度之間的關系。例如：水在760Torr壓力下在373K沸騰。在273K的結冰溫度上蒸汽壓為4Torr。如果冰層被進一步冷卻到150K，平衡蒸汽壓將為4×10-8Torr。如果在制冷機一級溫度上，壓力將低于10-10托數(shù)量級。從這個圖上我們也可看出，對N2來說，如果冷板溫度小于等于20K，壓力將小于10-10托。低溫泵抽氣機理之二：低溫吸附單用低溫冷凝是不夠的，Ne、H2、He等氣體在20K的平衡蒸汽壓力太高了，不能被低溫冷凝在光的表面上，因而，用活性炭來吸附這些氣體。用活性炭作吸附材料是因為它有大的表面面積，也因為再生過程中它在室溫下氣體能很容易地脫附。吸附在活性炭上的氫的平衡壓力決定于活性炭溫度和已吸附的氫的量。隨著吸附的氫的增加，吸附就變?yōu)樵诨钚蕴勘砻娴睦淠?。但冷凝層厚度增加時壓力不變。活性炭抽氫能力很大，如果制冷機把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氫。低溫泵能夠吸住氣體的最大量(抽氣容量)是指對特定的氣體種類的抽吸能力，也就是低溫泵被再生前抽除的氣體的體積。低溫泵的抽氣速度(抽速)由于多數(shù)真空系統(tǒng)工作在室溫，設想理想速度基于室溫。這樣一種分子的速度僅僅由分子重量決定，較輕的氣體具有較大的速度，氫的分子重量是2，通過每平方厘米開口面積上的抽速為44.6L/S。水分子量為18，理想抽速為14.9L/Scm2，而氮為這組中最重的為28，它的理想抽速為11.98L/Scm2。如果所有碰到泵口迎面上