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真空获得技术

时间 : 2022年10月10日分类 :工程百科

[拼音]：zhenkong huode jishu

[外文]：production of vacuum

通过机械、物理或化学等手段在特定容器中获得真空的专门技术。用以产生、改善和维持真空的装置称为真空泵。真空获得技术在真空电子器件工艺、固态电子器件工艺、集成电路工艺和各种真空设备中得到广泛应用。

真空泵对容器的排气方程式为

　　　　 (1)

等式左边表示单位时间由容器流到泵里的气体量，数值上等于SP，这个SP称为排气量，用Q表示。t=0时，容器内的压强为P₁，则由(1)式可以得到容器内压强P随时间的变化为

　　　　 (2)

当t→∞时，P→0。实际上，泵固有的压强下限（一般称为泵的极限压强）P₀并不为零，这时(1)式应改写成

　　　　 (3)

　　　　　(4)

式中S_e称为泵的有限抽速，与此相应，S 称为实测抽速。由(3)和(4)式可知，真空容器内压强下降的快慢与泵的抽速有关，而可以达到的压强下限与泵的极限压强有关，因此，抽速和极限压强是评价真空泵性能的主要参量。

现代真空技术可获得从大气压强直到约10帕的宽达18个数量级的范围。任一真空泵都很难覆盖如此宽的量程，必须按照要求将各种泵组合应用。图1为各种泵大致的工作压强范围。

真空泵可分为两大类。一类是将容器中气体传输到下一级泵或大气中去，包括变容积真空泵和动量传递真空泵。另一类是容器中的气体被吸附或冷凝在泵的内表面上，包括吸附泵、低温冷凝泵、吸气剂泵、溅射离子泵等。

油封旋转机械泵

属变容积泵，有旋片式、定片式和滑阀式三种。它们采用机械的方法周期性地改变排气腔内的体积以达到排气目的。以旋片式为例（图2），气体从入口 1入腔（图2a），旋片2把进气腔3和排气腔4隔离（图2b、c），最终气体被压缩并通过出口5被排放到大气中去(图2d)。整个腔体浸没在油内，以保证出口和入口之间、进气腔和排气腔之间的密封和润滑。如需要排除可凝性蒸气，则要采用气镇结构泵，这种泵在排气腔的压缩区装一气镇阀，定时送入一定量空气，以防止蒸气在压缩过程液化而溶入油内，这样便使可凝性蒸气随空气一起由出口排出。

罗茨泵

属变容积泵，图3a为一种罗茨泵的结构。它有一个近椭圆形腔体，其中有一对以相反方向旋转的 8字型叶轮。叶轮之间和叶轮与腔体内壁之间彼此互不接触，其间隙约为0.1～0.5毫米，故可作高速旋转。罗茨泵的工作过程如图3b所示。罗茨泵一般配备一个前置油封机械泵。罗茨泵在低于10⁴帕的压强下工作，在10³～10^-2帕范围有较高抽速，可用以获得中真空，或用作高真空泵（如扩散泵）和机械泵之间的中间泵。

分子泵

属动量传递真空泵。实用的分子泵是涡轮分子泵，其工作原理是依靠高速运动的物体表面把定向速度传递给入射表面的气体分子，造成泵出口、入口的气体分子正向、反向传输几率的差异而产生抽气作用。涡轮分子泵典型结构见图4a，它由涡轮叶片组件、中频马达和外壳组成。涡轮叶片组件包括若干转子叶轮和定子叶轮，每一叶轮相应于一级。叶轮的制法之一是在薄圆片上径向开槽，再按相同角度扭成许多近似平行的叶片，定子叶轮的开槽方向与转子叶轮相反。图4b为转子叶轮剖面图。叶片转动时的平均平移速度v_b大体上等于空气分子的平均热运动速度，气体与叶轮相碰获得定向速度，而叶轮开槽的角度保证分子由入口到出口的传输几率大于相反方向的几率。出口、入口压强相等时泵有最大抽速。分子泵的压缩比和气体分子量的平方根成正比，气体分子越轻，压缩比越小，分子泵的残气主要由氢组成，而重的碳氢化合物是极少的，因此分子泵油蒸气污染较轻。

蒸气喷射泵

属动量传递真空泵，它利用油蒸气、水蒸汽或汞蒸气喷流进行排气。根据工作压强范围的不同分为扩散泵和增压（喷射）泵，前者入口气体处于分子流状态，后者处于分子粘滞流状态。图5a是近代金属扩散泵的剖面图。油锅内产生的蒸气由各级喷嘴喷出，形成向下的喷流，射到水冷外壁后，冷凝而返回油锅。蒸气流是超声速的，一直维持到与壁相碰为止。扩散到超声速蒸气喷流内的气体分子得到向下的动量而射入较高压强区。近代扩散泵一般有三、四级喷嘴，即气体经三、四级压缩，压强逐级提高，直到出口压强。前级泵的作用是保证一定前置压强以维持喷流机能。泵的前置耐压（即仍可工作时泵出口处的最大压强）一般为25～70帕，而油锅内的压强一般为200帕左右。

扩散泵的四个工作区是恒定抽速区、恒定排气量区、机械泵影响区和压缩比限制区（图5b）。恒定抽速区是正常运行区，即扩散泵是恒定抽速装置。对大多数气体，恒定抽速区的压强范围为10^-1～10^-9 帕。在0.1～10帕范围，排气量近似保持恒定，最高排气量在监界点。在压缩比限制区抽速随压强逐渐下降到零。假设泵的极限压强为10帕(图5b)，前级压强为1帕，则其压缩比为10¹⁰。

在扩散泵排气系统中，工作液蒸气的返流是一个有害因素，返流率还与阱、挡板和管路有关。应用高质量、低蒸气压、抗氧化的工作液如硅油和聚苯醚等加上液氮阱，可使返油率降低到8.7×10^-8毫克／厘米²・米。

如果扩散泵的前级采用机械泵，则机械泵油蒸气返流是真空室污染的主要因素，尤其对于有旁通管路预抽真空室的系统，必须应用分子筛、活性氧化铝或其他形式的挡油阱。

吸附泵

用多孔性吸附剂（分子筛丸、活性炭等）堆积于金属翼片之间或压结在金属带上并用液氮冷却，被抽容器的气体分子被具有大面积的吸附剂捕集。在空间内建立的平衡压强取决于气体在吸附剂表面的物理吸附的恒温线。吸附泵主要用作前级泵，因为在液氮温度（-196）下，分子筛5A对氦、氖的平衡压约为10^-1帕左右，它相当于大气压中氦、氖的分压强。为了提高吸附泵的极限压强，必须设法预先去除被抽容器中的氦、氖、氢，或把致冷剂的温度降低到20K以下。氩气的液化点高于氮，因此在液氮温度下氩很容易被抽走。在吸附泵不工作时，原在低温下吸附的气体将释出，使泵内压强增高，故吸附泵设有安全阀。吸附剂经长期使用后吸附性能变差，可以通过加热再生。

低温冷凝泵

利用气体凝结在低温金属壁面上形成固化层的原理而工作。其平衡压强取决于气体固化层的饱和蒸气压和周围环境温度，浸没式液氦冷凝泵的典型结构见图6。冷凝面在泵的底部，四周被液氮冷却的面所包围，气流通过不透光的人字形挡板进入冷凝面，根据屏温(即环境温度)的不同可获取10^-8～10帕的真空度。另一种低温冷凝泵是氦闭循环致冷机式，冷源是致冷机的冷头，直接置于被抽容器空间，一般有两级冷头，第一级80～120K，第二级8～20K，这种泵可避免灌入液氦的困难，因而得到广泛的应用。氢在液氦温度(4.2K)下仍有较高蒸气压（10^-4帕），因此难以凝聚。但是它易于被吸附剂或其他气体的凝聚层所吸附，故常在低温泵的冷凝面上涂复活性炭吸附剂层或引入氩、二氧化碳等气体形成凝聚吸附层，以获得更低压强。

溅射离子泵

利用溅射和电离两种作用而工作。泵由阴极钛板和阳极不锈钢筒组成 (图7)。在阴极附近产生的电子（由场致发射、宇宙射线或正离子轰击阴极产生）在正交的电场和磁场作用下作螺旋线运动(图7中①)，电子在运动过程与气体分子不断发生电离碰撞，由此产生的电子又加入螺旋线运动，而产生的正离子质量大，在电场作用下轰击钛阴极（图7中②），引起阴极钛溅射到阳极圆筒内壁，沉积形成新鲜的、化学性质活泼的钛膜 (图7中③)，另一部分钛沉积在正对不锈钢筒壁的阴极b区（图7中④）。它是靠活性气体和溅射产生的蒸发钛膜发生反应而排除气体。氩等隋性气体（以及氮等活性气体），在轰击钛阴极过程中以离子形式埋入阴极边缘区或以原子形式被钛膜埋在阳极筒内壁(图7中⑤)。因此，泵对不同气体的抽速差别很大。不同结构的离子泵对氩抽速约为氮抽速的1％～30％。

吸气剂泵

吸气剂是真空电子器件常用的一种材料。吸气剂分蒸散式（如钡合金）和非蒸散式(如锆合金)两种，器件内残余气体分别与蒸散式吸气剂化合或向非蒸散式吸气剂体内扩散，而维持容器内的真空。利用吸气剂原理可做成吸气剂泵。吸气剂泵也分为两种，一类称为升华泵，利用钛、钽等金属加热升华到冷壁形成的薄膜抽气，气体分子与膜碰撞，在膜表面发生反应而被排除，只有极少数气体向膜内扩散。另一类称为体效应吸气剂泵，利用锆、钍与铝、硅、石墨的合金经高温700～1000活化形成微孔型材料，在室温或400左右温度下工作，气体分子与其碰撞后向体内扩散而被排除。吸气剂泵不抽惰性气体，因此常与其他泵联合使用。

参考书目

胡汉泉、王迁主编：《真空物理与技术及其在电子器件中的应用》上册，国防工业出版社，北京，1983。

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