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何謂分子泵、離子泵？
點擊次數：659 發布時間：2014-2-12
何謂分子泵、離子泵？
應該都是真空泵。
激光陀螺是迄今為止在慣性技術領域*真正獲得了卓有成效的實際應用的非機電式中高精度慣性敏感儀表。它具有穩定性好、精度高、動態范圍寬、壽命長等諸多優點。而超高真空的獲取是激光陀螺制造過程中至關重要的環節。在激光陀螺的密封、抽真空、檢漏、等離子清洗等過程中，都涉及到超高真空的獲取技術。本文將對激光陀螺生產過程中超高真空的獲取技術進行探討。 1 真空系統的構成
激光陀螺在生產中要求其真空系統具有較高的真空度，并且要求真空系統密封效果好、密封性可靠、可充入惰性氣體和啟動快速。要實現這一目標，不同的廠家根據自己的能力和用戶的要求設計出了不同的真空系統。但總的來說，采用的設備大同小異，圖 1 為生產激光陀螺所用的真空系統的典型結構。
圖1中分子泵（次級泵）是這個真空系統的主要抽氣工具，但由于它不能單獨從大氣環境開始工作，因而在它前面要串聯一個能從大氣開始工作而能達到的真空度往往不高的機械泵（前級泵），并在分子泵和機械泵之間串聯一個油擴散泵（增壓泵）。同時，為了在較短的時間內達到超高的真空度，本真空系統還使用了鈦升華泵作為輔助抽氣的無油泵。當然，也有一些系統由于采用了性能較好的分子泵，省略了油擴散泵，而zui后一級也可以加入離子泵或鋯泵來提高真空系統的性能。 2 主要設備
2.1 真空泵 2.1.1 前級泵
早期的激光陀螺超高真空臺一般采用油封旋片機械泵作為前級泵。機械泵價格便宜，適合在粗真空和中真空中使用，因而被廣泛采用。但它也有明顯的缺點：首先，油封機械泵不是無油真空泵，雖然在次級加入冷阱和分子泵可基本消除油污染，但對于超高真空系統來說，仍然存在一定的污染隱患；其次，機械泵排水蒸氣能力較差，這對潮濕環境下的真空作業十分不利；另外，油封機械泵自身密封性較差，因此不利于抽除和傳輸含有放射性物質的氣體。所以現在機械泵有被性能更*的干泵取代的趨勢。
干泵分為薄膜式以及羅茨式干泵兩種。抽速從 0.9 米 3 / 小時到 50 米 3 / 小時，具有不產生油污和粉塵、排水蒸氣能力強、 低能耗，堅固耐用，可靠性高的優點，另外應用磁力傳動電機技術的干泵還能夠使軸頭動密封變成靜密封，外漏和內漏做到了 “ 零 ” 泄漏。 2.1.2 增壓泵
油擴散泵是依靠泵底加熱器加熱油鍋中的泵油達沸騰溫度產生大量油蒸汽，經導油管由各級噴嘴定向高速噴出將壓縮氣體分子排出。它作為分子泵和機械泵之間的增壓泵起到了壓力“傳遞者”的作用。特別是當所使用的分子泵對氫氣壓縮比不高，而機械泵的所能達到的極限真空又不是很高的情況下，油擴散泵確實對改善系統真空度能起到一定的作用。但是油蒸汽對真空裝置所造成的油污染是相當嚴重的，同時油擴散泵也不能抽除真空裝置內原有的灰塵，啟動和關閉時間較長。隨著分子泵和機械泵性能的改善，很多系統已經淘汰了油擴散泵，采用了干泵加分子泵的無油機組來達到超高真空。 2.1.3 次級泵
要達到超高真空，大家所熟悉的分子泵當然是*的。它由交流逆變變頻電源驅動電機轉子與靜葉輪相對運動抽除、拖動、傳輸氣體分子排出。分子泵是無油泵，抽速大，關閉啟動迅速，使用范圍在 6Pa 至 10 -8 Pa ，是達到超高真空理想的主抽泵
2.1.4 其他輔助泵
要使激光陀螺快速得達到超高真空并加以維持，我們還需要各類輔助抽氣泵。之所以稱它們為輔助泵，主要是因為它們對所抽除的氣體具有一定的選擇性，即只對特定氣體如對分子泵難以抽除的 H 2 、 H 2 O 等活性氣體分子形成有效抽速，而幾乎不抽除陀螺內的工作氣體，如 He 、 Ne 等惰性氣體。這樣即能使整個系統的真空度得到提高，又可以起到提純工作氣體的作用。另外，這些泵主要依賴物理化學作用工作，使用壽命比主抽泵短，因而只能扮演輔助泵的角色。這里我們介紹現在在激光陀螺超高真空排氣臺中常用的幾種輔助泵。 a) 鈦升華泵
當鈦蒸發器被通電加熱后，鈦就大量升華，新鮮鈦沉積在器壁四周，并與碰撞到器壁鈦膜上的活性氣體原子形成穩定的固態化合物。氣體通常以分子形式撞到鈦膜上，如 H 2 O 或 N 2 等。對氣體分子的捕集形成對氣體的抽速。這就是鈦升華泵的工作原理。鈦升華泵的工作范圍在 10 -2 至 10 -9 Pa ，對活性氣體的抽速特別是對氫氣的抽速極快，可快速幫助系統達到超高真空。 b) 濺射離子泵
在正交的電場及磁場作用下，稀薄狀態氣體會產生放電，稱為潘寧放電。應用這一原理，將陽極分割成若干筒型小室，陰極采用鈦板制成。放電產生的氣體陽離子在電場作用下加速飛向陰極，氣體離子射入陰極與鈦形成鈦化合物而被固定抽除。另一方面，氣體離子在陰極板上引起濺射，濺射出的活性金屬鈦在陽極筒及泵壁上形成新鮮鈦膜，活潑氣體分子（如氧、氮等）會被新鮮鈦膜吸附而被抽除。這就是濺射離子泵的工作原理。濺射離子泵的工作范圍為 10 -4 Pa 至 10 -8 Pa ，它具有清潔無油、真空度高、無噪聲、無振動、操作方便等優點。 c) 鋯鋁吸氣泵
鋯鋁吸氣泵是一種吸氣劑泵。它 用鋯鋁壓帶制成，在 400 0 C 下工作，只抽除活性氣體，工作范圍 10 -3 Pa 至 10 -9 Pa ，它的zui大優點是對氫及氫的同位素氘、氚等的抽速很大。 總之，生產激光陀螺的真空臺使用的真空泵應根據自身的需要合理配置。采用低配置可以是機械泵＋擴散泵＋分子泵＋鈦升華泵的組合，它的成本比較低，如果嚴格按照生產工藝操作，仍然可以獲得比較理想的真空度。當然，也可采用更加的配置，按照真空度由低到高的順序可以是機械泵（干泵）＋分子泵＋離子泵＋鈦泵＋鋯泵的組合。這樣的系統近乎，可以達到 10 -8 Pa 的極限真空，滿足生產高精度激光陀螺的要求。當然，這樣的系統價格昂貴，而且對管道和閥門的密封性也提出了更高的要求。 2.2 真空規
在真空臺的操作過程中，準確測量真空度是十分重要的。測量真空的量具稱為真空規（ Vacuum gauge ）或真空計（ Vacuum meter ）。在較高的壓強情況下 [ 例如 1 大氣壓 ~13Pa （ 760~10 -1 Torr ） ] ，作用于單位表面上的力可以直接測出，因而困難不大，準確度也可以較高；但在低壓情況下，壓強是如此微小以至根本不能使用機械方法來進行直接測定，這樣就要求用另外一些辦法——主要是低壓下氣體的某些特性——來作相應的測定，而在測定的過程中不可避免地要在外界引入能量（熱能、電能、機械能等），這樣就同時造成了誤差的來源，因而真空規比之于其他物理量的測定儀器，其準確度顯然要低得多（除了基準量具以外，一般真空規的度部要求在 10% 以內）。同樣的原因決定了各種真空規的不同量程、不同性能和不同的優缺點，于是就出現了特別復雜的選擇真空規的問題。為了能夠選定一種zui合乎需要的測量工具，對于激光陀螺的真空臺而言，就使用了寬量程規、電容規和 B-A 規等真空規對不同的真空段進行測量。
2.2.1 寬量程規
寬量程規主要用于激光陀螺超高真空臺粗真空和中真空的測量。圖 1 所示真空臺的寬量程規由熱偶規和電離規組成，前者用來測量較低的真空度，后者用來測量較高的真空度。
熱偶規由規管和控制單元組成，規管的結構如圖 2 所示，規管由加熱絲和測溫熱偶絲組成。在低壓強時，氣體的熱傳導系數與氣體的壓強有關，熱偶規就是根據這個原理設計的。熱偶規的量程約為 1~100Pa ，可用于粗真空的測量。 真空臺使用的電離規為熱陰極電離規，規管和基本電路圖如圖 3 和圖 4 所示。規管均由三個電極，即燈絲、電子加速極及離子收集極組成。從燈絲發射的電子被加速后，使氣體分子電離，產生的離子流與氣體壓強成正比。測量離子流即可計算出氣體的壓強，這就是電離規的工作原理。這種電離規的量程約為 10 -1 ~10 -5 Pa ，可用于中真空的測量。
2.2.2 B-A 規
激光陀螺真空臺超高真空段的測量主要使用的是 B-A 規。它是一種改進型的電離規，因其設計者是 Bayard 和 Alpert 得名，由于采用了減少收集極暴露在 X 射線內的面積的設計，可以在超高真空狀態 [p<10 -6 Pa （ 10 -8 Torr ） ] 下工作，而且其量程下限可以拓展到 10 -9 Pa （ 10 -11 Torr ）量級，因而成為超高真空測量中的“經典”量具， B-A 規的結構如圖 5 所示。 2.2.3 電容規
在激光陀螺超高真空臺中，除了用來測量一般真空度的寬量程規和測量超高真空的 B-A 規之外，因為還需要對充入陀螺內的惰性氣體進行配比，因此配備電容規是*的。與熱偶規和電離規的測量原理不同，電容規是一種真空計，即它可以直接反映壓力的變化而與氣體種類無關。電容薄膜真空規是基于薄膜的彈性變形來測量真空過程中的壓強的，并將薄膜變形產生的電容變化轉換為與壓強成正比的線性訊號輸出，其等效電路如圖 6 所示。
現在比較*的電容規的量程可達 10 -2 ~1.33 × 10 5 Pa （ 1 × 10 -4 ~1000Torr ），精度為 0.5% 。電容規的zui大優點是可以全部用金屬構成，因而可加熱烘烤除氣。它的量值與氣體種類無關，不論氣體或蒸汽都可有效的測量壓強。其響應時間極短，僅為 0.1~0.002 秒。電容規本身的電容不吸收能量。缺點是對溫度靈敏，室溫變化將引起一定的零點漂移。 2.3 檢漏儀
一個理想的真空容器可假定為毫無漏氣，但任何實際容器都或多或少的存在著漏氣現象。特別是在壓強越來越低時，漏氣逐步上升為真空過程中的主要矛盾。因此在真空技術中，漏孔或漏隙的檢查（簡稱為檢漏或測漏）也是十分重要的。對于激光陀螺來說，陀螺本身的密封性能直接影響到激光陀螺的壽命甚至能否出光的問題，所以檢漏是激光陀螺制造工藝過程中*的一環，也是真空臺維護的基本技術之一。實際中采用的檢漏方法有很多，但在漏孔特別小或系統容積特別大時，壓強隨時間的改變十分有限，這表示以測量壓強為基礎的各種檢漏方法都不夠靈敏，因此就要使用質譜檢漏儀。在激光陀螺的檢漏中我們使用氦質譜檢漏儀。這種方法靈敏度高、反應迅速、檢定可靠，而且對人和真空系統內的部件都沒有損害。 3 影響真空度的因素和解決辦法
設有真空臺的氣體流量為 U ，泵對它的有效抽速為 S e ，則可知容器內的平衡壓強 p 如下式所示： U
P = -- S
在閥門關閉、沒有外界氣體直接流入容器的情況下，以下因素組成了 U 的內容從而限制了更高真空度的獲取：
1) 非無油泵的蒸汽回流；
2) 漏氣：由于真空系統的焊縫或密封部分存在漏隙（稱為真漏），或構成系統的材料本身不夠致密或存在微裂（稱為內漏）
3) 材料的蒸發；
4) 放氣：由容器內壁以及在容器中的物體內部或表面放出氣體； 5) 滲氣：大氣通過真空系統的外壁滲透而進入容器。
由此可見，要得到很低的壓強，必須盡量降低這些氣源。對超高真空的獲取來說，這尤其是決定性的。要解決非無油泵的蒸汽回流問題，主要依靠擋板和冷阱的有效工作；漏氣在很大程度上需要依靠真空臺的制造工藝加以保證；材料的蒸發首先決定于系統內壁和置入物體的污臟程度，依靠清潔處理可以達到比較滿意的效果，其次決定于系統局部不適當的受熱，如果加以注意是容易避免的。而滲氣實際上是氣體在固體表面被溶解，在固體中擴散，然后在固體的另一表面蒸發的“三部曲”，因此在真空系統結構中應當盡量選擇滲氣率小的材料。以上四點主要依賴于生產廠家的質量保證。在真空臺的實際操作中，真正需要我們加以控制和防治的是吸氣與放氣。
在真空中的固體，由于表面原子與氣體分子發生作用，可以吸收氣體，也可以放出氣體。如果固體與氣體之間存在化學過程，典型的說是構成化合物，那么zui終使這一部分氣體不再回到空間，則稱為收氣。如果屬于物理過程，則稱為吸氣。它又可分為吸附和吸收兩種，前者是由于固體表面和氣體分子相互作用，使氣體分子被持留在固體表面形成薄層，后者則是氣體溶解在固體整個體積之中，使氣體分子被持留在固體點陣之內（或稱為吸留）。另一方面也存在和以上各過程相反的“逆過程”，稱為分解和解附，總稱為放氣。 在空間壓強較低和溫度較高時，固體表面吸附的氣體和內部氣體都將陸續釋放到空間來，從而影響到了超高真空度的獲得，因此需要除氣。除氣的方法通常是在連續的抽氣容器中將材料加熱到一個盡可能高的溫度，這時固體表面吸附和內部吸收的氣體會逐步釋出，被真空泵抽掉。而在一定的溫度下維持一定時間之后，固體表面將基本不釋放出氣體，這樣就達到了預期的目的。 4 綜述 總的來說，真空泵是獲得超高真空的主要設備，管道和閥門的合理配置是獲取超高真空的保障，對真空的測量是我們了解真空度的有效手段，要獲得超高真空涉及到材料科學、電子學、動力學、化學等眾多學科，比較全面地了解和掌握真空技術對生產高精度激光陀螺有著重要的意義。