超高真空系统简述

超高真空系统简述
1.1 超高真空系统的配置
真空的获取是靠减少真空系统中的气态分子数目来实现的，其主要的方法有对气态分子进行排出或者捕捉。

在此次超高真空获得实验中我们主要利用的真空获取设备有机械泵，分子泵，离子溅射泵和钛升华泵。

1.1.1 机械泵
利用机械的方法抽气获得真空的设备都称为机械泵。

其大致的原理如图1所示，是利用工作室体积的周期性变化来达到目的的，在工作室体积最小的时候工作室与吸气孔连通，此后工作室体积不断变大并且在达到最大时与吸气孔断
开，之后工作室体积变小且在工作室压强大于1时排气口打开，气体被排除。

图1 分子泵原理示意图
属于这一类机械泵的主要有活塞泵，多叶片转到泵，油封泵等几种，在使用这一类的机械泵时要注意一般的机械泵不适宜抽蒸汽，因为蒸汽在压缩以后无法从泵中排出去。

1.1.2 分子泵
分子泵主要有涡轮分子泵，牵引分子泵和复合分子泵。

涡轮分子泵是靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。

这种泵通常在分子流状态下工作。

牵引分子泵是靠气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。

复合分子泵是由以上两种分子泵串联起来组成的复合型的分子泵。

分子泵的优点是启动时间比较短，系统压强变化时不会造成损坏。

缺点是分子泵是一种次级泵，不能直接对大气进行抽气，需要配备前级泵。

所以在使用分子泵的过程中要注意启动分子泵所需要的最低真空度。

而且分子泵对氢的压缩比较低，需要使用升华泵来克服这个缺点。

1.1.3 离子泵
离子溅射泵的原理如图2所示，它的阳极材料是不锈钢筒，阴极材料是钛板。

在磁场和电场的作用下通过放电过程使气体电离而实现抽气。

电离后离子在电场的作用下加
速飞向阴极钛板，钛板受到轰击后钛被溅射出来，在阳极以及阳极表面形成钛膜，活性气体分子与之反应形成化合物后沉积在冷却的管道壁上，这就达到了气体抽除的目的。

溅射离子泵(200～400L/s)在10-5～10-7Pa范围作为系统的主排气泵。

选用三。

由于真空系统的工作范围在10-8Pa，因此要极溅射离子泵可同时抽除Ar及CH
4
求离子泵在10-7Pa范围内仍保持其名义抽气速度，同时要求泵极限真空1×10-9Pa。

RIB分离器和束运线的真空度为10-7Pa，对于溅射离子泵极限真空要求可以适当放宽。

在离子泵的使用过程中要注意它的启动压强，启动时真空度过低会导致离子流过大而使泵发热，有时甚至会导致极间辉光放电或系统压力升高，导致离子泵
无法正常工作。

图2 离子泵原理示意图
1.1.4 升华泵
钛升华泵由国内厂产家加工，钛钼丝从国外进口。

美国VACOM公司生产的钛钼合金丝(85%钛，15%钼)不含Ar，是制作钛升华泵的理想材料。

钛升华泵主要利用的是活泼金属钛很强的抽气速度，其抽气速度取决于泵室的蒸着面积。

它的主要原理如图3所示，它是通过对钛丝进行加热升华，在真空器壁上形成新鲜的钛膜，活性气体分子与之发生碰撞形成化合物沉积在管壁上，又被随后的钛膜所覆盖，如此循环来进行抽气的。

由升华泵的原理可以看到，升华泵对所抽气体具有选择性，对惰性气体的抽气速度不高。

它的优点是结构比较简单，安装操作简单，而且在系统真空度发生变化时一般不会损坏。

图3 钛升华泵示意图
1.2 超高真空搭建的几种方式
近年来，随着科学技术的不断进步和发展，材料加工及应用方面得到了长足进步，使得现在对实现超高真空有了更多的选择。

目前实现超高真空的方式主要有一下几种方式：
（1）由分子泵串联机械泵组成的超高真空系统，这种系统要求在机械泵的入口管道上添加油分子过滤器来收集过滤从机械泵中扩散到管道中的油分子。

若分子泵串联分子筛吸附泵,则它们就构成了无油的超高真空系统，这个系统比较清洁。

（2）用钛泵或者溅射离子泵作为主泵,串联或者并联分子筛吸附泵(做为预真空泵) ,来构成无油超高真空系统。

也可用钛泵联接着预真空机械泵,但这时机械泵的入口管道上要加过滤器来捕集油。

（3）由扩散泵串联扩散泵(作为中间泵)然后再串联机械泵组成的真空系统。

此时主泵可以是一个水银扩散泵,扩散泵的泵顶有冷却挡板和液氮冷阱，中间泵也同样是水银扩散泵。

在中间泵和前级机械泵之间加装过滤器，过滤油。

其间设置有各种单独的加热器和烘烤真空室。

这个系统有能获得超高真空的特点并且它能稳定工作。

（4）由扩散泵和钛泵并联作为主泵,让扩散泵单独串联前级机械泵组成的真空系统。

如钠灯超高真空封接炉系统。

它可以达到的极限真空度为1.33×10-6 Pa。

在本设计中，我们计划选择升华泵加上溅射离子泵作为系统的主泵，并联分子泵，以机械泵作为初级泵。

这样选择的优点是，在超高真空范围内，残余气体的主要成分是H2，约占90%左右，其余成分以CO，水份等为主。

钛升华泵抽H2及CO的效果非常好，但对惰性气体几乎没有抽速，而溅射离子泵对惰性气体的抽速很高，因此我们可以搭配溅射离子泵来抽除系统中残存的少量Ar及CH4等，两者配合，即可使系统达到超高真空。