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真空系统组成及各种真空泵的工作原理
真空系统的组成及各种真空泵的工作原理
在真空实用技术中,真空的获得和测量是两个最重要的方面,在一个真空系统中,真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。
目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子溅射泵、升华泵等。
真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等。
随着电子技术和计算机技术的发展,各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。
各种真空测量设备与微型计算机相结合,具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。
究竟什么是真空系统?
用一句话来概括,就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。
真空系统设计的基本内容:
是根据被抽容器对真空度的要求,选择适当的真空系统设计方案,进行选、配泵计算;确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等,进行合理配置,最后划出真空系统装配图和零部件图。
真空应用设备种类繁多,但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统,以便在真空容器内获得所需要的真空条件。
举例来说:
一个真空处理用的容器,用管道和阀门将它与真空泵连接起来,当真空泵对容器进行抽空时,容器上要有真空测量装置,这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。
图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度,当需要获得高真空范围内的真空度时,通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。
当串联一个高真空泵之后,通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门,以便高真空泵能单独保持真空。
如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵,为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器,通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板(如图2所示)。
根据要求,还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等,这样就构成了一个较完善的高真空系统。
凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统,通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵),而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵,即它是最主要的泵,被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。
被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路,主泵入口处的阀门称为主阀。
通常前级泵又兼作予真空抽气泵。
被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路,该管路上的阀门称为予真空管道阀。
主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道,该管路上的阀门称为前级管道阀,而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。
总起来说,一个较完善的真空系统由下列元件组成:
1.抽气设备:
例如各种真空泵;
2.真空阀门;
3.连接管道;
4.真空测量装置:
例如真空压力表、各种规管;
5.其它元件:
例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。
获得真空用真空泵。
真空泵按工作条件的不同分为两类:
能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵(如机械泵),用来产生预备真空。
需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵(扩散泵),次级泵用来进一步提高真空度,获得高真空。
真空分段:
①粗真空760~10Pa;②低真空10~10-2Pa;③中真空10-2~10-4Pa;④高真空10-4~10-7Pa;⑤超高真空10-12~10-14Pa;扩散泵是高真空泵,当机械泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。
这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于1Pa气压下才能工作。
因此,必须与初级泵串联使用。
由机械泵和油扩散泵组成的高真空系统工作过程介绍
未抽气前,主阀活塞在下面闭合,4预真空管道阀、5前级管道阀、7放气阀均关闭。
开始抽气前打开扩散泵9冷却水,然后开机械泵,这时机械泵对4预真空管道阀5前级管道阀到机械泵出口的一段管道抽气,当抽气到一定程度时,5前级管道阀打开,机械泵对扩散泵的前级抽气,当抽到符合扩散泵开启条件时,扩散泵电炉通电加热,这时维持20~30min,以便扩散泵充分加热,进入工作状态。
扩散泵进入工作状态后,5前级管道阀关闭,4预真空管道阀打开,机械泵对被抽容器抽气,抽气达到要求时,4预真空管道阀关闭,数秒钟后,3主阀
5前级管道阀打开,扩散泵对被抽容器抽高真空。
10.水冷障板作用是防止扩散泵油蒸汽进入高真空的被抽容器。
在扫描电镜真空系统中采用的是液氮低温冷阱。
真空系统举例
1.钠灯封接用的超高真空系统
用扩散泵和钛升华泵并联为主泵,扩散泵单独串联前级机械泵的真空系统。
图3所示,称为钠灯超高真空封接炉的系统。
可以达到极限真空度为1.33×10-6Pa。
图3.钠灯封接用的超高真空系统
2.回旋加速器的真空系统
回旋加速器的真空系统如图4所示。
该系统一般由真空箱、真空泵(包括高真空泵和前级真空泵)和真空计组成。
在真空箱中连接了2个真空计,PIR1控制0.1Pa~10-5Pa的压力范围,PEN控制高真空范围。
高真空泵是带有阻尼栅板的油扩散泵DP,在油扩散泵和前级真空泵之间连接一个PIR2,用来监测油扩散泵的前级真空压力。
图4.回旋加速器真空系统示意图
3.AMRAY1000B扫描电镜真空系统
AMRAY1000B扫描电镜真空系统如图5所示。
图5.扫描电镜的真空系统示意图
扫描电镜真空系统的工作过程:
打开扩散泵冷却水,空气压缩计达到4个气压时,打开真空电源,开机械泵,按下准备状态,这时机械泵对前级阀V2、旁路阀V3前头到机械泵出口的一段管道抽气,当抽气到一定程度时,气压计TC1提供信号给控制系统,使V2打开,机械泵对扩散泵的前级抽气,当抽到符合扩散泵开启条件时,气压计TC2给控制系统提供信号,扩散泵电炉通电加热,这时维持20~30min,以便扩散泵充分加热,进入工作状态。
扩散泵进入工作状态后,关掉准备状态,V2关,V3开,机械泵对样品室抽气,抽气达到要求时,高真空气压计TC4提供控制信号,这时V3、V4关闭,数秒钟后,V4、V5、V2同时打开,扩散泵对整个系统抽高真空。
其中的冷阱为液氮低温冷阱,是为防止扩散泵的油蒸汽进入高真空的电镜腔室所设。
各种真空泵的工作原理
1.旋片式机械泵
旋片式机械泵的结构图。
它由转子、定子、旋片(或称刮板)、活门和油槽等构成。
泵的定子装在油槽中,定子的空腔时圆柱形。
转子是圆柱形轮子,它偏心地装成与定子空腔内切的位置。
转子可绕自己的旋转对称轴转动,转子是由马达带动的。
转子中镶有两块刮板,刮板之间用弹簧相连,使刮板紧贴在定子空腔内壁上。
当转子转动时,被抽容器中的气体经过进气口到定子与转子之间的空间,由活门及进气口排出。
定子浸在油中,油是起密封、润滑与冷却作用的,进油槽是为了让油进入空腔。
进空腔的油除了上述作用外,还起着协助打开活门的作用,因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开活门,而不可压缩的油,将强迫活门打开,活门的作用是让气体从泵中排出,而不让大气进入泵中。
泵的工作原理如下图所示。
(a)表示两刮板转动时上刮板A与进气口之间的体积不断增大,这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。
(b)、(c)表示进入泵中的气体被刮板B与被抽容器隔开并被压缩到活门。
当转子转动到图(d)的位置时,被压缩的气体的压强大于大气压强,这时活门被打开,气体排出泵外。
两个刮板不停地重复以上过程,实现了对容器连续抽气的目的。
以下是另一种旋片式机械泵的结构图。
2油扩散泵
金属油扩散泵
利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。
这种泵的极限真空为10-4~10-5帕,工作压力范围为10-1~10-4帕,抽速范围为几十至十几万升/秒(1升=10-3米3)。
油扩散泵是获得高真空的主要设备,广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。
简史1915年,德国物理学家W.盖得发表了他研究的扩散泵报告。
1916年,美国人I.朗缪尔制成泵壁带有冷却系统的所谓冷凝泵。
这些泵以汞蒸气为工作介质可获得10-5帕真空。
1928年,英国人C.D.伯尔奇发现高沸点的石油衍生物,1936年,C.D.希克曼等人制成人工合成油。
这两种油在室温下的饱和蒸气压都非常低,从而取代了汞作为扩散泵的工作液。
从此油扩散泵在高真空领域的工业生产和科学试验中就日渐普遍使用,并奠定了高真空技术的基础。
60年代开始,油扩散泵又有了新的发展。
主要的改进是:
①泵的材料采用放气量甚小的不锈钢。
②采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油如聚苯醚和硅油作为泵的工作液。
③改革结构,新型油扩散泵在泵口法兰不变和不过分增大泵的外形尺寸条件下,在法兰下部突出地扩大泵腔的断面,其抽气速率可增大20~40%。
如在此装设一个大直径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等。
泵可有通常泵(指没有扩大泵腔断面的泵)的抽气速率,并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空。
因此,油扩散泵在清洁超高真空的工业生产和科学试验中又取得重要的地位。
结构和工作原理油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成(见图)。
当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时,油锅可开始加热。
沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流,热运动的气体分子扩散到蒸气流中,与定向运动的油蒸气分子碰撞。
气体分子因此而获得动量,产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动。
到前级,油蒸气被冷凝,释出气体分子,即被前级泵抽走而达到抽气目的。
泵油的蒸气压直接影响泵的真空性能。
但油扩散泵所使用的任何泵油,都是蒸气压不同的多组分的混合物。
因此,要提高油扩散泵的抽气和真空性能,泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化。
分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴(高真空端的喷嘴);净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵所抽除,使油逐渐趋于纯净。
泵油在泵结构一定和无漏气的前提下,油扩散泵的抽气特性和极限真空主要取决于泵油的性能。
泵油种类很多,表[几类泵油的特性]
另一种低成本的玻璃油扩散泵。
扩散泵是高真空泵,当机械泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。
这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于1Pa气压下才能工作。
因此,必须与初级泵(机械泵)串联使用。
玻璃四级油扩散泵结构原理图
扩散泵的液体油有多种,目前广泛使用的是3号扩散泵油(20℃时饱和汽压为1.3×10-6Pa)沸点375℃和275号硅油(20℃时饱和汽压为1.3×10-8Pa)沸点430℃。
扩散泵开始工作之前,必须先开动机械泵抽气,达到预备真空时(约1.3Pa),便可以使用电炉对扩散泵蒸发器中的油进行加热,约25~35min的时间,便可观察到,扩散泵油开始沸腾,油蒸汽开始顺向每一级喷口定向喷发,形成射流。
当硅油加热至沸腾时430℃,便产生大量油蒸汽,蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出,此时,由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散,(便称扩散泵)便被带到下方伞形帽喷发的射流,这股射流的压强大于上一级射流,气体分子进入下一级射流,这一级压强又大于上一级射流,而油蒸汽被冷凝水套凝结,沿着管壁经过回油管流回蒸发器,被带到下方的气体则由机械泵以每秒4升的速率抽走,20min后可达到扩散泵的极限真空度。
这些工作状态,只有透过玻璃很容易观察到,扩散、喷发和冷凝的过程,这也是扩散泵名称的由来,这些工作状态金属扩散泵是无法观察到的。
工作中的玻璃油扩散泵。
金属油扩散泵的分解图如下。
3.涡轮分子泵
涡轮分子泵外形
立式涡轮分子泵PfeifferTPU150的结构图
利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子,使气体产生定向流动而抽气的真空泵。
涡轮分子泵的优点是启动快,能抗各种射线的照射,耐大气冲击,无气体存储和解吸效应,无油蒸气污染或污染很少,能获得清洁的超高真空。
涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。
结构和工作原理
1958年,联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵,以后相继出现了各种不同结构的分子泵,主要有立式和卧式两种,图1为立式涡轮分子泵的结构图。
涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。
动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150~400米/秒)。
单个叶轮的压缩比很小,涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。
动叶轮和静叶轮交替排列。
动、静叶轮几何尺寸基本相同,但叶片倾斜角相反。
图2为20个动叶轮组成的整体式转子。
每两个动叶轮之间装一个静叶轮。
静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。
涡轮分子泵的动静叶片结构
立式涡轮分子泵的剖面图
上图为一个动叶片的工作示意图。
在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。
在叶轮左侧(图3a),当气体分子到达A点附近时,在角度α1内反射的气体分子回到左侧;在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧,另一部分穿过叶片到达右侧;在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。
同理,在叶轮右侧(图3b),当气体分子入射到B点附近时,在α2角度内反射的气体分子将返回右侧;在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧,另一部分返回右侧;在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。
倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧,比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。
叶轮连续旋转,气体分子便不断地由左侧流向右侧,从而产生抽气作用。
性能和特点
泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。
压缩比除与泵的级数和转速有关外,还与气体种类有关。
分子量大的气体有高的压缩比。
对氮(或空气)的压缩比为108~109;对氢为102~104;对分子量大的气体如油蒸气则大于1010。
泵的极限压力为10-9帕,工作压力范围为10-1~10-8帕,抽气速率为几十到几千升每秒(1升=10-3米3)。
涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性,因此要求配有工作压力为1~10-2帕的前级真空泵。
分子泵本身由转速为10000~60000转/分的中频电动机直联驱动。
4.吸气剂离子泵(蒸发离子泵和溅射离子泵)
将被抽气体分子电离,并在电磁场或电场的作用下将其输送到泵的吸附表面而被吸气剂捕集的一种真空泵。
吸气剂离子泵是一种无污染的超高真空泵,极限压力可达10-7~10-9帕。
吸气剂真空泵分为蒸发离子泵和溅射离子泵两种。
蒸发离子泵和溅射离子泵在可控热核反应装置、加速器、空间模拟装置和电子器件等方面都得到广泛的应用。
蒸发离子泵
由电离抽气作用与蒸发(或升华)活泼金属的吸附作用相结合的真空泵。
蒸发离子泵因对活泼金属(通常是钛)的加热蒸发形式不同,有各种不同的结构形式。
图1为大型蒸发离子泵的基本结构。
在外部控制的输送机构带动下,钛丝筒把钛丝送到加热柱上。
加热柱受环形灯丝产生的电子束的轰击而加热到2000℃左右,钛丝便连续不断地蒸发、沉积在冷却的泵体内壁上,形成新鲜的钛膜而吸附抽气。
同时,栅极也吸引由灯丝发射的部分电子,使其在电场中高速运动而同气体分子碰撞,电离气体分子。
离子在静电场的作用下飞向低电位的泵体内壁,被新沉积的钛膜所“掩埋”,能量较大的离子还可直接打入沉积在泵壁上的钛膜内。
这种蒸发离子泵对活性气体有较大的抽速,而对惰性气体的抽速则较小。
为了提高对惰性气体的抽气速率,必须提高电离几率,因而电离机构就有多种形式。
溅射离子泵
溅射离子泵外形
电镜上的溅射离子泵
早在本世纪初,就有人在抽真空的电子管中蒸发一些化学活动性强的金属,使其与管内未能抽净的气体发生反应,从而降低空间的气体分子浓度。
这种金属以及起着相同作用的材料就叫做吸气剂,这种方法叫做化学清除。
实验证明,用钛持续蒸发到一个冷却的壁上,可以形成具有相当抽气速率的泵,形成简单的升华泵。
俘获气体分子还可以使用电离吸附的方法。
利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子,正离子在电场作用下被驱逐到负电极上,中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。
这样降低了空间气体分子浓度,达到了获得真空的目的。
这种现象称为电清除,利用电清除达到除气目的的泵称为离子泵。
离子泵对吸附的气体没有选择性。
离子泵和升华泵都能获得很高的真空度,但是单独使用它们来获得更高的真空就有很大的困难。
这与它们的工作机理有很大的关系。
依靠物理吸附的离子泵俘获气体分子的能力有限;升华泵产生的化学键能虽然大,但很容易在其表面形成饱和,影响其进一步吸收气体,而且升华泵对惰性气体吸附效果不好。
因此将两种泵合二为一,就能得到吸气效果更好的溅射离子泵。
溅射离子泵的组成
溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。
阳极是由多个不锈钢圆筒排列组成的蜂窝状结构,阴极是两块平行的钛合金板,将阳极夹在中间,三者相互间保持一定距离并通过高压绝缘陶瓷连接。
阳极施加3~7kV直流高压,阴极接地。
阴阳极板被泵体密封在内部,在泵体外部吸附相对放置的两块永磁铁,磁场方向与极板垂直,磁感应强度1000~2000Gs。
泵体结构如图1。
拆开的溅射离子泵内部
溅射离子泵的工作过程
溅射离子泵又称潘宁泵,顾名思义,它是利用潘宁放电进行除气的。
溅射离子泵是目前比较好的抽真空设备。
溅射离子泵的原理图
溅射离子泵的工作过程比较复杂,可简单的概括如下:
首先,电源启动,在阴阳极板间产生高压。
由于级间距离很近,根据E=U/d可知,电场强度E数值非常大,尤其在阳极筒壁边缘处。
在强大的电场和与之平行的磁场作用下,电子以螺旋线方式高速运动,由于电子运动行程的增加,大大提高了与气体分子碰撞的几率。
电子在空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子,产生的电子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。
此种放电称为潘宁放电,潘宁放电能在很低的压强下进行。
气体分子被电离后形成的正离子加速向阴极板运动,由于能量很大,冲击阴极时产生强烈的溅射,大量的钛原子被轰击出来,溅射出来的钛原子沉积在阳极筒内壁和阴极遭受离子轰击较少的部位,形成的新鲜钛膜在阳极筒内壁上吸附活性气体和亚稳态的惰性气体,在阴极溅射不剧烈的部位掩埋惰性气体。
但以离子态到达阴极的气体分子很可能因离子的连续轰击而解吸,对惰性气体尤其如此。
在大气中约含有1/100的氩。
二极溅射离子泵对氩的抽速不但很低,而且每隔一定时间还显示出规则的压力脉冲。
因此氩是影响泵的极限压力的主要因素。
溅射离子泵必须在10-2帕左右压力下启动,否则因离子流过大而使泵发热,导致吸附气体的解吸,甚至导致极间辉光放电和系统的压力升高,严重时还会影响泵的正常工作。
另外,溅射离子泵对油蒸气的污染很敏感,因此对于不太清洁的系统,泵的起动压力应低于10-2帕。
能达到超高真空(10-10Pa)需要和其它初段排气泵组合。
有一定寿命。
溅射离子泵的特点是:
在工作过程中偶然暴露于大气也不会损坏,结构简单,操作维护容易,无油污染,高真空时耗电量少,能安装在容器的任何位置上。
5.升华泵
升华泵内部的电热丝
钛升华泵的工作原理
从图3可见,钛升华泵的结构大致可分为三部分:
吸气面、热丝(或升华器)和控制器。
钛升华泵的工作过程是由控制器通电给升华器(或热丝),使钛加热到足够高的温度(1100oC)直接升华。
升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上,形成新鲜的钛膜层。
钛在升化和沉积的过程中,与活性气体结合成稳定的化合物(固相的TiO或TiN),结果将空间的气体分子抽除了。
钛升华泵抽除的气体分子吸附在钛膜上,吸附机理是比较复杂的.通常认为是物理吸附和化学吸附综合作用的结果,以化学吸附为主。
累死了!
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