[拼音]：zhenkong huode jishu

[外文]：production of vacuum

通過(guò)機(jī)械、物理或化學(xué)等手段在特定容器中獲得真空的專門技術(shù)。用以產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置稱為真空泵。真空獲得技術(shù)在真空電子器件工藝、固態(tài)電子器件工藝、集成電路工藝和各種真空設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

真空泵對(duì)容器的排氣方程式為

　　　　 (1)

等式左邊表示單位時(shí)間由容器流到泵里的氣體量，數(shù)值上等于SP，這個(gè)SP稱為排氣量，用Q表示。t=0時(shí)，容器內(nèi)的壓強(qiáng)為P₁，則由(1)式可以得到容器內(nèi)壓強(qiáng)P隨時(shí)間的變化為

　　　　 (2)

當(dāng)t→∞時(shí)，P→0。實(shí)際上，泵固有的壓強(qiáng)下限（一般稱為泵的極限壓強(qiáng)）P₀并不為零，這時(shí)(1)式應(yīng)改寫成

　　　　 (3)

　　　　　(4)

式中S_e稱為泵的有限抽速，與此相應(yīng)，S 稱為實(shí)測(cè)抽速。由(3)和(4)式可知，真空容器內(nèi)壓強(qiáng)下降的快慢與泵的抽速有關(guān)，而可以達(dá)到的壓強(qiáng)下限與泵的極限壓強(qiáng)有關(guān)，因此，抽速和極限壓強(qiáng)是評(píng)價(jià)真空泵性能的主要參量。

現(xiàn)代真空技術(shù)可獲得從大氣壓強(qiáng)直到約10帕的寬達(dá)18個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍。任一真空泵都很難覆蓋如此寬的量程，必須按照要求將各種泵組合應(yīng)用。圖1為各種泵大致的工作壓強(qiáng)范圍。

真空泵可分為兩大類。一類是將容器中氣體傳輸?shù)较乱患?jí)泵或大氣中去，包括變?nèi)莘e真空泵和動(dòng)量傳遞真空泵。另一類是容器中的氣體被吸附或冷凝在泵的內(nèi)表面上，包括吸附泵、低溫冷凝泵、吸氣劑泵、濺射離子泵等。

油封旋轉(zhuǎn)機(jī)械泵

屬變?nèi)莘e泵，有旋片式、定片式和滑閥式三種。它們采用機(jī)械的方法周期性地改變排氣腔內(nèi)的體積以達(dá)到排氣目的。以旋片式為例（圖2），氣體從入口 1入腔（圖2a），旋片2把進(jìn)氣腔3和排氣腔4隔離（圖2b、c），最終氣體被壓縮并通過(guò)出口5被排放到大氣中去(圖2d)。整個(gè)腔體浸沒在油內(nèi)，以保證出口和入口之間、進(jìn)氣腔和排氣腔之間的密封和潤(rùn)滑。如需要排除可凝性蒸氣，則要采用氣鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)泵，這種泵在排氣腔的壓縮區(qū)裝一氣鎮(zhèn)閥，定時(shí)送入一定量空氣，以防止蒸氣在壓縮過(guò)程液化而溶入油內(nèi)，這樣便使可凝性蒸氣隨空氣一起由出口排出。

羅茨泵

屬變?nèi)莘e泵，圖3a為一種羅茨泵的結(jié)構(gòu)。它有一個(gè)近橢圓形腔體，其中有一對(duì)以相反方向旋轉(zhuǎn)的 8字型葉輪。葉輪之間和葉輪與腔體內(nèi)壁之間彼此互不接觸，其間隙約為0.1～0.5毫米，故可作高速旋轉(zhuǎn)。羅茨泵的工作過(guò)程如圖3b所示。羅茨泵一般配備一個(gè)前置油封機(jī)械泵。羅茨泵在低于10⁴帕的壓強(qiáng)下工作，在10³～10^-2帕范圍有較高抽速，可用以獲得中真空，或用作高真空泵（如擴(kuò)散泵）和機(jī)械泵之間的中間泵。

分子泵

屬動(dòng)量傳遞真空泵。實(shí)用的分子泵是渦輪分子泵，其工作原理是依靠高速運(yùn)動(dòng)的物體表面把定向速度傳遞給入射表面的氣體分子，造成泵出口、入口的氣體分子正向、反向傳輸幾率的差異而產(chǎn)生抽氣作用。渦輪分子泵典型結(jié)構(gòu)見圖4a，它由渦輪葉片組件、中頻馬達(dá)和外殼組成。渦輪葉片組件包括若干轉(zhuǎn)子葉輪和定子葉輪，每一葉輪相應(yīng)于一級(jí)。葉輪的制法之一是在薄圓片上徑向開槽，再按相同角度扭成許多近似平行的葉片，定子葉輪的開槽方向與轉(zhuǎn)子葉輪相反。圖4b為轉(zhuǎn)子葉輪剖面圖。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的平均平移速度v_b大體上等于空氣分子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，氣體與葉輪相碰獲得定向速度，而葉輪開槽的角度保證分子由入口到出口的傳輸幾率大于相反方向的幾率。出口、入口壓強(qiáng)相等時(shí)泵有最大抽速。分子泵的壓縮比和氣體分子量的平方根成正比，氣體分子越輕，壓縮比越小，分子泵的殘氣主要由氫組成，而重的碳?xì)浠衔锸菢O少的，因此分子泵油蒸氣污染較輕。

蒸氣噴射泵

屬動(dòng)量傳遞真空泵，它利用油蒸氣、水蒸汽或汞蒸氣噴流進(jìn)行排氣。根據(jù)工作壓強(qiáng)范圍的不同分為擴(kuò)散泵和增壓（噴射）泵，前者入口氣體處于分子流狀態(tài)，后者處于分子粘滯流狀態(tài)。圖5a是近代金屬擴(kuò)散泵的剖面圖。油鍋內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣由各級(jí)噴嘴噴出，形成向下的噴流，射到水冷外壁后，冷凝而返回油鍋。蒸氣流是超聲速的，一直維持到與壁相碰為止。擴(kuò)散到超聲速蒸氣噴流內(nèi)的氣體分子得到向下的動(dòng)量而射入較高壓強(qiáng)區(qū)。近代擴(kuò)散泵一般有三、四級(jí)噴嘴，即氣體經(jīng)三、四級(jí)壓縮，壓強(qiáng)逐級(jí)提高，直到出口壓強(qiáng)。前級(jí)泵的作用是保證一定前置壓強(qiáng)以維持噴流機(jī)能。泵的前置耐壓（即仍可工作時(shí)泵出口處的最大壓強(qiáng)）一般為25～70帕，而油鍋內(nèi)的壓強(qiáng)一般為200帕左右。

擴(kuò)散泵的四個(gè)工作區(qū)是恒定抽速區(qū)、恒定排氣量區(qū)、機(jī)械泵影響區(qū)和壓縮比限制區(qū)（圖5b）。恒定抽速區(qū)是正常運(yùn)行區(qū)，即擴(kuò)散泵是恒定抽速裝置。對(duì)大多數(shù)氣體，恒定抽速區(qū)的壓強(qiáng)范圍為10^-1～10^-9 帕。在0.1～10帕范圍，排氣量近似保持恒定，最高排氣量在監(jiān)界點(diǎn)。在壓縮比限制區(qū)抽速隨壓強(qiáng)逐漸下降到零。假設(shè)泵的極限壓強(qiáng)為10帕(圖5b)，前級(jí)壓強(qiáng)為1帕，則其壓縮比為10¹⁰。

在擴(kuò)散泵排氣系統(tǒng)中，工作液蒸氣的返流是一個(gè)有害因素，返流率還與阱、擋板和管路有關(guān)。應(yīng)用高質(zhì)量、低蒸氣壓、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。

如果擴(kuò)散泵的前級(jí)采用機(jī)械泵，則機(jī)械泵油蒸氣返流是真空室污染的主要因素，尤其對(duì)于有旁通管路預(yù)抽真空室的系統(tǒng)，必須應(yīng)用分子篩、活性氧化鋁或其他形式的擋油阱。

吸附泵

用多孔性吸附劑（分子篩丸、活性炭等）堆積于金屬翼片之間或壓結(jié)在金屬帶上并用液氮冷卻，被抽容器的氣體分子被具有大面積的吸附劑捕集。在空間內(nèi)建立的平衡壓強(qiáng)取決于氣體在吸附劑表面的物理吸附的恒溫線。吸附泵主要用作前級(jí)泵，因?yàn)樵谝旱獪囟龋?196）下，分子篩5A對(duì)氦、氖的平衡壓約為10^-1帕左右，它相當(dāng)于大氣壓中氦、氖的分壓強(qiáng)。為了提高吸附泵的極限壓強(qiáng)，必須設(shè)法預(yù)先去除被抽容器中的氦、氖、氫，或把致冷劑的溫度降低到20K以下。氬氣的液化點(diǎn)高于氮，因此在液氮溫度下氬很容易被抽走。在吸附泵不工作時(shí)，原在低溫下吸附的氣體將釋出，使泵內(nèi)壓強(qiáng)增高，故吸附泵設(shè)有安全閥。吸附劑經(jīng)長(zhǎng)期使用后吸附性能變差，可以通過(guò)加熱再生。

低溫冷凝泵

利用氣體凝結(jié)在低溫金屬壁面上形成固化層的原理而工作。其平衡壓強(qiáng)取決于氣體固化層的飽和蒸氣壓和周圍環(huán)境溫度，浸沒式液氦冷凝泵的典型結(jié)構(gòu)見圖6。冷凝面在泵的底部，四周被液氮冷卻的面所包圍，氣流通過(guò)不透光的人字形擋板進(jìn)入冷凝面，根據(jù)屏溫(即環(huán)境溫度)的不同可獲取10^-8～10帕的真空度。另一種低溫冷凝泵是氦閉循環(huán)致冷機(jī)式， 冷源是致冷機(jī)的冷頭，直接置于被抽容器空間， 一般有兩級(jí)冷頭，第一級(jí)80～120K，第二級(jí)8～20K，這種泵可避免灌入液氦的困難，因而得到廣泛的應(yīng)用。氫在液氦溫度(4.2K)下仍有較高蒸氣壓（10^-4帕），因此難以凝聚。但是它易于被吸附劑或其他氣體的凝聚層所吸附，故常在低溫泵的冷凝面上涂復(fù)活性炭吸附劑層或引入氬、二氧化碳等氣體形成凝聚吸附層，以獲得更低壓強(qiáng)。

濺射離子泵

利用濺射和電離兩種作用而工作。泵由陰極鈦板和陽(yáng)極不銹鋼筒組成 (圖7)。在陰極附近產(chǎn)生的電子（由場(chǎng)致發(fā)射、宇宙射線或正離子轟擊陰極產(chǎn)生）在正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下作螺旋線運(yùn)動(dòng)(圖7中①)，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程與氣體分子不斷發(fā)生電離碰撞，由此產(chǎn)生的電子又加入螺旋線運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的正離子質(zhì)量大，在電場(chǎng)作用下轟擊鈦陰極（圖7中②），引起陰極鈦濺射到陽(yáng)極圓筒內(nèi)壁，沉積形成新鮮的、化學(xué)性質(zhì)活潑的鈦膜 (圖7中③)，另一部分鈦沉積在正對(duì)不銹鋼筒壁的陰極b區(qū)（圖7中④）。它是靠活性氣體和濺射產(chǎn)生的蒸發(fā)鈦膜發(fā)生反應(yīng)而排除氣體。氬等隋性氣體（以及氮等活性氣體），在轟擊鈦陰極過(guò)程中以離子形式埋入陰極邊緣區(qū)或以原子形式被鈦膜埋在陽(yáng)極筒內(nèi)壁(圖7中⑤)。因此，泵對(duì)不同氣體的抽速差別很大。不同結(jié)構(gòu)的離子泵對(duì)氬抽速約為氮抽速的1％～30％。

吸氣劑泵

吸氣劑是真空電子器件常用的一種材料。吸氣劑分蒸散式（如鋇合金）和非蒸散式(如鋯合金)兩種，器件內(nèi)殘余氣體分別與蒸散式吸氣劑化合或向非蒸散式吸氣劑體內(nèi)擴(kuò)散，而維持容器內(nèi)的真空。利用吸氣劑原理可做成吸氣劑泵。吸氣劑泵也分為兩種，一類稱為升華泵，利用鈦、鉭等金屬加熱升華到冷壁形成的薄膜抽氣，氣體分子與膜碰撞，在膜表面發(fā)生反應(yīng)而被排除，只有極少數(shù)氣體向膜內(nèi)擴(kuò)散。另一類稱為體效應(yīng)吸氣劑泵，利用鋯、釷與鋁、硅、石墨的合金經(jīng)高溫700～1000活化形成微孔型材料，在室溫或400左右溫度下工作，氣體分子與其碰撞后向體內(nèi)擴(kuò)散而被排除。吸氣劑泵不抽惰性氣體，因此常與其他泵聯(lián)合使用。

參考書目

1. 胡漢泉、王遷主編：《真空物理與技術(shù)及其在電子器件中的應(yīng)用》上冊(cè)，國(guó)防工業(yè)出版社，北京，1983。

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標(biāo)簽：真空獲得技術(shù)

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