擴(kuò)散泵浦工作原理

1、.染，倘若是如此只要換掉molecular sieve 又可以恢復(fù)正常。擴(kuò)散幫浦先前所介紹的幫浦均是針對使用在低真空的工作環(huán)境，倘若若要使真空環(huán)境達(dá)到高真空，則必須搭配其他種類的幫浦才有可能。擴(kuò)散幫浦可以說是在高真空幫浦中第一個被研發(fā)出來的，早在十九世紀(jì)就已經(jīng)被人使用，只不過當(dāng)時該幫浦的最大缺點是所使用的真空尤其分壓很高，常常發(fā)生油氣回流到腔體內(nèi)形成污染，這是當(dāng)時使用者最大的顧忌 。隨著科技進(jìn)步，低蒸汽壓的真空油被研發(fā)之後，擴(kuò)散幫浦便被大量的使用在真空技術(shù)上。雖然日前渦輪幫浦，離子幫浦以及冷凍式幫浦持續(xù)更新，抽氣速度又快，又乾淨(jìng)，但是壽命長且又堅固的擴(kuò)散幫浦依舊佔有它一席之位。擴(kuò)散幫浦為科學(xué)家

2、Gaede所發(fā)明，當(dāng)時所用的真空由是水銀而不是目前我們所看到的真空油。真空幫浦的原理乃是真空油被加熱之後，獲得極高的熱能，分子的熱運(yùn)動帶著相當(dāng)大的運(yùn)動速度，緊接著分子被類似煙囪的幾何架構(gòu)所導(dǎo)引然後由噴嘴向下噴射，由於該分子具有極大的運(yùn)動速度，因此在經(jīng)由噴射之後其速度可接近音速。當(dāng)分子噴出後，倘若周圍附近有氣體分子，則經(jīng)過碰撞後，一定會有動量的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，結(jié)果該氣體分子便有向下運(yùn)動的趨勢。通常在擴(kuò)散幫浦的氣體出口處都外接一個Rotary pump，該Rotary pump產(chǎn)生一吸力，將這些聚集在幫浦出口處的氣體分子帶走，如此一來擴(kuò)散幫浦的入口處與出口處會因氣體的分子數(shù)的濃度不同而產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象，擴(kuò)散

3、幫浦的名字便因此而來。圖4.22為擴(kuò)散幫浦的外貌圖，而圖4.23則是其其剖面圖。圖4.22 擴(kuò)散幫浦之外貌圖4.23 擴(kuò)散幫浦之剖面圖圖4.24真空油回流之情形由於擴(kuò)散幫浦最主要的原動力來自於真空油被加熱，使真空油的分子具有高速度的運(yùn)動速度，所以具有一個加熱器是擴(kuò)散幫浦的特色。該加熱器置於擴(kuò)散幫浦的底部，真空油被煮沸之後其蒸汽壓隨著煙囪向上竄，至頂部後再隨噴嘴射出，真空油的分子在撞擊幫浦的內(nèi)壁後會形成液體慢慢流回底部，為了使真空油的分子容易凝結(jié)成液體，通常擴(kuò)散幫浦都有水管環(huán)繞在真空幫浦的上半部藉此冷卻，一般而言擴(kuò)散幫浦都具有溫度偵測器，倘若溫度過高時，便會自動切斷電源。擴(kuò)散幫浦早期最擔(dān)心的是真

4、空油的回流污染腔體，雖然使用低蒸氣壓的真空油，但是油氣在高溫運(yùn)作時，難免還是會有油氣回流的現(xiàn)象（見圖4.24）。為了避免該現(xiàn)象,現(xiàn)代的擴(kuò)散幫浦都附帶一些組件，圖4.25便是該組件的外貌，該組件一般稱之為baffer，該baffer 置於擴(kuò)散幫浦的上端，藉此將油氣擋下，除此之外加一個cold trap 也是一個非常重要的附件，每次使用擴(kuò)散幫浦之前便將cold trap 加滿液態(tài)氮，如此一來當(dāng)油氣吸附到cold trap的內(nèi)部時，便馬上冷卻下來，如此油分子根本無法到達(dá)腔體內(nèi)部。圖4.26便是一般常見的cold trap 的外貌以及與gate valve的組合。圖4.25 cold trap 以及g

5、ate valve由於擴(kuò)散幫浦無法從一大氣壓工作到高真空，它的工作環(huán)境必須從低真空環(huán)境下做起，因此對於一個真空系統(tǒng)，操作擴(kuò)散幫浦的程序是有一定。下面我們將簡述一個真空系統(tǒng)如何從大氣壓力抽到高真空的程序 。圖4.25 防止油氣回流的baffer圖 4.26為一般?？吹降恼婵障到y(tǒng), 一個真空腔配備了一個擴(kuò)散幫浦，Rotary pump以及閥門等等。目前腔體是在大氣狀態(tài)之下，若要進(jìn)行抽真空則其操作程序如下圖4.26常見之真空系統(tǒng)一、 首先將擴(kuò)散幫浦的加熱器打開，同時打開冷卻水，冷卻擴(kuò)散幫浦的上半部，此時擴(kuò)散幫浦與Rotary pump之間的閥門(foreline valve)是打開的。二、 等到擴(kuò)散

6、幫浦夠熱了，暫時關(guān)閉擴(kuò)散幫浦與Rotary pump之間的閥門，然後打開Rotary pump與腔體之間的閥門(roughing valve)。讓Rotary pump對腔體進(jìn)行粗抽。此處要特別注意，腔體與擴(kuò)散幫浦的高真空閥（U-VAC valve)是關(guān)閉的。三、 等到腔體的壓力降到10-2 Torr之後，關(guān)閉roughing valve 然後再打開foreline valve，此時將液態(tài)氮加入cold trap 內(nèi)，等一切就緒，再打開U-VAC valve,如此一來腔體便可以被到高真空的要求了。圖4.27 高真空操作程序圖圖4.27便是該程序之示意圖。擴(kuò)散幫浦的加熱是其特色,然而也是最麻煩之

7、處，冷卻水的保持是擴(kuò)散幫浦效率的保證。倘若擴(kuò)散幫浦不使用時，冷卻水最好能關(guān)掉，否則冷卻水繼續(xù)冷卻，而擴(kuò)散幫浦在室溫之下，則有可能在在水管附近凝結(jié)水氣，結(jié)果可能造成水滴流向下方的加熱器,造成加熱器受損,這些現(xiàn)象是經(jīng)常出現(xiàn)的。擴(kuò)散幫浦的維修是所有幫浦裡面最簡單的，若發(fā)現(xiàn)幫浦的抽氣效果不佳，只需將真空油換掉，即可恢復(fù)正常，至於真空油應(yīng)該加多少，各家廠商都有規(guī)格說明。Turbomolecular pumpTurbomolecular pump的觀念是由Becker 首先引入，當(dāng)初他設(shè)計擴(kuò)散幫浦上端的baffer時,藉由旋轉(zhuǎn)的葉片防止真空油回流。後來Turbomolecular pump正式上市但是轉(zhuǎn)速

8、低而且昂貴，後來由MIT Shaprio教授所組成的團(tuán)隊改善馬達(dá)以及潤滑效果，使得Turbomolecular pump開始進(jìn)入全盛時代。現(xiàn)代的Turbomolecular pump不僅有極高的抽氣速度，對於氫氣更是擁有極佳的壓縮比，此外也有很低的終極壓力。Turbomolecular pump的工作範(fàn)圍可以從大氣壓力一直到高真空，然而它無法單獨操作，必須要有一個Rotary pump 來幫忙。圖4.28 Turbomolecular pump內(nèi)靜子與轉(zhuǎn)子之關(guān)係圖Turbomolecular pump的工作原理是藉著高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片將氣體分子給予壓縮，其轉(zhuǎn)速約在24000至60000轉(zhuǎn)之間。圖4

9、.28為Turbomolecular pump內(nèi)部的部份構(gòu)造，由該圖可知其轉(zhuǎn)子是由多組葉片所組成。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，入射的氣體分子便隨著葉片的轉(zhuǎn)動，沿著軸向作旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動由一端移動到另一端，圖4.29為氣體分子與葉片作用之關(guān)係。單一葉片是無法完成抽氣的動作，因此Turbomolecular pump其內(nèi)部是由多組葉片組合而成，在設(shè)計上原則上靠近氣體進(jìn)氣口的葉片應(yīng)該是屬於高抽氣量低壓縮比的形狀,而靠近出氣口處的葉片則是低流速高壓縮比的葉片，然而這樣的設(shè)計非常昂貴，因此通常採取三段式的葉片組設(shè)計，每一組的葉片形狀都不太相同。Turbomolecular pump的軸承是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)順暢的一個重要零件，通常內(nèi)

10、部有油潤滑，其壽命期有一定的時間，不過最近有廠商發(fā)展磁浮式的Turbomolecular pump，該種Turbomolecular pump不需要軸承，避免了更換軸承的苦惱。圖4.29氣體分子與葉片之作用相關(guān)位置圖吸附式幫浦先前所提到的幫浦，不管是高真空或是低真空專用，都是屬於一種將氣體轉(zhuǎn)移的幫浦。接下來所介紹的幫浦是屬於將氣體吃下來的幫浦，這樣的幫浦我們稱之為吸附式幫浦。吸附式的幫浦計有Cyropump, Ion pump, Titanium Sublimation pump和sorption pump。首先介紹CyropumpCyropumpCyropump 其工作原理不外乎是製造一個低

11、溫的環(huán)境，然後利用該低溫環(huán)境來吸附氣體分子，由於該幫浦無法從大氣壓力開始工作，因此須配合其他幫浦,先將腔體的真空粗抽之後，再進(jìn)行Cyropump的運(yùn)作。圖4.30為Cyropump的外貌，圖4.31為Cyropump內(nèi)部構(gòu)造。該Cyropump必須靠一個壓縮機(jī)提供循環(huán)氦氣來冷卻，其冷卻的溫度可以達(dá)到10K左右。在Cyropump內(nèi)有木炭作為吸收氣體的場所，由於木炭能夠在室溫下作degass的動作，這比molecular sieve的溫度低很多。Cyropump若長期使用或是吸入大量氣體，其抽氣量將會降低，此時必須要對Cyropump作再生的動作，那就是將Cyropump內(nèi)部溫度回升到室溫，然後

12、通以氮氣來回數(shù)次，藉此將原本吸附的氣體帶出，如此Cyropump將可恢復(fù)原狀，不過若因操作不當(dāng)有油氣進(jìn)入Cyropump污染了內(nèi)部的木炭，則必須全部更換木炭才有辦法圖4.31 Cyropump內(nèi)部構(gòu)造圖圖4.30Cyropump 之外貌恢復(fù)原抽氣量。圖4.32為Cyropump抽氣之情形，而圖4.33為其相關(guān)配備。圖4.33 Cyropump的相關(guān)附件圖4.32 Cyropump 之抽氣情形Titanium Sublimation pump圖4.35Titanium Sublimation pump與其他幫浦的搭配的情形圖4.34Titanium Sublimation pump的種類與外型這

13、種幫浦俗稱TSP，其工作原理非常簡單，那便是將活性高的Ti金屬蒸發(fā)到腔壁，然後讓Ti金屬與腔體內(nèi)的氣體作用成化學(xué)反應(yīng)變成低蒸汽壓的固體，藉此降低腔體內(nèi)的氣體。該種幫浦其壓力工作範(fàn)圍再10-2 Torr至10-10 Torr，是屬於一種消耗性的幫浦。該種幫浦對於一些惰性氣體和水氣的消除相當(dāng)有幫助，尤其對含有碳元素的氣體，更是個中能手。圖4.34為TSP的外貌，其形狀可分為條狀與球狀，此外該幫浦附有加熱絲，藉此升高溫度將Ti金屬蒸發(fā)。由於加熱時會產(chǎn)生高溫間接影響腔體的溫度，所以該種幫浦需要水將以冷卻。圖4.35是TSP配置於腔體的位置圖，該幫浦須配合其他幫浦使用Ion pump圖4.36 離子幫浦之外貌及剖面圖離子幫浦也是屬於一種吸附式的幫浦，它的作用原理乃是利用高壓將氣體分子游離，隨後被電場吸引撞入鈦板，與鈦金屬作用而埋入金屬板之內(nèi)。由於這種吸附式的幫浦氣體是有進(jìn)無出，所以一旦鈦板埋入氣體分子過多便會失去效用，因此該種幫浦都是用在超高真空的環(huán)境下。改良式的離子幫浦都附有強(qiáng)有力的磁鐵，其主要目的在於增長離子的運(yùn)動距離,藉此更有機(jī)會與其他分子碰撞，而加速抽氣的速度。圖4.36為力子幫浦的外貌及剖面圖。在離子幫浦中，對於Ar的惰性氣體的抽氣是件麻煩的