+真空獲得俘獲真空泵課件

1、真空物理與技術(shù)第5章 真空獲得（俘獲泵）第1頁，共46頁。俘獲泵第2頁，共46頁。俘獲機理 將氣體分子吸附到一個表面足夠長的時間溫度表面化學(xué)鍵表面有效表面 - Capacity !暴露表面增加面積化學(xué)選擇 - selective pumping幾乎所有的材料都可以吸附某種氣體效率：有效表面吸附特種氣體第3頁，共46頁。吸附材料大比表面積活性炭沸石 (鋁硅酸鹽材料)(Linde 5A , Linde 13X)原子尺度的孔納米介孔材料分子篩800 square meters “effective area” per cc.第4頁，共46頁。吸附泵沸石Square miles of surface

2、area冷卻到液氮溫度低溫吸附和毛細吸附共同作用第5頁，共46頁。吸附泵第6頁，共46頁。吸附泵的再生吸附的氣體去哪里了?容量 10 立方米第7頁，共46頁。吸附泵抽氣特性篩溫降低，可吸附分子增多吸附Ne He程度低于N2分子篩暴露空氣中，氮分壓大大低于氖和氦分壓可被吸附的氣體量和殘余氣體壓強關(guān)系第8頁，共46頁。吸附泵抽氣特性商品吸附泵工作在10-3-10-1升（工作室容積）/克（吸附劑）范圍極限壓強取決與室溫下被吸附的氮數(shù)量抽除氧、氬、二氧化碳特別有效大氣抽除以后的平衡壓強第9頁，共46頁。空氣成分第10頁，共46頁。吸附泵的使用吸附泵通常需要兩個共同使用一個從大氣開始抽氣-粗真空一個可以

3、達到高真空第11頁，共46頁。吸附泵小結(jié)優(yōu)點干凈無噪音沒有氣流沒有電流缺點需要液氮選擇性吸附飽和通常用在UHV系統(tǒng)中第12頁，共46頁。低溫泵第13頁，共46頁。低溫泵概述俘獲泵低溫抽氣20K以下，絕大多數(shù)氣體蒸汽壓可以忽略不計HeH2一個極冷的冰柜20K液He極限壓強最低、抽速最大第14頁，共46頁。蒸汽特性第15頁，共46頁。抽氣原理第16頁，共46頁。蒸汽特性要達到10-8Torr以下壓強，必須使用LH2或LHe冷卻LH2可以有效凝聚除He,Ne以及本身以外的一切氣體但LH2用途不廣，爆炸LN2可有效冷卻H2O，CO2 ，但對Ar, O2無能為力LHe成本限制了其使用，但是溫度最低的冷劑

4、 300元/L第17頁，共46頁。低溫泵結(jié)構(gòu)低溫抽氣陣列室溫下，低溫表面不能直接暴露氣源輻射熱負荷冷凝熱負荷低溫表面需要不透光具有中間溫度的擋板第18頁，共46頁。冷表面二級冷表面H2O蒸汽60KHe和H2抽除困難10 K (difficult)He/H2吸附量有限注意保護第二級冷表面遠離容易飽和氣體遠離熱負載無油第19頁，共46頁。冷卻液He純度 （Ultra Pure)壓縮機Similar to a refrigerator cycle but different第20頁，共46頁。Capacity抽氣能力低溫泵到底能吸附多少氣體？取決于氣體種類和泵的機械結(jié)構(gòu)9000Torr.L H2-a

5、 lot but not infinite106Torr.L Ar空氣/水汽抽速與泵口分子入射率相關(guān)取決于吸附與脫附的平衡第21頁，共46頁。第22頁，共46頁。抽速A black hole for water vapor氣體吸氣表面入射率逃逸率凈抽速單位水蒸汽1級表面15015L/sec.cm2N22級表面上11.98.93L/sec.cm2H22級表面內(nèi)部45396L/sec.cm2第23頁，共46頁。統(tǒng)計數(shù)據(jù)10法蘭盤低溫泵10,000 liter/second H2O1700 liters /second Ar4700 liters per second H22000 liters p

6、er second N2抽速和分子入射率、氣體分子種類密切相關(guān)第24頁，共46頁。分類LHe貯槽式12L LHe S(H2) =4500L/s，200Day12L LHe S(H2)=27000L/s，200Day流程式封閉循環(huán)（體積龐大，多用于空間模擬）GHe閉環(huán)式He壓縮機第25頁，共46頁。低溫泵小結(jié)優(yōu)點干凈 無油不因突然漏氣而損壞抽速大HV，UHV 109Torr接近無限大的吸氣能力 (除了He, H2)缺點存儲了大量的氣體熱敏感和部分氣體反應(yīng)壓縮機第26頁，共46頁。低溫泵和渦輪分子泵比較干凈 無油 高真空泵現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用低溫泵中等尺寸與氣體反應(yīng)貯存氣體渦輪分子泵尺寸小與氣

7、體不反應(yīng)抽除氣體Typically in each applicationsTypically in film deposition applications第27頁，共46頁。典型的低溫泵系統(tǒng)第28頁，共46頁。升華泵第29頁，共46頁?；瘜W(xué)清除p=nkT，壓強正比于氣體分子濃度化學(xué)清除蒸發(fā)化學(xué)活性金屬與容器內(nèi)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物收氣劑（消氣劑）蒸散式：依靠高溫蒸散到別的元件上非蒸散式：適當溫度下工作（少量蒸發(fā)）第30頁，共46頁。蒸散式收氣劑小型電子管抽空到某一真空度后，除氣玻璃除氣溫度(400-500C)下蒸汽壓大的蒸發(fā)率：Ba, Ma層剝落常見非蒸散式收氣劑鋯價格貴，可能引起爆

8、炸用鋯鋁合金代替鈦第32頁，共46頁。升華泵Ti持續(xù)蒸發(fā)到冷壁上，構(gòu)成相當抽氣速率的泵鈦絲蒸發(fā)器高溫Ti機械強度太差鈦絲、鉬絲纏繞，通電加熱空心鈦鉬合金球，內(nèi)部白熾鎢絲加熱比抽速O2 N2 CO 10L/cm2活性表面H2 40L/cm2活性表面不能抽除惰性氣體升華泵可提高真空度約2個數(shù)量級第33頁，共46頁。離子泵第34頁，共46頁。電清除電清除 A在電場作用下被驅(qū)逐到負極被中和新形成的氣體分子被金屬吸附而不再離開電極實際上降低了空間分子濃度離子泵第35頁，共46頁。離子泵基本結(jié)構(gòu)能吸附離子的表面：清潔的，冷的負電表面電子源（W熱陰極）加速電子的陽極第36頁，共46頁。離子泵偏壓第37頁，共

9、46頁。離子泵的限制超高真空設(shè)備對活性氣體和惰性氣體同時起作用表面足夠大，沒有漏氣放氣，極限壓強很低實際很快飽和（擴散的速率低于吸附的速率）抽速慢，1L/s操作擴散泵將離子泵抽至10-5Pa泵體，電極烘烤除氣離子泵工作第38頁，共46頁。離子蒸發(fā)泵離子泵的限制清潔表面：放電過程不斷補充新的活性表面對惰性氣體抽除能力不強：吸附，沒有反應(yīng)離子蒸發(fā)泵利用離子泵抽氣利用收氣金屬不斷蒸發(fā)形成新的表面收氣劑對離子作用遠大于對分子作用新鮮粒狀表面，增強氣體分子向內(nèi)能徙動第39頁，共46頁。結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器直熱、電子束加熱、陰極濺射電離器二極管、三極管、冷陰極磁放電、熱陰極磁放電蒸發(fā)金屬Ti（鈦泵）-不同與鈦升華泵第40頁，共46頁。冷鈦泵（濺射離子泵）結(jié)構(gòu)陽極:不銹鋼圓筒陰極:鈦板磁場:平行與陽極筒,0.1-0.2T工作電壓:3-7kV,潘寧放電過程預(yù)抽氣到1Pa正離子濺射陰極TiTi在陽極沉積抽氣與Ti反應(yīng)（化學(xué)）擴散到Ti電極內(nèi)（物理）埋葬（物理）第41頁，共46頁。抽氣單元增加層積面積單室抽氣速率1-3L/s50單元極限真空10-9Pa抽速選擇性抽氣壓強高:放電電流大,陽極電壓降低;空間電荷壓強低:繁流初始電子太少磁場第42頁，共46頁。氬不穩(wěn)定惰性氣體抽除能力不強？(物理吸附）有效抽除He（離子埋葬）Ar抽速差，不穩(wěn)定現(xiàn)象三極式冷鈦泵第43頁