CN108119329B - 一种大抽速结构紧凑的组合泵 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大抽速结构紧凑的组合泵，由溅射离子泵和吸气剂泵组合而成，它包括一个或多个阳极室并联组成的用以连接高压的阳极筒，以及至少一个装在阳极室内、具有加热结构并且含有多孔吸气材料的吸气剂泵，工作时，放置在真空腔体中，将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将多孔吸气材料连接到高压直流电源的接地端，抽真空后通过加热元件将吸气剂泵通电激活，再在阳极筒周围加上磁场。优点：大大缩小了组合泵的体积，使得结构更为紧凑；在阳极室内的阴极溅射得更为强烈，因此具有更大的抽速；再者，多种成分的多孔吸气材料溅射出的吸气薄膜比传统的钛膜具有更大的吸气速度。

Description

一种大抽速结构紧凑的组合泵

技术领域

本发明涉及的是一种大抽速结构紧凑的组合泵，获得超高真空的泵，由吸气剂泵和溅射离子泵组合而成。属于超高真空泵技术领域。

背景技术

现在许多如电子显微镜的科研仪器或系统，需要在超高真空条件下才能正常工作。为达到超高真空，需要2-4个泵串联、并联使用。常用的方式是使用旋片泵或涡旋干式泵作为前级泵以获得10Pa到10^-1Pa的前级真空，然后串联从涡轮分子泵、吸气剂泵、溅射离子泵、钛升华泵、低温冷凝泵中选择一种或几种串联或并联后作为二级泵使用。具体选用什么方案，取决于系统的洁净度、气体种类、气体负载、抽真空的时间、最终的极限压强等要求。常用的二级泵性能各有优缺点。溅射离子泵、钛升华泵和涡轮分子泵能够抽除几乎所有气体。涡轮分子泵对真空腔室的油污染较轻，但是极限压强比较高，并且对于氢气等小分子气体的压缩比较小。吸气剂泵激活后可以在没有动力的情况下持续工作，并且对氢气的抽速很高，但是其不吸收惰性气体。溅射离子泵没有运动部件和油污染，并且可以通过离子流的大小大致判断系统内部的压强，但是其正常运转需要高压电源和磁场。钛升华泵则需要大量的能源来升华金属钛并冷却泵体。低温冷凝泵抽速大、极限压强低，但是价格贵，运行维护费用高昂。

本发明与溅射离子泵和吸气剂泵的组合使用有关。溅射离子泵运行时，实际的物理过程比较复杂，基本包括磁约束气体放电、阴极溅射、次级电子发射、气体分子在薄膜表面上的吸附，脱附与扩散，离子和中性粒子在固体表面的透入和再释出等。

其工作的基本原理是在阳极室加上高压和磁场后，由于场致发射或宇宙射线产生的自由电子在电场的作用下，在阳极室内作轮滚线运动。由于电子在阳极筒内运动的轨迹很长，因此在运动过程中与气体分子碰撞的几率大大增加。每个气体分子被电离的同时，都至少放出一个电子，这些电子也都受电磁场的约束而进入旋转电子运动过程中，于是经过一个短时间的积聚后形成雪崩效应，便在阳极筒内建立起一个强大的旋转电子云。这个过程一般称为潘宁放电。由于磁场的有效约束，这个旋转电子云可以维持到很低的压强，因而气体放电可以自持到很低的压强。潘宁放电产生的离子则奔向低电位的阴极，轰击阴极板，溅射阴极物质，同时产生二次电子，这些二次电子又加入到空间的旋转的电子流中。溅射出来的阴极物质，淀积在阳极内壁和阴极板上，形成新鲜吸气膜维持泵的抽气能力。在超高真空状态下，气体分子十分稀少，其被电离的可能性大大降低，这就导致阴极溅射出的吸气材料大幅减少，因此溅射离子泵在超高真空下抽速会迅速减小。根据离子流的大小和真空度大小相关的这一特性，也可根据离子流的大小来判断系统内部的真空度。溅射出阴极材料的数量除了与离子流的大小也就是轰击阴极材料的离子的多少有关外，还与离子的动能有关。在阳极电压固定的情况下，质量小的气体分子电离后其所具备的动能也小，轰击阴极也不容易引起阴极溅射，因此溅射离子泵抽除小分子量的气体能力也有限。但是小分子量的氢气恰恰是超高真空系统内的主要气体。溅射离子泵所能达到的极限压强主要与其阳极室的尺寸有关，大直径的阳极室才能让自由电子在阳极室内作长时间的滚轮运动。溅射离子泵的抽速与阳极室尺寸相关性不大，因此在实际应用时，溅射离子泵通常需要将许多阳极室并联使用以获得大的抽速，这也意味着其需要更多重量的磁铁。因此溅射离子泵的体积和重量一般都比较大，它的尺寸和重量一般和泵的抽速有线性关系。因此大抽速的溅射离子泵由于其较大的尺寸和重量而难以在小型或便携式系统中应用。

吸气剂泵一般由非蒸散型多孔吸气材料和加热结构组成。非蒸散型多孔吸气材料一般由钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝、稀土等金属中选择一种或多种或他们的合金制成。具体组成由所能提供的激活温度，对氢气的平衡压力的要求，以及多孔材料的牢固度要求决定。为尽可能的扩大吸气材料与气体接触的表面积，一般将这些吸气金属或合金制成粉末，然后通过压制或烧结成型使用。这些材料接触空气后，表面立即被空气中的氧气钝化，形成致密的钝化层，阻止活性气体继续与吸气材料反应。这些多孔吸气材料在真空中通过外置的或内置的结构加热时，随着温度的升高，吸气合金颗粒表面钝化层中的氧逐渐向颗粒内部扩散，暴露出活性表面。不同吸气合金，其能迅速向内部扩散的温度是不同的，如锆钒铁合金约是500℃，而锆铝合金则需要900℃。活性气体分子碰撞到活性金属表面，它不需要任何活化能就能被物理吸附于表面。由于表面扩散的活化能较小，处于物理吸附状态的吸附相分子具有很高的迁移率，它将首先沿着活性表面迅速扩散。在一定条件下，表面吸附的气体被活性金属表面化学吸附，如果有足够的温度，化学吸附的气体将被解离并向吸气金属体积内部扩散。从以上非蒸散型吸气剂工作原理可知，在超高真空状态下，气体分子运动到吸气合金的表面的概率比较小，因此可以保持较大的抽速。并且由于氢分子体积小，在室温下即可向吸气合金内部扩散，因此吸气合金对氢气的抽速和吸气容量都很大。吸气剂泵虽然有很多优点，但是其不吸收如氦、氩等惰性气体，并且对碳氢化合物的吸收需要极高的工作温度。

鉴于溅射离子泵和吸气剂泵有着互补的特点，许多真空系统的设计将他们串联或并联使用。如美国US4334829专利为了解决溅射离子泵的甲烷分解效应，将传统钛板阴极的一个或数个更换为多孔的吸气材料。其虽然解决了溅射离子泵的甲烷分解效应，结构也很紧凑，但是其吸气剂的装载量及其有限，其作为吸气剂泵的吸收容量也有限。并且其多孔吸气材料无法单独加热激活，只能随整管一起烘烤排气激活。这样的设计用于一次性使用的设计是可行的，无法应用于需要反复暴露大气的真空系统。

中国专利200720070902公开了一种带吸气剂的溅射离子复合泵，包括箱体、箱体内安装有溅射离子泵，同时在箱体内还设置了固定形式放置的吸气剂，吸气剂为镀有锆、钒、钛合金的金属薄板，该吸气剂金属薄板在箱内与溅射离子泵相对的另一侧安放。由于采用了特殊的吸气剂材料，其激活温度低，约为150℃，与超高真空烘烤除气温度相当，因此未配备加热装置。该设计只是简单将吸气剂泵和溅射离子泵组装在一个真空腔体中，结构并不是十分紧凑，所占用的体积也近似是溅射离子泵与吸气剂泵的体积和。并且其所采用的吸气剂，虽然激活温度比较低，在超高真空系统烘烤排气的同时就能完成激活，但是其所用的吸气剂是薄膜形式的，其储氢能力及其有限，更为致命的是其未配备加热系统，因此在吸收较多的氢气后其无法加热再生。

中国专利200980109641公开了一种组合式抽气系统，包括吸气剂泵和离子泵。所述吸气剂泵和离子泵安装在同一法兰上并且设置在所述法兰同侧的两个不同点处。该设计尽可能的减少了真空系统的可拆卸密封数以降低系统所能达到的极限真空。同样的，该设计结构并不是十分紧凑，所占用的体积也近似是溅射离子泵与吸气剂泵的体积和。

中国专利201080012078公开了一种包括吸气剂泵和离子泵的组合泵系统。该吸气剂泵和离子泵被串联安装于同一法兰上，并且被分别布置于其相对的侧面，以便于使吸气剂泵和离子泵朝向真空腔室的气体流量源的传导性最大化，从而改进该系统的真空层级。该设计尽可能的减少了真空系统的可拆卸密封数以降低系统所能达到的极限真空，同时最大化了气体到达溅射离子泵的流导。但同样的，该设计结构并不是十分紧凑，所占用的体积也近似是溅射离子泵与吸气剂泵的体积和。

发明内容

本发明提出是一种大抽速结构紧凑的组合泵，其目的旨在能克服现有技术所存在的上述缺点、结构更为紧凑的组合泵。

本发明的技术解决方案:一种大抽速结构紧凑的组合泵，其结构是由溅射离子泵和吸气剂泵组合而成，它包括一个或多个阳极室并联组成的用以连接高压的阳极筒，以及至少一个装在阳极室内、具有加热结构并且含有多孔吸气材料的吸气剂泵，工作时，放置在真空腔体中，将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将多孔吸气材料连接到高压直流电源的接地端，抽真空后通过加热元件将吸气剂泵通电激活，再在阳极筒周围加上磁场。

本发明的优点：将吸气剂泵装入阳极室内，除了可以大大缩小组合泵的体积，使得结构更为紧凑以外，还能使阴极溅射得更为强烈，从而获得更大的抽速，同时多种成分的多孔吸气材料溅射出的吸气薄膜比传统的钛膜具有更大的吸气速度。

附图说明

图1是本发明的实施例1的结构示意图。

图2是用于对比的实施例2的结构示意图。

图3是用于对比的改进的结构实施例3的示意图。

图中的1是钛板、2是多孔吸气材料、3是钛垫片、4是阳极筒、5是磁铁、6是单端开口的钛管、7是钨丝、8是不锈钢薄片、9是不锈钢钢管、10是真空法兰、11是阳极室、12是星形区域。

具体实施方式

一种大抽速结构紧凑的组合泵，其结构是一个或多个阳极室并联组成一个阳极筒，所述的阳极筒用以连接直流高压电源，将至少一个上述吸气剂泵装入至少一个阳极室组成，将这个组合泵放置在真空腔体中，将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将多孔吸气材料连接到高压直流电源的接地端，抽真空后通过加热元件将吸气剂泵通电激活，再在阳极筒周围加上磁场。

所述的吸气剂泵，将多孔的吸气材料与加热元件装配在一起就组成了一个吸气剂泵，其加热元件可以在多孔的吸气材料的内部通过热传导加热，或在多孔吸气材料的外部通过热辐射加热。

所述的多孔的吸气材料，由吸气合金粉末制成具有强度的；这个多孔吸气材料可以是任意形状的，但为了尽可能的扩大吸气表面积，优选的是中间有孔的厚度约1mm的薄片状，具体的外形可以是圆形、或其他边缘到中心的距离有明显差异的各种形状。或是矩形，这样的吸气阴极在溅射时，其由于电场强度的不同，离中心远的部分优先溅射，从而将吸气阴极的溅射区和吸气区分开，避免吸气合金吸收的气体在溅射过程中再次被释放从而造成系统压力的波动。或采用不同直径的圆形，在轴向造成不同电场强度的区域。

根据系统氢气的负载和吸气剂泵再生周期的长短要求，可以选择性的在吸气剂泵的周围加一由钛、锆、铪、铌、钽中选择的一种或他们的合金制成的保护罩，该保护罩有多个通孔以使气体得以穿透。

所述的阳极室是用一导电材料，一个两端开口的316L不锈钢的薄片。

所述的吸气剂泵，其周围加一由钛、锆、铪、铌、钽中选择的一种或他们的合金制成的保护罩，该保护罩有多个通孔以使气体得以穿透。

所述的吸气剂泵一般由非蒸散型多孔吸气材料和加热结构组成。非蒸散型多孔吸气材料一般由钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝、稀土等金属中选择一种或多种或他们的合金制成。

实施例1

如图1所示，一种大抽速结构紧凑的组合泵，其结构包括钛板1、多孔吸气材料2、钛垫片3、阳极筒4、磁铁5、单端开口的钛管6、钨丝7，其中两钛板1间是多孔吸气材料2，分上、下二层，二层间是单端开口的钛管6，钛管一端是钨丝7，钛管上、下面贴有钛垫片3，多孔吸气材料2的上、下方是阳极筒4，钛板1的一侧是磁铁5。

所述的钛板1是相对的两个，其厚度为0.5mm，外径为11cm，钛板也是阴极的一部分，其中一个钛板中央有1直径6mm的圆孔。

所述的多孔吸气材料2，由60%重量的钛粉、40%重量的锆钒铁合金粉混合均匀后，用模具压制成内径为6mm，外径为25mm，高度为1.5mm的圆片，将这些圆片在真空炉中烧结牢固。

所述的钛垫片3是厚度0.5mm，内径6mm，外径8mm，这些垫片将多孔吸气材料分隔开。

所述的阳极筒是由厚度为0.25mm的316L不锈钢薄片焊接而成，直径为10cm，高度为5cm。

所述的单端开口的钛管其外径为6mm，内径为4mm，长度为8cm，将多孔吸气材料和垫片依次穿好，并与钛板1焊接成一体。

所述的钨丝7其直径为0.4mm，表面涂覆绝缘层后塞入钛管内作为加热元件。

工作时，一对磁性相吸的磁铁5，设置在真空腔内，或设置在真空腔外。选用的是铝镍钴铁磁性材料，其中一片磁铁5中央有1cm的圆孔，并将之固定在真空腔内，将阳极筒连接到高压电源的阳极，将阴极连接到高压电源的阴极，组合泵就可以正常工作了。

实施例2

如图2所示，两个厚度为0.5mm，外径为11cm相对的钛板阴极，两者相距8cm，与实施例1不同的是其中一钛板中央没有圆孔。

一个阳极筒，由厚度为0.25mm的316L不锈钢薄片焊接而成的，直径为10cm，高度为5cm。

一对磁性相吸的铝镍钴铁磁铁，与实施例1不同的是，其中一磁铁中央没有圆孔。

不锈钢垫片8，厚度0.5mm，内径6mm，外径8mm，材料316L，这些垫片将多孔吸气材料分隔开。

多孔吸气材料2，由60%重量的钛粉、40%重量的锆钒铁合金粉混合均匀而成，用模具压制成内径为6mm，外径为25mm，高度为1.5mm的圆片，将这些圆片在真空炉中烧结牢固。

单端开口的不锈钢管9，其外径为6mm，内径为4mm，长度为8cm的316L，将多孔吸气材料和垫片依次穿好，并在封闭端与垫片焊接成一体。

真空法兰直径通孔的是6mm ，材质316L，将不锈钢管的一端穿出法兰并焊接密封。

钨丝7直径为0.4mm的，其表面涂覆绝缘层后塞入不锈钢管内作为加热元件。

对比实施例1和实施例2，可以节省30%到40%的安装体积。

实施例3

实施例3与实施例2不同的是阳极筒更改为更适宜溅射的四个并联的直径为5cm，长度为5cm的阳极室11，其同样由0.25mm后的316L不锈钢制成。四个阳极筒所包围的面积与实施例1、实施例2阳极筒包围的面积相等，但是由四个阳极筒围成的星形区域12是新增的区域，因此整个阳极筒所包围的面积比实施例1、实施例2大25%。相应的钛板阴极也更改为边长11cm的矩形。其余与实施例2均相同。

实施例4

对实施例1、实施例2、实施例3用相同的条件进行测试，以说明本发明的优点。测试时，吸气剂泵均没有进行激活以评估新的紧凑结构对溅射离子泵抽速的影响。为避免测试管道的流导对测试结果产生影响，所有的测试均是在一个大的真空腔体中进行。将整个真空腔体进行12h的200℃的烘烤去气，冷却后，在阴极和阳极间施加6KV的高压，用ASTMF798-97中所示的动态法不断通入高纯氮气进行抽速的测试。实施例1最大抽速约为20 L/s，其在1×10^-7Pa下仍然有约7L/s的抽速。实施例2最大抽速约为10 L/s，其在1×10^-7Pa下仍然有约4L/s的抽速。实施例3最大抽速约为17 L/s，其在1×10^-7Pa下只有约3L/s的抽速。

通过以上结果可以很清晰的看出本发明除了结构紧凑以外在抽速方面的优点。在高压强下和低压强下都具有比现有技术更高的抽速积。

Claims (2)

1.一种大抽速结构紧凑的组合泵，其特征是由溅射离子泵和吸气剂泵组合而成，它包括一个或多个并联的阳极筒组成的用以连接高压的阳极室，以及至少一个装在阳极筒内、具有加热结构并且含有多孔吸气材料的吸气剂泵，工作时，将所述组合泵放置在真空腔体中，将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将多孔吸气材料连接到高压直流电源的接地端，抽真空后通过加热元件将吸气剂泵通电激活，再在阳极筒周围加上磁场；

所述的吸气剂泵，将多孔的吸气材料与加热元件装配在一起就组成了一个吸气剂泵，其加热元件在多孔的吸气材料的内部通过热传导加热，或在多孔吸气材料的外部通过热辐射加热；

所述的多孔的吸气材料，由吸气合金粉末制成，中间有孔，厚度1mm的薄片状，外形是圆形或是矩形，在溅射时，由于电场强度的不同，离中心远的部分优先溅射，从而将吸气阴极的溅射区和吸气区分开，避免吸气合金吸收的气体在溅射过程中再次被释放从而造成系统压力的波动；

所述的吸气剂泵，由非蒸散型多孔吸气材料和加热结构组成；吸气剂泵周围加一保护罩，该保护罩有多个通孔以使气体得以穿透；

所述的阳极筒是由厚度为0.25mm的316L不锈钢薄片焊接而成，直径为10cm，高度为5cm。

2.根据权利要求1所述的一种大抽速结构紧凑的组合泵，其特征是所述的多孔吸气材料在两钛板间，钛板的一侧是磁铁；

所述的钛板是相对的两个，其厚度为0.5mm，外径为11cm，钛板也是阴极的一部分，其中一个钛板中央有1个直径6mm的圆孔；

所述的多孔吸气材料，由60%重量的钛粉、40%重量的锆钒铁合金粉混合均匀后，用模具压制成内径为6mm，外径为25mm，高度为1.5mm的圆片，将这些圆片在真空炉中烧结牢固；多孔吸气材料由钛垫片分隔开，所述的钛垫片厚度0.5mm，内径6mm，外径8mm。