CN108757380B - 结构简单便于安装的组合泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构简单便于安装的组合泵，它包括一个或多个阳极室组成的用以连接高压的阳极筒，一个或多个用于固定吸气剂泵的底座以及由一组或多组多孔吸气材料组成的吸气剂泵，其特征是固定吸气剂泵的底座同时作为溅射离子泵的阴极使用。优点：1）底座作为阴极使用，可以显著缩小组合泵的体积便于安装在标准电极法兰上，便于组合泵的制造、安装和维修。2）通过增加吸气剂泵长度方向的尺寸或者增加吸气剂泵截面的面积可以调整吸气剂泵的装载量。3）安装简便，可以最大限度的降低真空系统的漏放率，最多用一个接口就可以连接到真空腔上。

Description

结构简单便于安装的组合泵

技术领域

本发明是一种结构简单便于安装的组合泵，属于获得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。溅射离了泵、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若电子运动过程中，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，形成新鲜吸气膜维特泵的抽气能力。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。并且，其离子泵焊接在法兰的另一侧，加工复杂并且离子泵焊接密封在法兰的另一侧，离子泵缺少必要的维修性。

本发明人申请的中国专利2017113869502，采用将吸气剂泵装配在阳极室内，并作为阴极溅射。其虽然解决了上述吸气剂泵无法加热再生、体积大、加工复杂、缺少维修性等问题，但是由于其特殊的结构，受到磁铁的尺寸和重量限制，吸气剂泵的长度很难做长，这意味着吸气剂泵的装载量受到了限制。并且受限于阳极室的尺寸，在一个阳极室中也很难通过扩大吸气剂泵的截面积来扩大吸气剂泵的装载量。

发明内容

本发明提出的是一种结构简单便于安装的组合泵，其目的在于针对现有技术中组合泵存在的缺点，提供一种结构紧凑、制造方便、具有维修性、能加大吸气剂泵装载量的组合泵。

本发明的技术解决方案：一种结构简单便于安装的组合泵，包括一个或多个阳极室组成的用以连接高压的阳极筒，一个或多个用于固定吸气剂泵的底座以及由一组或多组多孔吸气材料组成的吸气剂泵，固定吸气剂泵的底座同时作为溅射离子泵的阴极使用。

所述多孔吸气材料为从钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝中选择一种或多种，将金属或他们的合金粉末混合均匀后，用模具压制成厚度为0.5-2mm的圆片。

所述底座为“几”字形，阳极筒设于底座下部的空腔中，开口正对两个底座互相平行的平面。底座的材质可以从钛、锆、铌、钽中选择一种或多种金属，或含钛、锆、铌、钽的总量大于50%的合金制得。

底座上有一与底座相同材质的金属棒，其穿过阳极筒围成的空腔，并固定在底座上。

本发明的有益效果：

1）吸气剂泵的安装底座作为阴极使用，可以显著缩小组合泵的体积，使得结构更为紧凑；同时底座可以很方便的安装在任何标准的电极法兰上，便于组合泵的制造、安装和维修。

2）通过增加吸气剂泵长度方向的尺寸或者增加吸气剂泵截面的面积可以很方便的根据需要调整吸气剂泵的装载量。

3）安装简便，可以最大限度的降低真空系统的漏放率，最多用一个接口就可以连接到真空腔上。

附图说明

附图1是实施例1中结构简单便于安装的组合泵的结构示意图。

附图2是实施例2中结构简单便于安装的组合泵的结构示意图。

图中1是螺母、2是金属垫片、3是金属管、4是多孔吸气材料、5是钨丝、6是底座、7是阳极筒、8是钛杆。

具体实施方式

一种结构简单便于安装的组合泵，它包括一个或多个阳极室组成的用以连接高压的阳极筒，一个或多个用于固定吸气剂泵的底座以及由一组或多组多孔吸气材料组成的吸气剂泵，其特征是固定吸气剂泵的底座同时作为溅射离子泵的阴极使用。

所述多孔吸气材料为从钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝中选择一种或多种，将金属或他们的合金粉末混合均匀后，用模具压制成厚度为0.5-2mm的圆片。

所述底座为“几”字形，阳极筒设于底座下部的空腔中，开口正对两个底座互相平行的平面。底座的材质可以从钛、锆、铌、钽中选择一种或多种金属，或含钛、锆、铌、钽的总量大于50%的合金制得。

底座上有一与底座相同材质的金属棒，其穿过阳极筒围成的空腔，并固定在底座上。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1、2所示，将从钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝、稀土等金属中选择的一种或多种金属或他们的合金制成吸气合金粉末，然后将上述粉末制成具有一定强度的多孔的吸气材料。这个多孔吸气材料优选的是中间有孔的厚度约1mm的圆形薄片。将多片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。加热元件可以在多孔的吸气材料的内部通过热传导加热，也可以在多孔吸气材料的外部通过热辐射加热。

用钛、锆、铌、钽或他们与别的金属所组成的合金制造固定多孔吸气材料和加热元件的底座，底座至少有一组大致互相平行的平面。或者采用316L不锈钢或其他金属材料作为底座，而在这大致互相平行的两个平面内侧装配钛合金、锆合金、铌合金、钽合金作为变通形式。

用一导电材料，优选的是316L不锈钢的薄片制成一个两端开口的阳极室，如果底座互相平行的区域面积足够大，优选的是将多个阳极室并联组成一个阳极筒。该阳极筒用以连接直流高压电源。

优选的是，用与底座相同材质的金属棒穿过阳极筒，并固定在两个互相平行的平面上。这样一方面可以增加底座的刚性，另一方面可以提高离子泵的溅射性能。

将上述阳极筒装配在上述底座的两个互相平行的平面中间就组成了本发明所阐述的组合泵。这个组合泵可以再通过底座安装在一个标准的电极法兰上，或将其直接放置在真空腔体中，并将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将底座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，本发明的组合泵就可以正常工作了。

实施例1

图1是本发明实施例1的示意图。将40%重量的锆粉、60%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，得到多孔吸气材料（图中4）的。将这些吸气材料通过金属垫片（图中2）分隔的固定在由金属管（图中3）和表面涂覆有绝缘层的直径为0.4mm的钨丝（图中5）组成的加热元件，并通过螺母（图中1）将其固定在一个由1mm厚度的纯钛板制成的“几”字形底座上（图中6）。将厚度为0.25mm的316L不锈钢薄片焊接而成的一个直径为25mm，高度为20mm单室阳极筒（图中7），并将其放入底座下部的空腔中，使开口正对两个底座互相平行的平面。在底座上互相平行的平面上各开一个2mm的孔，将一直径2mm的钛杆（图中8）穿过阳极筒并固定在底座上。

这个组合泵，既可以先安装在电极法兰再连接到真空腔上，也可以安装在真空腔的内部使用。工作时，需要把阳极筒连接并固定在高压电源的阳极、把加热元件中的钨丝连接到直流或交流电源上，同时需要在“几”字形底座的互相平行的平面上安装一组互相吸引的磁铁，这组磁铁可以安置在真空腔内，也可以安置在真空腔外。这样，组合泵就可以正常工作了。

实施例2

图2是本发明实施例2的示意图。本例是具有更大抽速的组合泵，其由5组与实施例1类似的组合泵组合而成，与实施例1不同的是，其固定吸气剂泵的底座略微复杂并且没有实施例1中用以加强溅射作用的钛杆。

同样的，这个组合泵既可以先安装在电极法兰再连接到真空腔上，也可以安装在真空腔的内部使用。同样的，要使该组合泵正常工作，需要把阳极筒连接并固定在高压电源的阳极、把加热元件中的钨丝连接到直流或交流电源上，同时需要在“几”字形底座的互相平行的平面上安装一组互相吸引的磁铁。

实施例3

一种结构简单便于安装的组合泵，由离子泵和吸气剂泵组合而成，包括金属垫片或陶瓷垫片2、金属管或陶瓷管3、多片多孔吸气材料4、加热丝5、底座6、阳极筒7和一组磁铁，底座6作为溅射离子泵的阴极使用；其中，多片多孔吸气材料4通过金属垫片2分隔，固定在由金属管3和钨丝5组成的加热元件上，加热元件通过螺母1固定在底座6上，多孔吸气材料4和加热元件组成吸气剂泵；阳极筒7设于底座6下部的空腔中，一组磁铁分别安装底座的互相平行的平面上相互吸引。

所述多孔吸气材料4为钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝中的一种或多种制得，将金属粉末混合均匀后，用模具压制成厚度为0.5-2mm的圆片。

所述加热丝5直径为0.4mm，是是钼丝、钽钨丝、钼丝、钼铼丝中的一种，表面涂覆有绝缘层。

所述阳极筒7为单室阳极筒，由厚度为0.25mm的316L不锈钢薄片焊接而成的，直径为25mm，高度为20mm。

所述底座6为钛、锆、铌、钽中的一种或多种金属制得。

所述底座6为“几”字形，阳极筒7设于底座6下部的空腔中，开口正对两个底座互相平行的平面。

还包括与底座相同材质的金属棒8，“几”字形底座6上互相平行的平面上各开一个孔，将金属棒8穿过阳极筒7并固定在底座6上。

一种结构简单便于安装的组合泵的工作方法，将组合泵安装在电极法兰再连接到真空腔上，或者真空腔的内部中；工作时，底座6连接到高压直流电源的接地端，阳极筒7连接并固定在高压电源的阳极，加热元件中的钨丝5连接到直流或交流电源上，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，即可正常工作了。

Claims (3)

1.一种结构简单便于安装的组合泵，包括一个或多个阳极室组成的用以连接高压的阳极筒，一个或多个用于固定吸气剂泵的底座以及由一组或多组多孔吸气材料组成的吸气剂泵，其特征是固定吸气剂泵的底座同时作为溅射离子泵的阴极使用；所述底座为“几”字形，阳极筒设于底座下部的空腔中，开口正对两个底座互相平行的平面；

还包括一与底座相同材质的金属棒，其穿过阳极筒围成的空腔，并固定在底座上。

2.根据权利要求1所述的一种结构简单便于安装的组合泵，其特征是所述多孔吸气材料为从钛、锆、铪、钽、钇、铌、钼、钒、锰、铁、镍、钴、铝中选择一种或多种，将金属或他们的合金粉末混合均匀后，用模具压制成厚度为0.5-2mm的圆片。

3.根据权利要求1所述的一种结构简单便于安装的组合泵，其特征是所述底座为钛、锆、铌、钽中的一种或多种，由总含量大于底座总重量50%的合金制得。