CN110360835B - 一种超高真空除气装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高真空除气装置及方法，包括支撑在波纹管支架上的法兰座，法兰座上连接有可伸缩的波纹管，波纹管的中心设有若干根通过固定的陶瓷支座支撑杆，陶瓷支座连接灯丝；支撑杆中心设有接线柱；在波纹管支架上设有波纹管驱动机构，波纹管驱动机构通过驱动轴螺纹连接平行板支架，通过驱动把手带动驱动轴转动，使得平行板支架的中部平行板沿轴向移动，从而带动连接在波纹管的后端法兰沿轴向移动，驱动波纹管伸缩移动，带动灯丝沿波纹管伸缩。利用真空加热源的热辐射与热电子的动能，从腔体内部给腔壁表面加热，显著加速了内壁表面吸附的气体分子及有机物的脱吸附进程。本发明提高了超高真空系统中的除气效率，具有结构操作简单的特点。

Description

一种超高真空除气装置及方法

技术领域

本发明属于超高真空技术领域，涉及一种超高真空除气装置及方法。

背景技术

超高真空是(Ultra High Vacuum，UHV)指压强低于10^-7Pa的真空，主要应用于表面科学、半导体、粒子加速器等领域。为获得超高真空，需要一个真空腔体和真空抽气系统。不锈钢是目前真空腔体的主要结构材料。

在超高真空系统的安装和维修过程中，腔室难免会破空并暴露大气，腔体内壁表面会吸附大量的气体分子或有机物，成为影响真空度的放气源。为实现超高真空，需要对腔体进行150～250℃的高温烘烤，烘烤时间长达几十小时，以促使被吸附的气体和有机物尽快排出。

目前，超高真空系统的烘烤方法有：在腔体外壁缠绕加热带，在腔体外壁固定铠装加热丝，和直接将腔体置于烘烤帐篷中。以上三种方法均具有各自的缺点，如缠绕加热带操作繁琐，需要一定技巧；烘烤帐篷由于对整个帐篷内的空间加热，需要功率较大，整体效率较低，且它和缠绕加热带都需要安装和拆除，当需要频繁破空时，使用及其不方便；铠装加热丝虽然只需要一次安装，但增加了系统的复杂度和成本，且不适合结构复杂的腔体。此外，这些方法都需要在腔体外部维持长时间的高温，有火灾隐患。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种超高真空除气装置与方法，它具有效率高、结构简单、使用方便安全等特点，以至少部分解决以上提出的技术问题。

本发明的设计思想为：传统的超高真空系统的烘烤方法都是在腔体外加热，且加热方式都是电阻式接触传热，本发明直接摒弃腔外加热的方式，将加热单元置于腔体内部，直接从腔体内部给内壁表面加热。而且，除了利用电阻的焦耳热，还给灯丝加高压，腔体接地，利用热电子的动能轰击腔体内壁，达到除气目的。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种超高真空除气装置，包括灯丝、陶瓷支座、支撑杆、法兰座、接线柱、波纹管、波纹管支架、驱动轴和驱动把手；所述法兰座支撑在波纹管支架上，法兰座上连接有可伸缩的波纹管，波纹管的中心设有若干根支撑杆，支撑杆前端连接有陶瓷支座，陶瓷支座连接灯丝；支撑杆中心贯穿若干个连接到法兰座后端的接线柱；

在波纹管支架上设有波纹管驱动机构，波纹管驱动机构通过驱动轴螺纹连接平行板支架，通过驱动把手带动驱动轴转动，使得平行板支架的中部平行板沿轴向移动，从而带动连接在波纹管的后端法兰沿轴向移动，驱动波纹管伸缩移动，带动灯丝沿波纹管伸缩。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述平行板支架上部焊接在波纹管的前后端法兰上，在平行板支架中部垂直连接有一驱动机构，驱动轴螺纹连接平行板支架的中部平行板和驱动机构，顶部连接在平行板支架端板上，外端部连接一驱动把手。

进一步，所述驱动机构包括上连杆、下连杆连接构成的驱动架，还包括连接在上连杆上的T形柄，驱动轴螺纹连接在T形柄下方。

进一步，所述陶瓷支座为圆柱体，其中心贯穿支撑杆，陶瓷支座顶面设有连接灯丝的孔。

进一步，所述接线柱外周以陶瓷密封。

进一步，所述灯丝为镀钍的钨丝，形状呈螺旋形。

进一步，所述波纹管为可伸缩的焊接波纹管，两端连接法兰前端连接目标超高真空系统，后端连接真空加热源的法兰座。

本发明给出了一种超高真空除气方法，包括如下步骤：

1)将真空加热源与波纹管式直线导入器安装在目标超高真空系统上，并连接好电线；

2)当超高真空系统由机械泵和分子泵抽到10^-5Pa后，驱动直线导入器，收缩波纹管，将灯丝伸入超高真空系统的腔体中心；

3)调节恒流直流电源给灯丝通电流，灯丝会向周围辐射焦耳热并发射热电子，超高真空系统腔体的内壁吸收灯丝的热辐射和被加速的热电子的动能而升温；

4)超高真空系统腔体的温度由K型热电偶监控，并通过恒流直流电源的输出电流和恒压直流电源的电压做反馈调节；

5)当除气完成后，驱动直线导入器，伸展波纹管，将灯丝收回到波纹管内，完成除气。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.本发明加热效率高，本发明的灯丝的焦耳热从腔内直接以热辐射形式传递到腔体内壁表面，避免了灯丝的热量直接耗散到环境中；

2.本发明除气效率高，本发明创新性的利用热电子的动能轰击腔体内壁表面，显著增加腔体内壁表面气体分子和有机物脱吸附的概率；

3.本发明的结构紧凑，安装方便，操作简单，本发明直接连接在腔体的法兰上，省去了超高真空系统的传统的烘烤方法中拆卸加热带或加热帐篷的步骤。

4.本发明与传统的烘烤方法兼容，本发明在腔体内部加热，不占用腔体外部的空间，在采用了本发明的基础上，不影响对传统的烘烤方法的使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是是本发明一实施例的整体立体图；

图2是本发明一实施例的波纹管式直线导入器伸展后的整体立体图；

图3是本发明一实施例的电路示意图。

附图标记说明：

1--灯丝、2--陶瓷支座、3--支撑杆、4--电线及绝缘套、5--法兰座、6--接线柱、7--波纹管、8--波纹管支架、9--驱动轴、10--驱动把手、31--恒流直流电源、32--恒压直流电源、33—接地、34—超高真空系统腔体、35--K型热电偶。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参考图1与图2，本发明一种新型超高真空除气装置包括灯丝1、陶瓷支座2、支撑杆3、电线及绝缘套4、法兰座5、接线柱6、波纹管7、波纹管支架8、驱动轴9和驱动把手10。

本发明的真空加热源具体结构如下：

波纹管支架8上支撑一个法兰座5，法兰座5的规格为CF35，材质为304不锈钢，对真空加热源起支撑作用。法兰座5的内侧中心焊接若干根支撑杆3，支撑杆3中心贯穿接线柱6，接线柱6外周以陶瓷密封。支撑杆3材质为304不锈钢，直径6mm，长度150mm，后端焊接在法兰座5的内侧中心，前端连接有陶瓷支座2。支撑杆起支撑陶瓷支座的作用。陶瓷支座2的材质为可加工陶瓷，整体形状为圆柱体，陶瓷支座的作用是支撑灯丝和屏蔽灯丝尾部对法兰座的热辐射。陶瓷支座的中心连接支撑杆3，顶面有四个孔连接灯丝1；灯丝1共有两根各自独立的、材质为镀钍的钨丝，直径0.25mm，形状呈螺旋形，起热辐射和发射热电子的作用。电线及绝缘套4共有四根，内部电线连接灯丝和接线柱，外部绝缘套对电线起绝缘和屏蔽的作用。

下面介绍本发明的波纹管式直线导入器的具体结构，包括：波纹管7、波纹管支架8、驱动轴9和驱动把手10。波纹管7为可伸缩的焊接波纹管，工作长度为150mm，两端均为CF35法兰，其中前端连接目标超高真空系统，后端连接真空加热源的法兰座5。

如图2所示，波纹管支架8包括一对平行板支架8-1，平行板支架8-1上部焊接在波纹管7的前后端法兰上，支撑并限制波纹管7只在轴向前后移动；在平行板支架8-1中部垂直连接有一驱动机构，驱动机构包括上连杆8-3、下连杆8-4连接构成的驱动架，还包括连接在上连杆8-3上的T形柄8-2，T形柄8-2下方螺纹连接一根驱动轴9，驱动轴9螺纹连接平行板支架8-1的中部平行板，顶部连接在平行板支架8-1端板上，外端部连接一驱动把手10；通过转动驱动把手10带动驱动轴9转动，使得平行板支架8-1的中部平行板沿轴向移动，从而带动连接在波纹管7的后端法兰沿轴向移动，驱动波纹管7伸缩移动。

参考图1，显示的是波纹管7完全压缩的状态。参考图2，显示的是波纹管7完全伸展的状态。

参考图3，结合实施例，配合所述新型超高真空系统除气装置，具体介绍新型超高真空系统的除气方法如下：

将真空加热源与波纹管式直线导入器安装在目标超高真空系统上，并如图3所示连接好电线。当超高真空系统由机械泵和分子泵抽到较高的真空下(约10^-5Pa)后，驱动直线导入器，收缩波纹管7，将灯丝1伸入超高真空系统的腔体中心。调节恒流直流电源31给灯丝1通电流，灯丝1会向周围辐射焦耳热并发射热电子。恒压直流电源32的负极连接灯丝，提供负电位，正极连接超高真空系统腔体34的外壳并接地33。超高真空系统腔体34到灯丝之间会形成电场，热电子在该电场的作用下由灯丝1射向超高真空系统腔体34的内壁。内壁同时吸收灯丝1的热辐射和被加速的热电子的动能而升温，从而加速了内壁吸附的气体分子和有机物的脱吸附进程。同时，超高真空系统腔体34的温度由K型热电偶35监控，并可通过恒流直流电源31的输出电流和恒压直流电源32的电压做反馈调节。当除气完成后，驱动直线导入器，伸展波纹管7，将灯丝1收回到波纹管7内。

电流源为恒流直流电源，输出电流调节范围是0-10A，输出功率最高500W。电压源为恒压直流电源，输出电压调节范围是0-1000V，输出功率最高500W。热电偶为K型热电偶，独立于其他部件，贴在腔体外壁上。

下面通过一个具体实施例来进一步说明本发明。

本发明应用于一直径30cm，厚度0.5cm的球形腔体。经过计算，球腔重量约20kg。给灯丝通5A的电流时，其电阻在高温时约18Ω，总功率约400W。考虑到灯丝是从内部给腔体内壁加热，能量全部被内壁吸收，给球腔从20℃加热到150℃，所需时间计算得约50min。作为对比，传统烘烤方法往往需要数小时的升温时间。

实际上，腔体内壁表面的气体分子的脱吸附进程主要取决于腔体内壁的表面的温度，在本发明中，热量是由内向外传递，内壁表面升温很快，不需要等到整个腔体达到目标温度除气过程就已经开始了。此外，热电子的动能对除气进程还有辅助效果。综合来看，本发明的效率比传统烘烤方法较高，且操作简单，使用方便。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超高真空除气方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将超高真空除气装置的真空加热源与波纹管式直线导入器安装在目标超高真空系统上，并连接好电线；

2）当超高真空系统由机械泵和分子泵抽到10^-5Pa后，驱动波纹管式直线导入器，收缩波纹管（7），将灯丝（1）伸入超高真空系统的腔体（34）中心；

3）调节恒流直流电源（31）给灯丝（1）通电流，恒压直流电源（32）给灯丝（1）和腔体间加电场，灯丝（1）会向周围辐射焦耳热并发射热电子，超高真空系统腔体（34）的内壁吸收灯丝（1）的热辐射和被加速的热电子的动能而升温；

4）超高真空系统腔体（34）的温度由K型热电偶（35）监控，并通过恒流直流电源（31）的输出电流和恒压直流电源（32）的电压做反馈调节；

5）当除气完成后，驱动直线导入器，伸展波纹管（7），将灯丝（1）收回到波纹管（7）内，完成除气；

其中，超高真空除气装置包括灯丝（1）、陶瓷支座（2）、支撑杆（3）、法兰座（5）、接线柱（6）、波纹管（7）、波纹管支架（8）、驱动轴（9）和驱动把手（10）；所述法兰座（5）支撑在波纹管支架（8）上，法兰座（5）上连接有可伸缩的波纹管（7），波纹管（7）的中心设有若干根支撑杆（3），支撑杆（3）前端连接有陶瓷支座（2），陶瓷支座（2）连接灯丝（1）；支撑杆（3）中心贯穿若干个连接到法兰座（5）后端的接线柱（6）；

在波纹管支架（8）上设有波纹管式直线导入器，波纹管式直线导入器通过驱动轴（9）螺纹连接平行板支架（8-1），通过驱动把手（10）带动驱动轴（9）转动，使得平行板支架（8-1）的中部平行板沿轴向移动，从而带动连接在波纹管（7）的后端法兰沿轴向移动，驱动波纹管（7）伸缩移动，带动灯丝（1）沿波纹管（7）伸缩。

2.一种基于权利要求1所述方法采用的超高真空除气装置，其特征在于，所述平行板支架（8-1）上部焊接在波纹管（7）的前后端法兰上，在平行板支架（8-1）中部垂直连接有一驱动机构，驱动轴（9）螺纹连接平行板支架（8-1）的中部平行板和驱动机构，顶部连接在平行板支架（8-1）端板上，外端部连接一驱动把手（10）。

3.根据权利要求2所述的一种超高真空除气装置，其特征在于，所述驱动机构包括上连杆（8-3）、下连杆（8-4）连接构成的驱动架，还包括连接在上连杆（8-3）上的T形柄（8-2），驱动轴（9）螺纹连接在T形柄（8-2）下方。

4.根据权利要求2所述的一种超高真空除气装置，其特征在于，所述陶瓷支座（2）为圆柱体，其中心贯穿支撑杆（3），陶瓷支座（2）顶面设有连接灯丝（1）的孔。

5.根据权利要求2所述的一种超高真空除气装置，其特征在于，所述接线柱（6）外周以陶瓷密封。

6.根据权利要求2所述的一种超高真空除气装置，其特征在于，所述灯丝（1）为镀钍的钨丝，形状呈螺旋形。

7.根据权利要求2所述的一种超高真空除气装置，其特征在于，所述波纹管（7）为可伸缩的焊接波纹管，两端连接法兰前端连接目标超高真空系统，后端连接真空加热源的法兰座（5）。

Images