非蒸散型吸气剂在微型离子泵中的应用(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学电子工程系 作者:李城钰

  为确保小尺寸超高真空密封器件的高可靠和长寿命,开发了一种带非蒸散型吸气剂的微型复合离子泵(Mini-Combination Ion Pumps with NEG)。在新建的微型离子泵性能测试系统上,研究了非蒸散型吸气剂对器件存储和微型离子泵启动特性的影响。模拟了微型离子泵与小型真空器件集成为一体时可能遇到不同气体负载时的实际情况,讨论了新结果的可能应用。

  正文:高可靠长寿命小型超高真空密封器件已在很多重要领域得到广泛应用。器件的尺寸愈小,对真空密封的要求愈高,已经成功地推动了质谱检漏技术向超灵敏度(优于1×10-13 Pa·m3/s)方向的发展。与此同时,封口前高温烘烤去气也必需得到可靠的保证。经过长期的选择和发展,离子泵(Ion Pumps,简称IP)已经实现了微型化,开发出系列产品。它既是小巧的真空泵,能在很宽的压强范围内排气,相对其体积而言,具有较高的抽速; 同时又是相对真空计,其离子流可指示真空度。微型离子泵已经与很多实用小型真空器件集成为一体,成为其高可靠长寿命运行的保障。对于那些不允许高温烘烤去气的实用真空器件,更是不可或缺。

  注意到吸气剂(Getters)领域的迅速发展,特别是CERN(欧洲粒子物理研究中心)自1995年开始,在非蒸散型吸气剂(Non Evaporable Getters,简称NEG)薄膜方面的持续开发,已经把大型加速器中的出气表面转化为吸气表面,取得了重大的突破。近十多年来,国内外都已陆续在大型离子泵产品中开发出各种类型的离子/消气剂复合泵(Ion/Getter Combination Pumps)。

  我们在成功开发出微型离子泵后,在与小型超高真空容器集成为一体应用时,曾遇到过储存一段时间后,由于累积出气导致压强过分升高,超过微型离子泵的启动压强,而使整个器件报废等实际问题。考虑到意大利SAES 公司新开发的低温激活非蒸散型吸气剂适合于在封口后不再暴露大气的条件下长期应用,有与微型离子泵形成高性能复合泵的前景,值得加以探讨。注意到国内外至今都尚未见到过微型复合离子泵,即带非蒸散型吸气剂的微型复合离子泵(Mini- Combination Ion Pumps with NEG)或微型离子/非蒸散型吸气剂复合泵(Mini- Ion/NEGCombination Pumps)的相关报导,两年前已完成了这种新泵的设计和初步实验研究,本文是在新建的微型离子泵测试系统上,非蒸散型吸气剂在微型离子泵中应用研究的最新结果和讨论。

1、实验

1.1、微型复合离子泵

  复合泵由非蒸散型吸气剂与微型离子泵集成, 选用意大利SAES公司生产的St 172型NEG。采用高目数的不锈钢网筛将吸气剂颗粒包住焊接到阳极筒外侧,测试结果表明,这种结构既不掉粉也不影响抽速。

1.2、NEG 的激活

  St172推荐的低温激活条件是在真空度优于10-1Pa或超纯惰性气体中加热到400℃半小时,最低激活温度从200℃开始。分别在250℃三小时和350℃半小时等条件下激活NEG,测量其抽速。结果表明:250℃时,尽管经过三小时的激活,实测抽速仍很低;350℃半小时的结果远好于前者,接近推荐条件下的结果,因此文中关于NEG的所有测试均采用推荐条件激活。经过反复实验研究,解决了在推荐条件下使微型复合离子泵局部升温以激活NEG的方案。

1.3、微型离子泵性能测试系统

  由于国内外离子泵的测试标准均只适用于抽速大于10L/s的离子泵,新研制的微型离子泵抽速要低两个量级,只有零点几L/s,需要建立由分子泵、离子泵和干式泵组成的无油超高真空系统,以降低系统本底。参照国内外已有的测试方法和微型离子泵性能测试的经验,新建了微型离子泵性能测试系统,图1重点标出了抽速和压强测试室,可以进行微型离子泵的抽速、离子流与压强关系、最高启动压强和极限压强等重要性能指标的测试,系统配有四极质谱计,可监测分压强并实现超灵敏度检漏,详细情况可参考真空技术网的其它文章。

微型离子泵性能测试系统

图1 微型离子泵性能测试系统

2、结果与讨论

2.1、NEG对微型离子泵和小型真空器件存储的影响

  在图1左侧压强测试室,只经过低温烘烤以模拟储存期较严重出气的实验条件,分别测试了器件有无NEG 两种情况下压强随时间的变化,如图2 所示。没有吸气剂时27天后压强升至4.5Pa,同样条件下加入充分激活的吸气剂可使存放28 天后压强仅升至1.4×10- 3 Pa,真空度提高了三个多量级。

小型真空器件储存期间的P-t曲线

图2 小型真空器件储存期间的P-t曲线

  NEG良好激活后,在比离子泵更低的压强范围内有更高的抽速,并能有效抽除H2、CO和CO2等气体,由于储存时不断抽气,因而有效改善存储期间密封器件的真空质量,显著延长器件的存储期和寿命。

  图2 的实验结果更表明,在出气严重情况下,如没有吸气剂,器件内压强会接近或超过离子泵启动压强,而吸气剂却可维持器件内的高真空。显著改善器件的存储特性是NEG 的主要功能。

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