非蒸散型吸气剂在微型离子泵中的应用(2)

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

2.2、NEG对微型离子泵启动特性的影响

2.2.1、无NEG微型离子泵的启动特性

  微型离子泵与小型真空器件集成的目的是确保其超高真空。因为在长期储存和工作时不可避免的出气会使压强升高,通过加电使离子泵启动抽气,期望能迅速达到所需的真空度,例如半小时内低于5.0×10-5 Pa。在图1 所示压强测试室分别充以P0为0.9、2.5和5.1Pa干燥空气,用来模拟长期储存后不同程度的总出气量,研究了微型离子泵在这些条件下的启动特性,启动后压强变化的实验结果如表1 所示。当P0为0.9Pa 时离子泵可顺利启动,并在30min降到低于5.0×10-5 Pa;P0为2.5Pa时,经过多次点火离子泵尚可启动,在30min内也可降到低于5.0×10-5 Pa;到P0为5.1Pa 时,则已高于着火压强,无法启动。

表1 微型离子泵启动时的压强变化

微型离子泵启动时的压强变化

  实验结果表明:没有NEG 时,离子泵要么能在短时间内启动,在半小时内抽到5.0×10-5 Pa要么无法启动。微型离子泵在高于着火压强时不能启动,会导致整个器件报废, 应该尽量避免其发生。

2.2.2、带NEG 微型复合离子泵的启动特性

  在图1 所示压强测试室充以干燥空气,用来模拟长期储存时,不同程度的出气与NEG 抽气分别达到平衡压强P0为9.6×10-5、1.2×10-3和5.8×10-3 Pa 时,微型离子泵的启动特性,启动后压强变化的实验结果如表2 所示。表2有NEG时微型复合离子泵启动后的压强变化

表2 有NEG 时微型复合离子泵启动后的压强变化

有NEG 时微型复合离子泵启动后的压强变化

实验结果表明:

  (1) 在P0为10-4 Pa 或更低的压强下,复合离子泵不但能顺利启动,而且能很快进入超高真空,这对应绝大多数正常密封器件的情况,气体负载轻时,器件的真空性能得到了可靠保障。

  (2) 在P0为10-3 Pa 的压强下,复合离子泵仍能够顺利启动,还满足在半小时内将压强抽至低于5×10-5 Pa的要求。这对应气体负载较重的情况。请注意要经过5h才能将压强进一步抽至3.8×10-5 Pa。

  (3) 在P0 为5×10-3 Pa 的压强下,复合离子泵还能启动,但不能满足在半小时内将压强抽至低于5×10-5 Pa 的要求。这对应密封器件存在严重的出气,气体负载重的情况。请注意这时真空度缓慢提高,30min只能抽到2.1×10-4 Pa, 5h才能抽至5×10-5 Pa,24h才可达到1×10- 5 Pa。密封器件内的吸气剂是有一定总量的,其抽速随着吸气量的增加而下降,吸满气体时它会成为放气源。前面2 和3 点提到的离子泵启动后真空度缓慢提高,说明它抽除的主要不是空间气体而是出气,大部是吸气剂的放气。如果对启动时间没有特别要求,离子泵不仅可以抽到使器件正常工作的压强,还可达到超高真空,伴随着这个过程,可恢复吸气剂的部分吸气功能。

2.2.3、气体负载更重时复合泵的启动特性

  如果继续前面的实验,进一步加重气体负载,在P0为1.3Pa 时通电启动离子泵,测试室气体压强和离子泵电压随时间变化的曲线如图3所示。

启动离子泵时气体压强和离子泵电压随时间变化的曲线

图3 P0为1.3 Pa启动离子泵时气体压强和离子泵电压随时间变化的曲线

  开始时离子泵电压过低无法正常抽气,直到2.5h后才逐步达到正常工作的3kV;压强则居高不下,降低缓慢,30min后仅为3.5×10- 1 Pa,5h才达到1.5×10-3 Pa,24h达4.2×10-5 Pa,48h后为1.7×10-5 Pa。

  从启动到正常工作的过程中,由于吸气剂的突发性出气,会导致压强突升和电压突降等明显波动,如图3中70和100min时的跳动所示。此外,吸气剂的出气还会影响离子泵电流和气压的关系。曾实验测试了没有吸气剂时微型离子泵的“离子流———压强关系”曲线,其线性关系明显。但有吸气剂时情况要发生变化,不再呈现明显的线性关系,但总体看来,电流还是随着压强的上升而变大。吸气剂颗粒固定在阳极筒外壁上,如吸了大量气体,在启动离子泵后,会阶段性的释放气体,导致泵内压强阶段性变化等。

3、结论

  在新建的微型离子泵性能测试系统上,模拟了微型离子泵与实用小型真空器件集成为一体时可能遇到不同气体负载的实际情况,研究了非蒸散型吸气剂对器件存储特性和微型离子泵启动特性的影响。主要结论可归纳为:

  (1) 在确保真空密封和充分去气的基础上,非蒸散型吸气剂与微型离子泵组合可有效改善密封器件的真空质量,确保器件的长寿命。由于它们都属俘获型泵(capture pump),密封器件内的吸气剂总量是有限的,因而小心使用和精心呵护其抽气能力对确保长寿命至关重要。

  (2) 本文实验结果表明,非蒸散型吸气剂微型离子泵组合具有可观的排气能力,不仅可在气体负载较重的情况下,使系统逐步抽到超高真空,还可一定程度恢复吸气剂的部分吸气能力。尽管前已强调不推荐在确保高可靠长寿命小型密封器件中使用这种能力,但在特殊需要时,为根据各种使用要求做相应开发提供了可供参考的设计和实验依据。

  (3) 长寿命高可靠运行中可能遇到的各种实际问题需进一步深入研究。

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