钛泵的原理与故障分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北电子技术研究所 作者:王维明

  简单介绍了钛泵的工作原理。溅射离子泵在高电压和高磁场的作用下产生潘宁放电,吸附容器内气体分子达到真空的目的。由于设备老化或操作不当等原因,溅射离子泵会发生各种故障。本文列举了溅射离子泵的各种常见故障,根据工作机理分析了溅射离子泵发生故障的原因,并介绍了排除故障和维护保养的方法。对于钛泵的操作使用人员和维修人员具有一定的借鉴意义。

  真空技术与电光源工业的发展有着密切的联系,在整个电光源工业中到处都涉及真空技术问题。能否获得高质量的真空决定了生产出的光源产品的质量高低。因此,用来获得真空的真空泵在电光源的制造过程中起着至关重要的作用。钛泵是真空泵的一种,但它不同于普通的压缩型泵。钛泵没有转动机构,也不使用真空泵油,它采用俘获气体分子的方式除气,能得到清洁的高真空,这对于提高光源质量有很大的帮助。但是,钛泵特殊的除气原理和特殊的结构使其与普通的真空泵的操作、保养和维修都有所不同。本文从实例( 溅射离子泵) 出发,讲述钛泵的原理与其故障的分析和排除方法,对钛泵的操作人员和维修人员具有一定的借鉴意义。

1、钛泵的工作原理

  真空的实质就是具有较低气体分子浓度的空间。因此,只要降低空间的气体分子浓度就能获得真空,而不必有实际上的排气过程。钛泵正是基于此原理制造的。

  通过加热、电离等方法使钛原子与空间气体分子发生一系列复杂的物理和化学反应,使气体分子伴随钛原子一起沉积下来,从而达到降低空间气体分子浓度的目的。这就是钛泵的基本工作原理。这与压缩泵的原理( 即将气体从一方压缩到另一方来获得真空) 有所不同。

2、溅射离子泵

  2.1、溅射离子泵的原理

  早在本世纪初,就有人在抽真空的电子管中蒸发一些化学活动性强的金属,使其与管内未能抽净的气体发生反应,从而降低空间的气体分子浓度。这种金属以及起着相同作用的材料就叫做吸气剂,这种方法叫做化学清除。实验证明,用钛持续蒸发到一个冷却的壁上,可以形成具有相当抽气速率的泵,形成简单的升华泵。

  俘获气体分子还可以使用电离吸附的方法。利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子,正离子在电场作用下被驱逐到负电极上,中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了空间气体分子浓度,达到了获得真空的目的。这种现象称为电清除,利用电清除达到除气目的的泵称为离子泵。离子泵对吸附的气体没有选择性。

  离子泵和升华泵都能获得很高的真空度,但是单独使用它们来获得更高的真空就有很大的困难。这与它们的工作机理有很大的关系。依靠物理吸附的离子泵俘获气体分子的能力有限; 升华泵产生的化学键能虽然大,但很容易在其表面形成饱和,影响其进一步吸收气体,而且升华泵对惰性气体吸附效果不好。因此将两种泵合二为一,就能得到吸气效果更好的溅射离子泵。

  2.2、溅射离子泵的组成

  溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。

  阳极是由多个不锈钢圆筒排列组成的蜂窝状结构,阴极是两块平行的钛合金板,将阳极夹在中间,三者相互间保持一定距离并通过高压绝缘陶瓷连接。阳极施加3~7 kV 直流高压,阴极接地。阴阳极板被泵体密封在内部,在泵体外部吸附相对放置的两块永磁铁,磁场方向与极板垂直,磁感应强度1000~2000 Gs。泵体结构如图1。

溅射离子泵的结构示意图

图1 溅射离子泵的结构示意图

  2.3、溅射离子泵的工作过程

  溅射离子泵又称潘宁泵,顾名思义,它是利用潘宁放电进行除气的。溅射离子泵是目前比较好的抽真空设备。

  溅射离子泵的工作过程比较复杂,可简单的概括如下:

  首先,电源启动,在阴阳极板间产生高压。由于级间距离很近,根据E=U/d 可知,电场强度E数值非常大,尤其在阳极筒壁边缘处。在强大的电场和与之平行的磁场作用下,电子以螺旋线方式高速运动,由于电子运动行程的增加,大大提高了与气体分子碰撞的几率。电子在空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子,产生的电子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。此种放电称为潘宁放电,潘宁放电能在很低的压强下进行。

  气体分子被电离后形成的正离子加速向阴极板运动,由于能量很大,冲击阴极时产生强烈的溅射,大量的钛原子被轰击出来,沉积在阳极筒壁上和阴极板上遭受离子轰击较弱的区域,形成新鲜的钛膜吸附活性气体,而惰性气体在阴极溅射不强烈的区域被掩埋。

3、溅射离子泵的故障分析

  3.1、抽速或真空度下降

  抽速或真空度下降可考虑以下几种原因:

  3.1.1、漏气

  当真空度略有下降或者抽真空速率较慢时,首先考虑的就是漏气,这种漏气通常是微小的。微漏从表面上看,对生产没有太大的影响,只要增加抽气时间就行了,但是,忽视微漏降低生产效率不说,长期下去会对泵本身造成损害,另外产品质量也难以保证。

  微漏的位置通常在泵体的焊接处和法兰接口处。使用乙醚喷在泵体接口处就能快速准确地找到微漏的位置,加以维修。接口处上固定螺丝时,各点受力要均匀。

  3.1.2、吸气剂饱和

  溅射离子泵长期使用会使吸气剂钛产生饱和,使真空质量变差。俘获型真空泵的特点就是消耗吸气剂。吸气剂与气体分子结合生成稳定物质沉积下来,所带来的必然结果就是饱和。此时可以看到溅射离子泵的阳极筒壁和阴极板表面附着大量银白色物质,这种物质就是钛与气体分子结合生成的固溶体。因此,必须定期对溅射离子泵进行再生处理。对溅射离子泵的再生处理方法有两种,一种是化学腐蚀,一种是在真空中高温烘烤。化学腐蚀的方法能使钛迅速恢复活性,但是化学方法具有一定的危险性,而且需要专业的操作,不可能经常使用。另一种可行方法就是在真空中高温烘烤,也就是烧真空。将阴极板放入真空炉中加热到一定温度,就能使钛释放出它所吸附的气体。阳极壁筒上附着的固溶体可以通过超声撕裂的方法将其除去。

  漏气也会加快吸气剂钛的饱和,检修时需要注意这一点。

阳极筒壁附着的固溶体

图2 阳极筒壁附着的固溶体

  3.1.3、泵体重装后处理不当

  泵体重装后处理不当也会影响泵的正常工作,甚至产生非常严重的后果。

  溅射离子泵只能在低压强下工作,这与其工作机理有关。泵体重装后,阴阳极板都处于大气压强下,此时需要前级泵将泵体内压强抽到10-2 Pa 泵才能进行启动。如果泵体内压强不达到标准就启动泵,就必然加重泵的负担。气体量的增大使钛的消耗加大,抽速下降,工作寿命缩短。当压强足够高时,会在极板间产生强烈的放电,灼烧极板,致使其变形甚至报废,严重的变形还会使极间短路,如图3。此类故障为人的误操作导致,须加以预防。

变形的阴极板

图3 变形的阴极板

  3.2、泵体发烫

  如果泵在启动后出现泵体过热的情况要立刻停止工作,进行检修。此类故障的发生通常是由于泵内压强过高或者油气进入。

  3.2.1、放气

  饱和的吸气剂在一定的条件下会重新释放出气体,气体密度的增加会使空间内离子碰撞的几率增加,放电加剧,形成雪崩效应,产生辉光放

  电甚至弧光放电,最终烧毁极板。如图4 阴极板被击穿。有资料说,溅射离子泵短时间暴露于大气不会造成损坏,但是还是要尽量避免。

  3.2.2、油污染

  油进入泵体内部首先的危害是污染真空系统。大量油的进入还会损坏真空泵。油污染的来源有两个,一个来自前级机械泵,另一个是在拆泵重装时进入的。严重的油污染会缩短泵的使用寿命,甚至使泵报废。

放电导致阴极板被击穿

图4 放电导致阴极板被击穿

油污染在极板上形成的彩色斑纹

图5 油污染在极板上形成的彩色斑纹

  此类故障需要采取预防措施。首先对前级泵的滤油网要定期检修。其次在拆泵重装时,要保证在清洁的环境下进行,并带干净的手套,严禁徒手触摸泵内部的元件。

  3.2.3、进气

  大量进气导致放电加剧,阴阳极板受轰击发热。泵体严重漏气会导致此类故障发生。

4、其它故障

  启动后电压指示表指针不动或者反打,停机检查电源。如果电源正常,要考虑高压绝缘陶瓷是否漏电。溅射离子泵工作时溅射出的钛有少量

  沉积在绝缘陶瓷上,时间长了,会在其表面形成一层金属膜,致使陶瓷失去绝缘能力。如图6。除去金属膜可以用砂纸打磨陶瓷表面,或者用氢氟酸短时间浸泡。如果还除不掉,需要更换。

高压绝缘陶瓷处理前后对比

图6 高压绝缘陶瓷处理前后对比

  永磁铁的磁场强度下降也会导致泵的不正常工作,因此永磁铁也需要定期充磁。

5、结束语

  溅射离子泵是钛泵的一种,其他类型的钛泵的工作原理与其具有相似性,故障的排除和日常的保养也可参考溅射离子泵。要延长钛泵的工作寿命,提高其工作质量,保养维护尤为重要。

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