关于分子泵在荧光灯园排车上应用问题的讨论(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海市真空学会科技咨询部 作者:钱永生

1.前言

  随着国产分子泵生产工艺的日臻成熟和生产单位的日益增多,近来,有些单位试图将分子泵用在“荧光灯园排车”的真空系统中,希望提高荧光灯的真空质量。对这种做法,我基本上持否定态度。

  真空系统(如:园排车、长排车等)在时间为t时的平衡压强pt可用下列“动态真空方程”来描述:

  式中:Pu---抽气机组(或主泵)的极限真空度(Pa);
     PV----真空系统中材料的蒸气压(Pa);
     QT---系统内总气源(Pa·L/s),QT=QO+QL+QP+……;

  其中:QO为材料放气率;QL为系统漏气率;QP为管壁材料渗透率;

  Se---主泵到被抽容器(如灯管)的有效抽速(L/s)。

  上述“动态真空方程”表明:真空系统所能达到的真空度不仅与主泵的极限真空度有关,还与主泵对被抽容器(如灯管)的有效抽速、系统中的各种气源及材料的蒸气压等因素有关。所以说,提高真空系统的真空度是一项“系统工程”,不能只寄期望于简单的改用分子泵。

  要说清这些问题,必须先简要地重温一些基本概念。

2.一些基本概念

2.1 气体分子的平均自由程(λ ):(从略)

2.2 气体沿管道的流动状态和流导变化情况:

  由于不同真空度下的λ 不同,使各真空区域的气流状态亦不同。在从大气抽至高真空的过程中,真空系统管道内的气流一般要经过四种状态:湍流粘滞流过渡流分子流。由于各种气流状态下流导的计算公式不同,所以,同一根排气管在不同真空度下所呈现的流导值也不相同。

  粘滞流下园长管的流导与管道内平均压强有关,在高压强下同一尺寸管道所呈现的流导随压强的降低而减小,进入分子流后就呈现一固定的流导,其值仅与几何尺寸有关。 以21寸彩色显像管为例,其排气管内径d=0.39cm,长度L=5cm,可计算出各气流状态所对应的压强范围和流导值(表1):

  这说明灯管排气管在不同真空度下所呈现的流导是不同的。可能大家还不了解,这一特性己被人们不自觉地应用到生产荧光灯的园排车Ar 冲洗工艺中了。

2.3、真空泵有效抽速的计算:

  园排车的真空系统,实际上是由多个单独的真空系统组合而成的。按照工艺分布的需要,分别由单独的机械泵(旋片泵或滑阀泵)和“机械泵罗茨泵”作为抽气泵,再通过不同材质、不同内径的多根管道及“功能部件”【含:中心盘、48 套“油捕集器”和48 只带(或不带)注汞装置的排气头】等组成。

  ①总流导(C总)与各串联的管道(和“功能部件”)流导(Ci)间的关系:

  ② 有效抽速(Se)的计算:

  式中:Se----真空机组(或泵)的抽气速率(L/s); C总 ----管道的总流导(L/s)。

  计算表明,在串联的管道中,最小流导值(灯管排气管的流导)往往决定了总流导值。即,在泵的抽速SP>>C 总时,Se≈C 总 。 换言之,无论选用多大抽速的泵对于被排气图1的灯管而言,效果实际上是一样的。其有效抽速只能无限接近于排气管的流导(有效抽速受排气管流导值的限制)。在荧光灯生产中,排气管内的气流状态基本上处于“湍流-粘滞流-过渡流”之间,很少涉入“分子流”。当然,考虑到生产中需要尽快地抽除“洗Ar”时的较大气体负荷以及对付管道和中心盘等“功能部件”的放气和漏气,实际上人们选用的抽气泵的抽速还是远大于排气管的流导值的。

2.4、关于真空系统中的气源:

  真空系统中的气源包括:(1)漏气;(2)材料放气;(3)材料蒸发;(4)渗透、升华的蒸气和分解出来的气体;(5)真空泵本身构成的气源(如返扩散和再释放)。这里,仅就主要的两项(漏气和放气)做一简介:

①漏气(Q):

  在真空系统中,漏气是绝对的,不漏气是相对的。真空界的这一观点是符合唯物主义辨证法的。我们所指的“漏”是与最大允许漏率的概念联系在一起的。“漏气率”QL 是常数,应尽可能地排除或将其限制在允许的范围内。 对于动态真空系统来说,只要真空系统的平衡压强能达到所要求的真空度,这时既使存在微小漏孔,也可认为系统是“不漏的”。一般QL(漏气率)控制在系统所容许的总气量QT 的1/10。

  这里举几个实例,作一说明:

  a.用于“通讯卫星”中电视信号接收后再放大的“行波管”,要求高可靠、长寿命(20 年)、低噪声。因为,它的管壳是金属-陶瓷结构的。为此,我们设计的排气台不仅使用了分子泵和离子泵,而且系统全部按超高真空要求设计【真空系统的漏气率Q<5×10-12 托·升/秒。】(如:选用全金属超高真空阀门超高真空法兰、采用无氧铜密封圈、无氧铜排气管与不锈钢排气口之间亦采用硬密封形式连接等)。该排气车的极限真空度优于5×10ˉ8Pa(该全金属真空系统.没有一处有橡胶等有机物)。通常,这种行波管在排气时还带着一个小型离子泵。采用“两次封离”的方法进一步提高管内真空度(排气工序结束时,行波管和带着的小型离子泵一起被封离排气台;当管子“老炼”时,用小型离子泵吸收放出的气体,“老炼”结束后再进行第二次封离---将离子泵与行波管封离。因为上天的器件要求重量轻,不好带着离子泵)。

  b.彩色显像管在封离排气台后的真空度一般在5×10-4Pa 上下,蒸散管内装有的吸气剂、经过“老炼”后,管内真空度可升至5×10-6Pa 左右。

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