激光陀螺研制中的超高真空技术(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

1  真空系统的构成

        激光陀螺在生产中要求其真空系统具有较高的真空度,并且要求真空系统密封效果好、密封性可靠、可充入惰性气体和启动快速。要实现这一目标,不同的厂家根据自己的能力和用户的要求设计出了不同的真空系统。但总的来说,采用的设备大同小异。

        分子泵(次级泵)是这个真空系统的主要抽气工具,但由于它不能单独从大气环境开始工作,因而在它前面要串联一个能从大气开始工作而能达到的真空度往往不高的机械泵(前级泵),并在分子泵和机械泵之间串联一个油扩散泵(增压泵)。同时,为了在较短的时间内达到超高的真空度,本真空系统还使用了钛升华泵作为辅助抽气的无油泵。当然,也有一些系统由于采用了性能较好的分子泵,省略了油扩散泵,而最后一级也可以加入离子泵或锆泵来提高真空系统的性能。

2、真空系统的主要设备

2.1、真空泵

2.1.1、前级泵

    早期的激光陀螺超高真空台一般采用油封旋片机械泵作为前级泵。机械泵价格便宜,适合在粗真空和中真空中使用,因而被广泛采用。但它也有明显的缺点:首先,油封机械泵不是无油真空泵,虽然在次级加入冷阱和分子泵可基本消除油污染,但对于超高真空系统来说,仍然存在一定的污染隐患;其次,机械泵排水蒸气能力较差,这对潮湿环境下的真空作业十分不利;另外,油封机械泵自身密封性较差,因此不利于抽除和传输含有放射性物质的气体。所以现在机械泵有被性能更优越的干泵取代的趋势。

   干泵分为薄膜式以及罗茨式干泵两种。抽速从 0.9 米 3 / 小时到 50 米 3 / 小时,具有不产生油污和粉尘、排水蒸气能力强、 低能耗,坚固耐用,可靠性高的优点,另外应用磁力传动电机技术的干泵还能够使轴头动密封变成静密封,外漏和内漏做到了 “ 零 ” 泄漏。

2.1.2、增压泵

    油扩散泵是依靠泵底加热器加热油锅中的泵油达沸腾温度产生大量油蒸汽,经导油管由各级喷嘴定向高速喷出将压缩气体分子排出。它作为分子泵和机械泵之间的增压泵起到了压力“传递者”的作用。特别是当所使用的分子泵对氢气压缩比不高,而机械泵的所能达到的极限真空又不是很高的情况下,油扩散泵确实对改善系统真空度能起到一定的作用。但是油蒸汽对真空装置所造成的油污染是相当严重的,同时油扩散泵也不能抽除真空装置内原有的灰尘,启动和关闭时间较长。随着分子泵和机械泵性能的改善,很多系统已经淘汰了油扩散泵,采用了干泵加分子泵的无油机组来达到超高真空。

2.1.3、次级泵

    要达到超高真空,大家所熟悉的分子泵当然是必不可少的。它由交流逆变变频电源驱动电机转子与静叶轮相对运动抽除、拖动、传输气体分子排出。分子泵是无油泵,抽速大,关闭启动迅速,使用范围在 6Pa 至 10 -8 Pa ,是达到超高真空理想的主抽泵

2.1.4、其他辅助泵

    要使激光陀螺快速得达到超高真空并加以维持,我们还需要各类辅助抽气泵。之所以称它们为辅助泵,主要是因为它们对所抽除的气体具有一定的选择性,即只对特定气体如对分子泵难以抽除的 H 2 、 H 2 O 等活性气体分子形成有效抽速,而几乎不抽除陀螺内的工作气体,如 He 、 Ne 等惰性气体。这样即能使整个系统的真空度得到提高,又可以起到提纯工作气体的作用。另外,这些泵主要依赖物理化学作用工作,使用寿命比主抽泵短,因而只能扮演辅助泵的角色。这里我们介绍现在在激光陀螺超高真空排气台中常用的几种辅助泵。

a)  钛升华泵

    当钛蒸发器被通电加热后,钛就大量升华,新鲜钛沉积在器壁四周,并与碰撞到器壁钛膜上的活性气体原子形成稳定的固态化合物。气体通常以分子形式撞到钛膜上,如 H 2 O 或 N 2 等。对气体分子的捕集形成对气体的抽速。这就是钛升华泵的工作原理。钛升华泵的工作范围在 10 -2 至 10 -9 Pa ,对活性气体的抽速特别是对氢气的抽速极快,可快速帮助系统达到超高真空。

b)  溅射离子泵

    在正交的电场及磁场作用下,稀薄状态气体会产生放电,称为潘宁放电。应用这一原理,将阳极分割成若干筒型小室,阴极采用钛板制成。放电产生的气体阳离子在电场作用下加速飞向阴极,气体离子射入阴极与钛形成钛化合物而被固定抽除。另一方面,气体离子在阴极板上引起溅射,溅射出的活性金属钛在阳极筒及泵壁上形成新鲜钛膜,活泼气体分子(如氧、氮等)会被新鲜钛膜吸附而被抽除。这就是溅射离子泵的工作原理。溅射离子泵的工作范围为 10 -4 Pa 至 10 -8 Pa ,它具有清洁无油、真空度高、无噪声、无振动、操作方便等优点。

c)  锆铝吸气泵

    锆铝吸气泵是一种吸气剂泵。它 用锆铝压带制成,在 400 0 C 下工作,只抽除活性气体,工作范围 10 -3 Pa 至 10 -9 Pa ,它的最大优点是对氢及氢的同位素氘、氚等的抽速很大。

    总之,生产激光陀螺的真空台使用的真空泵应根据自身的需要合理配置。采用低配置可以是机械泵+扩散泵+分子泵+钛升华泵的组合,它的成本比较低,如果严格按照生产工艺操作,仍然可以获得比较理想的真空度。当然,也可采用更加高级的配置,按照真空度由低到高的顺序可以是机械泵(干泵)+分子泵+离子泵+钛泵+锆泵的组合。这样的系统近乎完美,可以达到 10 -8 Pa 的极限真空,满足生产高精度激光陀螺的要求。当然,这样的系统价格昂贵,而且对管道和阀门的密封性也提出了更高的要求。

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