+真空获得俘获真空泵课件

1、真空物理与技术第5章 真空获得（俘获泵）第1页，共46页。俘获泵第2页，共46页。俘获机理 将气体分子吸附到一个表面足够长的时间温度表面化学键表面有效表面 - Capacity !暴露表面增加面积化学选择 - selective pumping几乎所有的材料都可以吸附某种气体效率：有效表面吸附特种气体第3页，共46页。吸附材料大比表面积活性炭沸石 (铝硅酸盐材料)(Linde 5A , Linde 13X)原子尺度的孔纳米介孔材料分子筛800 square meters “effective area” per cc.第4页，共46页。吸附泵沸石Square miles of surface

2、area冷却到液氮温度低温吸附和毛细吸附共同作用第5页，共46页。吸附泵第6页，共46页。吸附泵的再生吸附的气体去哪里了?容量 10 立方米第7页，共46页。吸附泵抽气特性筛温降低，可吸附分子增多吸附Ne He程度低于N2分子筛暴露空气中，氮分压大大低于氖和氦分压可被吸附的气体量和残余气体压强关系第8页，共46页。吸附泵抽气特性商品吸附泵工作在10-3-10-1升（工作室容积）/克（吸附剂）范围极限压强取决与室温下被吸附的氮数量抽除氧、氩、二氧化碳特别有效大气抽除以后的平衡压强第9页，共46页。空气成分第10页，共46页。吸附泵的使用吸附泵通常需要两个共同使用一个从大气开始抽气-粗真空一个可以

3、达到高真空第11页，共46页。吸附泵小结优点干净无噪音没有气流没有电流缺点需要液氮选择性吸附饱和通常用在UHV系统中第12页，共46页。低温泵第13页，共46页。低温泵概述俘获泵低温抽气20K以下，绝大多数气体蒸汽压可以忽略不计HeH2一个极冷的冰柜20K液He极限压强最低、抽速最大第14页，共46页。蒸汽特性第15页，共46页。抽气原理第16页，共46页。蒸汽特性要达到10-8Torr以下压强，必须使用LH2或LHe冷却LH2可以有效凝聚除He,Ne以及本身以外的一切气体但LH2用途不广，爆炸LN2可有效冷却H2O，CO2 ，但对Ar, O2无能为力LHe成本限制了其使用，但是温度最低的冷剂

4、 300元/L第17页，共46页。低温泵结构低温抽气阵列室温下，低温表面不能直接暴露气源辐射热负荷冷凝热负荷低温表面需要不透光具有中间温度的挡板第18页，共46页。冷表面二级冷表面H2O蒸汽60KHe和H2抽除困难10 K (difficult)He/H2吸附量有限注意保护第二级冷表面远离容易饱和气体远离热负载无油第19页，共46页。冷却液He纯度 （Ultra Pure)压缩机Similar to a refrigerator cycle but different第20页，共46页。Capacity抽气能力低温泵到底能吸附多少气体？取决于气体种类和泵的机械结构9000Torr.L H2-a

5、 lot but not infinite106Torr.L Ar空气/水汽抽速与泵口分子入射率相关取决于吸附与脱附的平衡第21页，共46页。第22页，共46页。抽速A black hole for water vapor气体吸气表面入射率逃逸率净抽速单位水蒸汽1级表面15015L/sec.cm2N22级表面上11.98.93L/sec.cm2H22级表面内部45396L/sec.cm2第23页，共46页。统计数据10法兰盘低温泵10,000 liter/second H2O1700 liters /second Ar4700 liters per second H22000 liters p

6、er second N2抽速和分子入射率、气体分子种类密切相关第24页，共46页。分类LHe贮槽式12L LHe S(H2) =4500L/s，200Day12L LHe S(H2)=27000L/s，200Day流程式封闭循环（体积庞大，多用于空间模拟）GHe闭环式He压缩机第25页，共46页。低温泵小结优点干净 无油不因突然漏气而损坏抽速大HV，UHV 109Torr接近无限大的吸气能力 (除了He, H2)缺点存储了大量的气体热敏感和部分气体反应压缩机第26页，共46页。低温泵和涡轮分子泵比较干净 无油 高真空泵现代半导体工业中广泛应用低温泵中等尺寸与气体反应贮存气体涡轮分子泵尺寸小与气

7、体不反应抽除气体Typically in each applicationsTypically in film deposition applications第27页，共46页。典型的低温泵系统第28页，共46页。升华泵第29页，共46页。化学清除p=nkT，压强正比于气体分子浓度化学清除蒸发化学活性金属与容器内气体发生化学反应，生成化合物收气剂（消气剂）蒸散式：依靠高温蒸散到别的元件上非蒸散式：适当温度下工作（少量蒸发）第30页，共46页。蒸散式收气剂小型电子管抽空到某一真空度后，除气玻璃除气温度(400-500C)下蒸汽压大的蒸发率：Ba, Ma层剥落常见非蒸散式收气剂锆价格贵，可能引起爆

8、炸用锆铝合金代替钛第32页，共46页。升华泵Ti持续蒸发到冷壁上，构成相当抽气速率的泵钛丝蒸发器高温Ti机械强度太差钛丝、钼丝缠绕，通电加热空心钛钼合金球，内部白炽钨丝加热比抽速O2 N2 CO 10L/cm2活性表面H2 40L/cm2活性表面不能抽除惰性气体升华泵可提高真空度约2个数量级第33页，共46页。离子泵第34页，共46页。电清除电清除 A在电场作用下被驱逐到负极被中和新形成的气体分子被金属吸附而不再离开电极实际上降低了空间分子浓度离子泵第35页，共46页。离子泵基本结构能吸附离子的表面：清洁的，冷的负电表面电子源（W热阴极）加速电子的阳极第36页，共46页。离子泵偏压第37页，共

9、46页。离子泵的限制超高真空设备对活性气体和惰性气体同时起作用表面足够大，没有漏气放气，极限压强很低实际很快饱和（扩散的速率低于吸附的速率）抽速慢，1L/s操作扩散泵将离子泵抽至10-5Pa泵体，电极烘烤除气离子泵工作第38页，共46页。离子蒸发泵离子泵的限制清洁表面：放电过程不断补充新的活性表面对惰性气体抽除能力不强：吸附，没有反应离子蒸发泵利用离子泵抽气利用收气金属不断蒸发形成新的表面收气剂对离子作用远大于对分子作用新鲜粒状表面，增强气体分子向内能徙动第39页，共46页。结构蒸发器直热、电子束加热、阴极溅射电离器二极管、三极管、冷阴极磁放电、热阴极磁放电蒸发金属Ti（钛泵）-不同与钛升华泵第40页，共46页。冷钛泵（溅射离子泵）结构阳极:不锈钢圆筒阴极:钛板磁场:平行与阳极筒,0.1-0.2T工作电压:3-7kV,潘宁放电过程预抽气到1Pa正离子溅射阴极TiTi在阳极沉积抽气与Ti反应（化学）扩散到Ti电极内（物理）埋葬（物理）第41页，共46页。抽气单元增加层积面积单室抽气速率1-3L/s50单元极限真空10-9Pa抽速选择性抽气压强高:放电电流大,阳极电压降低;空间电荷压强低:繁流初始电子太少磁场第42页，共46页。氩不稳定惰性气体抽除能力不强？(物理吸附）有效抽除He（离子埋葬）Ar抽速差，不稳定现象三极式冷钛泵第43页