當(dāng)壓力超過(guò)10-5Pa之后就進(jìn)入到了超高真空應(yīng)用領(lǐng)域。這個(gè)時(shí)候,多數(shù)真空泵的抽氣作用已經(jīng)停止或者抽速很低。那這個(gè)時(shí)候用來(lái)實(shí)現(xiàn)超高真空的真空泵都有哪些呢,一起來(lái)簡(jiǎn)單了解下。
01 機(jī)械泵
機(jī)械泵的主要作用是為渦輪分子泵的啟動(dòng)提供必要的前級(jí)真空。常用的機(jī)械泵主要包括渦旋干泵、隔膜泵和油密封機(jī)械泵。
隔膜泵抽速較低,但是體積小,一般用于小型的分子泵組。
油密封機(jī)械泵是過(guò)去用得最多的機(jī)械泵,特點(diǎn)是抽速大、極限真空好,缺點(diǎn)是普遍存在返油的情況,在超高真空系統(tǒng)中使用一般需要配備電磁閥(用于防止意外斷電造成返油)和分子篩(吸附作用)。
近年來(lái)用得較多的是渦旋干泵,優(yōu)點(diǎn)是使用相對(duì)簡(jiǎn)單,不會(huì)返油,但是抽速和極限真空要略差于油密封機(jī)械泵。
機(jī)械泵是實(shí)驗(yàn)室噪音和振動(dòng)的重要來(lái)源,選用低噪音的泵并盡可能將其放置于設(shè)備間是較好的辦法,但是由于工作距離限制,后者通常不容易實(shí)現(xiàn)。
02 渦輪分子泵
渦輪分子泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片(通常在每分鐘1000轉(zhuǎn)左右)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的定向流動(dòng),泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比與泵的級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速和氣體的種類有關(guān),一般分子量大的氣體壓縮比較高。對(duì)氮的壓縮比為108~109;對(duì)氫為102~104。渦輪分子泵的極限真空一般認(rèn)為在10-9-10-10mbar。近年來(lái)隨著分子泵技術(shù)的不斷進(jìn)步,極限真空有進(jìn)一步提升。
由于渦輪分子泵的優(yōu)勢(shì)在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài))下才能體現(xiàn),因此要求配有工作壓力為1~10-2Pa的前級(jí)真空泵。由于葉片高速旋轉(zhuǎn),如遭遇異物、抖動(dòng)、撞擊、共振或氣體沖擊,會(huì)造成分子泵的損傷或損壞。對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō),最常見的損傷原因是操作失誤造成的氣體沖擊。機(jī)械泵引發(fā)共振也會(huì)導(dǎo)致分子泵的損壞。這種情況雖然比較少見,但因?yàn)檩^為隱蔽,不易發(fā)現(xiàn),需要特別注意。
03 濺射離子泵
濺射離子泵的工作原理是利用潘寧放電產(chǎn)生的離子轟擊陰極的鈦板形成新鮮鈦膜,從而吸附活性氣體,對(duì)惰性氣體也有一定的掩埋效果。
濺射離子泵的優(yōu)點(diǎn)是極限真空好、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)污染、工藝成熟穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù),在同等抽速下(惰性氣體除外),其成本遠(yuǎn)低于分子泵,因此在超高真空系統(tǒng)中運(yùn)用極其廣泛。通常濺射離子泵的正常工作周期都在10年以上。
離子泵一般需要在10-7mbar以上才能正常工作(在更差的真空下工作會(huì)顯著降低其壽命),因此需要分子泵組為其提供較好的前級(jí)真空。常見做法是在主腔使用離子泵+TSP,在進(jìn)樣腔配備小型分子泵組,烘烤時(shí)打開連接的插板閥,由小型分子泵組提供前級(jí)真空,完成烘烤后關(guān)閉插板閥,由離子泵配合TSP實(shí)現(xiàn)超高真空。
需要注意的是,離子泵對(duì)惰性氣體吸附能力較差,最大抽速和分子泵也有一定差距,因此,對(duì)放氣量大或惰性氣體較多的情況,需要使用分子泵組。另外,離子泵工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng),對(duì)于特別敏感的系統(tǒng)可能存在干擾。
04 鈦升華泵
鈦升華泵的工作原理是依靠金屬鈦的蒸發(fā)在腔壁上形成鈦膜進(jìn)行化學(xué)吸附。鈦升華泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易維護(hù)、無(wú)輻射、無(wú)振動(dòng)噪音。
鈦升華泵通常由3根鈦燈絲(以防燒斷)組成,和分子泵或離子泵組合使用,能夠起到很好的除氫效果,是10-9-10-11mbar區(qū)間最重要的真空泵,在大部分對(duì)真空度有較高要求的超高真空腔體中都有配備。
鈦升華泵的缺點(diǎn)是需要定期進(jìn)行鈦的濺射,濺射期間(數(shù)分鐘內(nèi))真空會(huì)變差約1-2個(gè)數(shù)量級(jí),因此某些有特定需求的腔體,需要使用NEG。另外,對(duì)于鈦敏感的樣品/器件,應(yīng)注意避開鈦升華泵的位置。
05 低溫泵
低溫泵主要是靠低溫物理吸附來(lái)獲得真空,優(yōu)點(diǎn)是抽速大、無(wú)污染、極限真空高。影響低溫泵抽速的主要因素是溫度和泵的表面積。在大型的分子束外延系統(tǒng)中,由于對(duì)極限真空的要求較高,低溫泵有廣泛的運(yùn)用。
低溫泵的缺點(diǎn)是液氮消耗量大,運(yùn)行成本高。帶有循環(huán)制冷機(jī)的系統(tǒng)可以不消耗液氮,但是會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的能耗、振動(dòng)和噪音等問(wèn)題。因此,低溫泵在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中較少使用。
06 吸氣劑泵(NEG)
吸氣劑泵是近年來(lái)使用較多的一種真空泵,其優(yōu)點(diǎn)是完全采用化學(xué)吸附,不產(chǎn)生蒸鍍和電磁污染,往往配合分子泵使用,取代鈦升華泵和濺射離子泵的位置,缺點(diǎn)是成本較高,再生次數(shù)有限,通常用于對(duì)真空穩(wěn)定性要求較高或?qū)﹄姶艌?chǎng)高度敏感的系統(tǒng)。
另外,由于吸氣劑泵除初始激活外無(wú)需額外電源接入,也經(jīng)常在大型系統(tǒng)中作為增大抽速、提高真空度的輔助泵使用,可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
▲ 不同種類的泵對(duì)應(yīng)的工作氣壓。其中棕色箭頭范圍為最大許可的工作氣壓范圍,綠色加粗部分為常用的工作氣壓范圍。