扩散泵浦工作原理.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流扩散泵浦工作原理.精品文档.染，倘若是如此只要換掉molecular sieve 又可以恢復正常。擴散幫浦先前所介紹的幫浦均是針對使用在低真空的工作環境，倘若若要使真空環境達到高真空，則必須搭配其他種類的幫浦才有可能。擴散幫浦可以說是在高真空幫浦中第一個被研發出來的，早在十九世紀就已經被人使用，只不過當時該幫浦的最大缺點是所使用的真空尤其分壓很高，常常發生油氣回流到腔體內形成污染，這是當時使用者最大的顧忌 。隨著科技進步，低蒸汽壓的真空油被研發之後，擴散幫浦便被大量的使用在真空技術上。雖然日前渦輪幫浦，離子幫浦以及冷凍式幫浦持續更新，抽氣速度又快，又乾淨，但是壽命長且又堅固的擴散幫浦依舊佔有它一席之位。擴散幫浦為科學家Gaede所發明，當時所用的真空由是水銀而不是目前我們所看到的真空油。真空幫浦的原理乃是真空油被加熱之後，獲得極高的熱能，分子的熱運動帶著相當大的運動速度，緊接著分子被類似煙囪的幾何架構所導引然後由噴嘴向下噴射，由於該分子具有極大的運動速度，因此在經由噴射之後其速度可接近音速。當分子噴出後，倘若周圍附近有氣體分子，則經過碰撞後，一定會有動量的轉移現象，結果該氣體分子便有向下運動的趨勢。通常在擴散幫浦的氣體出口處都外接一個Rotary pump，該Rotary pump產生一吸力，將這些聚集在幫浦出口處的氣體分子帶走，如此一來擴散幫浦的入口處與出口處會因氣體的分子數的濃度不同而產生擴散現象，擴散幫浦的名字便因此而來。圖4.22為擴散幫浦的外貌圖，而圖4.23則是其其剖面圖。圖4.22 擴散幫浦之外貌圖4.23 擴散幫浦之剖面圖圖4.24真空油回流之情形由於擴散幫浦最主要的原動力來自於真空油被加熱，使真空油的分子具有高速度的運動速度，所以具有一個加熱器是擴散幫浦的特色。該加熱器置於擴散幫浦的底部，真空油被煮沸之後其蒸汽壓隨著煙囪向上竄，至頂部後再隨噴嘴射出，真空油的分子在撞擊幫浦的內壁後會形成液體慢慢流回底部，為了使真空油的分子容易凝結成液體，通常擴散幫浦都有水管環繞在真空幫浦的上半部藉此冷卻，一般而言擴散幫浦都具有溫度偵測器，倘若溫度過高時，便會自動切斷電源。擴散幫浦早期最擔心的是真空油的回流污染腔體，雖然使用低蒸氣壓的真空油，但是油氣在高溫運作時，難免還是會有油氣回流的現象（見圖4.24）。為了避免該現象,現代的擴散幫浦都附帶一些組件，圖4.25便是該組件的外貌，該組件一般稱之為baffer，該baffer 置於擴散幫浦的上端，藉此將油氣擋下，除此之外加一個cold trap 也是一個非常重要的附件，每次使用擴散幫浦之前便將cold trap 加滿液態氮，如此一來當油氣吸附到cold trap的內部時，便馬上冷卻下來，如此油分子根本無法到達腔體內部。圖4.26便是一般常見的cold trap 的外貌以及與gate valve的組合。圖4.25 cold trap 以及gate valve由於擴散幫浦無法從一大氣壓工作到高真空，它的工作環境必須從低真空環境下做起，因此對於一個真空系統，操作擴散幫浦的程序是有一定。下面我們將簡述一個真空系統如何從大氣壓力抽到高真空的程序 。圖4.25 防止油氣回流的baffer圖 4.26為一般常看到的真空系統, 一個真空腔配備了一個擴散幫浦，Rotary pump以及閥門等等。目前腔體是在大氣狀態之下，若要進行抽真空則其操作程序如下圖4.26常見之真空系統一、 首先將擴散幫浦的加熱器打開，同時打開冷卻水，冷卻擴散幫浦的上半部，此時擴散幫浦與Rotary pump之間的閥門(foreline valve)是打開的。二、 等到擴散幫浦夠熱了，暫時關閉擴散幫浦與Rotary pump之間的閥門，然後打開Rotary pump與腔體之間的閥門(roughing valve)。讓Rotary pump對腔體進行粗抽。此處要特別注意，腔體與擴散幫浦的高真空閥（U-VAC valve)是關閉的。三、 等到腔體的壓力降到10-2 Torr之後，關閉roughing valve 然後再打開foreline valve，此時將液態氮加入cold trap 內，等一切就緒，再打開U-VAC valve,如此一來腔體便可以被到高真空的要求了。圖4.27 高真空操作程序圖圖4.27便是該程序之示意圖。擴散幫浦的加熱是其特色,然而也是最麻煩之處，冷卻水的保持是擴散幫浦效率的保證。倘若擴散幫浦不使用時，冷卻水最好能關掉，否則冷卻水繼續冷卻，而擴散幫浦在室溫之下，則有可能在在水管附近凝結水氣，結果可能造成水滴流向下方的加熱器,造成加熱器受損,這些現象是經常出現的。擴散幫浦的維修是所有幫浦裡面最簡單的，若發現幫浦的抽氣效果不佳，只需將真空油換掉，即可恢復正常，至於真空油應該加多少，各家廠商都有規格說明。Turbomolecular pumpTurbomolecular pump的觀念是由Becker 首先引入，當初他設計擴散幫浦上端的baffer時,藉由旋轉的葉片防止真空油回流。後來Turbomolecular pump正式上市但是轉速低而且昂貴，後來由MIT Shaprio教授所組成的團隊改善馬達以及潤滑效果，使得Turbomolecular pump開始進入全盛時代。現代的Turbomolecular pump不僅有極高的抽氣速度，對於氫氣更是擁有極佳的壓縮比，此外也有很低的終極壓力。Turbomolecular pump的工作範圍可以從大氣壓力一直到高真空，然而它無法單獨操作，必須要有一個Rotary pump 來幫忙。圖4.28 Turbomolecular pump內靜子與轉子之關係圖Turbomolecular pump的工作原理是藉著高速運轉的葉片將氣體分子給予壓縮，其轉速約在24000至60000轉之間。圖4.28為Turbomolecular pump內部的部份構造，由該圖可知其轉子是由多組葉片所組成。當葉片旋轉時，入射的氣體分子便隨著葉片的轉動，沿著軸向作旋轉式運動由一端移動到另一端，圖4.29為氣體分子與葉片作用之關係。單一葉片是無法完成抽氣的動作，因此Turbomolecular pump其內部是由多組葉片組合而成，在設計上原則上靠近氣體進氣口的葉片應該是屬於高抽氣量低壓縮比的形狀,而靠近出氣口處的葉片則是低流速高壓縮比的葉片，然而這樣的設計非常昂貴，因此通常採取三段式的葉片組設計，每一組的葉片形狀都不太相同。Turbomolecular pump的軸承是轉子旋轉順暢的一個重要零件，通常內部有油潤滑，其壽命期有一定的時間，不過最近有廠商發展磁浮式的Turbomolecular pump，該種Turbomolecular pump不需要軸承，避免了更換軸承的苦惱。圖4.29氣體分子與葉片之作用相關位置圖吸附式幫浦先前所提到的幫浦，不管是高真空或是低真空專用，都是屬於一種將氣體轉移的幫浦。接下來所介紹的幫浦是屬於將氣體吃下來的幫浦，這樣的幫浦我們稱之為吸附式幫浦。吸附式的幫浦計有Cyropump, Ion pump, Titanium Sublimation pump和sorption pump。首先介紹CyropumpCyropumpCyropump 其工作原理不外乎是製造一個低溫的環境，然後利用該低溫環境來吸附氣體分子，由於該幫浦無法從大氣壓力開始工作，因此須配合其他幫浦,先將腔體的真空粗抽之後，再進行Cyropump的運作。圖4.30為Cyropump的外貌，圖4.31為Cyropump內部構造。該Cyropump必須靠一個壓縮機提供循環氦氣來冷卻，其冷卻的溫度可以達到10K左右。在Cyropump內有木炭作為吸收氣體的場所，由於木炭能夠在室溫下作degass的動作，這比molecular sieve的溫度低很多。Cyropump若長期使用或是吸入大量氣體，其抽氣量將會降低，此時必須要對Cyropump作再生的動作，那就是將Cyropump內部溫度回升到室溫，然後通以氮氣來回數次，藉此將原本吸附的氣體帶出，如此Cyropump將可恢復原狀，不過若因操作不當有油氣進入Cyropump污染了內部的木炭，則必須全部更換木炭才有辦法圖4.31 Cyropump內部構造圖圖4.30Cyropump 之外貌恢復原抽氣量。圖4.32為Cyropump抽氣之情形，而圖4.33為其相關配備。圖4.33 Cyropump的相關附件圖4.32 Cyropump 之抽氣情形Titanium Sublimation pump圖4.35Titanium Sublimation pump與其他幫浦的搭配的情形圖4.34Titanium Sublimation pump的種類與外型這種幫浦俗稱TSP，其工作原理非常簡單，那便是將活性高的Ti金屬蒸發到腔壁，然後讓Ti金屬與腔體內的氣體作用成化學反應變成低蒸汽壓的固體，藉此降低腔體內的氣體。該種幫浦其壓力工作範圍再10-2 Torr至10-10 Torr，是屬於一種消耗性的幫浦。該種幫浦對於一些惰性氣體和水氣的消除相當有幫助，尤其對含有碳元素的氣體，更是個中能手。圖4.34為TSP的外貌，其形狀可分為條狀與球狀，此外該幫浦附有加熱絲，藉此升高溫度將Ti金屬蒸發。由於加熱時會產生高溫間接影響腔體的溫度，所以該種幫浦需要水將以冷卻。圖4.35是TSP配置於腔體的位置圖，該幫浦須配合其他幫浦使用Ion pump圖4.36 離子幫浦之外貌及剖面圖離子幫浦也是屬於一種吸附式的幫浦，它的作用原理乃是利用高壓將氣體分子游離，隨後被電場吸引撞入鈦板，與鈦金屬作用而埋入金屬板之內。由於這種吸附式的幫浦氣體是有進無出，所以一旦鈦板埋入氣體分子過多便會失去效用，因此該種幫浦都是用在超高真空的環境下。改良式的離子幫浦都附有強有力的磁鐵，其主要目的在於增長離子的運動距離,藉此更有機會與其他分子碰撞，而加速抽氣的速度。圖4.36為力子幫浦的外貌及剖面圖。在離子幫浦中，對於Ar的惰性氣體的抽氣是件麻煩的事。Ar氣體不容易被埋入Ti的金屬內，它會定期的逃逸出來，造成離子幫浦的不穩定性（見圖4.37）為了解決這個問題，三極式的離子幫浦被提出來（見圖4.38）也就是多了Ti的陰極，這樣的架構有助於Ar氣體的吸收，旦相對之下陰極的壽命減短。後來有人提出槽狀式的陰極排列，其效果比前者更好（見圖4.39）。圖4.38 三極式之離子幫浦圖4.39 改良式之二極離子幫浦圖4.37離子幫浦對於Ar氣體抽氣的不穩定性，其抽氣時間與壓力之關係