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一文了解超高真空UHV极高真空XHV的获得、应用、检测与注意事项

字号+作者:admin 来源:多级离心泵 2021年11月25日

本文系iVacuum真空聚焦原创,未经允许,谢绝转载。 只有通过在分子水平上检测不同真空程度的差异,才能领会实现和运用高真空(HV)、超高真空(UHV)和极高真空(XHV)是一项多么困...


本文系iVacuum真空聚焦原创,未经允许,谢绝转载。
只有通过在分子水平上检测不同真空程度的差异,才能领会实现和运用高真空(HV)、超高真空(UHV)和极高真空(XHV)是一项多么困难的工作。
在粗真空和中真空中,主要的气体来源是腔体出气或原有气体;而在HV和UHV中,气体主要由腔体表面气体脱附产生的放气所导致;在XHV中,气体主要来自腔体壁和用其他材料的气体渗透。
一文了解超高真空UHV极高真空XHV的获得、应用、检测与注意事项1高真空、超高真空和极高真空都在什么范围?
XHV的压力范围通常大于10^-12mbar,UHV在10^-7到10^-12mbar之间,而HV则在10^-3到10^-7mbar之间。XHV与地球同步轨道卫星所处的真空水平相当;UHV是高能物理和核子研究(例如在CERN和KATRIN进行的研究)所必须达到的真空水平;HV则在工业和科学研究中用得比较多。
2在HV、UHV和XHV条件下工作的注意事项
在HV、UHV和XHV条件下工作的几个关键注意事项都与系统设计有关,其中就包括所使用的材料。
此外,系统/腔室表面的状况也很重要,可以通过以下方法进行优化:
·将真空室内表面的面积减到最小;
·仅在腔体内部进行焊接;
·使用具有低解吸/放气率的材料;
·适当的材料预处理(例如电抛光);
·确保没有内部缝隙或被卡住的小空间(例如带螺纹的盲孔);
·减少密封件、馈通件等;
·采用金属密封。
系统的预处理也非常重要,比如烘烤,以及用无粉乳胶手套防止指纹油渍,同时彻底清洁以除去碳氢化合物、填充物和其他污染物(化学和物理污染物均包含在内)。
2.1HV、UHV和XHV的除气
在HV、UHV和XHV的情况下,对减压(和真空保持)最重要的贡献是与除气有关的。除气是HV、UHV和XHV系统中的一个主要问题,是之前吸附的分子通过腔体向外扩散、渗透和蒸发而解吸的结果。
除气可能来自两个方面:表面和基体材料。通过为系统内部的所有部件选择蒸汽压低的材料(例如玻璃、不锈钢和陶瓷),可以最大限度地减少基体材料蒸发所导致的脱气。通常不被认为有吸气性的材料实际上会有很大的放气量,这些材料包括大部分塑料和某些金属,例如带有高透气性材料(比如钯,这是一种大容量的“氢气海绵”)衬里的容器,会产生其自己特有的放气问题。
许多常见材料由于蒸汽压力高或吸收性强,可能导致后续出现放气,或在面对压差时(例如通气时)出现高渗透性,所以即使真的需要使用这种材料,也要尽量少用。
大多数有机化合物都不能使用。虽然很多人理所当然地认为钢很合适,但实际情况不一定如此。由于碳钢的氧化作用大大增加了它的吸附面积,所以只能使用不锈钢。特别是无铅和低硫奥氏体钢号的钢,例如304不锈钢和316不锈钢,它们至少含有18%的铬和8%的镍。其他适合的不锈钢变种包括含有铌和钼等添加剂的不锈钢,这些添加剂可以减少碳化铬的形成。
虽然不同材料测量的出气率有很大差异,但这种出气率也受到泵的抽速、抽空腔室所需时间、系统温度和要达到的底压有关。
为了阐明在HV、UHV和XHV范围内放气的重要性,值得考虑的一点是,在10^-6mbar的压力下,附着在系统器壁上的每500个分子中,就有1个分子可以在系统内自由移动。这就凸显了这样一个事实:在这个水平上,压力是由系统表面的气体量决定的。这就解释了为什么在这种真空度下通常要使用表面分析设备。
系统内气体量的主要来源有6个:
·系统/腔室内含有的初始气体;
·抽气过程产生的气体量;
·包埋气体(会进一步增加气体量);
·回流/迁移(可以通过使用冷阱、反倒吸阀门等来减少);
·脱气(这是造成气体量的主要因素,也是最难解决的问题);
·泄漏。
最后,关于放气问题,必须澄清两个过程的区别:吸收和吸附。吸收是个物理或化学过程,通过该过程,一种物质进入另一种物质的内部,这两种物质通常是在不同相位(在这种情况下,气体分子会进入腔壁的固体材料内部)。而吸附则是气相的分子附着/临近在另一种物质(在本文所述的情况下指的是腔壁)的表面上。被吸附的分子只需简单地“解吸”即可,而被吸收的分子首先需要“扩散到表面”,然后再进行解吸。
3HV、UHV和XHV的获得
可以用什么类型的真空泵来获得HV、UHV和XHV呢?
通过给主泵配置预抽泵和前级泵,才能切实有效地达到HV、UHV和XHV的水平。
前级泵将压力降低到主泵可以工作的水平,不过,将不同类型的真空泵搭配起来以实现最佳性能并非易事。没有任何现成的抽气系统可以同时满足所有的应用、可能出现的情况和要求,因为有无数的影响因素需要考量。
选择哪种真空泵(包括前级泵和主泵)取决于很多因素,包括噪音/振动、成本(生产成本和维护成本)、对污染的耐受性、占地面积、抗冲击能力,等等。然而,并不存在一种理想的HV、UHV或XHV泵:每种类型的真空泵都有其自身的优势和劣势。
主要的前级泵包括:隔膜泵、涡旋泵、多级罗茨泵、螺杆泵。
能够达到HV、UHV和XHV的主泵包括:扩散泵、低温泵、吸气剂离子泵、钛升华泵、非蒸散型吸气泵、涡轮分子泵。
3.1这些主泵的优势和局限是什么?
动量传输式真空泵(例如涡轮分子泵)具有许多优点:操作简单,维护量少,提供无碳氢化合物的操作环境,不需要再生,在HV、UHV和XHV范围内运行具有高抽速。
然而,涡轮分子泵并非没有缺点,包括:具有活动件意味着它们会产生振动和电噪声,对轻气体的抽速较低,对机械冲击/振动敏感,对异物进入敏感。
一文了解超高真空UHV极高真空XHV的获得、应用、检测与注意事项
气体捕集泵(例如吸气剂离子泵)也有一系列优点:由于没有运动件,所以消除了振动和电噪声;捕集泵采用超过108灰度的耐辐射材料制造;如果移除磁铁,可以将烘烤温度升到450℃(长时间的高温烘烤对每一个HV、UHV和XHV系统都至关重要);捕集泵几乎不需要维护。
不过,与其他类型的真空泵相比,吸气剂离子泵也有缺点:对惰性气体的抽气效率低;在HV、UHV和XHV范围内抽气速度下降;需要高电压和磁场;而且很重。
近年来,随着技术的进步,真空泵产品也在逐步“进化”,很大程度上避免或者减轻了此前产品的一些缺点。
比如在涡轮分子泵方面,安捷伦的TwisTorr超高真空涡轮分子泵使用了比永磁轴承耐振动和冲击能力更强的AFS悬浮支撑系统,采用特殊的弹性材料隔离转子与泵体,避免转子和轴承受到从泵体传来的冲击。并且,由于弹性材料的阻尼效应,可以吸收各种振动的能量,从而降低泵的噪音和振动,保证最佳的轴承工作条件,确保长时间工作的稳定性,延长泵的工作寿命。
而在离子泵方面,早在1983年,Varian(现安捷伦真空)就开发出一种新的异形结构的二电位三极型离子泵,该阴极结构称为StarCell?阴极。StarCell?阴极板带有放射状排列的、比较紧凑的鳍片结构,收集极为位于StarCell?阴极外侧的泵壁,而且StarCell?阴极结构与普通三极泵的阴极相比,阴极面积增加了。此外,该阴极结构和分布角度有利于提高钛的溅射率,而收集极只承担掩埋气体的作用,掩埋的气体不会被入射离子打到而释放出来,这样就提高了泵抽除气体特别是惰性气体的能力。由于阴极的实际面积有所增加,并且该阴极结构有利于散热,使得StarCell?阴极离子泵在拥有媲美二极泵的氢气抽速和容量的同时,还能提供非常理想的对惰性气体的抽速(远高于惰性气体二极泵)。
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StarCell阴极结构
另外,为了兼顾对氢气和对惰性气体的抽速,安捷伦真空还与赛斯公司合作开发了NEG吸气剂泵+溅射离子泵组合的复合离子泵。将抽除惰性气体稳定的StarCell?阴极离子泵与对氢气抽速比较大的NEG吸气剂泵组合在一起使用,构成了同时有StarCell?离子泵抽气单元和NEG吸气剂泵抽气单元的复合型离子泵。
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安捷伦复合型离子泵
4HV、UHV和XHV的测量
在测量HV、UHV和XHV的压力方面,由于前文提及的放气效应,传统的压力/真空计并不合适。因此可以用电离真空计来代替:这种仪器利用某种手段使进入规管中的部分气体分子发生电离,收集这些离子形成离子流;由于被测气体分子所产生的离子流在一定压力范围内与气体的压力呈现出正比关系,所以通过测量离子流的大小就可以反映出被测气体的压力值。
按照电离方式的不同,电离真空计可以分为三类:热阴极电离真空计(应用最广)、冷阴极电离真空计、放射性电离真空计。本文重点介绍一下热阴极和冷阴极电离真空计。
4.1热阴极电离真空计
在热阴极电离真空计的规管中,由具有一定负电位的高温阴极灯丝发射出来的电子,经阳极加速后获得足够的能量,在气体中与分子碰撞时,可以引起分子的电离,产生正离子与电子。由于电子在一定的飞行路程中与气体分子碰撞的次数,正比于气体分子的密度,也就是正比于气体的压力,所以电离碰撞所产生的正离子数也与气体压力成正比。利用收集极将正离子接收起来,即可根据所测离子流的大小来指示气体压力的大小。
尽管热阴极电离真空计的测量范围能达到10^-2~10^-11mbar,但是当压力过高时,粒子流与压力的关系会偏离线性而趋于饱和。为了扩大测量范围,通常在泵的起始点采用皮拉尼真空计(在压力过高的情况下)。
此外,普通热阴极电离真空计的测量下限约在10^-6Pa数量级:栅状阳极受电子轰击会产生软X射线,离子收集极接收此射线会发生光电子发射,由于这时收集极发射光子与它收集到的离子是等效的,这样在离子收集极电路中就形成了一个与压力无关的本底光电流,测量时就表现为约10^-6Pa的压力读数。为了消除本底光电流的影响,从而扩展热阴极电离真空计的测量下限,出现了B-A型电离真空计(测量下限可达到10^-8Pa)、抑制式真空计(理论上可达到10^-12Pa)、调制式真空计(10^-10Pa)、分离式真空计(10^-11Pa),等等。
热阴极电离真空计的读数与气体种类有关,测量不确定性低(只有10%左右),不过它们有两个缺点:首先,必须防止沉积/蒸汽/粉尘污染,因为这将影响阴极寿命,并导致测量误差增加;其次,必须防止振动/冲击/强气流,因为这将使灯丝受力,减少其寿命。
为了进一步提高其在HV、UHV和XHV范围内的可用性,大多数热阴极电离真空计都配备了除气功能。通过在阳极上使用较高电压和较强的发射电流,使解吸率上升,这意味着在达到极限压力的过程中可以更快地除气。
4.2冷阴极电离真空计
冷阴极电离真空计(通常被称为潘宁规)与热阴极电离真空计相同,也是由规管和测量线路两部分组成,不过它是以冷阴极取代了热阴极作为电离真空计的离子源。冷阴极电离真空计规管中的电子是在平行电磁场或正交电磁场作用下维持放电而进行工作的。
冷阴极电离真空计的测量范围可以达到10^-2~10^-9mbar。这种真空计结构简单,易于维修,虽然读数与气体种类有关,但可以提供校正系数。然而,冷阴极电离真空计的测量不确定性在30%~50%之间,而且,它们更倾向于在10^-2~10^-5mbar范围内开始放电。
5HV、UHV和XHV的检漏
没有任何一个真空设备或系统可以做到绝对的真空密封,其实也不需要做到。一个不争的事实是,泄漏率应该足够低,以便所需的工作压力、气体平衡和真空容器中的极限压力不会受到过度影响。就HV、UHV和XHV而言,检测小于10^-7mbar·L/s的漏率的唯一可靠方法就是使用氦质谱检漏仪。漏孔直径当量为10^-12mbar·L/s也是氦分子的直径,是可以检测到的最小漏率。这种与氦气的关系,是采用氦气作为示踪气体、并且使用质谱仪进行分析/测量的原因之一,也是这种方法为最准确和快速的检漏方法的原因之一。
氦质谱检漏仪的工作原理如下:采集被检件中的气体样品并将其电离,根据不同种类气体离子质荷比不同的特点,利用磁偏转分离原理将其区分开来。仪器仅对示踪气体氦气有响应信号,一旦出现信号响应,就说明有氦气通过漏孔进入被检件中,从而指示漏孔的位置与大小。氦质谱检漏仪是目前通行的最灵敏、性能最好、使用最广泛的检漏装置。
至于如何用氦气进行检漏,在实际中有两种方法:“整体”检测法要求将被检件置于密闭装置内;而“局部”检测法则是在被检件内部用氦气加压或在内部排空氦气。在这两种检测方法中,氦气都是通过可能的漏孔钻出,然后进入质谱仪进行分析的。
不过,用氦作为示踪气体也有一些不足之处,例如:橡胶、塑料等有机材料常常会吸收氦,然后还会在吸收后慢慢释放出来;所有的离子收集极,对氦都会产生记忆效应,即氦离子打到离子收集极上,并贮存一定时间,然后再慢慢释放出来,从而造成本底和噪声。
6HV、UHV和XHV的应用
在工业和科研领域中通常需要HV条件,包括但不限于复合塑料成型、飞行仪表、真空电子管、医疗、镀膜、质谱分析、电子显微镜,等等。
而UHV的应用领域则有所不同。它的一个重要应用领域是与表面分析技术有关,例如X射线光电子能谱学、俄歇电子能谱学、二次离子质谱法、热脱附谱法、角分辨光电子能谱法、场致发射显微镜、场离子显微镜,以及原子探针层析成像,等等。此外,UHV还被用于对纯度有严格要求的薄膜生长与制备技术中,比如原子层沉积、脉冲激光沉积和分子束外延。对于所有这些应用来说,UHV是减少表面污染所必需的条件。在这方面,重要的是要认识到在10^-6mbar的压力下,只需1秒钟污染物即可覆盖表面,因此,实验的时间如果更长,就得需要更低的压力。
UHV在科研应用中也是必需的条件。包括粒子加速器(比如大型强子对撞机LHC,有些部分需要在UHV,甚至在10^-12mbar的XHV水平下运行)和引力波探测器(比如LIGO实验装置被安置在1万立方米的10^-9mbar的真空室中)。这些情况下,UHV条件有助于减少束流-气体相互作用,并且限制来自外部环境的扰动。

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