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钛升华泵

钛升华泵

钛升华泵是靠新鲜钛膜的化学吸附作用抽气的真空泵。这种泵具有结构简单、抽速大、无油污染、抗辐射和无振动噪声等特点，启动压力为1～10-2帕，工作压力范围为10-2～10-8帕，是获得无油超高真空的重要真空泵。钛升华泵在电子器件、高能加速器、可控热核反应装置和空间模拟装置，以及表面物理试验等方面都得到广泛的应用。

简介
升华泵是一种用间断或连续方式升华蒸发吸气材料以达到抽气目的的捕集真空泵。
升华泵的主要吸气材料是钛，所以钛升华泵从六十年代后半期已被普遍应用。在小型系统中，钛升华泵往往作为增加溅射离子泵活性气体抽速和提高系统极限真空度的辅助泵。在大型真空系统(要求抽速10万升/秒以上)中，则作为主泵。
结构组成
钛升华泵（Ti升华泵）主要由泵体和升华器组成（图1）。泵体材料为不锈钢。泵体采用水或液氮冷却。泵体高度与泵口直径之比一般为1～2，水冷却取大值，液氮冷却取小值。依使用的钛材形状和加热方式不同，升华器有多种结构形式。
图2a、 b分别是纯钛丝和钛钼合金丝直接通电加热的升华器。这两种升华器的结构简单，成本低；但钛升华率或蒸发率（指单位时间内单位面积升华的量）低，利用率也很低（约为40%）。图2c是辐射加热的钛球升华器。它由薄壳钛球和内部的钨丝加热器组成。这种升华器升华率大、利用率高（约达70%）。在大型泵里装有几个钛球,平均升华率可达2.5克/时，抽气速率达数十立方米每秒。此外，还有电子轰击加热钛片升华器和钛棒升华器等。
工作原理
钛升华泵（Ti升华泵）的抽气机理是化学吸附。升华器升华的钛沉积在冷的泵体壁面上，形成新鲜的钛膜，对氮、氧和一氧化碳等活性气体有比较强烈的吸附作用（见表），并形成氮化钛、碳化钛和氧化钛等稳定的化合物，但对惰性气体和甲烷几乎不吸附。钛膜吸附气体只能是单分子层的，在已吸附气体分子的位置上不能再吸附气体。因此，钛升华器必须不断地升华，使泵体壁面上不断地沉积新的钛膜，才能达到连续抽气的目的。 钛升华泵为了克服钛升华泵吸附惰性气体差的缺点，通常把它与溅射离子泵（见吸气剂离子泵）配合使用或组合成复合钛泵，这样就可发挥各自的长处。钛升华泵的抽气速率大，离子泵能抽惰性气体和甲烷，可获得更低的极限压力。如先用能抽惰性气体氩和活性气体的分子筛吸附泵作为预真空泵，用这3种泵组成机组,抽气时无油污染、无振动噪声，是获得无油超高真空的重要方法。
性能
（1）抽气速率。钛的升华速率是决定其抽速的主要因素之一。若吸气面积足够大时，在一定的压强范围内，升华速率高，则泵的抽速大。钛膜的沉积速率与吸气量要适应，否则第一层钛膜吸气尚未饱和，第二层又覆盖上去，即使升华率很高，抽速增加也有限。为了维持恒定的抽速，减少钛的消耗，必须对升华率进行调节。真空度高时需降低升华率，真空度低时需增大升华率。
此外，吸气表面也决定抽速的大小，吸气面积越大，泵的抽速也越大。泵口的流导也往往限制泵的抽速。因此在设计泵时，泵吸气面的总吸气能力要小于泵口的流导。
（2）极限真空。这种泵的极限真空与泵启动前的预真空有关，如果使用机械泵达到的预真空，则该泵可达到10-4-10-5帕的极限真空。如果用涡轮分子泵达到的预真空，则可达到10-7-10-8的超高真空。
影响因素
钛升华泵（Ti升华泵）的抽气速率与被抽气体的种类及其压力、钛的升华率、钛膜面积和钛膜温度等因素有关。
在压力高时，泵的抽速决定于升华率。为获得大的抽气速率，压力越高升华率应越大，但在低压力下太大的升华率是不必要的。在 10-7帕压力时的升华率只有10-3帕时的1%即可。在超高真空时常采用断续升华，如10-8帕时每隔几小时才升华1分钟。
经彻底烘烤去气的泵，用水或液氮冷却对极限压力的影响不大，但对抽气速率的影响很大。液氮冷却的抽气速率一般比水冷却的大1～4倍。
使用要求
启动钛升华泵需要1～10-2帕的预真空，同时进行烘烤去气（泵每次暴露于大气压后都要进行烘烤去气）。
烘烤去气是获得超高真空的必要条件。泵经彻底烘烤去气后，可以获得低的极限压力和缩短达到极限压力的抽气时间,还能使泵壁更清洁,沉积的钛膜不易脱落和避免放气等。一般以300～400℃温度烘烤12～24小时。
泵启动后泵壁不宜马上冷却，应让升华的钛在其上沉积几分钟后再冷却，这样钛膜就不易脱落。
实际使用
(1)钛升华泵需要一定的预真空，才能启用，原因是当气体压强较高时，气体分子密度较大，蒸发出的钛原子在空间飞行中同气体分子碰撞频繁而不能形成有效的钛膜，既使形成钛膜也易于氧化。
(2)由于钛膜与气体的作用机理属化学吸附，因此抽速与被抽气体的种类有很大关系，即对活性分子的抽速最大，而对惰性气体不能吸附。因此它不能作为主泵抽除空气。一般需与溅射离子泵配合使用。
(3)当压强P<10-4帕时，钛升华器无需连续蒸钛，可间歇循环使用，这样既延长了泵的寿命，又降低了泵壁温度，利于抽气。因此在设计电源时，必须设计自动/时间可调/间歇循环等功能。
(4)为避免钛膜脱落，钛膜沉积面要经严格的化学清洗和电解抛光，第一次使用时必须彻底去气。
(5)每次使用时，一定要使钛沉积面冷却良好，否则钛膜附着不牢可能脱落，导致抽气效率降低。
(6)钛膜对H2的溶解度很大。溶解在钛膜中的H2容易释放出来，因此，H2常常称为影响极限真空的重要因素。所以在使用一段时间后，常需将泵体烘烤到300℃，以去除这类容易脱附的气体。
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