基本介紹
- 中文名：鈦升華泵
- 外文名：Titanium sublimation pump
- 所屬類別：真空泵
- 套用領域：電子器件、表面物理試驗等
- 工作原理：化學吸附
- 結構組成：泵體和升華器
簡介,結構組成,工作原理,性能,影響因素,使用要求,實際使用,
簡介
升華泵是一種用間斷或連續方式升華蒸發吸氣材料以達到抽氣目的的捕集真空泵。
升華泵的主要吸氣材料是鈦，所以鈦升華泵從六十年代後半期已被普遍套用。在小型系統中，鈦升華泵往往作為增加濺射離子泵活性氣體抽速和提高系統極限真空度的輔助泵。在大型真空系統(要求抽速10萬升/秒以上)中，則作為主泵。
結構組成
鈦升華泵（Ti升華泵）主要由泵體和升華器組成（圖1）。泵體材料為不鏽鋼。泵體採用水或液氮冷卻。泵體高度與泵口直徑之比一般為1～2，水冷卻取大值，液氮冷卻取小值。依使用的鈦材形狀和加熱方式不同，升華器有多種結構形式。
圖2a、 b分別是純鈦絲和鈦鉬合金絲直接通電加熱的升華器。這兩種升華器的結構簡單，成本低；但鈦升華率或蒸發率（指單位時間內單位面積升華的量）低，利用率也很低（約為40%）。圖2c是輻射加熱的鈦球升華器。它由薄殼鈦球和內部的鎢絲加熱器組成。這種升華器升華率大、利用率高（約達70%）。在大型泵里裝有幾個鈦球,平均升華率可達2.5克/時，抽氣速率達數十立方米每秒。此外，還有電子轟擊加熱鈦片升華器和鈦棒升華器等。
工作原理
鈦升華泵（Ti升華泵）的抽氣機理是化學吸附。升華器升華的鈦沉積在冷的泵體壁面上，形成新鮮的鈦膜，對氮、氧和一氧化碳等活性氣體有比較強烈的吸附作用（見表），並形成氮化鈦、碳化鈦和氧化鈦等穩定的化合物，但對惰性氣體和甲烷幾乎不吸附。鈦膜吸附氣體只能是單分子層的，在已吸附氣體分子的位置上不能再吸附氣體。因此，鈦升華器必須不斷地升華，使泵體壁面上不斷地沉積新的鈦膜，才能達到連續抽氣的目的。 鈦升華泵為了克服鈦升華泵吸附惰性氣體差的缺點，通常把它與濺射離子泵（見吸氣劑離子泵）配合使用或組合成複合鈦泵，這樣就可發揮各自的長處。鈦升華泵的抽氣速率大，離子泵能抽惰性氣體和甲烷，可獲得更低的極限壓力。如先用能抽惰性氣體氬和活性氣體的分子篩吸附泵作為預真空泵，用這3種泵組成機組,抽氣時無油污染、無振動噪聲，是獲得無油超高真空的重要方法。
鈦升華泵
鈦升華泵性能
（1）抽氣速率。鈦的升華速率是決定其抽速的主要因素之一。若吸氣面積足夠大時，在一定的壓強範圍內，升華速率高，則泵的抽速大。鈦膜的沉積速率與吸氣量要適應，否則第一層鈦膜吸氣尚未飽和，第二層又覆蓋上去，即使升華率很高，抽速增加也有限。為了維持恆定的抽速，減少鈦的消耗，必須對升華率進行調節。真空度高時需降低升華率，真空度低時需增大升華率。
此外，吸氣表面也決定抽速的大小，吸氣面積越大，泵的抽速也越大。泵口的流導也往往限制泵的抽速。因此在設計泵時，泵吸氣面的總吸氣能力要小於泵口的流導。
（2）極限真空。這種泵的極限真空與泵啟動前的預真空有關，如果使用機械泵達到的預真空，則該泵可達到10-4-10-5帕的極限真空。如果用渦輪分子泵達到的預真空，則可達到10-7-10-8的超高真空。
影響因素
鈦升華泵（Ti升華泵）的抽氣速率與被抽氣體的種類及其壓力、鈦的升華率、鈦膜面積和鈦膜溫度等因素有關。
在壓力高時，泵的抽速決定於升華率。為獲得大的抽氣速率，壓力越高升華率應越大，但在低壓力下太大的升華率是不必要的。在 10-7帕壓力時的升華率只有10-3帕時的1%即可。在超高真空時常採用斷續升華，如10-8帕時每隔幾小時才升華1分鐘。
經徹底烘烤去氣的泵，用水或液氮冷卻對極限壓力的影響不大，但對抽氣速率的影響很大。液氮冷卻的抽氣速率一般比水冷卻的大1～4倍。
使用要求
啟動鈦升華泵需要1～10-2帕的預真空，同時進行烘烤去氣（泵每次暴露於大氣壓後都要進行烘烤去氣）。
烘烤去氣是獲得超高真空的必要條件。泵經徹底烘烤去氣後，可以獲得低的極限壓力和縮短達到極限壓力的抽氣時間,還能使泵壁更清潔,沉積的鈦膜不易脫落和避免放氣等。一般以300～400℃溫度烘烤12～24小時。
泵啟動後泵壁不宜馬上冷卻，應讓升華的鈦在其上沉積幾分鐘後再冷卻，這樣鈦膜就不易脫落。
實際使用
(1)鈦升華泵需要一定的預真空，才能啟用，原因是當氣體壓強較高時，氣體分子密度較大，蒸發出的鈦原子在空間飛行中同氣體分子碰撞頻繁而不能形成有效的鈦膜，既使形成鈦膜也易於氧化。
(2)由於鈦膜與氣體的作用機理屬化學吸附，因此抽速與被抽氣體的種類有很大關係，即對活性分子的抽速最大，而對惰性氣體不能吸附。因此它不能作為主泵抽除空氣。一般需與濺射離子泵配合使用。
(3)當壓強P<10-4帕時，鈦升華器無需連續蒸鈦，可間歇循環使用，這樣既延長了泵的壽命，又降低了泵壁溫度，利於抽氣。因此在設計電源時，必須設計自動/時間可調/間歇循環等功能。
(4)為避免鈦膜脫落，鈦膜沉積面要經嚴格的化學清洗和電解拋光，第一次使用時必須徹底去氣。
(5)每次使用時，一定要使鈦沉積面冷卻良好，否則鈦膜附著不牢可能脫落，導致抽氣效率降低。
(6)鈦膜對H2的溶解度很大。溶解在鈦膜中的H2容易釋放出來，因此，H2常常稱為影響極限真空的重要因素。所以在使用一段時間後，常需將泵體烘烤到300℃，以去除這類容易脫附的氣體。
