真空泵維修：鈦泵的原理與故障分析

　　簡單介紹了鈦泵的工作原理。濺射離子泵在高電壓和高磁場的作用下產(chǎn)生潘寧放電，吸附容器內(nèi)氣體分子達(dá)到真空的目的。由于設(shè)備老化或操作不當(dāng)?shù)仍?，濺射離子泵會(huì)發(fā)生各種故障。本文列舉了濺射離子泵的各種常見故障，根據(jù)工作機(jī)理分析了濺射離子泵發(fā)生故障的原因，并介紹了排除故障和維護(hù)保養(yǎng)的方法。對于鈦泵的操作使用人員和維修人員具有一定的借鑒意義。

　　真空技術(shù)與電光源工業(yè)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，在整個(gè)電光源工業(yè)中到處都涉及真空技術(shù)問題。能否獲得高質(zhì)量的真空決定了生產(chǎn)出的光源產(chǎn)品的質(zhì)量高低。因此，用來獲得真空的真空泵在電光源的制造過程中起著至關(guān)重要的作用。鈦泵是真空泵的一種，但它不同于普通的壓縮型泵。鈦泵沒有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也不使用真空泵油，它采用俘獲氣體分子的方式除氣，能得到清潔的高真空，這對于提高光源質(zhì)量有很大的幫助。但是，鈦泵特殊的除氣原理和特殊的結(jié)構(gòu)使其與普通的真空泵的操作、保養(yǎng)和維修都有所不同。本文從實(shí)例( 濺射離子泵) 出發(fā)，講述鈦泵的原理與其故障的分析和排除方法，對鈦泵的操作人員和維修人員具有一定的借鑒意義。

1、鈦泵的工作原理

　　真空的實(shí)質(zhì)就是具有較低氣體分子濃度的空間。因此，只要降低空間的氣體分子濃度就能獲得真空，而不必有實(shí)際上的排氣過程。鈦泵正是基于此原理制造的。

　　通過加熱、電離等方法使鈦原子與空間氣體分子發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，使氣體分子伴隨鈦原子一起沉積下來，從而達(dá)到降低空間氣體分子濃度的目的。這就是鈦泵的基本工作原理。這與壓縮泵的原理( 即將氣體從一方壓縮到另一方來獲得真空) 有所不同。

2、濺射離子泵

　　2.1、濺射離子泵的原理

　　早在本世紀(jì)初，就有人在抽真空的電子管中蒸發(fā)一些化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)的金屬，使其與管內(nèi)未能抽凈的氣體發(fā)生反應(yīng)，從而降低空間的氣體分子濃度。這種金屬以及起著相同作用的材料就叫做吸氣劑，這種方法叫做化學(xué)清除。實(shí)驗(yàn)證明，用鈦持續(xù)蒸發(fā)到一個(gè)冷卻的壁上，可以形成具有相當(dāng)抽氣速率的泵，形成簡單的升華泵。

　　俘獲氣體分子還可以使用電離吸附的方法。利用高速電子轟擊氣體分子可以得到正離子，正離子在電場作用下被驅(qū)逐到負(fù)電極上，中和后由于分子間的范德瓦爾斯力被金屬吸附而不再離開電極。這樣降低了空間氣體分子濃度，達(dá)到了獲得真空的目的。這種現(xiàn)象稱為電清除，利用電清除達(dá)到除氣目的的泵稱為離子泵。離子泵對吸附的氣體沒有選擇性。

　　離子泵和升華泵都能獲得很高的真空度，但是單獨(dú)使用它們來獲得更高的真空就有很大的困難。這與它們的工作機(jī)理有很大的關(guān)系。依靠物理吸附的離子泵俘獲氣體分子的能力有限; 升華泵產(chǎn)生的化學(xué)鍵能雖然大，但很容易在其表面形成飽和，影響其進(jìn)一步吸收氣體，而且升華泵對惰性氣體吸附效果不好。因此將兩種泵合二為一，就能得到吸氣效果更好的濺射離子泵。

　　2.2、濺射離子泵的組成

　　濺射離子泵主要由陽極、陰極、永磁鐵和泵體四大部分組成。

　　陽極是由多個(gè)不銹鋼圓筒排列組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，陰極是兩塊平行的鈦合金板，將陽極夾在中間，三者相互間保持一定距離并通過高壓絕緣陶瓷連接。陽極施加3~7 kV 直流高壓，陰極接地。陰陽極板被泵體密封在內(nèi)部，在泵體外部吸附相對放置的兩塊永磁鐵，磁場方向與極板垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度1000~2000 Gs。泵體結(jié)構(gòu)如圖1。

　　2.3、濺射離子泵的工作過程

　　濺射離子泵又稱潘寧泵，顧名思義，它是利用潘寧放電進(jìn)行除氣的。濺射離子泵是目前比較好的抽真空設(shè)備。

　　濺射離子泵的工作過程比較復(fù)雜，可簡單的概括如下:

　　s*先，電源啟動(dòng)，在陰陽極板間產(chǎn)生高壓。由于級間距離很近，根據(jù)E=U/d 可知，電場強(qiáng)度E數(shù)值非常大，尤其在陽極筒壁邊緣處。在強(qiáng)大的電場和與之平行的磁場作用下，電子以螺旋線方式高速運(yùn)動(dòng)，由于電子運(yùn)動(dòng)行程的增加，大大提高了與氣體分子碰撞的幾率。電子在空間與氣體分子碰撞產(chǎn)生正離子和二次電子，產(chǎn)生的電子繼續(xù)與氣體分子碰撞產(chǎn)生新的正離子和電子。此種放電稱為潘寧放電，潘寧放電能在很低的壓強(qiáng)下進(jìn)行。

　　氣體分子被電離后形成的正離子加速向陰極板運(yùn)動(dòng)，由于能量很大，沖擊陰極時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的濺射，大量的鈦原子被轟擊出來，沉積在陽極筒壁上和陰極板上遭受離子轟擊較弱的區(qū)域，形成新鮮的鈦膜吸附活性氣體，而惰性氣體在陰極濺射不強(qiáng)烈的區(qū)域被掩埋。

3、濺射離子泵的故障分析

　　3.1、抽速或真空度下降

　　抽速或真空度下降可考慮以下幾種原因:

　　3.1.1、漏氣

　　當(dāng)真空度略有下降或者抽真空速率較慢時(shí)，s*先考慮的就是漏氣，這種漏氣通常是微小的。微漏從表面上看，對生產(chǎn)沒有太大的影響，只要增加抽氣時(shí)間就行了，但是，忽視微漏降低生產(chǎn)效率不說，長期下去會(huì)對泵本身造成損害，另外產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。

　　微漏的位置通常在泵體的焊接處和法蘭接口處。使用乙醚噴在泵體接口處就能快速準(zhǔn)確地找到微漏的位置，加以維修。接口處上固定螺絲時(shí)，各點(diǎn)受力要均勻。

　　3.1.2、吸氣劑飽和

　　濺射離子泵長期使用會(huì)使吸氣劑鈦產(chǎn)生飽和，使真空質(zhì)量變差。俘獲型真空泵的特點(diǎn)就是消耗吸氣劑。吸氣劑與氣體分子結(jié)合生成穩(wěn)定物質(zhì)沉積下來，所帶來的必然結(jié)果就是飽和。此時(shí)可以看到濺射離子泵的陽極筒壁和陰極板表面附著大量銀白色物質(zhì)，這種物質(zhì)就是鈦與氣體分子結(jié)合生成的固溶體。因此，必須定期對濺射離子泵進(jìn)行再生處理。對濺射離子泵的再生處理方法有兩種，一種是化學(xué)腐蝕，一種是在真空中高溫烘烤?；瘜W(xué)腐蝕的方法能使鈦迅速恢復(fù)活性，但是化學(xué)方法具有一定的危險(xiǎn)性，而且需要專業(yè)的操作，不可能經(jīng)常使用。另一種可行方法就是在真空中高溫烘烤，也就是燒真空。將陰極板放入真空爐中加熱到一定溫度，就能使鈦釋放出它所吸附的氣體。陽極壁筒上附著的固溶體可以通過超聲撕裂的方法將其除去。

　　漏氣也會(huì)加快吸氣劑鈦的飽和，檢修時(shí)需要注意這一點(diǎn)。

　　3.1.3、泵體重裝后處理不當(dāng)

　　泵體重裝后處理不當(dāng)也會(huì)影響泵的正常工作，甚至產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。

　　濺射離子泵只能在低壓強(qiáng)下工作，這與其工作機(jī)理有關(guān)。泵體重裝后，陰陽極板都處于大氣壓強(qiáng)下，此時(shí)需要前級泵將泵體內(nèi)壓強(qiáng)抽到10^-2 Pa 泵才能進(jìn)行啟動(dòng)。如果泵體內(nèi)壓強(qiáng)不達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)就啟動(dòng)泵，就必然加重泵的負(fù)擔(dān)。氣體量的增大使鈦的消耗加大，抽速下降，工作壽命縮短。當(dāng)壓強(qiáng)足夠高時(shí)，會(huì)在極板間產(chǎn)生強(qiáng)烈的放電，灼燒極板，致使其變形甚至報(bào)廢，嚴(yán)重的變形還會(huì)使極間短路，如圖3。此類故障為人的誤操作導(dǎo)致，須加以預(yù)防。

　　3.2、泵體發(fā)燙

　　如果泵在啟動(dòng)后出現(xiàn)泵體過熱的情況要立刻停止工作，進(jìn)行檢修。此類故障的發(fā)生通常是由于泵內(nèi)壓強(qiáng)過高或者油氣進(jìn)入。

　　3.2.1、放氣

　　飽和的吸氣劑在一定的條件下會(huì)重新釋放出氣體，氣體密度的增加會(huì)使空間內(nèi)離子碰撞的幾率增加，放電加劇，形成雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生輝光放

　　電甚至弧光放電，z*終燒毀極板。如圖4 陰極板被擊穿。有資料說，濺射離子泵短時(shí)間暴露于大氣不會(huì)造成損壞，但是還是要盡量避免。

　　3.2.2、油污染

　　油進(jìn)入泵體內(nèi)部s*先的危害是污染真空系統(tǒng)。大量油的進(jìn)入還會(huì)損壞真空泵。油污染的來源有兩個(gè)，一個(gè)來自前級機(jī)械泵，另一個(gè)是在拆泵重裝時(shí)進(jìn)入的。嚴(yán)重的油污染會(huì)縮短泵的使用壽命，甚至使泵報(bào)廢。

　　此類故障需要采取預(yù)防措施。s*先對前級泵的濾油網(wǎng)要定期檢修。其次在拆泵重裝時(shí)，要保證在清潔的環(huán)境下進(jìn)行，并帶干凈的手套，嚴(yán)禁徒手觸摸泵內(nèi)部的元件。

　　3.2.3、進(jìn)氣

　　大量進(jìn)氣導(dǎo)致放電加劇，陰陽極板受轟擊發(fā)熱。泵體嚴(yán)重漏氣會(huì)導(dǎo)致此類故障發(fā)生。

4、其它故障

　　啟動(dòng)后電壓指示表指針不動(dòng)或者反打，停機(jī)檢查電源。如果電源正常，要考慮高壓絕緣陶瓷是否漏電。濺射離子泵工作時(shí)濺射出的鈦有少量

　　沉積在絕緣陶瓷上，時(shí)間長了，會(huì)在其表面形成一層金屬膜，致使陶瓷失去絕緣能力。如圖6。除去金屬膜可以用砂紙打磨陶瓷表面，或者用氫氟酸短時(shí)間浸泡。如果還除不掉，需要更換。

　　永磁鐵的磁場強(qiáng)度下降也會(huì)導(dǎo)致泵的不正常工作，因此永磁鐵也需要定期充磁。

5、結(jié)束語

　　濺射離子泵是鈦泵的一種，其他類型的鈦泵的工作原理與其具有相似性，故障的排除和日常的保養(yǎng)也可參考濺射離子泵。要延長鈦泵的工作壽命，提高其工作質(zhì)量，保養(yǎng)維護(hù)尤為重要。