升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結構

　　蒸發(fā)鈦泵和升華鈦泵的缺點是工作的不穩(wěn)定性帶來的操作維護困難，并且要定期清洗沉積的鈦膜，更換鈦蒸發(fā)泵芯（升華器）。這類泵目前已屬于逐漸淘汰的泵種，除少數(shù)實驗室作為輔助用泵外，很少用于工業(yè)生產(chǎn)排氣系統(tǒng)中。
　　
　　鈦升華器結構
　　
　　用于升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵的鈦升華器性能直接影響到鈦泵的工作穩(wěn)定性和使用壽命，也是升華鈦泵的核心。目前應用z*多而且比較成熟的鈦升華器結構，有下列幾種形式：
　　
　　(1)纏繞鈦絲式
　　
　　纏繞式鈦升華器的結構如圖5-1所示。纏繞方式有：
　　
　?、冁u或鉭桿做芯金屬，上面密繞一層至兩層鈦絲；
　　
　?、阪u或鉭桿做芯金屬，上面密繞鉬絲或鈮絲，再在上面密繞一層鈦絲；
　　
　?、坻u或鉭桿做芯金屬，上面間繞一層兩根鈦絲和一根鉬絲。 　　
　　典型的纏繞鈦絲式升華器的電參數(shù)為：



　　
　　纏繞式鈦升華器結構簡單，容易制作，使用維修方便，去氣較徹底，易于控制鈦升華率。在小型鈦泵中，升華率容易做到1mg/h～100mg/h，低升華率使用時，壽命可達400h～500h。
　　
　　缺點是繞制的鈦絲其緊密程度很難一致，因而各段的電阻有差異。長期工作后，容易局部升華率過大，使鈦絲局部溫升過高以致燒斷，影響使用壽命。另外過長的升華器纏制有困難。
　　
　　鈦泵升華率與溫度的關系如圖5-2所示，功率與溫度的關系如圖5-3所示。
　　 　?。?）鈦鉬合金絲
　　
　　圖5-4是一種鈦鉬合金絲升華器的結構示意圖。 　　
　　鈦鉬合金絲(85%鈦，15%鉬)在恒定電壓下工作時，由于不斷升華，絲逐漸變細，引起電流和功率下降，但又由于表面積不斷減少，溫度稍微上升，這樣鈦升華率大體上能保持一常數(shù)，直到合金絲中出現(xiàn)大晶粒時為止。鈦鉬合金絲在恒定電壓下工作時，大約有24%的鈦能以恒定的升華率升華掉。壽命終止時，在合金中大約有40%的鈦已升華掉。鈦鉬合金絲適宜的工作溫度在1200℃～1500℃之間。使用中其成分變到含74%鈦及26%鉬時，晶粒開始增大，電阻率和熱輻射系數(shù)隨之增加，要維持恒定的升華率，必須增加功率，在壽命終了時，電壓大約增加到z*初值的兩倍，電流增加一倍半左右。
　　
　　鈦鉬合金絲有關參數(shù)如圖5-5～圖5-8所示。

　　
　　假定鈦鉬合金絲的熱損耗全部是由輻射引起的，則在給定的溫度下，合金絲所需要的電流值與合金絲直徑d有下列關系


　　式中 K——給定溫度下的換算系數(shù)；
　　
　　d——鈦鉬合金絲直徑[mm]。
　　
　　根據(jù)圖5-5曲線I和式(5-1)，可以繪出不同直徑的合金絲溫度一電流曲線。
　　
　　鈦鉬合金絲的計算要點：
　　
　?、俅_定工作溫度
　　
　　鈦鉬合金絲工作溫度T應低于1830K，一般在1200K一1500K范圍內(nèi)，在此溫度區(qū)間，當微晶粒結構的鈦鉬合金絲的溫度發(fā)生變化時，其電阻變化率z*小(圖5-8)。過高的蒸發(fā)溫度會很快形成大晶粒，使之斷裂。
　　
　?、谟蓤D5-6可以確定升華率[g/( cm2．s)]，然后確定總升華率并計算出相應的表面面積，選定合金絲的直徑、長度、根數(shù)以及支撐方式等。
　　
　?、塾蓤D5-7查出在工作溫度T下的總輻射系數(shù)ε，并計算每根絲的輻射功率Po

　　
　?、芤蜮併f合金絲各端及支架、引線等傳熱損失的功率P' 為
 

 

　　
　?、萦嬎忝扛z的總加熱功率(P=Po+2P' )，并根據(jù)電阻值計算出加熱電壓、電流值，確定電路連接方式（串、并聯(lián)）。
　　
　　⑥估算恒定升華率下的鈦鉬合金絲壽命（按合金中大約40%的鈦能升華掉來估算）

　　
　　鈦鉬合金絲升華器使用簡便，在一定的工作時間內(nèi)能自動調(diào)節(jié)加熱電流，不致燒斷。假若整個工作時間始終維持升華率不變，那就需要較復雜的電流控制程序。由于升華器鈦貯量和升華率受到限制，故鈦鉬合金絲升華器和纏繞式鈦升華器一樣，不適用于在大排氣量和大升華率下使用。這種升華器在長期工作之后，大晶粒開始增長（絲成分變?yōu)?4%鈦，26%鉬）。在1550K～1800K溫度范圍內(nèi)大晶粒生長時其絲的成分與升華溫度無關。
　　
　　熱輻射球式升華器的結構，如圖5-9所示。鈦球殼體半徑31.5mm，球殼厚度3.8mm，球體中間有一段長度為7.6mm的圓柱，下部的孔是用來安放螺旋狀鎢熱絲的[螺旋狀熱絲的長度和內(nèi)徑均為16. Smm]。熱絲一端焊在金屬桿上，另一端用鉬襯套與上半球相連接。鈦球下半部均勻地支撐在四根鉬桿上。熱絲加熱電流從中心金屬桿經(jīng)熱絲、鈦球和四根鉬桿構成回路。當輸入功率為450W時，鈦球的升華率為O.01g/h，而輸入功率為710W時，鈦球的升華率可達到0.5g/h。鈦重36.8g，利用率達71%。它的優(yōu)點是在給定的輸入功率下，升華率保持恒定，操作方便可靠，制作也不困難。缺點是鈦儲量不多，加熱絲固定困難而且容量燒斷。
　　
　　(4)電子轟擊式
　　
　　電子轟擊式蒸發(fā)器是利用燈絲發(fā)射的電子經(jīng)電場加速轟擊鈦棒使之受熱蒸發(fā)。結構如圖5-10所示，鈦棒質(zhì)量為6809，直徑27mm，長度190mm，其中只有25 .4mm的長度可暴露在電子束下，暴露部分可以連續(xù)工作90h。若要蒸發(fā)器繼續(xù)工作，可利用螺桿推動波紋管使鈦棒上升到電子束轟擊區(qū)。鈦棒可利用的有效長度為114mm(質(zhì)量為400g)。轟擊鈦棒用的燈絲共八根，每次使用四根，剩下四根備用。燈絲工作溫度為2500K，壽命達10000h以上，燈絲電源電壓為6V，電流為50A。轟擊高壓為6.3kV，電流為325mA。當轟擊功率為875W時，升華率約為1mg/h，另一種結構形式是在鉭杯中用鎢桿穿一串直徑為76mm的鈦薄片，鈦片總高為38mm。
　　
　　鉭杯既是貯槽又是輻射屏，其上方為環(huán)狀燈絲，轟擊功率可在0.6kW～3kW之間調(diào)節(jié)。轟擊時上面的鈦片中心局部熔化，熔化面積的大小取決于轟擊功率。鈦儲量為2009。當轟擊功率為1.5kW時，升華率為1g/h;轟擊功率為2.6kW～2.7kW時，升華率可高達8g/h。另外還有一種用電子槍加速電子進行轟擊的蒸發(fā)器，這種鈦蒸發(fā)器本身不帶高壓，也不需要調(diào)節(jié)，裝卸方便，鈦儲量大。缺點是必須在低于10-2Pa壓力下才能使用，否則會燒壞燈絲，此外增加了高壓供電部分，體積龐大。