真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　真空是進(jìn)行離子束刻蝕的必要條件，它的性能好壞直接影響著整機(jī)性能。良好的真空系統(tǒng)取決于合理的真空系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)和計(jì)算。通過計(jì)算主要解決兩個(gè)基本問題：一是根據(jù)該設(shè)備產(chǎn)生的氣體量、極限真空、工作壓力及抽氣時(shí)間，選擇主泵的類型、確定管道及選擇真空元件；二是計(jì)算該設(shè)備抽氣時(shí)間。
　　
　?、俅_定設(shè)備的氣體量，氣體量Q主要有三個(gè)來源：一是工作過程中放出的氣體量Q1；二是系統(tǒng)的漏氣量Q2；三是真空室表面出氣量Q3。其中Q1是主要的，它來自離子源，如保證陽極直徑為150mm，離了源在z*大束流密度時(shí)，正常工作的氣體流量大約為8Pa·L/s(約等效于300mA束流)。如LSK-3型離子束刻蝕機(jī)，經(jīng)計(jì)算總的氣體量為8.077Pa·L/s。
　　
　?、谌缓蟠_定本設(shè)備真空室中保持1.5×10-2Pa工作壓力(Pw)所需要的有效抽速

　　但為了可靠起見，常將S適當(dāng)增大，根據(jù)具體情況，按增大25%計(jì)算，故實(shí)際要求的有效抽速S為518.75L/s。
　　
　?、鄹鶕?jù)要求的工作壓力及使用要求，選擇主泵的型號(hào)。一般選擇油擴(kuò)散泵作為主泵。
　　
　　為防止返油進(jìn)入真空室，擴(kuò)散泵和真空室之間安裝單百葉窗水冷障板。查有關(guān)資料，該障板比流導(dǎo)為4. 8L/s·cm²，并配有一個(gè)200高真空手電兩用插板閥，擴(kuò)散泵前級(jí)泵選2XZ-8型直聯(lián)機(jī)械泵組成真空機(jī)組。
　　
　　a．根據(jù)要求，所需的有效抽速S= 518.75L/s?？紤]到加上障板、插板閥后的泵的抽速損失（一般泵的有效抽速是泵抽速的1/3左右），暫選抽速為1200L/s~1600L/s的油擴(kuò)散泵來進(jìn)行試算。查有關(guān)K型擴(kuò)散泵產(chǎn)品樣本，K-200T型油擴(kuò)散泵可以滿足要求。泵的進(jìn)口直徑為200mm，排氣口直徑為65mm。
　　
　　b．計(jì)算擴(kuò)散泵與真空室排氣口管道的流導(dǎo)，驗(yàn)證選K-200T型擴(kuò)散泵是否合適。
　　
　　這段高真空管道總的流導(dǎo)C由高真空管道流導(dǎo)C1、障板流導(dǎo)C2、插板閥流導(dǎo)（因該閥工作時(shí)全部打開，故忽略它的流導(dǎo)不計(jì)）串聯(lián)組成。

　　先確氣體沿管道定的流動(dòng)狀態(tài)。真空室工作壓力Pw=1.5×10-2Pa，擴(kuò)散泵入口壓力很低，故管道出口壓力可以忽略，管道的平均壓力p=½Pw=0.75×10-2Pa，Pd=0.75×10-2×20×10-2= 1.5×10-3(pa·m)<0.02(Pa·m)，可見為分子流。

　　④配泵計(jì)算。選配前級(jí)泵的原則是要求前級(jí)泵造成主泵（即擴(kuò)散泵）工作所需要的預(yù)真空條件，以及在主泵允許的z*大排氣壓力（這里指擴(kuò)散泵的z*大前級(jí)耐壓一反壓力）下，前級(jí)泵必須能將主泵所排出的z*大氣體量及時(shí)排走。

　　a．前級(jí)泵有效抽速的計(jì)算。主泵為K-200T型擴(kuò)散泵，它的z*大反壓力為40Pa，由抽速曲線可知，在2.7×10-2Pa壓力下擴(kuò)散泵的z*大排氣量為2.7×10-2×1200=32Pa·L/s。在擴(kuò)散泵出口管道斷面處，要求前級(jí)泵的有效抽速不小于0.8L/s。
　　
　　b。前級(jí)管道的流導(dǎo)。擴(kuò)散泵排氣口的直徑為65mm，經(jīng)過儲(chǔ)氣罐三通真空閥與前級(jí)管道相連，前級(jí)管道的直徑為32mm，長(zhǎng)度為1m。由于管道長(zhǎng)暫不考慮彎角的影響。
　　
　　確定氣體流動(dòng)狀態(tài)：擴(kuò)散泵出口臨界前級(jí)壓力為40Pa，而機(jī)械泵進(jìn)氣口的壓力要比40Pa低得多，在計(jì)算管道中平均壓力時(shí)可以忽略。故管道平均壓力為20Pa。此時(shí)管道的氣體流動(dòng)狀態(tài)為粘滯流。
　　
　　由于前級(jí)泵為機(jī)械泵，它的抽速是在大氣壓力下測(cè)得的，但正常使用的泵都是在低于大氣壓的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵的抽速下降了，故必須根據(jù)抽速曲線來選擇泵。
　　
　　c．抽氣時(shí)間的計(jì)算?？偟某闅鈺r(shí)間t包括粗抽時(shí)間tl和高真空抽氣時(shí)間t2兩部分。

　　粗抽氣時(shí)間tl按公式10-12計(jì)算。高真空抽氣t2由總的出氣量和機(jī)組有效抽速的比值決定，一般可用材料出氣率曲線和繪圖方法計(jì)算。

　　
　　一般粗抽時(shí)間不大于10min—30min，而計(jì)算時(shí)間為3.27min，實(shí)際上，開機(jī)械泵4min，真空度可達(dá)4Pa，故從抽氣時(shí)間角度來著，選擇2XZ-8型泵做為前級(jí)泵是合理的。
　　
　　此外，本真空系統(tǒng)中，在擴(kuò)散泵出口與三通閥之間設(shè)有儲(chǔ)氣罐，主要作用是縮短工作周期，儲(chǔ)存擴(kuò)散泵排出的氣體。因?yàn)楸緳C(jī)在工作過程中，更換樣品要求在不關(guān)閉擴(kuò)散泵加熱器的情況下，真空室放進(jìn)大氣換取工作，裝好工作后，用機(jī)械泵通過三通閥預(yù)抽真空室。這段時(shí)間內(nèi)將利用儲(chǔ)氣罐來維持?jǐn)U散泵工作。儲(chǔ)氣罐體積應(yīng)