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)氣體分子達到真空的目的。由于設(shè)備老化或操作不當?shù)仍颍瑸R射離子泵會發(fā)生故障。本文列舉了濺射離子泵的常見故障，根據(jù)工作機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。

　　真空與電光源工業(yè)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，在整個電光源工業(yè)中到處都涉及真空問題。能否獲得的真空決定了生產(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)動機構(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，鈦泵的除氣原理和的結(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)生一系列復雜的物理和化學反應(yīng)，使氣體分子伴隨鈦原子一起沉積下來，從而達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

　　早在本世紀初，就有人在抽真空的電子管中蒸發(fā)一些化學活動性強的金屬，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。實驗證明，用鈦持續(xù)蒸發(fā)到一個冷卻的壁上，可以形成具有相當抽氣速率的泵，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，達到了獲得真空的目的。這種現(xiàn)象稱為電，利用電達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)生的化學鍵能雖然大，但很容易在其表面形成飽和，影響其進一步吸收氣體，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雜，可簡單的概括如下:

　　首先，電源啟動，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，電場強度E數(shù)值大，尤其在陽極筒壁邊緣處。在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動，由于電子運動行程的增加，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下進行。

　　氣體分子被電離后形成的正離子加速向陰極板運動，由于能量很大，沖擊陰極時產(chǎn)生強烈的濺射，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

　　當真空度略有下降或者抽真空速率較慢時，首先考慮的就是漏氣，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，只要增加抽氣時間就行了，但是，忽視微漏降低生產(chǎn)效率不說，長期下去會對泵本身造成損害，另外產(chǎn)量也難以。

　　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確地找到微漏的位置，加以維修。接口處上固定螺絲時，各點受力要均勻。

　　3.1.2、吸氣劑飽和

　　濺射離子泵長期使用會使吸氣劑鈦產(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行處理。對濺射離子泵的處理方法有兩種，一種是化學腐蝕，一種是在真空中高溫烘烤?；瘜W腐蝕的方法能使鈦迅速恢復活性，但是化學方法具有一定的危險性，而且需要的操作，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聲撕裂的方法將其除去。

　　漏氣也會加快吸氣劑鈦的飽和，檢修時需要注意這一點。

　　3.1.3、泵體重裝后處理不當

　　泵體重裝后處理不當也會影響泵的正常工作，甚至產(chǎn)生嚴重的后果。

　　濺射離子泵只能在低壓強下工作，這與其工作機理有關(guān)。泵體重裝后，陰陽極板都處于大氣壓強下，此時需要前級泵將泵體內(nèi)壓強抽到10^-2 Pa 泵才能進行啟動。如果泵體內(nèi)壓強不達到標準就啟動泵，就必然加重泵的負擔。氣體量的增大使鈦的消耗加大，抽速下降，工作壽命縮短。當壓強足夠高時，會在極板間產(chǎn)生強烈的放電，灼燒極板，致使其變形甚至報廢，嚴重的變形還會使極間短路，如圖3。此類故障為人的誤操作導致，須加以預防。

　　3.2、泵體發(fā)燙

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

　　3.2.1、放氣

　　飽和的吸氣劑在一定的條件下會重新釋放出氣體，氣體密度的增加會使空間內(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，終燒毀極板。如圖4 陰極板被擊穿。有資料說，濺射離子泵短時間暴露于大氣不會造成損壞，但是還是要盡量避免。

　　3.2.2、油污染

　　油進入泵體內(nèi)部首先的危害是污染真空系統(tǒng)。大量油的進入還會損壞真空泵。油污染的來源有兩個，一個來自前級機械泵，另一個是在拆泵重裝時進入的。嚴重的油污染會縮短泵的使用壽命，甚至使泵報廢。

　　此類故障需要采取預防措施。首先對前級泵的濾油網(wǎng)要定期檢修。其次在拆泵重裝時，要在清潔的環(huán)境下進行，并帶干凈的手套，嚴禁徒手觸摸泵內(nèi)部的元件。

　　3.2.3、進氣

　　大量進氣導致放電加劇，陰陽極板受轟擊發(fā)熱。泵體嚴重漏氣會導致此類故障發(fā)生。

4、其它故障

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

　　沉積在絕緣陶瓷上，時間長了，會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，或者用氫氟酸短時間浸泡。如果還除不掉，需要更換。

　　永磁鐵的磁場強度下降也會導致泵的不正常工作，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)維護尤為重要。