（核技术及应用专业论文）超高真空常用材料不锈钢、无氧铜和铝合金的升温脱附谱.pdf

越高疼二! 鞲掰辩拱币锈错，觅毫群密镑舟垒# i 嚣嚣i 轻瓣潦 摘要 本谚文簿簧分辑了超高真空、捩态下辍麓投凝囊空凄懿躐豢察爨瑾，耋赢分绥了真 空木j 料的升温脱附对真空度的藏臻影响。设计并加工了超高囊空材料的烘烤升温脱附 谱的实验设备，并用此设备测出了真空系统结构材料不锈钢、无氧铜和锅台佥的烘烤 黢掰谱蓦l 三者懿鑫静残余气体蔽分( 主要跫掩、珏：o 、c o 、c 0 2 、c ；h 。) 在不霹蘧麦 时的离子流( b a l z e r s 一2 0 0 型四极质谱) 。分析了三种真空系统结构材料对各种主要 残余成分的烘烤胜能：比较了三者的烘烤脱附谱：最肝计算m 了定丁艺过程处理后 盼三释材料鲍馥气率。 虽然真空室溅材料的气体麟酣是其固有的性质，无法消除，但我们可以设法减小 脱附放气量。人嫩实验证明，通过适当的温艘烘烤后，真空蹇的脱附放气燃可以显著 域少，极限乐强可以提高足个数辍级：因此娥究超高真空利$ ：珀烘烤脱融迸对于获得 穗离真空帮提高搬疆真空度有夔要的意义。瓣时超高真空材料在不i 习温度对的脱附蔽 气国又可咀为真窄：| ；烤提供指导。 目前，真守材列的升滥蜕附谱谯真守群没有公酞僮。困为各人测最时的具体渣况 不胬，如：祥菇滟表蠢处理工艺、清洗工艺船不嗣，本底鹃嫠筹，溺量方法静不同和 洲魑的误差等。本文中的实验样品彳：锈钢、无氧铜和铝合金样品经过同种处理清洗工 艺，他们的脱附放4e 谱也是在酬套囊空设备中宛成的，凼此曼者的本底的差异和测量 漠簸 g 溺，馨数摄溺量是在弱溪差基准上避行豹，辑疆测鬃麓数据可醴辩邃三释秘 料的脆附放气率的比较提f _ j 直按的指导。 关键词：超高嶷空升溢脱融游离子漩蜂蜂值 。d 科技术大学蝴上学位论文 a b s t r a c t t h ef a c t o r sa n dp r i n c i p l e sl i m i t i n gu l t i m a t ep r e s s u r eo fu l t r a h i g hv a e u u ms y s t e m a r ea n a l y z e db r i e f l y , a n di n f l u e n c ef r o mt e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o no f v a c u u mm a t e r i a lt ou l t i m a t e p r e s s u r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l 。t h ee x p e r i m e n t e q u i p m e n ti n v e s t i g a t i n gt e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r u mo fu l t r a h i g h v a c u u mm a t e r i a l si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t e m p e r a t u r ep r o g r a m m e d d e s o r p t i o ns p e c t r ao fs t a i n l e s ss t e e l ( s s ) ，o x y g e n - f r e ec o p p e r ( o f h c ) a n da la l l o ya r e m e a s u r e da n di o nc u r r e n t so fm a i nr e m a n e n tc o m p o n e n t s ( h 2 ，h 2 0 , c o ，c 0 2a n do 珏0 o fs s 。0 f h ca n da la l l o ya td e f 强r e n tt e m p e r a t u r e sa r ed r a w no u tb yq u a d r u p o l e m a s ss p e c t r u m ( q m s ) t h eb a k i n gp e r f o r m a n c eo fm a i nr e m a n e n tc o m p o n e n t so ft h e t h r e ek i n d so fv a c u u ms y s t e mf r a m em a t e r i a l si sc l a r i f i e d ”t h e i r t e m p e r a t u r e p r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r aa r ec o m p a r e d , a n dt h eo u t g a s s i u gr a t eo ft h et h r e e k i n d so f m a e r i a l sa f t e rc e r t a i np r o c e s st r e a t m e n t si sc a l c u l a t e df i n a l l y a l t h o u g ht h ed e s o r p t i o no fm a t e r i a l si nu l t r a h i g hv a c u u ms y s t e mi sl n h e r e n ta n d c a n tb ec l e a r e du p ，w ec a nm a n a g et or e d u c et h ed e s o r p t i o nq u a n t i t y i th a sb e e n p r o v e dt h a t a f t e rr e a s o n a b l eb a k i n gp r o c e s s t h ed e s o r p t i o nq u a n t i t yi sr e m a r k a b l y c u td o w na n dt h eu l t i m a t ep r e s s u r ec a nm a k ea l e a po faf e wo r d e r so fm a g n i t u d e t h e r e f o r e s t u d yo ft e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r ao fu l t r a h i g hv a c u u r l m a t e r i a l si so fg r e a ti m p o r t a n c et o g e tu l t r a h i g hv a c u u ma n de n h a n c eu l t i m a t e p r e s s u r e s i m u l t a n e o u s l y , t h e i rd e s o r p t i o nq u a n t i t ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sc a ng i v e d i r r e c t i o n st ob a k i n gp r o c e s so ft h ev a c u u mm a t e r i a l s a tp r e s e n t ，w i d e - a c c e p t e dt e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r ao fv a c u u m m a t e r i a l sd o n te x i s t ，b e c a u s et h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o no fe v e r ya u t h o ra r eo fl a r g e d 姐f e f e n c e s u c ha sd i f f e r e n c eo fs u r f a c e - c u r i n gp r o c e s sa n dr i n s ep r o c e s s d i s c r e p a n c 3 o fb a c k g r o u n d ，d i v e r s i t yo fm e a s u r e m e n tm e t h o da n de r r o ro fm e a s u r e m e n t v a l u e ，e t c t h es a m p l es t a i n l e s s s t e e l o x y g e n f r e ec o p p e ra n da la l l o yi nt h i sa r t i c l eh a s 。et h e s a m er i n s ep r o c e s sa n dt h et e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r aa r ea l l e d u c e db yt h r o u g h p u tm e t h o di 挂t h es a m ev a c u u n s y s t e mw i t ht h es a m eg a u g e sa n d q m s ，s ot h ed i f i e r e n c eo fb a c k g r o u n da n dm e a s u r ee r r o rh a v et h es a m en o r m ，a n d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc a nb ec o m p a r e dw i t he a c ho t h er a c c o r d i n g l y , e x p e r i m e n t r e s u l t sc a np r o v i d ed i r e c ti n s t r u c t i o n st ot h ec o m p a r i s o no fd e s o r p t i o nr a t eo ft h e t h r e ek i n d so fm a t e r i a l si nt h er a n g ef r o m2 0t o2 7 5d e g r e e sc e n t i g r a d e k e yw o r d s ：u l t r a h i g h 7 a c n u m ，t e m p e r a t u r ep r o g r a m m e dd e s o r p t i o ns p e c t r u m i o nc u r r e n t ，p e a k ，p e a kv a l u e 遵强真空露葶| 拱手锈钳、疋瓴糍取锅台金盼嚣潍狡辩l 菏 第一章绪论 l 。l 超嵩粪室 超高真掌怒辑1 0 。6 弛以。i ：的真率环境，超高真空可国涡轮分子泵、离子泵等获 得，“泛应剧于真空镀膜、薄膜、表面物理、表面化学、热核投术、等离子体物理、 粒子加速器、超导技术和宁宙航行等工程和科研领域。 此状态下分子乎均自出程二) ) 容器尺寸，因此分子闻盼碰撞可以忽螭，只考 懑分予与器壁袭瑟懿迸撞。4 箨分子与纂壁豹罐蓬著不是嚣瞧磋攘，磊楚避罐克努营 ( k n u d s e n ) 余弦定律：与崮体表面碰撞的分子，他们飞离表面的方j 匈与入射的方向 无关，并按与我面法线方向所成角度0 的余弦而分布。克努曾余弦定 书可以这样解 释：气体分子撼击器擘表而后，并不会马j ：殷弹出去，而是被衰而吸附，| 亭留在表而 一段时间r 后重掰“蒸发”。竞努曾余弦定臻对于解释真空物理磁象甍- 鬟要的意义， 嗣时宅氇谨弱分予滞窜表蓬时闻r 与嚣壁褥魏霄稷大静关系。 分子在器壁滞留时间与温度有密切相关气体分子运动速率遵糟畿克斯韦速率 分布函数： 1、 f ( v 1 ：4 露f 旦乒v 2 e - m 。z ” l 。l 、2 万受t 上式中v 分子述等置； m 分了质量： k 渡；兹曼常数：k = 1 3 8 x 1 0 。6 尔格k ： t 绝对溢爱。 假设分予总数为n ，j j ! 【1 1 一呻1 ，+ d 1 ，中的分子数为： 1，7 d n ：4 芹n f 1 1 _ 乒p 2 。“乃k d v 、2 万k t 显然d n n = r v ) d 、即为l ， y + d i ，的分了丰u 对数目，或一个分予处于 1 ，i + d l ，问的几率：罔1 1 采示某速酱点下安克斯韦逑率分布函数，阴影部分的 蘸裂襄、) d v = d n n ，印是速率舀二l ，- - - ) 1 ，+ d ，靛分子敢鞠越数囊。圈l 。2 为气淬分手 在不同温度t i 和n 时的分布函数的彤状，两个舯线积分的而积都满足l “、r ) d 、，= 】。 o ， 由图可知，激度升高时，曲线历半段l _ 速率大的方i - 移动；返表明滥度升高时， 鞍薅速率斡分子数露增多了分布越线末端为速搴较天的分子，这些分子比较活跃， 它们露瑗象静避程挂往蓬决定佟疆。 描述分子遴动最具代表性的述牢有三种：最可几速苹、平均述率和方均根速率。 q 一凌兜斯韦逋零分布这：种速率可求得为： 出科。 技术人学顺l 学位论文 最可儿速率 平均速率 均方根速率 2 k t ”m2 、i 1 8 k t ”丽 厅：3 k t vm 这三个速率不相等，是因为麦克斯市分布曲线不对称的缘故。由上述公式町知， 分子的速率完全取决于温度t ，并与t 的0 5 次方成正比。 v ) 幽1 1麦克斯韦速率分布函数 f i g l - i m a x w e l lv e l o c i t ) , d i s t r i b u t i n gf u n c t i o n v f ( v ) 幽1 2 不l j 温度r 的麦克斯韦速率分布比较 f i 9 1 - 2c o m p a r i s o no f m a x w e l lv e l o c i t yd i s t r i 一 b u t i n gf u n c t i o ni nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 实际i ：，对j ：草个分子来说，由j 频繁的碰撞，其速率的大小和方向不断地改变， 速碍墨a j 能具有各种数值，运动轨迹也包含各种方向，但气体分子的方均根速牢是一定 的。山1 2 罔可知l ，温度越高，方均根速率越大，则分子的动能越大，器壁上的分子 越容易挣脱器壁表面，r 越小。 在大气或真空度较低时，器壁表面和真空结构材料内部会科附大量的气体分了， 真空度上升时，这些粘附的分子就会慢慢地放m ，成为很大f 向气载。庄获得超高真空 时，我们希望r 变小，凶为这样粘附于器壁表面的分了可以尽快地抽除。升温的办法 可以迫使分子离开器肇表而，从而更容易获得超高真守和提高极限真守度。 1 2 限制超高真空极限真空度的主要因素和机理 i 2 1 泵的抽气能力 每种真卒泵都有其抽气范围飘i 极| j 真审，例如，我们不能指望机械泉抽剑1 0 - 3 p a 以上幽此做超高真空材料的脱附谱的实验，主泵极限压强要能达到1 0 - 8 p a 。 1 2 2 由工艺因素产生的抽气负载 用罔1 3 简要说明工艺冈祟| ，影日内：例女l l 要把l 和2 焊接起来，于l 的形状 超高真空常刖利= 1 币锈钏、止钮铜和锕合金f j 升汛t i l t 附1 冉 只能在如图所_ j 的位置3 ( 圆形黑点区域) 处焊接，从而产生了小希望山现的区域4 ( 椭网彤区域) 。由j ：区域4 狭长的彤状，在真空清洗过程中，这些区域实际i - j r ：不 能被清洗到，仍然是很脏的，从而成为真空室中的脏源之一。存真空抽气过程中，4 区域巾狭缝表而和焊丝表面向真空室巾释放的气体就成为很大的抽气负载，严重制约 着抽气时间和极限真空。 1 2 3 真空室壁材料的渗气 真空室壁材料一般是小锈钢，无氧铜和铝合金等放。e 率较小的材料。由于真空室 壁材料含有杂质，并不是完美的品格结构：加【：品格固有的结构性质，些小体积的 分子或原子，便能穿透真空容器而进入真空室，我们称这种现象叫渗气”。f 图1 4 为h 2 渗气示意图： 图1 3 工艺因素产生的影响 f i g 1 - 3 i n f l u e n c eb yt e c h n i c sf a c t o r i - 1 2 大 气 h 2 图1 4 氢气渗气过程 f i g1 4 t h ep r o c e s so f i n f i l t r a t i o n o f h 2 这种现象是真空室内外的氢气分子的密度差异引起的，是1 i 。j 逆转的物理现象。 因此，一般情况下，到达超高檄高真空后，真空室巾残存的气体分子以h ：等小体积 分子为上。 1 2 4 真空系统中的漏缝 真空系统中的漏缝主要存在于真空器件的连接处，如法兰连接处，焊接点等等； 这些漏缝在真窄系统组装完毕后可阻_ r | 检漏仪检测m 。冈此设备组装完毕后，要对系 统仔细地检漏，并设法消除每个漏缝确保系统无漏。这是获得超高真空系统必要的 步骤之一= 1 2 5 真空材料的表面处理工艺和清洗工艺 实际r 丰要决定放气率大小的是真守寰的有效表面积和甲位面积的放气率的乘 税，4 ：吲的表而处理工艺得到的有效表面私 有很人差异，凶此刘真空室的脱附放7 i 量 有很大影响，可见表而处理i ：艺的晕要性。表而清洗l 艺也会对抽气过程和极限真守 产生重要的影响，如，电化学抛光和脱氢处耻能减小水蒸气和h 二c o 的脱附，镜抛光 和精细抛光比电化学抛光更有效果等等j 二 碍蚪卉o 幽利4 学技术人学懒上学位论文 1 z 。6 真密。沽疗墼对残余成分戆吸辫霸驳黠 真窄系统中囊卒计的灯髓在f ：作状态下会吸附大鼋的娥余气体，这磐气体成分 在魁高的真空艘r 缓慢地放山，成为抽气负栽之一。其中热刚极真空计的灯丝对超高 真空系统的影响耀挑复杂，因为它对气体有放气和吸气双擞影响。如圈l 。8 ，关闭规 警灯丝鞋嚣燕分秘离子渡育所洚懿，磊l s 城分趣舂爨上升。热麓毅灯丝对粪空系统 影响麓复杂之链在予：不霹瀑度帮压强下，女r 熊对于不同臻余气馋戏分靛暇气霸放气 作用有较大荐异。 1 2 7 真空臻统结拇材料釉真空室内物璇的脱驸敷气 显然真空室篷褥精窝囊空室内耱螽表嚣黝瓣氍薮气差嚣有静莲囊；无法漕豫，藿 我们可班设法减l 、放气量。大蘩的实验证骥，通过适当静瀑瘦l 烘烤后，真空室静本底 脓气量可以显著减少，极限眶强可以提高几个数量级，因此探讨超高真空下常用真空 燕统绐构材料在不同温度时的救m e 性能就具有照著的意义。同时其不同漏鹰时的脱附 救气量又可以对粪宅烘烤提供搔导。这也是我们徽超高真空簌统结构材料脱附谱试验 酌露魏之一。 要获得更高的极限真空，赫绷对真空窀的零孝辩 乍更严格的要求，常薅j 囊空系统结 构材料有不锈钢、无氧铜、锅台金、陶瓷等，这些材料具有良好的真空性能，本底较 小，从而成为真空设备材料的酋选。图1 5 为低温泵分别对不锈钢和铝合惫真空室的 拳拜气麴线p i ，可勉不锈铡秘锾台衾其蠹良好瓣真空牲整。 意毳眷赢1 11 ：d 蘸ps 晒f ：；融；黼jg 托： 。一_ ：乒溪潞参l ： 懋一毒? j 煮麓 ： 竖j 蓝 嘲i - 5 不锈刑羊“铝台金的真空性能图l 。6脱附、嗽附和扩散示意劁 f i g 1 “5 v a c u t l mp e r f o r m a n c eo f f i g 1 * 6t h es k e t c hm a po f d e s o r p t i o l l a d s o r - s t a i n l e s s - s t e e la n da ia l l o y p t i o na n dd i f f i i s i o no f v a c u u mm a t e r i a l 这，l 漭的真守性髓。丰要怒放粪窄窜奉璃的极陵压强帮选辩菜压强鼹嚣黪畦阚 等方面来考虑的。 任何情况下，艇空器壁表断部附年j 。气体分予。一方而，气态的分子不断撞击器壁 表蕊，势牯辫子挺墼表面：塞壁誊| 料内部的分予也扩散至器照豪两；另一方瓣，牯掰 予嚣壁袁蠹懿努了不器建“挎麓”塞表鑫，璧新变为气态。骜满足： l d l n + l a d ，2 l 。b 1 2 时。就达到了动态的平衡，此时压强不变；如卜阁1 6 所示。 蠢在箍气过程巾。气惑分予显著建疆多：觏附手爨壁衰赢翡分子也套褥疲避菇步， 趟高真空常川柑辩不锈俐、七瓴锵和锅舟金柏升濉悦 f | 寸常 避时裘面放出骑。体夫子表面皈附的e 体，袭现为蔽2e 。当然袋面的放也会随时间 减小，但它总会滞j 吾j 二气态分子的下降，最终两者又会达到。动态平衡，此时的压强 即为极限真空。档器壁表面面的气体分子密麟减少后，必然引越室壁材料内部的分子 两聿孽辩表两妻- 教，髓后被驻驸垒气悫。所谓真空下材料熬鼓气，实甄上分为穗个步骤： 脱黠秘扩靛，麟鬻嚣为势子髓辫予器壁表露鲍避程，扩敬爱搔气蒋势孑献糕辩内帮扩 敞剐容器壁表面藤的过程。如豳1 4 所示：囊窝室材料内部的分子进入嶷蜜室的步骤 中，1 、2 、3 、4 称为扩敞，而娥后步5 为蜜髓分子脱附至崴窄窒的过程。而原木就 牟占附于器壁的分予删直接脱附登冀空室。 这两个过程萄疆鼠撞气豹p t 鼗线鼹察墩，羽1 7 为爿滠脱融法获褥懿p - t 麴线， 爵以著窭，籀气辩褥受8 小辩左右鞋，压强豹裙发出瑷了较掰显静转摄。一觳议鸯， o 8 小时的时阀段内以脱附为主，而8 小时以后扩散则渐渐t | 苦于主要地住p i 。 图1 - 7 脱附与扩散的抽7 i 曲线圈1 8 真空计剥oe 体的吸放。t 影响求侧 f i g 1 - 7t h e p - ts p e c t r u m o f d e s o r p t i o na n d f i g l st h ee x a m p l eo f t h ei n f l u e n c eo f v a - d i f f u s i o n c t i o m e | e r 蝤a d s o r p t i o no rd e s o r p i o n 真空室内物蕨对饭限真空也宵稀当大的影响，它不仅错真空系统巾的蔷种材料物 质。还包括规管和四极质谱等。这些材料脱附腋气的原理和嚣照相似：而热刚极真空 汁的灯丝对超高真空系统的影n 向爱加复杂，因为热阴极灯丝对气体有放气和吸气双重 影镌。鲡盈i - 8 ，关惩热蠲辍魏丝黠备蔽分翁离子澈骞繇簿簸，嚣1 8 成分翔鸯辑主秀。 此褥迁翳：奁藏鬻对应弱溢度秽壤疆下，热蕊搬艟l 对东蒸气奢吸藩露是，藤蔚冀建 成舒的作用表现为脱附。灯避对裒窄系统影响的复杂之处在0 ：不同温发和压强时。 灯媳对于残余成分的吸气和放气作州升：同。 1 , 31 1 i 蠡器瞬究橇嚣鼙奉谍鼹鹃裁赫点 霹为获褥趣麓、扳惠真空秘挺高援鼹竟空菠游需要，j 幸孽越聪辩藏气懿簿 究获2 8 髓纪六、七十年代开始得到充分的煎祝。ms u e m i l s u 等比较了流导法和歼潞脱附法晌 优缺点i j l 。y h s h i n 用t d s 法测戴了1 ；同表面处矬后的小锈钢的解析特性。y h i r o h a t a 比较了不锈钢和锚余会真窄窜的特点口j ；yy a n g ，ds a i o ha n dst s a d a h a r a 设讣了l 聍 瓤鲍方链敢蜒流导法亲瓣麓释鑫静窭气枣 4 l ，著鬟龚了辩凌搀薤方法巾存在静二三 大瀑趣( a ，魏繁炎酶放馋鼹；b 、受x 甜线等懿影g 彝蕊产生静土下室暴馐涟之差 p u - p d 的误差；c 、规管除7e 过程中。e 体在样品上的再吸附) 的途径，值得借鉴。t ，h r n i z i f 等剧a e s 和t d s 法研究了沉积铑原子的a l 基体表面的陛质pj ，认为c o 的吸附位受 温度影响；yh i r o h a t a ，mo k e g a w a 等用t d s 法研究了不同的镀钨石墨表而的气体解 析特性【6j ，并与石墨表面的放气作了比较：和碳氢化台物有明显t - - 降，而温度很高 时，c o 放气量非常人。mk r a w c z y k 探讨了多品c 0 5 0 p d 5 0 铝表面的氧的吸附性质i ，j 。 k h c h u n g 研究了粒子束辅助解析法镀t i 和h - b n 膜的不锈钢表面的放气性能9 j ，丌 t d s 法比较了a i s i3 0 4 小锈钢、镀t i 膜和h - b n 膜的a i s i3 0 4h i 锈钢的放2 i 特征， 得出了基体温度为2 0 0 ( 2 时生成的h - b n 膜的放气率最小的结论。msm o u s a 等也详 细研究了p d c u 单晶表面氧的升温脱附谱p j ，等等。 但这些研究探讨的大多只是某一方而的问题，如：不同温度时某种材料的放气f | 线n 勺变化；不同的表面处理对材料放气量的影响：不同真空度情况r 某种材料脱附放 t e 的比较：不同材料的放气性能比较等等。由于不同实验者的实验环境( 包括材料的 制备与处理工艺、测量条件和测量方法) 有较大的差异，得到的放气量相差也不致， 很难把这些数据作横向比较，因此很难得到公认的值。 本课题研究的三种样品不锈钢、无氧铜和铝合余是在同一真空实验条什下完成 的，即误差的基准相】- j ，因此可以将三者的脱跗放气特性加以横向比较。其刨新点存 于：通过实验，获得了不同材料在不同温度，不同真空皮时对各种气体的脱附放气谱， 即获得了不锈钋j 、无氧铜和铝合金三种样品分别以脱附气体种类，温度，真空度为坐 标的三维立体综合的脱附放e 曲线。 世高真空常刖村不锈刑、九毓锕和锅合金n 0 升舭脱附讲 第二章设计加工实验设备 在本章中，我们先确定了测量材料升温脱附谱的方法小孔流导法；然后根据 小孔流导法设计和加i ：了实验设备：再用实验设备的本底脱附放气量估算了小孔的大 小；最后根据加热样品的方法高频感应加热法设计了不锈钢、无氧铜和铝合金样 品的结构尺寸。 2 1 脱附放气率的的主要测量方法 材料的脱附放气率是指各种材料在规定状态下每单位面积放出的气体流量。把作 为排气系统的流量所测定的结果当作材料的放气量处理，是有误差的：但是如果把材 料放气量的主要用途用作排气的话，那么测得的流量值就可以看作材料的放气量。脱 附放气率并不为材料固有，它受加- l 、处理和排气方法等影响，因此脱附放气率的数 值必须标明加工、处理和排气方法。测量真空材料脱附放气率的方法主要有三种：小 孔流导法、压力上升法和流量测量法，分别简要介绍如下。 2 1 1 流量测量法( 排气法) 流：阜= 测量法是根据测得的样品的放气量米讣算放气率的方法。流量法的真守装置 的结构如r 图2 1 ，g 为真空计，存g 安置面a b 面上的流量存排气时间为t 时与 排气系统排出的流量。( t ) 羊u 真空容器流出的放气量q o ( t ) 之间有如下关系： q ( t ) = q 。( t ) - q 。( t ) 2 1 q v ( t ) 足容积为v 的真窄容器内压强p ( t ) 变化j 。牛的容积流量所以 q v ( t ) = v d t 22 图2 i流量测量法的结构幽 f i g2 - i t i l es k e l c hd r a v , i n go f t h e m e t h o do f f ll i xm e a s u r e m e l 压 强 p 图2 - 2 用p ( t ) 水样品的放气率 f i g2 - 2m e a s u r i n gt h eo u t g a s s i n gr a t eo f t h es a m p l eb y p ( t ) 心科学技术人0 坝上节缸论文 若排。e 系统的流量q ( t ) 和p ( t ) 与时问的关系已知 强范围抽速s p = 常数( m 3 i f ) ) ，则 q ( t ) 2 s ，( p - p s ) 就能求山放。e 量。假定一定压 上式巾，p s 为己知的极限压强，比p 低垒少一个数量级 2 3 测出p ( t ) ，即可求得 q ( 1 ) 。 2 1 式中q o ( t ) 为本底和样品放气量之和，现在求样品的放气率q 0 ( t ) ：先测出放 入样品前测出的排气曲线p ( t ) t ，再测山放入样品后的排e 曲线p m ( 0 - 4 ，画在同一张 剀上，如上剧2 - 2 ，最后根据各排气时间t 的ap ( t ) 求山 q 。( t ) = s p a p ( t ) a 2 4 q o ( t ) f i l j 为样品的脱附放气率，i ：式中a 为样品的表面积。 2 1 2 小孔流导法 若知道容器的尺寸，就口j 以计算流导，根据流导c 流量0 ( t ) 的关系： 。u ( t j l = 2 5 p i p 2 就可以将流量测量法转变为流导测量法。为了获取所需流导，一般采用4 , 4 l ，所以称 为小孔流导法。这种方法在分了流领域有很高的精度和可靠性。上式中p l 、p ! 分别为 小孔两端压强，这种方法要求排气系统的抽速s ) ) c ，所以p 1 ) ) p ! 。 罔2 - 3 为d , - l 法测量放气量的装置，装置叶 有两个结构完伞相同的测量系统， 个作为试样室，一个作为空室，以抵偿本底。以此求得材料的脱附放气牢。 图2 - 3d , f l 流导法测量样品放气量 f i g2 - 3m e a s t a i n gt h eo u t g a s s i n gr a t e o f t h es m p l eb yo r i f i c et hr o u g h p u tm e t h o d 图2 4 双规流导法示意图 f i g2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f g a u g es e t t i n gi n t i l et w i ng a u g et h r o u g h p u tm e t h o d 闭2 - 4 为小孔流导法的改进形式双规测量法，通过网个阀门的开关转换，可 以解决传统方法l f l 存在的二大难题：规管又的出放气、受x 射线的影响而j 。：生的 上r 室压强值之差p l i _ p d 的眠差、规管除气过程l + 气体在样品上的再吸附。这是一 种测量样品的卅气率的新途径，值得借鉴。 2 1 3 压力上升法( 静压法) 对正在排7 i 的真空系统，迅速关闭真空叫，隔离真空容器和排。e 系统，! j ! | j 真空容 器中的压强会匦j 材料放气而上州。连续j i x f b l 0 出4 ：断一i - 升的压强，- ；j r 出放气量的力法 l j ! f i 岛真空常h | 中4 料不锈钏、止毓制和锅台金们升滩悦鲥i 辨 称为压力上骨法。啄良看壅，垮流量法靼流导法夸澍，匿力上舞法为静蘸法。 荚闭阀r j 后的时间- 刚，求出t 时间间隔内压强的上升p ，若旗空容器容 积为v ，样品表而积为a ，则放气苹0 q = 丢t ； ：。s 压力上升法的操作非常简麟，厂泛崩于测盛由低真空到越高真空的放气量。但以 这种方法测出的放气量有明显的氓差：，存燕闭真空阀门的一瞬间，口j 毗把放气量 饥( t 。) 与阀门关闭筒相同，但是式2 ，6 中为关闭阀门后的时间t 测得的气体流量： 俸渡量中包含炎空容器内壁敷如的。体，述霹缝包含漏气，懑簿表面豹及疲、离瓣 譬翻素；真空计静放气也篷报六静气载。 尽管压力上升法存在找很多的误差，但是瑟斟酌对象使用，仍能得到良好的结果。 如粜确定了真空臻统的烘烤效粜芹| 真空计灯熊的除气效果，臌力上升法仍不失为合适 甑琏j 盖； 2 2 零课题采爝的夺藐流导法夯缝 术课题采用小孔流导法米测量不锈钢、秃械铜和锚合惫的升溢脱附谱和各种成分 在h i f 剧温度时的离子流，凶为在分子流领域小孔流导法的精度和。j 靠性商于流量法 和压力上丹法。 f 圈2 - 5 为奉瀑题翘垂孔浚母法麓澍，拣凌溅试室宙上塞剩f 室组藏，中央难一 鲍矮道是一个壹径一定的小孔，浚直径的太小融样品的脆附液c 量确定，其作用是傈 证上室和下室的臌强相差至少一个数量级， ：是和下室的压强分别由规管1 和规管2 秒i j 出。 砰 矸 p u m p 剧2 - 5 小孔流导法测量真空材料脱刚谱 f i g 2 5m e a s u r i n gt h ed e s o r p t i o ns p e c t r u mo f v a c u u mm a t e r i a lb ) o r i f i c e t h r o u g h p u tm e t h o d 若p 表示援管1 静系数，致炭示趣营2 的趣毫数，q 表示媳入泵蠹秘潺羹，c 表示 书我昀流导醋东公式： q c ( e p ) 2 7 即可求得0 ，4 ：考虑奉底的情况下，q 即可以番作样品的脱附放i 量。当然这样做有 一定的误差，我们n j 以先测出本底的放气量q o ，q q 。埂是撑懿的腔甜放气缝。 山针学技术人 顾上学位论文 2 3 真空系统的设计 真空系统示意图如下图2 - 6 所示。左侧为洲量部分，包括标准测试室、规管和四 极质谱。样品从室温开始升温，每次上升l5 - 2 0 c 。规管测出升温前后的上下室的压 强，凹檄质谱测出升温前后各成分的离了流，利用小孔的流导就可以算出样品在陔 l5 2 0 怕温度范围的升温脱附放气量。把每次升温得到的脱附放气量作成曲线图， 即得到样品的丁卜温脱附谱和各成分对样品的升温脱附曲线。 虚线网内部为系统中设计的部分，包括：样品室、样品、样品窜与标准测试室的 连接组件、热偶温度计利真空室的连接、样品的加热方法、样品室的冷却和小孔的直 径等。r 面将对系统设计作详细地阐述。 罔2 - 6真卒系统示意罔 f i g2 - 6 t h es k e t c hd r a w i n go f v a c u u ms y s t e m 2 3 1 系统结构的设计加工 系统结构的设计包括样品室、样品室与标准测试室的连接组件、用温度计实现对 真空室中样品的温度的测量、样品的加热与样品室的冷却装置等。 本澡题选制闩身放气小、抗氧化性好的钔铑热偶丝来测量样品室中样品的温度 为了保证测量的精确，将两根热偶丝直接连接在样品表血，再通过连接真空室内部和 外部的传感器与i 品度计柑连显示样品的温度。此处十分巧妙地利用了规管头作为传 感器和过渡连接法兰：觇管头的5 根接线柱中，两根用于连接热偶丝，两根丌 于悬挂 样日z 以保证样品的稳定。实验删的温度计经过校准，在o l0 0 0 ( 2 范围内，绝对 误差小j ：5 。为了满足排气的要求，我们又设计加上了叫通组件，用j ：连接样晶蕈、 标准测试室、分子泵机组和规管头并存通向分子泵和标准测试室的管道。| j 设置阀门， 保证更换样品时不会破坏测试室的真空，以减小本底和测量误差。 为了保吒样品脱附放气谱的精发，必须设法减小本底，保i 币住样品温度很高的状 态下，样品室的温度维持衬：室温范再i 。凶此我们将样品设汁成剀简状，采蚪j 高刿j 譬 熠尚真空常州村料不锈钢、七毹锏和锅音盘帕升泓脱附册 圈2 - 1 5c f 3 5 去兰的剖面图 f i g2 - i 5 s e c t i o np l a n eo f c f 3 5 f l a n g e 图2 - 1 6 四通组件装配图 f i 9 2 - 1 6t h ea s s e m b l y d r a w i n g o f f o u r - d o o r c o m p o n e n t s 2 3 1 3 温度计组件 温度计组件包括规管头、连接规管头和四通的法兰、热倘丝和温度计衷头。 连接法兰的剩矮溜如图2 - 1 7 ，其下端熬开l j 舒分与四通黝开u 对 n - ， ：溃法兰与 趣蛰头法兰褶连。以此来绦狂囊空系统静密封。 潮2 - 17 四邋与规营头的连接件 f i g2 17t h el i n ko f f o u r - d o o rc o m p o n e n ta n dg a u g e 将图2 - 1 7 和川通对焊后的结构图如图2 1 8 。 2 3 1 4 样品的加热和样品黧的冷却 始酶所述，在样品上升剽 & 离的濡度时，必须保证样赫室内壁维持在室潲范疆， 为此我们采用高频感应于| 温法，而样品室是不受高频加热n 陶瓷管并刑水冷法将 辐射剖陶瓷管f 的微热除去。 如下 图2 一1 8连接件和四通的对焊 f i g2 18 t h es k e t c hd r a w i n go f j o i n t i n gb e t w e e nl i n ka n df o u r - d o o rc o m p o n e n t 2 3 1 4 1 高频感应加热的原理 实验中采片j 的是功率口j 以自由调节的g p 0 8 c d 型中高频j 口热设备，技术性能 1 振荡功率： 2 工作频率范围 3 振荡管： 大于或等于o 8 k w 3 0 0 k h z i0 0 0 k h z 阳极劫! 定电压：3 k v 阳极割! 定电流：4 0 0 0 m a 阳流栅流最1 _ 寮比：3 ：1 1 0 ：1 灯丝额定电压：1 0 v 4 高压硅整流器：5 0 0 0 v5 0 0 m a 5 交流屯源：单相2 2 0 v5 0 h z10 a 钶频感应加热是利用高频磁场作用下产生的感应r 乜流，以及导体内磁场的作用引 起导体闩身发热而进行加热的：将导体置于通存高频电流的螺线管里，由于线圈内高 频变化磁场的作用，导体被感应出一个沿着表而流通的涡流，如图2 1 9 。涡流大小与 磁场强度平方和磁场变化频率成正比= 高频感应加热方法的加热速度快，能迅速达到所需温度，冈此非常适合做样品的 ”温脱附曲线。 超岛真空辩 捌辩币锈# 艇锶静戢奢垒船井泓艇班漤 闰2 ，1 9 高颓加热示意图 f i 9 2 * + 1 9 t h es k e t c hd r a w i n go f h e a t i n gb yh i g h ，- f r e q u e n c ym e t h o d 2 3 142 感应凰的设计 高频设备产生静电磁能避通过感应器传输给祥品裘面鹩，高频设蔷使用褥是孬合 理，银大 g 艘土取决于感应器的设计划 乍。合理的死何形状、适当的间隙，在相应 的功率下就可以保证输送给上什合适的功率。感应器的设计宵以下儿个原则： i 线阂产生的磁力线垂直通过工件，使工件在交变磁场内切割磁力线最多感 应满流l 璺最大，便予快遴鸯爨热。 2 感应器用电磁能量损耗较小的材抖制造，目前大多丌 紫铜管，冈为感应幽需 要通水冷却。 3 ，工绛静棱角发逸往往容耪过热。一般涞说，感应器与他们鑫，距建应比其 也邦 分距离感皮器大些。 感应嚣与t 件的间隙对加热效率有假大晌影响：间隙小时，感应加热效率斋，温 度上于 陕；淘豫夫u , j - 酶j 侩涪相反。毽闯陈夺能太小，太小容易击穿戆应器，并存冒箍 产生危险；所以要求阉默尽可能地控制存最小范围。另外，感戍器的高度也影响样品 表而各处的温度，为了使样黼表而受热均匀，我们把感应嚣设汁成感应形状，其高 度眈样黼高出t o 2 0 盎右。 根摄括晶热热数要求，将毫频感应圈设计成如图2 2 0 掰承鲍螺旋形状。中蚓的 网筒表示样品的夫小和相对位置。 磁场方麓 酬 学拄本又擘碗0 学垃论文 餐2 2 0拣盛銎 f i g2 - 2 0 i n d u c t o r u r n 燧凝拔熬赛戮簿瘫穗热酉麓意褒辫瓷营参怒搿2 。1 1 越零黪4 ) y , 卦淡 囊l 捧鞠定。 麟畿时寝注意感艘黼垂直位置，使其除了与麟簿获沟样品；护稽外，还要将祥晶对称 地镪阉其中，以豫鹾n 滏时样晶袭蕊受热均匀。 2 3 1 4 3 冷繇管 钱弱知道，热传递商二三爵方式：热话导、热霹漉、黧辐射。热抟导( 导热) 是指 秘嚣丹部分之阉不缎生褪对盈移，傲馐分子、藤子秘囊麦电予等徽震粒子熬熟避动瑟 ； 越赫热量传递的商试；热传导的祭件是系统掰部分之间存镬滞壤差，此时热嫩将胰 高滠潞分向低温部分传递，或从穗漩物体传向之接触的低温嬲体。热传导褒鹾潍、 滚傣鞲气蒋孛埠可避行，热对漉是糖渡俸蚤饕劳乏翘整牛- 撼对健谬、跨蕊渡俸爨点榛 互掺滋辑；i 起静热蕊传递。蕊黯滚假发生在濂髂之中，囊娶努然势陵宣导蕊暇浆。经 舞勰髂，只要萁绝对激发虿为缝对攀度f 8k ) ，粼会不箨遣懿瞧嫩波静形式潮辨眷辐 射能熬+ 间时又不鲥地墩收来自外擀物体的辐射能，当物体向外界辐射的能黛蜘其扶 纷撵擞收鲍辐射能不搬等时，该秘 攀戟与辨抖j “：嫩热量蛉传递。这释传热方式羚为热 辐射。蕊壤辩霹以褒囊空孛傣播，笼藉荏蠡穷矮，这是蕊辐射乓热露浚密热倭镑豹主 要不蝌点。 幽圭段霹热终燃量葶孛方式秘穷瓣霹失妥，在赵糍囊空状态f ，热传导秘熟瓣浚帮西 以忽略不计，而热辐射可以在真空中传播，无锦秆! 何介质。所以成为主要的传热方， 为了确绦徉