激光陀螺研制中的超高真空技术讲解

1、激光陀螺研制中的超高真空技术时间:2008-10-27来源: 真空技术网整理编辑:剑气书生1 真空系统的构成激光陀螺在生产中要求其真空系统具有较高的真空度，并且要求真空系统密封 效果好、密封性可靠、可充入惰性气体和启动快速。 要实现这一目标， 不同的厂家根据自己的能 力和用户的要求设计出了不同的真空系统。但总的来说，采用的设备大同小异。分子泵（次级泵）是这个真空系统的主要抽气工具，但由于它不能单独从大气 环境开始工作， 因而在它前面要串联一个能从大气开始工作而能达到的真空度往往不高的机械泵 （前级泵），并在分子泵和机械泵之间串联一个油扩散泵（增压泵）。同时，为了在较短的时间 内达到超高的真空度

2、， 本真空系统还使用了钛升华泵作为辅助抽气的无油泵。当然， 也有一些系统由于采用了性能较好的分子泵， 省略了油扩散泵， 而最后一级也可以加入离子泵或锆泵来提高 真空系统的性能。2、真空系统的主要设备2.1、真空泵2.1.1、前级泵早期的激光陀螺超高真空台一般采用油封旋片机械泵作为前级泵。 机械泵价格便宜， 适 合在粗真空和中真空中使用，因而被广泛采用。但它也有明显的缺点： 首先， 油封机械泵不是无 油真空泵， 虽然在次级加入冷阱和分子泵可基本消除油污染， 但对于超高真空系统来说， 仍然存 在一定的污染隐患；其次，机械泵排水蒸气能力较差，这对潮湿环境下的真空作业十分不利； 另 外，油封机械泵自身

3、密封性较差， 因此不利于抽除和传输含有放射性物质的气体。 所以现在机械 泵有被性能更优越的干泵取代的趋势。干泵分为薄膜式以及罗茨式干泵两种。抽速从 0.9 米 3 / 小时到 50 米 3 / 小时，具 有不产生油污和粉尘、排水蒸气能力强、 低能耗，坚固耐用，可靠性高的优点，另外应用磁力 传动电机技术的干泵还能够使轴头动密封变成静密封，外漏和内漏做到了 “ 零 ” 泄漏。2.1.2、增压泵油扩散泵是依靠泵底加热器加热油锅中的泵油达沸腾温度产生大量油蒸汽， 经导油管由 各级喷嘴定向高速喷出将压缩气体分子排出。它作为分子泵和机械泵之间的增压泵起到了压力 “传递者”的作用。 特别是当所使用的分子泵对

4、氢气压缩比不高， 而机械泵的所能达到的极限真 空又不是很高的情况下， 油扩散泵确实对改善系统真空度能起到一定的作用。 但是油蒸汽对真空 装置所造成的油污染是相当严重的， 同时油扩散泵也不能抽除真空装置内原有的灰尘， 启动和关 闭时间较长。 随着分子泵和机械泵性能的改善， 很多系统已经淘汰了油扩散泵， 采用了干泵加分 子泵的无油机组来达到超高真空。2.1.3、次级泵要达到超高真空， 大家所熟悉的分子泵当然是必不可少的。 它由交流逆变变频电源驱动 电机转子与静叶轮相对运动抽除、拖动、传输气体分子排出。分子泵是无油泵，抽速大，关闭启 动迅速，使用范围在 6Pa 至 10 -8 Pa ，是达到超高真空

5、理想的主抽泵2.1.4、其他辅助泵要使激光陀螺快速得达到超高真空并加以维持， 我们还需要各类辅助抽气泵。 之所以称 它们为辅助泵， 主要是因为它们对所抽除的气体具有一定的选择性， 即只对特定气体如对分子泵 难以抽除的 H 2 、 H 2 O 等活性气体分子形成有效抽速，而几乎不抽除陀螺内的工作气体，如 He 、 Ne 等惰性气体。这样即能使整个系统的真空度得到提高，又可以起到提纯工作气体的作 用。另外，这些泵主要依赖物理化学作用工作，使用寿命比主抽泵短， 因而只能扮演辅助泵的角 色。这里我们介绍现在在激光陀螺超高真空排气台中常用的几种辅助泵。a）钛升华泵当钛蒸发器被通电加热后， 钛就大量升华，

6、 新鲜钛沉积在器壁四周， 并与碰撞到器壁钛 膜上的活性气体原子形成稳定的固态化合物。气体通常以分子形式撞到钛膜上，如 H 2 O 或 N 2 等。对气体分子的捕集形成对气体的抽速。 这就是钛升华泵的工作原理。 钛升华泵的工作范围在 10 -2 至 10 -9 Pa ，对活性气体的抽速特别是对氢气的抽速极快，可快速帮助系统达到超高真 空。b）溅射离子泵在正交的电场及磁场作用下， 稀薄状态气体会产生放电， 称为潘宁放电。 应用这一原理， 将阳极分割成若干筒型小室， 阴极采用钛板制成。 放电产生的气体阳离子在电场作用下加速飞向 阴极， 气体离子射入阴极与钛形成钛化合物而被固定抽除。 另一方面， 气体

7、离子在阴极板上引起 溅射，溅射出的活性金属钛在阳极筒及泵壁上形成新鲜钛膜，活泼气体分子（如氧、氮等）会被 新鲜钛膜吸附而被抽除。这就是溅射离子泵的工作原理。溅射离子泵的工作范围为 10 -4 Pa 至 10 -8 Pa ，它具有清洁无油、真空度高、无噪声、无振动、操作方便等优点。c）锆铝吸气泵锆铝吸气泵是一种吸气剂泵。它 用锆铝压带制成，在 400 0 C 下工作，只抽除活性气 体，工作范围 10 -3 Pa 至 10 -9 Pa ，它的最大优点是对氢及氢的同位素氘、氚等的抽速很大。总之， 生产激光陀螺的真空台使用的真空泵应根据自身的需要合理配置。采用低配置可以是机械泵扩散泵分子泵钛升华泵的组

8、合， 它的成本比较低， 如果严格按照生产工艺操作， 仍然可以获得比较理想的真空度。 当然， 也可采用更加高级的配置， 按照真空度由低到高的顺序 可以是机械泵（干泵）分子泵离子泵钛泵锆泵的组合。 这样的系统近乎完美， 可以达到 10 -8 Pa 的极限真空，满足生产高精度激光陀螺的要求。当然，这样的系统价格昂贵，而且对 管道和阀门的密封性也提出了更高的要求。2.2、真空规 在真空台的操作过程中，准确测量真空度是十分重要的。测量真空的量具称为真空规( Vacuum gauge )或真空计( Vacuum meter )。在较高的压强情况下 例如 1 大气压 13Pa ( 76010 -1 Torr

9、) ，作用于单位表面上的力可以直接测出，因而困难不大，准确度也可以较高；但在低压情况下， 压强是如此微小以至根本不能使用机械方法来进行直接测定， 这样就 要求用另外一些办法主要是低压下气体的某些特性来作相应的测定， 而在测定的过程中 不可避免地要在外界引入能量(热能、电能、机械能等)，这样就同时造成了误差的来源，因而 真空规比之于其他物理量的测定仪器， 其准确度显然要低得多 (除了基准量具以外， 一般真空规 的精确度部要求在 10% 以内)。同样的原因决定了各种真空规的不同量程、不同性能和不同的 优缺点，于是就出现了特别复杂的选择真空规的问题。 为了能够选定一种最合乎需要的测量工具， 对于激光

10、陀螺的真空台而言，就使用了宽量程规、电容规和 B-A 规等真空规对不同的真空段进 行测量。2.2.1 、宽量程规宽量程规主要用于激光陀螺超高真空台粗真空和中真空的测量。图 1 所示真空台的宽 量程规由热偶规和电离规组成，前者用来测量较低的真空度，后者用来测量较高的真空度。热偶规由规管和控制单元组成，规管的结构如图 2 所示，规管由加热丝和测温热偶丝 组成。在低压强时，气体的热传导系数与气体的压强有关， 热偶规就是根据这个原理设计的。 热 偶规的量程约为 1100Pa ，可用于粗真空的测量。真空台使用的电离规为热阴极电离规， 规管和基本电路图如图 3 和图 4 所示。规管均 由三个电极，即灯丝、

11、电子加速极及离子收集极组成。从灯丝发射的电子被加速后， 使气体分子 电离，产生的离子流与气体压强成正比。 测量离子流即可计算出气体的压强， 这就是电离规的工 作原理。这种电离规的量程约为 10 -1 10 -5 Pa ，可用于中真空的测量。2.2.2、B-A 规激光陀螺真空台超高真空段的测量主要使用的是 B-A 规。它是一种改进型的电离规， 因其设计者是 Bayard 和 Alpert 得名，由于采用了减少收集极暴露在 X 射线内的面积的设计， 可以在超高真空状态 p10 -6 Pa ( 10 -8 Torr ) 下工作，而且其量程下限可以拓展到 10 -9 Pa ( 10 -11 Torr

12、)量级，因而成为超高真空测量中的“经典”量具， B-A 规的结构如图 5 所示。2.2.3、电容规在激光陀螺超高真空台中， 除了用来测量一般真空度的宽量程规和测量超高真空的 B-A 规之外，因为还需要对充入陀螺内的惰性气体进行精确配比， 因此配备电容规是必不可少的。 与 热偶规和电离规的测量原理不同， 电容规是一种绝对真空计， 即它可以直接反映压力的变化而与 气体种类无关。电容薄膜真空规是基于薄膜的弹性变形来测量真空过程中的压强的， 并将薄膜变 形产生的电容变化转换为与压强成正比的线性讯号输出，其等效电路如图 6 所示。现在比较先进的电容规的量程可达10 -21.33 X 10 5 Pa (

13、1 X 10 -4lOOOTorr ),精度为 0.5% 。电容规的最大优点是可以全部用金属构成， 因而可加热烘烤除气。 它的量值与气 体种类无关，不论气体或蒸汽都可有效的测量压强。其响应时间极短，仅为0.10.002 秒。电容规本身的电容不吸收能量。缺点是对温度灵敏，室温变化将引起一定的零点漂移。2.3、检漏仪 一个理想的真空容器可假定为毫无漏气，但任何实际容器都或多或少的存在着漏气现 象。特别是在压强越来越低时，漏气逐步上升为真空过程中的主要矛盾。 因此在真空技术中， 漏 孔或漏隙的检查（简称为检漏或测漏）也是十分重要的。 对于激光陀螺来说， 陀螺本身的密封性 能直接影响到激光陀螺的寿命甚

14、至能否出光的问题， 所以检漏是激光陀螺制造工艺过程中必不可 少的一环， 也是真空台维护的基本技术之一。 实际中采用的检漏方法有很多， 但在漏孔特别小或 系统容积特别大时， 压强随时间的改变十分有限， 这表示以测量压强为基础的各种检漏方法都不 够灵敏， 因此就要使用质谱检漏仪。 在激光陀螺的检漏中我们使用氦质谱检漏仪。 这种方法灵敏 度高、反应迅速、检定可靠，而且对人和真空系统内的部件都没有损害。3、影响真空度的因素和解决办法设有真空台的气体流量为 U ，泵对它的有效抽速为 S e ，则可知容器内的平衡压强 p 如下式所示：UP= -另一方面也存在和以上各S在阀门关闭、没有外界气体直接流入容器的

15、情况下，以下因素组成了 U 的内容从而限 制了更高真空度的获取：1）非无油泵的蒸汽回流；2）漏气：由于真空系统的焊缝或密封部分存在漏隙（称为真漏），或构成系统的材料本身不 够致密或存在微裂（称为内漏）；3）材料的蒸发；4）放气：由容器内壁以及在容器中的物体内部或表面放出气体；5）渗气：大气通过真空系统的外壁渗透而进入容器。由此可见，要得到很低的压强，必须尽量降低这些气源。 对超高真空的获取来说， 这尤 其是决定性的。 要解决非无油泵的蒸汽回流问题， 主要依靠挡板和冷阱的有效工作； 漏气在很大 程度上需要依靠真空台的制造工艺加以保证； 材料的蒸发首先决定于系统内壁和置入物体的污脏 程度， 依靠清

16、洁处理可以达到比较满意的效果， 其次决定于系统局部不适当的受热， 如果加以注 意是容易避免的。 而渗气实际上是气体在固体表面被溶解， 在固体中扩散， 然后在固体的另一表 面蒸发的“三部曲”， 因此在真空系统结构中应当尽量选择渗气率小的材料。 以上四点主要依赖 于生产厂家的质量保证。 在真空台的实际操作中， 真正需要我们加以控制和防治的是吸气与放气。在真空中的固体， 由于表面原子与气体分子发生作用， 可以吸收气体， 也可以放出气体。 如果固体与气体之间存在化学过程， 典型的说是构成化合物， 那么最终使这一部分气体不再回到 空间，则称为收气。如果属于物理过程，则称为吸气。它又可分为吸附和吸收两种，前者是由于 固体表面和气体分子相互作用， 使气体分子被持留在固体表面形成薄层， 后者则是气体溶解在固体整个体积之中，使气体分子被持留在固体点阵之内（或称为吸留）过程相反的“逆过程”，称为分解和解附，总称为放气。在空间压强较低和温度较高时，固体表面吸附的气体和内部气体都将陆续释放到空间 来，从而影响到了超高真空度的获