真空機組抽氣的三個階段-山東富安集團真空科技有限公司

沒有一個真空系統是不漏氣，不放氣的，即使真的不漏氣，放氣總是存在的，實際上（3）式反映的是泵在抽除真空室內空間氣體的過程中壓力的變化規律。當壓力較高時，系統的漏氣量和放氣量相對空間的氣體量較小時，其影響可以忽略，可以認為近似滿足不漏氣和不放氣的條件，也就是（3）的規律能近似成立。當壓力較低時，系統的漏氣量和放氣量不可忽略甚至成為主要的氣體負載時，（3）的規律就要發生偏離，表現在壓力下降變為緩慢，一般發生這一轉變的壓力在0.5Pa左右，因此一個真空系統典型的抽氣過程先是壓力下降很快，到某一壓力開始變慢。由于一個合格的真空系統對其漏率有嚴格的要求，所以放氣是影響系統壓力降低的主要因素，而放氣是一個緩慢的過程，即使采用烘烤等強化措施，要達到某一預定的壓力，往往要經過很長的時間。任何真空系統都希望盡量縮短抽氣的時間，這關系到提高效率和降低能耗，但并不是所有的真空應用都具有縮短抽氣時間的條件�？梢园巡煌恼婵諔梅譃閮纱箢悾阂活愂遣桓膽]系統內的放氣量，而只有真空度的要求；另一類是要求真空室內充分的放氣，即放氣率要降到某一臨界值。這兩類不同的應用對泵配置的要求是不一樣的。對于前一類應用，如真空度要求在0.5pa以上，只要時間常數足夠的小，便可晝量縮短抽氣的時間。但如真空度要求在0.5Pa以下，就必須改慮放氣對壓力變化的影響。放氣量隨時間的變化緩慢。特別是在無烘烤的情況下。要在預定較短的時間內達到較高的真空度，就必須以較大的抽速抽除較大的放氣量。也就是說如放氣量為Q，泵的有效抽速為S0，則可達到平衡壓力P=Q/S0。如平衡壓力確定，則達到的時間越短，要求泵的有效抽速就越大。蒸發鍍膜就是典型的這類的應用，由于蒸鍍的速度快，時間短，所以不考慮放氣量的影響（即活性氣體的影響）。但蒸發粒子的能量低，要求絕大部分粒子無碰撞地沉積到工件上，以保證結合力及減少散射，這就要求真空室內的平均自由程不小于蒸發源到工件的距離，與此相應的壓力約在1×10-2Pa，這便是蒸發鍍膜對真空度的要求。如何在盡量短的時間內達到這一壓力，就對泵的有效抽速提出了要求，原則是時間越短，由于放氣量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸發鍍膜一般配置抽速強大的油擴散泵機組，功率有數十千瓦，幾分鐘至十幾分鐘內便可達到工作真空度，但該系統對工件造成的油蒸汽污染是難以避免的，特別是塑料金屬化膜層易發黃。目前渦輪分子泵抽速滿足不了大型蒸發鍍的需要。而大抽速的低溫泵又是工業化規模鍍膜所承受不了的。根據被抽空間氣體負載的特性，利用分子增壓泵抽除永久性氣體，結合低溫冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望實現大抽速獲得清潔真空的全新抽氣工藝。真空室內壓力在0.5Pa以上時，主要氣體成份是永久性氣體，而0.5Pa以下的主要氣體成份是水蒸汽（90%）。由于分子增壓泵具有超強的中真空抽氣能力，從100Pa到0.5Pa抽氣時間極短，而在0.1Pa以后啟用低溫冷凝水捕集泵，可在較短時間內使室內壓力降低1個數量級，達到1×10-2Pa。對于3-5m3的大型蒸發鍍膜設備，配置3-4臺1000升/秒的分子增壓泵和一臺功率5kw的低溫冷凝水捕集泵便能實現上述的抽氣工藝，這無疑具有開創性。對于后一類應用，由于放氣量變化依賴于溫度和時間，而與氣相空間的壓力關系不大，只要壓力低于現存吸附量所對應的平衡壓力即可，一般在抽氣過程中均滿足此條件。因此，用強勁的抽速即使在很短的時間內把空間壓力降至很低，依然不能明顯減少真空室內的放氣量，而必須配置合適的抽速，在合理的烘烤溫度下，在合理的時間內使放氣量達到工藝要求的水準，這一般要歷經數十分鐘的時間。這類應用較為典型的有鈦金行業的濺射鍍膜和離子鍍膜,稀土永磁材料熔煉等。其中，過量的活性氣體會影響膜層的品質和材料的質量，因此工藝中均有一段較長時間的精抽過程。對于鍍膜室為1m3左右的濺射或離子鍍膜設備，一般配置4000升/秒抽速的真空機組，為了促使真空室和工件更快地放氣，往往烘烤到300℃的溫度。值得強調的是，在鈦金鍍膜中，泵的抽速大小，泵的特性、抽氣工藝及所需的沉積壓力之間表現出的辯正關系。在一個鍍膜周期中，真空機組的抽氣可以分為三個階段，即精抽階段，輝光轟擊和濺射沉積階段。精抽的目的是為了減少真空室內的放氣量,其結果主要決定于烘烤溫度和抽氣時間,與空間壓力關系不大,特別是壓力在同數量級內。因此，主泵的抽速在適當的差異內，精抽的效果是一樣的，真空室內的放氣率都可降低到相同的水平，盡管所對應的極限真空不同。具體地講1000升/秒分子增壓泵和1500升/秒的渦輪分子泵在這一階段抽氣的效果是相同的。輝光轟擊階段，由于此時放電壓力在2Pa左右，一般來講主泵的抽氣能力受到影響，傳統地均采用節流的方法以犧牲抽速來換取泵的穩定工作，擴散泵和渦輪分子泵都是如此，尤其是擴散泵抽速損失更大，相應地放電的氬氣流量也明顯減少。然而這一階段只有大的有效抽速，大的氬氣流量才能獲得更好的轟擊清洗的效果。在這一點上分子增壓泵是有明顯的優勢。在最后的濺射沉積階段典型的工作壓力為0.5Pa，擴散泵和渦輪分子泵仍需節流，且不說在該種情況下，沉積的壓力難于穩定，減小的抽氣速率勢必要讓精抽過程中所達到的活性氣體（放氣）的分壓明顯地回升。在放氣量一定的情況下，活性氣體的分壓高低決定了對沉積膜層質量的影響。能以滿抽速穩定抽氣的分子增壓泵，在此又一次顯示了它的優越性。

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