真空泵維修：鈦泵的原理與故障分析
簡(jiǎn)單介紹了鈦泵的工作原理。濺射離子泵在高電壓和高磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生潘寧放電，吸附容器內氣體分子達到真空的目的。由于設備老化或操作不當等原因，濺射離子泵會(huì )發(fā)生故障。本文列舉了濺射離子泵的常見(jiàn)故障，根據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(zhù)密切的聯(lián)系，在整個(gè)電光源工業(yè)中到處都涉及真空問(wèn)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(lái)獲得真空的真空泵在電光源的制造過(guò)程中起著(zhù)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(méi)有轉動(dòng)機構，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構使其與普通的真空泵的操作、保養和維修都有所不同。本文從實(shí)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(shí)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(shí)際上的排氣過(guò)程。鈦泵正是基于此原理制造的。
通過(guò)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(xué)反應，使氣體分子伴隨鈦原子一起沉積下來(lái)，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(lái)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(xué)活動(dòng)性強的金屬，使其與管內未能抽凈的氣體發(fā)生反應，從而降低空間的氣體分子濃度。這種金屬以及起著(zhù)相同作用的材料就叫做吸氣劑，這種方法叫做化學(xué)。實(shí)驗證明，用鈦持續蒸發(fā)到一個(gè)冷卻的壁上，可以形成具有相當抽氣速率的泵，形成簡(jiǎn)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(chǎng)作用下被驅逐到負電極上，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(kāi)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。這種現象稱(chēng)為電，利用電達到除氣目的的泵稱(chēng)為離子泵。離子泵對吸附的氣體沒(méi)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(lái)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(xué)鍵能雖然大，但很容易在其表面形成飽和，影響其進(jìn)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(yáng)極、陰極、永磁鐵和泵體四大部分組成。
陽(yáng)極是由多個(gè)不銹鋼圓筒排列組成的蜂窩狀結構，陰極是兩塊平行的鈦合金板，將陽(yáng)極夾在中間，三者相互間保持一定距離并通過(guò)高壓絕緣陶瓷連接。陽(yáng)極施加3~7 kV 直流高壓，陰極接地。陰陽(yáng)極板被泵體密封在內部，在泵體外部吸附相對放置的兩塊永磁鐵，磁場(chǎng)方向與極板垂直，磁感應強度1000~2000 Gs。泵體結構如圖1。
2.3、濺射離子泵的工作過(guò)程
濺射離子泵又稱(chēng)潘寧泵，顧名思義，它是利用潘寧放電進(jìn)行除氣的。濺射離子泵是目前比較好的抽真空設備。
濺射離子泵的工作過(guò)程比較復雜，可簡(jiǎn)單的概括如下:
首先，電源啟動(dòng)，在陰陽(yáng)極板間產(chǎn)生高壓。由于級間距離很近，根據E=U/d 可知，電場(chǎng)強度E數值大，尤其在陽(yáng)極筒壁邊緣處。在的電場(chǎng)和與之平行的磁場(chǎng)作用下，電子以螺旋線(xiàn)方式高速運動(dòng)，由于電子運動(dòng)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)生的電子繼續與氣體分子碰撞產(chǎn)生新的正離子和電子。此種放電稱(chēng)為潘寧放電，潘寧放電能在很低的壓強下進(jìn)行。
氣體分子被電離后形成的正離子加速向陰極板運動(dòng)，由于能量很大，沖擊陰極時(shí)產(chǎn)生強烈的濺射，大量的鈦原子被轟擊出來(lái)，沉積在陽(yáng)極筒壁上和陰極板上遭受離子轟擊較弱的區域，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(shí)，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(méi)有太大的影響，只要增加抽氣時(shí)間就行了，但是，忽視微漏降低生產(chǎn)效率不說(shuō)，長(cháng)期下去會(huì )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(shí)，各點(diǎn)受力要均勻。
3.1.2、吸氣劑飽和
濺射離子泵長(cháng)期使用會(huì )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(diǎn)就是消耗吸氣劑。吸氣劑與氣體分子結合生成穩定物質(zhì)沉積下來(lái)，所帶來(lái)的必然結果就是飽和。此時(shí)可以看到濺射離子泵的陽(yáng)極筒壁和陰極板表面附著(zhù)大量銀白色物質(zhì)，這種物質(zhì)就是鈦與氣體分子結合生成的固溶體。因此，必須定期對濺射離子泵進(jìn)行處理。對濺射離子泵的處理方法有兩種，一種是化學(xué)腐蝕，一種是在真空中高溫烘烤?；瘜W(xué)腐蝕的方法能使鈦迅速恢復活性，但是化學(xué)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(yáng)極壁筒上附著(zhù)的固溶體可以通過(guò)聲撕裂的方法將其除去。
漏氣也會(huì )加快吸氣劑鈦的飽和，檢修時(shí)需要注意這一點(diǎn)。
3.1.3、泵體重裝后處理不當
泵體重裝后處理不當也會(huì )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(yáng)極板都處于大氣壓強下，此時(shí)需要前級泵將泵體內壓強抽到10-2 Pa 泵才能進(jìn)行啟動(dòng)。如果泵體內壓強不達到標準就啟動(dòng)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(shí)，會(huì )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(huì )使極間短路，如圖3。此類(lèi)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(dòng)后出現泵體過(guò)熱的情況要立刻停止工作，進(jìn)行檢修。此類(lèi)故障的發(fā)生通常是由于泵內壓強過(guò)高或者油氣進(jìn)入。
3.2.1、放氣
飽和的吸氣劑在一定的條件下會(huì )重新釋放出氣體，氣體密度的增加會(huì )使空間內離子碰撞的幾率增加，放電加劇，形成雪崩效應，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(shuō)，濺射離子泵短時(shí)間暴露于大氣不會(huì )造成損壞，但是還是要盡量避免。
3.2.2、油污染
油進(jìn)入泵體內部首先的危害是污染真空系統。大量油的進(jìn)入還會(huì )損壞真空泵。油污染的來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)來(lái)自前級機械泵，另一個(gè)是在拆泵重裝時(shí)進(jìn)入的。嚴重的油污染會(huì )縮短泵的使用壽命，甚至使泵報廢。
此類(lèi)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(shí)，要在清潔的環(huán)境下進(jìn)行，并帶干凈的手套，嚴禁徒手觸摸泵內部的元件。
3.2.3、進(jìn)氣
大量進(jìn)氣導致放電加劇，陰陽(yáng)極板受轟擊發(fā)熱。泵體嚴重漏氣會(huì )導致此類(lèi)故障發(fā)生。
4、其它故障
啟動(dòng)后電壓指示表指針不動(dòng)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(shí)濺射出的鈦有少量
沉積在絕緣陶瓷上，時(shí)間長(cháng)了，會(huì )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(shí)間浸泡。如果還除不掉，需要更換。
永磁鐵的磁場(chǎng)強度下降也會(huì )導致泵的不正常工作，因此永磁鐵也需要定期充磁。
5、結束語(yǔ)
濺射離子泵是鈦泵的一種，其他類(lèi)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也可參考濺射離子泵。要延長(cháng)鈦泵的工作壽命，提高其工作質(zhì)量，保養維護尤為重要。
