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扩散泵浦工作原理


染,倘若是如此只要換掉 molecular sieve 又可以恢復正常。

擴散幫浦 先前所介紹的幫浦均是針對使用在低真空的工作環境,倘若若要 使真空環境達到高真空,則必須搭配其他種類的幫浦才有可能。擴散 幫浦可以說是在高真空幫浦中第一個被研發出來的,早在十九世紀就 已經被人使用,只不過當時該幫浦的最大缺點是所使用的真空尤其分 壓很高,

30l生油氣回流到腔體內形成污染,這是當時使用者最大 的顧忌 。隨著科技進步,低蒸汽壓的真空油被研發之後,擴散幫浦便 被大量的使用在真空技術上。雖然日前渦輪幫浦,離子幫浦以及冷凍 式幫浦持續更新,抽氣速度又快,又乾淨,但是壽命長且又堅固的擴 散幫浦依舊佔有它一席之位。 擴散幫浦為科學家 Gaede 所發明,當時所用的真空由是水銀而 不是目前我們所看到的真空油。真空幫浦的原理乃是真空油被加熱之 後,獲得極高的熱能,分子的熱運動帶著相當大的運動速度,緊接著 分子被類似煙囪的幾何架構所導引然後由噴嘴向下噴射,由於該分子 具有極大的運動速度,因此在經由噴射之後其速度可接近音速。當分 子噴出後,倘若周圍附近有氣體分子,則經過碰撞後,一定會有動量 的轉移現象,結果該氣體分子便有向下運動的趨勢。通常在擴散幫浦

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的氣體出口處都外接一個 Rotary pump,該 Rotary pump 產生一吸 力,將這些聚集在幫浦出口處的氣體分子帶走,如此一來擴散幫浦的 入口處與出口處會因氣體的分子數的濃度不同而產生擴散現象,擴散 幫浦的名字便因此而來。圖 4.22 為擴散幫浦的外貌圖,而圖 4.23 則 是其其剖面圖。

圖 4.22 擴散幫浦之外貌

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圖 4.23 擴散幫浦之剖面圖

由於擴散幫浦最主要的原動力來自於真空油被加熱,使真空油的分子 具有高速度的運動速度,所以具有一個加熱器是擴散幫浦的特色。該 加熱器置於擴散幫浦的底部,真空油被煮沸之後其蒸汽壓隨著煙囪向 上竄,至頂部後再隨噴嘴射出,真空油的分子在撞擊幫浦的內壁後會

圖 4.24 真空油回流之情形

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形成液體慢慢流回底部,為了使真空油的分子容易凝結成液體,通常 擴散幫浦都有水管環繞在真空幫浦的上半部藉此冷卻,一般而言擴散 幫浦都具有溫度偵測器,倘若溫度過高時,便會自動切斷電源。擴散 幫浦早期最擔心的是真空油的回流污染腔體,雖然使用低蒸氣壓的真 空油,但是油氣在高溫運作時,難免還是會有油氣回流的現象(見圖 4.24)。為了避免該現象,現代的擴散幫浦都附帶一些組件,圖 4.25 便 是該組件的外貌,該組件一般稱之為 baffer,該 baffer 置於擴散幫浦 的上端,藉此將油氣擋下,除此之外加一個 cold trap 也是一個非常重 要的附件,每次使用擴散幫浦之前便將 cold trap 加滿液態氮,如此一 來當油氣吸附到 cold trap 的內部時,便馬上冷卻下來,如此油分子根 本無法到達腔體內部。圖 4.26 便是一般常見的 cold trap 的外貌以及與 gate valve 的組合。

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圖 4.25 cold trap 以及 gate valve

由於擴散幫浦無法從一大氣壓工作到高真空,它的工作環境必須 從低真空環境下做起,因此對於一個真空系統,操作擴散幫浦的程序 是有一定。下面我們將簡述一個真空系統如何從大氣壓力抽到高真空 的程序 。 圖 4.26 為一般常看到的真空系統, 一個真空腔配備了一個擴散幫浦,

圖 4.25 防止油氣回流的 baffer

Rotary pump 以及閥門等等。目前腔體是在大氣狀態之下,若要進行 抽真空則其操作程序如下

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圖 4.26 常見之真空系統

一、 首先將擴散幫浦的加熱器打開,同時打開冷卻水,冷卻擴散幫浦 的上半部,此時擴散幫浦與 Rotary pump 之間的閥門(foreline valve)是打開的。 二、 等到擴散幫浦夠熱了,暫時關閉擴散幫浦與 Rotary pump 之間的 閥門,然後打開 Rotary pump 與腔體之間的閥門(roughing valve)。讓 Rotary pump 對腔體進行粗抽。此處要特別注意,腔體 與擴散幫浦的高真空閥(U-VAC valve)是關閉的。 三、 等到腔體的壓力降到 10-2 Torr 之後,關閉 roughing valve 然後 再打開 foreline valve,此時將液態氮加入 cold trap 內,等一切就 緒,再打開 U-VAC valve,如此一來腔體便可以被到高真空的要求 了。

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圖 4.27 高真空 操作程序圖

圖 4.27 便是該程序之示意圖。擴散幫浦的加熱是其特色,然而也是最麻 煩之處,冷卻水的保持是擴散幫浦效率的保證。倘若擴散幫浦不使用 時,冷卻水最好能關掉,否則冷卻水繼續冷卻,而擴散幫浦在室溫之 下,則有可能在在水管附近凝結水氣,結果可能造成水滴流向下方的 加熱器,造成加熱器受損,這些現象是經常出現的。擴散幫浦的維修是所 有幫浦裡面最簡單的,若發現幫浦的抽氣效果不佳,只需將真空油換 掉,即可恢復正常,至於真空油應該加多少,各家廠商都有規格說 明。

Turbomolecular pump

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Turbomolecular pump 的觀念是由 Becker 首先引入,當初他設 計擴散幫浦上端的 baffer 時,藉由旋轉的葉片防止真空油回流。後來 Turbomolecular pump 正式上市但是轉速低而且昂貴,後來由 MIT Shaprio 教授所組成的團隊改善馬達以及潤滑效果,使得 Turbomolecular pump 開始進入全盛時代。現代的 Turbomolecular pump 不僅有極高的抽氣速度,對於氫氣更是擁有極佳的壓縮比,此外 也有很低的終極壓力。Turbomolecular pump 的工作範圍可以從大氣 壓力一直到高真空,然而它無法單獨操作,必須要有一個 Rotary pump 來幫忙。 Turbomolecular pump 的工作原理是藉著高速運轉的葉片將氣體 分子給予壓縮,其轉速約在 24000 至 60000 轉之間。圖 4.28 為

圖 4.28 Turbomolecular pump 內靜子與轉 子之關係圖

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Turbomolecular pump 內部的部份構造,由該圖可知其轉子是由多組 葉片所組成。當葉片旋轉時,入射的氣體分子便隨著葉片的轉動,沿 著軸向作旋轉式運動由一端移動到另一端,圖 4.29 為氣體分子與葉片 作用之關係。單一葉片是無法完成抽氣的動作,因此 Turbomolecular pump 其內部是由多組葉片組合而成,在設計上原則上靠近氣體進氣口 的葉片應該是屬於高抽氣量低壓縮比的形狀,而靠近出氣口處的葉片則 是低流速高壓縮比的葉片,然而這樣的設計非常昂貴,因此通常採取 三段式的葉片組設計,每一組的葉片形狀都不太相同。 Turbomolecular pump 的軸承是轉子旋轉順暢的一個重要零件,通常 內部有油潤滑,其壽命期有一定的時間,不過最近有廠商發展磁浮式 的 Turbomolecular pump,該種 Turbomolecular pump 不需要軸承, 避免了更換軸承的苦惱。

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圖 4.29 氣體分子與 葉片之作用相關位 置圖

吸附式幫浦 先前所提到的幫浦,不管是高真空或是低真空專用,都是屬於一 種將氣體轉移的幫浦。接下來所介紹的幫浦是屬於將氣體吃下來的幫 浦,這樣的幫浦我們稱之為吸附式幫浦。吸附式的幫浦計有 Cyropump, Ion pump, Titanium Sublimation pump 和 sorption pump。 首先介紹 Cyropump Cyropump Cyropump 其工作原理不外乎是製造一個低溫的環境,然後利用 該低溫環境來吸附氣體分子,由於該幫浦無法從大氣壓力開始工作, 因此須配合其他幫浦,先將腔體的真空粗抽之後,再進行 Cyropump 的
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運作。圖 4.30 為 Cyropump 的外貌,圖 4.31 為 Cyropump 內部構 造。該 Cyropump 必須靠一個壓縮機提供循環氦氣來冷卻,其冷卻的 溫度可以達到 10K 左右。在 Cyropump 內有木炭作為吸收氣體的場 所,由於木炭能夠在室溫下作 degass 的動作,這比 molecular sieve 的溫度低很多。Cyropump 若長期使用或是吸入大量氣體,其抽氣量 將會降低,此時必須要對 Cyropump 作再生的動作,那就是將

圖 4.30 Cyropump 之 外貌

Cyropump 內部溫度回升到室溫,然後通以氮氣來回數次,藉此將原 本吸附的氣體帶出,如此 Cyropump 將可恢復原狀,不過若因操作不 圖 4.31 Cyropump 內部構 當有油氣進入 Cyropump 污染了內部的木炭,則必須全部更換木炭才 有辦法恢復原抽氣量。圖 4.32 為 Cyropump 抽氣之情形,而圖 4.33 為其相關配備。
造圖

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圖 4.32 Cyropump 之抽氣 情形

50 圖 4.33 Cyropump 的相關附件

Titanium Sublimation pump 這種幫浦俗稱 TSP,其工作原理非常簡單,那便是將活性高的 Ti 金屬蒸發到腔壁,然後讓 Ti 金屬與腔體內的氣體作用成化學反應變成 低蒸汽壓的固體,藉此降低腔體內的氣體。該種幫浦其壓力工作範圍 再 10-2 Torr 至 10-10 Torr,是屬於一種消耗性的幫浦。該種幫浦對於一 些惰性氣體和水氣的消除相當有幫助,尤其對含有碳元素的氣體,更

圖 4.34 Titanium Sublimation pump 的種類與 外型

圖 4.35 Titanium Sublimation pump 與其他幫浦 的搭配的情形

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是個中能手。圖 4.34 為 TSP 的外貌,其形狀可分為條狀與球狀,此 外該幫浦附有加熱絲,藉此升高溫度將 Ti 金屬蒸發。由於加熱時會產 生高溫間接影響腔體的溫度,所以該種幫浦需要水將以冷卻。圖 4.35 是 TSP 配置於腔體的位置圖,該幫浦須配合其他幫浦使用 Ion pump 離子幫浦也是屬於一種吸附式的幫浦,它的作用原理乃是利用高 壓將氣體分子游離,隨後被電場吸引撞入鈦板,與鈦金屬作用而埋入 金屬板之內。由於這種吸附式的幫浦氣體是有進無出,所以一旦鈦板 埋入氣體分子過多便會失去效用,因此該種幫浦都是用在超高真空的

圖 4.36 離子幫浦之外貌 及剖面圖

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環境下。改良式的離子幫浦都附有強有力的磁鐵,其主要目的在於增 長離子的運動距離,藉此更有機會與其他分子碰撞,而加速抽氣的速 度。圖 4.36 為力子幫浦的外貌及剖面圖。在離子幫浦中,對於 Ar 的 惰性氣體的抽氣是件麻煩的事。Ar 氣體不容易被埋入 Ti 的金屬內,它 會定期的逃逸出來,造成離子幫浦的不穩定性(見圖 4.37)為了解決 這個問題,三極式的離子幫浦被提出來(見圖 4.38)也就是多了 Ti 的 陰極,這樣的架構有助於 Ar 氣體的吸收,旦相對之下陰極的壽命減 短。後來有人提出槽狀式的陰極排列,其效果比前者更好(見圖 4.39)。

圖 4.37 離子幫浦對於 Ar 氣體抽氣的不穩定性,其抽氣時間與 壓力之關係

圖 4.38 三極式之離子幫浦 圖 4.39 改良式之二極離子幫浦

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