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何謂分子泵、離子泵？ 
 
應(yīng)該都是真空泵。 
激光陀螺是迄今為止在慣性技術(shù)領(lǐng)域*真正獲得了卓有成效的實(shí)際應(yīng)用的非機(jī)電式中高精度慣性敏感儀表。它具有穩(wěn)定性好、精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。而超高真空的獲取是激光陀螺制造過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在激光陀螺的密封、抽真空、檢漏、等離子清洗等過(guò)程中，都涉及到超高真空的獲取技術(shù)。本文將對(duì)激光陀螺生產(chǎn)過(guò)程中超高真空的獲取技術(shù)進(jìn)行探討。 1 真空系統(tǒng)的構(gòu)成 
激光陀螺在生產(chǎn)中要求其真空系統(tǒng)具有較高的真空度，并且要求真空系統(tǒng)密封效果好、密封性可靠、可充入惰性氣體和啟動(dòng)快速。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不同的廠(chǎng)家根據(jù)自己的能力和用戶(hù)的要求設(shè)計(jì)出了不同的真空系統(tǒng)。但總的來(lái)說(shuō)，采用的設(shè)備大同小異，圖 1 為生產(chǎn)激光陀螺所用的真空系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。  
圖1中分子泵（次級(jí)泵）是這個(gè)真空系統(tǒng)的主要抽氣工具，但由于它不能單獨(dú)從大氣環(huán)境開(kāi)始工作，因而在它前面要串聯(lián)一個(gè)能從大氣開(kāi)始工作而能達(dá)到的真空度往往不高的機(jī)械泵（前級(jí)泵），并在分子泵和機(jī)械泵之間串聯(lián)一個(gè)油擴(kuò)散泵（增壓泵）。同時(shí)，為了在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到超高的真空度，本真空系統(tǒng)還使用了鈦升華泵作為輔助抽氣的無(wú)油泵。當(dāng)然，也有一些系統(tǒng)由于采用了性能較好的分子泵，省略了油擴(kuò)散泵，而zui后一級(jí)也可以加入離子泵或鋯泵來(lái)提高真空系統(tǒng)的性能。 2 主要設(shè)備 
2.1 真空泵 2.1.1 前級(jí)泵 
早期的激光陀螺超高真空臺(tái)一般采用油封旋片機(jī)械泵作為前級(jí)泵。機(jī)械泵價(jià)格便宜，適合在粗真空和中真空中使用，因而被廣泛采用。但它也有明顯的缺點(diǎn)：首先，油封機(jī)械泵不是無(wú)油真空泵，雖然在次級(jí)加入冷阱和分子泵可基本消除油污染，但對(duì)于超高真空系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，仍然存在一定的污染隱患；其次，機(jī)械泵排水蒸氣能力較差，這對(duì)潮濕環(huán)境下的真空作業(yè)十分不利；另外，油封機(jī)械泵自身密封性較差，因此不利于抽除和傳輸含有放射性物質(zhì)的氣體。所以現(xiàn)在機(jī)械泵有被性能更*的干泵取代的趨勢(shì)。 
干泵分為薄膜式以及羅茨式干泵兩種。抽速?gòu)?0.9 米 3 / 小時(shí)到 50 米 3 / 小時(shí)，具有不產(chǎn)生油污和粉塵、排水蒸氣能力強(qiáng)、 低能耗，堅(jiān)固耐用，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，另外應(yīng)用磁力傳動(dòng)電機(jī)技術(shù)的干泵還能夠使軸頭動(dòng)密封變成靜密封，外漏和內(nèi)漏做到了 “ 零 ” 泄漏。 2.1.2 增壓泵 
油擴(kuò)散泵是依靠泵底加熱器加熱油鍋中的泵油達(dá)沸騰溫度產(chǎn)生大量油蒸汽，經(jīng)導(dǎo)油管由各級(jí)噴嘴定向高速?lài)姵鰧嚎s氣體分子排出。它作為分子泵和機(jī)械泵之間的增壓泵起到了壓力“傳遞者”的作用。特別是當(dāng)所使用的分子泵對(duì)氫氣壓縮比不高，而機(jī)械泵的所能達(dá)到的極限真空又不是很高的情況下，油擴(kuò)散泵確實(shí)對(duì)改善系統(tǒng)真空度能起到一定的作用。但是油蒸汽對(duì)真空裝置所造成的油污染是相當(dāng)嚴(yán)重的，同時(shí)油擴(kuò)散泵也不能抽除真空裝置內(nèi)原有的灰塵，啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)。隨著分子泵和機(jī)械泵性能的改善，很多系統(tǒng)已經(jīng)淘汰了油擴(kuò)散泵，采用了干泵加分子泵的無(wú)油機(jī)組來(lái)達(dá)到超高真空。 2.1.3 次級(jí)泵 
要達(dá)到超高真空，大家所熟悉的分子泵當(dāng)然是*的。它由交流逆變變頻電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子與靜葉輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)抽除、拖動(dòng)、傳輸氣體分子排出。分子泵是無(wú)油泵，抽速大，關(guān)閉啟動(dòng)迅速，使用范圍在 6Pa 至 10 -8 Pa ，是達(dá)到超高真空理想的主抽泵

2.1.4 其他輔助泵 
要使激光陀螺快速得達(dá)到超高真空并加以維持，我們還需要各類(lèi)輔助抽氣泵。之所以稱(chēng)它們?yōu)檩o助泵，主要是因?yàn)樗鼈儗?duì)所抽除的氣體具有一定的選擇性，即只對(duì)特定氣體如對(duì)分子泵難以抽除的 H 2 、 H 2 O 等活性氣體分子形成有效抽速，而幾乎不抽除陀螺內(nèi)的工作氣體，如 He 、 Ne 等惰性氣體。這樣即能使整個(gè)系統(tǒng)的真空度得到提高，又可以起到提純工作氣體的作用。另外，這些泵主要依賴(lài)物理化學(xué)作用工作，使用壽命比主抽泵短，因而只能扮演輔助泵的角色。這里我們介紹現(xiàn)在在激光陀螺超高真空排氣臺(tái)中常用的幾種輔助泵。 a) 鈦升華泵 
當(dāng)鈦蒸發(fā)器被通電加熱后，鈦就大量升華，新鮮鈦沉積在器壁四周，并與碰撞到器壁鈦膜上的活性氣體原子形成穩(wěn)定的固態(tài)化合物。氣體通常以分子形式撞到鈦膜上，如 H 2 O 或 N 2 等。對(duì)氣體分子的捕集形成對(duì)氣體的抽速。這就是鈦升華泵的工作原理。鈦升華泵的工作范圍在 10 -2 至 10 -9 Pa ，對(duì)活性氣體的抽速特別是對(duì)氫氣的抽速極快，可快速幫助系統(tǒng)達(dá)到超高真空。 b) 濺射離子泵 
在正交的電場(chǎng)及磁場(chǎng)作用下，稀薄狀態(tài)氣體會(huì)產(chǎn)生放電，稱(chēng)為潘寧放電。應(yīng)用這一原理，將陽(yáng)極分割成若干筒型小室，陰極采用鈦板制成。放電產(chǎn)生的氣體陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極，氣體離子射入陰極與鈦形成鈦化合物而被固定抽除。另一方面，氣體離子在陰極板上引起濺射，濺射出的活性金屬鈦在陽(yáng)極筒及泵壁上形成新鮮鈦膜，活潑氣體分子（如氧、氮等）會(huì)被新鮮鈦膜吸附而被抽除。這就是濺射離子泵的工作原理。濺射離子泵的工作范圍為 10 -4 Pa 至 10 -8 Pa ，它具有清潔無(wú)油、真空度高、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。 c) 鋯鋁吸氣泵 
鋯鋁吸氣泵是一種吸氣劑泵。它 用鋯鋁壓帶制成，在 400 0 C 下工作，只抽除活性氣體，工作范圍 10 -3 Pa 至 10 -9 Pa ，它的zui大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氫及氫的同位素氘、氚等的抽速很大。 總之，生產(chǎn)激光陀螺的真空臺(tái)使用的真空泵應(yīng)根據(jù)自身的需要合理配置。采用低配置可以是機(jī)械泵＋擴(kuò)散泵＋分子泵＋鈦升華泵的組合，它的成本比較低，如果嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝操作，仍然可以獲得比較理想的真空度。當(dāng)然，也可采用更加的配置，按照真空度由低到高的順序可以是機(jī)械泵（干泵）＋分子泵＋離子泵＋鈦泵＋鋯泵的組合。這樣的系統(tǒng)近乎，可以達(dá)到 10 -8 Pa 的極限真空，滿(mǎn)足生產(chǎn)高精度激光陀螺的要求。當(dāng)然，這樣的系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且對(duì)管道和閥門(mén)的密封性也提出了更高的要求。 2.2 真空規(guī) 
在真空臺(tái)的操作過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量真空度是十分重要的。測(cè)量真空的量具稱(chēng)為真空規(guī)（ Vacuum gauge ）或真空計(jì)（ Vacuum meter ）。在較高的壓強(qiáng)情況下 [ 例如 1 大氣壓 ~13Pa （ 760~10 -1 Torr ） ] ，作用于單位表面上的力可以直接測(cè)出，因而困難不大，準(zhǔn)確度也可以較高；但在低壓情況下，壓強(qiáng)是如此微小以至根本不能使用機(jī)械方法來(lái)進(jìn)行直接測(cè)定，這樣就要求用另外一些辦法——主要是低壓下氣體的某些特性——來(lái)作相應(yīng)的測(cè)定，而在測(cè)定的過(guò)程中不可避免地要在外界引入能量（熱能、電能、機(jī)械能等），這樣就同時(shí)造成了誤差的來(lái)源，因而真空規(guī)比之于其他物理量的測(cè)定儀器，其準(zhǔn)確度顯然要低得多（除了基準(zhǔn)量具以外，一般真空規(guī)的度部要求在 10% 以?xún)?nèi)）。同樣的原因決定了各種真空規(guī)的不同量程、不同性能和不同的優(yōu)缺點(diǎn)，于是就出現(xiàn)了特別復(fù)雜的選擇真空規(guī)的問(wèn)題。為了能夠選定一種zui合乎需要的測(cè)量工具，對(duì)于激光陀螺的真空臺(tái)而言，就使用了寬量程規(guī)、電容規(guī)和 B-A 規(guī)等真空規(guī)對(duì)不同的真空段進(jìn)行測(cè)量。 
2.2.1 寬量程規(guī) 
寬量程規(guī)主要用于激光陀螺超高真空臺(tái)粗真空和中真空的測(cè)量。圖 1 所示真空臺(tái)的寬量程規(guī)由熱偶規(guī)和電離規(guī)組成，前者用來(lái)測(cè)量較低的真空度，后者用來(lái)測(cè)量較高的真空度。

熱偶規(guī)由規(guī)管和控制單元組成，規(guī)管的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，規(guī)管由加熱絲和測(cè)溫?zé)崤冀z組成。在低壓強(qiáng)時(shí)，氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)與氣體的壓強(qiáng)有關(guān)，熱偶規(guī)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。熱偶規(guī)的量程約為 1~100Pa ，可用于粗真空的測(cè)量。 真空臺(tái)使用的電離規(guī)為熱陰極電離規(guī)，規(guī)管和基本電路圖如圖 3 和圖 4 所示。規(guī)管均由三個(gè)電極，即燈絲、電子加速極及離子收集極組成。從燈絲發(fā)射的電子被加速后，使氣體分子電離，產(chǎn)生的離子流與氣體壓強(qiáng)成正比。測(cè)量離子流即可計(jì)算出氣體的壓強(qiáng)，這就是電離規(guī)的工作原理。這種電離規(guī)的量程約為 10 -1 ~10 -5 Pa ，可用于中真空的測(cè)量。 
2.2.2 B-A 規(guī) 
激光陀螺真空臺(tái)超高真空段的測(cè)量主要使用的是 B-A 規(guī)。它是一種改進(jìn)型的電離規(guī)，因其設(shè)計(jì)者是 Bayard 和 Alpert 得名，由于采用了減少收集極暴露在 X 射線(xiàn)內(nèi)的面積的設(shè)計(jì)，可以在超高真空狀態(tài) [p<10 -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 ）量級(jí)，因而成為超高真空測(cè)量中的“經(jīng)典”量具， B-A 規(guī)的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。 2.2.3 電容規(guī) 
在激光陀螺超高真空臺(tái)中，除了用來(lái)測(cè)量一般真空度的寬量程規(guī)和測(cè)量超高真空的 B-A 規(guī)之外，因?yàn)檫€需要對(duì)充入陀螺內(nèi)的惰性氣體進(jìn)行配比，因此配備電容規(guī)是*的。與熱偶規(guī)和電離規(guī)的測(cè)量原理不同，電容規(guī)是一種真空計(jì)，即它可以直接反映壓力的變化而與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)。電容薄膜真空規(guī)是基于薄膜的彈性變形來(lái)測(cè)量真空過(guò)程中的壓強(qiáng)的，并將薄膜變形產(chǎn)生的電容變化轉(zhuǎn)換為與壓強(qiáng)成正比的線(xiàn)性訊號(hào)輸出，其等效電路如圖 6 所示。 
現(xiàn)在比較*的電容規(guī)的量程可達(dá) 10 -2 ~1.33 × 10 5 Pa （ 1 × 10 -4 ~1000Torr ），精度為 0.5% 。電容規(guī)的zui大優(yōu)點(diǎn)是可以全部用金屬構(gòu)成，因而可加熱烘烤除氣。它的量值與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)，不論氣體或蒸汽都可有效的測(cè)量壓強(qiáng)。其響應(yīng)時(shí)間極短，僅為 0.1~0.002 秒。電容規(guī)本身的電容不吸收能量。缺點(diǎn)是對(duì)溫度靈敏，室溫變化將引起一定的零點(diǎn)漂移。 2.3 檢漏儀 
一個(gè)理想的真空容器可假定為毫無(wú)漏氣，但任何實(shí)際容器都或多或少的存在著漏氣現(xiàn)象。特別是在壓強(qiáng)越來(lái)越低時(shí)，漏氣逐步上升為真空過(guò)程中的主要矛盾。因此在真空技術(shù)中，漏孔或漏隙的檢查（簡(jiǎn)稱(chēng)為檢漏或測(cè)漏）也是十分重要的。對(duì)于激光陀螺來(lái)說(shuō)，陀螺本身的密封性能直接影響到激光陀螺的壽命甚至能否出光的問(wèn)題，所以檢漏是激光陀螺制造工藝過(guò)程中*的一環(huán)，也是真空臺(tái)維護(hù)的基本技術(shù)之一。實(shí)際中采用的檢漏方法有很多，但在漏孔特別小或系統(tǒng)容積特別大時(shí)，壓強(qiáng)隨時(shí)間的改變十分有限，這表示以測(cè)量壓強(qiáng)為基礎(chǔ)的各種檢漏方法都不夠靈敏，因此就要使用質(zhì)譜檢漏儀。在激光陀螺的檢漏中我們使用氦質(zhì)譜檢漏儀。這種方法靈敏度高、反應(yīng)迅速、檢定可靠，而且對(duì)人和真空系統(tǒng)內(nèi)的部件都沒(méi)有損害。 3 影響真空度的因素和解決辦法 
設(shè)有真空臺(tái)的氣體流量為 U ，泵對(duì)它的有效抽速為 S e ，則可知容器內(nèi)的平衡壓強(qiáng) p 如下式所示： U  
P = --  S  
在閥門(mén)關(guān)閉、沒(méi)有外界氣體直接流入容器的情況下，以下因素組成了 U 的內(nèi)容從而限制了更高真空度的獲?。? 
1) 非無(wú)油泵的蒸汽回流； 
2) 漏氣：由于真空系統(tǒng)的焊縫或密封部分存在漏隙（稱(chēng)為真漏），或構(gòu)成系統(tǒng)的材料本身不夠致密或存在微裂（稱(chēng)為內(nèi)漏）

3) 材料的蒸發(fā)； 
4) 放氣：由容器內(nèi)壁以及在容器中的物體內(nèi)部或表面放出氣體； 5) 滲氣：大氣通過(guò)真空系統(tǒng)的外壁滲透而進(jìn)入容器。  
由此可見(jiàn)，要得到很低的壓強(qiáng)，必須盡量降低這些氣源。對(duì)超高真空的獲取來(lái)說(shuō)，這尤其是決定性的。要解決非無(wú)油泵的蒸汽回流問(wèn)題，主要依靠擋板和冷阱的有效工作；漏氣在很大程度上需要依靠真空臺(tái)的制造工藝加以保證；材料的蒸發(fā)首先決定于系統(tǒng)內(nèi)壁和置入物體的污臟程度，依靠清潔處理可以達(dá)到比較滿(mǎn)意的效果，其次決定于系統(tǒng)局部不適當(dāng)?shù)氖軣幔绻右宰⒁馐侨菀妆苊獾?。而滲氣實(shí)際上是氣體在固體表面被溶解，在固體中擴(kuò)散，然后在固體的另一表面蒸發(fā)的“三部曲”，因此在真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)盡量選擇滲氣率小的材料。以上四點(diǎn)主要依賴(lài)于生產(chǎn)廠(chǎng)家的質(zhì)量保證。在真空臺(tái)的實(shí)際操作中，真正需要我們加以控制和防治的是吸氣與放氣。 
在真空中的固體，由于表面原子與氣體分子發(fā)生作用，可以吸收氣體，也可以放出氣體。如果固體與氣體之間存在化學(xué)過(guò)程，典型的說(shuō)是構(gòu)成化合物，那么zui終使這一部分氣體不再回到空間，則稱(chēng)為收氣。如果屬于物理過(guò)程，則稱(chēng)為吸氣。它又可分為吸附和吸收兩種，前者是由于固體表面和氣體分子相互作用，使氣體分子被持留在固體表面形成薄層，后者則是氣體溶解在固體整個(gè)體積之中，使氣體分子被持留在固體點(diǎn)陣之內(nèi)（或稱(chēng)為吸留）。另一方面也存在和以上各過(guò)程相反的“逆過(guò)程”，稱(chēng)為分解和解附，總稱(chēng)為放氣。 在空間壓強(qiáng)較低和溫度較高時(shí)，固體表面吸附的氣體和內(nèi)部氣體都將陸續(xù)釋放到空間來(lái)，從而影響到了超高真空度的獲得，因此需要除氣。除氣的方法通常是在連續(xù)的抽氣容器中將材料加熱到一個(gè)盡可能高的溫度，這時(shí)固體表面吸附和內(nèi)部吸收的氣體會(huì)逐步釋出，被真空泵抽掉。而在一定的溫度下維持一定時(shí)間之后，固體表面將基本不釋放出氣體，這樣就達(dá)到了預(yù)期的目的。 4 綜述 總的來(lái)說(shuō)，真空泵是獲得超高真空的主要設(shè)備，管道和閥門(mén)的合理配置是獲取超高真空的保障，對(duì)真空的測(cè)量是我們了解真空度的有效手段，要獲得超高真空涉及到材料科學(xué)、電子學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)等眾多學(xué)科，比較全面地了解和掌握真空技術(shù)對(duì)生產(chǎn)高精度激光陀螺有著重要的意義。