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升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  蒸發(fā)和升華鈦泵的缺點是工作的不穩(wěn)定性帶來的操作維護困難,并且要定期清洗沉積的鈦膜,更換鈦蒸發(fā)泵芯(升華器)。這類泵目前已屬于逐漸淘汰的泵種,除少數(shù)實驗室作為輔助用泵外,很少用于工業(yè)生產(chǎn)排氣系統(tǒng)中。
  
  鈦升華器結(jié)構(gòu)
  
  用于升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵的鈦升華器性能直接影響到鈦泵的工作穩(wěn)定性和使用壽命,也是升華鈦泵的核心。目前應(yīng)用z*多而且比較成熟的鈦升華器結(jié)構(gòu),有下列幾種形式:
  
  (1)纏繞鈦絲式
  
  纏繞式鈦升華器的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。纏繞方式有:
  
  ①鎢或鉭桿做芯金屬,上面密繞一層至兩層鈦絲;
  
 ?、阪u或鉭桿做芯金屬,上面密繞鉬絲或鈮絲,再在上面密繞一層鈦絲;
  
 ?、坻u或鉭桿做芯金屬,上面間繞一層兩根鈦絲和一根鉬絲。
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
  
  典型的纏繞鈦絲式升華器的電參數(shù)為:

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
  
  纏繞式鈦升華器結(jié)構(gòu)簡單,容易制作,使用維修方便,去氣較徹底,易于控制鈦升華率。在小型鈦泵中,升華率容易做到1mg/h~100mg/h,低升華率使用時,壽命可達400h~500h。
  
  缺點是繞制的鈦絲其緊密程度很難一致,因而各段的電阻有差異。長期工作后,容易局部升華率過大,使鈦絲局部溫升過高以致燒斷,影響使用壽命。另外過長的升華器纏制有困難。
  
  鈦泵升華率與溫度的關(guān)系如圖5-2所示,功率與溫度的關(guān)系如圖5-3所示。
  
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
 ?。?)鈦鉬合金絲
  
  圖5-4是一種鈦鉬合金絲升華器的結(jié)構(gòu)示意圖。
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
  
  鈦鉬合金絲(85%鈦,15%鉬)在恒定電壓下工作時,由于不斷升華,絲逐漸變細,引起電流和功率下降,但又由于表面積不斷減少,溫度稍微上升,這樣鈦升華率大體上能保持一常數(shù),直到合金絲中出現(xiàn)大晶粒時為止。鈦鉬合金絲在恒定電壓下工作時,大約有24%的鈦能以恒定的升華率升華掉。壽命終止時,在合金中大約有40%的鈦已升華掉。鈦鉬合金絲適宜的工作溫度在1200℃~1500℃之間。使用中其成分變到含74%鈦及26%鉬時,晶粒開始增大,電阻率和熱輻射系數(shù)隨之增加,要維持恒定的升華率,必須增加功率,在壽命終了時,電壓大約增加到z*初值的兩倍,電流增加一倍半左右。
  
  鈦鉬合金絲有關(guān)參數(shù)如圖5-5~圖5-8所示。
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  
  假定鈦鉬合金絲的熱損耗全部是由輻射引起的,則在給定的溫度下,合金絲所需要的電流值與合金絲直徑d有下列關(guān)系
升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  式中 K——給定溫度下的換算系數(shù);
  
  d——鈦鉬合金絲直徑[mm]。
  
  根據(jù)圖5-5曲線I和式(5-1),可以繪出不同直徑的合金絲溫度一電流曲線。
  
  鈦鉬合金絲的計算要點:
  
 ?、俅_定工作溫度
  
  鈦鉬合金絲工作溫度T應(yīng)低于1830K,一般在1200K一1500K范圍內(nèi),在此溫度區(qū)間,當微晶粒結(jié)構(gòu)的鈦鉬合金絲的溫度發(fā)生變化時,其電阻變化率z*小(圖5-8)。過高的蒸發(fā)溫度會很快形成大晶粒,使之斷裂。
  
 ?、谟蓤D5-6可以確定升華率[g/( cm2s)],然后確定總升華率并計算出相應(yīng)的表面面積,選定合金絲的直徑、長度、根數(shù)以及支撐方式等。
  
 ?、塾蓤D5-7查出在工作溫度T下的總輻射系數(shù)ε,并計算每根絲的輻射功率Po

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  
 ?、芤蜮併f合金絲各端及支架、引線等傳熱損失的功率P' 為
 

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

 

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  
 ?、萦嬎忝扛z的總加熱功率(P=Po+2P' ),并根據(jù)電阻值計算出加熱電壓、電流值,確定電路連接方式(串、并聯(lián))。
  
 ?、薰浪愫愣ㄉA率下的鈦鉬合金絲壽命(按合金中大約40%的鈦能升華掉來估算)

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

  
  鈦鉬合金絲升華器使用簡便,在一定的工作時間內(nèi)能自動調(diào)節(jié)加熱電流,不致燒斷。假若整個工作時間始終維持升華率不變,那就需要較復(fù)雜的電流控制程序。由于升華器鈦貯量和升華率受到限制,故鈦鉬合金絲升華器和纏繞式鈦升華器一樣,不適用于在大排氣量和大升華率下使用。這種升華器在長期工作之后,大晶粒開始增長(絲成分變?yōu)?4%鈦,26%鉬)。在1550K~1800K溫度范圍內(nèi)大晶粒生長時其絲的成分與升華溫度無關(guān)。
  
  熱輻射球式升華器的結(jié)構(gòu),如圖5-9所示。鈦球殼體半徑31.5mm,球殼厚度3.8mm,球體中間有一段長度為7.6mm的圓柱,下部的孔是用來安放螺旋狀鎢熱絲的[螺旋狀熱絲的長度和內(nèi)徑均為16. Smm]。熱絲一端焊在金屬桿上,另一端用鉬襯套與上半球相連接。鈦球下半部均勻地支撐在四根鉬桿上。熱絲加熱電流從中心金屬桿經(jīng)熱絲、鈦球和四根鉬桿構(gòu)成回路。當輸入功率為450W時,鈦球的升華率為O.01g/h,而輸入功率為710W時,鈦球的升華率可達到0.5g/h。鈦重36.8g,利用率達71%。它的優(yōu)點是在給定的輸入功率下,升華率保持恒定,操作方便可靠,制作也不困難。缺點是鈦儲量不多,加熱絲固定困難而且容量燒斷。
  
  (4)電子轟擊式
  
  電子轟擊式蒸發(fā)器是利用燈絲發(fā)射的電子經(jīng)電場加速轟擊鈦棒使之受熱蒸發(fā)。結(jié)構(gòu)如圖5-10所示,鈦棒質(zhì)量為6809,直徑27mm,長度190mm,其中只有25 .4mm的長度可暴露在電子束下,暴露部分可以連續(xù)工作90h。若要蒸發(fā)器繼續(xù)工作,可利用螺桿推動波紋管使鈦棒上升到電子束轟擊區(qū)。鈦棒可利用的有效長度為114mm(質(zhì)量為400g)。轟擊鈦棒用的燈絲共八根,每次使用四根,剩下四根備用。燈絲工作溫度為2500K,壽命達10000h以上,燈絲電源電壓為6V,電流為50A。轟擊高壓為6.3kV,電流為325mA。當轟擊功率為875W時,升華率約為1mg/h,另一種結(jié)構(gòu)形式是在鉭杯中用鎢桿穿一串直徑為76mm的鈦薄片,鈦片總高為38mm。
  
  鉭杯既是貯槽又是輻射屏,其上方為環(huán)狀燈絲,轟擊功率可在0.6kW~3kW之間調(diào)節(jié)。轟擊時上面的鈦片中心局部熔化,熔化面積的大小取決于轟擊功率。鈦儲量為2009。當轟擊功率為1.5kW時,升華率為1g/h;轟擊功率為2.6kW~2.7kW時,升華率可高達8g/h。另外還有一種用電子槍加速電子進行轟擊的蒸發(fā)器,這種鈦蒸發(fā)器本身不帶高壓,也不需要調(diào)節(jié),裝卸方便,鈦儲量大。缺點是必須在低于10-2Pa壓力下才能使用,否則會燒壞燈絲,此外增加了高壓供電部分,體積龐大。

升華鈦泵和蒸發(fā)鈦泵結(jié)構(gòu)

 

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