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在地球大氣層任何地方造成真空要抽掉組成大氣層的分子(主要為氮、氧、二氧化碳,以及常見(jiàn)的約150種污染物).分子的抽取一直要持續(xù)到獲得預(yù)期基本的真空水平。
抽取的過(guò)程在此后通常會(huì)繼續(xù)以保持需要的真空水平進(jìn)行工作。這項(xiàng)工作可能涉及電子顯微鏡、 氣相色譜－質(zhì)譜(GC-MS)、表面分析、分子束系統(tǒng)、先進(jìn)的材料焊接、大型真空爐，甚至模擬太空環(huán)境.
最常見(jiàn)的一種用于高真空應(yīng)用的是油擴(kuò)散真空泵(或者更正確地說(shuō)、蒸氣噴射泵)。油擴(kuò)散真空泵是最早、最可靠的途徑，在25°C能創(chuàng)造10-10 Torr真空或更低。擴(kuò)散泵的首次設(shè)計(jì)要追溯到1915年，發(fā)明者是Irving Langmuir。原來(lái)是用水銀擴(kuò)散泵液，可以承受的溫度提高了，但缺點(diǎn)是有毒。噴射泵的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)和合成液體的進(jìn)步使得更高程度的真空能夠?qū)崿F(xiàn)。雖然測(cè)量氣壓的單位眾多，但Torr(陶而)卻是最常用的。在海平面正常的大氣壓下，無(wú)液氣壓計(jì)的水銀柱高29.92英寸，29.92英寸等于760毫米水銀或760Torr。為了測(cè)量很高的真空下極低的壓力,也可使用微米(1000微米為1毫米)作單位，因此，真空擴(kuò)散泵實(shí)現(xiàn)了10-3Torr真空也可以說(shuō)已經(jīng)到了1微米的真空。
10-3Torr真空雖已大量抽取出大氣分子，但實(shí)際上在這一水平上真空擴(kuò)散泵剛開(kāi)始運(yùn)作。因?yàn)橛蛿U(kuò)散真空泵開(kāi)始工作，內(nèi)腔不能有完全的大氣壓。相反,一個(gè)輔助 低真空機(jī)械泵(或前置真空泵)能夠少量的抽壓，它首先使油擴(kuò)散真空泵內(nèi)腔壓力減至約10-3Torr。在此時(shí), 油擴(kuò)散真空泵開(kāi)始工作使真空水平保持在10-3和10-10Torr之間。由于真空擴(kuò)散泵不能直接自排氣壓 ，機(jī)械輔助泵的使用能維持適當(dāng)?shù)呐艍簵l件。
雖然在某些應(yīng)用場(chǎng)合，他們已經(jīng)被一些更先進(jìn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品替代，例如低溫泵或離子泵，但真空擴(kuò)散泵仍受青睞。因?yàn)樗麄冇袔讉€(gè)好處: 他們有可靠的而簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，運(yùn)行無(wú)噪音振動(dòng)，相對(duì)低廉的操作和維修。事實(shí)上，擴(kuò)散泵仍然是最廉價(jià)的制造高真空環(huán)境的手段。這些泵也容許存在超過(guò)作業(yè)條件的活性粒子和氣體。而這對(duì)其他類型的高真空泵則有很大的破壞作用 。體積上，最小的只稍大于一個(gè)咖啡杯。最大的直徑近一米，高兩米。
油擴(kuò)散真空泵，采用不銹鋼內(nèi)腔并含有縱向疊加的錐形噴射口的內(nèi)室。通常有三個(gè)噴射口內(nèi)室其大小逐個(gè)減小, 最大的在底部。在內(nèi)腔的底部是一灘特殊的低蒸汽壓油。油由內(nèi)腔底部下設(shè)的電加熱器加熱煮沸，氣化的油油向上移，從各個(gè)內(nèi)室的噴射口排出來(lái)。而水通過(guò)在內(nèi)腔外壁的循環(huán)使內(nèi)腔降溫，從而避免熱量外溢并維持其長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。
之所以稱它為擴(kuò)散泵的唯一理由是，根據(jù)觀察抽取氣體的分子滲透進(jìn)蒸汽噴口的方式類似于一種氣體擴(kuò)散到另一種氣體里。( "來(lái)源HablanianMH,高真空技術(shù)第二版207頁(yè)" )。 從相當(dāng)大直徑的噴射口出來(lái)，高能油滴以時(shí)速750英里每小時(shí)的速度在內(nèi)室和內(nèi)腔壁之間向下落去。這些油滴已達(dá)到了超音速，但卻沒(méi)有音爆，主要因?yàn)椴糠终婵諣顟B(tài)下分子間隔太大以至于不能傳導(dǎo)聲能。蒸汽噴口的捕捉率取決于他的密度，速率和分子量。高速噴口 與在碰巧進(jìn)入其內(nèi)部的氣體分子發(fā)生碰撞是由于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)。這通常會(huì)給分子以向下的動(dòng)力使它們能從泵的排氣口排出從而達(dá)到更高的真空水平。在內(nèi)腔底部，積淀下來(lái)的大氣氣體分子被輔助泵消除，同時(shí)積淀下來(lái)的油則開(kāi)始又一輪的循環(huán)。
分子清除的作用是創(chuàng)造一個(gè)上層部分高真空的內(nèi)腔。而這一部分的高真空正是應(yīng)用中所需要的—比如，用于電子顯微鏡。為阻止熱量外溢，在內(nèi)腔外壁會(huì)有水從旋管中流動(dòng)來(lái)降溫。
在油被蒸發(fā)的內(nèi)腔底部溫度大約處于190°C到280°C之間。油有幾種，分別由硅氧烷、碳?xì)浠衔?、酯、全氟化物?wbr>聚苯醚制成。聚苯醚(Santovac® 5)液或油在25多年來(lái)一直是全球的標(biāo)準(zhǔn)，它兼具高分子量，低反應(yīng) 活性和優(yōu)良的蒸汽力等優(yōu)點(diǎn)。泵液的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括室溫下的低蒸汽壓力，低毒性，化學(xué)惰性還有蒸發(fā)的熱量和成本。所有的油在大氣壓下都要有更高的沸點(diǎn)。分子量小的油傾向于在溫度范圍的低端達(dá)到沸點(diǎn)，而分子 量大的聚苯醚（446）則要到230°C和270°C之間才會(huì)沸騰。這已接近溫度范圍的高端。當(dāng)溫度開(kāi)始上升時(shí)真空內(nèi)腔的自動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉泵。因此，在使用聚苯醚的情況下，若開(kāi)關(guān)溫度指示器仍是為輕質(zhì)油設(shè)置在低溫，那內(nèi)腔就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。
各種油也有各種不同的熱分解溫度—油分子在這一溫度時(shí)會(huì)分解并，并與任何存有的氧氣分子結(jié)合。對(duì)于泵的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)，油的沸點(diǎn)并不特別重要，但是熱分解很重要。低沸點(diǎn)的油的熱 分解溫度相應(yīng)也較低。
由于內(nèi)腔本身除了油滴外，沒(méi)有移動(dòng)的部分，因此真空擴(kuò)散泵能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。在各種擴(kuò)散泵中，少量的回流會(huì)發(fā)生。顧名思義,所謂回流就是少量的油會(huì)向相反的方向移動(dòng)，移向泵的入口處進(jìn)入進(jìn)程流--電子顯微鏡和焊接室操作的某個(gè)階段。在一些應(yīng)用中，回流的發(fā)生并無(wú)影響。可是在對(duì)物質(zhì)純度要求苛刻的條件下，它的發(fā)生是不容許的。有鑒于此，一些系統(tǒng)會(huì)附加一個(gè)液氮低溫 冷阱，在油粒進(jìn)入進(jìn)程流之前將其清除。但多數(shù)時(shí)候使用聚苯醚就可以了，因?yàn)樗母呒兌缺旧砑纯勺畲蟪潭鹊販p少回流。但對(duì)某些敏感場(chǎng)合，這種方法也不能徹底進(jìn)行保護(hù)。這就是為什么半導(dǎo)體制造商早在幾年前就放棄真空擴(kuò)散泵而轉(zhuǎn)用更加昂貴的低溫泵和 汽輪式分子泵的原因。
由于油擴(kuò)散真空泵的目的是通過(guò)清除分子來(lái)創(chuàng)造一個(gè)真空，所以在運(yùn)作時(shí)腔內(nèi)壁必須要保持清潔。建議技術(shù)員在操作時(shí)戴上手套，因?yàn)樯踔潦且粋€(gè)指印也可能會(huì)要求除去水蒸氣和其他分子。有時(shí)油擴(kuò)散真空泵在抽真空以降至理想水平時(shí)比平常緩慢，原因可能是內(nèi)壁塑料表面在除濕，或是有其它揮發(fā)性物質(zhì)或是泄露。而這都會(huì)增加泵需要抽取的空氣中的分子。在對(duì)泵分拆進(jìn)行例行維護(hù)清理時(shí)，最后一定要用干燥的氮來(lái)凈化。
擴(kuò)散泵內(nèi)腔不是特別難以分拆，但故障超出日常維修范圍時(shí)工作可能很困難。最壞的情況是發(fā)生大量的氧氣滲入和熱量升高致使油分解或變質(zhì)。一般這會(huì)發(fā)生在輔助泵失靈或氣缸門壞了時(shí)，或當(dāng)制冷系統(tǒng)不能正常工作時(shí)。高溫和高壓的共同作用會(huì)使油燒焦。而產(chǎn)生的膠狀物是很難清理的。但究竟會(huì)發(fā)生什么有賴于油的品種及其發(fā)生分解的溫度。非 硅樹(shù)脂烴類油的分解物最難清理。殘留物很象焦油并且很粘。在盡可能去除污垢之后，維護(hù)人員可以用砂布清理接著再進(jìn)行廣泛仔細(xì)的液滴爆破（類似于沙子爆破，但對(duì)表面的損害更小，特別是對(duì)脆弱的鋁制噴射內(nèi)室來(lái)說(shuō)）。最后，可用酒精，其他 溶劑，肥皂水和除電離子水清理。
硅樹(shù)脂制成的油類的殘留物較易于去除。而含有全氟化物的油類卻會(huì)分解形成氟化合物，這種物質(zhì)極具毒性并對(duì)鋁制的噴射內(nèi)室造成很大傷害。最少污染和破壞性的是聚苯醚，部分原因是它只會(huì)在很高溫度下分解(350°Cvs300°C), 即使是分解產(chǎn)生的也是無(wú)毒的分子比如水和二氧化碳。但它的分解通常很難發(fā)生。 在被用于一次特制材料的焊接后，它是如此持久以至于還能被保留下來(lái)用于另一臺(tái)來(lái)替換的擴(kuò)散泵。
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