真空系統(tǒng)是真空鍍膜設(shè)備的主要組成部分，其主泵的選擇對真空性能影響很大，真空鍍膜設(shè)備的發(fā)展要求真空性能清潔無油，動態(tài)抽速大.傳統(tǒng)的以油擴散泵為主泵的設(shè)備不能滿足要求,本文敘述了油擴散泵、分子泵及低溫泵的特點及北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責任公司開發(fā)以分子泵及低溫泵為真空系統(tǒng)主泵的鍍膜設(shè)備情況。

　　真空系統(tǒng)是真空鍍膜設(shè)備不可缺少的重要組成部分。常用的高真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式, 一般由主泵及前級泵串聯(lián), 加上閥門、管道及真空測量儀表組成. 按所選的主泵不同分為有油真空系統(tǒng)和無油真空系統(tǒng)。

1、有油真空系統(tǒng)

　　有油高真空系統(tǒng)一般以油擴散泵為主泵。前級泵為機械泵或機械泵＋羅茨泵。

　　眾所周知, 油擴散泵的工作壓力范圍為(10^{- 1}～10^{- 6}) Pa。抽氣速率大,可從每秒幾升到每秒十幾萬升。在(10^{- 2}～10^{- 4}) Pa 范圍具有穩(wěn)定的抽速,結(jié)構(gòu)簡單,無機械傳動,無摩擦,工作可靠,無振動,無噪音。壽命長,維護簡單,投資費用低。主要缺點是油蒸汽易返流到真空室中, 形成污染源。采用擋油帽和障板及冷阱等措施可以降低返油率,但不能根除。仍會有一部分油蒸氣返流,而且也降低了泵的抽氣速率。此外油擴散泵使用時能耗大,運行費用高。啟動慢,停泵時間長,特別是大規(guī)格泵。

2、無油真空系統(tǒng)

　　當前以分子泵和低溫泵作主泵的無油真空系統(tǒng)在真空鍍膜設(shè)備中廣泛使用。

2.1、以分子泵為主泵的真空系統(tǒng)的特點

　　分子泵是靠高速運動的剛體表面來攜帶氣體分子實現(xiàn)抽氣的真空泵. 能連續(xù)大量抽氣�？梢垣@得清潔無油的高真空和超高真空。啟動、停泵時間短,但抽重氣體比抽輕氣體快,對水蒸汽抽速慢,渦輪分子泵在分子流領(lǐng)域抽氣效率高,但當氣體大量流過泵時,抽速就下降。在1 Pa 以上壓力范圍工作抽速降低很多, 這對使用不利。將渦輪分子泵的高壓強側(cè)配置了螺旋槽式牽引分子泵, 使兩種泵的抽氣單元串聯(lián)組成一整體。形成的寬域型復合分子泵, 這種泵在壓力低于10 Pa以下抽速保持不變。高壓強范圍有較大抽速。彌補了渦輪分子泵的不足。

2.2、以低溫泵為主泵的真空系統(tǒng)的特點

　　低溫泵是氣體捕集型泵.是利用低溫表面冷凝、吸附和捕集氣體來獲得和保持真空的設(shè)備。正常工作時不需前級泵.起始壓力高,工作壓力范圍寬(1～10^{- 8} ）Pa�？梢猿槌�各種氣體。但不能連續(xù)抽氣, 每隔一定時間需進行再生。與同口徑其他泵比較, 抽速大, 特別是對水蒸汽有很高的抽速, 相當于同口徑分子泵的四倍。所以使被抽容器內(nèi)水蒸汽分壓低, 從而獲得清潔的無碳氫化合物的高真空和超高真空。泵內(nèi)無運動部件, 無振動,無噪音,可以任意位置安裝。占地面積小,運行費用比油擴散泵低。操作簡單。

3、北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責任公司(以下簡稱北儀創(chuàng)新公司)生產(chǎn)真空鍍膜設(shè)備情況

　　真空鍍膜設(shè)備是北儀創(chuàng)新公司主導產(chǎn)品之一, 自1961 年開發(fā)第一臺真空鍍膜設(shè)備以來,累計已設(shè)計生產(chǎn)了不同品種、規(guī)格型號的高真空鍍膜設(shè)備六千臺以上。應用于各個領(lǐng)域. 其中大多數(shù)設(shè)備的真空系統(tǒng)是配備著油擴散泵作主泵的。

　　二十世紀八十年代以來科學技術(shù)的迅猛發(fā)展,對真空鍍膜設(shè)備的清潔度要求日益提高,設(shè)備所鍍膜層的質(zhì)量與所用材料、鍍膜工藝及真空系統(tǒng)內(nèi)所含有的水蒸汽及油污染的程度有很大關(guān)系. 傳統(tǒng)的以油擴散泵為主泵的真空系統(tǒng)由于有油蒸汽的污染,已不能滿足使用要求,國外工業(yè)發(fā)達國家紛紛推出以分子泵和低溫泵作主泵的半無油和全無油真空系統(tǒng)的全自動鍍膜設(shè)備. 新型的無油泵如分子泵和低溫泵, 已成為無油系統(tǒng)的主流。不少單位花費大量外匯購買國外先進的以分子泵和低溫泵作主泵的無油系統(tǒng)鍍膜設(shè)備.這不但價格昂貴, 而且售后服務(wù)及零備件供應很不方便, 作為真空鍍膜設(shè)備專業(yè)制造廠，研發(fā)生產(chǎn)真空性能良好的設(shè)備,義不容辭。

4、北儀創(chuàng)新公司發(fā)展了以分子泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備情況

　　針對國產(chǎn)分子泵F- 100、FF- 160、FF- 200、FF- 250 及F- 400 五種規(guī)格渦輪分子泵和復合分子泵及電源已批量生產(chǎn), 性能穩(wěn)定可靠。我們北儀創(chuàng)新公司也是分子泵生產(chǎn)單位之一, 因此很快就開發(fā)和生產(chǎn)了以分子泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備。如ZZSX 系列電子束鍍膜機， JPGF 系列磁控濺射設(shè)備，LDHF 系列多弧離子鍍及HFD 系列化學汽相沉積設(shè)備。同時也接受本公司常規(guī)產(chǎn)品以分子泵取代油擴散泵的改造工作, 如DM系列蒸發(fā)鍍膜機。

　　由實踐,在配置不變情況下,僅以同規(guī)格的分子泵取代油擴散泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備, 到達的極限壓力有所改善,而從大氣抽至10^{- 3} Pa 的時間往往比油擴散泵系統(tǒng)要長些, 但當真空室壓力抽至<10- 4 Pa 以后, 則分子泵系統(tǒng)抽速比油擴散泵要快,而真空室內(nèi)的潔凈度則明顯改善。

5、北儀創(chuàng)新公司發(fā)展以低溫泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備過程

　　低溫泵是將氣體分子冷凝或吸附在極低溫度表面再排氣的真空泵.靠氦壓縮機提供冷源,當泵吸氣已到達排氣容量時, 或二級冷頭的溫度在20 K 以上, 或80 K 屏蔽筒、80 K 擋板的溫度在130 K 以上及泵內(nèi)壓力在1.3×10^{- 4} Pa 以上時就要再生.泵的冷面溫度受泵的熱負載所限.所以減少熱負載十分重要。

　　二十世紀末,我們就打算開發(fā)以低溫泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備, 當時對低溫泵尚無感性認識。不掌握其使用性能和故障率等. 又如真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備使用中，經(jīng)常是在一定溫度下(如300℃)鍍膜,當采用電子束蒸發(fā),電子束轟擊蒸發(fā)材料時,動能轉(zhuǎn)為熱能，對低溫泵來說,這二者是真空室主要熱負載, 這將對低溫泵使用性能有多大影響?在設(shè)計中該如何考慮，以及泵的性能及質(zhì)量可靠性等問題都是開發(fā)鍍膜設(shè)備前必須了解的內(nèi)容,于是我們開展了調(diào)研和實驗工作。

　　2003 年8 月,我們有機會對日本真空技術(shù)株式會社出產(chǎn)的一臺CRYO- U20H 型低溫泵進行了試用。該泵安裝在本公司產(chǎn)成品ZZSX- 1200 型箱式前開門電子束鍍膜設(shè)備上, 取代原設(shè)備的主泵KA- 800 型油擴散泵及復合冷阱(水與氟里昂復合阱)進行了鍍膜室內(nèi)常溫、高溫(350℃)抽氣性能和電子束蒸發(fā)工作時室內(nèi)保持壓力的試驗測試。泵的安裝和操作是在寺島充級先生指導下進行的。累計試用了近140 h。在試用中,這臺低溫泵及其附件沒有出現(xiàn)過任何故障。工作情況表明,與油擴散泵相比,低溫泵作主泵有如下特點:

　�。�1） 同口徑的低溫泵抽氣速率比油擴散泵大，特別是抽水蒸汽能力,遠高于油擴散泵。這對于相對濕度較高的使用環(huán)境提高工作效率, 效果顯著。

　�。�2）設(shè)備極限壓力優(yōu)于油擴散泵. 測試中用CRYO- U20H 型低溫泵作主泵, 從大氣開始抽，用了453 min (7小時33 分) 達到9×10^{- 5} Pa。而用KA- 800 型油擴散泵加復合冷阱抽, 用了255 min(4 小時15 分)達到1.4×10^{- 4} Pa，繼續(xù)抽,效果不明顯。

　�。�3） 抽氣時間: 這是指由大氣抽至一定壓力的時間. 測試了鍍膜室為室溫和350℃時高真空段性能的時間。測試數(shù)據(jù)如表1 和表2。

　　注:ZZSX - 1200 真空鍍膜設(shè)備鍍膜室容積及室內(nèi)主要配置:

　�、� 內(nèi)腔尺寸(內(nèi)徑×高度)/mm:φ1250×1300

　　② 室內(nèi)主要配置

　　QE 型e 型10 kW 270°磁偏轉(zhuǎn)電子槍二套。電阻加熱蒸發(fā)電極一對,離子轟擊電極一套,蒸發(fā)源擋板三套,旋轉(zhuǎn)拱形工件架一套,工件架烘烤用管狀加熱器及測溫傳感器一套, 光學膜厚監(jiān)控儀光路一套,石英晶體探頭一套,室壁可拆卸屏蔽板一套。

　　測試時間:2003- 08- 04。室溫32℃相對濕度50%。

表1 低溫泵與油擴散泵抽氣時間比較（室溫）　　表2 低溫泵與油擴散泵抽氣時間比較（350℃）

　　鍍膜室抽氣過程室內(nèi)加溫至350℃, 并保溫140 min, 低溫泵冷頭溫度由開機時的12.2 K 升溫至14 K。