小孔流导法测量材料放气率研究

2010-07-15 曾祥坡 兰州物理研究所

  本文介绍了小孔流导法测试材料放气率的原理和方法,分析了影响材料放气率测量的各种因素,讨论了测量范围,提出了改进方法。系统本底是影响测量下限的主要因素,采用双测试室测量本底的方法,可较好的解决这个问题,为材料放气率测量系统的设计提供依据。

  固体材料在大气环境下能溶解、吸附一些气体,放置于真空环境中就会因解析而放气。材料放出的气体附着于器件表面,形成污染,使器件性能降低。通过对真空系统中材料放气率的测试,可研究材料在真空环境下的放气性能。

  近几年来,许多国家对材料的放气性能进行了研究。美国、德国、日本和印度等国先后研制了一系列的测试装置,采用了不同的测量方法,并对特定材料的放气性能进行了研究。1995年,德国葛利克大学采用小孔流导法测量材料放气率,测试系统采用左右对称的结构,管道在分子流状态下流导为1.86 L/s,测量下限达到10- 13 Pa·m3/ (s·cm2)。2006 年,日本采用小孔流导法延伸测量下限,测试室采用对称的结构,估算分离规和真空室放气量。测试室与超高真空室之间有小孔,在分子流状态下流导为6.1 L/s,测量下限达到10- 13 Pa·m3/ (s·cm2)。2000 年,中国科技大学国家同步辐射实验采用上下两室的结构,中间有小孔,分子流状态下流导为2.3 L/s,测量永磁体钕铁硼材料,经过烘烤排气500 h 后放气率为3.8×10- 8 Pa·m3/(s·cm2)。

  由于材料(liao)的(de)制造条件(jian)不同(tong),表(biao)面处理过程各异,国外的(de)测量(liang)数据并不能完(wan)全符合(he)我国对材料(liao)性能研(yan)究的(de)需求,因(yin)此(ci)研(yan)究测量(liang)材料(liao)放气率的(de)方法及装置具有(you)实际应用价值。

1、小孔流(liu)导(dao)法(fa)测量材料放气率(lv)

1.1、测量装置

  小孔流导法材料放气率测量装置原理图图1 所示,由抽气系统,温控系统,四极质谱计、冷规、分离规、高真空室、对称的两个测试室、超高真空室、小孔、超高真空角阀等组成。抽气系统由主抽分子泵、辅抽分子泵、机械泵阀门等组成。测试室采用对称的结构,通过角阀与高真空室连接,与超高真空室之间有一个小孔板。小孔的直径为8.1 mm,20℃条件下对氮气的流导约为6 L/s,超高真空室的极限真空为10- 8 Pa。

小孔流导法测量放气率示意图

1、28.冷规 2.分离(li)规 3.四极(ji)质谱计 4、5、6、12、13、17、20、27.角(jiao)阀 7.超(chao)高真(zhen)空室 8、9.小孔 10、11.测试室 14.高真(zhen)空室 15.加热板(ban) 16、18、21. 分子泵(beng)(beng) 19、22. 机(ji)械泵(beng)(beng) 23. 插板(ban)阀 24. 预处理室 25.试样盒26.传送(song)机(ji)构(gou)

图(tu)1 小孔流导法测量(liang)放气(qi)率示意图(tu)

3、小结

  本系统采用双测试室转换气体路径的测量方法,实现了对分离规和测试室器壁吸放气量的实时测量,提高测量精度,延伸测量下限,测量范围一般为(1×10- 7~1×10- 12)Pa·m3/(s·cm2)。传送机构可以在高真空条件下取放试样,便于高真空室器壁吸放气量的测量,对测量结果进行修正,提高测量精度。

  气(qi)(qi)体成(cheng)分(fen)也是研究材(cai)料放气(qi)(qi)性(xing)能的一个重要方(fang)面。四极(ji)质谱计安装在测(ce)试(shi)(shi)室(shi)内(nei),利用双测(ce)试(shi)(shi)室(shi)测(ce)量(liang)试(shi)(shi)样放气(qi)(qi)率方(fang)法,便于实(shi)时分(fen)析试(shi)(shi)样的气(qi)(qi)体成(cheng)分(fen)和测(ce)试(shi)(shi)室(shi)本底(di)的成(cheng)分(fen)。同时,还可以根(gen)据气(qi)(qi)体成(cheng)分(fen)的不同修正小孔的流(liu)导(dao),提高测(ce)量(liang)精度。