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作者：赵飞云 殷立新 殷明 周洪军 王 勇 王秋平









国产溅射离子泵主要性能测试及现状

赵飞云1，殷立新2，殷 明1, 周洪军1, 王 勇1, 王秋平1
(1．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029； 2．国家上海同步辐射中心(筹)，上海 201800)

摘要：在相同的条件下使用同一套测试装置，按照国家机械行业标准JB／T2965—92的要求．对国内几个主要溅射离子泵生产厂家提供的商用溅射离子泵进行性能测试，列出并分析测试结果，使大家对国产溅射离子泵目前的状况有所认识，同时期待国内真空泵厂能够与时俱进，进一步改进和提高溅射离子泵性能以满足国内科技发展的需要。
关键词：溅射离子泵；性能测试
中图分类号：TB752+．52 文献标识码：B 文章编号：1002-0322(2004)06-0024-04

国家同步辐射实验室(NSRL)的HLS光源是一台大型的超高真空装置，从电子枪经直线加速器、输运线、储存环、各光束线(包括二期工程新建的在内)至各相应实验站，总长度超过300 m，其中储存环和光束线的静态真空要求好于6.7×10-8Pa，动态工作真空好于2.0×10-7Pa，如此细长且真空度要求又高的系统给真空获得和测量带来不少困难。鉴于溅射离子泵(Sputter Ion Pump，简称SIP)具有极限压强低、工作压强宽、对惰性气体抽速大、无油无噪声等优点，同时SIP还具有离子流和泵内的压力成正比的特性，因此若用 SIP来辅助监测像加速器这种细长真空系统内的压力，不仅可以增加监测点，有利于监察真空系统的运行状态，同时还可以减少进口超高真空规管和真空计的数量，节约经费。所以SIP以其独有的特点被选为HLS光源的主泵。
作为“九五”国家大科学工程之一的NSRL二期工程，目标之一是新建八条光束线和相应八个实验站，以满足国内外日益增多的不同学科领域科学家的研究需要。为此需要五十多台SIP来满足工程需求。

1 SIP性能测试的必要性

目前，国内SIP生产单位主要有中科院沈阳科学仪器研制中心、上海真空泵厂和中科院北京科学仪器研制中心等几家，其中北京和上海的两厂家过去曾为 NSRL和BEPC生产过大批量的溅射离子泵。虽然近几年国内真空行业发展比较快，但是就溅射离子泵方面而言，由于国内市场需求起伏不定，用量也很有限，同时各厂家投入的科研经费和技术力量不足，缺乏改革创新的动力，从而导致国产SIP的性能多年来未有多大的改进，有的厂家仅仅勉强维持生产，有的厂家生产基本处于停滞状态，也有的厂家在设法研制新型泵，但由于种种原因最终还是造成国产SIP与国外SIP的性能差距日益增大的局面。同时，国内部分厂家虽有一定SIP生产能力，但基本上没有完整的性能测试条件，各厂家由于测系统、测试设备和测试方式的差异，即使是对相同型号、相同大小的泵所提供的性能参数也难于相互比较,有些厂家提供的部分参数与实测数据差距比较大。为了能够得到切实可靠的实际测试结果，有必要在同一测试系统上在相同条件下对不同厂家的SIP 进行性能测试，根据实际情况对厂家提出严格的技术要求和措施，以便能够选取符合我们工程要求得国产泵。因为数量如此多的溅射离子泵若都采用国外进口，不但价格十分昂贵，而且给今后的维修也会带来诸多不便。

2 测试内容

SIP的性能指标有很多，大体上可以从泵本身和泵电源两方面考虑，其中泵方面包括抽气单元类型、极限压强、标称抽速、抽速曲线、最大启动压力、漏电流、漏电阻、抽速质量比、允许烘烤温度、使用寿命以及尺寸等等；泵电源方面又包括工作电压、短路电流、最大输出功率、最小可测离子流、离子流与压力关系、工作状态、计算机控制接口、质量与体积等等[1]。
离子泵的型号及参数非常多，我们这次测试主要按照工程实际需要选取国内标称抽速为200 L／s、400 L／s以及300 L／s的SIP，并且测试内容主要包括三方面：①极限真空度测试；②抽速测试；③泵离子流与真空度关系测试。
2.1 测试系统
该测试装置严格按照国家机械行业标准JB／T2965—92要求执行。图1为对SIP进行抽速测试时的整个测试系统示意图，其中测试罩直径D= 150 mm，对标称抽速为200 L／s和300 L／s的SIP进行抽速测试时，采用的小孔孔径=8.80 mm，对标称抽速为400 L／s的泵测试时采用小孔孔径=11.12 mm。测试罩材料采用出气率比较低的316L型不锈钢，并且加工完后再经过高温除气处理，以减少真空室内表面放气对测试结果的影响[2]。真空测量采用日本ANLVA公司MIG921型电离真空计和945—7902型超高真空电离裸规。测量范围2×10-9Pa～10-1Pa，该真空计和规在对SIP进行测试以前都经过用高纯氮气比对校准，该比对装置为NSRL自行研制[3]，其标准规为瑞士BALZERS公司的IMRl03调制规，灵敏度C=18.8mbar-1，测量范围2.66×10-1Pa～2.66×10-1Pa，对应标准真空计型号为IMG040。整个测试系统采用北京科学仪器研制中心的FB450分子泵(TMP)机组排气，TMP与测试罩之间的隔离阀为瑞士VAT公司的Series54一DN40型。
2.2 测试方法
按照国家机械行业标准JB／T2965—92溅射离子泵测试方法，参照国际标准草案ISO／DIS3556／1溅射离子泵——性能测试——第一部分以及德国工业标准DIN28429真空技术溅射离子泵的验收规则，对国内三个SIP生产厂家的溅射离子泵进行测试。测试时对SIP的再生烘烤温度和时间是依据国产SIP出厂规定和使用情况而定的，国内几家溅射离子泵生产厂家的使用说明书规定，无辅助泵带磁钢烘烤温度一般不超过200℃，最高不超过 250℃，以免磁钢退磁，同时，结合我们的实际工作，对不锈钢真空系统和溅射离子泵的烘烤温度一般在150℃～200℃范围内，对铝真空室的烘烤温度一般不超过150℃，烘烤排气时间一般为48h，因此，我们在对国产溅射离子泵进行测试时，泵烘烤温度为200℃左右，测试罩烘烤温度为250℃左右，这样所测试的结果与SIP在实际使用过程中的情况更接近，也给超高真空系统的工程设计提供重要的依据。表l为测试时其中一台200L／s SIP的典型再生烘烤排气过程。
2.3 测试结果
按照上述测试方法分别对国内三个SIP主要生产厂家(分别以A、B、C表示)提供的溅射离子泵进行性能测试，其中所测A厂家的泵型号有200 L／s和400 L／s两种，B厂家的泵型号有300 L／s和400 L／s两种，C厂家的泵型号为200 L／S一种。除了B厂家生产的300 L／s泵为已用过旧泵外，其余所测的泵均为各厂家未开启的新泵，所测结果如下。
①极限压力
进行极限压力测试时，对各厂家上述几种型号的泵测试的台数不等，有的型号只有一台，有的型号有好几台，为了便于比较，这里分别选取对各厂SIP进行极限压力测试中比较具有代表性的结果列于表2中。
②饱和抽速
所测抽速是指泵口对干燥空气的饱和抽速，是泵抽除4 S(PAL)气体量达到饱和抽气状态后测得的抽速，S是泵的标称抽速值【4]。对所测的试验数据进行处理即可得到SIP的饱和抽速曲线，它表达了泵在整个工作压力范围内的抽气性能，是比标称抽速更为重要的参数。整个测试按照前述测试方法进行，抽速测试气体为经硅胶干燥后的干燥空气，每个数量级测量三个稳定后的测量点。进行抽速测试时，同样也对A、B、C三厂家不同型号的泵进行随机抽测一台或多台，并对各厂SIP抽速测试中具有代表性的结果以抽速一压力曲线表示，所测结果如图2、3、4所示。
3 离子流与真空度关系
在进行抽速测试的同时，记下各个测量点对应的稳定离子流，即可得到泵离子流与真空度之间的对应关系，所测结果如图5、6、7所示。

3 分析及结论

从测试结果可知，所测国产商品泵的极限真空度基本上在1.O×10-8～4.O×10-8Pa，如将SIP的泵体、泵芯、钛板等经过特定的真空高温除气，或采用含碳量更低的不锈钢材料作为泵体材料等措施，极限真空度可以达到<1.0×10-8Pa。从图2、3、4可知，国产SIP200、SIP300实测对干燥空气的饱和抽速大于其标称抽速100(L)左右，SIP400实测对干燥空气的饱和抽速基本等于其标称抽速，各泵的最大抽速范围在1.0×10-5～4.0×10-4Pa，在真空度≤1.0×10-7Pa以后，泵的抽速明显下降，已经小于标称抽速的50％，有的呈直线下降的趋势，抽速迅速减小，因此对于要求极限真空度<1.0×10-7Pa且采用SIP作主泵的真空系统，应充分考虑国产SIP在此范围的抽速变化，从图5、6、7可以看出，各泵在10-6～10-3Pa间离子流与真空度呈线性关系，因此可用SIP的离子流来作系统真空监测，当真空度<1.0×10-6Pa后，离子流不能再用于监测系统真空，同时国产SIP残余离子流相对较大且稳定性较差。
日本ULVAC早在十年前就已研制出极限真空度达到6.8×10-10Pa的SIP[5]，该泵在1×10-8Pa和1×10-7Pa时的抽速分别为最大抽速的70％和90％，在10-9～10-3Pa间离子流与真空度呈线性关系。Varian的SIP在1×10-8Pa和1×10-7Pa时的抽速分别为最大抽速的70％和80％，这些例子也进一步说明了国产SIP和国外SIP有较大差距，虽然国内也有厂家研制10-10Pa的SIP，但还处在研制阶段。随着国家对科技的重视，科技工作者期待国内真空泵厂能够与时俱进，进一步改进和提高溅射离子泵性能以满足国内科技发展的需要。

参考文献：
[1] 蒋迪奎，殷立新，赵飞云．同步辐射储存环用国产溅射离子泵的发展方向[J]．真空科学与技术，1999(7)：312～320．
[2] Tuzi Y，Okano T and Terada K．[J]．Vacuum，1990，Volume 41：2004—2005．
[3] 吴冠原，李贵和．超高真空比对校准装置[J]．真空，1998，160(2)：15．
[4] 国际标准草案ISO／DIS 3556／1[S]．溅射离子泵——性能测试——第一部分．
[5] Kinpara H，Hirasawa K，Kotani T，et a1．[J]．J．Vac．Soc．Jap．1994，37(9)：732．
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