真空状态的达成：各种抽气技术的介绍

真空状态的达成：各种抽气技术的介绍

真空的应用，可谓无所不在：从前卫的粒子物理学（particle physics）、表面分析科学（surface analysis），到计算机、电子通讯器材，甚至连食品保鲜（例如：真空包装食品，藉由隔绝空气防止氧化，以保持食品新鲜度）、家居清洁（例如：吸尘器）与物品收纳也与真空有关。

这么多的领域都用到真空，那么我们究竟是怎样创造出真空的状态呢？如同在前文「真空技术：真空的测量」中所提到，不同压力下气体分子运动的方式也不同，因此需要搭配适当的抽气技术才能达成应用上的目标。以下真空系统会先针对不同的抽气方式进行分类，然后针对如何选择正确的抽气帮浦做原则性的说明，后再逐一针对这些不同的抽气技术来做介绍。

抽气方式的分类

按照排气方式的不同，如同下图，真空帮浦可大致分为几类：

排气式帮浦（Gas Transfer Pump）

储气式帮浦是透过物理或化学吸附，或冷冻凝结的方法，将真空腔体内部的气体暂时储存起来。而相较于排气式帮浦，储气式帮浦有总抽气量的限制，因此需要定期做再生，此外气体分子种类对于帮浦性能有很大的影响。这类的帮浦包含吸附帮浦、冷冻帮浦、离子帮浦、钛升华帮浦等，这些帮浦的工作原理也同样会在末后做介绍。

选择真空帮浦之重点

有效压力范围

这是指在某个压力范围内，帮浦有足够的抽气率。您真空系统中的抽气帮浦有效工作范围，必须要能充分涵盖系统的背景压力，以及工作压力。通常在厂商所提供的型录中会标示大启动压力与压力，而这个压力区间就是帮浦的有效抽气范围。

排气口压力

对于低真空帮浦来说，没有所谓排气口压力的问题，几乎都可以直接排入大气，但对于高真空帮浦则不然。有鉴于大多数高真空帮浦需要搭配前级帮浦才能有正常运作（例如：扩散帮浦、分子涡轮帮浦、离子帮浦、冷冻帮浦等），因此这些帮浦所搭配使用的前级帮浦，其压力要能与高真空帮浦的启动压力相匹配才行。

气体选择性

每种帮浦的抽气机制都不一样，因此对不同气体的抽气效果也有很大的差异，我们称这种差异为真空帮浦的气体选择性（gas selectivity）。以分子涡轮帮浦为例，对于氩气（Ar）的抽气效果好，再来依次为空气、氦气与氢气；扩散帮浦的话则是以抽除氢气的效果好，其次依序为氦气、氮气与氩气。由于各类帮浦对于不同气体分子的抽气效果有差异，因此在组真空系统的时候，也需要把帮浦的气体选择性一并列入考虑。

真空帮浦抽气方式之介绍

鉴于商用真空帮浦种类繁多，无法涵盖在本文有限之短篇幅内，将会以学术界以及业界常见的几款真空帮浦来为大家做介绍。

储气式帮浦（Entrapment Pump）

透过物理或化学吸附，或冷冻凝结的方法，将真空腔体内部的气体暂时储存起来。相较于排气式帮浦，储气式帮浦有总抽气量的限制，因此需要定期做再生，此外气体分子种类对于帮浦性能有很大的影响。以下是两种类型储气式帮浦之介绍：

a 离子帮浦（Ion Pump）

离子帮浦的工作压力约莫介于10-6 ～ 10-11 Torr，也就是只能用于分子流的真空环境下运作，因此需要搭配前级帮浦（例如：分子涡轮帮浦等）使用。离子帮浦藉由电场作用，离子化系统内的残余气体分子，再利用结拖（getter）材料与离子化气体分子化合后形成低蒸汽压固体（low vapour pressure solids）储存于帮浦之中，而为了使结拖材料发挥功能，一般多以溅射式帮浦居多。

b.冷冻帮浦（Cryo Pump）

冷冻帮浦堪称是洁净的真空抽气技术，对系统真空洁净度要求即为严苛的应用来说，冷冻帮浦可谓是佳的选择。一般来说，冷冻帮浦的工作压力约莫介于10-6 ～ 10-11 Torr，也就是只能用于分子流的真空环境下运作，因此需要搭配前级帮浦（例如：分子涡轮帮浦等）使用。冷冻帮浦是利用超低温方式将气体冷冻成固体，使腔体内部各类气体分子冻结，藉此达到极高的真空度。若利用液态氦（4.2K）作为冷媒，除氦气分子以外的所有气体都已凝结成固态，但现有的冷冻帮浦之冷凝面温度约为10K，因此依赖低温冷凝机制来抽气有其局限。

一般而言，冷冻帮浦是利用三种极低温的物理现象来发挥抽气效果：

•低温吸附：利用极低温的表面将入射的气体分子冷凝下来，并利用极小的蒸气压力以保持高真空的特性。

•低温冷凝：对于一些不易被低温冷凝下来的气体(Non-Condensible Gas)，如：氦、氖、氢等，利用多孔性物质使这些气体进入后降低其动能，后因为动能的丧失而停留在多孔性物质的内部，进而达到抽气效果。

•低温捕获：利用较易低温冷凝的气体（如：氩气）来吸附其他不易冷凝的气体（如：氢气），由于冷凝之氩分子具多孔性，使得氢分子容易被吸附而减低其蒸气压。

从结构上来看，冷冻帮浦有两大主要构造：一是冷冻压缩机，目的是要压缩高纯度氦气并将其导入帮浦内部发挥膨胀吸热的物理效果，藉此将帮浦温度降到可工作温度；二是抽气本体，又可细分为一级冷凝面（斜挡式冷凝面＆热辐射阻挡冷凝面）与第二级冷凝面（内嵌活性炭材料的多层杯状结构物）。透过这些不同的冷凝面，将水气、氦气、氩气或是有机分子等凝结在不同的位置，发挥大的抽气效果。