锆钒铁在亚真空领域净化的应用

金策　刘涛

【摘 要】本文通过设计研制了在充入高纯度惰性气体的亚真空环境中，即几百帕到上千帕的环境中使用的净化装置，通过研究净化装置中主要成分锆钒铁的吸气特性，验证了在亚真空状态下锆钒铁仍可以工作。归纳出锆钒铁在亚真空领域中的最佳工作温度，并同时在试验过程中对锆钒铁片的激活和失效机理作出验证。

【关键词】锆钒铁;亚真空环境;工作温度

中图分类号： TG132 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）15-0078-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.038

Application of Zr-V-Fe in the Field of Sub-vacuum Purification

JIN Ce1 LIU Tao2*

（1.Nuclear Industry Institute of Physics and Engineering，Tianjin 300180，China;

2.Nuclear Industry Instituteof Physicsand Engineering，National Science Key Lab of Particle

Transport and Enrichment Technology，Tianjin 300180，China）

【Abstract】Based on a purification device designed for a sub-vacuum environment filled with high-purity inert gas （hundreds of thousands Pa），the paper studied the gettering characteristics of Zr-V-Fe，the main component of the purification device，it is verified that Zr-V-Fe can still work in sub-vacuum environment.The optimum working temperature of Zr-V-Fe in the field of sub-vacuum purification was summarized，and the activation and failure mechanism of Zr-V-Fe sheets were verified during the experiment.

【Key words】Zr-V-Fe;Sub-vacuum environment;Working temperature

0 引言

在镀膜领域有时为了保护涂层，会充入惰性气体作为缓冲气体，为了不影响蒸发速率，缓冲气体一般保持在百帕到千帕的范围里。现有市场上的气体循环净化系统成两级分化状态，一部分系统工作在几个大气压甚至十几个大气压下工作，而不适用一个大气压以下的工作环境;而另一部分低气压的真空吸气泵，一般工作在10-2帕以下。经过调研市场上的各种解决方案均不太适用。在百帕到千帕的工作环境中没有比较成熟的解决方案，无法在生产中进行直接使用。同时有些缓冲气体的成本比较高所以需要采用锆钒铁进行净化。

1 气体净化装置总体结构设计

整个气体净化装置分为腔体，锆钒铁置放装置，加热装置，测温系统，其具体结构图如图1。

图中27为蜂窝状隔网;28为锆钒铁吸气剂;29为温控铠装加热体;30为净化装置外壳;气体净化系统采用锆钒铁作为吸气剂，来吸附混入实验系统中的惰性气体中的各种气体杂质，采用多层结构安装可以使气体充分的与锆钒铁片接触。每一层锆钒铁片均安装在不锈钢网内，以便气体与锆钒铁片的接触面积更大。温度采用K型热电偶测量。罐体周围安放为加热体，采用温控铠装加热体的方式。使锆钒铁可以在最佳的工作温度进行气体净化的同时，还能保证加热结构的稳定。在锆钒铁的效率降低到设计的70%能力时，可以使用加热体对锆钒铁进行高温加热，达到激活的目的。惰性气体气体在净化装置罐体中的流向如上图箭头所示。

按照设计，锆钒铁选择制成直径1厘米，1.5毫米厚的圆片，经过计算每一片的表面积为2.04cm2。气体净化装置分为10层，每层放单层的锆钒铁片45片，以保证每一片的整个表面都能与净化气体充分接触。

按照450片的数量计算表面积为920cm2，以280℃的工作环境为例，对H2的吸气速度为409L/s，满足实验要求。

锆钒铁吸气剂在工作之前需要进行高温激活，通常的推荐激活条件为：在高真空下加热至500℃维持10分钟，在实际应用过程中如果激活温度不能达到500℃时则需适当延长激活时间。[4]

2 验证实验

2.1 实验环境

在能力实验过程中需要真空维持系统，配气系统，实验检测系统，真空检测系统。

真空维持系统采用机械泵配合分子泵使系统达到实验要求，其配气系统采用双路配气混气，在本实验中系统内充入5N高纯氩气，即99.999%的Ar，作为整个实验系统的缓冲气體。

实验的检测系统采用INFICOIN公司的残余气体分析仪（RGA），实时监控激活锆钒铁或者锆钒铁正常加热吸气时，真空腔体内残余气体杂质的成分按量的变化。

真空检测系统采用两套真空计，以便监控真空腔体在实验过程中的两种不同的试验状态，一套是济宁新光公司的XG-5527-II型复合真空计，用来监控系统在抽真空时真空参数。另一套是成都正华公司的ZDM-I-5型电容真空计，用来监控系统在充入缓冲气体时的真空参数变化。

2.2 实验

通过实验要达到确定实验过程中，净化泵的最佳工作温度，以及在该温度下整个系统的实际表现如何。

要想知道系统的最佳工作温度，就要对锆钒铁加热到不同的温度进行监测，而监测残余气体的主要构成也要先通过实验进行测量，以方便后期的实时监控。

在实验初始状态将真空系统抽空到1.1*10-3Pa时，注入99.999%的高纯氩气，然后再将系统抽空到1.1*10-3Pa，静止5分钟后，此时系统内的气体有氩气的残余气体，也有真空系统因一定漏率产生的空气的进入，比较接近实验中气体杂质的主要组成部分，这时用质谱仪检测残余气体的杂质，气体的成分如图2所示。

由图2可见在整个残余气体的主要成分为氢气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳以及水蒸气。所以在后续试验中也基本以这几个主要残余气体，作为监控的目标。

2.2.1 选择系统最佳工作温度

在实验过程中将锆钒铁片的温度分别加热到226℃、231℃、240℃、250℃、265℃不同的温度，开启真空泵在真空度达到1.1*10-3Pa时，关闭阀门只用系统的净化泵进行吸气，同时开始计时，直到系统的真空度达到2.2*10-2Pa时停止计时，并保存四级质谱仪检测的数据。

如图3所示可以明显地看出系统在240-250℃时系统的压升率最低，同样条件下，都是606秒从1.1*10-3Pa达到2.2*10-2Pa。而其他温度都比这个时间更短，意味着压升率均没有这个温度表现得好。

所以选定在240℃和250℃的温度条件下，进行下一步实验。

分别在240℃和250℃温度下对氢气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳以及水蒸气的含量进行分析，最终的结果显示240℃和250℃在实验系统中的表现相近。根据需求从而选择240℃相对较低温度，作为实验系统加热的最佳工作温度。

在选定温度后，分别测量净化泵在开启和关闭时，实验系统中不同杂质的含量如氢气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳以及水蒸气等，在长时间真空条件下净化的能力，同样以氮28作为对比，结果如图4所示。

如图4所示在长时间使用循环净化系统各个杂质气体均有较明显的降低，基本符合实验预期。

实验中还对对已经激活过锆钒铁片和未激活的锆钒铁片进行了对比，发现在激活过后的锆钒铁片表面会有许多裂痕，随着温度的增高而增多，发现锆钒铁片的加热激活原理，是加热到高温状况下，使表面发生龟裂，从而增大锆钒铁的表面积，使净化气体能够更加充分的与未反应的锆钒铁接触，当不断激活反应后，锆钒铁片的表面积不再增加，净化效率随之降低，既为锆钒铁的寿命已经达到。具体如图5所示。

图5中图左为加热激活过的锆钒铁片，右侧为使用过但未加热激活过的锆钒铁片。由图可见在10um尺度下，使用过但未激活的锆钒铁片表面有许多白色的氧化点，表面比较平滑。

而激活过后的锆钒铁片表面会有许多裂痕，白色的氧化点变得较少。这说明在高温激活的使用条件下，锆钒铁片是表面发生了龟裂，产生了部分脱落，从而使未反应的锆钒铁部分露出，参与净化。经过几次激活后，锆钒铁片的表面无法产生新的裂痕便导致吸气净化效率的下降，在宏观上表现即为锆钒铁净化效率下降，达到使用寿命。也印证了本文中的论点，同时也解释了锆钒铁片的激活和失效机理。

因此实际應用中，在锆钒铁使用的过程中如果效率下降的并不明显，不要进行激活，如果激活次数过多，会使锆钒铁表面过早出现过多裂痕。提前达到使用寿命。

3 结论

锆钒铁作为吸气剂，在不同领域中使用较广，多用于高真空吸气泵中。经过实验发现在由惰性气体作为缓冲气体的亚真空状态下，仍然可以发挥较好的净化效果，在240℃至250℃时吸气的效率更高。同时在试验过程中对锆钒铁片的激活和失效机理做出验证。

【参考文献】

[1]郭卫斌，薛函迎，柴云川.《吸气剂在行波管中的应用》[J].真空电子技术，2011年第04期.

[2]熊玉，华顾为，尉秀英，苑鹏，秦光荣.《ZrVFe吸气剂激活过程及其机理》[J].中国有色金属学报2008年第18期.

[3]毕冬丽.《锆钒铁消气剂的应用》[J].真空电器技术，1998年第2期.

[4]杨晓伟，李金山，王旭峰，张铁邦，胡锐，薛详义，周廉.《Zr57V36Fe7合金金属的微结构及活化与吸氢性能》[J].稀有金属材料与工程，2010年第11期.