導(dǎo)線在真空環(huán)境中的放氣特性分析

陳 蕾，肖 梅，張曉兵，楊玲玲，吳曉斌，王魁波，羅 艷（.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示中心，南京 0096；.中國科學(xué)院光電研究院，北京 00000）

導(dǎo)線在真空環(huán)境中的放氣特性分析

陳 蕾1，肖 梅1，張曉兵1，楊玲玲1，吳曉斌2，王魁波2，羅 艷2
（1.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示中心，南京 210096；2.中國科學(xué)院光電研究院，北京 100000）

材料放氣特性對分析真空中殘余氣體成分有重要影響。主要研究常用導(dǎo)線絕緣層聚全氟乙丙烯和可溶性聚四氟乙烯這兩種材料在真空環(huán)境中的放氣特性。采用小孔流導(dǎo)法初步測量了樣品在常溫、加熱以及冷卻條件下的放氣率，利用四極質(zhì)譜計測量了樣品在不同溫度條件下的放氣質(zhì)譜圖。結(jié)果表明這兩種材料在加熱過程中的放氣率先增大后減小，并隨著抽氣不斷減小，在加熱過程中的譜圖中檢測到質(zhì)量數(shù)為69的氣體，說明放出的氣體成分含氟。

導(dǎo)線；材料放氣率；小孔流導(dǎo)法；四極質(zhì)譜法

0 引言

真空條件下材料會因解吸而放氣，某些材料由于本身飽和蒸氣壓高，材料本身也會放出氣體。材料放出的氣體可能會吸附于器件表面，使器件性能降低，還可能會污染真空系統(tǒng)。通過對真空系統(tǒng)中使用材料的放氣特性的分析［2］，可以判定此材料是否適用于潔凈真空系統(tǒng)中。

導(dǎo)線是工業(yè)設(shè)計中常用的材料，其絕緣層有聚全氟乙丙烯（FEP）和可溶性聚四氟乙烯（PFA）等幾種材料。其中FEP和PFA以其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性、電絕緣性、不粘性和潤滑性等特點廣泛應(yīng)用于電纜、電子設(shè)備配線、電器絕緣材料等方面。

真空系統(tǒng)內(nèi)部往往需要連接電信號而使用各種導(dǎo)線。目的是研究導(dǎo)線絕緣層FEP和PFA材料在真空環(huán)境下的放氣率和放氣種類，為潔凈真空的選材提供依據(jù)。

1 實驗原理及方法

測量材料放氣率一般有兩種常用的方法：一種是定容法，將被測材料的試樣放置在密閉的已知容積的真空容器中，測量試樣放氣引起的壓力上升速率，根據(jù)定容室內(nèi)的容積和壓力上升率計算材料放氣率；另一種是小孔流導(dǎo)法，將被測試材料的試樣放置于真空容器中，用已知流導(dǎo)小孔抽氣，通過測量動態(tài)平衡壓力，根據(jù)在分子流導(dǎo)下小孔的流導(dǎo)和小孔兩邊的壓力差計算出材料放氣率［3］。由于小孔流導(dǎo)法可以克服定容法在測量過程中系統(tǒng)壁對材料放氣的再吸附問題，因此實驗所用的方法是小孔流導(dǎo)法。小孔流導(dǎo)法的基本原理如圖1所示。樣品室和分析室之間有一個小孔，小孔的流導(dǎo)為C，真空計1和2分別測量小孔上下兩端的壓力p1和p2，樣品的表面積為A，則樣品室本底和樣品的總放氣率如式（1）：

圖1 小孔流導(dǎo)法原理圖

根據(jù)小孔流導(dǎo)法的原理，在現(xiàn)有的實驗裝置上進行試驗研究，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖1.機械泵；2.分子泵；3.離子泵；4.氮氣瓶；5、6、9、13、14.閥門；7.樣品室；8、11.電離計；10.分析室；12.四極質(zhì)譜計

實驗采用樣品室內(nèi)部加熱的方式對樣品進行局部加熱，避免樣品室整體加溫，控制本底的上升。實驗過程中分別測量樣品在常溫、不同加熱溫度及冷卻時的放氣率。實驗中用閥門9代替了小孔。

實驗時首先關(guān)閉閥門5、6、9、13，打開閥門14，打開機械泵和分子泵，對分析室10進行抽氣。然后將未纏導(dǎo)線樣品的加熱裝置放入樣品室7，打開閥門5，同時對樣品室7和分析室10抽氣。抽氣1 h后，進行檢漏，不漏后繼續(xù)抽氣。對樣品室和分析室進行200℃烘烤、質(zhì)譜計進行100℃烘烤除氣50 h。待冷卻后，掃描本底。然后關(guān)閉閥門5，打開閥門9至特定位置，待平衡后分別測量樣品室在常溫、加熱到50℃、100℃、150℃及冷卻后的本底放出氣體的種類和壓力。關(guān)閉閥門9，打開閥門6，對樣品室充干燥氮氣，將樣品纏在加熱裝置上，放入樣品室。然后關(guān)閉閥門5，打開閥門9至特定位置，待平衡后，同樣測量樣品室常溫、加熱到50℃、100℃、150℃及冷卻后的本底放出氣體的種類和壓力。閥門兩端的壓力差乘以閥門的流導(dǎo)即為單位時間內(nèi)的放氣量。

根據(jù)氣體流量式（2），標定閥門9的流導(dǎo)：

式中：p1、p2為電離計1和2的壓力；S為分子泵的實際抽速，L/s；S1為分子泵輪葉的抽速，L/s；C1為分子泵進氣管道的流導(dǎo)，L/s；對20℃空氣流導(dǎo)如式（3）。

式中：d為管道的直徑，cm；l為管道的長度，cm。

根據(jù)式（2）可以算出閥門9開到某一特定位置時的流導(dǎo)C。

為了減小實驗結(jié)果的誤差，分別測量放樣品前和放樣品后樣品室的放氣率，這樣可以減少樣品室本底放氣率的誤差。樣品的放氣率為放樣品后的放氣率減去本底的放氣率如式（4）。

式中：A為樣品的表面積；Q1和Q2分別為放樣品前和放樣品后的放氣量；p1為本底樣品室壓力；p2為本底分析室壓力；p1′為放樣品后樣品室壓力；p2′為放樣品后分析室壓力。

2 實驗結(jié)果及分析

實驗主要計算了樣品的放氣率，并分析了樣品的放氣種類。

2.1 樣品準備

測量樣品材料導(dǎo)線FEP的外徑是0.128 cm，導(dǎo)線PFA的外徑是0.108 cm。分別截取導(dǎo)線FEP為100 cm，導(dǎo)線PFA為118.5 cm，因此樣品的表面積均為40.21 cm2。將這兩段導(dǎo)線樣品洗凈干燥后備用。

2.2 材料放氣率

實驗過程中，每隔5 min記錄下電離計1和2的值，計算出不同溫度下樣品的放氣率并畫出曲線，如圖3所示。

圖3 兩種材料放氣率和溫度隨時間的關(guān)系曲線圖

從圖3中可以看出，材料FEP和PFA的放氣率隨著溫度的升高而升高，由于抽氣作用而很快下降至穩(wěn)定值。FEP在常溫下放氣率約為2.5×10-5Pa· L/（s·cm2），冷卻后放氣率逐漸減小至穩(wěn)定值，約為2×10-6Pa·L/（s·cm2）。PFA在常溫下放氣率為1×10-5Pa·L/（s·cm2），冷卻后放氣率逐漸減小至穩(wěn)定值，約為6×10-6Pa·L/（s·cm2）。由數(shù)據(jù)可見，F(xiàn)EP的放氣率略大于PFA。

2.3 材料放氣種類

2.3.1 本底掃描

經(jīng)過烘烤后，用四極質(zhì)譜計掃描系統(tǒng)的本底譜圖，質(zhì)譜儀發(fā)射電流為300 mA，高阻為1011，掃描速度為2 000 ms/amu，質(zhì)量數(shù)范圍為1～150 amu，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)本底掃描曲線圖

由圖4可以看出系統(tǒng)只有少量的H2、H2O、N2（CO）和CO2，其他氣體含量很少，系統(tǒng)較潔凈。

2.3.2 樣品掃描

將樣品放入樣品室，用四極質(zhì)譜計掃描樣品在不同溫度下的質(zhì)譜圖，質(zhì)譜儀發(fā)射電流為300 mA，高阻為1011，掃描速度為2 000 ms/amu，質(zhì)量數(shù)范圍為1～150 amu，如圖5～6所示。

圖5 FEP和PFA在加熱100℃時的質(zhì)譜圖

從圖5可以看出，F(xiàn)EP和PFA在加熱時的譜圖出現(xiàn)很大的64和69峰，還有較小的72峰，說明放出的氣體可能有CF3（69）成分。圖6中可以看出69峰值在加熱時明顯增大，并隨著抽氣不斷減少，F(xiàn)EP和PFA在常溫以及冷卻后均沒有放出質(zhì)量數(shù)為69的氣體，并且PFA在加熱50℃時也沒有放出此氣體。從譜圖中看出，本次實驗中PFA總體放出的雜質(zhì)氣體比FEP多，而放出的含氟氣體（質(zhì)量數(shù)69）量則差不多。

圖6 FEP和PFA質(zhì)譜圖中質(zhì)量數(shù)69在不同溫度下的采集強度曲線圖

因此，當這兩種材料在真空設(shè)備中使用時，若受到熱傳導(dǎo)或者熱輻射導(dǎo)致溫度增加時，這兩種材料可能會放出含氟氣體，對真空系統(tǒng)及其設(shè)備性能造成影響。

3 結(jié)論

文章采用小孔流導(dǎo)法測量了導(dǎo)線絕緣材料在各種真空條件下的放氣率和放氣種類。

從實驗結(jié)果中可以得出結(jié)論：FEP和PFA材料在常溫下放出的氣體是本身表面吸附的一些氣體，在加熱100℃的情況下放出的氣體有CF3，隨著加熱溫度的增大，放氣率先增大后減小，并隨著抽氣不斷減小，冷卻后放出的氣體都很少。

FEP和PFA在常溫下的放氣率均為10-5Pa·L/ （s·cm2）量級，加熱后達到10-4Pa·L/（s·cm2）量級。這些參數(shù)可以為潔凈真空的選材提供依據(jù)。

［1］曾祥坡，張滌新，馮焱，等.小孔流導(dǎo)法測量材料放氣率研究［J］.真空，2010，47（3）：47-49.

［2］張滌新，曾祥坡，馮焱，等.材料放氣率測量方法評述［J］.真空，2010，47（6）：47-52.

［3］YangY，SaitohK，TsukaharaS.Animprovedthroughputmethodforthemeasurementofoutgassingratesofmaterials［J］.Vacuum，1995，16：46-12.

［4］董猛，馮焱，成永軍，等.材料在真空環(huán)境下放氣的測試技術(shù)研究［J］.真空與低溫，2014，20（1）:46-51.

［5］馮焱，曾祥坡，張滌新，等.小孔流導(dǎo)法材料放氣率測量裝置的設(shè)計［J］.宇航計測技術(shù)，2010（3）:66-69.

THE OUTGASSING CHARACTERISTICS ANALYSIS OF THE WIRE IN THE VACUUM ENVIRONMENT

CHEN Lei1，XIAO Mei1，ZHANG Xiao-bing1，YANG Ling-ling1，WU Xiao-bin2，WANG Kui-bo2，LUO Yan2
（1.Display Centre，School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.Academy of Opto-electronics，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100000，China）

The outgassing characteristics of material is an important parameter for choosing materials in a vacuum system.In this paper，we will research the outgassing characteristics of two materials in a vacuum environment.We use the hole conductance method to measure outgassing rates of the samples at room temperature，baking temperature and after cooling conditions.At the same time，the quadrupole mass spectrometer is used to measure the mass spectrum of the samples at different conditions.The results show that the outgassing rate of the two materials will increase followed by decrease when they are baked，and decrease when pumped.Meanwhile，the mass number 69 is detected in the barking progress，which means that FEP and PFAcan release gas containing fluoride.

wire；the outgassing rate of materials；orifice conductance method；the quadrupole mass spectrometer

TB77

A

1006-7086（2016）02-0100-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.008

2015-12-18

陳蕾（1990-），女，江蘇揚州人，碩士研究生，從事熱解吸質(zhì)譜法分析表面污染物研究。E-mail:cl_seu@163.com。