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崑 山 科 技 大 學

電 機 工 程 系

熱脫附機台真空性能診斷

指導老師: 張慎周 副教授

製作學生: 李政鴻 C930J009

邱永龍 C930J041

洪翊捷 C931J003

中 華 民 國 九 十 四 年 十 二 月

2

摘要

本文最主要的目的是做系統的真空性能診斷，對真空系統做實際

之真空性能的量測，如紀錄壓力對時間的變化，總抽氣時間，並藉由

對真空系統加熱時間的不同改變真空系統抽氣速率，再經過真空模擬

軟體「Vactran」模擬，藉著軟體內建應用較為普遍的氣體模型，去

模擬出一些理論值，如：壓力對時間的曲線，將模擬出的壓力對時間

曲線，與實際紀錄的抽空時間做一個比對，會產生一個誤差值，此時

使用軟體的氣體負荷予以修正，氣體負荷的修正釋氣率、滲透率與漏

氣率，軟體修正後的理論值再與實際紀錄的抽空時間做比對，再藉由

修正後所加入的氣體負荷之結果予以探討，藉著探討形成氣體負荷的

原因，以達到對真空系統的診斷。

3

目錄

摘要 2

目錄 3

圖目錄 6

表目錄 7

第一章 緒論 8

第二章 真空系統理論基礎 9

2.1 真空原理 9

2.2 真空的區分 9

2.3 壓力 10

2.4 氣體分子平均自由徑 10

2.5氣流通量 12

2.6 氣導 13

2.7抽氣速率 14

2.8抽真空時間 15

2.9氣體負荷 15

2.10漏氣的定義 16

2.11漏氣的途徑 17

2.12漏氣率 18

4

2.13漏氣率測定法 20

2.14測漏方法 24

2.14-1 系統漏氣之研判 24

2.14-2 漏氣點之研判 26

2.15 測漏儀器 28

2.15-1 氦氣測漏儀 28

2.15-2 測漏儀原理 28

2.16 真空系統簡介 29

2.16-1 真空系統實體圖 32

2.16-2 粗抽幫浦 34

2.16-3 高真空幫浦 35

2.16-4 熱陰極式離子真空計 36

2.16-5 熱電偶真空計 37

2.17 軟體模擬 38

第三章 實驗步驟 48

3.1 抽真空時間 48

3.1-1 腔體抽粗略真空至中度真空 48

3.1-2 腔體抽高真空 48

3.2 腔體漏氣率 48

5

3.3 氦氣測漏法 49

3.4 軟體模擬 50

第四章 結果與討論 51

4.1腔體漏氣率 51

4.2軟體模擬 55

4.2-1真空幫浦的設定 55

4.2-2兩種不同腔體不鏽鋼係數的釋氣現象之設定 57

4.3抽真空時間 59

4.3-1 腔體抽粗略真空至中度真空 59

4.3-2 腔體抽高真空 63

第五章 結論 66

參考文獻 68

6

圖目錄

圖一 氣導示意圖 13

圖二 漏氣率特性曲線 20

圖三 靜態測漏法測試系統 21

圖四 動態測漏法測試系統(A) 22

圖五 動態測漏法測試系統(B) 23

圖六 待測物充以示漏氣體之總漏氣量測定裝置 25

圖七 待測物抽真空之總漏氣量量測裝置 25

圖八 真空法漏氣位置測定裝置 27

圖九 充氣法漏氣位置測定裝置 27

圖十 真空系統示意圖 30

圖十一 真空系統實體圖 32

圖十二 熱電偶真空計示意圖 37

圖十三 軟體模擬幫浦抽真空時間流程圖 38

圖十四 氦氣測漏法示意圖 48

圖十五 氦氣測漏法實驗圖 49

圖十六 漏氣率實驗中壓力與時間曲線圖 52

圖十七 壓力上升法-漏氣率曲線圖 53

圖十八 氦氣測漏法-漏氣率與時間曲線圖 54

7

圖十九 低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)

特性曲線圖 62

圖二十 低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)

特性曲線圖 63

圖二十一 高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)特性曲線圖 64

圖二十二 高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)

特性曲線圖 65

表目錄

表一 氣壓增建法實驗壓力與時間數據 51

表二 漏氣率數值 52

表三 兩種不同腔體不鏽鋼係數 60

8

第一章 緒論

半導體工業的進步，帶動了科技的發展，真空系統在科技產業發

展中幾乎沒有缺過，凡舉材料科技，資訊、半導體、微機電工程、離

子植入、蝕刻、表面分析(SEM.TEM)、食品真空包裝、醫藥工業、光

電工業、鍍膜工業甚而到太空環境下真空環境模擬等。皆可得知真空

技術於科技產業與學術界中的重要地位，甚至已經是人類日常生活的

必須技術，本組針系統做一個真空診斷的工作，國內對於真空設備目

前大都是由經驗法則來判斷真空系統是否故障?並未有一個有系統的

方法與流程，去進行真空真空診斷的分析步驟，因為設備在抽真

空過程中產生的種種現象，如:釋氣(outgassing)、漏氣(leaks)、滲透

(permeation)或抽氣速率變低等現象，導致真空系統無法達到所需的背

景壓力，降低抽氣效能，而且由於真空系統背景壓力抽的不夠低，會

導致真空腔體內的還會殘存較多其他的氣體分子如:氧分子、氮分

子，所以我們欲建立一套完善的真空系統診斷方法，才能使真空設備

工作在較佳的狀態下，產生較好的抽真空效率。

9

第二章 真空系統理論基礎

2.1 真空原理

廣義真空定義為，一個容器內空間的壓力小於一大氣壓力即是

真空。比較精細的解釋也可以說容器內氣體分子密度小於 2.5 x

1019mlecules/cm3(一大氣壓的分子密度)，則該容器(腔體)內為真空。

簡單表示為：腔體壓力 < 一大氣壓力。

2.2 真空的區分

粗略真空 (Rough Vacuum，簡稱 RV)

壓力範圍：1000 ~ 1 毫巴；氣流型態：黏滯流

中度真空 (Medium Vacuum，簡稱 MV)

壓力範圍：1 ~ 10-3 毫巴；氣流型態：過渡流

高真空 (High Vacuum，簡稱 HV)

壓力範圍：10-3 ~ 10

-7 毫巴；氣流型態：分子流

高度真空 (Ultra High Vacuum，簡稱 UHV)

壓力範圍：10-7 毫巴以下；氣流型態：分子流

10

2.3 壓力 (pressure)

氣體在容器內與容器壁的作用力，稱之為壓力；它的單位為：力

/單位面積。標準的大氣壓力相當於 760mm 水銀柱高。此方式為義大

利人托里切力所發現。溫度在 20。C，海平面高度。乾燥空氣所施的

壓力，其值為 1013mbar。簡單表示為：1atm = 760mmHg = 1013mbar。

2.4 氣體分子平均自由徑 (mean free path)

氣體分子在運動時各個分子在碰撞其他分子前所走的距離的平

均值稱為氣體分子的平均自由徑。簡單估算氣體分子的平均自由動徑

的公式如下：

(cm) [1]*

[1]式中壓力 P 的單位為毫巴，平均自由動徑 λ的單位為厘米。

此式係假定真空系統的溫度為 20。C，而其中的氣體為空氣。

不同氣流型態的條件，可用氣體分子的平均自由動徑的大小來界定。

1.黏滯性氣流

A.黏滯性氣流的特徵：

(1) 氣體分子之間有互相碰撞的作用

(2) 每一氣體分子的運動受其周圍氣體分子的限制

(3) 氣體分子之間有摩擦力 (即黏滯性)

11

(4) 氣流的方向與氣體分子運動的方向一致，故此氣流為連續流

B.黏滯性氣流的條件為：

氣體的平均自由動徑(λ)

12

B.分子氣流的條件為：

氣體的平均自由動徑>>儀器的主要尺寸，平均自由動徑(λ)>>儀

器的主要尺寸(d)。一但真空系統中的氣流型態進入分子流範圍，因

為此時氣體分子已經為個別自由運動事實上已非氣流故不論壓力降

至多低真空系統中的氣流型態均為分子流。

2.5 氣流通量

氣流通量的單位，代表符號為 Q，其定義為在特定的溫度下，每

單位時間內通過真空系統的某一部份(如管路等)斷面上的氣體的數

量。所謂氣體的數量，通常以該氣體分子數表示之，根據波義耳氣體

定律在溫度一定時，氣體的分子數以壓力乘體積決定。氣流通量，可

用[2]式表示之。

[2]*

Q：氣流通量 p：壓力

V：體積 s：抽氣速率 t：時間

單位時間( t )中所量測壓力( P )乘上腔體容積( V )等於氣流通量

( Q )，然而氣流通量亦也等於有效抽氣速率乘上腔體壓力值。

13

常用的氣流通量的單位為：

毫巴‧公升∕秒 (mbar l⁄sec)‧

托耳‧公升∕秒 (torr l⁄sec)‧

2.6 氣導

氣導的定義為單位壓力差下的氣流通量。

氣導的公式如下[3]式：

C=Q/(P1-P2) [3]*

C：氣導 Q：氣流通量 P1–P2：管路兩端的壓力

氣導的單位為：公升∕秒 (l⁄sec)

圖一 氣導示意圖

由圖一可解釋假設固定氣流通量( Q )，若壓力差( P1–P2 )越大，

則氣導( C )越小。因為壓力差越大，壓力處於黏滯流的氣流型態，而

黏滯流型態的特徵為，氣體分子之間有互相碰撞的作用，所以壓力差

越大造成氣體分子彼此碰撞，而不易移動使氣導越小。而壓力差越小

時則氣導越大。因為壓力低至約 10-3 mbar 時，壓力處於分子流的氣

14

流形態，而分子流型態的特徵為氣體分子間無互相作用，且向任意方

向運動，氣體分子平均自由徑很大，氣體分子間不易碰撞而易通過導

管使得氣導很大。

而氣導可看成相當於電阻電路的電導，因此串聯真空管路的總氣

導為各氣導的倒數和，再取倒數；在並聯真空管路的總氣導為各分支

氣導的和。

氣導的並聯狀態： C = C1 + C2 + C3 [4]*

氣導為串聯狀態： [5]*

2.7 抽氣速率

抽氣速率的定義：

在真空系統中某一斷面每一單位時間通過幫浦中氣體的體積。真

空幫浦抽氣速率(SO)，真空系統抽氣口處的抽氣速率稱為有效抽氣速

率(effective pumping speed) Seff ，以及真空幫浦至真空系統間的總氣

導關係如公式[6]所示：

[6]*

Seff：真空系統有效抽氣速率 C：氣導 SO：幫浦進氣口抽氣速率

影響有效抽氣速率的原因有氣導(C)與幫浦抽氣速率(SO)。在氣

流通量與氣導實驗中。SO為固定值，當氣導增加後腔體有效抽氣速

15

率也將會增加，如公式[6]所示。

2.8 抽真空時間

真空系統從初值壓力(PO)抽真空到終值壓力(Pf)所經過的時間被

定義為抽真空時間。

抽真空時間公式：

假定 S 為常數，當 t = 0 時，P = PO (最初壓力)，t = tf時，P = Pf (預

定到達的壓力)，則可以[7]式表示：

[7]*

當真空系統的漏氣率與放氣率均甚小時，即 PS>>QO，則可簡化為：

tf = (V/S)ln(PO/Pf) [8]*

因此抽真空時間受到腔體大小、漏氣率與放氣率等因素影響。

2.9 氣體負荷

真空系統除製程所需之氣體，其餘氣體來源應避免，因所有之氣

體藉由真空幫浦抽除，造成幫浦之負擔，也就是系統之氣體負荷。

(1) 空間氣體：在真空腔體之設計中，空間氣體是無可避免，故需慎

選抽氣幫浦。

(2) 漏氣：可分為實漏及假漏氣。實漏是由於製造瑕疵或組裝不正

確，造成外界一大氣壓之氣體漏入真空系統中。假漏氣乃存在於

16

真空系統本身中，陷於螺絲與螺紋之空氣。

(3) 油蒸氣之回流：此蒸氣源來自機械幫浦或擴散幫浦，油蒸氣分子

在低氣壓時，會與其餘被抽之氣體分子相碰撞，或自冷凝阱器壁

再蒸發而回流至真空腔體，進而造成污染。

(4) 釋氣：釋氣是高真空系統最主要之氣體負荷，當真空系統抽至壓

力 0.2Torr 以後，真空壁面或各物件表面所吸附之氣體開始釋出。

其程度隨壓力的下降而愈來愈嚴重，因此在 10-3Torr 以下，主要

之氣體負荷來自表面釋氣。

2.10 漏氣的定義

漏氣的定義為氣體由真空系統的外部經由漏氣的途徑進入真空系

統的內部即為漏氣。根據此定義則任何真空系統均有漏氣。實際應用

時並不以此定義來決定真空系統有無漏氣，而係根據一下兩條件來確

定真空系統為不漏氣。

1. 真空系統不漏氣的條件

真空系統既然不可能絕對不漏氣，但是在符合以下條件的情

況可視為不漏氣：

(1) 真空系統最終壓力 ( ultimate pressure ) 可以達到。

(2) 真空系統的操作壓力範圍 ( operational pressure

17

range ) 再合理的時間內可以達到並維持。

2. 密封系統與緊密系統

不漏氣一般的真空系統或真空裝置，習慣上有用密封系統

(hermetic seal ) 或緊密系統 ( tight seal ) 兩種不同的名詞來表達，

其區別為：

(1) 密封系統

用最靈敏的測漏儀也不能測出漏氣的系統。

(2) 緊密系統

所測到的漏氣率不會超過所要求的規格範圍的系統。

2.11 漏氣的途徑

所述漏氣的定義所稱的氣體由真空系統外部進入真空系統內部的

途徑應與組成真空系統各部份的材料及製造加工有關。主要包括有：

1. 材料製造加工

材料製造過程及加工處理會有以下的漏氣的途徑產生的可能：

(1) 小孔

(2) 裂縫

(3) 焊接道的裂痕

(4) 材料加工的紋理

18

2. 材料本身的性質

用來作真空系統的主體如真孔室，或真空分件及零件如管路，

氣密襯墊，絕緣體等的材料其本身即具有某種性質可能為漏氣的途

徑。只要選用此種材料即無法避免由材料本身的性質所存在的漏氣途

徑。

(1) 多孔性材料的微孔

有些絕緣體如陶瓷及襯墊材料亦屬多孔性材料，故應考慮含

有此類材料的真空分件可能的漏氣率。

(2) 分子或晶體間隙的滲透 ( pressure )

滲透的機制為氣體分子經由材料的分子間隙或晶體晶格間

的空隙穿過進入真空系統的內部，故根據漏氣的定義滲透應屬漏

氣。滲透為材料的性質，任何材料均有滲透的可能，僅滲透的量

因材料而異。滲透與溫度，氣體分子的大小，及氣體分子的濃度

有關。

2.12 漏氣率

漏氣率為單位時間內由真空系統外部漏入系統中的氣體量，其單

位與氣流通量相同，即毫巴․公升/秒，托耳․公升/秒等。

漏氣分為兩種如下：

19

真漏：

真漏是氣體經由真空系統的外殼(如管壁、壁器和接頭)進入真空

系統內部。真漏若不被阻止，而真空系統停止抽氣，則真空系統中的

壓力最後應回到一大氣壓。

假漏：

真空系統中所有可能產生器體的機制均屬於假漏，例如真空室器

壁吸附的氣體及器壁內部陷捕的氣體或溶解的氣體。經由擴散的機制

到內部表面，以及任何蒸氣壓高的物質，包括污染等在真空室內蒸發

均為假漏。假漏現象特點為，及上述發生的氣體其壓力達到與其周圍

壓力相等時，及產生平衡故壓力不再上升。

因為真漏是指腔體外部經由隙縫進入腔體內部的氣體，所以進入的氣

體量將保持不變。最後將達到一大氣壓，其真漏之特性曲線斜率將為

固定，如圖二所示。

假漏指腔體內部細小孔洞或不平滑表面吸附的氣體分子，因為腔

體壓力逐漸下降而脫附將同時發生，惟在高真空時脫附現象較吸附明

顯。當腔體壓力逐漸上升時，脫附與吸附將逐漸達到平衡，此項漏氣

值會趨近於零，上升曲線變為平緩，如圖二所示。

在實際漏氣的狀況中，將同時包含真漏與假漏，在特性曲線的表

示上將顯示出，初從高真空開始漏氣時，因為包含真漏與假漏，所以

20

曲線斜率較大，壓力上升較快；壓力上升到粗略真空時，假漏現象將

逐漸變小至趨近於零，唯真漏之漏氣量依然維持不變，所以曲線將較

為平緩，壓力持續上升至一大氣壓。

圖二 漏氣率特性曲線

2.13 漏氣率測定法

漏氣率的測定包括有測定時不用真空幫浦抽氣的靜態法及用真

空幫浦抽氣的動態法。所測定的漏氣率為被測真空系統的總漏氣率，

即可能僅有一個漏處，亦可能有多個漏處。以下分別介紹此兩種方法：

1. 靜態測漏法

靜態測漏法 ( static testing ) 亦稱為測試氣體累積測漏法

(test gas accumulation testing )。測試系統有一包覆罩 ( envelope )

或測試室 ( testing chamber ) 其體積為 V，待測件置於室內。一氦

21

氣瓶供應氦氣由管路經控制閥放入真空系統中。漏出的氦氣至包覆

罩內而被測漏儀 ( leak detector ) 所偵測。靜態測漏法測試系統如

圖三所示。

圖三 靜態測漏法測試系統

若測得包覆罩內的壓力變化率 dp/dt，則漏氣率 Ql=V(dp/dt)。

此法要求包覆罩體積 V為己知。對於大型真空系統有困難，適

合用於線上檢測小型真空件如燈泡等。

2. 動態測漏法

動態測漏法有兩種方式：

(1) 動態測漏法(A)：

測試系統如圖四所示。待測真空系統內充測氣體 ( 氦

氣 )，包覆罩由真空幫浦抽氣，測漏儀裝設在抽氣管路上。

22

若包覆罩內的壓力 p維持不變，而真空幫浦的抽氣速率為

S，則被幫浦所抽氣體的氣流通量 Q為：

Q = Sp

若真空系統內的氦氣漏出的漏氣率為 Ql，漏出的氦氣被真空幫浦

抽出達平衡狀態後，包覆罩內的壓力 p 維持不變，則漏氣率即等

於幫浦所抽氣的氣流通量 Q，故

Ql = Q = Sp

圖四 動態測漏法測試系統(A)

此方法並不要求包覆罩體積 V 為己知，測漏儀或真空計測

定壓力後即可由真空幫浦的抽氣速率求得真空漏氣率。

(2) 動態測漏法(B)：

測試系統如圖五所示。包覆罩內充測試氣體 ( 氦氣 )，待

23

測真空系統由真空幫浦抽氣，測漏儀裝設在抽氣管路上。

在未達到壓力平衡前，待測真空系統的壓力變化率為

dp/dt，包覆罩內的氦氣漏入待測真空系統的漏氣率為 Ql，幫浦所

抽氣體的氣流通量 Q = Sp，真空系統的壓力為 p，S為真空幫浦

的抽氣速率，又真空系統的體積為 V，則真空系統的氣流通量變

化應等於氦氣漏入待測真空系統的漏氣率減去幫浦抽氣體的氣流

通量，即

V(dp/dt) = Ql – Sp [9]*

圖五 動態測漏法測試系統(B)

假定最初時間 t = 0 尚無氦氣漏入，此時真空系統中的最初壓力

為 p0。氦氣開始漏入至某一時間 t，此時真空系統中的壓力為 p，上

式積分可得

24

p = ( Ql/S )[1 – exp ( - St⁄V )] + p0 exp ( - St⁄V ) [10]*

長時間後漏入的氦氣壓力與被真空幫浦抽出的氣體壓力相等，即

達平衡狀態。在上式則指數項趨近於零，故可變為：

p = ( Ql/S )

此式雖與 A 法者同，但其操作方法不同，實際應用時視真空系

統的配備而定。

2.14 測漏方法

2.14-1 系統漏氣之研判

就真空技術的觀點而言，必須了解沒有絕對不漏氣的真空容器或

系統，重要的是漏氣量必須小到不影響工作真空度、氣體成份或終極

壓力。當操作真空儀器設備，無法得到要求之真空度時，則被認為系

有漏氣。系統之真空度無法達到要求，其原因除了真空幫浦、真空元

件與封合的問題造成實漏外，最常令人忽略的因素為系統內之嚴重污

染。判斷實漏最簡單的研判方式是利用真儀表壓力上升法來作判斷，

利用實驗室現有之酒精或乙醚，當示漏物質澆在可疑部位上（但請注

意防火安全），若真空儀表指示壓力空然快速上升即為漏氣點。再則

可利用真空分壓分析儀（partial pressure analyzer，PPA）作測試，在

真空系統中若有實漏時，其系統內氮氣及氧氣分壓比例約為 4：1，

且氮氣及氧氣分壓大於水氣分壓。

25

為了進一步為待測物之漏氣定量，本文介紹二種常見的真空系統

總漏氣率量測裝方法，其中之一如圖六之正壓充氣法，將待測物以一

真空容器罩住，並以示漏氣體（search gas）充滿待測物，示漏氣體

經由漏出而被測漏儀器測得。另一方法則如圖七為負壓法，於待測物

外護罩充滿示漏氣體，一般以氦氣做為示漏氣體，將待測裝置與測漏

儀之真空系統互相連接並抽真空，以測漏儀器檢驗待測物之漏氣率

圖六 待測物充以示漏氣體之總漏氣量測定裝置

圖七 待測物抽真空之總漏氣量量測裝置

26

2.14-2 漏氣點之研判

測漏之本質在於找出漏氣之所在，並以適當的方法堵漏，以改善系統

的真空性能。為了判定漏氣點通常採用以下兩種方式：(1)真空法

(vacuum method)輔以噴氣探針(spray probe)及(2)充氣法

(overpressure method)輔以吸氣探針(sniffer probe)。

(1)真空法輔以噴氣探針

待測裝置與漏氣儀之真空系統連接，並抽真空直至可以啟動測漏

儀之真空度。啟動測漏儀後，由噴氣探針噴以示漏氣體,當示漏氣體

通過漏氣位置時,漏氣儀及有信號指示,如圖八所示為真空法漏氣位

置測定裝置。

(2) 充氣法輔以吸氣探針

如圖九所示,將示漏氣體充滿待測裝置,以吸氣探針探測待測物

表面,當接近漏氣位置時,經由漏氣口逸出之示漏氣體,可由吸氣探針

所偵測,即可測定漏氣位置。

27

圖八 真空法漏氣位置測定裝置

圖九 充氣法漏氣位置測定裝置

2.15 測漏儀器

2.15-1 氦氣測漏儀

氦氣測漏儀為目前最普遍應用的測漏儀。實際上氦氣測漏儀即為一小

型氣體質譜儀而專門測定氦氣者。氦氣測漏儀是利用一簡單質譜反應

的結構來製作儀器，一般質譜儀系偵測的氣體分子游離化後，再依離

28

子質量對電荷比值來分析不同比值之含量。不同比值對應出不同之離

子可分析出其氣體分子之種類、數量。氦氣測漏儀即利用此原理來測

試，唯一不同的是它僅針對氦氣的存量做檢測，因此在構造上和使用

上比較簡單。為何測漏儀選用氦氣是因為氦氣是墮性氣體，有無毒

性、不具破壞性、大氣中存量少，滲透力最佳且易被質譜儀偵測到等

優點。

2.15-2 測漏儀原理

氦氣測漏儀是由 A.O.Nier 在二次大戰期間參與美國軍方的曼哈頓計

畫(the Manhattan roject)時期所開發出來的儀器，是目前最廣為使

用、靈敏度高、可靠度佳的測量儀器。氦氣測漏儀實際上就是一簡單

的質譜儀，是由抽氣系統(pumping system)、電子控制系統與質譜館

(mass spectrometer tube)等三大部份所組合而成，抽氣系統功能為

產生高真空的環境，使真空度可以達到質譜管能正常運作的壓力範

圍，電子控制系統主要為檢測質譜管所產生及接收氦氣之信號，測漏

時其信號藉電子放大器回饋接收器中。

各種氦氣測漏儀所使用的質譜管雖有各種不同的樣式，但其構造

大致相同，均分為離子源(ion source)、離子分離器(ion separation)

與離子測器(ion detection)等三個部份。離子源係用來產生離子，

29

其方式是由高溫燈絲放射出熱電子並加速進入離子腔，以電子碰撞方

式將示漏的氦氣離子化。所產生的離子由離子腔電壓加速並進入離子

分離器，除此之外，離子源另有排斥板及聚焦板，可分別控制被加速

的離子數目及離子束方向。

2.16 真空系統簡介

本真空系統腔體尺寸:L×W×H 30×30×30cm3，腔體材質為

SS304 不繡鋼，系統由機械幫浦抽低真空時由熱電偶真空計量測，渦

輪分子幫浦抽高真空時由熱陰極式離子真空計量測;機械幫浦的型式

是 Leybold D16B，其抽氣速率為 16 m3/hr;渦輪分子幫浦(TP)的型式

是 Leybold TURBOVAC TW 70H，抽氣速率(空氣)為 56 liter/sec;熱電

偶真空計型式是 DST-531，其測量範圍主要為 760~9×10-3torr;熱陰極

式離子真空計型式是 Bayard-Alpert 感測頭熱陰極離子真空計，其測

量範圍為 10-2 ~ 10-12 mbar;閥門部分介紹如下，FV 閥為渦輪分子幫浦

的前級閥，此閥門連接於 MP 與 TP 之間;RV 粗抽閥連接 MP 與真空

腔體之間;HV 細抽閥連接 TP 與真空腔體之間;N2 洩氣閥連接 N2 進

氣端與真空腔體之間，針對本系統做抽真空及漏氣率的實驗，紀錄其

壓力數值，再將實驗結果與軟體模擬做比對，修正誤差值即為真空診

斷。

30

圖十 真空系統示意圖

開機程序

1.開總電源

2.啟動 MP

3.開啟 RV 閥

4.等待 GA 真空計讀表 SET POINT

降到 5X10-3 torr

5.關閉 RV 閥

6.開啟 FV 閥

7.等待 GB 真空計讀表 SET PT 亮

8.啟動 TURBO PUMP

9.等候 5 分鐘 ( 待 TURBO PUMP到

達全速，標準程序 )

10.開啟 HV 閥 ( slowly )

11. HV 閥全開

12.等待真空計讀值 GA=GB

13.點亮 FILAMENT ( 熱陰極離子式

高真空計 )開機完成

關機程序

1.熄滅 FILAMENT

2.關閉 HV 閥

3.TURBO PUMP 停機

4.等候 10 分鐘 ( 等待 TURBO

PUMP 轉速下降 ，標準程序 )

5.關閉 FV 閥

6.MP 停機

7.關總電源

關機完成

31

2.16-1 真空系統之組成：

真空實驗系統之主體係由機械幫浦、渦輪分子幫浦、真空閥門、質流

控制器、加熱帶、高、低真空計、真空腔體組成，另外有一氮氣瓶作

為提供實驗用氣體來源，並裝置一組殘氣分析儀用作其他實驗之設備

抽真空過程之氣體行進路徑描述。

一. 粗略真空之抽氣路徑

啟動機械幫浦 (MP)，開啟粗略真空閥門 (RV) 對腔體抽真空至

5 x 10-3 torr 後關閉，使腔體中的大量氣體能夠經由機械幫浦有效

排除。關閉低真空閥門，開啟管路閥門使機械幫浦對低真空閥門與渦

輪分子幫浦之間的管路進行抽氣至 5 x 10-3 torr，使連接渦輪分子

幫浦之真空管路中的氣體能夠被機械幫浦抽除。

二. 高真空之抽氣路徑：

啟動渦輪分子幫浦，開啟高真空閥門對腔體抽真空至 4 x 10-6 torr，

使腔體中的少量氣體能夠藉由隨機運動至渦輪分子幫浦進一步被排

除至腔體外，達到抽真空效果。

32

三.關閉真空系統之程序：

關閉真空系統之程序與啟動步驟相反。關閉高真空閥門，使渦輪分子

幫浦與腔體氣體隔絕，在關閉渦輪分子幫浦。此時渦輪分子幫浦內仍

有氣體分子殘留，等待數分鐘使氣體排出，再關閉管路閥門。關閉機

械幫浦，並切斷所有電源，完成關機程序。真空系統關閉時須確認所

有閥門皆處於緊閉狀態。若在實驗中使用到氮氣瓶，關閉真空系統時

須確認氣瓶完全關閉。

圖十一 真空系統實體圖

33

2.16-2 粗抽幫浦 (兩極油封式迴轉滑翼幫浦)

型式：Leybold D16B

原理：

一般所稱的真空機械幫浦即是指油封式真空幫浦。油封式真空幫

浦是藉幫浦腔室中轉子和靜子連續進器、壓縮、排氣之行程，轉子與

定子在運動過程為連續接觸，因此必須採取滑潤措施，以減少磨損及

排除摩擦熱。油封式真空幫浦的相對體積小，操作的壓力範圍大且可

以得到不錯的壓縮比，其終極壓力約可達 10-4 torr，抽氣速率則隨

產生規格而異，最主要的是成本較低。

旋轉葉片式幫浦之抽氣速率約在 50 – 300L∕min，有效壓縮比

為 105，可以在大氣壓力直接動作，工作壓力可至 10

-3 torr 左右。幫

浦轉子和靜子不同心的圓形零件，運轉時旋轉葉片在轉子溝槽中滑

動，而旋轉葉片末端與幫浦靜子保持接觸，在運動過程中達到氣體壓

縮及傳輸作用，而腔體中的幫浦油可潤滑旋轉葉片和鏡子的摩擦及排

熱，亦可在運轉過程中達到密封的效果。

規格：

額定電壓 ：220 V 轉速 ：1600 rpm

滿載電流(FLA) ：5.3 A 電容 ：30 µ∕480 v

頻率 ：60 Hz 絕緣 ：D

34

相數 ：1 φ 幫浦抽氣速率：20.33m-3∕h

2.16-3 高真空幫浦 (渦輪分子幫浦)

型式：Leybold TURBOVAC TW 70W

原理：

渦輪分子幫浦即在幫浦工作流體處於分子流狀態時，會有較

好的抽氣性能。當氣體在分子流狀態時，由於氣體分子密度低，分子

間平均自由徑遠大於幫浦的特徵長度。因此氣體分子與壁面碰撞之機

率遠大於分子間的碰撞，此時若利用高速旋轉之轉子或葉片將動量傳

遞給分子，使其獲得一而外的速度分量而朝出口排出，便能產生抽氣

作用。如果在黏滯流，氣體分子密度高，分子間互相碰撞的機率會大

於分子和運動表面互相的機率，於是抽氣的效果就降低。

渦輪分子幫浦規格：

不同氣體抽氣速率：

N2 ― ― ― ― ― ― ― ― 60 l s‧ -1

Ar ― ― ― ― ― ― ― ― 56 l s‧ -1

He ― ― ― ― ― ― ― ― 52 l s‧ -1

H2 ― ― ― ― ― ― ― ― 40 l s‧ -1

前級幫浦對終極壓力：兩極油封式迴轉滑翼幫浦 < 2 10‧ -10mbar

最大允許前級壓力：20mbar

幫浦重量 (Pump with TURBO. DRIVE and air cooler)： 3.2kg

35

運轉速度：72000 rpm

到達額定轉速時間：1.5 min

額定電壓：直流 24V

容許電壓變動範圍： 5%

最大耐流： 4.5A

2.16-4 熱陰極式離子真空計

型式：Bayard ― Alpert 感測頭熱陰極離子真空計

原理：

熱陰極離子真空計基本上是利用加熱之燈絲產生熱電子，

並精由電場加速，成為帶有充分能量之電子，再撞擊氣體分子使其離

子化；由氣體分子離子化之比率估算出剩餘氣體分子之數量，進而推

導真空壓力的大小。

由加熱之燈絲產生熱電子，電子受陰極與陽極間的電場加速，脫

離陰極而飛向陽極。由於陽極成柵狀結構大部份被陰極與陽極間電場

加速的電子會通過陽極，而撞擊真空中之氣體分子，造成氣體分子離

子化並放出電子。氣體分子離子化放出電子以及轉而飛向陽極，若電

子穿過柵狀之陽極又會被陰極負電位排斥，如此來回震盪增加了撞擊

真空中氣體分子之機率。氣體分子離子化之後，產生的正離子會因為

集極負電位的吸引，而在集級形成正離子電流；測量此正離子電流，

36

可推導出真空壓力的大小。

規格：

測量範圍：10-2 ~ 10-12 mbar

不確定度：10-5 ~ 10-1 mbar

2.16-5 熱電偶真空計

型式：DST-531

原理：

兩個不同金屬焊在一起構成熱電偶型態，將熱電偶焊接於

發熱燈絲上由熱電偶直接感測發熱燈絲溫度變化。並由毫伏電壓表讀

取熱電偶兩端電動勢變化即得真空壓力變化，分為非直接加熱式和直

接加熱式。非直接加熱式又分為直流供電和交流供電，而直接加熱式

為單一熱電偶承擔實際發熱體和感溫的熱電偶工作。

規格：

熱電偶真空計主要用於中度真空範圍，其測量範圍主要為 760 ~

9×10-3torr 之間。

在接近其量測範圍的上下極限處，量測不確定度都相當大，故

熱電偶真空計在其量測範圍兩端壓力之讀值僅能供參考。

如圖十二所示，將熱電偶緊密焊接於發熱燈絲上，採用直流電

37

源，由熱電偶直接感測發熱燈絲之溫度變化，並由較精密的毫伏電壓

表讀取熱電偶產生的電動勢。

圖十二 熱電偶真空計示意圖

2.17 軟體模擬

軟體介紹

我們經由真空工業界的資訊得知有一套真空模擬軟體「VacTran」，資

訊顯示此套軟體已在全球使用超過十年以上，因此我們也利用此軟體，配

合真空工業中廣泛應用的基本模型去計算，藉著此軟體我們可以分析：

(1)計算真空系統內有無氣體負荷之抽空時間

(2)經由軟體內建的氣導模組，可以計算有效抽氣速率。

(3)建構真空幫浦氣體負荷

(4)建構表面漏氣、釋氣

(5)以圖表表示改變參數計算的結果

38

軟體模擬幫浦抽真空時間流程圖與計算方式

圖十三 軟體模擬幫浦抽真空時間流程圖

39

抽真空時間(tf)

隨著氣導、幫浦抽氣速率、氣體負載的變化，經由這些變化使用壓力

隨著時間做變化。

真空系統氣流量的平衡方程式

PS=Q0-V(dP/dt)

P:隨時間變化的壓力 S:有效抽氣速率

V:真空統體積 dP/dt:壓力隨時間變化

Q0:漏氣率及放氣率

tf=(V/S)×ln[(P0-Q0/S)/(Pf-Qf/S)]

當真空系統的漏氣率與放氣率均甚小時，即 PS>>QO，則可簡化

tf =V/S×ln(P0/Pf)

V：總體積 S：有效抽氣速率

P0：起始壓力 Pf：目標壓力

總體積(V)

總體積(V)由氣體體積與氣導體積所構成。

△ P：增加壓力 △P=[㏒(PS)-㏒(Pt)/n]

PS：系統起始壓力 Pt：系統目標壓力

n：數目增值

PH：起始壓力 PH：10[㏒(PL)-△P]

PL：目標壓力 PL：10[㏒(PS)-△P×n]

傳遞速率(S)

40

S=(SP×C)/(SP+C)

SP：幫浦進氣口抽氣速率 C：結合氣導

結合氣導(C)

氣導的並聯狀態： C = C1 + C2 + C3

氣導為串聯狀態：

氣體負載

釋氣率(Q)

Q=(Qn/t-An)

An：單位時間係數 Qn：單位時間內的釋氣

ㄧ小時內的釋氣率

Q10hour=3600A10×Q10×t

[-A10]

氣導要素

黏滯流：(D/L) >110

過度流：1

41

D：管路長度 L：平均自由動徑

L：平均自由動徑

L=(2.33×10-20×T)/(e

2×P) cm

T：溫度°K e：氣體分子直徑

P：壓力

黏滯流氣導

C=3.27×10-2[D

-4/ηL]×P

L：平均自由動徑 P：壓力

D：管路長度 η：氣體分子係數

分子流氣導

C=11.43α√[(T/M)×a2]

T：溫度°K M：氣體分子量

a：管路半徑

42

1.進入 Vac tran 軟體

43

2.選擇可模擬項目

氣導對壓力

氣流通量對壓

抽氣速率對壓力 幫浦氣流通量對壓力

傳遞速率對壓力

傳遞氣流通量對壓力

抽氣時間 理想幫浦抽氣時間

氣體流通量對時間 產生幫浦模式

比較抽氣區間氣導 比較氣導氣流通量

比較抽氣區間之幫浦氣流通量

比較氣體負載 比較抽氣區間之幫浦抽氣速率

44

3.設定可供模擬之系統參數

系統模式

幫浦模式

氣體負載

氣體模式

氣體滲透

釋氣

O 型環

文字檔

圖檔

氣體導管參數

45

4. 建立真空系統參數

抽氣區間

抽氣幫浦設定

氣體負載設定

抽氣區間

設定

系統管路

建立

46

5.腔體參數設定

上圖為真空模擬系統之腔體設定,其中紅框所圍區域為主要之設

定,包括起始壓力(Start pressure)、終極壓力(Target

pressure)、腔體容積(Vessel volume)與腔體之氣體種類。

47

第三章 實驗步驟

3.1 抽真空時間

3.1-1 腔體抽粗略真空至中度真空:

(1) 啟動機械幫浦

(2) 開啟粗略真空閥門

(3) 以每 20 秒記錄壓力，直至壓力在 1.75×10-3torr 為止

3.1-2 腔體抽高真空:

(1) 壓力在 1.75×10-3torr 啟動渦輪分子幫浦

(2) 等候渦輪分子幫浦達額定轉速

(3) 開啟高真空閥門

(4) 以每 20 秒記錄壓力，直至壓力在 7.5×10-6torr 為止

3.2 腔體漏氣率(壓力上升法)

(1)啟動機械幫浦抽初略真( 5X10-3torr)然後渦輪分子幫浦抽高真空

(4×10-6 torr)

(2)開啟高真空閥門與管路閥門

(3)腔體壓力在 4×10-6torr 關閉高真空閥門與管路閥門

(4)將以小時為單位紀錄腔體壓力變化量於實驗記錄簿紀錄 12 個小

時

48

3.3 氦氣測漏法

1. 真空系統破大氣

2. 氦氣測漏儀破大氣

3. 氦氣測漏儀與真空系統以 U 型管相連接

4. 將真空系統抽至高真空 10-6torr

5. 再腔體外圍將氦氣由下往上噴於系統銜接處

6. 以氦氣測漏儀量測氦氣漏率以求得真漏

圖十四 氦氣測漏法示意圖

49

圖十五 氦氣測漏法實驗圖

3.4 軟體模擬

(1) 用尺量腔體到機械幫浦的管長,彎管內徑及管徑,建立系統管路

(2) 對抽氣區間設定,包括起始壓力、終極壓力及腔體容積的設定

(3)將廠商所給的機械幫浦及渦輪幫浦的抽氣速率,做為抽氣幫浦的

設定

(4)將所量的腔體面積、漏氣率及不繡鋼材質漏氣係數對氣體負載做

設定

50

機械幫浦

一. 抽氣區間設定

(a) 起始壓力(7.6 × 102)

(b) 終極壓力(1.75 × 10-3)

(c) 腔體容積(27liters)

(d) 腔體之氣體種類

二. 系統管路建立

(a) 輸入一管長 200cm

(b) 管徑 2.45cm 之管長

(c) 三個內徑

(d) 內徑為 4cm 的 90∘彎管

三. 抽氣幫浦設定

(a) 腔體面積 5400cm

(b) A1 腔體不鏽鋼材質漏氣係數

1.1

(c) A10 腔體不鏽鋼材質漏氣係數

0.75

(d) Q1(一小時內逸氣率)

= 1.75×10-3 (torr-liter/second)

(e) Q10(十小時內逸氣率)

=2.1×10-4 (torr-liter/second)

(f) 漏氣率

=3.25×10-5 (torr-liter/second)

渦輪分子幫浦

一.抽氣區間設定

(a) 起始壓力(1.75 × 10-3)

(b) 終極壓力(7.5 × 10-6)

(c) 腔體容積(27liters)

(d) 腔體之氣體種類

二.系統管路建立

(a) 輸入一管長 36cm

(b) 管徑 6.5cm 之長管

(c) 三個內徑

(d) 內徑為 6.5cm 的 90∘彎管

三.抽氣幫浦設定

(a) 腔體面積 5400cm

(b) A1 腔體不鏽鋼材質漏氣係

數 0.7

(c) A10 腔體不鏽鋼材質漏氣

係數 0.75

(d) Q1(一小時內逸氣率)

=9.001×10-4 (torr-liter/second)

(e) Q10(十小時內逸氣率)

=2.0×10-4 (torr-liter/second)

(f) 漏氣率

=3.25×10-5 (torr-liter/second

51

第四章 結果與討論

4.1 腔體漏氣率

經由壓力上升法測量壓力與時間的數值,其壓力與時間的數值紀錄如

表一所示:

表一 壓力上升法實驗壓力與時間數據

壓力上升法如圖十六所示當系統抽至高真空時其內部壓力在

(0~2)小時斜率會上升是由於吸附於系統腔體內表面的氣體分子大量

脫附，(2~12)小時脫附速率趨於平緩。

52

圖十六 漏氣率實驗中壓力與時間曲線圖

將應用公式: 求出漏氣率之值。

qL:釋氣率 (P1-P2) :相鄰兩點壓力差

V:腔體內容量 27l △t:相鄰兩時間差(1hour)

以第 3~4 小時為例

轉換成漏氣率值紀錄於表二所示。

表二 漏氣率數值

53

將表二中漏氣率畫成漏氣率曲線圖，如下圖十七所示。

圖十七 壓力上升法 - 漏氣率曲線圖

氦氣測漏法針對實漏量測而壓力上升除實漏外還加上假漏(釋氣或腔

體內污染所造成)量測，由氦氣測漏儀測得腔體系統本身之漏氣率為

1.0×10-9(mbar-liter/second)，將壓力上升法實驗所得的漏氣率與氦

氣測漏儀量測結果相比較所得漏氣率較不準確，所以我們以氦氣測漏

儀量測結果為依據，如圖十八所示；由於系統為動態系統其氣體分子

有吸附與脫附現象行為產生，所以壓上升法所得漏氣率較不準確且比

氦氣測漏法所得結果大很多(四個等級)，模擬所設定漏氣率以實漏為

考量，內漏考慮於釋氣項次，而實漏只比一般真空系統

10-7(mbar-liter/second)小兩個等級，故再模擬時先不考慮實漏項

次。

0 2 4 6 8 10 121E-5

1E-4

漏氣

率(mbar-liter/second)

時間 (hour)

54

圖十八 氦氣測漏法 - 漏氣率與時間曲線圖

55

4.2 軟體模擬

依造廠商所提供的渦輪分子幫浦及機械幫浦抽速規格，分別以軟體模

擬而得到的壓力對時間變化曲線如下圖所示:

4.2-1 真空幫浦的設定

1.渦輪分子幫浦之設定

56

2.機械幫浦之設定

57

4.2-2 兩種不同腔體不鏽鋼係數的釋氣現象之設定

綠色框部份:Surface area 為腔體表面積之設定

紅色框部份：A1 為一小時的時間係數、A10 為十小時的時間係數

藍色框部份：Q1 為一小時內的釋氣率、Q10 為十小時內的釋氣率

1. 軟體模擬理論值 1

58

2.軟體模擬理論值 2

59

4.3 抽真空時間

4.3-1 腔體抽粗略真空至中度真空:

圖十九為粗略真空至中度真空實驗值與軟體模擬值的曲線圖，在(a)

區兩曲線吻合而(b)區兩曲線有較大的誤差，在圖十九(a)區 760torr

下降至 1torr 時實驗值與軟體模擬理論值(體積氣體)兩曲線吻合，由

於實驗值與軟體模擬理論值(體積氣體)處於粗略真空範圍，此時的氣

流型態為黏滯性氣流其氣體分子之間有相互碰撞的作用，每一氣體分

子的運動受其周圍氣體分子的限制以及氣體之間的摩擦力(即黏滯

性)；氣流的方向與氣體分子運動的方向一致，此時的氣流為連續流，

所以氣體分子容易被抽離腔體因此氣體壓力下降較快，由於在粗略真

空時體積氣體和釋氣的比例差異甚大，而釋氣遠小於體積氣體，因此

釋氣可忽略；在圖十九(b)區 1torr 下降至 1.75×10-3torr 時實驗值與

軟體模擬理論值(體積氣體)兩曲線有較大的誤差，由於實驗值處在中

度真空下，此時真空系統維持連續被抽氣，氣體的壓力下降至氣流態

改變成過度氣流，在中度真空的體積氣體與釋氣的比例較小，因此在

此段範圍中必須考慮釋氣，所以理論值比實際值的斜率來的低而導致

抽氣時間增長；而圖十九(b)區軟體模擬理論值(體積氣體)也處在中

度真空下，僅考慮體積氣體而無釋氣因此腔體內部氣體負載並沒有增

加，所以抽真空時間比實驗值來的短，曲線斜率比實驗值來的高。當

60

軟體模擬理論值(體積氣體+釋氣)此時實驗值與軟體模擬理論值(體

積氣體+釋氣)處在中度真空兩曲線相吻合如圖二十(b)區，由此可發

現軟體模擬理論值(體積氣體+釋氣)氣體負載增加時會造成曲線斜率

降低、抽真空時間增長，因此氣體負載對馬達的抽真空效能影響很

大，然而氣體負載的增加可由釋氣(腔體內壁釋出的氣體分子)、實漏

(氣體由外部漏入真空系統)、內漏(殘留餘腔體內部凹陷的氣體)，由

氦氣測漏儀對本實驗的真空系統做真漏的量測得到真漏漏率為 1.0×

10-9(mbar-liter/second)其值很小，當軟體在增加氣體負載時由於真漏

漏率很小所以忽略。

由圖實際值與軟體值的比對，依公式:

誤差值 = | [(模擬值-實驗值)/實驗值]×100% |

平均誤差值= 誤差值的總和/誤差值的個數

表三 兩種不同腔體不鏽鋼係數

註：An：單位時間係數 Qn：單位時間內的釋氣

ㄧ小時內的釋氣率

61

Q10hour=3600A10×Q10×t-A10

由圖十九所示軟體模擬(體積氣體)與實驗值在粗略真空平均誤差值

為: 5.5%

軟體模擬(體積氣體)與實驗值在中度真空平均誤差值為: 58%

當軟體模擬(體積氣體)與實驗值相比較，可以發現到粗略真空時實驗

值與軟體模擬(體積氣體)兩曲線相近平均誤差為 5.5%，由於粗略真

空實驗值還未有釋氣的產生所以與軟體模擬(體積氣體)相吻合，當處

在中度真空平均誤差值 58%可發覺實驗值有釋氣的產生所以與軟體

模擬(體積氣體)才產生這麼大的誤差。

由圖二十實際值與軟體的兩種腔體係數之比對，依上述公式算出的平

均誤差值如下:

軟體模擬(體積氣體加釋氣)與實驗值在粗略真空平均誤差值為: 5%

軟體模擬(體積氣體加釋氣)理論值 1 與實驗值，在中度真空時平均誤

差值為: 13%

軟體模擬(體積氣體加釋氣)理論值 2 與實驗值，在中度真空時平均誤

62

差值為: 13%

在粗略真空下軟體模擬(體積氣體)與軟體模擬(體積氣體加釋氣) 平

均誤差 5.5%、5%，所以在粗略真空下時可忽略釋氣，處在中度真空

實驗值與軟體模擬理論值 1、2(體積氣體加釋氣)平均誤差值為: 13%

比實驗值與軟體模擬(體積氣體)平均誤差值為: 58%來的小，所以處

在中度真空實驗值有釋氣的產生。

圖十九 低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)特性曲線圖

0 50 100 150 2001E-3

0.01

0.1

1

10

100

壓力

(torr)

時間(second)

實驗值 軟體模擬(體積氣體)

(a)

(b)

63

圖二十 低真空至中度真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)

特性曲線圖

4.3-2 腔體抽高真空:

在圖二十一可得知實驗值與軟體模擬理論值(體積氣體)兩曲線相

差很大，此時的實驗值氣流狀態為分子流，其氣體分子間無互相作用

在高真空度體積氣體小，所以相對於低真空時釋氣比例較大，由於考

慮釋氣導致腔體內部氣體負載增加，使的抽真空時間增長，而軟體模

擬理論值(體積氣體)沒有釋氣，所以氣體負載並沒有增加，腔體內部

的壓力遠比實驗值來的小其體積氣體也遠比中度真空及低真空來的

小，所以氣體分子能更快速的被抽出，因此壓力下降更快速，使的抽

真空時間變短，當理論值加入了兩組釋氣此時實驗值與理論值相吻合

0 50 100 150 2001E-3

0.01

0.1

1

10

100

壓力

(torr)

時間(minute)

實驗值 軟體模擬理論值1(體積氣體+釋氣) 軟體模擬理論值2(體積氣體+釋氣)

(a)

(b)

64

如圖二十二所示，由此可發現到氣體負載增加時會造成曲線斜率降

低、抽真空時間增長，因此氣體負載對馬達的抽真空效能影響很大。

由圖二十二實際值與軟體值的比對，依上述公式算出的平均誤差值

如下:

軟體模擬(體積氣體加釋氣)理論值 1 與實驗值，在中度真空時平均誤

差值為: 44%

軟體模擬(體積氣體加釋氣)理論值 2 與實驗值，在中度真空時平均誤

差值為: 7%

由於軟體模擬(體積氣體加釋氣)加入了兩組不同的釋氣系數，比軟體

模擬(體積氣體)與實驗值比對平均誤差來的小，所以軟體模擬理論值

2 的不鏽鋼腔體係數與系統不鏽鋼腔體較符合。

圖二十一 高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體)特性曲線圖

65

圖二十二 高真空實驗值與軟體模擬(體積氣體加釋氣)特性曲線圖

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1E-5

1E-4

1E-3

壓力

(torr)

時間(mine)

實驗值 軟體模擬理論值1(體積氣體+釋氣) 軟體模擬理論值2(體積氣體+釋氣)

66

第五章 結論

1.實驗測漏的兩種方法(壓力上升法、氦氣測漏法)

◎壓力上升法

壓力上升法測的的漏率 4.05×10-5 (mbar-liter/hour)比氦氣測漏

法測得的漏率 1.0×10-9 (mbar-liter/second)來的大，由於壓力上

升法量測的漏率(釋氣、漏氣)而氦氣測漏法量測的漏率(漏氣率)

所以壓力上升法量測漏氣率較不準確

◎氦氣測漏法

氦氣測漏測得的漏氣率 1.0×10-9 (mbar-liter/second)，而符合高

真空系統允許漏率 10-7 (mbar-liter/second)[4]，所以測得結果

在一般系統允許的漏氣率內

◎由於系統為動態系統其氣體分子有吸附與脫附現象行為產生，

且氦氣測漏法針對實漏而壓力上升除實漏外還加上假漏(釋氣或

腔體內污染所造成) ,所以壓上升法所得漏氣率較不準確且比氦

氣測漏法所得結果大很多

2.用軟體模擬抽真空特性曲線

◎粗略真空

當粗略真空時軟體模擬(體積氣體)與實驗值的平均誤差值5.5%很

小，所以在粗略真空時可忽略釋氣

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◎中度真空、高度真空

當中度真空、高度真空時軟體模擬(體積氣體)與實驗值相誤差很

大，因為實際上在中度真空、高度真空時腔體內部會釋出大量氣

體分子，所以中度真空、高度真空時軟體模擬必須考慮釋氣

3.真空系統狀態

◎由於氦氣測漏量測結果在一般系統允許的漏氣率內，所以系統漏

氣率可忽略

◎當軟體模擬(體積氣體加釋氣)結果與真空系統本身量測誤差很

小，所以系統本身潔淨度夠沒有油氣以及其它污染

◎軟體模擬抽真空時間使用廠商提供幫浦抽速規格與實驗真空系

統抽真空時間相合，所以證明系統抽真空的真空幫浦工作效能良

好

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參考文獻

1.“真空技術與應用＂行政院國家科學委員會精密儀器發展中心

版二刷，(2001)

2.呂登復，“實用真空技術＂，黎明書店，一版三刷，(2002)

3.蘇青森 ，“真空技術精華＂，東華書局，五版三刷，(2004)

4.O＇Hanlon,John F.，A USER’S GUIDE TO VACUUM

TECHNOLOGY Professional Engineering Computataion(2003)

5.“Vacuum Technology Sofeware”，livermore，CA，USA