【正文】 在電真空器件中，因為離子轟擊對器件陰極的危害很大。利用離子源或空間輝光放電而產(chǎn)生的氣體離子轟擊被除氣的表面，使吸附在材料表面層的污染物（吸附氣體、氧化物等）發(fā)生濺射作用而分解解吸出來。由于重離子的濺射作用比較強烈，因此常將惰性氣體離化作為轟擊離子。用于離子轟擊除氣的離子能量一般為 200～ 1000eV。 玻璃及陶瓷材料的除氣 玻璃材料的除氣在玻璃的制備過程中，氣體被捕獲于玻璃內(nèi)部成為合成產(chǎn)物，而且還被吸附在表面上，這些氣體主要由H2O（ ~90% ）、 CO2和 O2組成。因而在真空環(huán)境中使用的玻璃至少應(yīng)該在其最高工作溫度下進行徹底的烘烤除氣。 玻璃放出的主要氣體種類取決于所加能量的形式：烘烤加熱 主要放出水，電子轟擊放出氧， 紫外和 γ 射線 放出氫和水，對硼玻璃進行 中子轟擊 可放出氦。常溫下玻璃本身固有的蒸氣壓很低（ 1013~1023Pa） 玻璃在烘烤加熱時的氣源主要來自表面、表層和內(nèi)部三個方面： （ 1）表面 玻璃表面存在大量的 OH－ ，對水的親和力很強，因此玻璃表面吸附了大量的水分子（包括少量的 CO2）。這部分氣體與表面結(jié)合不牢，屬于物理吸附和弱化學(xué)吸附。一般在真空中加熱到 150~200℃ 左右時，在幾分鐘內(nèi)可從大部分玻璃上解吸。（ 2）表面風(fēng)化層 玻璃存在一個獨特的風(fēng)化表面層。含堿性氧化物越多的玻璃（鈉玻璃、鉛玻璃等）因其堿性氧化物化學(xué)穩(wěn)定性差，易受水汽侵蝕，所以越容易風(fēng)化。 風(fēng)化層厚度一般為幾微米，所含氣體主要是 H2O，其氣體量約為 。玻璃如果長時間處于高溫、潮濕的環(huán)境中，風(fēng)化層還會加厚，甚至使玻璃失去透明性，這時的含氣量將顯著增大。鋁硅玻璃由于其成分中含有較多的 Al2O3，使其抗水性大大增強，因此沒有風(fēng)化層。玻璃在真空中加熱到 300~400℃ 左右時，水可從 SiOHOHSi結(jié)構(gòu)中平穩(wěn)脫出，形成了 SiOSi + H2O，并使玻璃的風(fēng)化層復(fù)原。玻璃表層中的水分子的擴散激活能約為 20千卡 /克分子 ，除掉表層內(nèi)的氣體需要在 300~400℃ 下加熱 1小時左右。 已 風(fēng)化的玻璃在相對濕度于 60% 的干燥空氣中加熱到 450℃ 1小時左右可以除去風(fēng)化層，其效果與真空除氣相當(dāng)。玻璃的風(fēng)化層也可以用 1%HF 酸去除，但 電真空器件不能用該方法。 (3)體內(nèi) 玻璃體內(nèi)含有大量的氣體，主要是 H2O及少量的 CO O2和 SO2。這些氣體是在玻璃熔煉和熱加工期間溶解進去的，其濃度與堿金屬含量有關(guān)，普通玻璃約在 ，無堿玻璃只有該值的 1/100。玻璃體內(nèi)的 OH–主要靠替位式擴散向表面遷移，擴散速率很低而且需要很高的擴散激活能。只有當(dāng)加熱溫度高于 450℃ 時，玻璃體內(nèi)才產(chǎn)生緩慢放氣現(xiàn)象，而且放氣過程與溫度成指數(shù)關(guān)系。要想在真空環(huán)境下工作的玻璃得到徹底地除氣，一般要將玻璃元件加熱到玻璃的應(yīng)變點 (即粘度為 P時的溫度 )以下幾十度進行較長時間的烘烤除氣。如果玻璃的工作溫度不超過 300℃ ，則體內(nèi)放氣對器件的真空度幾乎沒有影響，可以不考慮。表 4 幾種常用玻璃加熱時各部位的出氣總量和出氣比例玻璃 種類 加熱參數(shù) 出氣總量(H2O+CO2)(102 )各部位出氣比例 (％ ) 表面 表層 內(nèi)部鈉鈣 玻璃硼硅 玻璃鋁硅 玻璃380℃ 2h380℃ 2h380℃ 2h 5860～ 1003132—118～ 103玻璃加熱時的出氣主要來自表面和表層，內(nèi)部出氣的比例較小。其中鋁硅玻璃的出氣幾乎全部來自表面，能烘烤到 600 ~ 650℃ ，其出氣量和滲氣率遠低于其它玻璃，是一種優(yōu)良的真空 材料。圖 4幾種玻璃出氣量隨溫度的變化曲線（試樣面積 350m2，在每個溫度下的加熱時間為 3h）1鈉鈣玻璃 ； 2硼硅玻璃 ； 3鉛玻璃陶瓷材料的除氣如果想要去除玻璃元件中的氧或表面的氧化物，則可在高真空下烘烤除氣的同時進行電子轟擊除氣。電子的轟擊能量為 10~25keV，電子轟擊時玻璃所放出的氣體的 95% 是氧氣，其余的主要是二氧化碳和氫。 陶瓷烘烤加熱時的出氣量和氣體成分與陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。陶瓷中的玻璃相與玻璃一樣親水，故玻璃相百分比高和粗糙多孔的陶瓷，在加熱時均會放出大量的水汽。在同一溫度下，多孔陶瓷（燒結(jié)溫度 1550℃ ）的出氣率比相同成分的真空密實瓷（燒結(jié)溫度 1750℃ ）高幾倍，其出氣成分主要是水、二氧化碳和一氧化碳。兩者比較見表 5。表 5 相同成分的多孔陶瓷與真空密實陶瓷在 500℃ 烘烤時的出氣量 陶瓷零件在裝配前可預(yù)先在真空室內(nèi)烘烤除氣，烘烤溫度 800 ~ 1000℃ 。裝入真空系統(tǒng)內(nèi)的陶瓷件的除氣溫度一般選為 450~500℃ ，保溫幾小時，可使材料的表面出氣率減少到 。陶瓷種類 出氣量（ 101Pa.L/g） 出氣總量（ 101）H2 CO+N2CO2 H2O多孔陶瓷密實陶瓷對在真空封閉環(huán)境中使用的器件（如真空管），可以用多孔陶瓷做內(nèi)部構(gòu)件。在其排氣時進行嚴格的烘烤加熱除氣，在器件封離后，多孔陶瓷的表面能吸附大量氣體，有助于保持器件內(nèi)的真空度。對于不能進行充分烘烤除氣的器件，最好采用真空密實陶瓷。總的說來，陶瓷的出氣率要遠遠低于玻璃的出氣率。陶瓷件經(jīng)過清潔處理與除氣后，應(yīng)存放在真空或干燥清潔環(huán)境中。在器件的裝配過程中，要嚴防陶瓷件受到污染，特別是有機物的污染，否則出氣量會顯著增大并降低其表面絕緣性能。 金屬材料的除氣 金屬材料在熔煉與加工過程中會溶解和吸收一定量的氣體。當(dāng)金屬處于真空中時，這些氣體就會不斷放出，其放氣速率取決于氣體與金屬結(jié)合能、烘烤加熱溫度（或粒子轟擊能量）及金屬含氣量。金屬的出氣主要來自兩個方面 （見圖 5） ：表面脫附的氣體和表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。表面吸附氣體的除氣 金屬表面的氣體包括物理吸附和化學(xué)吸附的氣體。表面氣體吸附量的多少主要與表面狀況，如粗糙度、氧化層得性質(zhì)與厚度、污物種類和數(shù)量等有關(guān)。 圖 5金屬出氣示意圖1— 表面吸附氣體 ； 2— 表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體 金屬在真空中加熱時，在 200℃ 以內(nèi)主要是水及其它易揮發(fā)物質(zhì)脫附。在 200~250℃ ，表面的水很快（一般在幾分鐘之內(nèi)）便全部放出，同時處于氧化層中的吸附水也開始釋放，釋放速率決定于水分子通過不同長度與直徑的微孔或晶格與晶界（氧化物是多晶體時）的擴散速率。為加快氧化層水氣的放出，需要烘烤到300~400℃ 。去除化學(xué)吸附氣體所需的脫附溫度 Td，可按下面經(jīng)驗公式計算：Td≈20EdKEd是化學(xué)吸附激活能，表征氣體分子與表面結(jié)合的牢固程度。 表 6 不同氣 — 固組合的 Td 和 Ed 值 氣 — 固 組合 Td（ ℃ ） Ed(kJ/mol) 金 屬 氣 體 Fe(1535)O N H2CH CO122 52 367108 367 31 、 13428 134Ni(1455)O COH C2H4232 42732 887 54 12 243W(3380)O N H2CH CO、 CO2 360 142 627176 172 226781 35 18842 41 511Ta(3030) N H CH4 252 62 2487 58 18 578 Mo H2 527 167 表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體去除 金屬加熱到 600℃ 以上時，溶解在金屬體內(nèi)的各種雜質(zhì)（在金屬熔煉過程中溶解的氣體、坩堝材料及添加劑等）原子以不同速率向表面擴散。它們在表面復(fù)合成分子，或與表面氧化膜作用，生成 CO、 CO H2O、 H N2及CnHm等并脫附到真空容器空間中。 CO、 CO2是由體內(nèi)擴散到表面的碳原子與表面氧化物或氣相中的 O2和 H2O反應(yīng)生成的。H2O和 CnHm則由體內(nèi)擴散出的氫原子分別與表面氧化物及碳原子化合而成。Ti、 Ta、 Al等金屬幾乎在任何溫度下都放出 H2（出氣總量的 90~99% ）， Ni、 Cu、 Mo、鋼等主要放出含氧氣體，其量隨溫度升高而增大，在 1000~1200℃ 時能達到出氣總量的 80~90% 。生成氣體的種類和數(shù)量與反應(yīng)物的種類和濃度有關(guān)。例如，富氧表面主要放出 CO2，當(dāng)表面碳原子濃度大于氧原子濃度時（碳原子擴散速度比氧原子約大 100倍），主要放出 CO。表面氧化層及氣相中的氧量如大于金屬體內(nèi)碳和氫的含量，則由表面反應(yīng)造成的出氣過程將一直進行到碳、氫耗盡為止。 圖 6的試驗曲線 表明， Fe和 Ni的出氣量與其含碳量有密切關(guān)系。 圖 6鋼片在 850℃ 溫度下加熱 4min時放出的的 CO和 CO2量與含碳量的關(guān)系金屬件除氣的一般方法及工藝參數(shù)一般情況下，真空系統(tǒng)中的金屬件及真空室殼體可以用真空烘烤方法除氣。除氣在真空中進行可以更容易地去除金屬表面的易揮發(fā)雜質(zhì)、氧化物和清洗后殘留的各種有機和無機污物。因為金屬表面解吸出氣和體內(nèi)擴散出氣，都隨溫度升高而增大，所以烘烤有助于除去吸附和溶解的氣體。通常將金屬材料加熱到它能承受得住得最高溫度下進行除氣。一般零件在裝入真空系統(tǒng)之前應(yīng)當(dāng)在真空烘箱內(nèi)進行除氣。零件在除氣前 首先進行表面去油 ；化學(xué)清洗 去除表面的氧化物層和其它污染物 ，然后在真空內(nèi)加熱除氣。真空除氣通常在氣體壓力為 102~103Pa的真空室內(nèi)進行。金屬零件 真空除氣的最高溫度，一般可選為材料的退火溫度 ，這樣在保證零件具有良好真空性能的同時，還可以消除掉零件加工過程中造成的內(nèi)應(yīng)力。對于支架和彈簧等預(yù)應(yīng)力零件，烘烤溫度應(yīng)低于退火溫度 ；鋁零件因熔點較低，所以烘烤溫度不能超過 500℃ ；對于厚壁或直徑大的零件，則應(yīng)適當(dāng)延長烘烤（退火）時間。常用材料的退火溫度見表 7。表 7 常用材料的最高烘烤除氣（退火）溫度試驗表明：對于真空工程中常用的不銹鋼及鋁（或鋁合金）材料來說， 烘烤加熱除氣 和 輝光放電 除氣后的出氣率大致相同，但是解吸物的組分卻不相同。在烘烤除氣中的試件樣品的殘余氣體主要由 COCO、 H2O及 H組成，而輝光放電除氣試樣的殘余氣體主要成分則為 H（ ≥95% ）。 電真空器件的除氣除氣是電真空器件制造過程中的關(guān)鍵工序之一，將總裝封焊好的器件抽真空并對外殼、電極及消氣劑等進行適當(dāng)處理，使之達到一定的真空要求的過程稱為除氣。各種長壽命、高可靠性器件的除氣，不僅要求較高的真空度，而且要求控制殘余氣體的組分。除氣不良對器件質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在：（ 1）殘余氣體中的某些成分與陰極發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，損害陰極的發(fā)射能力；（ 2）殘余氣體電離形成大量正離子使空間電子電荷部分中和，造成電位分布畸變，影響器件的特性，如使柵流增高、噪聲增大等；另外，正離子在電場作用下飛向低電位電