超高真空腔體的設(shè)計(jì)和制造

——超高真空腔體是如何煉成的

根據(jù)定義，超高真空（UHV）壓力要達(dá)到10^-7mbar，這意味著在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，表面放氣對(duì)極限壓力變得至關(guān)重要。超高真空中流動(dòng)的氣體是分子式的，平均自由路徑長(zhǎng)度超過(guò)1公里。如果壓力繼續(xù)下降到10^-12毫巴，自由路徑長(zhǎng)度就會(huì)增長(zhǎng)到10000公里。留在真空室中的剩余氣體顆粒，就只會(huì)與容器壁的相互作用，而不是或者幾乎不是氣體顆粒之間的相互作用。在這個(gè)范圍內(nèi)，真空室的材料和表面變得非常重要。那么，在設(shè)計(jì)、制造和操作這一壓力范圍的真空室和部件時(shí)，你就需要特別注意以下選擇！

材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)

首先，你需要室壁的高氣密性，以及很低的內(nèi)在蒸汽壓力和很低的外來(lái)氣體含量。如果這一點(diǎn)不能避免，材料至少應(yīng)該可以快速放氣，以便任何麻煩的殘余氣體可以被快速抽出。

在UHV中，腔室容積不是一個(gè)重要的因素，最多是在泵關(guān)閉或打開(kāi)后的壓力上升過(guò)程中起到緩沖作用。在這種情況下，殘留的氣體來(lái)自于容器壁或裝置的表面。

強(qiáng)度和耐腐蝕性是進(jìn)一步的要求。由于密封面在1 bar的壓力差下不能變形，因此材料必須要有足夠的強(qiáng)度。耐腐蝕性也必須在大氣中烘烤或化學(xué)活性的工藝氣體的侵蝕。因此，所選材料的耐腐蝕性是很重要的。在溫度變化過(guò)程中需要有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性的膨脹系數(shù)，以確保腔體是并保持緊密。法蘭和密封墊的材料必須匹配。

不銹鋼和銅具有相似的熱膨脹系數(shù)，因此是一個(gè)很好的組合。不銹鋼和鋁只是有限的匹配，因?yàn)樵跍囟瘸^(guò)150℃后，法蘭連接在冷卻后往往不再緊密。

其次是材料的加工和工藝處理。

由于超高真空需求少，無(wú)法自己去研發(fā)新材料，我們必須選擇已經(jīng)存在的材料。其中，奧氏體不銹鋼特別適合于超高真空應(yīng)用。

超高真空中的效應(yīng)

以下術(shù)語(yǔ)描述了在超高真空中發(fā)生在表面的效應(yīng)。

1. 吸附：氣體沉積在固體或液體的表面，如顆粒粘在室壁上。

2. 吸收：氣體被困在固體或液體中。吸收通常在吸附之后。以前只附著在表面的顆粒現(xiàn)在嵌入到室壁中。

3. 解吸：將吸附的氣體釋放到環(huán)境中。被前兩種效應(yīng)保留下來(lái)的顆粒再次從室壁上分離出來(lái)。

4. 滲透作用：氣體通過(guò)液體或固體的傳輸。滲透 = 吸附 + 擴(kuò)散 + 解吸。

加壓、吸附和吸收都不是問(wèn)題，因?yàn)轭w粒被固定住，不會(huì)干擾真空。這兩種效應(yīng)都發(fā)生在所有與大氣接觸的表面上，也發(fā)生在每次破大氣時(shí)。解吸是達(dá)到良好極限壓力的主要障礙。這是因?yàn)樵跐B透過(guò)程中，附著在室外的顆粒會(huì)通過(guò)室內(nèi)壁擴(kuò)散，增加了對(duì)真空室的解吸。

工作壓力的定義

現(xiàn)在已經(jīng)描述了關(guān)于材料要求的一些基本情況。接下來(lái)，必須確定所需的工作壓力，以便繼續(xù)建造一個(gè)真空室。

前級(jí)泵，最高可達(dá)10^-3mbar，抽出體積后，具有適當(dāng)抽氣能力的高或超高真空泵繼續(xù)抽氣。為此，有必要計(jì)算或至少估計(jì)由解吸、滲透、泄漏和工藝氣體產(chǎn)生的氣體負(fù)荷。

解吸

隨著時(shí)間的推移，由于金屬表面的解吸作用，氣體分子就會(huì)越來(lái)越少。

在UHV中，金屬的解吸沒(méi)有塑料那么重要。特別是墊圈，會(huì)釋放溶解在其中的氣體。因此，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，塑料的解吸可能比金屬表面的解吸占優(yōu)勢(shì)。墊圈的表面積相對(duì)較小，但隨著時(shí)間的推移，其解吸率的下降速度較慢，這一點(diǎn)被抵消了。

滲透率

滲透率是指材料的氣體滲透率或其滲透流導(dǎo)。因此，滲透作用與時(shí)間無(wú)關(guān)，與最終壓力的增加有關(guān)。它對(duì)壓差的依賴性可以用來(lái)減少壓差。所謂的差壓泵，意思是指帶有級(jí)間泵的雙密封。這也會(huì)導(dǎo)致滲透流量減少100或1000倍。然而，滲透率也取決于溫度以及介質(zhì)和材料的某些組合。一些材料對(duì)某些介質(zhì)的滲透性要比其他的強(qiáng)，例如熔融石英對(duì)氦氣的滲透。例如，彈性體的滲透率相對(duì)最高，這也與溫度密切相關(guān)。它們的滲透率在溫度增加100K的情況下會(huì)增加100倍。然而，溫度超過(guò)150°C是不可能使用彈性體的，因?yàn)镺形環(huán)會(huì)變成橢圓形。

作為一個(gè)原則問(wèn)題，不要將極低壓力（<10^-8 hPa）下的滲透與真正的泄漏混淆。

滲漏

可能的泄漏是在局部或整體泄漏檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的。在這兩種情況下，真空室都處于真空狀態(tài)。局部泄漏檢測(cè)的泄漏率：10^-10 Pa·m³/s ≈ 0.1 μm 毛細(xì)管直徑。整體檢漏的泄漏率（真空法）：10^-9 Pa·m³/s ≈ 0.3 μm 毛細(xì)管直徑。

在泄漏測(cè)試開(kāi)始時(shí)，剩余的氣體負(fù)荷應(yīng)在10^-7Pa -m³/s的范圍內(nèi)。偶爾也需要10^-10或10^-11 Pa·m³/s 的數(shù)值。然而，這些要求是理論上的，因?yàn)樗鼈儧](méi)有提供任何新的發(fā)現(xiàn)，盡管需要的時(shí)間大大增加。經(jīng)驗(yàn)表明。如果在10^-7 Pa·m³/s 時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏，在10^-10或10^-11 Pa·m³/s 時(shí)也不會(huì)發(fā)現(xiàn)。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行泄漏測(cè)試時(shí)，重要的是要注意，沒(méi)有指示不等于沒(méi)有泄漏，因?yàn)闇y(cè)試氣體氦氣的抽氣速度和室中的真空度會(huì)影響信號(hào)。如果有泄漏，氣體會(huì)流入室中，分散開(kāi)來(lái)，并以相對(duì)較低的概率擊中與檢漏儀連接的管道。此外，如果過(guò)程太快，信號(hào)也會(huì)被掩蓋。

接頭和內(nèi)在蒸汽壓力

接頭代表額外的解吸表面。這種影響可以通過(guò)使用低放氣率的材料、干凈的工件和事先對(duì)部件進(jìn)行放氣來(lái)減輕解吸氣源。

本身的蒸汽壓力對(duì)油和油脂起著重要作用。由于它限制了最終的真空壓力，它應(yīng)該足夠低。這種影響也存在于金屬中。例如，在溫度超過(guò)100 °C時(shí)，黃銅中的鋅分壓會(huì)大量增加，所以不建議在這個(gè)領(lǐng)域使用。

在施工過(guò)程中，應(yīng)消除通風(fēng)不良的體積（虛擬泄漏）。如果不能避免高的氣體負(fù)荷，例如因?yàn)橐肓藲怏w，必須使用高放氣率的材料或需要濺射表面，泵的有利選擇和定位可以改善這種情況。

超高真空室的實(shí)際設(shè)計(jì)

對(duì)于真空室沒(méi)有一套強(qiáng)制性的規(guī)則，與壓力容器如氣瓶或油罐車相當(dāng)不同。對(duì)于真空室的設(shè)計(jì)，可以參考相關(guān)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，如壓力容器的AD 2000。通常使用壓力容器、圓柱形外殼或圓盤(pán)底部的計(jì)算。也可以使用有限元方法（FEM）進(jìn)行計(jì)算。然而，這種情況下，必須考慮到壓力比是相反的，特別是在對(duì)稱的部件和管道的情況下。在真空室中，壓力從外部作用，這就是為什么會(huì)發(fā)生彈性彎曲和塑性變形。此外，必須考慮到真空室的所有操作條件。例如，烘烤過(guò)程中溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降。還有一些額外的負(fù)載，如腔體上的管腳，會(huì)給主體帶來(lái)側(cè)向負(fù)載。

機(jī)械指令和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

沒(méi)有真空室獲得CE標(biāo)志，這是為什么？一個(gè)部件必須在歐盟指令的范圍內(nèi)，該指令規(guī)定了CE標(biāo)志，才能獲得CE標(biāo)志。由于真空室不是一臺(tái)機(jī)器，這不適用于真空室。因此，沒(méi)有符合性聲明，沒(méi)有CE標(biāo)志，也沒(méi)有合并聲明。

然而，如果在真空室上安裝的部件是機(jī)器，這就改變了。然后，產(chǎn)品責(zé)任在于將產(chǎn)品投放市場(chǎng)的人，即可能是經(jīng)營(yíng)者。整個(gè)系統(tǒng)要根據(jù)EN ISO 12100進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，它遵循安全設(shè)計(jì)的三階段理論。這些要求是（按優(yōu)先級(jí)遞減）。首先，必須通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)消除危險(xiǎn)。如果沒(méi)有危險(xiǎn)點(diǎn)，就不存在風(fēng)險(xiǎn)。如果不能避免危險(xiǎn)，就必須采取技術(shù)保護(hù)措施，如封閉危險(xiǎn)區(qū)域。如果這也無(wú)法實(shí)施，則必須在操作說(shuō)明中讓用戶了解危險(xiǎn)。

焊接

焊接是真空容器制造的核心過(guò)程。通過(guò)從內(nèi)部進(jìn)行焊接，可以避免體積的夾雜。如果有必要，有支持性的焊縫，從外面看是不連續(xù)的。如果焊縫在內(nèi)部和外部都是連續(xù)的，可能會(huì)出現(xiàn)虛擬的泄漏。在這種情況下，無(wú)法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊縫的泄漏，而且很難抽出困在焊縫之間的氣體。例如，如果由于空間的限制，不可能從內(nèi)部進(jìn)行焊接，則只焊接外部。這些焊縫是*通過(guò)焊接而成的，這樣就不會(huì)在真空側(cè)留下狹窄的縫隙。

由于強(qiáng)烈的局部加熱，會(huì)發(fā)生焊接變形。因此，有經(jīng)驗(yàn)的焊工事先確定要焊接的焊縫順序，以便將變形控制在ZUIDI限度。功能面如密封面一般需要額外返工。

資格認(rèn)證可以用來(lái)確定一個(gè)公司是否具有必要的焊接經(jīng)驗(yàn)。焊接和程序資格測(cè)試可以了解執(zhí)行工作的公司的能力。

鎢極惰性氣體（TIG）焊接、激光焊接和電子束焊接，是真空焊縫最常見(jiàn)的焊接工藝。

焊接會(huì)導(dǎo)致焊縫的微觀結(jié)構(gòu)差異，機(jī)械、磁性以及化學(xué)性能在這一領(lǐng)域發(fā)生變化。必須特別注意的是磁性能。快速冷卻會(huì)導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變，從而增加相對(duì)磁導(dǎo)率。這特別影響到使用磁場(chǎng)的應(yīng)用，例如在粒子加速器中。腔體材料和外部磁場(chǎng)的相互作用必須非常小，幾乎感覺(jué)不到。

超高真空的清潔

最后，真空室必須清潔，以達(dá)到適合特高壓的清潔度。然而，在真空室的制造過(guò)程中，通過(guò)使用清潔的材料和避免污染，例如低碳鋼，奠定了這個(gè)基礎(chǔ)。鍛造過(guò)程中形成的水垢層被*清除。機(jī)器使用的潤(rùn)滑劑是水溶性的，不允許在上面干燥。作為精加工的一部分，焊接產(chǎn)生的污垢通過(guò)刷子、研磨（使用碳化硅SiC）、玻璃珠鋼化、酸洗或電子拋光來(lái)去除。在這個(gè)過(guò)程中只使用干凈的工具。最后，污染物在清洗槽（如超聲波）中被*清除，任何最后的清潔劑殘留都通過(guò)*去礦物質(zhì)或去離子水的*沖洗來(lái)清除。

最高程度的清潔是通過(guò)真空退火實(shí)現(xiàn)的，也稱為低氫退火或退磁退火。在這個(gè)過(guò)程中，奧氏體不銹鋼在950 - 1,050 °C下，在p < 10^-4 hPa的真空下進(jìn)行退火。在氮?dú)猸h(huán)境中冷卻時(shí)，必須在半小時(shí)內(nèi)通過(guò)900-550℃的溫度范圍。

然而，法蘭的切割邊緣有足夠高的強(qiáng)度是退火的先決條件，所以它們應(yīng)該由1.4429ESU制成，這是一種通過(guò)電渣重熔工藝獲得的高純度鋼，而不是1.4307。

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作者：深圳市科銳詩(shī)汀科技有限公司真空技術(shù)中心

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