抽真空构造：超高真空室是怎么做出来的
抽真空构造：超高真空室是怎么做出来的由于超高真空技术的低需求，没有自己的材料开发，我们必须使用已经存在的材料。奥氏体不锈钢特别适合于超高真空应用。性能其次是材料的处理和可用性，因为它们应该能够以合理的可负担的努力进行加工，当然还必须有可用的材料。强度和耐腐蚀性是进一步的标准。由于密封面在1 bar的压力差下不能变形，因此需要足够强度的材料。耐腐蚀性也必须在困难的条件下得到保证，如在大气中烘烤或化学活性的工艺气体。因此，测试材料的耐腐蚀性是很重要的。在温度变化过程中需要有良好的稳定性和适应性的膨胀行为，以确保腔体是并保持紧密。法兰和密封垫的材料必须匹配。不锈钢和铜具有相似的热膨胀系数，因此是一个很好的组合。不锈钢和铝只是有限的匹配，因为在温度超过150℃后，法兰连接在冷却后往往不再紧密。
材料选择、表面处理和设计执行在超高真空中的影响是什么？应用中实际需要的抽气功率是多少？以及为什么会难以达到良好的极限压力？
根据定义，超高真空（UHV）压力要达到mbar，这意味着在这个压力范围内，表面放气对极限压力变得至关重要。超高真空中的流动是气体是分子式的，平均自由路径长度超过1公里。如果压力继续下降到毫巴，自由路径长度就会增长到10000公里。留在真空室中的剩余颗粒现在只经历与容器壁的相互作用，而不是，或几乎不是相互作用。在这个范围内，真空室的材料和表面变得非常重要。那么，在设计、制造和操作这一压力范围的真空室和部件时，你需要考虑什么？
# 材料选择的标准
首先，你需要室壁的高气密性，以及低的内在蒸汽压力和低的外来气体含量。如果这一点不能避免，材料至少应该快速放气，以便任何麻烦的残余气体可以被快速抽出。在UHV中，腔室容积不是一个重要的因素，最多是在泵关闭或推开后的压力上升过程中起到缓冲作用。在这种情况下，残留的气体来自于容器壁或装置的表面和体积。
强度和耐腐蚀性是进一步的标准。由于密封面在1 bar的压力差下不能变形，因此需要足够强度的材料。
耐腐蚀性也必须在困难的条件下得到保证，如在大气中烘烤或化学活性的工艺气体。因此，测试材料的耐腐蚀性是很重要的。在温度变化过程中需要有良好的稳定性和适应性的膨胀行为，以确保腔体是并保持紧密。法兰和密封垫的材料必须匹配。
不锈钢和铜具有相似的热膨胀系数，因此是一个很好的组合。不锈钢和铝只是有限的匹配，因为在温度超过150℃后，法兰连接在冷却后往往不再紧密。
性能其次是材料的处理和可用性，因为它们应该能够以合理的可负担的努力进行加工，当然还必须有可用的材料。
由于超高真空技术的低需求，没有自己的材料开发，我们必须使用已经存在的材料。奥氏体不锈钢特别适合于超高真空应用。
真空室表面和周围气体之间的相互作用。
# 超高真空中的效应
以下术语描述了在超高真空中发生在表面的效应。
- 吸附：气体沉积在固体或液体的表面，如颗粒粘在室壁上。
- 吸收：气体被困在固体或液体中。吸收通常在吸附之后。以前只附着在表面的颗粒现在嵌入到室壁中。
- 解吸：将吸附的气体释放到环境中。被前两种效应保留下来的颗粒再次从室壁上分离出来。
- 渗透作用：气体通过液体或固体的运输。渗透 = 吸附 扩散 解吸。
加压、吸附和吸收都不是问题，因为颗粒被固定住，不会干扰真空。这两种效应都发生在所有与大气接触的表面上，也发生在每次通风时。解吸是达到良好极限压力的主要对手。这是因为在渗透过程中，附着在室外的颗粒会通过室壁扩散，增加了对真空室的解吸。
# 工作压力的定义
现在已经描述了关于材料要求的一些基本情况。接下来，必须确定所需的工作压力，以便继续建造一个真空室。
前级泵，最高可达 mbar，抽出体积后，具有适当抽气能力的高或超高真空泵提供工作压力。为此，有必要计算或至少估计由解吸、渗透、泄漏和工艺气体产生的气体负荷。
下面将解释不同的气体负荷Qi是如何被影响的。它们与泵的有效吸力相对应，这取决于气体、压力和安装类型。
|
泵的最终压力，取决于泵的选择。 | |
|
有效的泵送速度，取决于气体、压力和安装类型。 | |
|
由于解吸而产生的气体负荷。它取决于材料和表面的选择，包括清洁度。解吸是通过烘烤来加速的。 | |
|
渗透也取决于材料的选择以及室的尺寸。 | |
|
泄漏是通过适当的制造技术来防止的。 | |
|
工艺气体和内在蒸汽压力，取决于应用。 |
多级罗茨泵ACP，立方室和真空阀。
ISO-KF组件
# 解吸
随着时间的推移，由于金属表面的解吸作用，气体负荷会减少。假设从时间t>开始，下降是线性的。被假设为一小时。因此，解吸流程可以描述如下。
|
金属的解吸流量[Pa·/s]。 | |
|
金属的解吸流密度（面积比）[Pa ·/s ·]。 | |
|
溶解气体分子的金属面积[]，以及 | |
|
t |
表面处于真空状态的时间[s]。 |
在UHV中，金属的解吸没有塑料那么重要。特别是垫圈，会释放溶解在其中的气体。因此，经过较长时间后，塑料的解吸可能比金属表面的解吸占优势。垫圈的表面积相对较小，但随着时间的推移，其解吸率的下降速度较慢，这一点被抵消了。假设时间上的减少是随着时间的平方根发生的。
因此，塑料表面的气体积聚可以描述如下。
|
塑料的解吸流量 [Pa·/s]。 | |
|
塑料的解吸流密度（面积比）[Pa ·/s ·]。 | |
|
塑料的面积[]，气体分子从中分离出来，和 | |
|
t |
表面处于真空状态的时间[s]。 |
然而，只有具有能量 >的粒子才会解吸。
提高温度，也就是烘烤室，是提供这种能量的最简单方法。
表面的具体属性（如生产、进一步加工、清洁）对与面积有关的气体排放qDes有很大影响。变化10倍或更多，需要增加10倍的抽气功率。
解吸和渗透--计算示例，试验室（a）未加热，（b）已烘烤。 解吸和渗透-计算示例，试验室a 未加热，b 已烘烤。
一个典型的例子室的计算说明了这一点。
1. 不锈钢圆柱形主体
a）直径600毫米，长度1 000毫米，面积约25 000平方厘米
b）各种法兰出口（金属密封）导致额外的面积约为8 000平方厘米，不锈钢总面积。33 000 cm²。
2. 带氟碳橡胶（FKM）O型圈的主法兰盘
a）直径640毫米，帘线厚度7毫米，沟槽深度5.25毫米 FKM真空面积：约106平方厘米
b）宽度（压制）：约7.3毫米
3. 安装聚四氟乙烯（PTFE）板 50 · 50 · 10
a）PTFE面积：70 cm²。
你也可以为主法兰盘采取一个金属垫片。然而，由于这只能使用一次，必须在每次开放后更换，每次开放将导致约1000欧元的成本。此外，在制造腔室的过程中还有法兰和密封件的损耗。这些额外的费用只有在特殊情况下才是值得的，因此在我们的例子计算中没有考虑。
由于配件而产生的气体负荷由PTFE板来代表。这是一个相当小的区域，具有很高的解吸率。
图2中的图表说明了解吸的计算。假设一个干净的受体表面。表面的解吸量取决于清洁度，很可能是1·hPa·l/s的五倍。图2显示，1 000 l/s的有效泵送速度导致三天后的压力 为1.8·hPa。
配件解吸
想要了解更多，欢迎大家关注我们的知乎账号：德国普发真空-知识中心。
同时也欢迎大家关注我们的微信公众号（ID：普发真空）。
动动手指点个赞吧，给予我们更多分享动力！
