UHV 챔버의 디자인 및 제조: 초고진공으로 가는 과정에서의 모범 사례 및 함정.

초고진공에서 재료 선택, 표면 마감 및 설계 실행의 영향은 무엇입니까? 어떤 펌핑 출력이 응용 분야에 실제로 필요합니까? 그리고 양호한 최종 압력을 달성하는 것이 왜 어려울 수 있습니까?

초고진공(UHV)은 정의에 따라 10-7 mbar의 절대 압력에서 시작합니다. 이는 outgassing이 이 압력 범위에서 최종 압력에 대해 중요해진다는 것을 의미합니다. UHV의 흐름은 분자이며, 평균 자유 경로 길이는 1 km 이상입니다. 압력이 10-12 mbar 으로 계속 떨어지면, , 자유 경로 길이는 10,000 km로 커집니다. 진공 챔버에 남아 있는 나머지 입자는 이제 용기 벽과만 상호 작용을 경험하고, 서로서로는 상호 작용을 아예 경험하지 않거나 거의 경험하지 않습니다. 이 범위에서 챔버의 재료와 표면이 중요해집니다. 그렇다면 이 압력 범위에 대한 챔버 및 구성품을 디자인, 제조 및 작동할 때 무엇을 고려해야 합니까?

UHV 챔버
UHV 챔버

재료 선택 기준

우선 챔버 벽에 대한 높은 기밀성과 낮은 고유 증기압 및 낮은 함량의 외부 기체가 필요합니다. 이를 피할 수 없는 경우 물질은 적어도 문제가 될 수 있는 잔류 가스를 신속하게 펌핑할 수 있도록 최대한 신속하게 기체를 빼내야 합니다. UHV에서 챔버 부피는 중요한 요소가 아니며, 기껏해야 펌프의 스위치가 꺼지거나 눌린 후 압력이 상승하는 동안 버퍼로 작용합니다. 이 경우 잔류 가스는 용기 벽 또는 설비의 표면 및 부피에서 나옵니다.

강도와 내부식성은 추가적인 기준입니다. 밀봉 표면은 1 bar의 압력 차이에서 변형되지 않아야 하므로 충분히 강한 재료가 필요합니다.

내부식성은 대기 중의 베이크 아웃 또는 화학적으로 활성인 공정 기체와 같은 어려운 조건에서도 보장되어야 합니다. 그러므로 재료의 내부식성을 테스트하는 것이 중요합니다. 챔버가 기밀한 상태이며 그 상태로 유지되도록 보장하기 위해서는 온도 변화 도중의 우수한 안정성과 조정된 팽창 거동이 필요합니다. 플랜지와 개스킷의 재료가 서로 맞아야 합니다.

스테인레스강과 구리는 열팽창 계수가 비슷하므로 우수한 조합입니다. 스테인리스 스틸과 알루미늄은 온도가 150°C를 넘은 이후로는 냉각 시 플랜지 연결이 더 이상 기밀하지 않기 때문에 제한적으로만 가능한 조합입니다.

속성 다음으로는 재료의 처리 및 가용성이 있으며, 이는 재료를 적정한 비용으로 처리할 수 있어야 하고 물론 사용도 가능해야 하기 때문입니다.

UHV 기술에서의 수요가 낮아 자체 재료 개발이 없으며 이미 사용 가능한 재료로 작업해야 합니다. 오스테나이트 스테인레스강은 UHV 응용 분야에 특히 적합합니다.

 
 
 
진공 챔버의 표면과 주변 기체 사이 상호 작용.
진공 챔버의 표면과 주변 기체 사이 상호 작용.

고진공에서의 효과

다음의 용어는 UHV의 표면에서 일어나는 효과를 설명합니다.
1. 흡착: 챔버 벽에 달라붙는 입자와 같은, 고체 또는 액체 표면의 기체 침전물.
2. 흡수: 고체 또는 액체에 갇힌 기체. 흡수는 종종 흡착 후 따라옵니다. 이전에는 표면에만 부착되었던 입자가 이제 챔버 벽에 내장됩니다.
3. *탈착: 환경으로의 흡착 기체 방출. 처음 두 효과에 의해 보유된 입자가 챔버 벽에서 다시 분리됩니다.
4. 침투: 액체 또는 고체를 통한 기체 운반. 침투 = 흡착 + 확산 + 탈착.

가압, 흡착 및 흡수는 입자가 고정되어 있고 진공을 방해하지 않으므로 문제가 되지 않습니다. 두 효과 모두 각각의 환기뿐만 아니라 대기와 접촉하는 모든 표면에서 발생합니다. 탈착은 양호한 최종 압력으로 가는 길에 있어서 주요한 대항자입니다. 이는 챔버 외부에 부착된 입자가 침투 과정에서 챔버 벽을 통해 확산되어 진공 챔버로의 탈착이 증가하기 때문입니다.

작동 압력의 정의

이제까지 재료의 요구 사항에 대한 몇 가지 기본 사항에 대해 설명했습니다. 다음으로 원하는 작동 압력 Pwork 를 진공 챔버 구성을 처리하기 위해 결정해야 합니다.

배압 펌프, 적합한 펌핑 용량의 고진공 또는 초고진공 펌프가 작동 압력을 제공한 후 체적을 최대 10-3 mbar 까지 펌프로 끌어냅니다. 이러한 목적을 위하여 탈착, 침투, 누출 및 공정 기체로 인한 기체 부하를 계산하거나 적어도 추정해야 합니다.

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