真空技术书籍,第二版

2.2.3 涡轮分子泵组

2.2.3.1 使用涡轮分子泵组将腔体抽至 10-8 hPa

在 12 小时内将光亮不锈钢制成的容器排空至压力 $p_b$ 为 10-8 hPa。从第 1.3 章可看出,除纯粹的空气抽空时间外,还要将 其他影响考虑在内。水蒸气和吸附气体的解吸以及密封件的 脱气都将会延长抽空 时间。获得 10-8 hPa 压力所需的抽空时 间包括以下内容:

$t_1$ =前级泵达到 0.1 hPa 的抽空时间

$t_2$ =涡轮分子泵达到 10-4 hPa 的抽空时间

$t_3$ = 不锈钢表面解吸的抽吸时间

$t_4$ = 使 FPM 密封件脱气的抽吸时间

所需底压 $p_b$ 由通过泄漏和渗透流进容器的气体 $Q_l$ , 以及从金 属表面释放的气体 和从密封件释放的气体 $Q_{des,M}$ 产生 $Q_{des,K}$ 的平衡压力组成:

\[p_b=\frac{Q_l}{S}+\frac{Q_{des,M}(t_3)}{S}+\frac{Q_{des,K}(t_4)}{S} \]

公式 2-13: 真空系统的底压

$p_b$ 底压 [Pa]
$Q_l$ 通过泄漏和渗透的气体流量 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,M}$ 金属表面的出气 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,K}$ 密封件的出气 [Pa m3 s-1]

容器具有以下数据:

$V$ 容器体积 0.2 m3
$A$ 容器表面积 1.88 m2
$A_k$ FPM 密封件的密封表面积 0.0204 m2
$Q_l$ 1.0 ⋅ 10 -9Pa m3 s-1
$q_{des_M}$ 不锈钢面积有关的解吸率 2.7 ⋅ 10 -4Pa m3 s-1 m-2
$q_{des_K}$ FPM 面积有关的解吸率 1.2 ⋅ 10 -4Pa m3 s-1 m-2

前级泵应在 $t_1$ 为 180 s 的时间内将容器排空至 0.1 hPa in, 而且还应该在气镇阀开启时能够实现这一压力。体积流量可 以通过 公式 2-9 获得:

$S_{backing pump}=\frac{V}{t_1} \cdot \mbox{ln} \frac{p_0}{p_1} = 10.2 l s^-1 = 36.8 h^-1$

我们选择抽速为 $Sv$ = 35 m3 h-1的 Duo 35。

涡轮分子泵的抽速大约应该是前级泵抽速的 10 至 100 倍, 以抽空吸附在 金属表面的蒸汽和气体。我们选择抽速 $S_{HV}$ 为 of 685 l s-1 HiPace 700。使用 公式 2-9,我们得出

$t_2=\frac{V}{S_{turbopump}} \cdot \mbox{ln} \frac{p_1}{p_2} =2.0 s$

容器表面的解吸

气体分子(主要是水分子)吸附在真空腔体的内表面,并逐 渐在真空下再次蒸发 。 金属表面的解吸率以$t^-1$的速度下 降。时间常数 $t_0$ 为大约1 h。

使用第 1 章的公式 1-32

$Q_{des}=q_{des} \cdot A \cdot \frac{t_0}{t_3}$

我们计算达到底压所花的时间

$p_{b3}=1.0 \cdot 10^-6 Pa$

$t_3=\frac{q_{des,M} \cdot A \cdot t_0}{S \cdot p_{b3}}=2.67 \cdot 10^6 s=741 h$

得到的 741 小时太长。必须通过烘烤容器来缩短该过程。 选择的烘烤温度要防止损害对温度最敏感的材料。在我们的 例子中,温度受到使用 FPM 密封件的限制,其可轻松承受 370 K的温度。因此,解吸速度在理论上将增加 1,000 多个 系数结果为 [22]。而且烘烤时间实际上将缩短至几个小时。

高解吸率也可 通过在真空下对容器进行退火处理或通过某些 表面处理(抛光、酸洗)方式降低。

由于很多预处理的影响发挥作用,所以不可能精确 预测随时 间变化的压力曲线。然而,如果烘烤温度大约为 150°°C,在 获得的压力 高出所需底压 100 个系数 后,即可关闭加热 器。在真空室冷却后,则可获得所需压力 $p_{b3}$ 。

密封件解吸

如果在温度低于 10-6 hPa. 下操作,则塑料的出气率很重要。 虽然密封件的表面积相对较小,解吸仅根据第 1 章中公式 1-33

$\frac{t_0}{\sqrt{t_4}}$

给定的因数降低。

其中的原因是逸出的气体不仅附着在表面上,而且必须从密 封件内部扩散出来。因此,随着抽吸时间的延长,从塑料中 的解吸相比于从金属表面而言占主导地位。根据第 1 章中公 式 1-33 计算塑料表面的出气率。

$Q_{des,K}=q_{des,K} \cdot A_d \cdot \frac{t_0}{\sqrt{t_4}}$

我们使用 $Q_{des,K} = S \cdot p_{des,K}$ 并获得以下

$p_{b4}$=10-8hPa: $t_4$=459 ⋅ 106 s = 1277 h。

在该连接中, $t_0$ = 3600 s 且关联值 $q_{des,K}$ 从 FPM 图 [23] 中 读出。可以看出,冷密封解吸对抽空时间的贡献类似于金属 表面的量级。

由于密封件内部释放的气体扩散将确定解吸气体流量随时间 的变化,扩散系数 $D$ 对温度的依赖性将对抽吸时间具有关键 性影响:

\[ D=D_0 \cdot \mbox{exp} \left(-\frac{E_{dif}}{R \cdot T} \right) \]

公式 2-14: 扩散系数 (T)

随着温度的上升,扩散系数也增加;但是它不会如金属表面 解吸率那样猛增。因此,我们看到弹性体密封件因其解吸率 对底压具有限制作用,这就是他们不适合于产生超高真空的原 因。

泄漏率和渗透率

通过泄漏进入真空系统的气体流量是恒定的,且给定抽速产 生压力:

$p_{leak}=\frac{Q_{leak}}{S}$

如果该 压力小于工作压力的 10%,则认为系统足够紧密。泄漏率为 10-9 Pa m3 s-1 通常很容易实现,并且是该系统所 需的。这导致泄漏率的压力分量 $p_{leak}$ = 1.46 · 10-11 hPa。该值不会产生干扰,可不予考虑。

通过金属壁的渗透率不会影响该示例中所需的最终压力;但 是通过弹性体密封件的扩散对所选例子中的底压也具有限制 作用。

总结

清洁容器中高达 10-7 hPa 的压力大约可在一天的时间内获 得,而无需任何额外的措施。

如果要获得高达 10-4 hPa hPa 的压力,前级泵和涡轮泵的抽空时 间必须加在一起。在上述情况下,这大约是 200 s。在压力小 于 10-6 hPa 时,需要涡轮分子泵具有高抽速,特别是为了抽 空从金属壁解吸的水分。

如果要在几个小时内获得压力 pb 为 10-8 hPa ,这将只可能通 过另外烘烤真空容器(90 至 400°C)。在已达到所需压力的 100 倍后,关闭加热器。在真空容器冷却后,则可达到所需 底压。

在压力小于 10-8 hPa 时,应只使用金属密封件,以避免 FPM 密封件的高解吸率。

L在压力高达 10-10 hPa 时,可以很容易的将金属容器中的泄漏 率和渗透率保持足够低。

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