真空技术书籍,第二版

2.2.3 涡轮分子泵机组

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 放气都将会延长抽空 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

如果本底压力 $p_b$ 由通过漏孔渗透流进容器的气体 $Q_l$ , 从金属 表面释放的气体 $Q_{des,M}$ 和从密封件释放的气体 $Q_{des,K}$ 产生 的平衡压力组成:

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

公式 2-13: 真空系统的本底压力

$p_b$ 本底压力 [Pa]
$Q_l$ 通过泄漏和渗透的气体流量 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,M}$ 金属表面的出气量 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,K}$ 密封件的出气量 [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 t1 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 = 36.8m3 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 685 l s-1 的HiPace 700泵。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

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

我们计算达到本底压力所花的时间

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

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

计算得到的 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, 烘烤温度受到所使用 FPM 密封件的限制,它可 轻松地承受370 K的温度。这样,解吸速度在理论上会提高三 个数量级 [22]。 而且烘烤时间实际上将缩短至几个小时。

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),也可使高解吸速率得到降低。

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 高出所需本底压力 100倍后, 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. 下工作,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给定的因数

$\frac{t_0}{\sqrt{t_4}}$ 降低

给定的因数降低。

其中的原因是逸出的气体不仅附着在材料表面上, 而且必须 从密封件内部扩散出来。因此,随着抽空时间的延长, 从塑 料中的解吸相比于从金属表面的脱附而言占主导地位。 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。

在该式中, $t_0$ = 3600 s 且 $q_{des,K}$ 值均是从 FPM 图 [23] 中查 出。可以看出,冷态密封的气体解吸对抽空时间的影响与金 属表面放气属于同一量级。

由于密封件内部释放出的气体向外扩散过程将确定解吸气体 流量随时间的变化,所以扩散系数 $D$ 对温度的依赖性将对抽 气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 对本底压力具有限制作用,这就是他们不适合用于超高真空 的原因。

泄漏率和渗透率

通过漏孔进入真空系统的气体流量是恒定的,并依据指定抽 速产生平衡压力:

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

如果该 压力小于工作压力的 10%,则认为系统足够密闭。 为 10-9 Pa m3 s-1 量级的泄漏率通常很容易实现, 也是系统所必需的。这表明泄漏率的压力分量为 $p_{leak}$ = 1.46 · 10-11 hPa。时不会产生干扰,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本底压力还是有 限制作用的。

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,而无需采取任何额外的措施。

如果要获得高达 10-4 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 需本底压力。

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。

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。