超高真空室的设计和制造: 通往超高真空道路上的实践经验

 

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10^-7mbar,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10-12^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?

超高真空腔体
超高真空腔体

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。.
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。
1. 吸附: 气体沉积在固体或液体的表面,如颗粒粘在室壁上。
2. 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。
3. 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。
4. 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 pWork,以便继续建造一个真空室。

前级泵,最高可达10^-3^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。

这只是摘录。
您可以将完整的申请报告下载为 PDF 文件。

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