超高真空腔体的设计和制造

——超高真空腔体是如何炼成的

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。超高真空中流动的气体是分子式的，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气体颗粒，就只会与容器壁的相互作用，而不是或者几乎不是气体颗粒之间的相互作用。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，你就需要特别注意以下选择！

材料选择的标准

首先，你需要室壁的高气密性，以及很低的内在蒸汽压力和很低的外来气体含量。如果这一点不能避免，材料至少应该可以快速放气，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，最多是在泵关闭或打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。

强度和耐腐蚀性是进一步的要求。由于密封面在1 bar的压力差下不能变形，因此材料必须要有足够的强度。耐腐蚀性也必须在大气中烘烤或化学活性的工艺气体的侵蚀。因此，所选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系数，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。

其次是材料的加工和工艺处理。

由于超高真空需求少，无法自己去研发新材料，我们必须选择已经存在的材料。其中，奥氏体不锈钢特别适合于超高真空应用。

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传输。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，也发生在每次破大气时。解吸是达到良好极限压力的主要障碍。这是因为在渗透过程中，附着在室外的颗粒会通过室内壁扩散，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10^-3mbar，抽出体积后，具有适当抽气能力的高或超高真空泵继续抽气。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。

解吸

随着时间的推移，由于金属表面的解吸作用，气体分子就会越来越少。

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。

渗透率

渗透率是指材料的气体渗透率或其渗透流导。因此，渗透作用与时间无关，与最终压力的增加有关。它对压差的依赖性可以用来减少压差。所谓的差压泵，意思是指带有级间泵的双密封。这也会导致渗透流量减少100或1000倍。然而，渗透率也取决于温度以及介质和材料的某些组合。一些材料对某些介质的渗透性要比其他的强，例如熔融石英对氦气的渗透。例如，弹性体的渗透率相对最高，这也与温度密切相关。它们的渗透率在温度增加100K的情况下会增加100倍。然而，温度超过150°C是不可能使用弹性体的，因为O形环会变成椭圆形。

作为一个原则问题，不要将极低压力（<10^-8 hPa）下的渗透与真正的泄漏混淆。

渗漏

可能的泄漏是在局部或整体泄漏检测过程中发现的。在这两种情况下，真空室都处于真空状态。局部泄漏检测的泄漏率：10^-10 Pa·m³/s ≈ 0.1 μm 毛细管直径。整体检漏的泄漏率（真空法）：10^-9 Pa·m³/s ≈ 0.3 μm 毛细管直径。

在泄漏测试开始时，剩余的气体负荷应在10^-7Pa -m³/s的范围内。偶尔也需要10^-10或10^-11 Pa·m³/s 的数值。然而，这些要求是理论上的，因为它们没有提供任何新的发现，尽管需要的时间大大增加。经验表明。如果在10^-7 Pa·m³/s 时没有发现泄漏，在10^-10或10^-11 Pa·m³/s 时也不会发现。

在对系统进行泄漏测试时，重要的是要注意，没有指示不等于没有泄漏，因为测试气体氦气的抽气速度和室中的真空度会影响信号。如果有泄漏，气体会流入室中，分散开来，并以相对较低的概率击中与检漏仪连接的管道。此外，如果过程太快，信号也会被掩盖。

接头和内在蒸汽压力

接头代表额外的解吸表面。这种影响可以通过使用低放气率的材料、干净的工件和事先对部件进行放气来减轻解吸气源。

本身的蒸汽压力对油和油脂起着重要作用。由于它限制了最终的真空压力，它应该足够低。这种影响也存在于金属中。例如，在温度超过100 °C时，黄铜中的锌分压会大量增加，所以不建议在这个领域使用。

在施工过程中，应消除通风不良的体积（虚拟泄漏）。如果不能避免高的气体负荷，例如因为引入了气体，必须使用高放气率的材料或需要溅射表面，泵的有利选择和定位可以改善这种情况。

超高真空室的实际设计

对于真空室没有一套强制性的规则，与压力容器如气瓶或油罐车相当不同。对于真空室的设计，可以参考相关规则和标准，如压力容器的AD 2000。通常使用压力容器、圆柱形外壳或圆盘底部的计算。也可以使用有限元方法（FEM）进行计算。然而，这种情况下，必须考虑到压力比是相反的，特别是在对称的部件和管道的情况下。在真空室中，压力从外部作用，这就是为什么会发生弹性弯曲和塑性变形。此外，必须考虑到真空室的所有操作条件。例如，烘烤过程中温度升高会导致材料强度下降。还有一些额外的负载，如腔体上的管脚，会给主体带来侧向负载。

机械指令和风险评估

没有真空室获得CE标志，这是为什么？一个部件必须在欧盟指令的范围内，该指令规定了CE标志，才能获得CE标志。由于真空室不是一台机器，这不适用于真空室。因此，没有符合性声明，没有CE标志，也没有合并声明。

然而，如果在真空室上安装的部件是机器，这就改变了。然后，产品责任在于将产品投放市场的人，即可能是经营者。整个系统要根据EN ISO 12100进行风险评估，它遵循安全设计的三阶段理论。这些要求是（按优先级递减）。首先，必须通过设计来消除危险。如果没有危险点，就不存在风险。如果不能避免危险，就必须采取技术保护措施，如封闭危险区域。如果这也无法实施，则必须在操作说明中让用户了解危险。

焊接

焊接是真空容器制造的核心过程。通过从内部进行焊接，可以避免体积的夹杂。如果有必要，有支持性的焊缝，从外面看是不连续的。如果焊缝在内部和外部都是连续的，可能会出现虚拟的泄漏。在这种情况下，无法发现内部焊缝的泄漏，而且很难抽出困在焊缝之间的气体。例如，如果由于空间的限制，不可能从内部进行焊接，则只焊接外部。这些焊缝是*通过焊接而成的，这样就不会在真空侧留下狭窄的缝隙。

由于强烈的局部加热，会发生焊接变形。因此，有经验的焊工事先确定要焊接的焊缝顺序，以便将变形控制在ZUIDI限度。功能面如密封面一般需要额外返工。

资格认证可以用来确定一个公司是否具有必要的焊接经验。焊接和程序资格测试可以了解执行工作的公司的能力。

钨极惰性气体（TIG）焊接、激光焊接和电子束焊接，是真空焊缝最常见的焊接工艺。

焊接会导致焊缝的微观结构差异，机械、磁性以及化学性能在这一领域发生变化。必须特别注意的是磁性能。快速冷却会导致马氏体转变，从而增加相对磁导率。这特别影响到使用磁场的应用，例如在粒子加速器中。腔体材料和外部磁场的相互作用必须非常小，几乎感觉不到。

超高真空的清洁

最后，真空室必须清洁，以达到适合特高压的清洁度。然而，在真空室的制造过程中，通过使用清洁的材料和避免污染，例如低碳钢，奠定了这个基础。锻造过程中形成的水垢层被*清除。机器使用的润滑剂是水溶性的，不允许在上面干燥。作为精加工的一部分，焊接产生的污垢通过刷子、研磨（使用碳化硅SiC）、玻璃珠钢化、酸洗或电子抛光来去除。在这个过程中只使用干净的工具。最后，污染物在清洗槽（如超声波）中被*清除，任何最后的清洁剂残留都通过*去矿物质或去离子水的*冲洗来清除。

最高程度的清洁是通过真空退火实现的，也称为低氢退火或退磁退火。在这个过程中，奥氏体不锈钢在950 - 1,050 °C下，在p < 10^-4 hPa的真空下进行退火。在氮气环境中冷却时，必须在半小时内通过900-550℃的温度范围。

然而，法兰的切割边缘有足够高的强度是退火的先决条件，所以它们应该由1.4429ESU制成，这是一种通过电渣重熔工艺获得的高纯度钢，而不是1.4307。

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作者：深圳市科锐诗汀科技有限公司真空技术中心

备注：以上文章内容为普发真空相关文章节选