超高真空腔體的設計和制造

——超高真空腔體是如何煉成的

根據定義，超高真空（UHV）壓力要達到10^-7mbar，這意味著在這個壓力范圍內，表面放氣對極限壓力變得至關重要。超高真空中流動的氣體是分子式的，平均自由路徑長度超過1公里。如果壓力繼續下降到10^-12毫巴，自由路徑長度就會增長到10000公里。留在真空室中的剩余氣體顆粒，就只會與容器壁的相互作用，而不是或者幾乎不是氣體顆粒之間的相互作用。在這個范圍內，真空室的材料和表面變得非常重要。那么，在設計、制造和操作這一壓力范圍的真空室和部件時，你就需要特別注意以下選擇！

材料選擇的標準

首先，你需要室壁的高氣密性，以及很低的內在蒸汽壓力和很低的外來氣體含量。如果這一點不能避免，材料至少應該可以快速放氣，以便任何麻煩的殘余氣體可以被快速抽出。

在UHV中，腔室容積不是一個重要的因素，最多是在泵關閉或打開后的壓力上升過程中起到緩沖作用。在這種情況下，殘留的氣體來自于容器壁或裝置的表面。

強度和耐腐蝕性是進一步的要求。由于密封面在1 bar的壓力差下不能變形，因此材料必須要有足夠的強度。耐腐蝕性也必須在大氣中烘烤或化學活性的工藝氣體的侵蝕。因此，所選材料的耐腐蝕性是很重要的。在溫度變化過程中需要有良好的穩定性和適應性的膨脹系數，以確保腔體是并保持緊密。法蘭和密封墊的材料必須匹配。

不銹鋼和銅具有相似的熱膨脹系數，因此是一個很好的組合。不銹鋼和鋁只是有限的匹配，因為在溫度超過150℃后，法蘭連接在冷卻后往往不再緊密。

其次是材料的加工和工藝處理。

由于超高真空需求少，無法自己去研發新材料，我們必須選擇已經存在的材料。其中，奧氏體不銹鋼特別適合于超高真空應用。

超高真空中的效應

以下術語描述了在超高真空中發生在表面的效應。

1. 吸附：氣體沉積在固體或液體的表面，如顆粒粘在室壁上。

2. 吸收：氣體被困在固體或液體中。吸收通常在吸附之后。以前只附著在表面的顆粒現在嵌入到室壁中。

3. 解吸：將吸附的氣體釋放到環境中。被前兩種效應保留下來的顆粒再次從室壁上分離出來。

4. 滲透作用：氣體通過液體或固體的傳輸。滲透 = 吸附 + 擴散 + 解吸。

加壓、吸附和吸收都不是問題，因為顆粒被固定住，不會干擾真空。這兩種效應都發生在所有與大氣接觸的表面上，也發生在每次破大氣時。解吸是達到良好極限壓力的主要障礙。這是因為在滲透過程中，附著在室外的顆粒會通過室內壁擴散，增加了對真空室的解吸。

工作壓力的定義

現在已經描述了關于材料要求的一些基本情況。接下來，必須確定所需的工作壓力，以便繼續建造一個真空室。

前級泵，最高可達10^-3mbar，抽出體積后，具有適當抽氣能力的高或超高真空泵繼續抽氣。為此，有必要計算或至少估計由解吸、滲透、泄漏和工藝氣體產生的氣體負荷。

解吸

隨著時間的推移，由于金屬表面的解吸作用，氣體分子就會越來越少。

在UHV中，金屬的解吸沒有塑料那么重要。特別是墊圈，會釋放溶解在其中的氣體。因此，經過較長時間后，塑料的解吸可能比金屬表面的解吸占優勢。墊圈的表面積相對較小，但隨著時間的推移，其解吸率的下降速度較慢，這一點被抵消了。

滲透率

滲透率是指材料的氣體滲透率或其滲透流導。因此，滲透作用與時間無關，與最終壓力的增加有關。它對壓差的依賴性可以用來減少壓差。所謂的差壓泵，意思是指帶有級間泵的雙密封。這也會導致滲透流量減少100或1000倍。然而，滲透率也取決于溫度以及介質和材料的某些組合。一些材料對某些介質的滲透性要比其他的強，例如熔融石英對氦氣的滲透。例如，彈性體的滲透率相對最高，這也與溫度密切相關。它們的滲透率在溫度增加100K的情況下會增加100倍。然而，溫度超過150°C是不可能使用彈性體的，因為O形環會變成橢圓形。

作為一個原則問題，不要將極低壓力（<10^-8 hPa）下的滲透與真正的泄漏混淆。

滲漏

可能的泄漏是在局部或整體泄漏檢測過程中發現的。在這兩種情況下，真空室都處于真空狀態。局部泄漏檢測的泄漏率：10^-10 Pa·m³/s ≈ 0.1 μm 毛細管直徑。整體檢漏的泄漏率（真空法）：10^-9 Pa·m³/s ≈ 0.3 μm 毛細管直徑。

在泄漏測試開始時，剩余的氣體負荷應在10^-7Pa -m³/s的范圍內。偶爾也需要10^-10或10^-11 Pa·m³/s 的數值。然而，這些要求是理論上的，因為它們沒有提供任何新的發現，盡管需要的時間大大增加。經驗表明。如果在10^-7 Pa·m³/s 時沒有發現泄漏，在10^-10或10^-11 Pa·m³/s 時也不會發現。

在對系統進行泄漏測試時，重要的是要注意，沒有指示不等于沒有泄漏，因為測試氣體氦氣的抽氣速度和室中的真空度會影響信號。如果有泄漏，氣體會流入室中，分散開來，并以相對較低的概率擊中與檢漏儀連接的管道。此外，如果過程太快，信號也會被掩蓋。

接頭和內在蒸汽壓力

接頭代表額外的解吸表面。這種影響可以通過使用低放氣率的材料、干凈的工件和事先對部件進行放氣來減輕解吸氣源。

本身的蒸汽壓力對油和油脂起著重要作用。由于它限制了最終的真空壓力，它應該足夠低。這種影響也存在于金屬中。例如，在溫度超過100 °C時，黃銅中的鋅分壓會大量增加，所以不建議在這個領域使用。

在施工過程中，應消除通風不良的體積（虛擬泄漏）。如果不能避免高的氣體負荷，例如因為引入了氣體，必須使用高放氣率的材料或需要濺射表面，泵的有利選擇和定位可以改善這種情況。

超高真空室的實際設計

對于真空室沒有一套強制性的規則，與壓力容器如氣瓶或油罐車相當不同。對于真空室的設計，可以參考相關規則和標準，如壓力容器的AD 2000。通常使用壓力容器、圓柱形外殼或圓盤底部的計算。也可以使用有限元方法（FEM）進行計算。然而，這種情況下，必須考慮到壓力比是相反的，特別是在對稱的部件和管道的情況下。在真空室中，壓力從外部作用，這就是為什么會發生彈性彎曲和塑性變形。此外，必須考慮到真空室的所有操作條件。例如，烘烤過程中溫度升高會導致材料強度下降。還有一些額外的負載，如腔體上的管腳，會給主體帶來側向負載。

機械指令和風險評估

沒有真空室獲得CE標志，這是為什么？一個部件必須在歐盟指令的范圍內，該指令規定了CE標志，才能獲得CE標志。由于真空室不是一臺機器，這不適用于真空室。因此，沒有符合性聲明，沒有CE標志，也沒有合并聲明。

然而，如果在真空室上安裝的部件是機器，這就改變了。然后，產品責任在于將產品投放市場的人，即可能是經營者。整個系統要根據EN ISO 12100進行風險評估，它遵循安全設計的三階段理論。這些要求是（按優先級遞減）。首先，必須通過設計來消除危險。如果沒有危險點，就不存在風險。如果不能避免危險，就必須采取技術保護措施，如封閉危險區域。如果這也無法實施，則必須在操作說明中讓用戶了解危險。

焊接

焊接是真空容器制造的核心過程。通過從內部進行焊接，可以避免體積的夾雜。如果有必要，有支持性的焊縫，從外面看是不連續的。如果焊縫在內部和外部都是連續的，可能會出現虛擬的泄漏。在這種情況下，無法發現內部焊縫的泄漏，而且很難抽出困在焊縫之間的氣體。例如，如果由于空間的限制，不可能從內部進行焊接，則只焊接外部。這些焊縫是*通過焊接而成的，這樣就不會在真空側留下狹窄的縫隙。

由于強烈的局部加熱，會發生焊接變形。因此，有經驗的焊工事先確定要焊接的焊縫順序，以便將變形控制在ZUIDI限度。功能面如密封面一般需要額外返工。

資格認證可以用來確定一個公司是否具有必要的焊接經驗。焊接和程序資格測試可以了解執行工作的公司的能力。

鎢極惰性氣體（TIG）焊接、激光焊接和電子束焊接，是真空焊縫最常見的焊接工藝。

焊接會導致焊縫的微觀結構差異，機械、磁性以及化學性能在這一領域發生變化。必須特別注意的是磁性能。快速冷卻會導致馬氏體轉變，從而增加相對磁導率。這特別影響到使用磁場的應用，例如在粒子加速器中。腔體材料和外部磁場的相互作用必須非常小，幾乎感覺不到。

超高真空的清潔

最后，真空室必須清潔，以達到適合特高壓的清潔度。然而，在真空室的制造過程中，通過使用清潔的材料和避免污染，例如低碳鋼，奠定了這個基礎。鍛造過程中形成的水垢層被*清除。機器使用的潤滑劑是水溶性的，不允許在上面干燥。作為精加工的一部分，焊接產生的污垢通過刷子、研磨（使用碳化硅SiC）、玻璃珠鋼化、酸洗或電子拋光來去除。在這個過程中只使用干凈的工具。最后，污染物在清洗槽（如超聲波）中被*清除，任何最后的清潔劑殘留都通過*去礦物質或去離子水的*沖洗來清除。

最高程度的清潔是通過真空退火實現的，也稱為低氫退火或退磁退火。在這個過程中，奧氏體不銹鋼在950 - 1,050 °C下，在p < 10^-4 hPa的真空下進行退火。在氮氣環境中冷卻時，必須在半小時內通過900-550℃的溫度范圍。

然而，法蘭的切割邊緣有足夠高的強度是退火的先決條件，所以它們應該由1.4429ESU制成，這是一種通過電渣重熔工藝獲得的高純度鋼，而不是1.4307。

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作者：深圳市科銳詩汀科技有限公司真空技術中心

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