【康沃真空網(wǎng)】材料選擇、表面處理和設(shè)計執(zhí)行在超高真空中的影響是什么？應(yīng)用中實際需要的抽氣功率是多少？以及為什么會難以達到良好的極限壓力？
根據(jù)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(nèi)，表面放氣對極限壓力變得至關(guān)重要。超高真空中的流動是氣體是分子式的，平均自由路徑長度超過1公里。如果壓力繼續(xù)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顆?，F(xiàn)在只經(jīng)歷與容器壁的相互作用，而不是，或幾乎不是相互作用。在這個范圍內(nèi)，真空室的材料和表面變得非常重要。那么，在設(shè)計、制造和操作這一壓力范圍的真空室和部件時，你需要考慮什么？
# 材料選擇的標準
Criteria for material selection
首先，你需要室壁的高氣密性，以及低的內(nèi)在蒸汽壓力和低的外來氣體含量。如果這一點不能避免，材料至少應(yīng)該快速放氣，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(guān)閉或推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和體積。
強度和耐腐蝕性是進一步的標準。由于密封面在1 bar的壓力差下不能變形，因此需要足夠強度的材料。
耐腐蝕性也必須在困難的條件下得到保證，如在大氣中烘烤或化學活性的工藝氣體。因此，測試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(wěn)定性和適應(yīng)性的膨脹行為，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(shù)，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。
性能其次是材料的處理和可用性，因為它們應(yīng)該能夠以合理的可負擔的努力進行加工，當然還必須有可用的材料。
由于超高真空技術(shù)的低需求，沒有自己的材料開發(fā)，我們必須使用已經(jīng)存在的材料。奧氏體不銹鋼特別適合于超高真空應(yīng)用。
圖1｜真空室表面和周圍氣體之間的相互作用。
# 超高真空中的效應(yīng)
Effects in ultra-high vacuum
以下術(shù)語描述了在超高真空中發(fā)生在表面的效應(yīng)。
吸附：氣體沉積在固體或液體的表面，如顆粒粘在室壁上。
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?，F(xiàn)在嵌入到室壁中。
解吸：將吸附的氣體釋放到環(huán)境中。被前兩種效應(yīng)保留下來的顆粒再次從室壁上分離出來。
滲透作用：氣體通過液體或固體的運輸。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(yīng)都發(fā)生在所有與大氣接觸的表面上，也發(fā)生在每次通風時。解吸是達到良好極限壓力的主要對手。這是因為在滲透過程中，附著在室外的顆粒會通過室壁擴散，增加了對真空室的解吸。
# 工作壓力的定義
Definition of working pressure
現(xiàn)在已經(jīng)描述了關(guān)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pWork，以便繼續(xù)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提供工作壓力。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(chǎn)生的氣體負荷。
下面將解釋不同的氣體負荷Qi是如何被影響的。它們與泵的有效吸力Seff相對應(yīng)，這取決于氣體、壓力和安裝類型。
多級羅茨泵ACP，立方室和真空閥。
ISO-KF組件
# 解吸
Desorption
隨著時間的推移，由于金屬表面的解吸作用，氣體負荷會減少。假設(shè)從時間t>t0開始，下降是線性的。t0被假設(shè)為一小時。因此，解吸流程可以描述如下。
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(jīng)過較長時間后，塑料的解吸可能比金屬表面的解吸占優(yōu)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。假設(shè)時間上的減少是隨著時間的平方根發(fā)生的。
因此，塑料表面的氣體積聚可以描述如下。
提高溫度，也就是烘烤室，是提供這種能量的最簡單方法。
表面的具體屬性（如生產(chǎn)、進一步加工、清潔）對與面積有關(guān)的氣體排放qDes有很大影響。變化10倍或更多，需要增加10倍的抽氣功率。
圖2｜解吸和滲透--計算示例，試驗室（a）未加熱，（b）已烘烤。
一個典型的例子室的計算說明了這一點。
你也可以為主法蘭盤采取一個金屬墊片。然而，由于這只能使用一次，必須在每次開放后更換，每次開放將導致約1000歐元的成本。此外，在制造腔室的過程中還有法蘭和密封件的損耗。這些額外的費用只有在特殊情況下才是值得的，因此在我們的例子計算中沒有考慮。
由于配件而產(chǎn)生的氣體負荷由PTFE板來代表。這是一個相當小的區(qū)域，具有很高的解吸率。
圖2中的圖表說明了解吸的計算。假設(shè)一個干凈的受體表面。表面的解吸量取決于清潔度，很可能是1·10-7hPa·l/s的五倍。圖2顯示，1,000 l/s的有效泵送速度導致三天后的壓力p72h 為1.8·10-8hPa。
圖3｜配件解吸
# 滲透率
Permeation
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(guān)，并不斷提供最終壓力的增加。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，將Δp從1巴減少到1至10毫巴的三至四個數(shù)量級。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(zhì)和材料的某些組合。一些材料對某些介質(zhì)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(guān)。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(huán)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。
滲透率現(xiàn)在被添加到我們圖2的解吸計算示例中：滲透率作為一個與時間無關(guān)的常數(shù)在圖3中以平行于時間軸的線條出現(xiàn)。
使用與之前相同的泵，三天后達到2·10-8 hPa的壓力p72h。
圖4顯示了對加熱室進行同樣計算的結(jié)果：由于烘烤，表面的解吸作用比以前小了一百倍，滲透作用是主要的影響。
三天后的最終壓力為p72h= 3.5·10-9 hPa。
# 滲漏
Leakage
可能的泄漏是在局部或整體泄漏檢測過程中發(fā)現(xiàn)的。在這兩種情況下，真空室都處于真空狀態(tài)（真空法）。局部泄漏檢測（真空法）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(yīng)在10-7Pa -m3/s的范圍內(nèi)。偶爾也需要10-10或10-11Pa·m3/s 的數(shù)值。然而，這些要求是學術(shù)性的，因為它們沒有提供任何新的發(fā)現(xiàn)，盡管需要的時間大大增加。經(jīng)驗表明。如果在10-7 Pa·m3/s 時沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，在10-10或10-11 Pa·m3/s 時也不會發(fā)現(xiàn)。
在對系統(tǒng)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的連接。此外，如果過程太快，信號也會被掩蓋。
必須考慮到時間常數(shù)：
I通常建議熟悉測試設(shè)備。這可以通過測試泄漏來輕松完成。
# 接頭和內(nèi)在蒸汽壓力
Fittings and intrinsic vapor pressure
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、干凈地工作和事先對部件進行放氣來減輕。
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(yīng)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(lǐng)域使用。
在施工過程中，應(yīng)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。
# 配件解吸的計算實例
The actual design of a UHV chamber
為了更好地表示圖3中的圖表，現(xiàn)在的例子室是完全金屬密封的。主法蘭的彈性密封圖被省略了，但聚四氟乙烯板的解吸圖則以黃色顯示。
三天后達到3.5·10-10 hPa的最終壓力p72h 。
# 超高真空室的實際設(shè)計
The actual design of a UHV chamber
對于真空室沒有一套強制性的規(guī)則，與壓力容器如氣瓶或油罐車相當不同。然而，制造一個安全產(chǎn)品的責任仍然存在。設(shè)計是根據(jù) "良好工程實踐 "的經(jīng)驗進行的。因此，設(shè)計責任由設(shè)計室的人承擔。一個合同制造商被看作是一個擴展的工作臺。
對于真空室的設(shè)計，可以參考相關(guān)規(guī)則和標準，如壓力容器的AD 2000。通常使用壓力容器（數(shù)據(jù)表B0）、圓柱形外殼（數(shù)據(jù)表B6）或圓盤底部（數(shù)據(jù)表B4）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(fā)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，如腔體上的腳，會給主管帶來側(cè)向負載。
# 機械指令和風險評估
Machinery directive and risk assessment
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(nèi)，該指令規(guī)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(chǎn)品責任在于將產(chǎn)品投放市場的人，即可能是經(jīng)營者。整個系統(tǒng)要根據(jù)EN ISO 12100進行風險評估，它遵循安全設(shè)計的三階段理論。這些要求是（按優(yōu)先級遞減）。首先，必須通過設(shè)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(shù)保護措施，如封閉危險區(qū)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
Welding
焊接是真空容器制造的核心過程。通過從內(nèi)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(xù)的。如果焊縫在內(nèi)部和外部都是連續(xù)的，可能會出現(xiàn)虛擬的泄漏。在這種情況下，無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊縫的泄漏，而且很難抽出困在焊縫之間的體積。例如，如果由于空間的限制，不可能從內(nèi)部進行焊接，則只焊接外部。這些焊縫是完全通過焊接而成的，這樣就不會在真空側(cè)留下狹窄的縫隙。
由于強烈的局部加熱，會發(fā)生焊接變形。因此，有經(jīng)驗的焊工事先確定要焊接的焊縫順序，以便將變形控制在最低限度。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(jīng)驗。焊接和程序資格測試可以了解執(zhí)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(jié)構(gòu)差異，機械、磁性以及化學性能在這一領(lǐng)域發(fā)生變化。必須特別注意的是磁性能?？焖倮鋮s會導致馬氏體轉(zhuǎn)變，從而增加相對磁導率μr。這特別影響到使用磁場的應(yīng)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。
真空部件的焊接
# 超高真空的清潔
Cleaning for UHV
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(chǔ)。鍛造過程中形成的水垢層被完全清除。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(chǎn)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）中被完全清除，任何最后的清潔劑殘留都通過完全去礦物質(zhì)或去離子水的徹底沖洗來清除。
最高程度的清潔是通過真空退火實現(xiàn)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的的真空下進行退火。在氮氣環(huán)境中冷卻時，必須在半小時內(nèi)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(yīng)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。
