超高真空与高真空系统设计有不少相同之处,主要有:管道的流导计算,壳体强度计 算,主泵抽速计算及泵之间匹配选择,真空元件的清洁处理及检漏等 超高真空与高真空系统设计也有许多不同之处:选择真空泵的方法不同,对材料要求不 同,采用了烘烤措施,焊接结构和方法不同,对漏率控制更为严格 (1)材料选择 金属材料都是通过熔炼和铸造得到的,在此过程中,空气中的氢、氧、氮和氧化物不同 程度地溶于材料之中。存放材料时,其表面还会吸附大量气体,主要是水蒸气、氧、氮、碳 的氧化物等。材料加工过程中的再污染及其本身的非致密性引起的渗透,这些因素就构成了 真空中的主要气源。 用真空泵抽真空室时,首先抽走的是容积中的大气(这部分气体很快被抽走)。然后是 材料表面解吸的气体、材料内部向表面扩散出来的气体以及通过器壁渗透到真空中的气体。 解吸及扩散表面再解吸气体的衰减速率非常缓慢,需要时间很长。一台金属密封的不烘烤的 真空系统,计算表明,要达到超高真空(低于10-Pa)所需大约10h,可见不采用烘烤技 术想得到超高真空是很困难的。
超高真空所需要的材料,除满足真空材料一般要求外,还应满足下列要求。 ①在烘烤温度下,材料不应该丧失其力学性能;壳体材料能承受外部大气压力。一般 低熔点金属和软玻璃满足不了这种要求 ②材料在烘烤温度下蒸气压要低 ③材料的渗透气体量不能超过允许值。 ④材料加热时不易变形 ⑤材料表面容易抛光。 从这些要求出发,适于超高真空中用的通用材料有以下几种。 国超高真空系筐常用材料是0C18N9T,美国多用304不锈钢,其次还有3041 不锈钢,超高直空 常用于做 311.321.37等,英国多用37,其他欧洲各国背316不锈钢,不锈钢材质很好, 用是T艺不当,亦会成品间属蚀、热裂、气孔,奥氏体焊绿化等缺陷,影啊 玻璃:用于到接电极引入线、制作规管管壳及观察窗等 气密性 氧化铝陶瓷:制作电极引入线的绝缘子 可伐,作与玻璃或陶瓷的封接件 级、铜、铝:密封圈材料 氟橡胶,常开启的门与窗的水冷密封圈 超高真空系统清洗处理非常重要,清洗处理好与否,直接影响极限真空的获得。良坚的 2)表面化学清洗及烘烤 清洁处理工艺·可以使材料的出气率低几个数量级,以不锈钢为例,长期暴露于大气,不 行任何处理,抽气1h后的出气率2×10-Pa·m3/(s·m2);如果经除油处理,不烘烤福 4h后可到1×10-Pa·m3/(s·m3),若除油后再清洗,在250℃下烘烤15h,出气率可 到1×10-Pa·m/(s·m2),使出气率下降了近五个数量级。 真空系统烘烤,对获得超高真空是不可少的手段。一个设计合理的真空系统,如果设有 烘烤手段也没有采取其他措施,无论选择什么类型的真空泵抽气,如扩散泵、溅射离子泵 低沮泵泵等,只能获得的工作压力约为10-4-10-Pa数量级,极高真空10-6Pa量级,再 不锈钢最有效的加速出气方法有两种:0在80950下真空就:在0下空t 中烘烤,真空烤应在10P下进行,这样可使材料中的氢浓度降低到最低限度,烘烤 在2700Pa的纯氧中进行,以避免烘烤过程中,存在的水蒸气对表面产生影响 就时需要注意金属玻璃封接件、金属周瓷封接件的烘烤温度不应超过400·铜数 圈不应超过450℃.玻璃烘烤温度根据种类不同而异,其范围为140~300℃内,非金属材料 为80~100℃,普通金属材料为300~450℃ (3)抽气技术 超高真空系统所用的主泵有油扩散泵、溅射离子泵、钛泵(蒸发式或升华式钛泵)、涡 轮分子泵、低温泵等,近年来国内有用锆铝吸气剂泵与其他泵类组合抽气来获得超高真空、 对超高真空系统使用的真空泵要求,除通常的选泵原则外,还有 a.主泵极限真空要比真空装置的工作真空高一个到一个半数量级,如工作真空选 1×10-Pa,那么泵的极限真空至少为1×10-Pa; b.在真空装置工作真 3.6超高真空系统及抽气 减少机械泵油的返流有三种方法:n.在粗抽管道中加液氮冷阱,是一种最有效的方法; 粗抽管道上安装充气阀,充入干燥氮气,使真空室保持到15~30Pa真空度;c.不用粗抽 管道,通过扩散泵进行粗抽 般来讲,污染控制较好的真空系统,可得到10-10Pa的真空度。 那涡轮分子泵抽气系统高压缩比的涡轮分子泵,以双级旋片式真空泵为前级,可得 10-Pa的真空度。用扩散泵作前级,可得到10-9Pa真空度。泵人口安装上钛升华 阱,获得的真空度高于10-Pa。 涡轮分子泵对氢的压缩比较小,残余气体中主要是氢。泵的极限氢分压受泵的压缩比和 前级管道中氢分压的限制,采用扩散泵作前级,可降低前级管道中的氢分压,进而可提高泵 的极限真空。 般只允许烘烤到 涡轮分子泵内表面积大,烘烤出气是非常必要的。由于结构限制 100℃左右 为了消除粗抽时的污染,可以通过涡轮分子泵进行粗抽,在这种情况下,要求机械泵有 足够大的抽速,使涡轮分子泵转速达到额定转速的75%时,就能将真空室抽到20~200Pa 殷涡轮分子泵的加速时间为5~10min,这意味着机械泵排气时间必须小于这个范围。 ③溅射离子泵抽气系统溅射离子泵通常与钛升华泵联合使用。溅射离子泵的残气中 要成分是氢,而钛升华泵抽氢效果最好。一般中小型真空系统以溅射离子泵作主泵;而大 系统以钛升华泵作主泵。用这种机组可得到10-Pa的真空度。 在超高真空系统中,要求溅射离子泵要彻底烘烤。如果真空室已进行了高温烘烤,那么 只需要250℃烘烤,真空度到10-5Pa后,缓慢升到250℃,时间为10~20h。 ④低温泵抽气系统低温泵对不锈钢制造的超高真空容器排气很适合。20K的低温泵 得到10-8Pa的真空度,4.2K的低温泵,可得到10-10~10-12Pa的真空度。 低温泵系统不产生碳氢化合物、金属膜的剥落碎片或自身带来的其他污染。在超高真空 种清洁抽气手段。
