超高真空室的设计和制造
超高真空室的设计和制造
超高真空（UHV）技术在科学研究和工业应用中扮演着重要角色。本文将探讨在设计和制造超高真空室时需要考虑的关键因素，包括材料选择、表面处理以及各种物理效应的影响。
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？
材料选择的标准
首先，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。
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。
吸附： 气体沉积在固体或液体的表面，如颗粒粘在室壁上。
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。
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。
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。
真空室表面和周围气体之间的相互作用。
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10-3mbar，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。