淺析獲得高真空超高真空的關(guān)鍵因數(shù)

在許多實(shí)際應(yīng)用場景，例如真空冶金、空間模擬、分析儀器、高能物理、電子顯微鏡和分子束外延 (MBE)等等， 都需要高真空 (High Vacuum/HV) 或者超高真空 (Ultra High Vacuum/UHV) 的環(huán)境。

本文將 1E-3 mbar 至 1E-7 mbar 之間的壓力范圍定義為高真空（HV），將 1E-7 mbar 至 1E-12 mbar 之間的壓力范圍定義為超高真空（UHV）。

以下內(nèi)容將講述獲得高真空和超高真空的關(guān)鍵重點(diǎn)。

真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造

 高真空和超高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要遵循一定的規(guī)則，特別是所使用的材料和內(nèi)外表面處理工藝，建議： 

• 腔體設(shè)計(jì)時(shí)要最小化其內(nèi)表面積

• 真空腔體和管道要使用放氣率低的材料，并盡量減少安裝或放置于其內(nèi)部的高放氣率材料（如橡膠、塑料、絕熱紙等）

• 確保真空腔體內(nèi)部沒有死空間（例如螺紋盲孔），并盡量避免狹縫、毛細(xì)管等結(jié)構(gòu)

• 減少密封件、饋通件等的數(shù)量

• 采用金屬密封結(jié)構(gòu)

• 只能從內(nèi)部焊接，由于位置、尺寸的限制必須從外部焊接時(shí)一定要焊透

• 合適的腔體內(nèi)部表面處理（如拋光、脫脂等）

• 嚴(yán)格的泄漏檢測

保持系統(tǒng)清潔和充分脫氣

     為了達(dá)到*的真空度，總氣體負(fù)荷必須盡可能低。因此，在高真空超高真空條件下，系統(tǒng)的放氣率需要盡可能的低（腔體設(shè)計(jì)時(shí)的許多準(zhǔn)則，比如最小化內(nèi)表面積，都是為了減少系統(tǒng)放氣率）。

放氣是溶解、吸附以及夾雜在材料中的氣體，在真空環(huán)境下緩慢釋放出來的過程，水、油污、密封劑、潤滑劑和粘合劑是最常見的放氣來源，而即使是金屬和玻璃等固體，其材料表面或內(nèi)部，在真空環(huán)境下也會(huì)釋放出氣體來。

對高真空超高真空環(huán)境可能接觸到的表面進(jìn)行拋光、清潔或烘烤處理可以有效的減小系統(tǒng)放氣率，從而大大縮短達(dá)到目標(biāo)壓力所需要的時(shí)間。 

高真空或超高真空系統(tǒng)需要破空時(shí)，應(yīng)使用干燥的氮?dú)饣蚩諝?，并盡量減少暴露在空氣中的時(shí)間；系統(tǒng)長期不用時(shí)，最好在真空狀態(tài)保存。
                       選擇合適的真空泵

為了高效的獲得高真空或超高真空，首先需要選擇至少一臺(tái)真空泵作為主泵，真空泵種類很多，選擇合適的真空泵以獲得性能并盡量節(jié)省預(yù)算并不是一件簡單的事情。  

高真空或超高真空系統(tǒng)常見的主泵類型：

1、分子泵，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片或牽引盤來抽氣。它可以在比較高的壓力就開始工作，并在高真空和超高真空范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的抽速。

它們的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，對輕質(zhì)氣體的抽速會(huì)降低，對機(jī)械沖擊和顆粒物污染也比較敏感。

 2、離子泵，是捕獲型真空泵，因?yàn)樗鼈儧]有活動(dòng)部件，可靠性非常高，工作時(shí)也*沒有振動(dòng)；壽命很長，并且?guī)缀醪恍枰S護(hù)；此外，離子泵可以耐受較大的輻射和磁場干擾，通過移除磁鐵，它們可以被烘烤到 450°C，這對于有些超高真空系統(tǒng)是不可少的。在實(shí)際的應(yīng)用中， 對追求超高真空并且很少破空的應(yīng)用，一般建議選擇二極離子泵；其它應(yīng)用建議選擇 StarCell^® 離子泵。

3、鈦升華泵和 NEG 吸氣劑泵，分別利用升華出來的新鮮鈦膜和吸氣材料吸附活性氣體來抽氣，兩種泵對活性氣體的抽速都很大，而對惰性氣體*沒有抽速。另外，由于總抽氣容量的原因，這兩種泵都更適合工作在氣量很少的超高真空，特別是 NEG 吸氣劑泵，當(dāng)其容量耗盡時(shí)需要高溫激活，而在激活時(shí)，之前吸附的氣體會(huì)被釋放出來，這意味著系統(tǒng)的超高真空將會(huì)被破壞。

4、復(fù)合離子泵，超高真空時(shí)系統(tǒng)的主要?dú)廨d是氫氣，好多時(shí)候也會(huì)有一定的比例的惰性氣體，為了達(dá)到更好的真空度，還經(jīng)常會(huì)把 StarCell ^®離子泵與對氫氣抽速比較大的鈦升華泵或者 NEG 吸氣劑泵組合在一起使用，即復(fù)合離子泵。  

當(dāng)主泵確認(rèn)后，再根據(jù)主泵的特點(diǎn)和需求選擇合適的前級泵，如隔膜泵、渦旋泵、渦輪分子泵組等。為了避免油蒸汽的污染，高真空超高真空系統(tǒng)一般會(huì)選擇無油真空泵。

考慮流導(dǎo)的影響 

 根據(jù)定義，流導(dǎo)是指氣體流量除以管道兩端的壓力差，因此，流導(dǎo)的單位與抽速（單位時(shí)間的體積）相同。

通過某段管道連接到系統(tǒng)的真空泵，其實(shí)際有效抽速不可能大于流導(dǎo)。

對于高真空和超高真空系統(tǒng)，真空泵與系統(tǒng)之間的流導(dǎo)至關(guān)重要，有時(shí)候甚至?xí)蔀橄到y(tǒng)的瓶頸——由于流導(dǎo)的限制，無論如何增大真空泵的抽速，實(shí)際有效抽速都沒有顯著的增加。

綜上所述，在設(shè)計(jì)或使用高真空或超高真空系統(tǒng)時(shí)，請牢記這些注意事項(xiàng)，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能和所需真空度的關(guān)鍵。  

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