淺析獲得高真空超高真空的關鍵因數

淺析獲得高真空超高真空的關鍵因數

在許多實際應用場景，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）。

以下內容將講述獲得高真空和超高真空的關鍵重點。

真空系統的設計和制造

 高真空和超高真空系統的設計需要遵循一定的規則，特別是所使用的材料和內外表面處理工藝，建議： 

• 腔體設計時要最小化其內表面積

• 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部的高放氣率材料（如橡膠、塑料、絕熱紙等）

• 確保真空腔體內部沒有死空間（例如螺紋盲孔），并盡量避免狹縫、毛細管等結構

• 減少密封件、饋通件等的數量

• 采用金屬密封結構

• 只能從內部焊接，由于位置、尺寸的限制必須從外部焊接時一定要焊透

• 合適的腔體內部表面處理（如拋光、脫脂等）

• 嚴格的泄漏檢測

保持系統清潔和充分脫氣

     為了達到*的真空度，總氣體負荷必須盡可能低。因此，在高真空超高真空條件下，系統的放氣率需要盡可能的低（腔體設計時的許多準則，比如最小化內表面積，都是為了減少系統放氣率）。

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，其材料表面或內部，在真空環境下也會釋放出氣體來。

對高真空超高真空環境可能接觸到的表面進行拋光、清潔或烘烤處理可以有效的減小系統放氣率，從而大大縮短達到目標壓力所需要的時間。 

高真空或超高真空系統需要破空時，應使用干燥的氮氣或空氣，并盡量減少暴露在空氣中的時間；系統長期不用時，最好在真空狀態保存。
                       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省預算并不是一件簡單的事情。  

高真空或超高真空系統常見的主泵類型：

1、分子泵，通過高速旋轉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提供穩定的抽速。

它們的缺點是會產生振動，對輕質氣體的抽速會降低，對機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，因為它們沒有活動部件，可靠性非常高，工作時也*沒有振動；壽命很長，并且幾乎不需要維護；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是不可少的。在實際的應用中， 對追求超高真空并且很少破空的應用，一般建議選擇二極離子泵；其它應用建議選擇 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，當其容量耗盡時需要高溫激活，而在激活時，之前吸附的氣體會被釋放出來，這意味著系統的超高真空將會被破壞。

4、復合離子泵，超高真空時系統的主要氣載是氫氣，好多時候也會有一定的比例的惰性氣體，為了達到更好的真空度，還經常會把 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，即復合離子泵。  

當主泵確認后，再根據主泵的特點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一般會選擇無油真空泵。

考慮流導的影響 

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

通過某段管道連接到系統的真空泵，其實際有效抽速不可能大于流導。

對于高真空和超高真空系統，真空泵與系統之間的流導至關重要，有時候甚至會成為系統的瓶頸——由于流導的限制，無論如何增大真空泵的抽速，實際有效抽速都沒有顯著的增加。

綜上所述，在設計或使用高真空或超高真空系統時，請牢記這些注意事項，這是實現系統性能和所需真空度的關鍵。  

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