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超高真空腔体的设计和制造

发表时间:2022-10-11      点击次数:781

超高真空腔体的设计和制造

——超高真空腔体是如何炼成的

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。超高真空中流动的气体是分子式的,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气体颗粒,就只会与容器壁的相互作用,而不是或者几乎不是气体颗粒之间的相互作用。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,你就需要特别注意以下选择!

材料选择的标准

首先,你需要室壁的高气密性,以及很低的内在蒸汽压力和很低的外来气体含量。如果这一点不能避免,材料至少应该可以快速放气,以便任何麻烦的残余气体可以被快速抽出。

UHV中,腔室容积不是一个重要的因素,最多是在泵关闭或打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。

强度和耐腐蚀性是进一步的要求。由于密封面在1 bar的压力差下不能变形,因此材料必须要有足够的强度。耐腐蚀性也必须在大气中烘烤或化学活性的工艺气体的侵蚀。因此,所选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系数,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。

其次是材料的加工和工艺处理。

由于超高真空需求少,无法自己去研发新材料,我们必须选择已经存在的材料。其中,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。

1. 吸附:气体沉积在固体或液体的表面,如颗粒粘在室壁上。

2. 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。

3. 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。

4. 渗透作用:气体通过液体或固体的传输。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,也发生在每次破大气时。解吸是达到良好极限压力的主要障碍。这是因为在渗透过程中,附着在室外的颗粒会通过室内壁扩散,增加了对真空室的解吸。

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,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继续抽气。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。

解吸

随着时间的推移,由于金属表面的解吸作用,气体分子就会越来越少。

UHV中,金属的解吸没有塑料那么重要。特别是垫圈,会释放溶解在其中的气体。因此,经过较长时间后,塑料的解吸可能比金属表面的解吸占优势。垫圈的表面积相对较小,但随着时间的推移,其解吸率的下降速度较慢,这一点被抵消了。

渗透率

渗透率是指材料的气体渗透率或其渗透流导。因此,渗透作用与时间无关,与最终压力的增加有关。它对压差的依赖性可以用来减少压差。所谓的差压泵,意思是指带有级间泵的双密封。这也会导致渗透流量减少100或1000倍。然而,渗透率也取决于温度以及介质和材料的某些组合。一些材料对某些介质的渗透性要比其他的强,例如熔融石英对氦气的渗透。例如,弹性体的渗透率相对最高,这也与温度密切相关。它们的渗透率在温度增加100K的情况下会增加100倍。然而,温度超过150°C是不可能使用弹性体的,因为O形环会变成椭圆形。

作为一个原则问题,不要将极低压力(<10-8 hPa)下的渗透与真正的泄漏混淆。

渗漏

可能的泄漏是在局部或整体泄漏检测过程中发现的。在这两种情况下,真空室都处于真空状态。局部泄漏检测的泄漏率:10-10 Pa·m3/s ≈ 0.1 μm 毛细管直径。整体检漏的泄漏率(真空法):10-9 Pa·m3/s ≈ 0.3 μm 毛细管直径。

在泄漏测试开始时,剩余的气体负荷应在10-7Pa -m3/s的范围内。偶尔也需要10-1010-11 Pa·m3/s 的数值。然而,这些要求是理论上的,因为它们没有提供任何新的发现,尽管需要的时间大大增加。经验表明。如果在10-7 Pa·m3/s 时没有发现泄漏,在10-1010-11 Pa·m3/s 时也不会发现。

在对系统进行泄漏测试时,重要的是要注意,没有指示不等于没有泄漏,因为测试气体氦气的抽气速度和室中的真空度会影响信号。如果有泄漏,气体会流入室中,分散开来,并以相对较低的概率击中与检漏仪连接的管道。此外,如果过程太快,信号也会被掩盖。

接头和内在蒸汽压力

接头代表额外的解吸表面。这种影响可以通过使用低放气率的材料、干净的工件和事先对部件进行放气来减轻解吸气源。

本身的蒸汽压力对油和油脂起着重要作用。由于它限制了最终的真空压力,它应该足够低。这种影响也存在于金属中。例如,在温度超过100 °C时,黄铜中的锌分压会大量增加,所以不建议在这个领域使用。

在施工过程中,应消除通风不良的体积(虚拟泄漏)。如果不能避免高的气体负荷,例如因为引入了气体,必须使用高放气率的材料或需要溅射表面,泵的有利选择和定位可以改善这种情况。

超高真空室的实际设计

对于真空室没有一套强制性的规则,与压力容器如气瓶或油罐车相当不同。对于真空室的设计,可以参考相关规则和标准,如压力容器的AD 2000。通常使用压力容器、圆柱形外壳或圆盘底部的计算。也可以使用有限元方法(FEM)进行计算。然而,这种情况下,必须考虑到压力比是相反的,特别是在对称的部件和管道的情况下。在真空室中,压力从外部作用,这就是为什么会发生弹性弯曲和塑性变形。此外,必须考虑到真空室的所有操作条件。例如,烘烤过程中温度升高会导致材料强度下降。还有一些额外的负载,如腔体上的管脚,会给主体带来侧向负载。

机械指令和风险评估

没有真空室获得CE标志,这是为什么?一个部件必须在欧盟指令的范围内,该指令规定了CE标志,才能获得CE标志。由于真空室不是一台机器,这不适用于真空室。因此,没有符合性声明,没有CE标志,也没有合并声明。

然而,如果在真空室上安装的部件是机器,这就改变了。然后,产品责任在于将产品投放市场的人,即可能是经营者。整个系统要根据EN ISO 12100进行风险评估,它遵循安全设计的三阶段理论。这些要求是(按优先级递减)。首先,必须通过设计来消除危险。如果没有危险点,就不存在风险。如果不能避免危险,就必须采取技术保护措施,如封闭危险区域。如果这也无法实施,则必须在操作说明中让用户了解危险。

焊接

焊接是真空容器制造的核心过程。通过从内部进行焊接,可以避免体积的夹杂。如果有必要,有支持性的焊缝,从外面看是不连续的。如果焊缝在内部和外部都是连续的,可能会出现虚拟的泄漏。在这种情况下,无法发现内部焊缝的泄漏,而且很难抽出困在焊缝之间的气体。例如,如果由于空间的限制,不可能从内部进行焊接,则只焊接外部。这些焊缝是*通过焊接而成的,这样就不会在真空侧留下狭窄的缝隙。

由于强烈的局部加热,会发生焊接变形。因此,有经验的焊工事先确定要焊接的焊缝顺序,以便将变形控制在ZUIDI限度。功能面如密封面一般需要额外返工。

资格认证可以用来确定一个公司是否具有必要的焊接经验。焊接和程序资格测试可以了解执行工作的公司的能力。

钨极惰性气体(TIG)焊接、激光焊接和电子束焊接,是真空焊缝最常见的焊接工艺。

焊接会导致焊缝的微观结构差异,机械、磁性以及化学性能在这一领域发生变化。必须特别注意的是磁性能。快速冷却会导致马氏体转变,从而增加相对磁导率。这特别影响到使用磁场的应用,例如在粒子加速器中。腔体材料和外部磁场的相互作用必须非常小,几乎感觉不到。

超高真空的清洁

最后,真空室必须清洁,以达到适合特高压的清洁度。然而,在真空室的制造过程中,通过使用清洁的材料和避免污染,例如低碳钢,奠定了这个基础。锻造过程中形成的水垢层被*清除。机器使用的润滑剂是水溶性的,不允许在上面干燥。作为精加工的一部分,焊接产生的污垢通过刷子、研磨(使用碳化硅SiC)、玻璃珠钢化、酸洗或电子抛光来去除。在这个过程中只使用干净的工具。最后,污染物在清洗槽(如超声波)中被*清除,任何最后的清洁剂残留都通过*去矿物质或去离子水的*冲洗来清除。

最高程度的清洁是通过真空退火实现的,也称为低氢退火或退磁退火。在这个过程中,奥氏体不锈钢在950 - 1,050 °C下,在p < 10-4 hPa的真空下进行退火。在氮气环境中冷却时,必须在半小时内通过900-550℃的温度范围。

然而,法兰的切割边缘有足够高的强度是退火的先决条件,所以它们应该由1.4429ESU制成,这是一种通过电渣重熔工艺获得的高纯度钢,而不是1.4307。


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作者:深圳市科锐诗汀科技有限公司真空技术中心

备注:以上文章内容为普发真空相关文章节选

 


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