真空腔體制作相關注意事項

真空系統 郭方準 實用真空技術

  真空腔體是保持內部為真空狀態的容器,真空腔體的制作要考慮容積、材質和形狀。

  不銹鋼是目前超高真空系統的主要結構材料。其中300系列不銹鋼(表1)是含Cr10%~20%的低碳鋼,具有優良的抗腐蝕性、放氣率低、無磁性、焊接性好、導電率和導熱率低、能夠在-270~900℃工作等優點,在高真空和超高真空系統中,應用廣泛。

表1 300系列不銹鋼的化學成分(其他成分為Fe)

300系列不銹鋼的化學成分

  近年來,為了降低真空腔體的制作成本,采用鑄造鋁合金來制作腔體也逐漸普及。另外,采用鈦合金來制作特殊用途真空腔體的例子也不少。

  為了減小腔體內壁的表面積,通常用噴砂或電解拋光的方式來獲得平坦的表面。超高真空系統的腔體,更多的是利用電解拋光來進行表面處理。

  焊接是真空腔體制作中最重要的環節之一。為避免大氣中熔化的金屬和氧氣發生化學反應從而影響焊接質量,通常采用氬弧焊來完成焊接。氬弧焊是指在焊接過程中向鎢電極周圍噴射保護氣體氬氣,以防止熔化后的高溫金屬發生氧化反應。

  超高真空腔體的氬弧焊接,原則上必須采用內焊,即焊接面是在真空一側,以免存在死角而發生虛漏。真空腔體不允許內外雙重焊接和雙重密封(圖1)

真空腔體不允許內外雙重焊接和雙重密封

圖1 真空腔體不允許內外雙重焊接和雙重密封

  真空腔體的內壁表面吸附大量的氣體分子或其他有機物,成為影響真空度的放氣源。為實現超高真空,要對腔體進行150~250℃的高溫烘烤,以促使材料表面和內部的氣體盡快放出。烘烤方式有在腔體外壁纏繞加熱帶、在腔體外壁固定鎧裝加熱絲或直接將腔體置于烘烤帳篷中。比較經濟簡單的烘烤方法是使用加熱帶,加熱帶的外面再用鋁箔包裹,防止熱量散失的同時也可使腔體均勻受熱。

  圖2是筆者實驗室的真空腔體烘烤時的真空度變化結果,烘烤采用纏繞加熱帶的方式。當真空度達到約10-3 Pa時,開始給加熱帶逐漸通電加熱,最終保持腔體在150℃下進行長時間烘烤。烘烤過程中關閉離子泵,同時也給離子泵通電進行加熱烘烤,這時的真空腔體只靠分子泵和前級泵來排氣。隨著腔體溫度的升高,腔體內表面吸附的水蒸氣等氣體分子大量放出,真空度會迅速惡化。氣體的放出量隨著烘烤時間的延長而逐漸減少,因此真空度也逐步好轉。停止烘烤時,切斷加熱帶和離子泵的烘烤電源,然后趁腔體仍處在高溫的狀態下對鈦升華泵進行除氣處理。鈦升華泵的除氣處理是指給Ti絲通電加熱,但又控制溫度在Ti升華溫度之下的操作。鈦升華泵除氣處理的目的是清除吸附在Ti絲表面的氣體分子以及其他可能的污染物,以確保鈦升華泵的正常工作。充分完成鈦升華泵的除氣處理之后,啟動離子泵和鈦升華泵,加大真空排氣的力度。隨著排氣力度的增大和由于腔體溫度降低而放出氣體的減少,系統的真空度會迅速好轉。

烘烤時的真空度變化

圖2 烘烤時的真空度變化

  新完成的腔體第一次烘烤時,一般需要一周時間,重復烘烤后單獨的烘烤時間可以適當減少。為了更準確地測量真空度,停止烘烤后也應該對真空計進行除氣處理。如果真空泵能力充分而且烘烤時間充足的話,烘烤后真空度可提升幾個數量級。

  一個大氣壓在1cm2的面積上產生約1kgf的壓力,對直徑20cm的法蘭來講,就是1t的壓力。圓筒或球形的腔體,由于構造的特殊性使得壓力分散,腔體的壁厚2~4mm就不會變形。但是,對于方形腔體,側面的平板上要承受上噸的壓力,必須通過增加壁厚或設置加強筋,才能防止變形。方形腔體一般情況下要比筒形和球形腔體重,而且價格高。圖3所示為幾種代表性的真空腔體,分別為筒形、球形和方形。

幾種代表性的真空腔體實物

圖3 幾種代表性的真空腔體實物