超高真空技术.pdf

1 超高真空技术超高真空技术 合肥工业大学 机械与汽车工程学院真空教研室 干蜀毅 合肥工业大学 机械与汽车工程学院真空教研室 干蜀毅 第七章 真空科学技术基础 真空 第七章 真空科学技术基础 真空 泛指低于一个大气压的气体状态泛指低于一个大气压的气体状态 7 1 真空性质真空性质 真空特点 真空特点 现代真空技术能获得的最低气体压强 约约10 13Pa 真空测量的单位真空测量的单位 1标准大气压标准大气压 ATM 101325帕帕 Pa 1托托 Torr 133 3帕帕 Pa 1毫巴 毫巴 mbar 100帕帕 Pa 7 2 真空的气体动力学模型真空的气体动力学模型 NkTpV 2 3 1 rms mnvp nkTp m kT vrms 3 分子的动能分子的动能 2 2 1 rms mv kT 2 3 压强压强 2 混合气体的总压强混合气体的总压强P等于各个成份 气体分压强之和 即 等于各个成份 气体分压强之和 即 n pppp 21 道尔顿分压定律 道尔顿分压定律 kT mv ev kT m vf 2 2 2 3 2 2 4 m kT vm 2 m kT v 8 m kT vrms 3 mrms vvv 最可几平均速率均方根最可几平均速率均方根 分子速度 分子速度 Maxwell速度分布函数速度分布函数 vn 4 1 mkT p 2 m kT v 8 nkTp 入射到表面的分子数入射到表面的分子数 2 2 1 nd k i i i i m mdd n 1 121 1 1 2 1 2 i 24 e 电子离子 单一气体 混 合 气 体 电子离子 单一气体 混 合 气 体 平均自由程平均自由程 P1 T1 n1 P2 T2 n2 2 2 1 1 T p T p 热流逸热流逸7 3 气体经真空系统的流动气体经真空系统的流动 dt Nmd dt dM dt kT mpV d dt dM dt pVd kT m dt dM dt pVd Q Q kT m dt dM 质量流 质量流 抽真空就是从容器内抽除气体质量 抽气 率即质量流决定于压强下降率 若容器内起初包含分 子质量为的分子数 抽真空就是从容器内抽除气体质量 抽气 率即质量流决定于压强下降率 若容器内起初包含分 子质量为的分子数N 则抽气时的总质量变化率为 则抽气时的总质量变化率为 3 流导流导 21 ppCQ 21 CCC 21 21 CC CC C 串联 并联 串联 并联 小孔的流导小孔的流导 A mkT pp dt dN 2 21 mA mkT pp dt dM 2 21 净分子流数 质量流率 净分子流数 质量流率 Q kT m dt dM App m kT Q 2 21 A m kT C 2 0 管道的流导管道的流导 无限长管 充分长管 短管 无限长管 充分长管 短管 dx dp m kT rQ 2 1 3 3 3 4 2 1 2 1 3 2 3 4 m T k L r CLT r L C CST 8 3 1 0 短管流导的计算结果短管流导的计算结果 7 4 真空系统抽气真空系统抽气 p Q S 0 21 ppCQ 流导 容器内 泵入口 流导 容器内 泵入口 20p SQ 1 SpQ CS CS S 0 0 C S S S 0 0 1 0 1 S C C S 抽 速 抽 速 质量变化率质量变化率 oi QQ dt pVd SpQ 0流出气流量 对于恒定容积的真空系统 流出气流量 对于恒定容积的真空系统 SpQ dt dp V i t V S ii ep S Q S Q p 0 S Q p i ult 抽气率抽气率 4 dt dM m kT QA m kT pAQA 2 m kT pA Q S A A 2 单位表 面抽速 入射到单位面积上的气流量 单位表 面抽速 入射到单位面积上的气流量 dt dN kTQA dt dN A AkTQA mkT p 2 抽速 气体流入量和真空度抽速 气体流入量和真空度 7 5 真 空 系 统 气 体 源 真 空 系 统 气 体 源 经容器壁的泄漏经容器壁的泄漏 虚漏虚漏 蒸发蒸发 表面出气表面出气 体出气体出气 渗 透渗 透 分解分解 高能粒子轰击出气高能粒子轰击出气 7 5 1 经容器壁的泄漏 氦检漏仪 经容器壁的泄漏 氦检漏仪 对真空容器的泄漏非常灵 敏 最小可检测的氦气流入量是10 12 Pa m3 s 1量级 器壁上小孔 漏孔往往出现在两块同类材料或不同类材 料之间的真空密封接头处 由于压差 振动和热循环等原因在接头内 产生的应力和应变 可能会使接头损坏 7 5 2 虚漏虚漏 虚漏不限制系统的极限压强 而是 限制达到极限压强要化的时间 虚漏不限制系统的极限压强 而是 限制达到极限压强要化的时间 盲孔 大气内存放的零件其内部也会贮存气体 疏松的结构物质 结构材料内部的加工纹路 气孔和裂缝 7 5 3 蒸发蒸发 饱和蒸汽压 蒸发物质单位面积 上出来的净流量 饱和蒸汽压 蒸发物质单位面积 上出来的净流量 mkT pV 2 T b apV log mkT p W 2 1 蒸发率蒸发率 固体 液体的任一原子或分子的动能足 以克服其结合能时 就有粒子逸出而成 为气体 这一过程称为蒸发 7 5 4 表面出气表面出气 吸附和解吸 物理吸附 Van der Waals力 化学吸附 化学价键力 解吸率 吸附率 分子具有能量E的机率正比于 exp 2RT E mkT p B f NA mkT fp A 2 exp RT E BN dt dN A A exp RT E 5 平衡条件下分子滞留 于固体表面平均时间 AA N mkT fp A 2 exp 1 RT E B exp 0 RT E mkT fp NA 2 exp 2RT E mkT p B f NA 和和E之间的函数关系之间的函数关系 7 5 5 体出气 来源 体出气 来源 Fick第一 扩散定律 第一 扩散定律 dx dc DQ exp 0 RT E DD d Fick第二扩 散定律 第二扩 散定律 2 2 2 2 2 2 z c y c x c D t c 块材在加工 处理期间吸收气体 暴露大气时体内也会吸收气体 气体气体 固体组合的扩散系数固体组合的扩散系数 气体气体 金属组合 气体 金属组合 气体 非金属组合非金属组合 7 5 6 渗 透渗 透 Henry定律定律 Fick第一定律第一定律 n Spc 21 ccDQd 12 nn pp d DS Q 乘积乘积DS称为渗透常数 真空容器壳体相对边气体 压差 浓度梯度 引起 称为渗透常数 真空容器壳体相对边气体 压差 浓度梯度 引起 7 5 7 分解分解 22 OvMvOM oMvv oM 环境氧气分压强低 反应自左向右 氧化物分解 环境氧气分压强高 反应自右向左 金属被氧化 环境氧气分压强低 反应自左向右 氧化物分解 环境氧气分压强高 反应自右向左 金属被氧化 6 7 5 8 高能粒子 轰击出气 轰击 溅射剥蚀 出气 高能粒子 轰击出气 轰击 溅射剥蚀 出气 高能粒子 具有一定能量的电子 光子和重粒子 高能粒子 具有一定能量的电子 光子和重粒子 质子 中子 离子 和原子 质子 中子 离子 和原子 第八章 超高真空材料 第八章 超高真空材料 8 1 超高真空材料选择准则超高真空材料选择准则 1 饱和蒸气压低饱和蒸气压低 2 为了减少慢性解吸和体出气 要求能耐耐450 高温烘烤 高温烘烤 而不降低机械强度和不发生化学 和物理损伤 烘烤期间耐空气侵蚀和不发生漏气 3 作为真空系统壳体材料 要求能忽略气体渗 透 承受得住大气压的压迫 能忽略气体渗 透 承受得住大气压的压迫 4 要求选用的材料材料易加工 价廉易得 易加工 价廉易得 密 封接头易焊接 不漏气 小真空系统 习惯上选用玻璃 渗透率 小 但机械强度较差 特别 适用于要和金属阀等相连接 的压强在10 6 10 8Pa的小系 统 大真空系统 大真空系统 多选用软钢或相类似的 金属制成全金属结构 软钢 在空气内加热时会发生侵蚀 渗 氢 因而不适用于超高真空系统 只适于制作不烘烤的系统 7 不锈钢 不锈钢 适于制作超高真空系统 能 满足超高真空的苛刻要求 陶瓷 绝缘性能好 机械强度高 更耐热冲击 成本高 加工难 8 2玻璃玻璃 硬玻璃 硼硅玻璃 软玻璃 苏打玻璃 铅玻璃 铝硅玻璃 熔化后冷却成为非晶固态的氧化物熔化后冷却成为非晶固态的氧化物 软 硬玻璃区别 化学组成不同 粘度温度特点不同 物理性能 物理性能 膨胀系数 粘度 决定热应力和热应变 决定机械稳定性 粘度 应变点 退火点 软化点 工作点 8 玻璃的膨胀曲线玻璃的膨胀曲线 热梯度应力断裂热梯度应力断裂 膨胀应力断裂膨胀应力断裂 断裂现象特别会发 生在玻璃与金属或 陶瓷之间的刚性接 头处 或者不同玻 璃之间的接头处 气体经玻璃渗透 玻璃体的微观结构 气体经厚度为d面积为A的固体 壁或膜片的渗透量Q 由表可见 由表可见 分子直径影响了渗透量 氦气 分子直径最小 因而渗透量最 大 而氩气 氮气和氧气的分 子直径太大 基本上不能渗透 玻璃出气玻璃出气 主要成分 主要成分 水汽 解决办法 解决办法 烘烤 烘烤温度 烘烤温度 200 300 气源 气源 溶解 吸附的气体 9 8 3金属金属 金属 金属 超高真空系统内部元件或壳体材料 要求 要求 1 饱和蒸汽压应低于需要达到的极 限压强 2 能很好地除气 烘烤期间不侵蚀 3 不渗大气 金属的蒸汽压金属的蒸汽压 图图1 金属的蒸汽压金属的蒸汽压 图图2 金属的蒸汽压 各种元素的饱和蒸汽压 温度曲线 有几种元素 例如钠 钾 硒 铯和镉等 在 室温下 蒸汽压大于10 9Pa 大多数金属 即使烘烤到450 蒸汽压仍然很 低 对系统获得压强低于10 11Pa来说并不会造 成困难 其中有许多金属是价廉易得的材料 金属出气金属出气 出气率决定于 出气率决定于 金属材料种类 气体吸附量 吸附方式 吸附温度 金属除气需要的时间 比玻璃长 气源 金属除气需要的时间 比玻璃长 气源 物理吸附 水汽 化学吸附 气体在金属内溶解的某些规律 氢气 氢气 固溶体 Al Cu Pt Ag Mo W 伪 氢化物 Na Ca B Si 氧气 氧气 贵重金属除外 溶解 氧化物 氮气 氮气 溶解于高温下能形成氮化物的 金属内 Zr Ta Mn Mo Fe等 Co Cu Ag Au内溶解度很小 一氧化碳和二氧化碳 一氧化碳和二氧化碳 只溶于Ni Fe 10 金属零件除气步骤 烘烤除气后零件的存放 1 真空熔炼原材料制成无气的锭块 2 零件装配前在真空内加热除气 烧氢 烧氩 3 装配成的部件在真空系统内加热除气 外炉烘烤 大零件 500 0C 直接通电加热 高频感应涡流加热 电子束或离子束轰击加热 气体经金属渗透 壳壁两边压差气体沿 晶格和晶粒边界扩散 渗透 惰性气体一般不渗透任 何金属 即使高温也是 如此 而氢和氧则可以 渗透大多数金属 钯 提纯氢气 银 提纯氧气 不锈钢 渗氢不可忽略 对壳体材料的物理和化学要求 不锈钢不锈钢最能满足超高真空要求 有希望的材料 低碳钢 铝 真空壳体材料主要是 以铁 铜 铝为基础 的金属及其合金 足够的机械强度 易于加工 良好的焊接性能 加热时性能稳定 8 4陶瓷陶瓷 无机非金属结晶物质 结晶相结晶相 玻璃相玻璃相 化学性质不活泼 真空气密 蒸汽压低 真空陶瓷类型 氧化铝瓷 氧化铍 纯氧化物瓷 高铝瓷镁橄榄石瓷滑石瓷 硅酸盐瓷玻璃陶瓷 真空陶瓷真空陶瓷 物理性能 渗透 陶瓷出气 只要瓷件体内无小孔 裂缝和其它 微缺陷 可以认为不渗透 机械强度 脆 抗压不经拉 与温度有关的特性 膨胀系数 11 8 5其它材其它材 料 料 塑料 合成橡胶 环氧树脂和树脂等 表2 8 各种合成材料在室温下的出气率 聚四氟乙烯 化学性质稳定 能烘烤到300 摩擦系数很小 氟橡胶 氟碳合成树脂 弹性好 能烘烤到 250 适于制作O密封圈 聚酰亚胺 吸湿性很强 膨胀系数较大 适于 制作垫圈 8 6封接技术封接技术 W Mo 硼硅玻璃 杜美丝 铂组玻璃 可伐 Kovar 硬玻璃 铬钢 软玻璃 无氧铜 不锈钢 刃口封接 软金属 垫中间 玻璃一玻璃封接玻璃一玻璃封接 玻璃一金属封接玻璃一金属封接 玻璃一金属封接玻璃一金属封接 陶瓷 陶瓷 陶瓷 玻璃 陶瓷 金属 熔焊 熔焊 靠熔化或压力使接触表面焊在一起 1 氧 乙炔焊 2 电阻焊 3 电弧焊 4 电子束焊 6 激光束焊 6 冷压焊 钎焊 钎焊 靠插入表面间的软金属或低熔点金 属熔化焊接在一起 其它材料封接其它材料封接 陶瓷封接陶瓷封接 金属焊接金属焊接 金属焊接金属焊接 超高真空泵超高真空泵 扩散泵扩散泵 分子泵分子泵 吸附泵吸附泵 低温泵低温泵 升华泵和吸气剂泵升华泵和吸气剂泵 溅射离子泵溅射离子泵 12 扩散泵扩散泵 原理 原理 气体分子扩散进入高速定向 蒸汽流气流携带 特点 特点 结构简单 操作 维修方 便 在10 1 10 4Pa范围抽速大 极限真空度 极限真空度 10 5Pa 前级压强 前级压强 40Pa 最大缺陷 最大缺陷 返油 不能获得清洁真 空 分子泵分子泵 原理 原理 高速运动的刚体表面对气体分子 携带 牵引分子泵 何氏系数 涡轮分 子泵 实现抽气的条件 实现抽气的条件 泵在分子流状态下启 动 转子高速旋转 特点 特点 但启动快 操作方便 在1 10 8Pa范围内抽速大 可获得无油真空 极限真空度 极限真空度 10 8Pa 前级压强 前级压强 1Pa 最大缺陷 最大缺陷 结构复杂 维护 维修困难 吸附泵吸附泵 原理 原理 利用吸气剂巨大表面 在低温下 吸附气体分子 物理吸附 化学吸附 特点 特点 结构简单 操作 维修方便 可获 得清洁真空 气体 有来无去 极限真空度 极限真空度 可 10 5Pa 前级压强 前级压强 理论上无须 但为减少冷剂消 耗 提高吸气剂吸气效率 常加前级泵 常用吸附剂 常用吸附剂 分子筛 活性炭 低温泵低温泵 原理 原理 低温冷凝 低温吸附 特点 特点 可抽除各种气体 包括氦 获得清洁的真 空 极限真空度高 可达10 13Pa 抽速非常大 占地少 耗电少 有极大的灵活性 可用于无法 布置其它类型泵的场合 极限真空度 极限真空度 10 13Pa 前级压强 前级压强 理论上无须 但实际常加前级泵 最大缺陷 最大缺陷 需要冷剂 无冷剂的地方无法使用 升华泵和吸气剂泵升华泵和吸气剂泵 原理 原理 利用新鲜 金属 吸气表面的化学吸 附捕捉气体分子 特点 特点 结构简单 操作 维修方便 一般只 作辅助泵 不能作超高真空的主泵 极限真空度 极限真空度 取决于工作前的残余气体成分 前级压强 前级压强 无 缺陷 缺陷 只抽除活性气体 不能抽除惰性气体 溅射离子泵溅射离子泵 原理 原理 低压下气体放电 Penning放电 特点 特点 无油 无振动 无噪音 使用简 单可靠 寿命长 可烘烤 不需要冷剂 置放方向不限 工作范围宽 1 10 10Pa 极限真空度 极限真空度 一般 10 8Pa 前级压强 前级压强 10 7Pa 天然和合成橡胶 P 10 7Pa 全金属密封 软金属 法兰连接的基本形式法兰连接的基本形式 法兰连接法兰连接 几种全金属密封形式几种全金属密封形式 全金属密封全金属密封 14 全金属密封全金属密封 机械运动传递和动密封机械运动传递和动密封 元件机械运动可分为两类 短程移动或低速转动 长程移动或高速转动 短程移动或低速转动短程移动或低速转动 合成橡胶合成橡胶O圈或唇缘垫圈 圈或唇缘垫圈 不能 烘烤 因而不适用于超高真空 10 4Pa Viton A垫圈 石墨作润滑剂 垫圈 石墨作润滑剂 可烘烤到200 但只满足超高真空压强 范围上限的要求 采用金属波纹管 采用金属波纹管 可烘烤 能满足 超高真空的要求 金属波纹管金属波纹管 波纹管传递旋转运动波纹管传递旋转运动 波纹管传递往复 旋转运动波纹管传递往复 旋转运动 15 波 纹 管 传 递 往 复 运 动 波 纹 管 传 递 往 复 运 动 长程移动或高速转动长程移动或高速转动 对于高速大转矩 采用动态密封方法 轴 穿过壳体高速旋转状态下的密封 对于高速大转矩 采用动态密封方法 轴 穿过壳体高速旋转状态下的密封 对于高速小转矩 采用磁或电磁耦合方法对于高速小转矩 采用磁或电磁耦合方法 动态密封方法动态密封方法 1 动态密封方法动态密封方法 2 动态密封方法动态密封方法 3磁流体动态密封磁流体动态密封 16 阀 具体结构取决于应用 对超高真空阀的基本要求 阀 具体结构取决于应用 对超高真空阀的基本要求 在关阀状态下漏气率最小 小于在关阀状态下漏气率最小 小于10 11Pa m3s 1 在开通状态下流导最大 在开通状态下流导最大 阀本身不是污染气体源 即材料出气 率小 渗透率小 阀本身不是污染气体源 即材料出气 率小 渗透率小 可烘烤到可烘烤到200 450 0C 阀用机械运动传递机构打开和关闭 阀用机械运动传递机构打开和关闭 阀种类阀种类 O圈密封直通阀圈密封直通阀 超高真空阀超高真空阀 闸 阀 闸 阀 刀边密封直角阀刀边密封直角阀 1 17 直 角 阀 直 角 阀 2 刀边密封直通阀刀边密封直通阀 气动驱动闸阀密封机构气动驱动闸阀密封机构凸轮楔形块驱动闸阀凸轮楔形块驱动闸阀 其它管路元件其它管路元件 真空锁真空锁 滑杆真空锁滑杆真空锁 旋转真空锁旋转真空锁 18 双孔真空锁双孔真空锁 系统与应用系统与应用 常见错误 过额设计 过额设计 过额设计 过额设计