ISO 21360-62023 真空技术测量真空泵性能的标准方法第6部分低温真空泵标准立项发展报告

真空技术测量真空泵性能的标准方法第6部分：低温真空泵标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:VacuumTechnology—StandardMethodsforMeasuringVacuum-PumpPerformance—Part6:CryogenicVacuumPumps摘要随着半导体制造、薄膜沉积、粒子加速器及空间模拟等尖端科技领域的飞速发展，低温真空泵凭借其无油洁净、超高真空获取能力及对水蒸气等可凝性气体的高效抽除特性，已成为现代真空工程中不可替代的核心装备。然而，长期以来低温真空泵的性能测试缺乏统一的国际标准，导致不同制造商产品标称参数可比性差，严重制约了国际贸易与技术交流。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年12月正式发布了ISO21360-6:2023《真空技术测量真空泵性能的标准方法第6部分：低温真空泵》。本报告对该标准的立项背景、制定过程、核心技术内容及其行业影响进行了系统阐述。标准明确了低温真空泵的测量条件、测量装置要求、性能参数（包括抽速、压缩比、极限压力、冷板温度等）的测定方法及不确定度评定规程，填补了国际标准在该领域的空白，为全球低温真空泵产业的规范化发展提供了权威技术依据。该标准的发布实施将有效促进产品质量提升、推动技术创新并降低贸易壁垒。关键词：真空技术；低温真空泵；性能测量；国际标准；ISO21360；抽速测定Keywords:Vacuumtechnology;Cryogenicvacuumpumps;Performancemeasurement;Internationalstandards;ISO21360;Pumpingspeedmeasurement1引言真空技术作为现代工业与尖端科学研究的基石性支撑领域，其发展水平直接关系到半导体集成电路制造、平板显示器件生产、太阳能光伏产业、粒子加速器运行、核聚变研究及航天环境模拟等众多战略性科技方向的技术进步。真空泵作为真空获得的核心设备，其性能参数的准确测量与科学评价，是保障真空系统设计合理性、运行可靠性和能耗经济性的关键前提。在各类真空泵中，低温真空泵（CryogenicVacuumPump）以其独特的工作原理占据着不可替代的地位。低温真空泵利用低温介质（通常为液氦或制冷机冷头）使泵内冷板处于极低温度（典型值20K以下），通过低温冷凝（Cryocondensation）、低温吸附（Cryosorption）及低温捕集（Cryotrapping）等物理机制，将气体分子从被抽容器中移除。低温真空泵具有诸多显著优势：完全无油洁净的运行环境、对水蒸气等可凝性气体的极高抽速、可获得10⁻⁸Pa至10⁻¹¹Pa的超高/极高真空、无运动部件因而振动极低且可靠性高。这些特性使其在半导体光刻及刻蚀工艺、光学薄膜镀制、表面分析仪器、粒子加速器真空系统及航天器热真空试验等领域获得了广泛应用。然而，低温真空泵性能测试的标准化进程一度滞后于技术发展需求。已有的ISO21360系列标准（如第1部分通用方法和第2部分容积真空泵等）无法完全涵盖低温真空泵的特殊测试要求。低温真空泵的抽速强烈依赖于气体种类、冷板温度、气体负荷及泵的再生周期阶段等众多因素，其性能测量涉及的方法学问题远比普通容积泵或动量传输泵复杂。这一标准化空白导致各国制造商在性能数据表述上各行其是，用户难以在不同品牌产品之间进行客观对比选型，也在一定程度上阻碍了低温真空泵技术的良性竞争与国际贸易的便利化。2标准立项背景与制定历程2.1技术发展驱动的标准需求近二十年来，全球半导体产业经历了迅猛发展，芯片制程不断缩小，对真空环境的洁净度和极限压力提出了前所未有的严苛要求。深紫外（DUV）及极紫外（EUV）光刻设备、离子注入机、薄膜沉积设备（PVD、CVD、ALD）等核心工艺装备都高度依赖低温真空泵来实现快速启抽和高洁净真空环境。与此同时，大型科学装置——如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）升级项目、国际热核聚变实验堆（ITER）计划、各主要国家的新一代同步辐射光源——对超高/极高真空大抽速泵送解决方案的需求急剧增加，低温真空泵几乎是这些场景下的唯一现实选择。这一快速扩张的市场也暴露出了产业标准缺位的突出问题。由于缺乏统一的性能测试标准，低温真空泵的抽速曲线、极限压力、容量等关键指标在不同制造商之间缺乏可比性。用户在系统设计阶段难以依据供应商提供的性能数据进行可靠的真空计算，需频繁进行实际验证，增加了系统集成的不确定性和成本。国际标准化组织ISO/TC112（真空技术标准化技术委员会）敏锐地捕捉到了这一产业痛点，决定启动低温真空泵性能测量标准的制定工作，以填补ISO21360系列在该领域的空白。2.2标准制定工作进程ISO21360-6:2023由ISO/TC112真空技术标准化技术委员会归口管理，具体起草工作由WG1工作组（泵性能测量方法工作组）承担。制定工作大致经历了以下阶段：1.新工作项目提案（NP）阶段：在收集各成员国及联络组织（如美国真空学会AVS、日本真空工业会JVIA等）的意见基础上，TC112于2019年左右通过了低温真空泵性能测量标准的立项决议，确定标准编号为ISO21360-6，明确其定位为ISO21360系列的第6部分。2.工作草案（WD）阶段：组建核心起草专家组，由来自德国、日本、中国、美国等真空技术强国的专家组成。工作组在充分调研各主要制造商（如德国Leybold、日本Ulvac、美国Brooks等）现有企业测试规范及学术研究成果的基础上，形成了工作草案。3.委员会草案（CD）与国际标准草案（DIS）阶段：草案在ISO/TC112成员国内进行多轮投票评议。主要争议焦点集中在：标准适用范围边界（即低温泵与低温吸附泵的界限划分）、抽速测量方法选择（定容法、流量计法等的适用性）、再生状态对测试结果的影响处理等问题。经过多轮技术讨论和实验验证数据补充，专家组逐步统一了认识。4.最终国际标准草案（FDIS）及正式发布：最终草案在2023年完成投票，获得通过。2023年12月6日，ISO21360-6:2023正式发布，成为低温真空泵性能测量领域的第一份国际标准。3标准主要技术内容3.1适用范围与基本框架ISO21360-6:2023规定了低温真空泵性能测量的标准方法，适用于各类低温真空泵，包括使用闭循环制冷机（Gifford-McMahon型、脉冲管制冷型等）或液体低温介质（液氦、液氮）作为冷源的低温冷凝泵、低温吸附泵和复合式低温泵。标准不适用于低温面板/障板等作为高真空泵组附件的低温冷阱类产品——这类产品通常被归类为低温挡板而非独立的真空泵。标准遵循ISO21360-1（真空技术—真空泵性能测量标准方法—第1部分：通用要求）所确立的通用框架，在此基础上针对低温真空泵的独特性补充了专用测量规定。标准内容包括：术语和定义、符号与单位、测量条件要求、测量装置要求、性能参数测量方法、测量不确定度评定、测试报告要求及附录等部分。3.2核心性能参数与测量方法标准中规定的核心性能测量项目主要包括以下几个方面：1.体积流率（抽速）测量：低温真空泵的最大特征之一是其抽速随气体种类显著变化（如对水蒸气的抽速远大于对氢气的抽速）。标准要求分别测量泵对空气、氮气、氩气、氢气、水蒸气等代表性气体的抽速。标准规范了采用标准测试罩（测试钟罩）配合流量测量装置（质量流量计或量具）和真空计进行流量-压力法测量，给出了测试罩的结构尺寸要求、真空计安装位置要求及流量引入方式的具体规定。2.极限压力测定：低温真空泵的极限压力受冷板温度、泵体温度、吸附材料性能及前级泵抽速等因素的综合影响。标准规定了极限压力的测量条件和判定方法，要求泵在充分再生（Regeneration）后以规定工况运行至压力稳定状态后进行记录。3.气体容量（吸附容量）测定：区别于普通真泵可在连续运行中通过排气口排出气体的工作方式，低温真空泵抽除的气体以冷凝物或吸附物的形式存留于泵内冷表面，达到一定累积量后必须进行再生处理。因此，气体容量是衡量低温真空泵在两次再生之间可处理气体总量的关键参数。标准规定了对不同气体（特别是氢气）的容量测定方法，以及容量与冷板温度、入口压力之间的关联测定方法。4.冷板温度与制冷性能验证：冷板温度是决定低温真空泵抽气性能的根本性参数。标准规定了冷板温度的测量传感器布置方式、测量仪表精度要求及温度记录方法，并给出了在规定的制冷机输入功率下冷板应达到的温度范围参考。5.再生性能参数：低温真空泵的再生（即将泵升温使已冷凝气体解吸排出）过程对其平均可用性和系统运行效率具有重要影响。标准规定了再生时间、再生温度、再生后性能恢复程度等参数的测量与评价方法。3.3测量不确定度与报告要求为保障测试结果的可比性和可靠性，标准对测量不确定度评定提出了明确要求。标准引用了ISO/IECGuide98-3（测量不确定度表示指南，即GUM方法），要求各测试实验室应分析抽速测量、压力测量、流量测量等各环节引入的不确定度分量，并给出合成标准不确定度及扩展不确定度（通常采用包含因子k=2）。测试报告应清晰注明各测量条件下的不确定度信息，以便使用者准确理解性能数据的可信范围。此外，标准规定了测试报告的必要内容与格式，要求报告应完整记录泵的规格信息、安装状态、再生历史、测试条件（气体种类、冷板温度、环境温度和湿度等）、原始测试数据及计算结果，确保报告在不同实验室间的可比性和结果的可追溯性。4标准关键技术问题的处理4.1低温真空泵抽速测量中压力分布非均匀性问题低温真空泵在实际工作过程中，泵口附近的压力分布存在显著的空间不均匀性。对于其他类型的真空泵（如涡轮分子泵、容积泵），气体在泵入口处通常呈近似分子流或粘滞流状态，压力分布相对均匀。而低温真空泵对气体的抽除是在冷板表面进行的，气体分子在被冷表面捕获之前经历了复杂的飞行和碰撞过程，导致泵口平面上的压力分布强烈依赖于气体的分子质量、冷板几何结构及温度分布。为科学处理这一复杂性问题，标准明确规定采用经过校准的测试罩统一几何构型，并在罩壁的规定位置安装压力传感器，以"虚拟压力"概念为基础来定义泵的抽速。标准给出了测试罩的推荐几何尺寸（与泵口直径相关的比例关系）以及对压力传感器安装位置的角度、高度和取向的明确要求，从而最大限度降低压力分布不均匀对抽速计算结果的影响。4.2温度负载效应与抽速的时间依赖性低温真空泵的抽速并非恒定值，而是随泵运行时间和累积气体负荷的变化而变化。随着冷凝物在冷板上的不断堆积，冷板表面温度可能逐步升高（因为冷凝物的导热性有限），导致抽速下降。此外，对于氢气等难凝性气体，吸附材料的吸附能力也随负荷增加而逐渐饱和，抽速降低更为显著。标准要求在进行抽速测量时，应尽可能在冷板温度稳定的条件下、在较小的气体负荷范围内进行快速测量，以减少负荷累积效应对结果的影响。如标准同时要求在测量报告中注明测量时泵的累积气体负荷状态，以满足不同应用场景下用户对性能数据的需求。4.3与系列标准体系的协调统一ISO21360-6作为ISO21360系列的一部分，在术语定义、符号体系、测试罩基本结构、真空计校准要求、数据处理方法等方面与ISO21360-1保持高度一致。对于低温真空泵特有的术语（如冷板、再生、吸附容量等），标准在ISO3529（真空技术词汇）的框架基础上进行了补充定义，保持了系列标准的体系性和逻辑一致性。这一协调方式为未来其他类型真空泵标准（如ISO21360-7吸附泵、ISO21360-8低温泵等）的制定提供了良好的模板和指引。5修订的主要企事业单位与标准化组织5.1ISO/TC112真空技术标准化技术委员会ISO/TC112（真空技术标准化技术委员会）成立于1966年，是国际标准化组织下属的负责真空技术领域国际标准制定的专业技术委员会，秘书处承担单位为日本工业标准调查会（JISC）。TC112的现行架构包括：-直属工作组：包括WG1（泵性能测量方法）、WG2（真空计）、WG3（检漏方法与质谱检漏仪）、WG4（残余气体分析仪）等。-分技术委员会：SC1（真空泵及真空系统附件）、SC2（真空计量学）等。TC112的工作范围涵盖了真空技术领域的术语定义、真空泵性能测量、真空计校准方法、真空系统安全要求、检漏方法等关键技术领域，已发布ISO21360系列（真空泵性能测量）、ISO27894系列（涡轮分子泵）、ISO20146（真空计校准）、ISO20486（检漏校准）等重要国际标准。截至2023年底，TC112共计发布正式国际标准约120余项，正在制定中的标准项目20余项，参与成员国覆盖全球近30个国家和地区，是国际真空技术标准化领域最具权威性的技术组织。5.2标准制定主要参与国家与核心贡献单位ISO21360-6:2023的制定汇聚了全球真空技术领域多个优势单位的技术力量：德国莱宝有限公司（LeyboldGmbH）作为全球真空技术领域的先驱企业，在标准制定中贡献了其在低温真空泵产品开发和性能测试方面的长期经验积累。莱宝是全球最早从事低温真空泵工业化生产和应用的企业之一，其产品在半导体制造和科研领域具有广泛的应用基础。在标委会的讨论中，莱宝的技术团队积极提供了低温真空泵全生命周期性能变化的实测数据和测试方法建议，特别是在再生状态对抽速测量的影响规律方面，为标准的制定提供了扎实的工程实践支撑。日本Ulvac（爱发科）株式会社在低温真空泵的吸附材料技术和氢气抽速测量方面拥有深厚的研发积累。日本是全球低温真空泵产业的重要基地，Ulvac作为日本最大的真空设备制造商之一，为标准的制定提供了大量技术文档和实验数据，尤其是在低温吸附材料的容量测定方面，其建议被工作组采纳。中国科学院理化技术研究所是中国在低温技术领域的重要研究机构，也是中国参与ISO/TC112的骨干专家单位之一。理化所长期从事低温制冷机和低温真空泵的研究开发，在脉冲管制冷机驱动的低温真空泵领域达到了国际领先水平。在标准制定过程中，理化所的专家团队提供了脉冲管制冷型低温真空泵的性能特征数据及其与传统G-M制冷机型低温真空泵的差异分析，为标准的适用性扩展做出了重要贡献。此外，中国国家标准化管理委员会所属的全国真空技术标准化技术委员会（SAC/TC18）组织国内多家科研院所和企业单位紧密跟踪标准制定进程，通过中国对口专家组持续反馈技术意见，在标准的部分关键条款（如测试罩结构与尺寸的规范化、氢气抽速测量条件的规定等）中体现了中国在该领域的工程经验和技术主张。此外，美国BrooksAutomation（现为EdwardsVacuum子公司）在低温泵产品方面拥有悠久历史，其为标准中有关深冷面板的温度测量方法和再生周期的技术规范提供了重要的工程参考。6标准的意义与影响6.1对行业发展的促进作用ISO21360-6:2023的发布对全球低温真空泵行业产生了深远影响。首先，标准确立了统一的性能测试方法体系，打破了此前各大厂商各自为政的局面，使不同品牌的低温真空泵在性能数据上具备了实质可比性，为用户在系统设计中的泵型选型和性能验证提供了科学依据。其次，标准对测量不确定度的明确要求，促使制造商不断完善自身的测试能力和质量控制体系，间接推动了行业整体技术水平和产品可靠性的提升。6.2对国际贸易的积极影响在国际贸易层面，低温真空泵产业是典型的全球化产业。主要制造商分布于德国、日本、美国、中国等国家和地区，产品在全球范围内流通。此前由于缺乏统一的性能测试标准，国际贸易中的技术壁垒和贸易争议屡有发生——买方依据自身测试方法获得