浅析获得高真空超高真空的关键因数

在许多实际应用场景，例如真空冶金、空间模拟、分析仪器、高能物理、电子显微镜和分子束外延 (MBE)等等， 都需要高真空 (High Vacuum/HV) 或者超高真空 (Ultra High Vacuum/UHV) 的环境。

本文将 1E-3 mbar 至 1E-7 mbar 之间的压力范围定义为高真空（HV），将 1E-7 mbar 至 1E-12 mbar 之间的压力范围定义为超高真空（UHV）。

以下内容将讲述获得高真空和超高真空的关键重点。

真空系统的设计和制造

高真空和超高真空系统的设计需要遵循一定的规则，特别是所使用的材料和内外表面处理工艺，建议： 

• 腔体设计时要最小化其内表面积

• 真空腔体和管道要使用放气率低的材料，并尽量减少安装或放置于其内部的高放气率材料（如橡胶、塑料、绝热纸等）

• 确保真空腔体内部没有死空间（例如螺纹盲孔），并尽量避免狭缝、毛细管等结构

• 减少密封件、馈通件等的数量

• 采用金属密封结构

• 只能从内部焊接，由于位置、尺寸的限制必须从外部焊接时一定要焊透

• 合适的腔体内部表面处理（如抛光、脱脂等）

• 严格的泄漏检测

保持系统清洁和充分脱气

为了达到极高的真空度，总气体负荷必须尽可能低。因此，在高真空超高真空条件下，系统的放气率需要尽可能的低（腔体设计时的许多准则，比如最小化内表面积，都是为了减少系统放气率）。

放气是溶解、吸附以及夹杂在材料中的气体，在真空环境下缓慢释放出来的过程，水、油污、密封剂、润滑剂和粘合剂是最常见的放气来源，而即使是金属和玻璃等固体，其材料表面或内部，在真空环境下也会释放出气体来。

对高真空超高真空环境可能接触到的表面进行抛光、清洁或烘烤处理可以有效的减小系统放气率，从而大大缩短达到目标压力所需要的时间。 

高真空或超高真空系统需要破空时，应使用干燥的氮气或空气，并尽量减少暴露在空气中的时间；系统长期不用时，最好在真空状态保存。
                       

选择合适的真空泵

为了高效的获得高真空或超高真空，首先需要选择至少一台真空泵作为主泵，真空泵种类很多，选择合适的真空泵以获得最佳性能并尽量节省预算并不是一件简单的事情。  

高真空或超高真空系统常见的主泵类型：

1、分子泵，通过高速旋转的叶片或牵引盘来抽气。它可以在比较高的压力就开始工作，并在高真空和超高真空范围内提供稳定的抽速。

它们的缺点是会产生振动，对轻质气体的抽速会降低，对机械冲击和颗粒物污染也比较敏感。

2、离子泵，是捕获型真空泵，因为它们没有活动部件，可靠性非常高，工作时也完全没有振动；寿命很长，并且几乎不需要维护；此外，离子泵可以耐受较大的辐射和磁场干扰，通过移除磁铁，它们可以被烘烤到 450°C，这对于有些超高真空系统是必不可少的。在实际的应用中， 对追求超高真空并且很少破空的应用，一般建议选择二极离子泵；其它应用建议选择 StarCell^® 离子泵。

3、钛升华泵和 NEG 吸气剂泵，分别利用升华出来的新鲜钛膜和吸气材料吸附活性气体来抽气，两种泵对活性气体的抽速都很大，而对惰性气体完全没有抽速。另外，由于总抽气容量的原因，这两种泵都更适合工作在气量很少的超高真空，特别是 NEG 吸气剂泵，当其容量耗尽时需要高温激活，而在激活时，之前吸附的气体会被释放出来，这意味着系统的超高真空将会被破坏。

4、复合离子泵，超高真空时系统的主要气载是氢气，好多时候也会有一定的比例的惰性气体，为了达到更好的真空度，还经常会把 StarCell ^®离子泵与对氢气抽速比较大的钛升华泵或者 NEG 吸气剂泵组合在一起使用，即复合离子泵。  

当主泵确认后，再根据主泵的特点和需求选择合适的前级泵，如隔膜泵、涡旋泵、涡轮分子泵组等。为了避免油蒸汽的污染，高真空超高真空系统一般会选择无油真空泵。

考虑流导的影响 

根据定义，流导是指气体流量除以管道两端的压力差，因此，流导的单位与抽速（单位时间的体积）相同。

通过某段管道连接到系统的真空泵，其实际有效抽速不可能大于流导。

对于高真空和超高真空系统，真空泵与系统之间的流导至关重要，有时候甚至会成为系统的瓶颈——由于流导的限制，无论如何增大真空泵的抽速，实际有效抽速都没有显著的增加。

综上所述，在设计或使用高真空或超高真空系统时，请牢记这些注意事项，这是实现系统最佳性能和所需真空度的关键。  

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