1、真空物理与技术真空物理与技术第7章 高真空技术第1页，共56页。高真空技术高真空技术l真空材料选择l真空清洗技术l真空密封技术l真空系统检漏l真空系统计算第2页，共56页。真空系统真空系统l真空系统u真空泵组、真空规、阀门、管道等按一定要求组合而成，具有一定抽气功能的装置u基本要求n极限真空度和工作真空度n一定的抽速n合适的残余气体组分n结构牢靠、操作简单、维护方便第3页，共56页。真空材料真空材料l结构材料u主体材料，承受大气压u主要是金属和玻璃l辅助结构材料u弹性、绝缘材料，具有特殊性能u陶瓷、玻璃、橡胶、塑料l真空密封材料u零部件连接处、漏气点辅助密封u真空油脂、真空封蜡第4页，共56页
2、。材料的真空性能材料的真空性能l材料的扩散与渗透性u气体的渗透过程n气体分子碰撞外壁并吸附n吸附时有的气体分子能离解成原子态l金属表面l非材料金属没有，气体不解离l惰性气体不能溶解在晶格中，不能渗透n气体分子（原子）在壁面达到与环境气压相对应的平衡溶解度l与压强差、温度相关n在浓度梯度作用下向内壁扩散（关键环节）n在内壁解吸和释出u渗透速率n渗透率与气体和材料种类相关l金属：SS Cu Al(很小，忽略）Fe Ni（渗氢)l非金属：渗透过程和气体分子直径和材料空隙相关u避免使用多孔、粗结构、松软层状材料第5页，共56页。材料的真空性能材料的真空性能l材料的放气u溶解、吸附的气体在真空环境中解溶
3、解吸 u常温放气n有机材料：水汽，放弃速率高，随时间衰减慢l不宜做真空系统内部材料n金属 玻璃 陶瓷：水汽 CO CO2放气速率低，随时间衰减快u高温放气n高温放气主要由体内扩撒过程决定n金属：CO H2 CO2 H2O 气体呈原子态，表面反应n玻璃、金属的表面层u经过化学清洗、去脂、抛光、烘烤降低放气性能第6页，共56页。材料的真空性能材料的真空性能l机械强度1/21.11(/)cLD D h材 料圆柱端板半球D/hLc/DD1/h1h1/R/h220Cu500Cu20Ni500Ni20Al500Al20SS500SS玻璃氯丁橡胶PVC有机玻璃云母845810090706210589702.
4、5123.7108.51110.598.711.610.591.73.82.15273378916101430581585731170.291560078047083047030第7页，共56页。材料的真空性能材料的真空性能l蒸发、升华、蒸汽压u不能采用蒸汽压很高的材料 Sn Pb等u蒸汽压随温度升高而改变u有机材料：不能烘烤，蒸汽压高 不能在超高真空下使用l化学稳定性和热稳定性u承受温度变化,强度变化l电磁性能u电子束、粒子束存在的条件下l光学性能第8页，共56页。真空选材原则真空选材原则l结构材料u足够的机械强度和刚度（大气压，烘烤不变形）u气密性好，低的渗透率和放气率u工作温度和烘烤温度
5、下低饱和蒸汽压u化学稳定性好，不易氧化和腐蚀，不发生化学反应u热稳定好 高 低温下保持真空性能和机械性能l密封材料u足够低的饱和蒸汽压u化学及热稳定性好，不软化，不反应，不挥发u一定的机械及物理性能u易清洗清除 If you are not sure,dont use it.第9页，共56页。结构材料结构材料l金属u普通系统n低碳钢、SS、Cu、Al、铝合金u超高真空系统nSS、高Ni合金、OFHCuAl Cun受Hg蒸汽侵袭n(Al+5%Si)材料处理方法抽气时间(h)抽气后放气率(Torr.L/cm2.s)低碳钢未抛光抛光882*10-82*10-9SS机制铸件酒精蒸汽脱脂酒精蒸汽脱脂化学
6、清洗300C烘烤400C烘烤1000C烘烤552412241632*10-99*10-102*10-1098%)，热膨胀系数非常低，900C，加工困难u机械性能差、容易炸裂、温度（剧烈变化、高温）n破裂只是由于张应力的缘故n突然冷却比突然加热危险的多n最危险：两表面稳定温度差（热梯度）第11页，共56页。辅助结构材料辅助结构材料l弹性材料u可拆连接处垫圈u可活动部分的密封圈u弹性管子可弯曲弹性连接u要求：良好的弹性、耐受一定的温度、低饱和蒸汽压、低放气率和渗透率u真空橡胶和人造橡胶第12页，共56页。弹性材料分类弹性材料分类类别名称化学成分特性电阻耐火不透热阻冷阻不耐油天然橡胶丁基碘橡胶聚丁二
7、烯异戊间二烯异戊间二烯/异丁烯丁二烯GGGPPPFEFFGFGFG耐油和耐石油聚硫橡胶氯丁橡胶有机多硫聚合物氯丁二烯FFPPEEGGFF耐热硅酮，硅橡胶氟代烃氟化橡胶聚硅氧烷乙烯叉氟化物六氟丙脂烯EEFGFEEEFE:优 G:良 F:中 P:差第13页，共56页。辅助结构材料辅助结构材料l塑料塑料类别化学成分商品名特点丙烯聚甲基丙烯酸甲酯人造荧光树脂有机玻璃聚异丁烯酸树脂透明，但蒸汽压高氟代烃聚四氟乙烯聚三氟氯乙烯PTFE特氟伦 氟路昂惰性，耐热耐冷，蒸汽压低聚乙烯聚乙烯碱烯抗化学作用聚苯乙烯聚苯乙烯耐辐射、耐冷聚氯乙烯聚氯乙烯乙烯基树脂第14页，共56页。辅助结构材料辅助结构材料l绝缘材料u
8、陶瓷n硬，脆，强度高，耐高温(1000C以上)n耐强烈振动和较大机械负荷，介电性和热稳定性好n硅酸盐陶瓷：硬瓷、镁-铝硅酸盐n氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、硅藻土、氧化锆u云母n铝硅酸盐n无色、透明、没有斑点n片状结晶矿物，沿晶剥裂，薄片n介电常数高、化学稳定性好、软化点1500Cn400C分解不透明，550C放出结晶水，不能用于500C以上第15页，共56页。真空密封材料真空密封材料l基本要求u饱和蒸汽压足够低：10-310-4Torr 10-6Torru热稳定性：不发软或变流动失去密封性u机械性质和物理性质：固态、没有气泡、不开裂、粘性u能溶于适当的溶剂u真空封脂、真空封蜡、真空漆第16页，
9、共56页。真空密封材料真空密封材料l真空封脂u具有一定粘度、蒸汽压足够低的脂膏状物质u涂在两面光滑接触面u转动、滑动后仍能密封u用于玻璃活栓、磨砂接头等处u使用局限n温度降低粘度增加，活栓转动困难n温度降低出现裂纹漏气n温度过高粘度减小，承受不了大气压力被挤掉，漏气u阿皮松系列、国产上炼系列第17页，共56页。真空密封材料真空密封材料l真空封蜡u一定硬度和粘度的蜡泥状物质u适用于不可拆的接头密封，填补小漏孔u真空泥n精致石蜡与特殊矿物土均匀拌和的可塑性油泥n饱和蒸汽压10-3Torr，30C使用n塑性好，易成型（手捏），附着性好u真空蜡n精炼沥青、虫胶、蜂蜡均匀混合n软化点比真空泥高，半永久密
10、封n加热使用（蜡、涂敷面）n饱和蒸汽压 500Cn热膨胀系数、残余应力u玻璃金属n直接粘附：可以达到真空密封，但不结实n中间加氧化层：一系列分层氧化物u陶瓷金属n玻璃作为中间材料第26页，共56页。真空密封技术真空密封技术l半永久可拆密封u石蜡（粘附剂）n暂时连接零件或泄漏接缝u环氧树脂胶u氯化银封接l磨口封接u平面磨口：用于不需要轴向移动零件u锥形磨口：相同锥度的内外两部分装配u球形磨口：小口径密封u涂脂第27页，共56页。真空密封技术真空密封技术l液体密封u用液体材料密封连接部件的空隙u水银、油l垫圈密封u表面光洁度非常好的法兰紧压，会留下微米大小的通道第28页，共56页。电线引入电线引入
11、l基本要求u与管壳绝缘，密封连接到真空系统l永久引线u基于玻璃金属、陶瓷金属封接l可拆引线u引入线和真空系统分开u垫圈密封或者石蜡密封第29页，共56页。物质传递物质传递l气体传递：活拴或者阀门u改变气流方向，调节流量大小，切断或接通管路第30页，共56页。真空系统零件真空系统零件l阀门u玻璃活栓n带孔的芯子n转动芯子控制气体通路n用封脂密封 n小口径u隔膜阀n手轮带动阀杆上下移动n隔膜离开或压紧阀座第31页，共56页。真空系统零件真空系统零件l阀门u球阀n两个环状弹性体紧压于一个金属球表面 n金属球上有一个大穿孔 n手柄转动金属球使穿孔改变方向nO形密封圈密封 u蝶阀n阀板的边缘上嵌有O形密
12、封圈 n阀杆带动阀板转动n密封圈与阀体紧密接触关闭，900 n体积小。结构简单 第32页，共56页。真空系统零件真空系统零件l阀门u电磁阀n磁力驱动 n电磁线圈接通电流，磁力吸引衔铁，带动阀盖，将阀门打开n电磁真空带充气阀 l机械泵入口专用阀门l自动放气第33页，共56页。真空系统零件真空系统零件l阀门u针阀n微调阀 n阀塞为针形，主要用作调节气流量 u超高真空阀门n能承受高温(400450)多次烘烤n放气量小，气密性好n重复性好n流导大 n无氧铜阀盖，不锈钢阀体 第34页，共56页。真空系统检漏真空系统检漏l真空检漏的重要意义u抽气过程u极限压强dP/dt=0时 Pu=Q/Sen漏气与放气总
13、和Q对有效抽速Se的比值n物理过程：一边抽气，一边不断的漏气，动态平衡n要得到低的极限压强：提高有效抽速、减低漏气量u漏气形成原因n系统微小裂缝：玻璃、金属、金属-玻璃封接、引线封接n肉眼不能直接观察，必须予以找出并修复（更换）eSdPQPdtVV 第35页，共56页。真空系统漏气的判断真空系统漏气的判断l抽不到预定的极限真空u材料放气u泵工作不正常u漏气l判断u测量系统压强变化na:压强保持P0不变。既不漏气，也没有放气，泵不正常nb:开始上升较快，然后饱和。放气nc:直线上升。漏气，漏气量正比大气压（常数）nd:开始上升很快，后来变慢，漏气、放气第36页，共56页。漏孔大小漏孔大小l漏孔本
14、质u漏气：在压强差作用下气体流动u气体流动：流量（单位时间流过的气体量）u用通过漏孔的流量表示漏孔大小u漏率定义：在漏孔一端为标准大气压，另一端低于0.01大气压，大气露点低于25C（干燥空气），温度23C，空气通过漏孔的流量u只要漏孔漏率相同，就可以认为完全相同uTorr.L/s Pa.L/s u同一漏孔，对不同气体漏率不同n分子态 He漏率为空气的2.7第37页，共56页。漏率大漏率大=危害大？危害大？l不确切u漏入一定气体量u引起的压强增长与容器体积大小有关u漏孔的危害是相对的n泵抽速大小n容器体积第38页，共56页。容许漏率容许漏率l极限压强u抽气、漏气（忽略放气）动态平衡u绝对不漏：
15、不可能、不必要u漏孔的漏气足够小，平衡压强小于工作压强u容许漏率：真空系统正常工作所允许的最大漏气量PP平衡工作0QeeS PS P平衡工作考虑到材料放气（消耗抽速）0110eQS P工作抽速越大、压强越高，容许漏率高第39页，共56页。常见真空设备容许漏率常见真空设备容许漏率漏率（Torr.L/s)真 空 设 备10210110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-11简单减压装置、真空过滤减压干燥、真空浸渍减压蒸馏、真空干燥真空蒸馏、真空干燥真空蒸馏、冷冻干燥分子蒸馏、真空反应器连续抽气的汞弧整流器放射性元素容器、保温瓶真空冶炼设备回旋加速器一
16、般高真空抽气装置宇宙空间模拟设备、半导体真空设备超高真空设备（连续抽气）封闭电真空器件（微波管、电子束管等）第40页，共56页。检漏基本原理检漏基本原理l检漏目的u确定真空系统是否存在漏气u找出漏孔位置（修复或更换）u估计漏孔大小（必要时）l方法u压强差u示漏气体第41页，共56页。利用压强差利用压强差l原理u漏孔两端存在压强差，就有气体流动u利用气体流动引起的效果，探测漏孔位置nP1P2l气体由内向外流动nP1P2，管道流导为F，泵口抽速为S，经过管道后的有效抽速为Se，U为泵在单位时间内抽除的气体量。1.试写出真空系统基本方程；2.讨论气导F在真空系统中的作用；3.如果容器内材料放气率为6x10-4Pa.L/s，要想扩散泵口的压强为10-8Pa，那么扩散泵的抽速至少要多少？要想容器中的工作压强为1x10-4Pa，那么连接容器和扩散泵的管道流导应为多少？S=Q/P2=6x104L/s F=Q/(P1-P2)=Q/P1=6L/s 第55页，共56页。非稳定流动计算非稳定流动计算一蒸发台V=55L，机械泵抽至2x10-2Torr需要多长时间？管道20cm长，直径4cm，泵2X4型，抽速4L/s，极限压强5x10-4Torr第56页，共56页。
