超高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組裝

超高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組裝1.1超高真空靶室及管道的設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮密封可靠，結(jié)構(gòu)合理，材料對(duì)真空度影響要小在設(shè)計(jì)的時(shí)候我們考慮到了真空部件氣密性質(zhì)量，所以我們盡量選擇用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的無(wú)縫鋼管和板材，但是許多的系統(tǒng)元件又離不開(kāi)焊接結(jié)構(gòu)，所以我們盡量選擇了焊接性能較好的鋼材。而為了保證焊接后焊縫不透氣，保證后期的氣源固定，也為了清洗簡(jiǎn)單在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的時(shí)候也要注意避免處于真空中的焊縫中有積存污物的空隙在選材的時(shí)候要盡量選擇一些表面粗糙度較大的，這樣也會(huì)減少表面放氣。而為了要保證抽氣速度足夠快，就要避免出現(xiàn)隔離空穴，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)了隔離空穴它就會(huì)成為一個(gè)緩慢放氣的源泉。真空系統(tǒng)上的各元件之間多是用法蘭連接。然而法蘭與管子之間是用焊接結(jié)構(gòu)。因?yàn)楹附拥臅r(shí)候容易引起法蘭的變形，所以目前我們國(guó)內(nèi)一般都采用焊接之后再對(duì)法蘭進(jìn)行加工處理，這樣即可達(dá)到尺寸和粗糙度上的要求，又可以保證兩個(gè)法蘭連接的密封可靠。而對(duì)于某些必須要處于較高溫度工作的真空橡膠密封圈，因?yàn)橄鹉z的耐溫有限，所以可以專門加一個(gè)水冷結(jié)構(gòu)來(lái)加以保護(hù)。又為了讓真空系統(tǒng)元件殼體與真空室殼體有足夠的強(qiáng)度，保證它們?cè)趦?nèi)力和外力的作用下不會(huì)產(chǎn)生變形，其器壁要有一定的厚度。而實(shí)驗(yàn)表明真空容器采用圓形的結(jié)構(gòu)較好。端蓋采用凸形的結(jié)構(gòu)為好盡量不要采用平蓋，因?yàn)槠淇箟耗芰ο嗖詈艽?。而壁厚已?jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)盡寸，當(dāng)然也可以計(jì)算出來(lái)。設(shè)計(jì)的時(shí)候還要注意，在容器檢漏的時(shí)候，如果是采用內(nèi)部打壓法，一般打入三個(gè)大氣壓力容器不應(yīng)該變形。水套檢漏的時(shí)候也按照三個(gè)壓力打壓。即有水套的殼體在外部或者內(nèi)部打入三個(gè)大氣壓力下，都不應(yīng)該變形。而為了保證由外面進(jìn)入真空室內(nèi)的移動(dòng)件或者轉(zhuǎn)動(dòng)件有可靠的動(dòng)密封。除了要選擇好的密封結(jié)構(gòu)之外，其中的軸或者桿也一定要滿足粗糙度的要求。更要防止在軸和桿上存在軸向的劃痕，因?yàn)檫@種劃痕會(huì)降低真空度，且不容易發(fā)現(xiàn)。真空室的殼體上的水套結(jié)構(gòu)，不僅要保證水流的暢通無(wú)阻。也要保證不能出現(xiàn)死水造成局部過(guò)熱。所以進(jìn)出水管位置要一下一上，而且設(shè)置流水隔層，讓水沿著一定路線流動(dòng)。而在設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)測(cè)量真空規(guī)管座的位置時(shí)應(yīng)該注意到由于每個(gè)密封面都不可能保證絕對(duì)的不漏氣，密封面集中的地方，必然是容易漏氣之處，測(cè)量值可能不準(zhǔn)。所以不可以將真空規(guī)管放置在密封面較多的地方。而且規(guī)管內(nèi)壁的各處，

都必須保證真空衛(wèi)生。不然就會(huì)造成測(cè)量的不準(zhǔn)。最后規(guī)管要盡量的接在接近被測(cè)量的地方，來(lái)減少測(cè)量誤差。本設(shè)計(jì)分為小靶室、中央大靶室、后級(jí)管道以及泵將連接管道。其中，小靶室與四維操縱平臺(tái)以及大靶室相連接，如圖7所示，其上有6個(gè)CF50法蘭，可分別接蒸發(fā)鍍膜設(shè)備、離子槍和離子源，我們通過(guò)改變其間夾角，可實(shí)現(xiàn)樣品的清潔、鍍膜樣品表面電荷交換等研究。CF150管道法蘭ICF50管道法蘭接濺射離子槍CF35管道法蘭接真空規(guī)CF150管道法蘭接小靶室ICF50管道法蘭接濺射離子槍CF35管道法蘭接真空規(guī)CF150管道法蘭接小靶室圖7小靶室接四維操縱平臺(tái)CF150管道法蘭

接大靶室大靶室：與后級(jí)管道和四通相連接，其上設(shè)計(jì)出接飛行時(shí)間譜儀管道、觀察窗、后級(jí)管道等接口管道與真空規(guī)管等。如圖8所示。道圖8大靶室CF35管道法蘭接飛行時(shí)間譜儀管CF100管道法蘭接觀察窗CF100管道法蘭道圖8大靶室CF35管道法蘭接飛行時(shí)間譜儀管CF100管道法蘭接觀察窗CF100管道法蘭接后級(jí)管道CF150管道法蘭接四通維移動(dòng)探測(cè)器、位置靈敏探測(cè)器等。束流后級(jí)管道，用于

接位置靈敏探測(cè)器CF35電極法蘭＞用于真空內(nèi)探測(cè)器與

外接電路盒的連接后級(jí)管道：主要用于后續(xù)探測(cè)器的接入。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)其上主要計(jì)劃連接一如圖維移動(dòng)探測(cè)器、位置靈敏探測(cè)器等。束流后級(jí)管道，用于

接位置靈敏探測(cè)器CF35電極法蘭＞用于真空內(nèi)探測(cè)器與

外接電路盒的連接束流后級(jí)管道，用于接束流后級(jí)管道，用于接CF100管道法蘭

用于大靶室與后級(jí)管

道的連接一維移動(dòng)探測(cè)器圖9后級(jí)管道

泵間連接管道：擁有四個(gè)CF150的法蘭，其分別與分子泵、離子泵、鈦升華圖10泵間連接管道另外，系統(tǒng)的材料以及制造成本可以綜合來(lái)考慮，材料與成本密不可分，當(dāng)然所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的形狀以及尺寸涉及到了制造所需要的工藝，也是與成本有關(guān)的。在材料選擇上要考慮它的機(jī)械性能，耐熱性，低溫性能等，綜合考慮最終選擇了sus304不銹鋼，也就是國(guó)內(nèi)的06Cr19Ni10(0Cr18Ni9)不銹鋼。因?yàn)閟us304不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，能夠承受109mBar的真空度，也能夠適應(yīng)在真空獲取過(guò)程中的烘烤環(huán)節(jié)。為得到更高更穩(wěn)定的真空度，我們考慮將在分子泵前級(jí)再加一級(jí)分子泵進(jìn)行抽氣。這樣進(jìn)口分子泵的前級(jí)真空會(huì)提高到約10-4Pa的狀態(tài)，從而提高進(jìn)口分子泵對(duì)一些氣體的壓縮比。理論上講，會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的真空度。綜合以上因素，最終設(shè)計(jì)如圖11所示：

lf—‘ —L圖ii:真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖圖中我們通過(guò)上方的CF200法蘭與原有超高真空靶室連接。右側(cè)CF150法蘭連接離子濺射泵，考慮到離子濺射泵質(zhì)量較大，我們?cè)O(shè)計(jì)了活套法蘭并通過(guò)波紋管實(shí)現(xiàn)離子濺射泵與管道的軟連接，以保證此處的密封性。左側(cè)CF150法蘭轉(zhuǎn)換為CF35法蘭后接鈦升華泵，左側(cè)20cm左右的管道為鈦升華泵提供吸附面積。下方CF200法蘭連接分子泵，分子泵連接位置錯(cuò)開(kāi)豎直管道是為了避免上方管道或靶室中有物體掉入分子泵中使其損壞。為了配合真空獲取中幾個(gè)泵的相互配合使用，在右側(cè)離子濺射泵連接處增加了手動(dòng)插板閥，在下方分子泵連接處增加了氣動(dòng)插板閥。1.2后期超高真空系統(tǒng)的組裝組裝過(guò)程主要包括清潔處理，真空封接以及后續(xù)輔助設(shè)備安裝。為了對(duì)管道實(shí)現(xiàn)冷卻，我們計(jì)劃在設(shè)計(jì)管道上方以及左側(cè)纏繞固定水冷卻金屬管。清潔處理主要是對(duì)管道內(nèi)部以及法蘭刀口處的清潔。管道內(nèi)部殘留的任何一點(diǎn)污漬都可能會(huì)成為超高真空獲取過(guò)程中氣體以及蒸汽的來(lái)源。法蘭刀口清潔不徹底也可能會(huì)影響系統(tǒng)的密封性。選擇干凈的清潔工具至關(guān)重要，包括干凈的鑷子等等。最重要的是不能用赤裸的手，避免帶來(lái)新的油脂和其他污漬。清潔處理的第一步是除去大污漬。第二步是去油，主要是用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解，常用的有丙酮，無(wú)水乙醇等。可以用含有有機(jī)溶劑的紗布擦拭，在去油結(jié)束后還要用熱吹風(fēng)機(jī)或者烘干機(jī)烘干。真空封接過(guò)程需要注意的就是管道搬動(dòng)過(guò)程中避免法蘭刀口的損壞，保持密封圈清潔，密封圈的正確放置和法蘭所有螺絲受力均勻。為了避免法蘭刀口損壞，建議搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)刀口進(jìn)行保護(hù)。密封圈可以在安裝時(shí)再拆封。為了達(dá)到法蘭所有螺絲受力均勻的目的，建議使用對(duì)稱安裝法，且同一個(gè)法蘭由同一個(gè)人安裝，便于掌握力度。對(duì)稱安裝法如圖12所示，按照所示順序依次安裝螺絲。圖12:法蘭對(duì)稱安裝法最后就是后續(xù)輔助設(shè)備的安裝，主要是烘烤設(shè)備。烘烤設(shè)備主要是由電磁繼電器，溫度控制儀以及電熱帶組成。我們知道烘烤溫度的均勻性至關(guān)重要，所以安裝烘烤設(shè)備時(shí)電熱帶一定要分布均勻，而且要緊貼真空管道表面。為了防止熱輻射，烘烤設(shè)備安裝好以后在真空系統(tǒng)外圍用鋁箔紙進(jìn)行了包裝。至此整個(gè)系統(tǒng)的組裝結(jié)束。本工作主要是利用AutoCAD繪制真空靶室、后級(jí)管道以及四通的模型，然后交由制作廠制作出成品進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。在作圖時(shí)要控制靶室與地的距離，以此為主來(lái)設(shè)