چه عواملی بر خلاء نهایی یک محفظه خلاء تأثیر می گذارد؟

1، فشار باقیمانده گاز در داخل ظرف
قبل از اینکه سیستم خلاء بسیار بالا شروع به پمپاژ کند، مقدار معینی گاز از قبل در ظروف، خطوط لوله، تله های سرد و سایر اجزا ذخیره می شود. اگر از پمپی با سرعت پمپاژ معین برای حذف گاز موجود در ظرف استفاده شود، با زمان پمپاژ فشار به صورت تصاعدی کاهش می یابد.

اگر سیستم منبع گاز دیگری نداشته باشد و فقط گاز ذخیره شده اصلی داشته باشد، یک سرعت پمپاژ کوچک می تواند به سرعت مولکول های گاز را در ظرف حذف کند. با افزایش زمان پمپاژ، فشار داخل کانتینر به طور مداوم کاهش می یابد و می تواند به فشارهای بسیار پایین برسد، بنابراین یک عامل محدود کننده برای فشار نهایی سیستم نیست. توجه به حفظ سرعت پمپاژ معین برای هر جزء از گاز اصلی هنگام انتخاب واحد خلاء مهم است.

پمپ خلاءبا خلاء بسیار بالا دارای گزینش پذیری قوی برای گازها است، بنابراین، تجزیه و تحلیل فردی منبع گاز ضروری است، یعنی نه تنها برای دانستن مقدار گاز آزاد شده، بلکه همچنین برای دانستن ترکیب گاز آزاد شده. در عین حال، انتخاب پمپ ها نیز باید بر اساس میزان و ترکیب هوای آزاد باشد که در انتخاب پمپ اصلی برای بسیار مورد توجه ویژه قرار می گیرد.سیستم های خلاء بالا. انتخاب یک روش اگزوز منفرد امکان پذیر نیست. برای رسیدن به این هدف باید به طور جامع در نظر گرفته شود و ترکیب شود. برای حل این مشکل می توان از روش شستشوی گاز موجود در سیستم نیز استفاده کرد، یعنی شستشوی مکرر سیستم با گازی که به راحتی توسط واحد خارج می شود تا گازی که به سختی حذف می شود جایگزین شود. واحد، که همچنین به کاهش فشار نهایی کمک می کند. با این حال، به دلیل نشت، نفوذ، کاهش تورم و واکنش های شیمیایی خود سیستم، همچنان امکان ادامه تولید این گاز وجود دارد. روش شستشوی سیستم تنها زمانی قابل استفاده است که سیستم راه اندازی شود. اگر دستگاه سرعت پمپاژ معینی برای این گاز نداشته باشد، فشار باقیمانده این گاز نیز بر فشار نهایی سیستم تأثیر می گذارد.

2، نشت سیستم
نشتی عامل مهمی در محدود کردن فشار نهایی است و به محض اینکه مقدار قابل توجهی نشتی در سیستم رخ دهد، فشار نهایی در داخل سیستم محدود خواهد شد. هنگامی که سرعت پمپاژ سیستم ثابت است، کاهش میزان نشتی برای کاهش حداکثر فشار سیستم ضروری است.

نشتی عمدتاً ناشی از تخلخل و نقص در مواد اولیه، جوش ضعیف جوش ها، یا فشار زیاد روی جوش ها به دلیل طراحی نامناسب جوش، آب بندی ضعیف و "نشت سرد" است. در انتخاب مواد برای سیستم های خلاء بسیار بالا، مواد تولید شده توسط ذوب خلاء دارای محتوای گاز کمتری هستند و مواد نورد سرد دارای منافذ و عیوب کمتری نسبت به مواد نورد گرم هستند. جوشکاری ذوب باید به طور یکنواخت در فرآیند استفاده شود و از جوشکاری نقره، جوشکاری مس و سایر فرآیندها اجتناب شود. جوش نقره و جوش مس متعلق به لحیم کاری هستند، به این معنی که فلز اصلی ذوب نمی شود و این دو فلز با شار به یکدیگر متصل می شوند. پس از قرار گرفتن در معرض شوک سرد، گرم و استرس، به راحتی در مناطق با استحکام باند پایین جدا می شود و در نتیجه سوراخ هایی نشتی ایجاد می شود. بنابراین از این روش جوشکاری در فرآیند سیستم های خلاء بسیار زیاد استفاده نمی شود. در حال حاضر، مواد فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti یا 0Cr18Ni9Ti به دلیل عملکرد عالی در دمای بالا و پایین، عملکرد خلاء، عملکرد جوش، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد پردازش مکانیکی معمولاً در سیستم‌های خلاء بسیار بالا استفاده می‌شوند. با این حال، در فرآیند جوشکاری آرگون برای فولاد ضد زنگ باید به نکات زیر توجه ویژه ای داشت:

① در طول جوشکاری با قوس آرگون، سعی کنید تعداد شروع و خاموش شدن قوس را به حداقل برسانید. هنگام شروع قوس دوم، قبل از حرکت به سمت جلو، حتماً نقطه خاموش را ذوب کنید. تمرین ثابت کرده است که نشتی اغلب در نقطه اطفاء قوس یا نقطه شروع اتفاق می افتد، که اغلب ناشی از همپوشانی ناکافی یا حرکت رو به جلو بدون ذوب شدن بین نقطه شروع و قبل از خاموش شدن قوس است.

② سعی کنید از ذوب طولانی مدت با جریان بالا اجتناب کنید، در غیر این صورت عناصر آلیاژی در طول فرآیند جوشکاری بیش از حد می سوزند. به عنوان مثال، نیکل پس از جوشکاری به دلیل تبخیر شدن کاهش می یابد و ساختار متالوگرافی دیگر یک ساختار آستنیتی پایدار نیست، بلکه به مارتنزیت تبدیل می شود. در عین حال، جریان بیش از حد جوشکاری و مدت زمان طولانی نیز می‌تواند باعث ایجاد دانه‌های درشت در ناحیه حوضچه مذاب شود و در نتیجه ناحیه تحت تأثیر حرارت بزرگ، تنش بالا، استحکام مکانیکی ضعیف و مقاومت در برابر خوردگی ضعیف ایجاد شود. این جوش ها پس از اعمال نیرو در حین استفاده، مستعد پارگی هستند. برای قطعاتی که باید با مشخصات جریان بالا جوش داده شوند، بهتر است پس از جوشکاری، عملیات بازپخت خلاء در {{0}} درجه انجام شود تا اندازه دانه در ناحیه حوضچه مذاب اصلاح شود و تنش داخلی در درز جوش از بین برود. . با استفاده از جوشکاری استاندارد جریان کم، منطقه حوض مذاب کوچک است، منطقه تحت تاثیر حرارت کوچک است و عناصر آلیاژی کمتر تبخیر می شوند. پس از جوشکاری، جوش در یک ساختار آستنیتی پایدار باقی می‌ماند و پس از ضربه‌های مکرر از دمای اتاق به دمای پایین (حدود 1{4}}0K)، نشت گاز آسان نیست. بنابراین، فولاد ضد زنگ نباید چندین بار در طول فرآیند جوشکاری جوش داده شود. همچنین پس از نشتی درز جوش باید به جوش تعمیری توجه شود. هر چه تعداد دفعات جوشکاری بیشتر باشد، تغییرات در ساختار متالوگرافی و ترکیب عناصر آلیاژی بیشتر می شود که می تواند مضر باشد. اتصالات مهر و موم شده با خلاء بسیار بالا معمولاً از ساختار آب بندی حلقه سیم طلایی استفاده می کنند که زبری سطح کمتر از 0.2 میکرومتر در سطح تماس فلزی و شکاف مناسب بین فلنج های مقعر و محدب بیش از 0.05 میلی متر نیست. تا زمانی که به دقت مونتاژ شوند، پس از آب بندی، نشتی هوا وجود نخواهد داشت. در هنگام تشخیص نشت، باید از یک نشت یاب بسیار حساس برای بازرسی دقیق و دقیق قطعات استفاده شود. برای پایداری و قابلیت اطمینان، یک ساختار حفاظتی خلاء دو لایه را می توان در سازه اتخاذ کرد.
3، هوا را آزاد کنید
منابع انتشار گاز برای دستگاه های خلاء عبارتند از دفع گازهای جذب شده روی سطح، انتشار گازهای محلول در داخل ماده از طریق سطوح انتشار، تبخیر، تجزیه و تفکیک مواد و گازهای تولید شده در اثر واکنش های شیمیایی بین گازها و سطوح جامد. انتخاب مواد در سیستم های خلاء بسیار بالا بسیار مهم است. به طور کلی از فولاد ضد زنگ، مس، مس بدون اکسیژن، تنگستن، مولیبدن، تانتالیوم، طلا، نقره، شیشه بوروسیلیکات و غیره استفاده می شود. آنها دارای استحکام مشخص، خواص شیمیایی پایدار و فشار بخار و فشار تجزیه کم هستند. لاستیک، گریس، پلاستیک های معمولی، برنج (حاوی روی فشار بخار بالا)، آلیاژهای با دمای پایین (حاوی آلیاژهای قلع و سرب) و غیره برای استفاده مناسب نیستند.

در زیر تجزیه و تحلیل و بحثی در مورد رابطه بین منابع و مواد مختلف انتشار گاز ذکر شده در بالا، عوامل مؤثر بر انتشار گاز، درجه تأثیرگذاری بر فشار نهایی و چگونگی کاهش نرخ انتشار گاز ارائه شده است.

① دفع گازهای جذب شده سطحی در سیستم های خلاء بسیار بالا، که در آن مقدار، ترکیب و روش های آزمایشی گاز جذب شده از سطح بسیار مهم است، بسیار مهم است. حذف گازهای جذب شده سطحی و پخت مناسب موثرترین روش است. با توجه به اینکه دمای مناسب پخت و یکنواختی می تواند منجر به اختلاف چندین مرتبه در میزان دفع گاز شود، انتخاب دمای پخت و تضمین یکنواختی دمای پخت بسیار مهم است. گاز جذب شده روی سطح جامد را نیز می توان با تخلیه تابشی گاز بی اثر در 1-10Pa یا با بمباران الکترونی و یونی مواد برای آزاد کردن گاز جذب شده حذف کرد. از تابش نور و ارتعاش اولتراسونیک نیز می توان برای دفع گازهای جذب شده روی سطوح جامد استفاده کرد. پس از پخت، تخلیه یا بمباران، مقدار بخار آب آزاد شده از سطح به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. سیستم فولاد ضد زنگ قبل از پخت 90٪ بخار آب در گاز آزاد می کند. پس از پخت کامل و گاززدایی، هیدروژن جزء اصلی گاز آزاد شده است و گازهای باقیمانده شامل N2، O2، CO، CO2، CH4 و غیره است. گاز هیدروژن از انتشار هیدروژن محلول در فلزات در طول فرآیند ذوب به سمت آزاد می شود. سمت خلاء دیوار CO، CO2 و CH4 از طریق واکنش های شیمیایی پیچیده بین سطوح جامد و گازها تولید می شوند. در دماهای بالا، کربن محلول در فلزات به سطح جامد پخش می شود و با اکسیژن، هیدروژن و بخار آب روی سطح فلز واکنش داده و CO، CO2 و CH4 تولید می کند. علاوه بر پخت، انجماد نیز ابزار اصلی کاهش بخار آب است. نه تنها می تواند بخار آب را که باید روی سطح جذب شود، منجمد می کند و مقدار گاز آزاد شده را کاهش می دهد، بلکه سرعت پمپاژ خاصی را برای بخار آب ایجاد می کند و مقدار مولکول های گاز بخار آب را در فضا کاهش می دهد. در دماهای پایین تر، احتمال جذب شیمیایی کربن با هیدروژن و اکسیژن روی سطوح جامد نیز کاهش می یابد. اگر سیستم برای مدت طولانی در معرض جو قرار دارد، بهتر است قبل از باز کردن ظرف، گاز نیتروژن خشک وارد شود تا از جذب بخار آب جلوگیری شود. پس از انجام این کار، زمان اگزوز در دستگاه اگزوز دمای اتاق را می توان به یک دهم کاهش داد. قبل از باز کردن سیستم، آن را با گاز نیتروژن خشک با فشار چند صد پاسکال پر کنید و برای چند دقیقه نگه دارید تا گاز نیتروژن خشک به طور کامل روی سطح جذب شود تا به حالت اشباع برسد، سپس می توان آن را در جو پر کرد. در این مرحله، از آنجایی که دیواره ظرف به طور کامل گاز نیتروژن خشک را جذب می کند، بخار آب موجود در هوا به ندرت بر روی سطح دیواره ظرف جذب می شود. حتی اگر جذب شود، اتصال ضعیف است و به راحتی جذب می شود.

② مواد جامد دفعی که گازها را در خود حل می کنند، اغلب نیاز به انحلال برخی گازها در طی فرآیندهای ذوب یا ریخته گری دارند. مواد جامدی که برای مدت طولانی در اتمسفر باقی می مانند نیز در اثر انتشار بخشی از جو را در خود حل می کنند. این گازها به صورت اتم های ناخالصی در جامد پخش می شوند. اگر سیستم در دمای 450 درجه به مدت 10 ساعت پخته شود و سپس به دمای اتاق کاهش یابد، فشار جزئی هیدروژن در سیستم 1 × 10-10 Pa می شود. و فقط باید به مدت 4 ساعت در دمای 1000 درجه بپزد. به دلیل آزاد شدن گاز، عمدتاً هیدروژن، در هنگام دفع، دستیابی به فشار بسیار کم در تجهیزات فولاد ضد زنگ بسیار دشوار است. انجماد یک راه حل مناسب برای حل مسئله فشار جزئی هیدروژن است. زیرا سیستم انتشار هیدروژن در دماهای پایین نسبت به دمای اتاق بسیار کاهش می یابد.

علاوه بر این، انتخاب مواد نیز بسیار مهم است. شخصی استفاده از آلیاژ آلومینیوم را برای ساخت ظروف خلاء پیشنهاد کرد. آلیاژ آلومینیوم به دلیل ماهیت غیر فرومغناطیسی و سرعت انتشار گاز کم، برای تولید شتاب دهنده ها و سایر دستگاه ها مناسب است. به عنوان ماده ای برای ظروف خلاء و خطوط لوله، به طور گسترده در خارج از کشور، به ویژه در ژاپن استفاده می شود. با این حال، استفاده از فولاد ضد زنگ به عنوان ماده برای سیستم های خلاء رایج است. این به این دلیل است که سطح فولاد ضد زنگ با یک لایه بسیار قوی از اکسید کروم پوشانده شده است که تثبیت کننده است و گازهای سطحی کمتری آزاد می کند. خواص پردازش و جوشکاری فولاد ضد زنگ نیز بسیار خوب است و به عنوان یک ماده خلاء عملکرد عالی دارد. جزء اصلی که پس از پخت گاز آزاد می کند هیدروژن است. قبل از پردازش، مواد خام فولاد ضد زنگ باید در یک کوره بازپخت خلاء قرار داده شود و در معرض 10 ساعت عملیات گاز زدایی خلاء در 700 درجه قرار گیرد، که می تواند تا حد زیادی آزاد شدن گاز هیدروژن را کاهش دهد. این برای ساخت ظروف خلاء بسیار بالا بسیار ضروری است. برای کاهش انتشار گاز کل سیستم تا 10 برابر، مساحت سطح پخته نشده کل سیستم نباید از 1/1000 کل مساحت سیستم تجاوز کند. لازم نیست دمای پخت خیلی بالا باشد، پخت در دمای پایین می تواند گازهای جذب شده روی سطح را به طور کامل حذف کند.

③ تبخیر و تجزیه مواد در سیستم های خلاء بسیار بالا مستلزم در نظر گرفتن فشار بخار کم در هنگام انتخاب مواد است، در غیر این صورت باعث بار قابل توجه هوا می شود.

به عنوان مثال، برنج حاوی روی با فشار بخار بالا است، در حالی که آلیاژهای با ذوب کم حاوی قلع، سرب و غیره هستند. روغن، پلاستیک، لاستیک و غیره برای استفاده مناسب نیستند.

در مرحله دوم، پایداری حرارتی مواد باید در نظر گرفته شود. ترکیبات پلیمری پایداری حرارتی ضعیفی دارند و مستعد اکسید شدن هستند. اگر روغن در دماهای بالا پیرولیز شود، هیدروژن و هیدروکربن آزاد می کند. بهتر است از فولاد ضد زنگ به عنوان ماده فلزی برای سیستم های خلاء بسیار بالا استفاده شود و تا حد امکان از آلیاژ مس و مس پرهیز شود، زیرا مس و آلیاژهای مس در معرض جو به سرعت در دماهای بالا اکسید می شوند. هنگامی که مس باید در سیستم خلاء استفاده شود، بهتر است از مس بدون اکسیژن تولید شده توسط ذوب خلاء استفاده شود و از استفاده از مس الکترولیتی خودداری شود. هنگام استفاده از لوله های مسی به عنوان لوله های خنک کننده آب یا لوله های انتقال مایع با دمای پایین، اکسیداسیون ناشی از پخت مکرر به راحتی می تواند منجر به اختلال در عملکرد شود. تنگستن، مولیبدن و تانتالیوم نیز به بهترین وجه در خلاء ذوب می‌شوند که آزادسازی گاز کم است.

سایر مواد نیز باید قبل از استفاده تحت عملیات گاز زدایی خلاء قرار گیرند. به همین دلیل، بهتر است در حین جوشکاری از لحیم کاری یا جوشکاری نقره استفاده نکنید، زیرا این فرآیندهای جوشکاری نیاز به استفاده از برخی از عوامل جوشکاری با فشار بخار بالا دارند.

آیا ماده ای مناسب تر از فولاد ضد زنگ برای سیستم های خلاء بسیار بالا وجود دارد؟ آلیاژ آلومینیوم برای ساخت دستگاه های خلاء بزرگ مانند شتاب دهنده ها استفاده شده است. با این حال، مواد آلیاژ آلومینیوم به دلیل ماهیت متخلخل، محتوای گاز زیاد، استحکام پایین در دمای بالا و دشواری در جوشکاری، محدودیت‌های قابل توجهی در ساخت مخازن خلاء دارند. با این حال، نفوذپذیری هیدروژن آلیاژ آلومینیوم در دمای اتاق حدود 10-7 برابر فولاد ضد زنگ سری 300 است. بنابراین، قرار دادن یک فیلم آلومینیومی با ضخامت 10 میکرومتر بر روی فولاد ضد زنگ می تواند مقدار هیدروژن آزاد شده را تا 105 برابر کاهش دهد. کامپوزیت آلومینیوم به عنوان یک ماده الکترود برای لوله های الکترونیکی روی فولاد ضد زنگ استفاده می شود. تا زمانی که توجه کافی به ذوب و آهنگری شود، آلیاژ آلومینیوم پتانسیل تبدیل شدن به ماده ای برای سیستم های خلاء بسیار بالا را دارد.

④ گاز تولید شده توسط واکنش شیمیایی بین گاز و سطح جامد در یک سیستم خلاء بسیار بالا، و همچنین گاز تولید شده توسط واکنش شیمیایی بین گاز محلول در داخل جامد و سطح جامد، یک منبع گاز مهم است.

کربن موجود در فولاد ضد زنگ به سطح فلز پخش می شود و با اکسیژن واکنش می دهد و مونوکسید کربن تولید می کند. در یک سیستم خلاء، حرارت دادن رشته فلزی باعث افزایش فشار جزئی بخار آب، مونوکسید کربن و متان می شود. افزایش این گازها مربوط به وجود هیدروژن است. پس از کاهش فشار جزئی هیدروژن، فشار جزئی این گازها نیز کاهش می یابد. با توجه به اینکه هیدروژن به حالت‌های اتمی تجزیه می‌شود و در داخل فلزات منتشر می‌شود، از نظر شیمیایی فعال است و در معرض واکنش‌های شیمیایی هم در داخل و هم روی سطح فلزات است.

در یک سیستم خلاء، چندین واکنش شیمیایی می تواند به طور همزمان روی دیواره های فلزی و شیشه ای رخ دهد. تاریخچه و شرایط استفاده از مواد مختلف متفاوت است و گازهای تولید شده توسط واکنش های شیمیایی نیز متفاوت است. در شرایط خلاء بسیار بالا، رابطه مشخصی بین گازهای غیر از H2 و حضور H2 وجود دارد، بنابراین، کاهش فشار جزئی H2 رویکرد اصلی باقی می‌ماند.

4، نشت
هنگامی که مواد جامد در گاز قرار می گیرند، مولکول های گاز اطراف در لایه سطحی جامد حل می شوند. با گازی که در ابتدا در داخل جامد حل شده است متفاوت است. فشار گاز در دو طرف دیواره ظرف خلاء متفاوت است و غلظت مولکول های گاز محلول نیز متفاوت است. هنگامی که غلظت دو طرف دیواره ظرف متفاوت است، مولکول های گاز از سمت با غلظت بالاتر به سمت با غلظت کمتر منتشر می شوند و در نهایت به دیواره داخلی ظرف خلاء منتشر می شوند و آزاد می شوند. این فرآیند نفوذ گاز نامیده می شود.

مواد غیر فلزی مورد استفاده در سیستم های خلاء مانند شیشه و مواد آلی دارای درجه تفکیک n=1 هستند و میزان نفوذ مولکول های گاز محلول متناسب با اختلاف فشار است. هلیوم دارای نفوذپذیری بالایی از طریق شیشه است که مستقیماً بر جذب خلاء بسیار بالا تأثیر می گذارد. بنابراین، شیشه یا مواد آلی نباید به عنوان دیواره سیستم خلاء بسیار بالا استفاده شود. حل نشدن گازهای کمیاب مانند هلیوم، نئون و غیره در مواد فلزی برای به دست آوردن خلاء بسیار بالا سودمند است. مولکول های گاز دواتمی تنها پس از تجزیه شدن به اتم ها حل می شوند. جزء اصلی گاز آزاد شده از فولاد ضد زنگ هیدروژن است. به خصوص پس از گاز زدایی خوب، 99 درصد گاز باقیمانده هیدروژن است. بنابراین، نفوذ هیدروژن یکی از مشکلات به دست آوردن خلاء بسیار بالا است.

5، رفلاکس
پدیده برگشت گاز یا بخار به داخل محفظه خلاء داخل پمپ خلاء را رفلاکس می گویند. در سیستم‌های خلاء بسیار بالا، به دلیل اینکه فشار در محفظه خلاء کمتر از فشار حدی پمپ خلاء است، تأثیر رفلاکس بر فشار حد بسیار مهم است.

برای سیستم های خلاء بسیار بالا، تمام پمپ های خلاء منبع گاز هستند. به منظور کاهش جریان برگشتی پمپ به محفظه خلاء، باید یک تله بین پمپ خلاء و محفظه خلاء وصل شود تا با استفاده از ظرفیت پمپاژ پمپ خلاء، جریان معکوس گاز را مسدود کند.

با توجه به فشار حدی بالای فعلی پمپ‌های خلاء، طراحی تله‌ها در سیستم‌های خلاء بسیار بالا بسیار مهم است. تمرکز طراحی بهبود ضریب جذب تله است. در سیستم های خلاء با استفاده از پمپ های دیفیوژن، موضوع ضد انتشار نیز وجود دارد. در پمپ انتشار، جریان هوا نه تنها در جهت پمپاژ اتفاق می افتد، بلکه مقدار کمی از مولکول های گاز در جهت مخالف جریان بخار جریان می یابد و باعث انتشار از انتهای خلاء کم به انتهای خلاء زیاد می شود. این پدیده را ضد انتشار می نامند. درجه ضد انتشار به نسبت تراکم پمپ انتشار مربوط می شود. هرچه نسبت تراکم بزرگتر باشد، ضد انتشار کوچکتر است و نسبت تراکم نیز با کیفیت گاز مرتبط است. نسبت تراکم گازهای سبک بسیار کمتر از گازهای سنگین است. برای سیستم های خلاء بالا، اثر ضد انتشار قابل توجه نیست، اما برای سیستم های خلاء فوق العاده بالا، محدودیت ضد انتشار در خلاء نهایی باید در نظر گرفته شود. اگر از پمپ انتشار برای به دست آوردن خلاء بسیار بالا استفاده می شود، دو پمپ انتشار باید به صورت سری به هم متصل شوند تا فشار خروجی پمپ انتشار اصلی کاهش یابد و در نتیجه ضد انتشار پمپ اصلی کاهش یابد. نتایج تجربی نشان داده است که این روش می تواند خلاء نهایی سیستم خلاء بسیار بالا را بهبود بخشد.