真空材料选择
一个真空系统所使用的材料包括金属,玻璃,陶瓷以及一些特殊橡胶.
要求的特点有
足够的机械性质阻挡内外压力差
足够的致密性抵挡气体的渗透.
低的蒸汽压及溢气量
好的制造特质以便容易成型并同时能够抗恶劣工作环境.
金属
金属一般在真空系统中担任腔体的部份,它必须能够被容易焊接,接合以及密合.
材料自身要有好的机械性质,能够抗压力,同时低蒸汽压,低溢气量且对气体有{jj0}的抗渗透率.
若对於特殊用途,如灯丝,绝热或是热传导则是另当别论.
常见的金属有铝以及不锈钢.
金属的蒸汽压
金属
一般的金属其蒸汽压都很低,然而有少数金属其蒸汽压在真空系统baking时会影响到真空度
Zn,Pb,Cd,Se,S
例如黄铜,有些螺丝含有Cd,303不锈钢含有S以及Se
含有Zn以及Pb者之合金在工作环境达400-500C时,将会严重破坏真空.
在超高真空中选用金属不外乎是,不锈钢,镍合金,无氧铜.
渗透率
气体分子溶入金属之中然后进行扩散随之穿透金属.
氢气是几个少数气体分子中最容易穿过金属的气体.
若金属部份有锈蚀现象发生,则该处最容易发生氢气渗透,因为水气容易与铁作用,形成较高的氢分压.
氢在金属中乃是以原子方式扩散,在穿透后再形成分子.
氢在金属中的渗透率与压力的平方根成正比.
氢在玻璃以及橡胶中乃是以分子形态进行扩散并穿透,其渗透率与压力呈线性关系.
铝对氢的阻挡特性{zj0},而铜几乎是对所有的气体分子都具有很小的渗透率.
镍对氢的渗透率较高,因此若有以水来当作冷却作用时,为防止氢气的渗透,以铜取代镍是较佳的选择.
不锈钢中,氢的渗透率会因碳的含量增加而变化,因此低碳钢的不锈钢是较佳的选择.
玻璃对於气体的渗透程度取决於玻璃的致密以及气体分子的大小而定,密度越大者,气体分子越大者.渗透率越小.
一般的玻璃比其单晶的石英,其阻挡He气体渗透的能力小107倍.至於其他气体也是如此.
各种气体对於有机高分子都具有极高的渗透率(纵使是惰性气体也是如此).
二氧化碳对於橡胶有很高的渗透率,相对於空气则就小了许多.
倘若在一压力差相差极大的环境里,则高渗透率的气体其穿越的机会远大於低穿透率的气体.
各种材料对於气体的渗透比较
氢对各种材料之渗透率
不同气体对不同材料之渗透率
气体对各式材料之渗透率
Order of inflow of ATM into SiO2 bulb
气体渗透量(在SiO2的瓶子内)
氦气对各种材料之渗透程度
溢气量(Outgassing)
材料在制造时,多少都会有气体分子被溶入材料之内,当该材料面对一个真空环境时,该气体分子将会逐渐释出.
该气体包括氢气,氮气以及氧气,一氧化碳,另外也包括当材料暴露在大气时,材料表面吸附了水气.
溢气速度与抽气速度决定腔体的最终压力其关系如下
Outgassing Rates
真空零件的处理
一般置於超高真空内的零件都必须经过高温的处理,以降低溢气的问题.
铜金属{zh0}采用无氧铜,因为铜氧化物会与氢气形成水气,同时铜金属本身将会产生孔隙.
若有螺丝与螺帽{zh0}不要结合进行高温减少溢气量的处理,避免两者结合
低温真空的减低溢气量处理不会达到效果,唯独高温才有成效.
一般金属为减低溢气量所需回火的温度
试片经过不同处理的条件下其溢气量的比较
未经过清洗
经过简单之清洗
经过电镀的手续
先经去油且再电镀
经过抛光,去油再电镀
经过不同的表面处理后其溢气量之比较
结构金属
铝与不锈钢为真空腔体中最常见的两种金属材料.
铝价格便宜而且容易成形,但由於不易与其他金属结合因此其用途受限.
常用在与O-ring的结合,或是真空腔体内内部的组件.
300系列的austenitic 不锈钢为真空腔体最常用的材料,其高的机械性质,耐腐蚀,易焊接,低溢气量都是其优点.
304与316不锈钢为最常见的真空材料.
303由於具有S所以虽然容易加工,但是基於真空的考量而不与采用
对於一般应用在冷冻帮浦的结构上,由於为了减低其热传导的损失,因此必须采用薄的不锈钢材料,所以研发出含有氮的不锈钢,例如304N或316N
不锈钢之所以会具有高的抗氧性以及低的溢气量乃是形成Cr2O3之故
玻璃与陶瓷
玻璃没有{jd1}的熔点,软玻璃与硬玻璃的分野在於所掺入的氧化物不同,前者是在SiO2中掺入sodium oxide 以及calcium oxide而后者则是掺入boric oxide
不同种类的玻璃其工作温度范围会有所不同,这影响到其工作条件,例如borosilicate可在数分钟达到400C但是lead glass必须在24小时才能全部达到400C,其导热度有很大的差异.

陶瓷乃是金属的氧化物,氮化物或是碳化物.
强度高,低蒸汽压.
Alumina (铝氧化物)被使用最多,用在feedthrough,或是当作绝缘体
氮化物与Borides 则被使用在真空内部加热用之坩锅
玻璃的结晶性
玻璃的特质
一些陶瓷的特质比较
Polymer
高分子在真空技术中通常担任气体密合的关键零件.
Buna-N, Viton, Silicone 以及Kalrez用在O-ring的gasket或是vacuum feed through.
对於抗气体的渗透能力远低於陶瓷及玻璃.
Elastomer当接触某些溶剂时会产生肿大,{zh1}加速气体的渗透
对於高温的环境无法适应
溢气速度比其他材料来的高
其溢气的成份以水蒸汽居多
当温度升高时,原本的材料将可能产生分解.
Polymer 的种类
Polymer Outgassing Rate
Polymer 的气体渗透率
气体在腔体产生的可能性
真空泄漏的可能性
不理想之焊接或封合;包括氩焊,银铜焊等之焊接缺失以及玻璃与金属陶瓷与金属,O型环等封合缺失.
器壁太薄,在微观的情况下出现了小裂痕,或者器壁材质不良有沙孔,细缝以及腐蚀等等
气体之扩散现象而穿透器壁
漏气率
漏气率＝气体量/时间
单位
Ouces/Year
Std.cc/sec
Atm.cc/sec
Torr-Liter/sec
1Std.cc/sec=0.76Torr-Liter/sec
1 Oz.R12 refrigerent/year
=1.8x10-4 Std.cc/sec He
1Std.cc:在0 C时,一大气压下(760Torr)之1 cc气体量
漏气的程度
3cc/year
10-7
1cc/2 weeks
10-6
1cc/24hr
10-5
每10秒1个气泡
1cc/3hr
10-4
每秒1个气泡
3cc/hr
10-3
每秒10个气泡
1cc/100 sec
10-2
稳定气泡流
1cc/10 sec
10-1
气泡形成数目
约略体积/时间关系
漏气率(Std cc/sec)
一般漏气率之分布
真空腔体测漏的时机
产品品质管制.
系统未达到应该有的压力.
系统抽气速率太慢.
真空系统组装及翻修
真空系统的漏气判断
系统压力上升法
超音波
火花探测
测漏仪
系统压力上升法
动态测漏
卤素测漏仪
超音波测漏法
火花放电法
真空技术的应用