1, 용기 내부의 가스 잔압
초고진공 시스템이 펌핑을 시작하기 전에 일정량의 가스가 컨테이너, 파이프라인, 콜드 트랩 및 기타 구성 요소에 미리 저장됩니다. 특정 펌핑 속도의 펌프를 사용하여 용기 내 기존 가스를 제거하면 펌핑 시간에 따라 압력이 기하급수적으로 감소합니다.
시스템에 다른 가스 소스가 없고 원래 저장된 가스만 있는 경우 작은 펌핑 속도로 용기 내의 가스 분자를 빠르게 제거할 수 있습니다. 펌핑 시간이 증가함에 따라 용기 내부의 압력은 지속적으로 감소하여 매우 낮은 압력에 도달할 수 있으므로 시스템의 최종 압력에 대한 제한 요소는 아닙니다. 진공 장치를 선택할 때 원래 가스의 각 구성 요소에 대해 특정 펌핑 속도를 유지하는 데 주의하는 것이 중요합니다.
진공 펌프극도로 높은 진공 상태에서는 가스에 대한 선택성이 강하므로 가스 공급원에 대한 개별 분석이 필요합니다. 즉, 방출되는 가스의 양뿐만 아니라 방출되는 가스의 구성도 알아야 합니다. 동시에, 펌프 선택은 공기 방출의 양과 구성을 기준으로 해야 하며 이는 극한 상황에 대한 메인 펌프를 선택할 때 특별히 고려해야 할 사항입니다.고진공 시스템. 단일 배기 방법을 선택하는 것은 불가능합니다. 이 목표를 달성하기 위해서는 종합적으로 고려하고 결합해야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 시스템 내 기존 가스를 플러싱하는 방법, 즉 장치에서 제거하기 쉬운 가스로 시스템을 반복적으로 플러싱하여 장치에서 제거하기 어려운 가스를 교체하는 방법도 사용할 수 있습니다. 최종 압력을 줄이는 데도 도움이 되는 장치입니다. 그러나 누출, 침투, 수축 및 시스템 자체의 화학 반응으로 인해 이 가스를 계속 생산하는 것은 여전히 가능합니다. 시스템 세척 방법은 시스템이 시작될 때만 사용할 수 있습니다. 장치에 이 가스에 대한 특정 펌핑 속도가 없으면 이 가스의 잔류 압력도 시스템의 최종 압력에 영향을 미칩니다.
2, 시스템 누출
누출은 도달압력을 제한하는 중요한 요소이며, 시스템에 상당한 양의 누출이 발생하면 시스템 내부의 도달압력이 제한됩니다. 시스템의 펌핑 속도가 일정한 경우 시스템의 최대 압력을 낮추려면 누출률을 줄이는 것이 필요합니다.
누출은 주로 원자재의 다공성 및 결함, 용접 불량, 부적절한 용접 설계, 밀봉 불량 및 "냉간 누출"로 인한 용접의 과도한 응력으로 인해 발생합니다. 초고진공 시스템용 재료 선택 시, 진공 제련으로 생산된 재료는 가스 함량이 낮고, 냉간 압연 재료는 열간 압연 재료보다 기공과 결함이 적습니다. 용융 용접은 공정에서 균일하게 사용되어야 하며 은 용접, 구리 용접 및 기타 공정의 사용을 피해야 합니다. 은용접과 동용접은 브레이징에 속하며 모재가 녹지 않고 두 금속이 플럭스로 접합되는 것을 의미합니다. 추위, 뜨거운 충격, 스트레스를 받은 후 접착력이 약한 부위에서는 쉽게 떼어져 구멍이 생기기 쉽습니다. 따라서 이 용접 방법은 초고진공 시스템의 공정에서는 사용되지 않습니다. 현재 1Cr18Ni9Ti 또는 0Cr18Ni9Ti 스테인리스강 소재는 우수한 고온 및 저온 성능, 진공 성능, 용접 성능, 내식성 및 기계 가공 성능으로 인해 초고진공 시스템에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 스테인리스 강의 아르곤 아크 용접 공정에서는 다음 사항에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
① 아르곤 아크 용접시 아크 발생 및 소멸 횟수를 최소화하도록 노력하십시오. 두 번째 아크를 시작할 때 앞으로 나아가기 전에 반드시 소화점을 녹이십시오. 실습을 통해 아크 소멸 또는 시작 지점에서 누출이 자주 발생하는 것으로 입증되었으며, 이는 종종 시작 지점과 이전 아크 소멸 지점 사이가 녹지 않고 불완전한 중첩 또는 전진 이동으로 인해 발생합니다.
② 높은 전류로 장기간 용융하는 것을 피하십시오. 그렇지 않으면 용접 과정에서 합금 원소가 너무 많이 연소됩니다. 예를 들어 니켈은 용접 후 휘발로 인해 감소하고 금속 조직은 더 이상 안정된 오스테나이트 조직이 아닌 마르텐사이트로 변태됩니다. 동시에 과도한 용접 전류와 장기간의 지속 시간은 용융 풀 영역에 거친 입자를 발생시켜 열 영향 영역이 커지고 응력이 높아지고 기계적 강도가 떨어지며 내식성이 저하될 수 있습니다. 사용 중에 힘을 가하면 용접부가 찢어지기 쉽습니다. 고전류 사양으로 용접해야 하는 부품의 경우 용접 후 {{0}}도에서 진공 어닐링 처리를 수행하여 용융 풀 영역의 입자 크기를 미세화하고 용접 이음새의 내부 응력을 제거하는 것이 가장 좋습니다. . 저전류 표준 용접을 사용하면 용융 풀 면적이 작고 열 영향 영역이 작으며 합금 원소가 덜 증발합니다. 용접 후 용접부는 안정적인 오스테나이트 조직을 유지하며, 상온에서 저온(약 1{4}0K)까지 반복적인 충격을 가한 후에도 가스가 누출되기 쉽지 않습니다. 따라서 스테인레스 스틸은 용접 과정에서 여러 번 반복적으로 용접되어서는 안됩니다. 용접 이음새가 누출된 후 용접 수리에도 주의를 기울여야 합니다. 용접 횟수가 많을수록 금속 조직 및 합금 원소 조성의 변화가 커져 유해할 수 있습니다. 초고진공 밀봉 연결은 일반적으로 금속 접촉 표면의 표면 거칠기가 0.2μm 미만이고 오목 플랜지와 볼록 플랜지 사이의 피팅 간격이 0.05mm 이하인 금 와이어 링 밀봉 구조를 사용합니다. 조심스럽게 조립하면 밀봉 후 공기 누출이 없습니다. 누출 감지 중에는 매우 민감한 누출 감지기를 사용하여 구성 요소를 주의 깊게 검사해야 합니다. 안정성과 신뢰성을 위해 이중층 진공 보호 구조를 구조에 채택할 수 있습니다.
3, 공기 방출
진공 장치의 가스 방출 원인에는 표면에 흡착된 가스의 탈착, 확산 표면을 통해 재료 내부에 용해된 가스의 방출, 재료의 증발, 분해 및 해리, 가스와 고체 표면 간의 화학 반응에 의해 생성된 가스가 포함됩니다. 초고진공 시스템에서는 재료 선택이 매우 중요합니다. 일반적으로 스테인레스 스틸, 구리, 무산소 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 금, 은, 붕규산 유리 등이 사용됩니다. 그들은 일정한 강도, 안정적인 화학적 특성, 낮은 증기압 및 분해압을 가지고 있습니다. 고무, 그리스, 일반 플라스틱, 황동(고증기압 아연 함유), 저온 합금(주석 및 납 합금 함유) 등은 사용하기에 적합하지 않습니다.
아래에서는 위에서 언급한 다양한 가스 방출원과 물질 간의 관계, 가스 방출에 영향을 미치는 요소, 도달 압력이 영향을 받는 정도 및 가스 방출 속도를 줄이는 방법에 대한 분석 및 논의입니다.
① 표면에 흡착된 기체의 탈착은 표면에서 탈착되는 기체의 양, 조성 및 실험 방법이 중요한 초고진공 시스템에서 매우 중요합니다. 표면에 흡착된 가스를 제거하고 적절하게 굽는 것이 가장 효과적인 방법입니다. 합리적인 베이킹 온도와 균일성은 가스 탈착량에 몇 배의 차이를 초래할 수 있으므로 베이킹 온도의 선택과 베이킹 온도 균일성의 보장은 매우 중요합니다. 고체 표면에 흡착된 가스는 1-10Pa에서 불활성 가스의 글로우 방전이나 흡착된 가스를 방출하기 위한 재료의 전자 및 이온 충격에 의해 제거될 수도 있습니다. 빛 조사와 초음파 진동을 사용하여 고체 표면에 흡착된 가스를 탈착할 수도 있습니다. 베이킹, 방전 또는 충격 후에 표면에서 방출되는 수증기의 양이 크게 감소합니다. 스테인레스 스틸 시스템은 굽기 전에 가스에 90%의 수증기를 방출합니다. 철저한 소성 및 탈기 후 배출되는 가스의 주성분은 수소이고, 나머지 가스에는 N2, O2, CO, CO2, CH4 등이 포함됩니다. 수소 가스는 제련 과정에서 금속에 용해된 수소가 금속으로 확산되면서 배출됩니다. 벽의 진공면. CO, CO2, CH4는 고체 표면과 기체 사이의 복잡한 화학 반응을 통해 생성됩니다. 고온에서는 금속에 용해된 탄소가 고체 표면으로 확산되어 금속 표면의 산소, 수소, 수증기와 반응하여 CO, CO2, CH4를 생성합니다. 베이킹 외에도 냉동도 수증기를 줄이는 주요 수단입니다. 수증기를 얼려 표면에서 탈착시켜 방출되는 가스의 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수증기에 대한 특정 펌핑 속도를 생성하여 공간 내 수증기 가스 분자의 양을 줄입니다. 더 낮은 온도에서는 고체 표면에서 탄소가 수소 및 산소와 화학적으로 흡착될 확률도 감소합니다. 시스템이 장기간 대기에 노출되는 경우 수증기의 흡착을 피하기 위해 용기를 열기 전에 건조 질소 가스를 도입하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 상온배기장치의 배기시간을 10분의 1로 줄일 수 있다. 시스템을 열기 전에 건조 질소 가스를 수백 파스칼의 압력으로 채우고 몇 분 동안 유지하여 포화 상태에 도달할 때까지 표면의 건조 질소 가스를 완전히 흡착한 다음 대기에 채울 수 있습니다. 이때, 용기벽은 건조질소가스를 완전히 흡착하게 되므로 공기중의 수증기는 용기벽면에 거의 흡착되지 않는다. 흡착되더라도 결합력이 약해 상대적으로 탈착이 쉽습니다.
② 가스를 용해하는 탈착 고체 물질은 제련 또는 주조 공정 중에 일부 가스의 용해가 필요한 경우가 많습니다. 오랫동안 대기 중에 남아 있는 고체 물질도 확산으로 인해 대기의 일부를 용해시킵니다. 이들 가스는 고체에서 불순물 원자로 확산됩니다. 시스템을 450도에서 10시간 동안 베이킹한 후 상온으로 낮추면 시스템 내 수소 분압은 1 × 10-10Pa가 됩니다. 그리고 1000도에서 4시간만 구우면 됩니다. 탈착 중에 가스(주로 수소)가 방출되기 때문에 스테인리스 스틸 장비에서 매우 낮은 압력을 달성하는 것은 매우 어렵습니다. 냉동은 수소 부분압 문제를 해결하기 위한 실행 가능한 솔루션입니다. 상온에 비해 저온에서는 수소의 확산계가 크게 줄어들기 때문이다.
또한, 재료의 선택도 매우 중요합니다. 누군가 진공 용기를 제조하기 위해 알루미늄 합금을 사용할 것을 제안했습니다. 비강자성 특성과 낮은 가스 방출 속도로 인해 알루미늄 합금은 가속기 및 기타 장치 제조에 적합합니다. 진공용기, 파이프라인의 소재로 해외, 특히 일본에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 진공 시스템의 재료로는 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 일반적입니다. 이는 스테인레스 스틸의 표면이 매우 강한 산화 크롬 층으로 덮여 있기 때문입니다. 이는 안정제이며 표면 가스 방출이 적습니다. 스테인레스강은 가공성, 용접성도 매우 우수하여 진공재료로서의 성능도 뛰어납니다. 베이킹 후 가스를 방출하는 주요 성분은 수소입니다. 가공하기 전에 스테인레스 스틸 원료를 진공 어닐링로에 넣고 700도에서 10시간 동안 진공 탈기 처리를 거쳐야 수소 가스 방출을 크게 줄일 수 있습니다. 이는 초고진공 용기를 제조하는 데 매우 필요합니다. 시스템의 총 가스 방출을 10배로 줄이려면 전체 시스템의 베이킹되지 않은 표면적이 전체 시스템 면적의 1/1000을 초과해서는 안 됩니다. 베이킹 온도는 너무 높을 필요가 없으며, 저온 베이킹은 표면의 흡착 가스를 완전히 제거할 수 있습니다.
③ 초고진공 시스템에서 재료의 증발 및 분해는 재료를 선택할 때 낮은 증기압을 고려해야 하며, 그렇지 않으면 상당한 공기 부하가 발생합니다.
예를 들어 황동에는 증기압이 높은 아연이 포함되어 있고, 저융점 합금에는 주석, 납 등이 포함되어 있습니다. 오일, 플라스틱, 고무 등은 사용하기에 적합하지 않습니다.
둘째, 재료의 열적 안정성을 고려해야 한다. 고분자 화합물은 열 안정성이 낮고 산화되기 쉽습니다. 오일이 고온에서 열분해되면 수소와 탄화수소가 방출됩니다. 초고진공 시스템의 금속 재료로는 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 가장 좋으며, 구리 및 구리 합금은 대기에 노출되면 고온에서 빠르게 산화되기 때문에 가능한 한 구리 및 구리 합금을 피하는 것이 가장 좋습니다. 구리를 진공 시스템에서 사용해야 하는 경우 진공 제련으로 생산된 무산소 구리를 사용하고 전해 구리를 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다. 구리관을 수냉관이나 저온 송액관으로 사용하는 경우, 반복 베이킹에 의한 산화로 인해 오작동이 발생하기 쉽습니다. 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨은 또한 가스 방출이 적은 진공에서 가장 잘 제련됩니다.
다른 재료도 사용하기 전에 진공 탈기 처리를 거쳐야 합니다. 같은 이유로 용접 중에는 브레이징이나 은용접을 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다. 이러한 용접 공정에는 일부 고증기압 용접제를 사용해야 하기 때문입니다.
초고진공 시스템에 스테인리스강보다 더 적합한 소재가 있습니까? 알루미늄 합금은 가속기와 같은 대형 진공 장치를 제조하는 데 사용되었습니다. 그러나 알루미늄 합금 소재는 다공성, 높은 가스 함량, 낮은 고온 강도, 용접의 어려움으로 인해 진공 용기를 만드는 데 상당한 한계가 있습니다. 그러나 상온에서 알루미늄 합금의 수소 투과도는 300 시리즈 스테인리스강의 약 10-7배입니다. 따라서 스테인레스 스틸 위에 10μm 두께의 알루미늄 필름을 증착하면 방출되는 수소의 양을 105배 줄일 수 있습니다. 알루미늄 복합재는 스테인리스 스틸 위에 전자관 전극 재료로 사용됩니다. 제련과 단조에 충분한 주의를 기울이는 한, 알루미늄 합금은 초고진공 시스템용 재료가 될 가능성이 있습니다.
④ 초고진공 시스템에서 기체와 고체 표면의 화학반응에 의해 생성되는 가스와 고체 내부의 용해가스와 고체 표면의 화학반응에 의해 생성되는 가스는 중요한 가스원이다.
스테인레스 스틸의 탄소는 금속 표면으로 확산되어 산소와 반응하여 일산화탄소를 생성합니다. 진공 시스템에서 금속 필라멘트를 가열하면 수증기, 일산화탄소 및 메탄의 부분압이 증가합니다. 이러한 가스의 증가는 수소의 존재와 관련이 있습니다. 수소의 분압을 줄이면 이들 가스의 분압도 감소합니다. 수소는 원자 상태로 분해되어 금속 내부로 확산되기 때문에 화학적으로 활성을 가지며 금속 내부와 표면 모두에서 화학 반응을 일으키기 쉽습니다.
진공 시스템에서는 금속과 유리 벽 모두에서 여러 화학 반응이 동시에 발생할 수 있습니다. 다양한 재료의 역사와 사용 조건이 다르며, 화학 반응에 의해 발생하는 가스도 다릅니다. 극도로 높은 진공 조건에서는 H2 이외의 가스와 H2의 존재 사이에 특정 관계가 있으므로 H2의 부분 압력을 줄이는 것이 주요 접근 방식으로 남아 있습니다.
4, 누출
고체 물질을 기체에 넣으면 주변의 기체 분자가 고체의 표면층에 용해됩니다. 원래 고체 내부에 용해되어 있던 기체와는 다릅니다. 진공 용기 벽 양쪽의 가스 압력이 다르며, 용해된 가스 분자의 농도도 다릅니다. 용기 벽 양쪽의 농도가 다른 경우, 가스 분자는 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 쪽으로 확산되고, 최종적으로 진공 용기 내벽으로 확산되어 방출됩니다. 이 과정을 가스 투과라고 합니다.
유리, 유기물 등 진공 시스템에 사용되는 비금속 재료는 해리도가 n=1이고, 용해된 기체 분자의 투과율은 압력차에 비례합니다. 헬륨은 유리를 통한 높은 투과성을 갖고 있으며 이는 극도로 높은 진공을 얻는 데 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 유리나 유기물을 초고진공 시스템의 벽으로 사용해서는 안 됩니다. 헬륨, 네온 등의 희가스를 금속 재료에 용해시키지 않는 것이 초고진공을 얻는 데 유리합니다. 이원자 가스 분자는 원자로 해리된 후에만 용해됩니다. 스테인레스 스틸에서 방출되는 가스의 주성분은 수소입니다. 특히 좋은 탈기 후 잔류 가스의 99%는 수소입니다. 따라서, 수소 투과는 극도로 높은 진공도를 얻는 데 어려움이 있는 것 중 하나입니다.
5, 역류
진공펌프 내부의 진공챔버로 가스나 증기가 역류하는 현상을 역류라고 합니다. 초고진공 시스템에서는 진공 챔버의 압력이 진공 펌프의 한계 압력보다 낮기 때문에 한계 압력에 대한 환류의 영향이 특히 중요합니다.
초고진공 시스템의 경우 모든 진공 펌프는 가스 소스입니다. 펌프에서 진공챔버로의 역류를 줄이기 위해서는 진공펌프의 펌핑능력을 활용하여 진공펌프와 진공챔버 사이에 트랩을 연결하여 가스의 역류를 차단해야 합니다.
현재 진공 펌프의 압력 한계가 높기 때문에 초고진공 시스템에서는 트랩 설계가 매우 중요합니다. 설계의 초점은 트랩의 포획 계수를 향상시키는 것입니다. 확산 펌프를 사용하는 진공 시스템에서는 확산 방지 문제도 있습니다. 확산 펌프에서는 공기 흐름이 펌핑 방향으로 발생할 뿐만 아니라 소량의 가스 분자가 증기 흐름의 반대 방향으로 흘러 저진공 끝에서 고진공 끝으로 확산이 발생합니다. 이 현상을 역확산이라고 합니다. 확산 방지 정도는 확산 펌프의 압축비와 관련이 있습니다. 압축비가 클수록 확산 방지는 작아지며 압축비는 가스 품질과도 관련이 있습니다. 가벼운 가스의 압축비는 무거운 가스의 압축비보다 훨씬 작습니다. 고진공 시스템의 경우 확산 방지 효과는 크지 않지만 초고진공 시스템의 경우 최종 진공에 대한 확산 방지의 한계를 고려해야 합니다. 매우 높은 진공도를 얻기 위해 확산 펌프를 사용하는 경우, 두 개의 확산 펌프를 직렬로 연결하여 메인 확산 펌프의 출구 압력을 낮추어 메인 펌프의 확산 방지를 줄여야 합니다. 실험 결과에 따르면 이 방법은 초고진공 시스템의 최종 진공을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
