1, la presión residual del gas dentro del contenedor.
Antes de que el sistema de vacío extremadamente alto comience a bombear, se almacena previamente una cierta cantidad de gas en los contenedores, tuberías, trampas de frío y otros componentes. Si se utiliza una bomba con una determinada velocidad de bombeo para eliminar el gas existente en el recipiente, la presión disminuye exponencialmente con el tiempo de bombeo.
Si el sistema no tiene otra fuente de gas y solo el gas original almacenado, una pequeña velocidad de bombeo puede eliminar rápidamente las moléculas de gas del contenedor. A medida que aumenta el tiempo de bombeo, la presión dentro del recipiente disminuye continuamente pudiendo alcanzar presiones muy bajas, por lo que no es un factor limitante para la presión última del sistema. Es importante prestar atención a mantener una determinada velocidad de bombeo para cada componente del gas original al seleccionar una unidad de vacío.
la bomba de vaciocon vacío extremadamente alto tiene una fuerte selectividad por los gases, por lo que es necesario un análisis individual de la fuente de gas, es decir, no sólo para conocer la cantidad de gas liberado, sino también para conocer la composición del gas liberado. Al mismo tiempo, la selección de bombas también debe basarse en la cantidad y composición del aire liberado, lo cual es una consideración especial al elegir la bomba principal para aplicaciones extremadamentesistemas de alto vacío. No es factible elegir un único método de escape. Es necesario considerarlo y combinarlo integralmente para lograr este objetivo. Para solucionar este problema, también se puede utilizar el método de lavado del gas existente en el sistema, es decir, lavado repetido del sistema con un gas que sea fácil de eliminar por la unidad para reemplazar el gas que es difícil de eliminar por el unidad, que también ayuda a reducir la presión máxima. Sin embargo, debido a las fugas, la permeación, la deflación y las reacciones químicas del propio sistema, todavía es posible seguir produciendo este gas. El método de lavado del sistema solo se puede utilizar cuando el sistema se inicia. Si la unidad no tiene una determinada velocidad de bombeo para este gas, la presión residual de este gas también afectará la presión máxima del sistema.
2, fuga del sistema
Las fugas son un factor importante para limitar la presión máxima y, una vez que se produce una cantidad considerable de fugas en el sistema, la presión máxima dentro del sistema será limitada. Cuando la velocidad de bombeo del sistema es constante, es necesario reducir la tasa de fuga para reducir la presión máxima del sistema.
Las fugas provienen principalmente de porosidad y defectos en las materias primas, soldadura deficiente o tensión excesiva en las soldaduras debido a un diseño de soldadura inadecuado, sellado deficiente y "fugas en frío". En la selección de materiales para sistemas de vacío extremadamente alto, los materiales producidos mediante fundición al vacío tienen un menor contenido de gas y los materiales laminados en frío tienen menos poros y defectos que los materiales laminados en caliente. La soldadura por fusión debe usarse uniformemente en el proceso, evitando el uso de soldadura de plata, soldadura de cobre y otros procesos. La soldadura de plata y la soldadura de cobre pertenecen a la soldadura fuerte, lo que significa que el metal base no se funde y los dos metales se unen mediante fundente. Después de haber sido sometido a golpes de frío y calor y estrés, es fácil desprenderse en áreas con baja fuerza de unión, lo que resulta en orificios de fuga. Por lo tanto, este método de soldadura no se utiliza en el proceso de sistemas de vacío extremadamente alto. En la actualidad, los materiales de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti o 0Cr18Ni9Ti se utilizan comúnmente en sistemas de vacío extremadamente alto debido a su excelente rendimiento a altas y bajas temperaturas, rendimiento de vacío, rendimiento de soldadura, resistencia a la corrosión y rendimiento de procesamiento mecánico. Sin embargo, se debe prestar especial atención a los siguientes puntos en el proceso de soldadura por arco de argón para acero inoxidable:
① Durante la soldadura con arco de argón, trate de minimizar el número de iniciaciones y extinciones del arco. Al iniciar el segundo arco, asegúrese de derretir el punto de extinción antes de seguir adelante. La práctica ha demostrado que a menudo se producen fugas en el punto de extinción o de inicio del arco, a menudo causadas por una superposición insuficiente o un movimiento hacia adelante sin fusión entre los puntos de inicio y de extinción del arco anterior.
② Trate de evitar una fusión prolongada con alta corriente, de lo contrario los elementos de aleación se quemarán demasiado durante el proceso de soldadura. Por ejemplo, el níquel disminuye después de la soldadura debido a la volatilización, y la estructura metalográfica ya no es una estructura de austenita estable, sino que se transforma en martensita. Al mismo tiempo, una corriente de soldadura excesiva y una duración prolongada también pueden causar granos gruesos en el área del baño fundido, lo que resulta en una gran zona afectada por el calor, alta tensión, poca resistencia mecánica y poca resistencia a la corrosión. Después de ser sometidas a fuerza durante el uso, estas soldaduras son propensas a romperse. Para piezas que deben soldarse con especificaciones de alta corriente, es mejor realizar un tratamiento de recocido al vacío a {{0}} grados después de la soldadura para refinar el tamaño del grano en el área del baño fundido y eliminar la tensión interna en la costura de soldadura. . Al utilizar soldadura estándar de baja corriente, el área del baño fundido es pequeña, la zona afectada por el calor es pequeña y los elementos de aleación se evaporan menos. Después de soldar, la soldadura permanece en una estructura austenítica estable y después de repetidos impactos desde temperatura ambiente a baja temperatura (aproximadamente 100K), no es fácil que se produzcan fugas de gas. Por lo tanto, el acero inoxidable no debe soldarse repetidamente durante el proceso de soldadura. También se debe prestar atención a la soldadura de reparación después de que la costura de soldadura tenga fugas. Cuantas más veces se realice la soldadura, mayores serán los cambios en la estructura metalográfica y en la composición de los elementos de la aleación, lo que puede ser perjudicial. Las conexiones selladas al vacío ultraalto generalmente utilizan una estructura de sellado de anillo de alambre de oro, con una rugosidad superficial de menos de 0,2 μm en la superficie de contacto del metal y un espacio de ajuste de no más de 0,05 mm entre las bridas cóncavas y convexas. Siempre que se monten con cuidado, no habrá fugas de aire después del sellado. Durante la detección de fugas, se debe utilizar un detector de fugas altamente sensible para inspeccionar cuidadosa y meticulosamente los componentes. Para mayor estabilidad y confiabilidad, se puede adoptar en la estructura una estructura de protección de vacío de doble capa.
3, liberar aire
Las fuentes de liberación de gas para dispositivos de vacío incluyen la desorción de gases adsorbidos en la superficie, la liberación de gases disueltos dentro del material a través de superficies de difusión, la evaporación, descomposición y disociación de materiales y gases generados por reacciones químicas entre gases y superficies sólidas. La selección de materiales es crucial en sistemas de vacío extremadamente alto. Generalmente se utilizan acero inoxidable, cobre, cobre libre de oxígeno, tungsteno, molibdeno, tantalio, oro, plata, vidrio de borosilicato, etc. Tienen cierta resistencia, propiedades químicas estables y baja presión de vapor y presión de descomposición. No son adecuados para su uso caucho, grasas, plásticos comunes, latón (que contienen zinc a alta presión de vapor), aleaciones de baja temperatura (que contienen aleaciones de estaño y plomo), etc.
A continuación se muestra un análisis y discusión de la relación entre las diversas fuentes y materiales de liberación de gas mencionados anteriormente, los factores que afectan la liberación de gas, el grado en que se ve afectada la presión máxima y cómo reducir la tasa de liberación de gas.
① La desorción de los gases adsorbidos en la superficie es crucial en sistemas de vacío extremadamente alto, donde la cantidad, la composición y los métodos experimentales del gas desorbido de la superficie son cruciales. Eliminar los gases adsorbidos en la superficie y hornear adecuadamente es el método más eficaz. Debido al hecho de que una temperatura de horneado y una uniformidad razonables pueden provocar una diferencia de varios órdenes de magnitud en la cantidad de desorción de gas, la selección de la temperatura de horneado y la garantía de la uniformidad de la temperatura de horneado son muy importantes. El gas adsorbido en la superficie sólida también se puede eliminar mediante una descarga luminosa de gas inerte a 1-10Pa, o mediante bombardeo de electrones e iones del material para liberar el gas adsorbido. La irradiación de luz y la vibración ultrasónica también se pueden utilizar para desorber gases adsorbidos en superficies sólidas. Después de hornear, descargar o bombardear, la cantidad de vapor de agua liberado de la superficie se reduce significativamente. El sistema de acero inoxidable libera un 90% de vapor de agua en el gas antes de hornear. Después de hornear y desgasificar completamente, el hidrógeno es el componente principal del gas liberado, y los gases restantes incluyen N2, O2, CO, CO2, CH4, etc. El gas hidrógeno se libera mediante la difusión del hidrógeno disuelto en metales durante el proceso de fundición hacia el lado de vacío de la pared. El CO, CO2 y CH4 se generan mediante reacciones químicas complejas entre superficies sólidas y gases. A altas temperaturas, el carbono disuelto en los metales se difunde hacia la superficie sólida y reacciona con el oxígeno, el hidrógeno y el vapor de agua de la superficie del metal para producir CO, CO2 y CH4. Además de hornear, la congelación también es el principal medio para reducir el vapor de agua. No solo puede congelar el vapor de agua que se va a desorber en la superficie, reduciendo la cantidad de gas liberado, sino que también genera una cierta velocidad de bombeo para el vapor de agua, reduciendo la cantidad de moléculas de gas de vapor de agua en el espacio. A temperaturas más bajas, también disminuirá la probabilidad de adsorción química de carbono con hidrógeno y oxígeno en superficies sólidas. Si el sistema está expuesto a la atmósfera durante mucho tiempo, es mejor introducir gas nitrógeno seco antes de abrir el recipiente para evitar la adsorción de vapor de agua. Después de hacerlo, el tiempo de escape en el dispositivo de escape a temperatura ambiente se puede reducir a una décima parte. Antes de abrir el sistema, llénelo con gas nitrógeno seco a una presión de varios cientos de pascales y manténgalo durante unos minutos para adsorber completamente el gas nitrógeno seco en la superficie hasta que alcance la saturación, luego se puede llenar en la atmósfera. En este punto, como la pared del contenedor ha absorbido completamente el gas nitrógeno seco, el vapor de agua en el aire rara vez se adsorbe sobre la superficie de la pared del contenedor. Incluso si se adsorbe, la unión es débil y relativamente fácil de desorber.
② Los materiales sólidos de desorción que disuelven gases a menudo requieren la disolución de algunos gases durante los procesos de fundición o fundición. Los materiales sólidos que permanecen en la atmósfera durante mucho tiempo también disolverán una parte de la atmósfera debido a la difusión. Estos gases se difunden como átomos de impureza en el sólido. Si el sistema se hornea a 450 grados durante 10 horas y luego se baja a temperatura ambiente, la presión parcial de hidrógeno en el sistema se convierte en 1 × 10-10Pa. Y sólo hay que hornearlo durante 4 horas a 1000 grados. Debido a la liberación de gas, principalmente hidrógeno, durante la desorción, es bastante difícil lograr una presión muy baja en equipos de acero inoxidable. La congelación es una solución viable para abordar el problema de la presión parcial del hidrógeno. Porque el sistema de difusión del hidrógeno se reduce considerablemente a bajas temperaturas en comparación con la temperatura ambiente.
Además, la selección de materiales también es muy importante. Alguien sugirió utilizar aleación de aluminio para fabricar recipientes al vacío. Debido a su naturaleza no ferromagnética y su baja tasa de liberación de gas, la aleación de aluminio es adecuada para fabricar aceleradores y otros dispositivos. Como material para contenedores de vacío y tuberías, se utiliza ampliamente en el extranjero, especialmente en Japón. Sin embargo, es habitual utilizar acero inoxidable como material para los sistemas de vacío. Esto se debe a que la superficie del acero inoxidable está cubierta con una capa muy fuerte de óxido de cromo, que es un estabilizador y tiene menos liberación de gas en la superficie. Las propiedades de procesamiento y soldadura del acero inoxidable también son muy buenas y tiene un excelente rendimiento como material de vacío. El principal componente que libera gas después de la cocción es el hidrógeno. Antes del procesamiento, las materias primas de acero inoxidable deben colocarse en un horno de recocido al vacío y someterse a 10 horas de tratamiento de desgasificación al vacío a 700 grados, lo que puede reducir en gran medida la liberación de gas hidrógeno. Esto es muy necesario para la fabricación de recipientes de vacío extremadamente alto. Para reducir 10 veces la liberación total de gas del sistema, el área de superficie sin cocer de todo el sistema no debe exceder 1/1000 del área total del sistema. No es necesario que la temperatura de horneado sea demasiado alta; el horneado a baja temperatura puede eliminar por completo los gases adsorbidos en la superficie.
③ La evaporación y descomposición de materiales en sistemas de vacío extremadamente alto requieren considerar una presión de vapor baja al seleccionar los materiales; de lo contrario, causará una carga de aire significativa.
Por ejemplo, el latón contiene zinc con alta presión de vapor, mientras que las aleaciones de bajo punto de fusión contienen estaño, plomo, etc. No son adecuados para su uso aceites, plásticos, caucho, etc.
En segundo lugar, se debe considerar la estabilidad térmica del material. Los compuestos poliméricos tienen poca estabilidad térmica y son propensos a la oxidación. Si el petróleo se piroliza a altas temperaturas, libera hidrógeno e hidrocarburos. Es mejor utilizar acero inoxidable como material metálico para sistemas de vacío extremadamente alto y evitar el cobre y las aleaciones de cobre tanto como sea posible, porque el cobre y las aleaciones de cobre expuestas a la atmósfera se oxidan rápidamente a altas temperaturas. Cuando se debe utilizar cobre en un sistema de vacío, es mejor utilizar cobre libre de oxígeno producido mediante fundición al vacío y evitar el uso de cobre electrolítico. Cuando se utilizan tuberías de cobre como tuberías de refrigeración de agua o tuberías de transmisión de líquidos a baja temperatura, la oxidación causada por el horneado repetido puede provocar fácilmente fallos de funcionamiento. El tungsteno, el molibdeno y el tantalio también se funden mejor al vacío con baja liberación de gas.
Otros materiales también deben someterse a un tratamiento de desgasificación al vacío antes de su uso. Por la misma razón, es mejor no utilizar soldadura fuerte o soldadura con plata durante la soldadura, ya que estos procesos de soldadura requieren el uso de algunos agentes de soldadura de alta presión de vapor.
¿Existe algún material más adecuado para sistemas de vacío extremadamente alto que el acero inoxidable? Se ha utilizado aleación de aluminio para fabricar grandes dispositivos de vacío, como aceleradores. Sin embargo, los materiales de aleación de aluminio tienen limitaciones significativas en la fabricación de recipientes de vacío debido a su naturaleza porosa, alto contenido de gas, baja resistencia a altas temperaturas y dificultad de soldadura. Sin embargo, la permeabilidad al hidrógeno de la aleación de aluminio a temperatura ambiente es aproximadamente 10-7 veces mayor que la del acero inoxidable serie 300. Por lo tanto, depositar una película de aluminio de 10 μm de espesor sobre acero inoxidable puede reducir 105 veces la cantidad de hidrógeno liberado. El compuesto de aluminio se utiliza como material de electrodo para tubos electrónicos de acero inoxidable. Siempre que se preste suficiente atención a la fundición y la forja, la aleación de aluminio tiene el potencial de convertirse en un material para sistemas de vacío extremadamente alto.
④ El gas generado por la reacción química entre el gas y la superficie sólida en un sistema de vacío extremadamente alto, así como el gas generado por la reacción química entre el gas disuelto dentro del sólido y la superficie sólida, es una fuente importante de gas.
El carbono del acero inoxidable se difunde a la superficie del metal y reacciona con el oxígeno para producir monóxido de carbono. En un sistema de vacío, calentar el filamento metálico aumenta las presiones parciales de vapor de agua, monóxido de carbono y metano. El aumento de estos gases está relacionado con la presencia de hidrógeno. Después de reducir la presión parcial del hidrógeno, la presión parcial de estos gases también disminuye. Debido al hecho de que el hidrógeno se descompone en estados atómicos y se difunde en el interior de los metales, es químicamente activo y propenso a reacciones químicas tanto en el interior como en la superficie de los metales.
En un sistema de vacío, pueden ocurrir múltiples reacciones químicas simultáneamente en paredes de metal y vidrio. La historia y las condiciones de uso de varios materiales son diferentes, y los gases generados por reacciones químicas también son diferentes. En condiciones de vacío extremadamente alto, existe una cierta relación entre los gases distintos del H2 y la presencia de H2, por lo tanto, reducir la presión parcial de H2 sigue siendo el enfoque principal.
4, fuga
Cuando los materiales sólidos se colocan en un gas, las moléculas de gas circundantes se disolverán en la capa superficial del sólido. Es diferente del gas originalmente disuelto dentro del sólido. La presión del gas en ambos lados de la pared del recipiente de vacío es diferente y la concentración de moléculas de gas disueltas también es diferente. Cuando la concentración en ambos lados de la pared del recipiente es diferente, las moléculas de gas se difunden desde el lado con mayor concentración hacia el lado con menor concentración y finalmente se difunden hacia la pared interna del recipiente de vacío y se liberan. Este proceso se llama permeación de gas.
Los materiales no metálicos utilizados en los sistemas de vacío, como el vidrio y los materiales orgánicos, tienen un grado de disociación de n=1 y la tasa de permeación de las moléculas de gas disueltas es proporcional a la diferencia de presión. El helio tiene una alta permeabilidad a través del vidrio, lo que incide directamente en la adquisición de un vacío extremadamente alto. Por lo tanto, no se deben utilizar vidrio ni materiales orgánicos como pared del sistema de vacío extremadamente alto. No disolver gases raros como helio, neón, etc. en materiales metálicos es ventajoso para obtener un vacío extremadamente alto. Las moléculas de gas diatómico se disuelven solo después de disociarse en átomos. El componente principal del gas liberado por el acero inoxidable es el hidrógeno. Especialmente después de una buena desgasificación, el 99% del gas residual es hidrógeno. Por tanto, la permeación de hidrógeno es una de las dificultades para obtener un vacío extremadamente alto.
5, reflujo
El fenómeno del gas o vapor que regresa a la cámara de vacío dentro de una bomba de vacío se llama reflujo. En sistemas de vacío extremadamente alto, debido a que la presión en la cámara de vacío es inferior a la presión límite de la bomba de vacío, el impacto del reflujo sobre la presión límite es particularmente significativo.
Para sistemas de vacío extremadamente alto, todas las bombas de vacío son fuentes de gas. Para reducir el reflujo de la bomba a la cámara de vacío, se debe conectar una trampa entre la bomba de vacío y la cámara de vacío para bloquear el reflujo de gas, utilizando la capacidad de bombeo de la bomba de vacío.
Debido a la alta presión límite actual de las bombas de vacío, el diseño de las trampas es extremadamente importante en sistemas de vacío extremadamente alto. El objetivo del diseño es mejorar el coeficiente de captura de la trampa. En los sistemas de vacío que utilizan bombas de difusión, también existe el problema de la antidifusión. En una bomba de difusión, el flujo de aire no solo ocurre en la dirección de bombeo, sino que también una pequeña cantidad de moléculas de gas fluyen en la dirección opuesta al flujo de vapor, provocando la difusión desde el extremo de bajo vacío al extremo de alto vacío. Este fenómeno se llama contradifusión. El grado de antidifusión está relacionado con la relación de compresión de la bomba de difusión. Cuanto mayor es la relación de compresión, menor es la antidifusión y la relación de compresión también está relacionada con la calidad del gas. La relación de compresión de los gases ligeros es mucho menor que la de los gases pesados. Para sistemas de alto vacío, el efecto de la antidifusión no es significativo, pero para sistemas de vacío ultraalto, se debe considerar la limitación de la antidifusión en el vacío final. Si se utiliza una bomba de difusión para obtener un vacío extremadamente alto, es necesario conectar dos bombas de difusión en serie para reducir la presión de salida de la bomba de difusión principal, reduciendo así la antidifusión de la bomba principal. Los resultados experimentales han demostrado que este método puede mejorar el vacío final del sistema de vacío extremadamente alto.
