超高真空系统

上海伯东德国 Pfeiffer 便携式检漏仪 ASM 310 成功应用于超高真空系统检漏检漏原因: 超高真空 Ultra-high vacuum, 真空度一般

普发真空提供针对烘烤高真空应用的塑料或其他材料进行定制的完整系统。超高真空烘烤系统具有以下特点：具有电抛光内表面的圆柱形不锈钢室能够通过内置的冷却盘管和制冷/加热循环器加热到所需的运转温度。室门配备了一个氟橡胶(FPM) 制成的双密封胶圈，能够在不更换密封胶圈的前提下轻松开关不锈钢室。双密封胶圈通过粗抽泵排空气体以减少渗透。不锈钢室上的所有其它法兰都采用了 CF 法兰(ConFlat® ) 以减少渗透。CF 法兰密封由金属制成，最常用的密封材料是铜。CF 法兰通过将钢刀口施加到平的铜垫片上进行密封。法兰的轴环周围使用螺丝钉。整个不锈钢室被包围在一个特殊的兼容净室的隔热层内 (RRK 7)。尽可能表面积最小的自定义夹紧工具能够被设计成不同的组件形状。为了测量高达 5 · 10-9 mbar 的压力，使用了一个冷阴极测头和一个 Pirani 元件 (PKR 261) 进行测量。通过 HiPace 系列涡轮分子泵或 HiPace M 系列磁悬浮涡轮分子泵可以形成高真空，涡轮分子泵利用一个超高真空闸阀安装在不锈钢室上。在这一应用中可以在 ACP 系列的隔膜泵和多级罗茨泵之中选择一种作为干式前级泵。

为了避免误解，本文将 1E-3 mbar 至 1E-7 mbar 之间的压力范围定义为高真空（HV），将 1E-7 mbar 至 1E-12 mbar 之间的压力范围定义为超高真空（UHV）。下面是获得高真空和超高真空时非常关键的几点。

摘要：低温结霜可视化实验装置主要用于模拟空间环境并研究深冷表面结霜现象，客户希望对现有实验装置的真空系统进行技术升级，以实现0.001Pa~1000Pa范围内真空度的准确控制。为此本文提出了分段控制解决方案，即采用电容真空计、电动针阀、电动球阀和低真空控制器构成低真空控制回路；采用皮拉尼计、可变泄漏阀和高真空控制器构成高真空控制回路。解决方案可以很好达到技术指标要求，也可推广应用到其它真空和超高真空度控制。

许多前瞻性科技技术，例如粒子加速器、核聚变反应堆或 EUV 光刻技术都必须依赖高真空或超高真空。为了制造出这种持续的真空环境，并且维持在一定的真空度下，我们需要的不仅仅是能满足应用和技术规格的泵。同样重要的是需要在真空环境下对表面释放出的残余杂质进行精确的气体分析的仪器。然而，无论是设备的运营方，还是真空设备的制造商都需要仔细研究产品的特性、材料、及在真空环境中的表面处理和清洁方法。Pfeiffer Vacuum 丰富多样的产品组合为此类系统提供所有必要组件。Pfeiffer Vacuum 作为完整解决方案供应商为客户定制完美的残余气体分析设备。在残余气体分析中真空系统用于：■ 为高真空或超高真空选择合适的材料■ 检查电子构件、开关组和电缆在真空中的表现■ 评选适合的表面处理、镀膜合金材料■ 评估部件的清洗程序■ 检查真空烘烤程序■ 工艺控制Pfeiffer Vacuum 系统不仅为高真空和超高真空设备的运行方，还为真空部件的制造商提供优秀的残余气体分析解决方案。Pfeiffer Vacuum 也在本部使用残余气体分析，以便在开发和生产中测试其产品、表面处理和清洗程序的出气情况。以此确保 Pfeiffer Vacuum 产品适用于高真空和超高真空环境。此外，还可以检查涡轮分子泵的电机和前级真空部件的脱气状况。

采用Ekspla公司由PL2241型脉冲皮秒激光器和PG501/DFG光学参量发生器构成的振动和频光谱测量系统对一个常压反应池内超高真空生长的模型催化剂样品的和频光谱进行了测量研究。

超高真空度的控制普遍采用具有极小开度的可变泄漏阀对进气流量进行微小调节。目前常用的手动可变泄漏阀无法进行超高真空度的自动控制且不准确，电控可变泄漏阀尽管可以实现自动控制但价格昂贵。为了实现自动控制且降低成本，本文提出了手动可变泄漏阀与低漏率电控针阀组合的解决方案，结合真空压力PID控制器可实现超高真空度自动控制。

针对晶体生长和CVD等半导体设备中对0.1%超高精度真空压力控制的要求，本文对相关专利技术进行了分析，认为采用低精度的真空度传感器、调节阀门和PID控制器，以及使用各种下游控制方法基本不太可能实现超高精度的长时间稳定控制。要满足超高精度要求，必须采用0.05%左右精度的传感器和相应精度的PID控制器，结合1s以内开合时间的高速电动针阀和电动球阀，同时还需采用上游进气控制模式。另外，本文提出的超高精度解决方案中，还创新性的提出了进气混合后的减压恒压措施，消除进气压力波动对超高精度控制的影响。

粒子加速器运行的一个重要因素是可靠且强大的真空系统。而像LHC这样非同寻常的机器对内置真空技术有着非常特殊的要求。极小误差可能导致整个加速器停止运行数小时。因此，整套真空系统必须是非常可靠的。此外，加速器中使用的所有设备必须能够承受高达1,000 Gy/a的辐射水平。而进行这些复杂测量的设备不能离开加速器的辐射区。因此，能在现场进行设备维护显得至关重要。为满足这些高要求，普发真空与CERN合作，对真空获得、真空测量和真空分析研发并实践了一套定制的真空解决方案。真空获得LHC分两种真空系统: 电子束真空和隔离真空。两种应用中都用到了普发真空的涡轮分子泵。这些泵经改进后都可以满足LHC的特殊要求。为了能在辐射环境中运行，泵体中都不能使用电子元件。要满足这些要求，普发真空研发了无传感器驱动概念，实现了泵的机械部件与电子部件的隔离。采用这一概念，电子部件可以放置在离真空泵1,000 m以外的地方，并定位在一个保护区域内。真空测量普发真空专门研发了特殊的测量设备，用来测量获得的真空。这些使用的设备是改进的皮拉尼和冷阴极真空计。它们用来长期监测加速器内的压力，并确保当压力增加时可以采取适当的行动。由于真空计同样暴露于高水平辐射中，它们被制造成无源传感器，没有集成的电子设备。所有电子设备都被安置在一个辐射安全区域内，并且经由长电缆连接至无源传感器。这些电缆通过精确的指令与CERN密切连接。这使冷阴极真空计可以测量达10-11 hPa的压力。通过一种特殊的点火过程，冷阴极真空计即使在压力非常低的情况下，也可以轻易打开。由于加速器的寿命约为30到40年，因此，只有采用寿命长的电子元件。氦检漏对LHC要求的超高真空压力，加速器使用的部件必须确保极低的漏率。因此，在安装部件之前，必须进行全方位的检漏。针对检漏，CERN采用了ASM系列检漏仪。使用这些设备，即使是细微到的10-13 Pa· m3/s 的泄漏也可以有效地被检测出来。真空分析除压力外，残余气体的组成也是加速器正常运行的一个重要因素。使用残余气体光谱仪，可以得出加速器内使用材料脱气相关的结论。为获得残余气体光谱，CERN采用了普发真空的质谱仪。对于超高真空中的残余气体测量，质谱仪分析仪本身具有较低的脱气率是非常重要的。除了真空退火离子源外，CERN使用的普发分析仪也拥有真空退火棒系统。使用这一方法，分析仪将产生一个极低的背景信号，尤其方便记录加速器内实际残余气体的比例。

如今，真空在我们日常生活中被广泛应用于高端产品的生产及制造，并且扮演着重要角色。例如：在科研，工业流程，手机芯片，硬盘，太阳能电池，塑料干燥或者食品真空包装等领域。在当今的生产活动中，我们对真空度测量的精确性、标准化、可靠性和重复性的要求是至关重要的。当我们在进行测量的时候，高精度又是关键中的关键：精度的高低会直接影响产品的生产质量，科学实验的准确性和设备使用的可靠性。要确保真空计使用时的高可靠性，就必须经常对它进行校准或标定。而根据每个不同应用的具体要求，这些校准工作必须符合国内或相关的国际标准。经济、高效、精准、国际化的机构校准及标定替代解决方案生产活动中，真空计往往需要对外专业机构进行校准和标定。然而在对量大或校准间隔要求短的条件下，使用经济的测量仪器进行现场校准能大大节约时间和费用。普发真空紧凑型的校准泵组就能够组建起这样一个系统。这个易于使用的便携式系统是专为同时在线进行多个仪器检测而量身定做的。其系统具有使用便捷、快速及符合人体工学标准的特点。

普发真空研发出了一整套适用于排空整个离心室的系统。这一特殊的真空系统由三个不同的部件组成：1. 用于主腔室的泵系统2. 用于贯通轴的泵系统3. 可选配用于油脱气的泵系统第一个分系统用于排空平衡涡轮的区域。根据不同需求由数量不同的装置组成。每个装置都由一个罗茨泵和一个作为前级泵的旋片泵组成。第二个分系统用于补偿传动轴的泄漏率，传动轴连接被排空的区域并因此产生泄漏。例如，为此可以采用两个小型旋片泵。也可选择一个用于油脱气的真空装置作为第三个分系统。这一真空装置由一个小型的罗茨泵和一个支撑旋片泵组成。油在闭合回路中流经轴承并流入一个容器中，在容器中进行脱气处理。这保证了轴承具有最佳的润滑度。

CombiNEG 吸气剂复合型离子泵，该泵大大增强了超高真空时离子泵的抽气能力，也弥补了NEG吸气剂泵无法抽除惰性气体的缺陷，为超高真空、极高真空系统的设计提供了新的选择。

针对目前大多数气相色谱仪负压进样系统中存在的无法控制微量进样和真空度无法准确控制的问题，本文在发明专利“CN111239308A 一种在线高真空负压气体进样系统及方法”基础上提出了改进的解决方案。解决方案通过采用电容真空计、皮拉尼真空计、电控针阀和双通道真空度控制器组成的控制装置，可实现高真空范围内的任意设定点下的真空度快速和精密控制，使在线负压形式的微量气体进样方法真正能转化为实用的工程化仪器。

本文介绍了根据客户要求对CVD管式炉真空控制系统进行升级改造的过程，分析了客户用CVD管式炉真空控制系统中存在的问题，这些问题在目前国产CVD和PECVD管式炉中普遍存在。本文还详细介绍了改造后的真空压力控制系统的工作原理、结构和相关部件参数等详细内容，改造后的真空压力控制精度得到大幅度提高。

摘要：针对原子力显微镜对真空度和气氛环境精密控制要求，本文提出了精密控制解决方案。解决方案基于闭环动态平衡法，在低真空控制时采用恒定进气流量并调节排气流量的方法，在高真空和超高真空控制时则采用恒定排气流量并调节进气流量的方法。原子力显微镜真空度控制系统主要由高速电控针阀、电动可变泄漏阀、高速电控球阀、电容真空计、电离真空计和超高精度PID调节器构成，在超高真空至一个大气压范围内可达到很高的控制精度。

摘要：针对用户提出的高温石英管加热炉真空度控制系统的升级改造，以及10~100Torr的真空度控制范围，本文在分析现有真空控制系统造成无法准确控制所存在问题的前提下，提出了切实可行的解决方案。解决方案对原有的无PID控制功能的压强自动控制仪和慢速大口径电动蝶阀进行了更换，采用了高精度可编程PID真空压力控制器，采用了口径较小响应速度更快的电动球阀。此解决方案已在多个真空领域得到应用，并可以达到±1%的高精度控制。

普发真空的真空技术用于 LIGO这项实验，亦即在地球上证实引力波的存在，需要真空技术。为了保证功能正常，激光的两条光路不得受到扰动影响。因此，激光束和光学镜面放置在超高真空系统中。为了保证该系统的质量和可靠性，从而使实验能够顺利完成，需要进行长达十年的准备。作为准备工作的一部分，在世界各地的物理研究所为准备引力波实验而进行了深入的基础研究。普发真空为许多这样的基础实验提供了真空设备。LIGO 探测器中的真空也是由普发真空的分析系统监控的。普发真空的 HiPace 涡轮分子泵及大量质谱仪被用于保障质量和检测泄漏，以对巨型光束管道的烘烤进行诊断。这些设备用于保持管道系统中的必需的真空条件，为成功进行实验提供必要的环境条件。

针对食品油炸过程中涉及到的真空、正压和高压三种压力场控制需求，本文提出了相应的解决方案。解决方案基于动态平衡法控制原理，采用真空压力控制器、电动针阀、电动球阀、电气比例阀、背压阀和真空泵的搭配组合，分别实现真空负压控制、正压控制和超高压控制，可有效保证油炸食物品质，更便于油炸参数和新技术的开发。依据解决方案所构成的真空压力控制系统即可单独构成油炸设备的控制单元，也可配套集成到中央控制系统。

普发真空解决方案的优势一览：HiPace 30 涡轮分子泵■ 市场上最小的大功率涡轮分子泵■ 易于集成到小型分析系统中■ 低重量，非常适合移动使用■ 较长的保养间隔保证了较长的寿命周期HiPace 300 涡轮分子泵■ 特别适用于高真空和超高真空应用■ 非常高的压缩率，尤其适用于小分子气体■ 与隔膜泵结合使用也能实现最好的结果■ 间歇式运行可以节省超过 90％ 的能量，而不会损失任何动力SplitFlow™ 涡轮分子泵■ 由于结构紧凑，所以需要最小的空间■ 对所有气体均具有高抽速和最大压缩比■ 通过监控所有运行数据来最大限度地提高运行可靠性DuoLine 旋片泵■ 可选的免维护磁耦合可实现更长的使用寿命■ 优化的泵冷却增加了使用寿命和应用范围■ 通过液压控制的高真空安全阀实现高运行可靠性■ 由于占地面积小且真空连接布置经过优化，可轻松地进行系统集成MVP 隔膜泵■ 绝对干燥的无油真空■ 低振动和低噪音水平■ 紧凑型设计■ 运行可靠性高，隔膜寿命长?■ 隔膜和阀门更换方便，从而使维护很方便

摘要：针对现有低气压环境下沿面闪络测试中存在真空度无法精确控制所带来的一系列问题，特别是针对用户提出的对现有沿面闪络试验装置的真空控制系统进行技术改造要求，本文提出了相应的技改方案，技改方案采用基于动态平衡法的电动针阀和电动球阀上下游控制模式，并辅助上游微小进气流量的自动可变泄漏阀控制技术，可在超高真空至常压的全真空度范围内实现低气压环境的精密控制和准确模拟，可有效提高沿面闪络性能测试精度。

分子泵是涡轮分子泵、牵引分子泵和复合分子泵的统称，是一种非常常见的获得高真空和超高真空的设备。分子泵的正确使用和及时保养，对分子泵轴承乃至整个分子泵的正常工作意义重大。

新型低压电子束焊接加工技术具有凹型阴极、自聚焦和低造价的突出特点，不再需要高真空系统，也无需磁透镜和磁线圈进行电子束的聚焦和偏转，可进行微零件焊接和低熔点材料表面微结构改性。但这种新型技术对氩气工作气压的要求较高，需要在7~12Pa的低真空范围实现高精度的调节和控制。本文针对此高精度控制提出了解决方案，即在电容真空计作为传感器的基础上，采用了电动针阀和超高精度压力控制器，控制精度可达±1%。

世界上最大的仿星器类型实验核聚变反应装置“Wendelstein 7-X”自2015 年 12 月开始已在德国格利夫斯瓦尔德的马克斯· 普朗克等离子体物理研究所 (IPP) 投入使用。该反应装置用于进行产生氢等离子体的实验，适合于核聚变发电站的连续运行。从长远来看，核聚变产生的能量被看作一种清洁的替代发电方式。Wendelstein 7-X有助于研究仿星器原理可用于发电站的范围。在 2016 年 3 月底完成第一个运行阶段后，反应装置正在升级并准备进行第二批次的系列实验。真空技术是反应装置的基本组成部分：实验只能在超高真空条件下进行。普发真空在反应装置真空系统的设计、实施和运行上已经与格利夫斯瓦尔德 IPP 的科学家们密切合作多年。2016 年 8 月，普发真空项目团队和普发真空股份有限公司管理层成员 Ulrich von Hü lsen 博士参观了格利夫斯瓦尔德的实验聚变反应装置。在参观期间，团队询问了第一个运行阶段的进展情况、普发真空产品的使用情况以及第二阶段的需求。

MIT 的普发真空解决方案一览：隔膜泵在 MIT，隔膜泵用作涡轮分子泵的前级泵。由于其紧凑性，普发真空的隔膜泵是集成到系统中的最佳选择。该产品优势明显：■ 绝对干燥的无油真空■ 隔膜使用寿命长■ 低振动和低噪音水平■ 高操作可靠性■ 易于维护，因为膜和阀门更换简单■ 由于使用了双电压电机或直流驱动器，可在全球范围内使用涡轮分子泵普发真空的涡轮分子泵在 MIT 产生所需的超高真空条件。凭借其高性能和可靠性以及极好的经济性和效率，它们是满足离子束机器要求的最佳解决办法。其优势包括：■ 经验证的轴承系统实现了高可靠性■ 设计、技术组件和泵速度等级的差异实现了灵活性■ 高度发达的泵设计实现了高压缩性能和高效率■ 低能耗■ 很长的保养间隔周期质谱仪在 MIT，普发真空的 PrismaPlus 质谱仪用于在真空系统中进行残余气体分析。高灵敏度、稳定性和智能处理的结合使 PrismaPlus成为最佳解决方案。优势一览：■ 模块化设计实现了最佳适应性■ 紧凑的尺寸和高性能■ 通过各种接口实现了方便的系统集成■ 通过以太网联网■ 高测量速度、稳定性和分辨率测量设备MIT 使用普发真空的 ActiveLine 和 DigiLine 高精度真空计测量仪器。它们具有模拟和数字两种输出。它们非常适合离子束系统的要求，并具有许多优势：■ 磁性杂散场最小■ 轻松集成■ 耐用且易于维护

真空炉, 即在炉腔这一特定空间内利用真空系统将炉腔内部分物质排出, 使炉腔内压强小于一个标准大气压, 炉腔内空间从而实现负空状态. 上海伯东某科研客户研究方向是特种高温合金, 材料需要在1000℃的环境进行熔合, 在这个温度下空气会影响金属原料熔合的品质, 客户考虑用分子泵来保证炉子的真空度不低于 1E-4Pa, 经过多次技术交流, 客户选择上海伯东 Pfeiffer Hicube 80 classic 分子泵组搭配全量程真空规 PKR 251 来解决需求. 该中型分子泵组在科研、小型工业生产领域应用广泛.

Thermo Scientific针对空气敏感样品开发了惰性气体/真空保护样品传输系统CleanConnect，为空气敏感材料表征开拓出了全新视野。惰性气体/真空保护样品转移工作流程能够帮助科研工作者拓展空气敏感材料的研究边界，探究更多未知领域。

分子束外延(MBE)是一种晶体生长技术，将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中，由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在衬底上生长出极薄的，可薄至单原子层水平，单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该方法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度。分子束外延系统对真空度要求及其高，对真空腔体的密封性、材料放气率、微量杂质气体和水蒸气比较敏感，本系统采用上海伯东德国 Pfeiffer 残气质谱仪 QMG 对超高真空腔体进行检漏，及材料放气组分及水汽进行分析，确保超高真空及真空的稳定性，对晶格的生长起到很好的作用。

真空干燥箱供科研单位、院校、工矿企业等单位的实验室、以及生产现场，在真空状态下对物品进行干燥和热处理等

针对各种柔性和刚性隔热材料对变温和变真空环境下热物理性能参数的测试要求，本文介绍了采用准稳态法ASTM E2584 进行的测试系统初步设计方案，拟实现的高低温测试温度范围为-180~1500℃，真空度范围为0.05Pa~0.1MPa，样品尺寸为300mm× 300mm× 50mm，可实现导热系数、热扩散系数和比热容三个热物理性能参数的快速连续测量，并同时可通过热扩散系数的连续测量确定复合材料的固化度及优化固化工艺。

目前微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统中的真空压力控制装置普遍采用美国MKS公司的控制阀和控制器。本文介绍了采用MKS公司产品在实际应用中存在控制精度差和价格昂贵的现象，介绍了为解决这些问题的国产化替代方案，介绍了最新研发的真空压力控制装置国产化替代产品，并验证了国产化替代产品具有更高的控制精度和价格优势。