1.3 影响现实真空系统的因素

1.3.1 污染

当对真空室进行抽空时，为尽快达到所需压力，真空室必须清洁。真空系统典型的污染物包括

真空系统生产过程产生的残留物表面、螺丝钉和密封件上的油脂和润滑剂
与应用相关的污染物过程反应产物、灰尘和颗粒
环境相关的污染物冷凝蒸汽，特别是吸附在容器壁上的水分。

因此，在组装真空设备时必需确保部件尽可能清洁干净。真空室中安装的所有部件必须干净、无油脂。安装的所有密封也必须无油。如果不能避免使用真空润滑脂，则必须非常小心地使用真空润滑脂，总而言之，是作为润滑剂用以辅助安装，而不是用作密封剂。如果涉及到高真空或超高真空系统，在装配过程中必须佩带清洁、不掉毛、无粉尘手套。

1.3.2 冷凝和蒸发

所有物质都有液体、固体或气体三种状态。他们的聚集状态由压力和温度决定的。液体通过蒸发转化为气态，固体通过升华转化为气态。将液体或固体从气相分离出来称为冷凝。由于正常的环境空气中每立方米大约含有 10 g 水蒸气，所以冷凝的水蒸气存在于所有物体表面。

由于水分子的强极性，表面的吸附特别明显。天然纤维，特别是纸张，在真空条件下的干燥过程中，会有大量水分逸出。冷凝器用于分离水蒸气。甚至某些金属(镉、锌、镁) 在几百摄氏度高温下也可大量蒸发。因此，应避免在设备制造中使用这些金属。

图 1.9: 各种物质的蒸气压曲线 [14]

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1.3.3 解吸、扩散、渗透和泄漏

除水之外，其它物质，如真空泵工作液也可吸附在表面。物质也可从金属壁中扩散出来，这在残余气体中可检验出来。在特别严格要求的情况下，不锈钢容器可在真空条件下烘烤，从而促使大多数挥发性成分从金属壁中释放出来。

解吸

气体分子(特别是水)通过吸附和吸收粘着在真空室的内表面上，并在真空下再次逐渐解吸。在真空系统中，金属和玻璃表面因解吸所产生的放气量随覆盖率的下降和时间的推移而下降。一般假设在给定时间点 t>>t₀后，下降将以线性规律随时间变化，就能得到很好的近似值。t₀ 通常假定为一小时。

气体量因此可描述为:

Q_{\mathrm{des}}=q_{\mathrm{des}}\cdot A\cdot\frac{t_0}{t}

公式 1-32: 解吸率

𝑄_des 解吸率 [Pa m³ s⁻¹]
𝑞_des 解吸流密度（特定面积） [Pa m³ s⁻¹ m⁻²]
𝐴 面积 [m²]
𝑡 时间 [s]

带解吸的扩散

在低于 10^-6 hPa 的作业中，塑料，特别是密封件的表面解吸影响更大。塑料释放的主要是溶解于这些塑料内部的气体，这些气体首先必须扩散到表面。因此，随着泵停机时间的延长，从塑料中解吸出的气体相比于从金属表面而言占主导地位。虽然密封件的表面积相对较小;其解吸率随时间的下降却远远慢于金属表面解吸率的下降。作为近似值，可假定解析下降过程随时间的平方根变化。

塑料表面产生的气体因此可描述为:

Q_{\mathrm{diff}}=q_{\mathrm{diff}}\cdot A_{d}\cdot\sqrt{\frac{t_0}{t}}

公式 1-33: 塑料的解吸率

𝑄_diff扩散率 [Pa m³ s⁻¹]
𝑞_diff 扩散流密度（特定面积） [Pa m³ s⁻¹ m⁻²]
𝐴_𝑑容器中的塑料材料表面积 [m²]
𝑡 时间 [s]

类似的情况也发生在压力更低的金属中，其中，氢和碳以 CO 和 CO₂ 的形式逸出，并可在残余气体谱中看到。在这方面，公式 1-33 也适用。

渗透和泄漏

密封件，甚至金属壁，通过扩散都可被小的气体分子渗透，比如氦。由于该过程不是时间的函数，因此导致极限压力持续增加。渗透气体量与横跨壁厚的压力梯度和材料相关的渗透常数成正比。

Q_{\mathrm{perm}}=k_{\mathrm{perm}}\cdot A\cdot\frac{p_{a}}{d}

公式 1-34: 渗透量

𝑄 _perm 扩散率 [Pa m³ s⁻¹]
𝑝_𝑎 容器外的压力 [Pa]
𝑑 壁厚 [m]
𝐴 容器表面积 [m²]
𝑘_perm 渗透常数 [m² s⁻¹]

渗透首先在压力低于 10^-8 hPa 时表现出来。

用 Q_L 描述漏孔漏率，即通过漏孔进入真空系统的气体流量。泄漏率可定义为压力在一定容积内随时间的上升:

Q_{L}=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}

公式 1-35: 泄漏率

𝑄𝐿 泄漏率 [Pa m³ s^-1]
Δ𝑝 测量期间的压力变化量[Pa]
𝑉 容积[m³]
Δ𝑡 测量时间 [s]

如果以体积流率 S 对容器进行连续抽空，在气体流量（公式1-16）等于泄漏率 QL = S · peq. 时，将会产生平衡压力peq。

如果平衡压力 peq 大约是工作压力的 10 %，则认为系统具有足够好的气密性。举例而言，如果要获得的工作压力为 10-6 hPa 且正在使用的真空泵抽速为 100 l s-1，泄漏率应该不超过 10-6 Pa m3 s-1

在清洁的不锈钢容器中，能够轻松地获得 QL< 10-9 Pa m3 s-1 泄漏率。

要在给定时间段 t内达到极限压力主要取决于上述的所有影响因素，以及真空泵的抽速。前提当然是取决于真空泵的极限压力。

Q_{\mathrm{des}}(t)+Q_{\mathrm{diff}}(t)+Q_{\mathrm{perm}}+Q_{L}=p(t)\cdot S

公式 1-36: 作为时间函数的极限压力

通过使用公式 1-36 以及求解与时间有关的方程，可计算在给定抽吸时间t下的各种气体流量和产生的压力。极限压力是这些压力之和。

1.3.4 烘烤

为获得超高真空范围 (<10^-8 hPa) 内的压力，必须满足以下条件：

真空泵的本底压力应该低于所需极限压力的 10 倍。
真空室和部件所使用的材料必须针对最小出气量进行优化，并且具有适当等级的表面处理。
应该使用金属密封件(例如，CF 法兰连接或 ISO 法兰标准的螺旋挠性密封件)。
清洁处理是获取超高真空的必要条件，即:所有部件必须在安装前彻底清洗并必须佩带无油脂手套进行安装。
设备和高真空泵必须进行烘烤。
在启动加热器之前，必须进行真空检漏。为此，必须使用氦检漏仪或四极杆质谱仪。

烘烤显著增加解吸率和扩散率，而且这会导致抽吸时间大大缩短。作为制造工艺的最后一个步骤，UHV 用途的腔室可在温度高达 900 °C 时进行退火。后续烘烤温度可能达到 300 °C。泵制造商有关高真空泵法兰最高烘烤温度的说明通常将最高温度限制为 120 °C。如果在真空设备中使用热源 (例如，辐射加热)，则不得超过允许的辐射功率。

设备在安装完毕后投入运行。在达到 10^-5 hPa 的压力后，开启加热器。在加热过程中，每间隔 10 小时就要开启真空计并对其脱气。如果使用的是经过适当表面处理的不锈钢腔体和金属密封件，经过120°C 的烘烤温度和约 48 小时的加热过程，就足以达到 10^-10 hPa 的压力范围。

烘烤应该持续进行，直至达到预期极限压力的 100 倍。然后关闭泵和真空室的加热器。在冷却后，很可能会达到所预期的极限压力。在压力低于 5 · 10^-10 hPa 且内表面积较大时，将优先使用气体捕集泵(钛升华泵)，这种泵能以大体积流率抽出从金属中逸出的氢气。

1.3.5 残余气体组成

在超高真空中工作时，重要的是，在开始真空工艺之前或为了监控工艺过程，需要了解残余气体的组成。如果水的百分比 (m/e = 18) 及碎片 OH (m/e = 17) 含量很大，那么多是在真空室不清洁或烘烤不彻底的原因。如果氮 (m/e = 28) 和氧 (m/e = 32) 的-峰值之比 N2/O2大约为4:1，那么可以判定存在氮泄漏。

可在充分烘烤的腔室中，可以发现氢 (m/e = 2), 水 (m/e = 17 and 18), 一氧化碳 (m/e= 28) 和二氧化碳 (m/e = 44)。在使用涡轮分子泵时，不会发现碳氢化合物。因为分子泵对大分子量气体具有大压缩比, 它们有效地抽除在腔室之外。通过涡轮分子泵抽空的清洁容器的典型残余气体谱所图 1.10 所示。

图 1.10: 通过涡轮分子泵抽空容器的典型残余气体谱

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有关使用质谱仪的更多信息见第 6 章“质谱仪和残余气体分析”。

1.3.6 充气保护

为避免不必要的污染，应该使用干燥的氮气代替空气对真空室进行充气保护。以防止水蒸气和环境空气中的其它可凝物 (如溶剂蒸汽)沉积(吸附)在容器壁上。与真空腔室抽空作业相比，解吸过程都是十分缓慢的，所以每种可凝物都会延长后续的抽空时间。如果已经使用惰性气体对容器进行充气保护，那么只有在需要在容器内部进行必要作业时才打开容器。由于维修人员动作造成的对流或由于扩散，长时间打开容器将会导致环境空气中的水蒸气进入其中。