3.4 真空腔体

真空系统的核心是真空腔体，它是针对具体应用量身定做 的。它包括应用并将其可靠地与外部分离或防止环境受内部 流程影响。不论是并非需要高真空环境的干燥过程，或者是 需要在中或高真空环境下进行的等离子体过程，以及需要在 高真空环境下进行的表面研究：它们的真空腔体都同样必须 始终承受与大气的机械压力差。

欧盟标准规定真空容器不受任何基于设计和计算的具体准则 的限制。它们不是压力设备（压力设备指令 97/23/EC 适用于 具有内部压力大于 500 hPa 的部件），而且根据机械指令 2006/42/EC 它们也不属于机器。然而，它们必须以安全可靠 的方式进行设计、计算和生产，并在交付前进行测试。

圆柱管、球体、平板或模具配件的壁厚的计算，如盘形端 盖，可使用 AD-2000 手册进行。AD 2000 规定实际上是“压 力容器工作委员会”设计制定的，用于对压力容器的计算，但 也描述 “外部过压”的负载条件。在这里，您将发现，例如， 计算所需壁厚的方程包括圆柱管的“弹性屈曲”或“塑性变形” 等。

由于矩形腔室或类似设计，必须检查表面偏转和出现的张 力。如果它们过高，必须增加壁厚或对该区进行局部加固， 如通过额外的焊接肋板。为此，可以使用采用有限元法 (FEM) 执行机械计算的程序来优化腔室设计。除允许的机械 应力外，也有必要检查在 “外部大气、内部真空”的负载条件 下，密封面是否互相保持平整。如果密封面歪曲，可能发生 泄漏，阻碍腔室的使用。

腔室的基本形状通常由应用决定。对于腔体，如可能，应该 选择圆柱管，它有利于物料的投放和系统的稳定性。对于较 小的公称通径，管端可采用平底封闭；较大直径应该通过盘 形端盖来密封，以限制材料用量和腔室的重量。示例：直径 为 600 mm 的腔室需要平底，大约是盘形底壁厚的三倍。具 有端盖的主法兰允许进入腔室，门铰链的使用提高了易用 性。外部的腔室支脚确保了稳定性，吊环螺钉或起重卸扣可 实现安全运输。

如果腔室要进行回火或内部热源导致腔室盖过热，必须提供 腔室冷却系统。这可通过焊接冷却剖面或大面积垫板冷却 （图 3.18）或甚至作为双层容器来实现

通常情况下，根据实验或过程，在用户和设计师之间的交流 中设计腔室。单独定制腔室的另一选择是标准的真空室。这 些是预配置的基础结构，可通过自由可选的端口予以补充。 与完全定制的真空室相比，它们更加快速、实惠。

3.4.1 加工—表面

先前章节中已涵盖“材料选择”和“焊接”主题。真空室和部件的 内表面是在高真空和超高真空下实现工作压力的重要因素。 必须在该条件下进行加工，以最小化有效表面，并产生具有 最小解吸率的表面。

真空室和部件的表面往往是在焊接和机械加工后经过 精细玻 璃珠喷砂的。具有限定直径的高压玻璃珠被吹到表面上。密 封面不能被喷砂，所以在喷砂过程中要将其盖住。这个过程 对表面起封闭作用，使表面精确光整平滑，去除近表层粘附 物，如色斑，并产生装饰性的外观。要喷砂的表面必须清 洁、无油脂，砂砾介质必须定期更换，特别是在改变材料类 别时，如铁素体和奥氏体不锈钢。

研磨用于消除宏观粗糙度，使其无氧化皮、水垢或划痕。这 应该在清洁、无油、无油脂的表面上进行，并且磨料不应被 加工到表面里。根据初始粗糙度和要去除的层厚度，应该分 几个步骤进行研磨，采用越来越细的颗粒，并使用横磨方法 （即：交替研磨方向）。研磨通常是随后表面处理（如电抛 光）的准备步骤。研磨产生视觉上统一的印象。凭借已经相 对光滑、酸洗的表面，研磨可以产生更多的装饰效果，而且 还可以增大表面积。

刷光用于焊缝的后处理。所用刷子必须由不锈钢制成，并且 不得受到其他物质的污染，保证无异物被带到表面上。这同 样适用于抛光。抛光或磨损可能不增加到表面上和/或然后必 须完全去除。有效的表面积不得通过微观粗糙来增加。

酸洗是清洁表面的一种有效方法。杂质和大约 1 至 2 µm 厚 的表层被溶解。相关酸洗参数，如酸洗剂浓度、温度或酸洗 时间，必须严格遵守，以避免过度酸洗。酸洗后，必须集中 冲洗，以去除酸洗液的所有残余物。酸洗过程只能略微改变 表面粗糙度。
电抛光是金属选择性阳极通过使用 DC 电源溶解到电解液 中。在这种情况下，通常去除表面 12 至 15 µm 的颗粒，以 产生结晶的纯净表面。为均匀地去除表面，必须频繁地制造 适合于部件的电极。这使得过程变得复杂起来。此外，CF 密 封面必须被覆盖保护，因为作为边缘，电场强度局部增大， 从而导致材料去除增加。在 UHV 用户中，该过程是有争议 的。对氢进入表面或通过电解液残余物进入表面上进行了讨 论。如酸洗一样，在电抛光后，必须彻底冲洗部件。此外， 在这之后应进行泄漏测试，因为焊缝区域的物质被去除了。 根据先前条件，电抛光可以减少一半的表面粗糙度。

3.4.2 加工—清洁

清洁表面是真空技术中的先决条件。必须去除表面上的所有 杂质，以使其在真空条件下不解吸、不产生气体负荷或沉积 在部件上。

最初的预处理是必需的，例如，用高压清洗器，以去除粗污 垢。随后，将在多腔室超声波中清洗部件。首次清洁是在超 声波条件下使用特殊的清洁剂进行，对表面进行清洁和脱 脂。污物沾有表面上的表面活性剂，并粘着在清洗液中。清 洗液的 pH 值必须调整到适合于腔室材料的范围。在其它清 洗液中，清洁剂通过预冲洗、然后用热去离子水彻底冲洗才 能完全去除。在这之后，必须在高温、无尘、无烃空气中快 速完成干燥。大型腔室使用蒸汽或高压清洗器与特殊的清洗 剂进行清洗。然后，必须使用热的去离子水再次清洗数次， 最后在高温空气中进行快速干燥。

清洁后，真空侧表面必须只能佩戴清洁、不起毛的手套触 摸。所用包装为 PE 塑料薄膜，且密封面和刀刃轮廓用 PE 帽保护。

已清洁部件表面仍然有出气源。在 UHV 下，明确吸附的水分 子和贮存在空气中的烃痕是残余气体的最大来源。为有效地 去除表面的这些物质，对 UHV 腔室进行加热。在压力小于 1 · 10^-6 hPa 的连续排空下，部件通常加热到 150°C 至 300°C 约 48 小时。

以物理吸附或化学吸附方式粘着在表面的外来原子，通过这 些过程获得热能量，它们凭借这些热量挣脱吸附键并从表面 释放。从表面释放的分子必须通过真空泵从系统中去除。在 冷却后，获得的最终压力已经下降了几个量级。如果腔室被 破空，表面会再次附着分子。使用干燥氮气作为破空充入气 体并简短暴露于大气中并不能完全防止表面上凝水， 只能减少它。为在容许的抽空时间内达到最终压力， 小于 1 · 10^-8 hPa，再次烘烤是不可避免的。