了解超高真空和高真空技术的典型应用

随着产业发展及学科融合，真空技术应用场景极大丰富，相关产品及科学仪器的数字化和智能化程度显著增加；科技前沿和新兴领域的应用条件更加严苛，技术攻关难度和风险显著增加。作为真空技术的四类基础部件——真空腔体、泵、阀门和密封件的制造水平提升和工艺优化已经成为重大科学装置建设和装备研制的重要支撑，代表了产业基础共性技术的发展方向。为满足工艺环境的应用要求，真空腔体和密封件的制造技术快速发展；为适应绿色智能的发展理念，真空泵和阀门作为通用技术产品的迭代周期逐步缩短。

 真空腔体 

航天航空、集成电路、粒子加速器、高速列车、核聚变等技术领域的快速发展，对真空腔体的性能要求提升到一个新的高度。真空腔体需要满足复杂结构造型，高、低温循环，超高压、高真空循环，低泄漏、超洁净，辐照损伤，高温烧蚀，砂砾侵蚀，化学腐蚀等应用条件。中国天和空间站迎来了高速建设阶段，航天员长期在轨停留反映了中国空间技术的快速发展。但是，在现有工业体系下，空间站的服役水平难以实现跨越式发展，需要加强科技力量投入，取得性技术成果。

粒子加速器的真空管长度可达几十公里，涉及众多学科领域，是超高真空和高真空技术的典型代表。作为粒子理论的研究平台，加速器科学装置发展了半个多世纪。除用于基础研究外，加速器的各种束线已广泛应用于医疗、高分辨率动态成像等领域，实现了科研与产业的结合。真空管运输作为未来交通的发展方向倍受关注，管路直径可达5米。这类应用的长远意义在于为人类在地外星球建设基地进行探索，积累技术经验。

超高真空技术应用广泛，从现有的光学传感器、光刻机、低温恒温器、电子显微镜和 XPS 光谱仪，到基于冷原子的便携式量子传感器、MEMS 真空检测仪器、真空电子束智能增材制造系统等新兴领域。增材制造可大幅减少设备尺寸、重量和开发时间，从而加速基础研究和技术开发。通过激光粉床打印机制造一个利用磁光阱 MOT 捕获冷原子的小型超高真空腔体，由铝合金 AlSi10Mg 制造。该系统经历120小时的120℃烘烤后，达到了低于 1×10-10mbar 的压力范围。装置对被捕获的原子云进行荧光图像，包含多达 2×108 个铷原子。增材制造的腔体的真空度优于 5.0×10-9mbar，与常见的磁光阱真空腔体性能一致，见图1。这表明了增材工艺与超高真空腔体制造的适用性。

▲ 图1 增材制造工艺的超高真空腔体

由于传统的大批量制造工艺在效率和性能上的竞争优势显著，因此，传统的技术工艺路线会长期存在。增材制造与传统制造各取所需、融合发展，可以促进相关产业的快速发展。小型复杂真空腔体的冷却和散热部件采用增材工艺进行精细加工，通过连接技术将传统工艺制造的法兰进行组焊加工，以实现的制造工艺。

▲ 图2 传统和增材复合工艺制造的真空腔体

德国 PINK 公司采用高精密数控机床制造的直径650mm球形超高真空腔体，用于确定基本粒子的形状，该腔体具有230个 CF 型 DN40 法兰。目前，加速器、光刻机等装备的大型超高真空和高真空腔体的制造仍以传统制造工艺为基础。

 真空泵 

为解决未来的能源危机，欧盟、中国、日本、美国、俄罗斯、印度、韩国七国主导的等离子体核聚变装置国际合作项目，至2025年，将完成核聚变装置 ITER 样机运行，产生核聚变能，输出电能 500MW（7分钟），相对 50MW 的电力输入，ITER 装置将实现自循环加热；至2036年，建成更大功率的核聚变装置 DEMO，输出核电 4000MW，实现商业示范应用。

核聚变装置的10-4Pa量级高真空运行环境的获得主要由低温泵、涡轮分子泵等可获得超高真空的泵实现。根据不同功能特点，有3类低温泵安装在 ITER 装置上。Cryostat 低温泵抽气系统集成了两台超临界氦气冷却低温吸附泵。200台分子泵需要满足不同子系统的应用要求。较低的真空获得由螺杆泵、罗茨泵和涡旋泵实现。为满足ITER装置的环境条件，包括 Edwards 和 Pfeiffer 公司在内的真空泵制造商已经对真空泵的性能进行了适应性调整。为使 Edwards 公司生产的涡轮分子泵的磁场容限适用范围更为宽泛，磁场容限增强型 nEXT400 分子泵采用了16mm壁厚的马氏体不锈钢整体泵腔结构，导热基板的空气冷却结构，超高真空陶瓷引电和金属密封装置，以及耐辐射密封元件优化等多项新技术，实现了160mT磁场条件下可靠运行。

 真空阀门 

超高真空和高真空阀门是按照真空度范围进行划分的。不同的应用场景，还需要从不同维度对阀门的特征属性进行描述限定。高气体压力、强磁场、低泄漏、无颗粒（获得的颗粒数状态）、阀板冷却、阀体加热、阀体导电、耐腐蚀、金属粉尘、高温辐射等附加条件，对阀门性能提出了更高要求。

集成电路制程领域的真空阀门具有性和典型性。VAT、MKS、VTES 等公司的阀门产品可满足沉积和刻蚀真空应用装备的使用要求：“无颗粒"产生（极少量的橡胶和金属的颗粒）、不引起振动（高精密传动）、精确控制（无泄漏、流导调节）。无颗粒阀门是真空应用装备的基础，区别于常规的真空阀门：金属阀体采用高真空钎焊和脱氢工艺；传动密封采用金属波纹管；橡胶与阀板牢固结合后经硫化处理工艺；橡胶承受单向密封压紧力，无摩擦运动。在超高真空系统中，一些部件在运行中可能产生颗粒。使用气体、液体介质（水、酒精或酸等）或膜过滤器来精细过滤区分颗粒。通常，过滤大于0.3μm粒径的颗粒。

即使在没有湍流的真空环境中，粒子在表面沉降也需要较长的时间。暴露在环境空气中（无过滤器）的真空装置，在抽真空几个小时后，无湍流流动时的漂浮颗粒（大于0.2μm）需要约80小时才能粘在表面，不再运输。当真空阀门在 10mbar 打开时，由于振动和湍流作用，颗粒从吸附表面脱落，并在系统中伴随气体输运。为获得无颗粒真空系统，在 1mbar 压力时，应采取措施以避免明显的振动。

按空气中颗粒的大小和数量进行洁净程度分类，参照国际标准 ISO14644-1，见表1。加速器组件通常采用 ISO 4级和 ISO 5级的环境条件。在组装过程中，洁净室采用过滤器风扇单元（FFU）过滤空气；在移动式洁净室（的帐篷）中，可建立 ISO 5级的局部环境。

▲ 表1 洁净室等级划分

国内，川北真空科技（北京）有限公司与电子科技大学合作采用光散射粒度分析法测量低粒子真空阀门脱落颗粒（≥0.5μm），并建立（与 ISO 7级相当的）检测平台进行比较系统的研究。国外，超高真空系统的无颗粒抽空和充气系统发展迅速。

除真空阀门外，溅射离子泵、吸气剂泵和吸气剂离子泵通过采取改进措施后，可满足“无颗粒"的系统要求。

 结 语 

2019年，对国内26类代表性的制造业产业进行分析，研究结果表明8类产业对外依存度。其中，半数以上的“卡脖子"技术与真空技术息息相关。理性面对中国制造业整体处于价值链中低端的事实。变换视角可以看出，国内真空技术的产业发展迎来了新的历史机遇，作为产业基础的“腔体、泵、阀、密封"四类产品必将实现技术的跨越式发展。