Понимание типичных применений технологий сверхвысокого вакуума и высокого вакуума(2)

Вакуумные насосы

Чтобы справиться с будущим энергетическим кризисом, проект международного сотрудничества по плазменным термоядерным устройствам, возглавляемый семью странами, а именно Европейским союзом, Китаем, Японией, США, Россией, Индией и Южной Кореей, к 2025 году завершит работу прототипа термоядерного устройства ИТЭР. Это устройство будет вырабатывать энергию ядерного синтеза с электрической мощностью 500 МВт (за 7 минут). По сравнению с потребляемой мощностью 50 МВт устройство ИТЭР будет иметь самоподдерживающийся нагрев. К 2036 году будет построено более мощное устройство термоядерного синтеза DEMO с ядерной мощностью 4000 МВт, что обеспечит коммерческое демонстрационное применение.

Достижение рабочей среды высокого вакуума на уровне 10 ⁻ Па в устройствах ядерного синтеза в основном достигается насосами, способными достигать сверхвысокого вакуума, такими как криогенные насосы и турбомолекулярные насосы. Основываясь на различных функциональных характеристиках, на устройстве ИТЭР установлено 3 типа криогенных насосов. Криостатная насосная система объединяет два сверхкритических криогенных адсорбционных насоса с гелиевым охлаждением. 200 турбомолекулярных насосов должны соответствовать требованиям применения различных подсистем. Низкие уровни вакуума достигаются винтовыми насосами, насосами Roots и спиральными насосами.

Чтобы соответствовать экологическим условиям устройства ИТЭР, производители вакуумных насосов, в том числе Edwards и Pfeiffer, внесли адаптивные коррективы в производительность своих вакуумных насосов. Чтобы расширить диапазон допусков магнитного поля турбомолекулярных насосов, произведенных Edwards, турбомолекулярный насос nEXT400 с повышенной толерантностью к магнитному полю использует ряд новых технологий, таких как мартенситная интегральная конструкция насоса из нержавеющей стали с толщиной стенки 16 мм, конструкция с воздушным охлаждением для теплопроводящей базовой пластины, сверхвысоковакуумные керамические кормушки и металлические уплотнительные устройства, а также оптимизация радиационно-стойких уплотнительных компонентов. Эти технологии обеспечивают надежную работу под магнитным полем 160 мТ.

Клапаны сверхвысокого вакуума и высокого вакуума классифицируются по диапазону степени вакуума. Для различных сценариев применения также необходимо описать и определить характерные атрибуты клапанов разных размеров. Дополнительные условия, такие как высокое давление газа, сильное магнитное поле, низкая утечка, состояние без частиц (состояние с минимальным количеством полученных частиц), охлаждение клапанной пластины, нагрев корпуса клапана, проводимость корпуса клапана, коррозионная стойкость, металлическая пыль и высокотемпературное излучение, выдвигают более высокие требования к характеристикам клапана.

Вакуумные клапаны в области передовых производственных процессов для интегральных микросхем являются передовыми и типичными. Продукция клапанов от таких компаний, как VAT, MKS и VTES, может соответствовать требованиям использования вакуумного оборудования для нанесения и травления: генерация "без частиц" (чрезвычайно малое количество резиновых и металлических частиц), отсутствие вибрации (высокоточная передача) и точное управление (отсутствие утечек, регулировка проводимости). Безчастичные клапаны являются основой высокопроизводительного вакуумного оборудования для нанесения, что отличает их от обычных вакуумных клапанов: металлический корпус клапана использует процессы высоковакуумной пайки и дегидрирования; в трансмиссионном уплотнении используется металлический сильфон; резина прочно соединяется с клапанной пластиной, а затем подвергается вулканизационной обработке; резина выдерживает одностороннее уплотнительное давление без фрикционного движения.

В системах со сверхвысоким вакуумом некоторые компоненты могут генерировать частицы во время работы. Газы, жидкие среды (такие как вода, спирт или кислота) или мембранные фильтры используются для тонкой фильтрации для различения частиц. Обычно частицы с размером частиц более 0,3 мкм отфильтровываются. Даже в вакуумной среде без турбулентности частицы долго оседают на поверхности. Для вакуумных устройств, подвергающихся воздействию окружающего воздуха (без фильтра), после нескольких часов вакуумной откачки плавающим частицам (размером более 0,2 мкм) в нетурбулентном состоянии потока требуется около 80 часов, чтобы прилипнуть к поверхности и больше не транспортироваться. Когда вакуумный клапан открывается при 10 мбар, частицы из-за вибрации и турбулентности выпадают с адсорбционной поверхности и транспортируются в системе вместе с газом. Чтобы получить вакуумную систему, свободную от частиц, следует принять меры, чтобы избежать очевидной вибрации при давлении 1 мбар.

Уровень чистоты классифицируется в зависимости от размера и количества частиц в воздухе со ссылкой на международный стандарт ISO14644-1, как показано в таблице 1. Компоненты ускорителя обычно соответствуют экологическим условиям класса ISO 4 и класса ISO 5. В процессе сборки чистые помещения используют блоки вентилятора фильтра (FFU) для фильтрации воздуха; в мобильных чистых помещениях (палатках) может быть установлена местная среда класса ISO 5.