看似“虛無”，有時卻是一切——在前沿科學(xué)研究中的確如此。超高真空，即壓力范圍10-7mbar (hPa) 至 10-12mbar 所定義的“虛無狀態(tài)”，就是一個典型的例子

超高真空UHV是一個總稱，指的是部署在各種基礎(chǔ)研究工作中的一系列技術(shù)：從粒子加速器和引力波探測器到冷原子物理實驗和掃描力顯微鏡。同時，UHV 條件在科學(xué)家們使用光子、電子或離子對樣品表面進行探查時，確保表面化學(xué)清潔，沒有任何不需要的吸附物，這也是分子束外延和脈沖激光沉積等先進薄膜生長和制備技術(shù)的必備條件。

所有這些應(yīng)用的共同點是需要對真空系統(tǒng)設(shè)計采取整體的方法，以便定期提供并維持具有必要純凈度的極端 UHV 環(huán)境。簡而言之，整個真空系統(tǒng)需要在多方面進行規(guī)劃和配置，從而得以將腔體、泵、真空計、接頭、泄漏檢測系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)加以優(yōu)化，成為UHV的基礎(chǔ)設(shè)施部件，而不是分別作為孤立的組件來處理。

選擇太多？

可惜，上述工作說起來容易，做起來難。仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，很明顯，當(dāng)涉及指定 UHV 系統(tǒng)的核心構(gòu)件時，真空終端用戶面對的技術(shù)選擇相當(dāng)不少，并且都有各自的優(yōu)缺點。也許最根本的是，選擇最佳的泵并不簡單，需要權(quán)衡資金/運營成本、能源消耗、尺寸和占地面積、維護周期和環(huán)境影響（噪音/振動）。

產(chǎn)生 UHV 環(huán)境時，所用泵（離子吸氣泵、鈦升華泵、渦輪分子泵與低溫泵）和前級泵（隔膜泵、旋片泵或多級羅茨泵）的理想組合有多種選擇，所以情況更加復(fù)雜——在某些情況下要通過快速抽空腔體，在其他情況下則可通過吸附殘留氣體的方法。

現(xiàn)在，普發(fā)真空作為德國專業(yè)的真空技術(shù)解決方案供應(yīng)商，其研發(fā)團隊公布了一項內(nèi)部研究結(jié)果，指出了一種更簡單、更經(jīng)濟的泵裝置搭配方法，可用于多種UHV 研究應(yīng)用——無論是小型表面科學(xué)實驗室，還是大型科學(xué)設(shè)施的加速器綜合體。

簡而言之，普發(fā)真空的研究員已經(jīng)證明，通過將高壓縮比的渦輪分子泵（研究采用 HiPace 300 H）與合適的干式前級泵組合，可以產(chǎn)生low-UHV 條件（10-11mbar 數(shù)量級）。突破的關(guān)鍵在于找出一種有效的方法，以在形成UHV 過程中，從腔體中去除主要的殘余氣體（ 主要是氫氣）。

“在達到極低超高真空壓力這一課題上，氫氣的返流與渦輪分子泵的抽氣方向一直是最大的限制因素?！?/span>普發(fā)真空R&D行業(yè)負責(zé)人 Andreas Schopphoff 解釋道，“因此，只要我們獲得更高的壓縮比，并進而降低返流效應(yīng)，我們就能夠達到比過去低得多的壓力?！?/span>

 

Schopphoff 稱，以這種方式部署高壓縮比渦輪分子泵，是一種實現(xiàn)雙贏的 UHV 系統(tǒng)創(chuàng)新。最值得注意的是，與傳統(tǒng)產(chǎn)生UHV方法（例如用離子吸氣泵與渦輪分子泵串聯(lián)，后者作為前級泵）相比，這種方式的前期投資和擁有成本更有優(yōu)勢。這種方法在實施、現(xiàn)場維護和服務(wù)周期（通常長于四年）方面也更簡單?！耙虼?，這種真空泵適合那些需要 UHV 系統(tǒng)的科研用戶，并且 100%可靠，100% 達到當(dāng)今先進水平?！盨chopphoff 解釋說，“這也是一鍵開啟型的，用一個可編程控制器就能驅(qū)動渦輪分子泵和干式前級泵?！?/span>

徹底抽空：

普發(fā)真空研發(fā)團隊用特制的測試臺（上圖）來評估自制 HiPace 300 H 渦輪分子泵與四臺獨立干式前級泵配對時的 UHV性能。

 

在他們的實驗研究中，普發(fā)真空團隊將小規(guī)模的腔體（直徑 500mm，高 120 mm）在 120℃ 下烘烤了 7 天。然后，評估了HiPace 300 H 渦輪泵（氫氣壓縮比≥1 · 10 7 ）與四個獨立的干式前級泵（一臺旋片泵、一臺多級羅茨泵、一臺兩級和三級隔膜泵）配對時的 UHV 性能。每次測量的時間跨度為一天，用熱陰極和冷陰極電離真空計跟蹤每個前級泵/主泵對腔體的抽真空情況（見表 1）。

表1：前級泵改進滿足 UHV 性能需求

“對于相對簡單的腔體，就像我們實驗室里的腔體一樣，我們發(fā)現(xiàn)即使是一臺小的隔膜泵與 HiPace 300 H 組合起來作為前級泵也是足夠的，”Schopphoff 說。他的團隊還得出結(jié)論，多級羅茨泵（研究使用普發(fā)真空的 ACP 15）與 HiPace 300 H 串聯(lián)，將是一種理想的前級泵/主泵組合，適合在容量為 100 l 或更大的腔體內(nèi)產(chǎn)生low UHV。

“這在大型科學(xué)背景下尤為重要?！盨chopphoff 補充道，“用戶需要在粒子加速器的真空管道中產(chǎn)生 UHV，同時不能有泵系統(tǒng)上的顆粒污染?！笔聦嵣希瑢τ诩铀倨?，他認為最佳的設(shè)置是將 HiPace300 H 與普發(fā)真空的 ACP 28 或ACP 40 多級羅茨前級泵搭配使用。這兩種泵均為無氟型，并且電子控制裝置和泵的位置之間可以用長達 120 m 的延長電纜連接實現(xiàn)操作（以使電子裝置遠離惡劣的輻射環(huán)境）。

目前，Schopphoff 及其同事們的首要任務(wù)是培訓(xùn)普發(fā)真空的R&D行業(yè)客戶，充分傳播使用高壓縮比渦輪分子泵產(chǎn)生 UHV 的優(yōu)點，特別是 HiPace 300 H 及其系列產(chǎn)品 HiPace 700 H（氫氣壓縮比≥2· 10 7 ）。公司關(guān)于這一主題的網(wǎng)絡(luò)研討會受到了科研界的歡迎，到目前為止，大部分業(yè)務(wù)訂單來自高校的真空客戶。

“HiPace 300 H 對于實現(xiàn) UHV 已經(jīng)是非常好的選擇，但我們?nèi)栽谂ψ屗兊酶?。”Schopphoff 指出，“我們的終極任務(wù)，就是通過真空領(lǐng)域的創(chuàng)新，為我們在研發(fā)界的客戶提供更多便利。而這個解決方案正符合這一目的。”

 

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