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    【非標儀器設備】玻璃超高真空系統

    2021-08-27 14:47:20

      玻璃真空容器的突出優點是成本底、制作容易、透明、便于觀察,化學穩定、絕緣性好、出氣速率遠低于金屬、表面光滑便于清洗。小型全玻璃真空系統,可用玻璃管、玻璃棒、燒瓶,通過簡單的吹玻璃工藝制成,省去了價格昂貴的金屬卷曲、焊接、切削加工等工藝。非標儀器設備玻璃的透明性,便于隨時觀察試件試驗情況,還可以用火花檢漏儀進行簡單直觀的檢漏,在低真空條件下觀察玻璃管輝光放電的顏色,可粗略判別玻璃真空系統的氣體成分,并確定漏孔位置,因此,它特別適用于大專院校、科研機構進行真空條件下的試驗研究,例如真空計、質譜計的校準,標準漏孔的標定、表面分析儀的結構研究及性能測定等。由于玻璃易碎,承受大氣壓力能力有限,真空室的容積不能做得很大,玻璃抽氣管道又細又長,流導很小,泵的有效抽速很低,因此不適應于頻繁更換工件的真空工業。

      玻璃的抗沖擊強度低,易破碎,不能承受局部溫度巨變,因此玻璃真空容器的體積只限于幾升到幾十升。容器的形狀有球形和鐘罩型兩種。此外玻璃對氦氣的滲透率大于金屬,也是限制其應用的原因之一。

      玻璃系統中使用的玻璃根據玻璃的工作溫度分別為軟玻璃和硬玻璃兩類,軟玻璃的熱膨脹系數大于70×10-7mm/(mm·℃),硬玻璃的膨脹系數在(5~65)×10-7mm/(mm·℃)之間。納玻璃和鉛玻璃屬于軟玻璃,納玻璃常用作電子管和真空規管外殼。鉛玻璃極易加工,電燈泡和氖燈管用的就是這種玻璃。重鉛玻璃很軟,常用作輻射屏蔽。

      石英玻璃(SiO2≥96%)的熱膨脹系數比硼硅玻璃更低,能承受更強的熱沖擊,烘烤溫度可達800℃以上,軟化溫度為1200~1500℃,需采用氫氧焰進行加工,價格貴,僅用于制作承受高溫和強的熱沖擊的真空系統。

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      制作玻璃真空系統,與溫度有關的最重要的物理性能參數是玻璃的粘度和熱膨脹系數。玻璃沒有具體的熔點,其粘度和剛度隨溫度的升高而下降。通常用四種粘度來定義應變點、退火電、軟化點和玻璃的工作點。粘度η=1015.5Pa·s時的溫度稱為玻璃的應變點,即安全使用的玻璃退火極限溫度,非標儀器設備在該溫度下,幾小時便可以消除應力。粘度為η=1014Pa·s時的溫度定義為退火溫度,在該溫度下大約15min內可消除應力。在軟化點(η≈108.6Pa·s)溫度下,玻璃會因為自重而產生變形。在工作點(η≈105Pa·s)溫度下,可以進行氧炔焰的吹制工作。

      通常在0~300℃之間,玻璃的熱膨脹系數實際上是個常數,在應變點以上玻璃的熱膨脹系數會明顯增大。封接兩種玻璃或者與金屬封接時,必須注意合理的鵬展系數匹配。玻璃質脆,抗拉強度低,超高真空系統中不應使用膨脹系數大的玻璃,烘烤時溫度不均勻就會引起玻璃炸裂。

      真空玻璃系統主要采用膨脹系數小的硼硅玻璃,它具有抗熱沖擊性好,化學性質穩定,允許快速加熱和冷卻,可用于烘烤溫度在350℃以上的任何場合,當烘烤溫度高于500℃時,需采用石英玻璃制作真空系統。

      在玻璃真空系統中,有氦滲透現象,即大氣中的氦氣透過玻璃,非標儀器設備引起壓力上升速率為10-9Pa/min。氣體對玻璃的擴散、溶解、滲透一般是以分子態的形式進行的,滲透過程與氣體分子的體積以及材料內部微孔大小有關。石英玻璃的微孔孔徑約為0.4nm,常見氣體中氦分子的直徑最小,因此氦對石英玻璃的滲透率大。其它玻璃含有的堿金屬粒子充填于微孔中,使其有效孔徑變小,所以滲透率比石英的小。


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