【非标仪器设备】玻璃超高真空系统

  玻璃真空容器的突出优点是成本底、制作容易、透明、便于观察，化学稳定、绝缘性好、出气速率远低于金属、表面光滑便于清洗。小型全玻璃真空系统，可用玻璃管、玻璃棒、烧瓶，通过简单的吹玻璃工艺制成，省去了价格昂贵的金属卷曲、焊接、切削加工等工艺。非标仪器设备玻璃的透明性，便于随时观察试件试验情况，还可以用火花检漏仪进行简单直观的检漏，在低真空条件下观察玻璃管辉光放电的颜色，可粗略判别玻璃真空系统的气体成分，并确定漏孔位置，因此，它特别适用于大专院校、科研机构进行真空条件下的试验研究，例如真空计、质谱计的校准，标准漏孔的标定、表面分析仪的结构研究及性能测定等。由于玻璃易碎，承受大气压力能力有限，真空室的容积不能做得很大，玻璃抽气管道又细又长，流导很小，泵的有效抽速很低，因此不适应于频繁更换工件的真空工业。

  玻璃的抗冲击强度低，易破碎，不能承受局部温度巨变，因此玻璃真空容器的体积只限于几升到几十升。容器的形状有球形和钟罩型两种。此外玻璃对氦气的渗透率大于金属，也是限制其应用的原因之一。

  玻璃系统中使用的玻璃根据玻璃的工作温度分别为软玻璃和硬玻璃两类，软玻璃的热膨胀系数大于70×10^-7mm/（mm·℃），硬玻璃的膨胀系数在（5～65）×10^-7mm/（mm·℃）之间。纳玻璃和铅玻璃属于软玻璃，纳玻璃常用作电子管和真空规管外壳。铅玻璃极易加工，电灯泡和氖灯管用的就是这种玻璃。重铅玻璃很软，常用作辐射屏蔽。

  石英玻璃（SiO2≥96%）的热膨胀系数比硼硅玻璃更低，能承受更强的热冲击，烘烤温度可达800℃以上，软化温度为1200～1500℃，需采用氢氧焰进行加工，价格贵，仅用于制作承受高温和强的热冲击的真空系统。

  制作玻璃真空系统，与温度有关的最重要的物理性能参数是玻璃的粘度和热膨胀系数。玻璃没有具体的熔点，其粘度和刚度随温度的升高而下降。通常用四种粘度来定义应变点、退火电、软化点和玻璃的工作点。粘度η=10^15.5Pa·s时的温度称为玻璃的应变点，即安全使用的玻璃退火极限温度，非标仪器设备在该温度下，几小时便可以消除应力。粘度为η=10¹⁴Pa·s时的温度定义为退火温度，在该温度下大约15min内可消除应力。在软化点（η≈10^8.6Pa·s）温度下，玻璃会因为自重而产生变形。在工作点（η≈10⁵Pa·s）温度下，可以进行氧炔焰的吹制工作。

  通常在0～300℃之间，玻璃的热膨胀系数实际上是个常数，在应变点以上玻璃的热膨胀系数会明显增大。封接两种玻璃或者与金属封接时，必须注意合理的鹏展系数匹配。玻璃质脆，抗拉强度低，超高真空系统中不应使用膨胀系数大的玻璃，烘烤时温度不均匀就会引起玻璃炸裂。

  真空玻璃系统主要采用膨胀系数小的硼硅玻璃，它具有抗热冲击性好，化学性质稳定，允许快速加热和冷却，可用于烘烤温度在350℃以上的任何场合，当烘烤温度高于500℃时，需采用石英玻璃制作真空系统。

  在玻璃真空系统中，有氦渗透现象，即大气中的氦气透过玻璃，非标仪器设备引起压力上升速率为10^-9Pa/min。气体对玻璃的扩散、溶解、渗透一般是以分子态的形式进行的，渗透过程与气体分子的体积以及材料内部微孔大小有关。石英玻璃的微孔孔径约为0.4nm，常见气体中氦分子的直径最小，因此氦对石英玻璃的渗透率大。其它玻璃含有的碱金属粒子充填于微孔中，使其有效孔径变小，所以渗透率比石英的小。