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真空系统的安全防护 真空系统的防护装置一般可分为两类：一类是保护真空系统本身不受损害，一类是保护真空系统的操作人员、维修人员或由于离系统很近而可能受到危害的其他人员。 1 真空系统的防护装置 在机械结构方面，大型真空系统在设计中要考虑其整体在机械结构上的稳定性，尤其是对于有合理扰动的开式结构，如果这种扰动会引起系统整体的不稳定，则应该设计有外部支撑或地脚以防止翻倒。在真空系统正常工作期间，对皮带、链和驱动机构，应该设置屏障，以阻挡人体靠近。在日常维修中，当这种屏障被拆下时，不能使机构被误控通电开动，设计时应与系统的电气控制自锁联动。 系统保护联锁控制的功能是：在某一元件或某些元件发生故障时，能使设备转为安全状态或者尽可能减少系统本身的损坏。两者之中的取、舍问题取决于所进行的工艺过程的物料的价值以及出故障时系统损失的费用。 通常，真空系统所要处理的故障分内部故障和外部故障两种。内部故障包括元件的失效，某些元件（如真空规管、阀门、波纹管、密封件等）的性能变坏超过了允许极限，而在工艺过程中发生故障。外部故障包括系统的电源故障、冷阱的冷却故障（温度过高或致冷剂供应不充足）、低温泵的制冷机故障等。也包括在特殊情况下，系统发生的爆炸事故。 用扩散泵和涡轮分子泵抽气的真空系统，一般应对任何严重的外部故障或危及真空系统整体的故障作出反应，当故障发生后，应立即关闭所有的阀门而使所有正常工作的泵继续运转。当任何机械真空泵发生驱动故障或放入大气的时候，都应立即断电停泵。后一种情况是由于真空泵的电机容量通常不适于对大气的长时间抽气，否则可能使电机和泵都过热。扩散泵即使没连通到前级泵也能继续运行一段较长的时间，然而，如果在扩散泵工作区域内（泵入口到前级真空阀之间）有漏气，则应将其加热器关掉（但冷却水仍应流通着）。涡轮分子泵在长时间大抽气量情况下，过热的可能性很大。现代真空泵对这类问题一般都应设置适当的保护措施。在机械真空泵的入口管路上应当设置电磁放气阀，当机械真空泵停泵时，放气阀应关闭机械泵和扩散泵之间的管路并向机械真空泵泵腔内充大气，否则机械泵内的油会因压差作用而迁移进入扩散泵中，当扩散泵加热器工作时，机械泵油就会分解，污染扩散泵泵壁及系统。 扩散泵应设置冷却水水压或流量继电器，并与电气系统连锁控制。当扩散泵通电加热而忘记接通冷却水时，或者当冷却水水压（或流量）低于设置值时，继电器发出报警信号，并在设定的延迟时间后，对扩散泵加热器断电，并关闭相应的真空阀门。 溅射离子泵系统对电源故障有保护性，发生故障时，要求自动关闭任何通入真空室内的阀门和与外界连通的气路。当然，系统中的压力会由于正常放气会慢慢上升，但是泵中的钛可能会在较长一段时间内对活性气体起着吸气剂作用。此时，不能被吸气剂吸收的气体，如惰性气体、饱和碳氢化合物（例如甲烷CH4）不会被捕集，其分压力会明显比能被吸气剂吸收的气体的分压力上升得快。 超高真空低温泵抽气系统，在出现电源故障时应像处理扩散泵电源故障相同的方法处理。有两点注意：1）在大容量的低温泵吸附泵中设置可靠的安全阀，以便在连接系统的阀门关闭而泵内的抽气元件变热时（系统压力可能超高），安全阀应起作用，将抽入泵内并冷凝或吸附在低温板上的气体放到大气中去。压力安全阀的设置准则：
式中，Qp为泵的抽气量（Pa.L），Vp为泵的体积（L）；2）尽量不用低温泵抽除H2和O2组合的危险性气体混合物，或像SiH4这样的容易自燃的气体。 分子筛吸附泵也应设置安全阀，以备万一分子筛吸附泵内的液氮工作中途耗尽或意外泄漏蒸发，泵内升温将吸附的大量气体释放出来，超过泵腔允许承受的压力时，安全阀打开；或分子筛吸附泵加热再生时，泵升温，吸附剂吸入的气体将重新释放出来。当气体放出后使泵内压力高于大气压，气体将把安全阀上的橡皮塞子冲出，排入大气中。 真空系统内部故障的处理方法应当与外部故障的处理方法一样，系统对所进行的工艺过程有危险的故障的反应，可由现场的操作者进行判断处理或者对系统预先编制好适当的处理程序。 2 真空系统的防爆及防泄漏 一般情况下，爆炸事故在真空技术中是很少见的，但是在某些情况下仍应注意该类情况的发生，例如，在（或接近）高化学计量浓度下使用像硅烷（SiH4）这种自燃引火的气体和使用O2、H2混合气体的情况下。这些混合气体对靠容积压缩排气和靠吸附储存气体的真空泵，例如容积式机械真空、分子筛吸附泵和低温吸附泵来说，存在的危险性是十分明显的。 我们必须注意，在普通的油封式机械真空泵中，如果没有采取保护措施或适当的操作工艺，使用这些气体的潜在危险性就会更大。发生事故的原因很简单，即泵腔的压缩升温，使危险气体密度和温度升高超过允许值，发生爆炸；或像SiH4一类气体，如果在普通机械泵油中的溶解度足够高，在泵的油箱中即能达到发生爆炸的浓度。假若在这种情况下真空泵发生爆炸，使铸造的泵体或油箱崩裂而飞出的碎片就会对操作人员造成严重的伤害。预防的方法是在被抽气体进入机械真空泵前使气体完全降温，比如使用一个简单的热交换器即可。预防氢气爆炸危险的措施是：在氢气进入压缩抽气系统前使其降温，并将氢气气体的浓度（可以采用掺入惰性气体方法）减低到危险浓度以下。 其次应保证真空系统中的水冷却系统正常工作（压力、流量），而且不产生泄漏。所有的冷却回路必须能承受正常的工作水压所产生的压力（应具有适当的安全系数）。在真空系统的工作中，系统内所有装置的冷却回路的冷却剂入口和出口必须保证畅通而无阻塞现象，这个问题应该采用对冷却剂流量（而不是对压力）进行监控的联锁装置来解决。 系统中的所有玻璃部位，包括玻璃观察窗，必须保护其不受撞击，假若玻璃破碎，工作人员能受到玻璃飞片的碰伤。对于可能发生这种意外情况的部位，普遍的做法是采用粗网格钟罩式的防爆屏障。 3 系统中磁铁和电气系统的防护 在把溅射离子泵和质谱计中的永久磁钢从设备上拆开时，应注意安全问题，避免因磁钢不慎飞出或别的铁磁性物体碰伤人，磁性组件必须靠坚固的隔块分开（用木块就可以），决不能让没有经验的人来拆卸溅射离子泵的磁钢。 高压电引线及与其匹配的接头，都应配有适当的保护和接地装置，以防止发生事故。然而如果这种安装接地的措施不正确就会出现麻烦，尤其对大功率的电源更是如此。 真空设备的电气系统接地时应注意的问题是： ❶ 在安装多个系统时．每个系统都应有自己的接地接线柱； ❷ 接地接线柱至少应该是直径1.5cm、长2.5m的铜柱，并应尽可能地在靠近系统处埋入地下。如果地基的电导率太低，可采用多根接地柱，或者对接地处的土壤用一种电解质进行适当处理。不能将接地线接到水管上，因为大多数螺纹连接管道的电阻很大。 ❸ 电源频率下的接地，所用铜线的直径至少应为4mm，不应使用编织导线，导线应该用银软焊焊到接地柱上，而不能仅仅搭接夹上而已。 ❹ 配有射频电源的真空设备，如射频溅射装置，感应加热器，射频离子源之类的系统或使用电子枪蒸发的设备或任何储能很大的装置的系统，系统的接地必须与射频相适应。因为这里受限制的是接地路径是电感的而不是直流电阻的。作为参考，任何一个合理的接地返回路径，其电感至少为1.5μH/m。通常，可参考下列几点建议： 1）系统接地点与接地柱之间的最大允许距离为2m，最好用更小的距离。 2）接地母线最好采用5cm宽，0.1mm厚的铜带， 而且不应有明显的弯曲或缺陷。 3）电源绝不能通过系统的框架“接地”。通常，将电源接地接到系统的同一个接地柱上是可以的，但在特殊情况下，要求接在分开的接地柱上。 承受电弧作用的真空系统的接地问题比射频激励设备的接地问题更加重要，这些电弧对设备本身基本上不会有电击穿危险，但是，对驱动阀门或其它正常顺序操作中的外部机构可能产生干扰。 对于超过几十伏的电压部件，必须进行绝缘隔离，以免操作人员偶然误接触；经常有电流流动的电源也必须隔离，原因是系统感应贮存着能量或电源的开路电压远远超过正常工作电压。 对连接电缆，也必须防止出现热应力和机械损伤现象。最常出现的错误是在扩散泵加热器附近，电缆固定不正确或根本不固定，而将电缆随便横在实验室的地面上，或者有些系统的电缆没有足够的长度，不能使钟罩完全提升起来。当重物轧过不加保护的电缆时，电缆内部的导线之间就有发生间断性短路的危险。 4 热及辐射对操作人员的危险 在真空系统设计中，要避免使人体偶然地直接接触热表面，最危险的典型故障处是扩散泵的加热器，制造厂家最好把扩散泵的加热器屏蔽起来。 如果真空系统正在进行烘烤时，整个系统对操作人员便存在着危险性。必须把一些十分醒目的标志贴到正在烘烤的真空系统上，以警告不能接触。 大多数射频电源的频率都很低，通常只是几十MHz，其辐射能量不会构成危害。然而，由于射频应用包括将功率耦合到等离子体负载中，所以，实际的危险是来自载有较大感应电流的导体上的电压降，这种电压降主要取决于导体的电感。例如，一条25cm长的射频母线的电感约有0.1μH，如果该母线载有感生电流50A，如同在射频溅射系统中通常使用的电流，那么，在这种应用中，常用的频率为13.56MHz，电压降就会超过400V。因此，在设计这种系统时，应采取相应的防护措施避免这么大的电流流经真空系统外表面。 真空系统中的微波源的辐射能对操作人员是危险的，它对活性组织的损害机理是频繁的内加热。一般，人们不会及时地感觉到这种危险性。微波的安全性技术同处理放射性核元素技术一样，是一项专门的复杂课题。简单地说，要避免使用超过几毫瓦的微波功率。射频感应的气体放电，即使是被极低的频率所激励的，也可能产生这种微波功率，这也是值得注意的。如果怀疑有微波功率辐射，最好由专业人员对辐射功率进行探测，以确定对人身有无重大危险的存在。 辐射过程可能产生X射线，当用电子束轰击靶材时，如果能量较大的话，靶材也可产生特征X射线。对于不到几keV的电势，辐射所产生的X射线的最小波长是原子间晶格间距的量级，其穿透能力很小，因此这种辐射一般对操作人员没有危害。然而如果轰击电子具有的能量很大，如超过几十keV；则像观察孔等处必须设计适当的屏蔽。 *未完待续，下一讲：《机械真空泵抽气系统》 |
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