世界首個3D打印超高真空室，1E-10mbar穩(wěn)定運行，重量減輕70%！

來源： iVacuum

我們知道，增材制造對很多領(lǐng)域的研究和工業(yè)生產(chǎn)都產(chǎn)生了巨大影響，但迄今為止，用增材制造的方法生產(chǎn)超高真空系統(tǒng)已經(jīng)被證明難以實現(xiàn)，并且普遍認為是不可能實現(xiàn)的。2021年4月，在學術(shù)期刊Additive Manufacturing發(fā)表的一篇論文中，成功造出了全世界第一個用增材制造方法實現(xiàn)的超高真空室，能夠在低于10-10mbar的壓力下工作，而且增材制造材料的總放氣不超過3.6×10-13mbar l/(s mm2)。真空室是用AlSi10Mg材料，通過激光粉末床熔融技術(shù)生產(chǎn)的。詳細的表面分析顯示，在增材制造的材料上形成了氧化的、富鎂的表面層，這個表面層在實現(xiàn)達到超高真空方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

證明了增材制造（AM）適用于超高真空（UHV）設(shè)備的生產(chǎn)，從而為整個高真空和超高真空領(lǐng)域的快速成型、減重和增強功能等打開了機會之門。

超高真空系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣，從已有的技術(shù)，如光電傳感器、照相機、低溫杜瓦、電子顯微鏡和X射線光電子能譜分析儀，到重要的新興研究領(lǐng)域，比如基于冷原子的便攜式量子傳感器，無不應(yīng)用了超高真空。AM可以促進上述所有領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展，因為該技術(shù)可以大大減小相關(guān)UHV設(shè)備的尺寸，減輕重量，縮短開發(fā)周期。比如這篇論文所研發(fā)的UHV腔室是通過激光粉末床熔融（POBF）技術(shù)，用AlSi10Mg材料進行制造的，重量僅為245克，比同等標準的真空室減輕了70%。這種級別的減重對于促進UHV的天基應(yīng)用至關(guān)緊要，例如使用星載量子傳感器對基礎(chǔ)物理學進行試驗研究。

然而，盡管最近在金屬的AM加工方面取得了一些進展，但是尚沒有人用AM技術(shù)制造出一個完整的UHV腔室。讓UHV腔室獲得優(yōu)異性能的挑戰(zhàn)在于：表面粗糙度、孔隙率和極限硬度（limited hardness）。表面粗糙可導致放氣率增加，孔隙率較大可能會產(chǎn)生泄漏或因存在“死空間”而導致虛漏，而極限硬度不夠則會降低真空連接處刀口密封的有效性。

圖1  用增材制造方法打造的超高真空室 （a）實物照片；（b）被磁光阱捕獲的85RB冷原子云的熒光圖像。原子云的直徑約為10毫米。

AM金屬的這些特性，使得研究者懷疑它究竟是否適合用來制造UHV部件。與鈦合不銹鋼等金屬相比，AlSi10Mg合金具有更高的導熱系數(shù)，這可能會有助于提高3D打印時的一致性，并減少構(gòu)建缺陷。在本篇論文中，研究人員利用光學和電子顯微鏡、質(zhì)譜分析和X射線光電子能譜分析等，對增材制造AlSi10Mg的表面進行了詳細分析。分析表明，這種AM材料表面的嚴重氧化、富鎂的表面層，很好地抑制了材料的放氣。因此，這種真空室很容易就能維持低于10-10mbar的壓力。

如上圖1（b）所示，這種真空性能足以使磁光阱（MOT）捕獲85RB的冷原子云。MOT是幾乎所有基于冷原子的實驗和裝置的基礎(chǔ)，其中包括用于精確計時的原子鐘，應(yīng)用于地質(zhì)學、導航和土木工程的高精度重力計，以及用于導航和醫(yī)學成像的冷原子磁力計。AM方法在UHV設(shè)備上的應(yīng)用，將使這一重要的新興領(lǐng)域獲益匪淺。

前景廣闊
用AM方法制造了一個能夠在低于10-10mbar的壓力下工作的超高真空腔室，經(jīng)過幾個月的運行，沒有觀察到腔室性能有所降低。

作者認為，將AM方法引入UHV設(shè)備領(lǐng)域，具有巨大的潛力，可以減小現(xiàn)有系統(tǒng)的尺寸和材料消耗，減小重量，并且能實現(xiàn)具有更多功能的新型便攜式系統(tǒng)。此外，用AM還可制造出高比表面的元素，以提高相關(guān)真空泵裝置的效率，比如鈦升華泵。而且研究表面層鎂富集的成因機制也可能很有意義。這項研究也可能有助于進一步增加超高真空系統(tǒng)用AM方法制造的選項。

詳情可以參見論文原文：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21000634?via%3Dihub