隨著產業發展及學科融合，真空技術應用場景極大豐富，相關產品及科學儀器的數字化和智能化程度顯著增加；科技前沿和新興領域的應用條件更加嚴苛，技術攻關難度和風險顯著增加。作為真空技術的四類基礎部件——真空腔體、泵、閥門和密封件的制造水平提升和工藝優化已經成為重大科學裝置建設和裝備研制的重要支撐，代表了產業基礎共性技術的發展方向。為滿足工藝環境的應用要求，真空腔體和密封件的制造技術快速發展；為適應綠色智能的發展理念，真空泵和閥門作為通用技術產品的迭代周期逐步縮短。

 真空腔體 

航天航空、集成電路、粒子加速器、高速列車、核聚變等技術領域的快速發展，對真空腔體的性能要求提升到一個新的高度。真空腔體需要滿足復雜結構造型，高、低溫循環，超高壓、高真空循環，低泄漏、超潔凈，輻照損傷，高溫燒蝕，砂礫侵蝕，化學腐蝕等應用條件。中國天和空間站迎來了高速建設階段，航天員長期在軌停留反映了中國空間技術的快速發展。但是，在現有工業體系下，空間站的服役水平難以實現跨越式發展，需要加強科技力量投入，取得性技術成果。

粒子加速器的真空管長度可達幾十公里，涉及眾多學科領域，是超高真空和高真空技術的典型代表。作為粒子理論的研究平臺，加速器科學裝置發展了半個多世紀。除用于基礎研究外，加速器的各種束線已廣泛應用于醫療、高分辨率動態成像等領域，實現了科研與產業的結合。真空管運輸作為未來交通的發展方向倍受關注，管路直徑可達5米。這類應用的長遠意義在于為人類在地外星球建設基地進行探索，積累技術經驗。

超高真空技術應用廣泛，從現有的光學傳感器、光刻機、低溫恒溫器、電子顯微鏡和 XPS 光譜儀，到基于冷原子的便攜式量子傳感器、MEMS 真空檢測儀器、真空電子束智能增材制造系統等新興領域。增材制造可大幅減少設備尺寸、重量和開發時間，從而加速基礎研究和技術開發。通過激光粉床打印機制造一個利用磁光阱 MOT 捕獲冷原子的小型超高真空腔體，由鋁合金 AlSi10Mg 制造。該系統經歷120小時的120℃烘烤后，達到了低于 1×10-10mbar 的壓力范圍。裝置對被捕獲的原子云進行熒光圖像，包含多達 2×108 個銣原子。增材制造的腔體的真空度優于 5.0×10-9mbar，與常見的磁光阱真空腔體性能一致，見圖1。這表明了增材工藝與超高真空腔體制造的適用性。

▲ 圖1 增材制造工藝的超高真空腔體

由于傳統的大批量制造工藝在效率和性能上的競爭優勢顯著，因此，傳統的技術工藝路線會長期存在。增材制造與傳統制造各取所需、融合發展，可以促進相關產業的快速發展。小型復雜真空腔體的冷卻和散熱部件采用增材工藝進行精細加工，通過連接技術將傳統工藝制造的法蘭進行組焊加工，以實現的制造工藝。

▲ 圖2 傳統和增材復合工藝制造的真空腔體

德國 PINK 公司采用高精密數控機床制造的直徑650mm球形超高真空腔體，用于確定基本粒子的形狀，該腔體具有230個 CF 型 DN40 法蘭。目前，加速器、光刻機等裝備的大型超高真空和高真空腔體的制造仍以傳統制造工藝為基礎。

 真空泵 

為解決未來的能源危機，歐盟、中國、日本、美國、俄羅斯、印度、韓國七國主導的等離子體核聚變裝置國際合作項目，至2025年，將完成核聚變裝置 ITER 樣機運行，產生核聚變能，輸出電能 500MW（7分鐘），相對 50MW 的電力輸入，ITER 裝置將實現自循環加熱；至2036年，建成更大功率的核聚變裝置 DEMO，輸出核電 4000MW，實現商業示范應用。

核聚變裝置的10-4Pa量級高真空運行環境的獲得主要由低溫泵、渦輪分子泵等可獲得超高真空的泵實現。根據不同功能特點，有3類低溫泵安裝在 ITER 裝置上。Cryostat 低溫泵抽氣系統集成了兩臺超臨界氦氣冷卻低溫吸附泵。200臺分子泵需要滿足不同子系統的應用要求。較低的真空獲得由螺桿泵、羅茨泵和渦旋泵實現。為滿足ITER裝置的環境條件，包括 Edwards 和 Pfeiffer 公司在內的真空泵制造商已經對真空泵的性能進行了適應性調整。為使 Edwards 公司生產的渦輪分子泵的磁場容限適用范圍更為寬泛，磁場容限增強型 nEXT400 分子泵采用了16mm壁厚的馬氏體不銹鋼整體泵腔結構，導熱基板的空氣冷卻結構，超高真空陶瓷引電和金屬密封裝置，以及耐輻射密封元件優化等多項新技術，實現了160mT磁場條件下可靠運行。

 真空閥門 

超高真空和高真空閥門是按照真空度范圍進行劃分的。不同的應用場景，還需要從不同維度對閥門的特征屬性進行描述限定。高氣體壓力、強磁場、低泄漏、無顆粒（獲得的顆粒數狀態）、閥板冷卻、閥體加熱、閥體導電、耐腐蝕、金屬粉塵、高溫輻射等附加條件，對閥門性能提出了更高要求。

集成電路制程領域的真空閥門具有性和典型性。VAT、MKS、VTES 等公司的閥門產品可滿足沉積和刻蝕真空應用裝備的使用要求：“無顆粒"產生（極少量的橡膠和金屬的顆粒）、不引起振動（高精密傳動）、精確控制（無泄漏、流導調節）。無顆粒閥門是真空應用裝備的基礎，區別于常規的真空閥門：金屬閥體采用高真空釬焊和脫氫工藝；傳動密封采用金屬波紋管；橡膠與閥板牢固結合后經硫化處理工藝；橡膠承受單向密封壓緊力，無摩擦運動。在超高真空系統中，一些部件在運行中可能產生顆粒。使用氣體、液體介質（水、酒精或酸等）或膜過濾器來精細過濾區分顆粒。通常，過濾大于0.3μm粒徑的顆粒。

即使在沒有湍流的真空環境中，粒子在表面沉降也需要較長的時間。暴露在環境空氣中（無過濾器）的真空裝置，在抽真空幾個小時后，無湍流流動時的漂浮顆粒（大于0.2μm）需要約80小時才能粘在表面，不再運輸。當真空閥門在 10mbar 打開時，由于振動和湍流作用，顆粒從吸附表面脫落，并在系統中伴隨氣體輸運。為獲得無顆粒真空系統，在 1mbar 壓力時，應采取措施以避免明顯的振動。

按空氣中顆粒的大小和數量進行潔凈程度分類，參照國際標準 ISO14644-1，見表1。加速器組件通常采用 ISO 4級和 ISO 5級的環境條件。在組裝過程中，潔凈室采用過濾器風扇單元（FFU）過濾空氣；在移動式潔凈室（的帳篷）中，可建立 ISO 5級的局部環境。

▲ 表1 潔凈室等級劃分

國內，川北真空科技（北京）有限公司與電子科技大學合作采用光散射粒度分析法測量低粒子真空閥門脫落顆粒（≥0.5μm），并建立（與 ISO 7級相當的）檢測平臺進行比較系統的研究。國外，超高真空系統的無顆粒抽空和充氣系統發展迅速。

除真空閥門外，濺射離子泵、吸氣劑泵和吸氣劑離子泵通過采取改進措施后，可滿足“無顆粒"的系統要求。

 結 語 

2019年，對國內26類代表性的制造業產業進行分析，研究結果表明8類產業對外依存度。其中，半數以上的“卡脖子"技術與真空技術息息相關。理性面對中國制造業整體處于價值鏈中低端的事實。變換視角可以看出，國內真空技術的產業發展迎來了新的歷史機遇，作為產業基礎的“腔體、泵、閥、密封"四類產品必將實現技術的跨越式發展。