多工位超高真空排气台在红外探测器行业的应用
2022-03-20 21:14阅读：
多工位超高真空排气台在红外探测器行业的应用
闰尚彬
一
引言
红外探测器主要用于红外热成像技术，通过封装的红外探测器探测目标物体红外热辐射，感知目标物体的温度分布，转换为微弱的电信号；红外热成像技术在军事上广泛应用于末端制导、告警系统、军事夜视侦查、红外搜索和跟踪、红外探雷、卫星遥感等多个领域，还应用在电力、熔炼、安防、医药等诸多非军事领域。
随着红外技术的不断发展,
对红外器件的性能和光谱提出越来越高的要求。红外探测器是红外探测系统的核心元件，红外探测器接收目标红外辐射后的温度变化很微弱，为了使其上面的热量能够维持住，避免与空气分子进行热交换，需要将其置于高真空环境下工作。因此需要将红外探测器封装在真空壳体中，组装成封装器件，真空度的保持是红外封装器件的重要指标，真空度差或者真空度保持时间短将直接影响红外探测器组件的性能。
对非制冷红外焦平面探测器真空封装的真空度小于1×10-5Pa,
对制冷红外焦平面探测器真空封装的真空度小于1×10-6Pa。要活的如此高真空度，需要专用真空设备对红外探测器进行抽真空，然后封装。同时，也要考虑批量生产需要，兼顾抽气性能及生产效率。
基于以上应用背景，本文介绍一种多工位超高真空排气台在红外探测器领域的应用。
二
多工位超高真空排气台概述
本装置用红外探测器真空排气、充气和老化试验，提供真空、烘烤环境。
整套设备由三个方面构成，即真空主抽系统、温度保障系统、设备控制监测系统。设备保持清洁无污染，主抽泵选用离子泵，高真空选用分子泵。前级预抽选用干式机械泵。设备具有工作可靠、性能稳定，运行噪音小，整体安装布局合理、紧凑，便于操作和维护维修等特点。
三
主要技术指标和参数
1.
极限压力：常温＜1×10-7Pa；
2.
系统漏率：≤5×10-10Pa.m3/s；
3.
管道和阀门耐烘烤最高温度：200，烘烤温度可控。
4.
每10个工位配一个烘箱，共2个烘箱。烘箱最高加热温度不超过100，温度均匀性±2。
5.
输入电压：3×380V±10%（三相五线制）
6.
功率：约25KW
7.
排气台参考尺寸：2500mm（长）×1500mm（宽）×2000mm（高）
整套设备由三个方面构成，即工件主抽系统、温度保障系统、设备控制监测系统。设备总体原理图如下图所示：
设备总体原理图（示意图）
4.1
工件抽空系统
包括真空泵，真空阀，主抽气管路，工件抽气管路，工作架，真空泵支撑，阀门支撑，真空管路支撑等，真空管路外面包裹加热元件，与加热控温系统连接、真空管路上安装真空测量规管与测量控制系统等连接。前级管路留有检漏阀门，实现在线检漏的功能。
包括前级干式机械泵，高真空采用分子泵，系统主抽泵采用离子泵，主抽管道，主抽阀门采用全金属角阀。
机械泵选用干式机械泵，保证无油污染；
工位阀门，分子泵入口阀门和离子泵入口阀门采用金属阀门。
主抽管路连接两个工件抽空管，每个工件抽空管道连接10个工位。工件抽空管道通过两个全金属角阀与离子泵连接，实现超高真空抽气；每个工件抽空管路通过全金属角阀与分子泵连接，可以实现独立抽高真空。
每个工件抽空管路连接10个手动全金属角阀，与工位全金属管路连接，可连接工件。
为使工件抽空系统和工件达到超高真空，管路及工件必须进行烘烤。管路设计时预留烘烤空间和相应部件的安装空间。
工件连接处预留直径φ*卡套接口，可以与工件连接。
工作架用来安装真空管道，真空泵及真空阀门。工作架选用标准方钢焊接成型，机架安装承重脚轮，可方便工作架的移动。机架上安装真空泵、真空抽气管路、各种支撑件及电气控制系统。工件加热烘箱及烘箱升降系统也安装在机架上。
多工位超高真空排气台示意图
4.2
温度保障系统
根据工件的超高真空度的要求，真空管路和工件需要进行至少48小时的烘烤除气和24小时的系统降温才能将管路和工件内部的残余气体抽空，使空载下系统极限真空＜1×10-7Pa。因此真空管道和工件都要进行烘烤除气。真空管路采用不锈钢制作，连接法兰采用无氧铜密封圈，管路中使用的阀门全部采用全金属阀，最高可耐烘烤200。
烘烤系统主要分两部分组成：真空管路烘烤系统和工件烘烤系统。
1）真空管路烘烤：管路烘烤系统采用加热带缠绕在真空管道外壁，外包铝箔保温。
2）工件烘烤系统：设计两个大烘箱，每个烘箱可以为10个工件烘箱除气，烘烤最高加热温度不超过200。烘箱内部缠绕不锈钢加热元件，与温控系统连接，通过改变加热元件的输出功率控制烘箱的温度。
烘箱采用电动升降的方式，烘箱电动升起，方便工件的卸装。
真空管路及工位的加热控温采用加热电源+控温仪表+功率执行元件进行温度控制，通过改变供给加热元件的功率调节升温及程序控温。控温参数可以在触摸屏上设置，对数据进行存储、显示、导出。
温控系统应可满足各工位的工件加热需求，温控范围：室温～200。两个烘箱的温控参数可独立设置且互不干扰，所有参数通过高效的通讯方式在触摸屏上设置或显示，触摸屏驻留界面同时显示2个烘箱和管路烘烤管路的实时温度。
每一路烘烤的真空管路都配一个测温传感器。
每个烘箱配测温传感器，多点参与控温，多点作为测温，同时可作为超温报警。
4.3
设备控制监测系统
设备控制监测系统是控制整个设备的系统。它包括控制电源、触摸屏、PLC、通讯的模块和接口，还有真空计、真空泵电源、控温系统等设备。真空控制系统集中安装在工作机架上。
本控制系统采用可编程控制器及扩展(单元)模块作为主控PLC；对系统设备的机械泵、分子泵、各阀门、烘烤系统进行协调控制，并读取温度、真空计等测量数据。
控制系统具有关键信息自动采集与记录功能，能适时自动采集排气过程中的真空度和多路的加热温度等系统运行数值，并能将这些数据进行存储记录（可下载输出），可随时调用数据并绘制曲线在触摸屏上显示，或下载后异地查询并绘制曲线。
各设备之间设有连锁保护功能，防止误操作，电气控制系统应设有短路、过热、断水、断电等报警保护功能。
分子泵前级真空与分子泵的启动设计互锁，真空高于100Pa，不允许分子泵启动，保护分子泵。
设备水流水压未达到设定值，分子泵不启动或停止，保护分子泵。
真空与加热系统互锁，防止大气状态对真空系统烘烤，防止管道被氧化。
真空度测量采用复合真空计，测量范围为大气
～1×10-8
Pa。
(1)
设备的阀门和密封部件要求密封性能良好，密封材料选用放气量小的全金属结构。阀门采用手动关闭方式。
(2) 设备留有检漏接口。
(3)
阀门为手动阀门，真空容器和真空管道在安装之前经过严格的去油、去污清洗。
(4)
设备无漏液问题，密封可靠，无泄漏问题；
(5)
设备能够保证在无辅助散热条件的环境中长期正常运行；
(6)
真空管路、容器均采用不锈钢加工并严格进行氦质谱检漏；
(7) 整套技术利用现在通用的成熟技术。
5.2
安全设计
整套设备保证电路使用安全，具有安全可靠的接地保护装置，包括电气系统接地和真空容器自身接地。避免发生高压触电、燃烧、爆炸等危险事故。具体措施如下：
1.
控制电源内部走线规矩，无随意的飞线和搭接；
2.
供电箱总电源有空气开关，漏电自动保护；
3.
机架、真空管路、控制系统有保护接地，并可靠接地；
4.
控制系统上还设有紧急断电按钮，当电控柜出现异常情况，可以按下急停按钮，快速切断电控柜的电源；
5.
控制设备有过压、过流、超温报警和保护控制；
6.
总电源有相序保护，防止相序的变化引起设备的故障；
7.
设备对接插件触点焊接使用热缩套管保护。
对于易引起
