نیم دهانه خلا، که در متون انگلیسی به نام vacuum flange یا weld stub flange شناخته می‌شوند، یکی از اجزای اساسی سیستم‌های خلا هستند و نقش حیاتی در اتصال، جداسازی و حفظ شرایط خلا در صنایع پیشرفته و آزمایشگاه‌های علمی ایفا می‌کنند. هر جا که نیاز به جداسازی کامل یک محیط با فشار کم از محیط اطراف وجود داشته باشد، نیم دهانه خلا استفاده می‌شود؛ این قطعات به‌طور خاص برای ایجاد ارتباط محکم و آب‌بندی مطمئن میان اجزای مختلف سیستم خلا (مانند پمپ، لوله، چمپر، شیر و …)، بدون احتمال نشت یا ورود آلودگی خارجی، طراحی شده‌اند.
عامل کلیدی در طراحی و بهره‌برداری موفق سیستم‌های خلا، نه تنها انتخاب نوع صحیح نیم دهانه متناسب با سطح خلا و کاربرد، بلکه تضمین “آب‌بندی کامل” و “پایداری مکانیکی” تحت طیف گسترده‌ای از شرایط دمایی و محیطی است. انتخاب صحیح نیم دهانه بر اساس استانداردهای فنی، جنس متریال ساخت، شرایط جوشکاری یا لحیم‌کاری، و نیز روش بازرسی نشتی، کیفیت عملکرد سیستم را تعیین می‌کند. به علت اهمیت فوق‌العاده در کاربردهای حساس مانند تولید نیمه‌هادی‌ها، شتاب‌دهنده‌های ذرات، تجهیزات آزمایشگاهی UHV و ابزار دقیق، مهندسان و طراحان ناگزیر به تبعیت و رعایت ملاحظات سختگیرانه استانداردهای بین‌المللی در انتخاب و مدیریت نیم دهانه‌های خلا هستند.
استانداردهای بین‌المللی نیم دهانه خلا
مروری بر استانداردهای غالب: CF، KF، ISO
در صنعت خلا، سه دسته استاندارد نیم دهانه بیشترین کاربری را دارند: CF یا Conflat، KF یا ISO-KF (کمتر اوقات QF یا NW نیز خوانده می‌شود)، و ISO (که خود به ISO-K و ISO-F تقسیم می‌شود). هر یک از این استانداردها متناسب با نیازهای مختلف: فشار نهایی، قابلیت دمونتاژ سریع، اندازه متریال و سطح آب‌بندی، طراحی منحصر به‌فردی دارند.
فلنج CF (Conflat): انتخاب اول برای خلا فوق‌العاده بالا (UHV/ XHV)
- بازه فشار: ¹۰⁻¹² mbar و حتی پایین‌تر (مناسب UHV و آزمایش‌های حساس)
- متریال اصلی: استنلس استیل 304 یا 316L (اغلب با آب‌بندی مس OFHC)
- استانداردهای مرجع: ASTM F73، ISO 3669 (Knife-edge flanges)
- کاربردها: شتاب‌دهنده‌های ذرات، سیستم‌های اپیتاکسی پرتو مولکولی، لایه‌نشانی‌هایی که سطح تمیزی و کمترین آلودگی را طلب می‌کنند
- ویژگی آب‌بندی: Knife-edge و گسکت مسی؛ مناسب دماهای bakeout تا ۴۵۰ درجه سلسیوس (مطابق SEMI S2 برای کنترل آلودگی)
نیم دهانه KF (ISO-KF): مناسب کاربردهای عمومی و مونتاژ سریع
- بازه فشار: معمولا تا ¹۰⁻⁸ mbar (های‌واک)
- متریال: استنلس استیل 316L، گسکت‌های EPDM یا Viton
- اندازه: DN10 تا DN50 (مطابق DIN 28403، ISO 2861)
- کاربردها: آزمایشگاه‌های آنالیتیکال، ورودی پمپ‌های خشک، تولید صنعتی با نیاز به دمونتاژ سریع و تکراری
- آب‌بندی: O-ring الاستومری با مرکزکننده؛ امکان رسیدن به نرخ نشتی کمتر از ۱e-۹ mbar·L/s
- مونتاژ: اتصال بدون ابزار (clamp ring)، مناسب مونتاژ/دمونتاژ سریع با قابلیت اطمینان بالا
فلنج ISO (ISO-K و ISO-F): برای سیستم‌های بزرگ و محیط‌های صنعتی
- بازه فشار: اتمسفر تا ¹۰⁻⁸ mbar
- اندازه: DN63 تا DN630 (ISO-K: استفاده از clamp؛ ISO-F: استفاده از پیچ)، مطابق ISO 1609، DIN 28404
- ویژگی‌ها: robust و قابل استفاده در محیط‌های ارتعاش، مناسب راکتورهای CVD/PVD و چمبرهای شبیه‌ساز فضا
- آب‌بندی: O-ring FKM (Viton) برای دما تا ۱۵۰°C یا آب‌بندی فلزی برای bakeout بالاتر
سایر استانداردها: DIN، ASTM و SEMI
- DIN 28403 (KF) و DIN 28404 (ISO): تعاریف الزامات ابعادی دقیق برای فلنج‌های مختلف و انطباق‌پذیری جهانی
- ASTM F73: الزامات متریالی، ابعادی و عملکردی برای CF و مشتقات آن
- ISO 1609: مشخصات فلنج‌های غیر knife-edge؛ مخصوص کاربردهایی با آب‌بندی O-ring فلزی/الاستومری
- ISO 3669: مرجع ابعادی و متریالی فلنج‌های knife-edge (CF)
- SEMI S2: رفرنسی کلیدی در صنعت نیمه‌هادی‌ها، به خصوص در کنترل آلودگی و bakeout چمبر (تعیین الزامات مربوط به ایمنی، پایداری و پاکیزگی اجزاء سیستم)
انواع متریال در ساخت نیم دهانه خلا
انتخاب نوع متریال به شدت وابسته به هدف صنعتی، فشار مورد نیاز، سازگاری دمایی، الزامات عدم آلودگی و پایداری است. هر متریال مزایا و معایب خاص خود را دارد و برخی از آن‌ها برای کاربردهای خاص مانند شتاب‌دهنده‌ها، تجهیزات نیمه‌هادی یا آب‌بندی‌های الکتریکی ضروری هستند.
استنلس استیل (304 / 316L): ستون فقرات ساخت نیم دهانه خلا مدرن
ویژگی‌ها:
- مقاومت عالی در برابر خوردگی، عدم زنگ‌زدگی، قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری عالی، سطح بسیار تمیز با نرخ ماده‌زدایی پایین (low outgassing)
- کاربرد گسترده در ساخت فلنج‌های CF، KF و ISO
- 304: رایج، ارزان، مقایسه نسبتا مناسب دما/مقاومت
- 316L: مولیبدن افزوده شده، مقاومت حرارتی و شیمیایی بالاتر (مناسب محیط‌های کلریدی/شیمیایی و لایه‌نشانی اتمی)
کاربرد تخصصی: ساخت چمبرهای UHV، تجهیزات نیمه‌هادی، شتاب‌دهنده‌ها و هر جایی که کمترین ماده‌زدایی و مقاومت حداکثری لازم باشد.
مس با هدایت بالا (OFHC Copper): ایده‌آل برای آب‌بندی فلزی
ویژگی‌ها:
- هدایت حرارتی و الکتریکی عالی، نرخ ماده‌زدایی بسیار پایین (outgassing)، قابلیت شکل‌پذیری و نرمی بالا (عدم ایجاد میکرو لیک)
- کاربرد اصلی به عنوان گسکت در فلنج‌های CF/Conflat، و نیز در اتصالات الکتریکی و سیستم‌های تغذیه برق تحت خلا
- جنس: C101 یا معادل OFE، خلوص ≥ %99.99
- قابلیت آب‌بندی تا فشار ×۱۰⁻¹³ torr و دمای ۴۵۰°C در bakeout (در صورت روکش نقره تا بالاتر)
مثال: بیش از ۹۹٪ فلنج‌های CF پیشرفته (اعم از CERN، TSMC و …)، از گسکت OFHC به عنوان تنها گزینه مجاز بهره می‌برند.
آلیاژ کووار (Kovar): راهکار بی‌نظیر اتصال فلز به شیشه/سرامیک
ویژگی‌ها:
- آلیاژ نیکل–آهن–کبالت با ضریب انبساط حرارتی نزدیک به شیشه و سرامیک (به‌ویژه برای اتصال vacuum feedthroughهای الکتریکی و نوری)
- استفاده در ساخت فیدترو سرامیکی-فلزی، هدرهای الکترونیکی و hermetic seal ها
- مطابق با استاندارد ASTM F15، خواص پایدار مکانیکی و حرارتی (مناسب فیدتروهای RF/گاز، مصارف پزشکی و اپتوالکترونیک)
- مغناطیسی بوده و برای تراشه‌های خاص نیز مناسب است
سرامیک‌ها: عایق بودن و مقاومت دمایی
- آلومینا سرامیک (Al₂O₃): انتقال سیگنال در فشار پایین (feedthrough)
- مقاوم دما، عایق الکتریکی و گرمایی، بسیار مقاوم به خوردگی و ماده‌زدایی پایین
- اتصال با کووار یا استنلس استیل از طریق متالایزینگ یا جوشکاری مخصوص
- پرکاربرد در تجهیزات شتاب‌دهنده، سنسورها، مقره‌ها و خلا شدید
الاستومرها و پلیمرها: ویتون (Viton)، EPDM، Polyimide
جدول زیر خلاصه خواص کلیدی رایج‌ترین الاستومرهای خلا را نشان می‌دهد:
| متریال | بازه دمایی (°C) | بازه کاربردی فشار | مزایا | معایب | توضیح تکمیلی |
|---|---|---|---|---|---|
| Viton | -26 تا 210 | ¹۰⁻⁷ تا ¹۰⁻⁹ mbar | مقاومت شیمیایی، outgassing بسیار پایین | نفوذپذیری هلیوم (نسبتاً)، محدودیت دمایی | استاندارد UHV/SEMICON |
| EPDM | -51 تا 150 | بالا تا متوسط | ارتجاع عالی، مقاومت Ozon و آب | ناسازگار با هیدروکربن | مناسب سیالات شیمیایی |
| Polyimide | تا 200 | های‌وک/ UHV | مقاومت شیمیایی و دمایی ویژه، ضد تابش | جذب آب زیاد، فشار آب‌بندی بالا | جانشین Viton در صنایع هسته‌ای و خاص |
این مواد مخصوصاً در O-ringها و گسکت‌های KF/ISO برای سیستم‌هایی که نیاز به دمونتاژ و آب‌بندی مجدد دارند، استفاده می‌شوند.
روش‌های اتصال: جوشکاری و لحیم‌کاری در نیم دهانه‌های خلا
جوشکاری (Welding)
در سیستم‌های خلا حرفه‌ای، جوشکاری اصلی‌ترین راه اتصال دائمی است؛ به‌ویژه فلنج، چمبر و اجزای استنلس‌استیل.
- رایج‌ترین روش‌ها: TIG (Tungsten Inert Gas) و لابراتوری خاص (میکروپلاسمای اتوماتیک، لیزری، الکترون بیم)
- ملزومات کیفیت بالا: سطوح صاف بدون آلودگی، کنترل گرمایی دقیق، پرهیز از حفره و ترک (مخصوصاً برای UHV)
- اهمیت کنترل تنش باقی‌مانده: جلوگیری از اعوجاج و نشتی‌های نهفته (virtual/latent leaks)
- کاربرد: تولید چمبرهای فوق‌العاده حساس، ورودی‌های ابزارهای شتاب‌دهنده، ساخت اتصالات سرامیک-فلز${6†source}
لحیم‌کاری (Brazing) و فیوزینگ (Fusing)
کاربرد:
- هنگامی که اتصال فلز به سرامیک یا شیشه لازم است (مانند vacuum feedthrough یا viewports)
- اتصال کووار به شیشه/سرامیک، یا استنلس استیل به مس
لحیم بر پایه فلزات گران بها (نقره، نیکل) یا فعال (AgCuTi):
- مقاومت بالا، قابلیت سختی مکانیکی و حرارتی، سازگاری UHV
- تنظیم دقیق شکاف‌ها و یکنواختی آلیاژ: برای جلوگیری از نشتی یا ایجاد فاز شکننده
- کنترل دما و محیط: مرحله انجام معمولاً در کوره خلا با فشار ¹۰⁻⁶ mbar یا پایین‌تر برای جلوگیری از اکسیداسیون و آلودگی سطح${49†source}
روش‌های آب‌بندی و مونتاژ:
- CF: پیچ‌کاری قطره‌ای متقاطع برای گسکت مسی (آب‌بندی یک‌بار مصرف)، مونتاژ باید تدریجی و یکنواخت باشد
- KF/ISO: استفاده از رینگ و O-ring الاستومری، قابلیت مونتاژ دستی، سرعت بالا
شیوه‌های تست نشتی و بازرسی: ابزارهای ارزیابی کیفیت آب‌بندی
انجام تست نشتی دقیق برای اطمینان از آب‌بندی کامل سیستم‌های خلا، ضرورت غیرقابل اغماضی دارد. آزمون‌های استاندارد بین‌المللی به شرح زیر است:
آزمون هلیوم (Helium Leak Detection)
- استاندارد عمل: تنها روش قابل اعتماد برای دستیابی به حساسیت‌های بالای ¹۰⁻⁹ تا ¹۰⁻¹² mbar.l/s
- نحوه اجرا: سیستم را خلا کرده، هلیوم را از بیرون به نقاط حساس (فلنج‌ها، جوش‌ها، اتصالات) می‌پاشند؛ هر گونه عبور هلیوم از نشتی با دتکتور ماس‌اسپکترو متر شناسایی می‌شود
- مزیت: قابلیت شناسایی میکرونشتی‌ها و ارزیابی کیفیت نهایی اتصال فلنج و چمبر
- کاربرد: اجباری در صنایع SEMICON و شتاب‌دهنده‌ها؛ الزامی طبق SEMI S2، DIN، ISO
Pressure Rise Test
- روش: سیستم را تا فشار بسیار پایین پمپ کرده، پس از جداسازی پمپ، سرعت افزایش فشار داخل چمبر اندازه‌گیری می‌شود
- کاربرد: عیب‌یابی اولیه، کنترل کلی تجهیزات آزمایشگاهی
آزمون‌های تکمیلی و غیرمخرب
- آزمون فوم یا bubble (برای نشتی‌های درشت‌تر یا فشار پایین)
- آزمون فشار منفی/مثبت برای نشتی‌های عمده (در خطوط تولید)
- آنالیز طیفی و تست‌های تخریبی متناسب با نیاز
کاربردهای صنعتی و پیشرفته نیم دهانه خلا
صنعت نیمه‌هادی (Semiconductor): خطوط تولید پیشرفته، EUV و چمبرهای Cleanroom
- فلنج‌های CF UHV (مثلاً DN200) در ابزار لیتوگرافی EUV: برای نگهداری فشار تا ¹۰⁻¹⁰ mbar، کاهش آلودگی ذرات و ملکول‌های مزاحم، کاهش نرخ Defect تا بیش از ۳۰٪ (موارد عملی در TSMC و SMIC)
- قطعات KF/ISO-KF کوچک: در ابزارهای متالوژی، پمپ‌های واکیوم Dry و چمبرهای test cycle با نیاز به مونتاژ/دمونتاژ سریع
- اقدامات کنترلی: الزام تجهیزات مطابق SEMI S2 برای کنترل آلودگی و Bakeout، الزامات ویژه در انتخاب الاستومر (Viton/EPDM grade SEMICON) و تشخیص میکرو نشتی با هلیوم
شتاب‌دهنده‌های ذرات (Particle Accelerator)
- اهمیت خلا شدید UHV/XHV: کاهش پراکندگی و برخورد ذرات با مولکول‌های هوا، اطمینان از عمر و عملکرد پایدار Beamline
- نمونه تجهیزات: سیستم‌های اتصال CF با گسکت OFHC مس تا ¹۰⁻¹² mbar، فیدتروهای سرامیکی-فلزی برای عبور جریان و سیگنال با حفظ کامل آب‌بندی
- آزمون‌های هلیوم و Pressure Rise: الزامی برای تضمین عدم نشت اجزای جوشکاری و فلنج‌ها؛ مهم‌ترین نگرانی، نشتی نهان ناشی از جوش‌های معیوب یا چمبرهای بسیار بزرگ${57†source}
سایر کاربردها
- ابزارآلات اندازه‌گیری تحلیلی: مانند Mass Spectrometer و SEM، که استاندارد خلای UHV ضروری است
- سیستم‌های تحقیقاتی مواد، انرژی و فیزیک پلاسما: به‌خصوص سیستم‌های deposition، beamline syncrotron، و چمبر شبیه‌ساز فضا
- پزشکی و فناوری‌های زیستی: آزمایشگاه‌های خلای بالا و تجهیزات تصویربرداری تخصصی
نوآوری‌ها و ترندهای ساخت نیم دهانه خلا در سال‌های اخیر
در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در عرصه طراحی، توسعه متریال و سامانه‌های هوشمند نظارت بر عملکرد نیم دهانه‌های خلا رخ داده است. برخی از شاخص‌ترین روندها عبارتند از:
- ورود آلیاژهای با مقاومت ویژه در برابر شرایط خورنده و دمای بالا (مانند اینکونل و DUVALLOY؛ جهت صنایع داروسازی، انرژی و طیف خاص)؛
- یکپارچه‌سازی سنسورهای دیجیتال و IoT با نیم دهانه‌ها برای پایش وضعیت فشار، دما و نواقص مکانیکی به‌صورت real-time؛
- افزایش قابلیت سفارشی‌سازی متریال و اندازه متناسب با نیازهای ویژه هر پروژه علمی یا صنعتی، مخصوصاً در زمینه تولید نیمه‌هادی‌های نسل نو (EUV/QUANTUM DEVICES).
جمع‌بندی و نکات کلیدی
نیم دهانه‌های خلا، به‌عنوان اجزای کلیدی در طراحی سیستم‌های خلای صنعتی و پژوهشی، نقشی حیاتی در تضمین عملکرد، پایداری و کیفیت نهایی فرآیندها دارند. رعایت دقیق استانداردهای جهانی، دانش صحیح در انتخاب متریال و روش‌های اتصال، اجرای دقیق تست نشتی و درک عمیق از فضای کاربردی، تضمین‌کننده دستیابی به بهترین عملکرد در فناوری‌های مدرن می‌باشد.