摘 要： 材料溅射实验平台是一种可以产生和维持一直线段稳态等离子体的装置，包含有真空室、磁场部件、以及其他等多个子部件系统。本文主要针对直线等离子体实验装置材料溅射平台的真空室部分进行计算设计分析，并通过有限元分析进行验证计算，以确保真空室的设计结构满足整个实验装置的技术要求。
　　【中图分类号】 TL62 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）04-0193-01
　　引言
　　直线等离子体装置是为研究各种材料在高参数等离子体轰击和强磁场条件下的溅射特性而搭建。包含有真空室、磁场部件、等离子体源、样品台、等离子体诊断系统、充气系统、冷却系统、控制系统、真空獲得和测量系统等子系统。可以通过探针、样品台等可研究等离子体与材料溅射的基础问题。
　　本文对实验装置的主要关键部件之一--真空室部分进行研究分析。以满足实验装置设计需求。
　　1 真空室结构设计
　　真空室为内径200mm圆柱筒，两端连接法兰。真空室分为等离子体共振腔、样品实验腔、预处理腔、抽气段四部分，预处理腔用插板阀进行分隔连接。真空室本底真空度要求达到5×10-5Pa以上，在样品实验腔下部设计有一套700L/s的分子泵抽气机组，在样品预处理腔设计有一套110L/s的分子泵抽气机组。两个腔室之间用插板阀连接。整个真空室主体部分内径200mm，总长2085mm。真空室上留有一些CF35和CF50窗口，可以安装规管、红外、可见、探针等。所有腔体、窗口和法兰耐烘烤温度高于300℃，为保证真空室的烘烤温度和真空泄漏率，所有密封采用金属密封结构，法兰采用刀口法兰。因运行时会产生热量，所以在真空室外需布置冷却水管，保证真空室外壁温度不高于50℃。为了实现装置的性能以及工艺的可行性，等离子体真空室分为多段式结构。真空室具体结构见图1
　　2 真空室强度计算
　　真空室一般都采用金属轧制板材制成，因有真空要求，所以要求材料气密性好；一般真空室都有焊接结构，因此要求材料可焊性好、放气率低。所有材料均采用316L不锈钢。
　　计算每个真空室的壁厚，真空室外真空筒内径D=200mm、长Lmax=696mm按公式计算外真空筒计算壁厚S0
　　p为外压设计压力，取p=0.1MPa；Et为弹性模量，取Et=1.88E5MPa。代入公式（1）计算得出S0=2.4mm。
　　真空筒的实际壁厚应为
　　S=So+C （2）
　　C为壁厚的附加量，
　　C=C1+C2+C3 （3）
　　C1为钢板的最大负公差附加量，一般情况下均取C1=0.5mm；C2为腐蚀裕度，取C2=2mm；C3为封头冲压时的拉伸减薄量，该处为真空筒壁厚计算，没有冲击，取C3=0。代入公式（3）计算C=2.5。
　　根据公式（2）计算，真空筒的实际壁厚应为4.9mm。圆整后取真空筒壁厚5mm。
　　真空室为常规筒状结构，连接法兰为常用标准法兰，且只承受自身重力及大气压力，理论计算壁厚基本满足强度要求。再通过有限元分析进行验证。
　　3 真空室的有限元分析
　　真空室部件由多段真空室组合而成，有限元分析时取其中一段真空室进行分析即可。真空室所有材料均为316L不锈钢，其材料特性为密度7.93g/m3，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，屈服强度极限δs为205MPa。在ANSYS WORKBENCH模块下输入真空室三维模型，设置材料属性，模型网格分析通过后，将真空室两端法兰作为约束固定面，在真空室外壁施加一个大气压的力，得出真空室变形及应力结果。最大应力为27.04MPa，远小于材料许用应力。最大变形量为0.01mm，变形及其微小可忽略。具体分析结果可见图2 真空室的有限元分析结果。
　　结论
　　直线等离子体实验装置的设计包含躲多个子系统部分，本文主要是对真空室部分进行设计分析。为了满足装置实验参数，设计了真空室的结构并利用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH进行应力分析，对其强度及变形量进行校核验证，保证真空室结构合理，强度可靠，工艺可行，满足实验需求。