作者/王靖凱 南京拓展科技有限公司

  做光學實驗離不開光學實驗室，而光學實驗室中要求最高的就是光學超凈實驗室。今天我們來簡單聊聊超凈實驗室建設的注意要點，希望能幫助各位老師。

一、明確建設需求

  在實驗室建設前期，如果建設需求不完整或者不準確，會導致建成的實驗室達不到使用需求，進而會發(fā)生二次改造，所以實驗室開始著手建設前要有明確的建設需求。
1、不達標的建設需求對光學實驗產生多種不良影響

  建設光學超凈實驗室時，以潔凈度和溫濕度為主要技術需求，以實驗室使用及建設需要為參考要素。
  在光學實驗室中，如果空氣中潔凈度不達標，灰塵會附著鏡片、晶體、光柵等光學元器件上，容易形成衍射，進而改變光場分布，如果光的強度比較高會形成光學強區(qū)，容易損壞光學元器件。另外空氣中潔凈度不達標會影響光束質量，會影響實驗質量。
  實驗室中如果溫度波動大，主要會出現熱脹冷縮的情況，一是會導致平臺、光學調整架、光學元件變形，影響光路穩(wěn)定和光束質量；二是會導致光通過的空氣密度發(fā)生變化，會對光的傳播造成影響。
  實驗室中如果濕度波動大，主要會影響鏡片表面的薄膜穩(wěn)定性，進而影響光路。濕度高會導致鏡片表面水凝結，這樣鏡片容易被強激光打壞。另外在高濕環(huán)境下，有些光學晶體和膜層也會容易潮解。水汽對紅外光的吸收也比較厲害。濕度過高（>70%）也容易造成電器故障，造成實驗儀器設備損壞。

2、各項要求及指標

  一般來說光學超凈實驗室的各項要求如下所示：

• 潔凈度等級要求是萬級、千級、百級或更高；

• 溫度控制范圍：20℃~25℃，溫度波動度：±0.5℃、±0.2℃、±0.1℃或更高

• 濕度控制范圍：30%RH以下、30%~45%RH、45%~55%RH、55%~65%RH，濕度波動度：±5%RH、±2%RH或更高。

  具體潔凈度、溫濕度的技術指標如何確定，我們可以根據高精密的儀器設備、實驗樣品、實驗系統流程、實驗數據可靠性驗證等方面進行考慮，來最終確認實驗室的潔凈度、溫濕度的技術指標。

3、其他的技術需求

1）微震動：一般的中小型儀器設備，采用光學平臺即可滿足隔離地面震動的要求，如果是大型裝置，則需要做獨立的隔振基礎。
2）風速：地面的震動可以采用地面隔振的方式進行處理，但是在超凈實驗室中的震動源往往不僅僅是地面帶來的，還有實驗室內的氣流帶來的。所以，我們在建設超凈室的時候還要對工作面風速提出要求，一般來說工作面風速＜0.25 m/s 即可滿足要求。要求高的實驗室可以提出更低的工作面風速的要求。
3）地面防靜電要求：抗靜電、靜電耗散、導靜電，一般來說抗靜電即可滿足使用要求。如果是比較害怕靜電的實驗室，則需要做到靜電耗散或導靜電。
4）獨立接地電阻：有一些精密儀器可能會有獨立接地電阻的要求，根據儀器的要求，一般為小于4Ω、小于1Ω或更高要求。
5）工藝冷卻水：如果有設備需要散熱，那么就需要配置工藝冷卻水，一般工藝冷卻水的溫度要求為18±1℃。
6）氣路系統：根據實驗需求，有的實驗會用到氣路系統，根據實際使用會有壓縮空氣或特殊氣體。
7）純水：如果需要用到純水，根據需求提出具體的純水指標（導電率、流量等）
8）UPS：根據實驗的要求，確定是否需要配置UPS。
9）承重：需要考慮實驗儀器設備、光學平臺、空調設備等的重量，對實驗室建筑提出承重的要求。
10）層高：根據實驗室凈高要求及夾層空間確定實驗室建筑的層高，一般情況下實驗室建筑層高應該達到４ｍ以上，如果實驗要求是高大空間，那么建筑層高需要另外計算。
11）設備安裝位置：在選址的時候還需要考慮空調設備的安裝空間及位置，空間大小需要根據實驗室的面積大小及技術要求進行確定。
12）電力供應：應同時考慮實驗設備及空調設備的用電量。
光學超凈室的建設一般分為原有建筑改造或新建建筑。如果是原有建筑改造就要受到原有實驗樓的限制，在場地選擇的時候需要重點關注建筑層高、承重、設備安裝空間、電力供應等。如果這些條件不能滿足，可能直接影響實驗室能否建成。如果是新建實驗樓，最好的方法是在建筑設計前先把實驗系統、實驗室初步方案設計好，實驗樓建筑按照設計好的實驗系統和實驗室進行設計，這樣就能使實驗室的建設更加的完美。

1、暖通系統

為什么說實驗室建設成功與否的關鍵是暖通空調系統和自動控制系統呢?

  首先我們來梳理一下光學超凈實驗室建設不當所產生的影響：

    上述這些問題，都是由暖通（空調）系統和自動控制系統發(fā)生問題產生的。

這些問題又該如何解決呢？

  首先根據我們實際需要使用的溫濕度的狀態(tài)點，進行空調系統的選擇。只有暖通空調系統的能力達到我們目標溫濕度的要求，整個系統才不會出現大的問題。即使后期溫濕度的穩(wěn)定性有問題，也只需要改造自控系統即可，而不會出現整個系統拆掉重新做的情況。

那么根據溫濕度的指標，空調系統應該如何選擇呢？

  通過對比圖，首先根據所需要的溫濕度狀態(tài)點在對比圖中進行對比，這樣就能得出溫濕度狀態(tài)點對應的露點溫度。

  然后再根據對應的露點值，選擇適合我們的機組類型。

  根據露點確定好空調系統之后，再對實驗室內部的氣流組織和末端進行設計。由于我們光學超凈實驗室不僅對潔凈度、溫濕度有要求，還對工作面風速、噪音等也有要求。所以我們在建設實驗室的時候，我們就需要做一些特殊設計。

設計方案

  下面我們對幾種設計方案進行比較：

圖1

圖2

圖3

圖4

圖1和圖2是常規(guī)的超凈實驗室氣流組織的設計方法，

圖3是優(yōu)化后的設計方案，圖4為百級垂直流的方案。

  實驗室的暖通空調系統設計完成之后，我們會需要對設備選型參數進行一些計算。我們提供了一個常規(guī)光學超凈實驗室的簡單計算參考表，使用老師可根據下表對擬建設的光學超凈實驗室的空調系統參數進行大概估算，也可反向驗證原設計方案有沒有風險。

  光學超凈實驗室不僅對潔凈度有要求，對溫濕度也是有比較高的要求的。一般情況下只要空氣循環(huán)次數滿足要求，潔凈度是能夠滿足要求的，而溫濕度往往達不到要求。 

  那么關于溫濕度這塊又應該如何計算呢？

  下面的表格，供大家參考：

  只要上述機組選型、氣流組織、參數計算沒有問題，暖通設計這塊就不存在太大問題了。

  控制系統，也是光學超凈實驗室中最關鍵的一部分，詳細闡述如下：

  主流的控制系統主要有PLC、DDC以及單片機三種，各種控制系統的區(qū)別如下表：

  要實現溫濕度的穩(wěn)定可靠，對控制系統及傳感器都有相關的性能要求：

  維護結構系統一般由夾心保溫鋼潔凈板和潔凈地板組成，為超凈實驗室提供密閉保溫及整體清潔的環(huán)境。維護結構的設計及材質選擇，會影響到實驗室的使用壽命及外觀。下面來簡單的對比一下主流材料的特點及區(qū)別：

序號	名稱	特點描述	圖片
1	機制巖棉夾心潔凈板	面層為彩鋼板，內部為巖棉夾心，啟口連接安裝。 優(yōu)點：性價比高、節(jié)省輔材。 缺點：安裝完后平整性一般、強度一般，適宜做墻板，不適宜用作頂板。
2	手工巖棉夾心潔凈板	一種加強型的復合夾芯板，四周采用鍍鋅板冷拉型框架或塑鋼框架，采用中字鋁式連接方式。 優(yōu)點：相對于普通凈化板強度更強，黏結更好。 缺點：采用手工制用，較機制板工藝復雜，加工速度慢，所以成本較高。
3	手工玻美巖棉夾心潔凈板	優(yōu)質彩色圖層鋼板為面層。用鍍鋅鋼帶為封邊件及加強筋，用防潮玻鎂板為芯板，巖棉為內芯層，通過加壓、加熱等工序制造而成。 優(yōu)點：平整度好、密封性能好、防火等級高。 缺點：成本高、重量重
4	手工玻美鋁蜂窩夾心潔凈板	面層采用彩鋼板，內夾鋁蜂窩芯材，采用手工制作工藝。四周采用鋁合金冷拉型框架或鐵質龍骨框。 優(yōu)點：重量輕、平直度好，因芯材采用獨特六邊形結構，具有高抗壓強度、張力好的優(yōu)勢。 缺點：價格高、保溫性一般。
5	PVC 地板	PVC地板是采用聚氯乙烯材料生產的地板。 優(yōu)點：高彈性、耐磨、顏色搭配多，比環(huán)氧耐磨。 缺點：施工要求高、需要定期保養(yǎng)。
6	橡膠地板	橡膠地板是采用天然橡膠、合成橡膠、其它成分的高分子材料而制成的地板。 優(yōu)點：彈性好、環(huán)保、非常耐磨，比PVC耐磨，多應用于對耐磨要求高的區(qū)域。 缺點：價格較高。
7	環(huán)氧 地面	采用一次性涂覆工藝，不論有多大的面積，都不存在連接縫，并且是一種無灰塵材料。 優(yōu)點：無縫、不起塵、極易清潔。 缺點：抗劃傷性能較差，耐高溫性能較差。
8	潔凈門	采用鋼板面層、雙密封，門框料采用中空新型的雙密封丫型橡膠密封件。 優(yōu)點：門片整體齊平，工藝考究，氣密性良好，耐用使用壽命長。 缺點：成本高。
9	彩鋼板門	由彩鋼板現場加工而成。 優(yōu)點：成本低。 缺點：外部噴漆噴塑時間長了會剝落，影響美觀，不耐用，容易壞。
10	觀察窗	中空玻璃觀察窗，該窗戶密閉性良好，能較好地防止能量的損失及戶外灰塵的滲入。 優(yōu)點：中空玻璃的防結露、降低冷輻射，隔熱性能較好，與墻板一體安裝，整體美觀。 缺點：成本高。
11	鋼化玻璃窗戶	鋼化玻璃屬于安全玻璃。 優(yōu)點：安全性好，耐沖擊，抗彎曲度。 缺點：平整度不好，不能再加工，美觀性不如成品中空密封觀察窗。
備注： 一般來說圍護結構的墻板會采用手工玻美巖棉夾心潔凈板、頂板采用手工巖棉夾心潔凈板（帶加強筋）、門采用成品鋼質門、觀察窗采用和潔凈板一體式的中空玻璃觀察窗，這樣使用壽命和效果都會比較好。

三、合理的預算

 建設光學超凈實驗室不同于普通裝修，需要用到特殊的工藝性空調設備、專業(yè)的控制系統、專業(yè)的凈化系統、專業(yè)的維護結構系統，所以光學超凈實驗室的建設預算并不能按照普通裝修來準備。

 在申報預算階段，切忌拍腦袋直接按照多少錢一平進行估算，應該根據初步的建設需求擬定初步的方案、確定設備材料品牌檔次，然后根據初步的方案及品牌檔次進行計算所需要的建設預算。需求不一樣，所需要的建設預算也不同。針對一些高精度、高要求、復雜程度高、大型裝置所用到的光學超凈實驗室，由于系統比較復雜，這就需要尋找專業(yè)公司來進行專業(yè)的服務。
  光學超凈實驗室建設實施環(huán)節(jié)是一個非常重要的環(huán)節(jié)，實施的良好與否，直接決定了最終建成的實驗室的品質。這個階段選擇一個優(yōu)秀的實施單位就尤為重要。優(yōu)秀的實施單位能夠幫用戶解決很多問題，減少很多麻煩，用戶只需要提出需求，在原有建筑、資金預算滿足建設需求的前提下，實施單位即可根據用戶的需求把實驗室建設出來，哪怕前期的設計方案有問題，也可以幫你深化設計。

 如果找到的是不專業(yè)的實施單位，那么用戶會很累，中間過程要操很多心，哪怕前期設計方案做的再好，最后建成的實驗室往往都不能滿足使用需求。 

  希望本文能夠幫助到各位用戶老師，只要能夠做到需求明確、方案設計優(yōu)秀、項目預算充裕以及找到優(yōu)質的實施單位，即可建設出優(yōu)質的光學超凈實驗室，幫助各位老師更好更快的做出研究成果。

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/NZO_ppcJ51VL-GWu1vd36Q

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