光學(xué)鍍膜真空技術(shù)

1、真空技術(shù)真空技術(shù)林慶彬林慶彬前言n1643年，意大利物理學(xué)家托里折利演示了著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)，揭示了“真空”這一物理狀態(tài)。n為了使被研究的樣品不被周?chē)鷼夥账廴荆@取“原子清潔”的表面，薄膜制備和襯底表面形成過(guò)程往往是在真空或超高真空中進(jìn)行的。目前，人們所廣泛使用的薄膜制備系統(tǒng)都具有真空系統(tǒng)，光學(xué)鍍膜也是如此。不管是采用蒸鍍還是濺射方式，都必須在真空環(huán)境下進(jìn)行。“真空”是光學(xué)鍍膜技術(shù)的基礎(chǔ)。了解與鍍膜相關(guān)的真空知識(shí)對(duì)于掌握鍍膜工藝和操作至關(guān)重要。一、真空基礎(chǔ)內(nèi)容提要：什么是真空？（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的真空）真空的衡量（單位及換算關(guān)系）真空的劃分（低、中、高和超高真空）真空的獲得（泵的類(lèi)型，泵的原理及真空系

2、統(tǒng)）真空的測(cè)量（各種常見(jiàn)真空測(cè)量裝置）真空的應(yīng)用（真空在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用）鍍膜領(lǐng)域中的真控技術(shù)真空的定義1大氣壓下氣體分子密度約為2.6871025/m3；氣壓110-4Pa的高真空中，氣體分子密度約為2.651016/m3；宇宙中，氣體分子密度109/km3，甚至每km3只有幾個(gè)氣體分子。 按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，真空按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，真空絕不是“完全空”，而是一種是一種“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)”。由此可知，工業(yè)領(lǐng)域所說(shuō)的真空，與我們平時(shí)想象中的“完全空”的真空相差十萬(wàn)八千里。空無(wú)一物的理想真空，實(shí)際上是不存在的。真空真的是真空真的是“什么都

3、沒(méi)有什么都沒(méi)有”嗎嗎? ?氣體分子密度可以接近于零，卻不是零。氣體分子密度可以接近于零，卻不是零。真空現(xiàn)象真空現(xiàn)象1、從地球表面向外空延伸，離地面距離越遠(yuǎn)，空氣越稀??；2、宇航員在外空間時(shí)都必須穿上太空服，一方面就是為了防止宇航員被負(fù)壓傷害。3、氣相薄膜沉積過(guò)程中的真空容器；4、霓虹燈管或日光燈管；5、AES，XPS，SEM，TEM等設(shè)備其中，1和2屬于自然真空，3-5屬于人為真空。人為真空需要通過(guò)真空泵系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。真空的衡量真空是一種環(huán)境，其衡量單位就是氣體壓力真空是一種環(huán)境，其衡量單位就是氣體壓力.壓力值越低，真空度就越高壓力值越低，真空度就越高常用單位有：（1）Pa,（2）mbar,（3

4、）Torr(mTorr)壓強(qiáng)單位換算關(guān)系表壓強(qiáng)單位換算關(guān)系表單位名稱(chēng)帕/Pa托/Torr毫巴/mbar大氣壓/atm1帕17.50110-310-29.86910-61托1.33310211.33310-1.31510-31毫巴1027.50110-19.86910-41大氣壓1.013105760.001.0131031真空的劃分真空等級(jí)真空度范圍備注低真空105102Pa氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子間碰撞十分頻繁中真空10210-1Pa氣體分子的流動(dòng)逐漸從黏流狀態(tài)向分子狀態(tài)過(guò)渡，此時(shí)氣體分子之間和分子與器壁之間的碰撞次數(shù)差不多高真空10-110-5Pa氣體分子的流動(dòng)已為分

5、子流，氣體分子與容器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)大大減少，粒子沿直線飛行超高真空10-5Pa氣體分子數(shù)目很少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子與器壁的碰撞機(jī)會(huì)也很少此時(shí)氣體分子在固體表面上是以吸附停留為主。根據(jù)根據(jù)GB3163GB31638282，真空區(qū)域大致劃分如下：，真空區(qū)域大致劃分如下：真空的獲得 抽真空即利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使抽真空即利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓。該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓。目前常用目前常用獲獲得真空的得真空的設(shè)備設(shè)備有：有： 旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵 油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵 復(fù)合分子泵復(fù)合分子泵 分子篩吸附泵分子

6、篩吸附泵 鈦升華泵鈦升華泵 濺射離子泵濺射離子泵 低溫泵低溫泵屬于氣體傳輸泵，即通過(guò)氣體吸入并排出真空泵屬于氣體傳輸泵，即通過(guò)氣體吸入并排出真空泵從而達(dá)到排氣的目的從而達(dá)到排氣的目的屬于氣體捕獲泵，即通過(guò)各種吸氣材料特有的吸屬于氣體捕獲泵，即通過(guò)各種吸氣材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸除，以達(dá)到所需真空。不需氣作用將被抽氣體吸除，以達(dá)到所需真空。不需要油作為介質(zhì)，又稱(chēng)為無(wú)油泵要油作為介質(zhì)，又稱(chēng)為無(wú)油泵真空的獲得常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍及起動(dòng)壓強(qiáng)：常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍及起動(dòng)壓強(qiáng)： 真空泵種類(lèi)工作壓強(qiáng)范圍（Pa）起動(dòng)壓強(qiáng)（Pa）旋片式機(jī)械真空泵11056.710-11105羅茨真空泵1.3103

7、1.31.3103分子篩吸附泵11051.310-11105油擴(kuò)散泵1.310-21.310-71.310渦輪分子泵1.31.310-51.3濺射離子泵1.310-31.310-96.710-1鈦升華泵1.310-21.310-91.310-2低溫泵1.31.310-111.31.310-1低真空泵或初抽泵高真空泵超高真空泵極限真空（極限壓強(qiáng)極限真空（極限壓強(qiáng)P Pu u）和抽氣速率）和抽氣速率 是表示真空泵性能的兩個(gè)重要參數(shù)。是表示真空泵性能的兩個(gè)重要參數(shù)。極限壓強(qiáng)極限壓強(qiáng)是該系統(tǒng)所能達(dá)到的最是該系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)；低壓強(qiáng)；抽氣速率抽氣速率是在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間抽出氣體的體積，它決定抽真

8、空所是在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間抽出氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間。需要的時(shí)間。理論上，一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度：dtdPSVSQPPiuP Pu u- -真空泵的極限真空（真空泵的極限真空（PaPa），）， Q Q- -泵內(nèi)各種氣源（泵內(nèi)各種氣源（PaL/sPaL/s），）， S S- -泵的抽氣速泵的抽氣速率（率（L/sL/s），）， V V- -真空室體積（真空室體積（L L），）， P Pi i- -被抽空間氣體的分壓強(qiáng)（被抽空間氣體的分壓強(qiáng)（PaPa），），t t- -時(shí)時(shí)間（間（s s）真空的獲得最常見(jiàn)泵的工作原理旋片式機(jī)械真空泵工作原理旋片式機(jī)械真空泵工作原理旋片S2與進(jìn)氣門(mén)G之

9、間空腔的區(qū)域I的體積逐漸增大，使被抽容器中的氣體由進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入此區(qū)域 （a）:（b）:同時(shí)旋片S1與排氣門(mén)D之間空腔的體積逐步減小，其中的氣體不斷地從排氣門(mén)被擠出（c）:（d）:旋片S1將區(qū)域I與進(jìn)氣門(mén)隔開(kāi)，此時(shí)區(qū)域I的吸氣空腔的體積最大 旋片S1開(kāi)始將區(qū)域I內(nèi)的氣體壓縮并從排氣門(mén)排出旋片旋片泵泵的用途及使用范的用途及使用范圍圍n1.旋片泵是用來(lái)對(duì)密封容器抽除氣體的基本設(shè)備之一。它可單獨(dú)作用，也可作為增壓泵、擴(kuò)散泵、分子泵等的前級(jí)泵，維持泵，鈦泵的預(yù)抽泵用?？捎糜陔娬婵掌骷圃?、保溫瓶制造、真空焊接、印刷、吸塑、制冷設(shè)備修理以及儀器儀表配套等。因?yàn)樗哂畜w積小、質(zhì)量輕、操聲低等優(yōu)點(diǎn)，所以更適宜于

10、實(shí)驗(yàn)室里使用。n2.在環(huán)境溫度540范圍內(nèi)，進(jìn)氣口壓強(qiáng)小于1.3X103帕的條件下允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，被抽氣體相對(duì)濕度大于90%時(shí)，應(yīng)開(kāi)氣鎮(zhèn)閥。n3.進(jìn)氣口連續(xù)暢通大氣運(yùn)轉(zhuǎn)不得超過(guò)一分種。n4.不適用于抽除對(duì)金屬有腐蝕的，對(duì)泵油起化學(xué)反應(yīng)的，含有顆粒塵埃的氣體，以及含氧過(guò)高的，有爆炸性的，有毒的氣體。旋片真空泵的使用n1、使用前，應(yīng)仔細(xì)閱讀產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)，按要求安裝，接線，試轉(zhuǎn)向。n2、為防止因返油與反轉(zhuǎn)而噴油，應(yīng)先開(kāi)啟泵口，按規(guī)定轉(zhuǎn)向把泵內(nèi)存油盤(pán)到油箱中。同時(shí)查看油位，應(yīng)在油標(biāo)中心以上，但不要滿油標(biāo)，多了要放出。n3、判斷轉(zhuǎn)向的輔助方法。把護(hù)套倒放在泵口上，如開(kāi)泵后被吸住，是正向，被吹落，是反

11、向。聲音正常是正向，聲音異常是反向。n4、如在泵口配裝帶充氣電磁閥，一般應(yīng)橫裝，并與泵同時(shí)動(dòng)作。n5、相對(duì)濕度較高或被抽氣體中含水汽等可凝性蒸汽時(shí)，應(yīng)使用氣鎮(zhèn)閥。n6、按說(shuō)明書(shū)推薦選用真空泵油。注意酯類(lèi)真空泵油不可與礦物油型真空泵油和其他油類(lèi)混用，必須嚴(yán)格清洗后才能換入酯類(lèi)真空泵油。n7、檢查泵的極限壓力以壓縮式水銀真空計(jì)為準(zhǔn)。全壓力計(jì)應(yīng)注意做好計(jì)與規(guī)管的配對(duì)校準(zhǔn)和備用比對(duì)規(guī)管。建議在規(guī)管與被測(cè)泵之間裝一球閥。不測(cè)時(shí)關(guān)閥，可延長(zhǎng)規(guī)管使用時(shí)間。操作須知n1查看油位，以停泵時(shí)注油至油標(biāo)中心為宜。過(guò)低對(duì)排氣閥不能起油封作用，影響真空度。過(guò)高，可能會(huì)引起通大氣起動(dòng)時(shí)噴油。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油位有所升高，屬正常現(xiàn)

12、象。油采用規(guī)定牌號(hào)的清潔真空泵油，從加油孔加入。加油畢后，應(yīng)旋一上螺塞。油宜經(jīng)過(guò)濾，以免雜物進(jìn)入，堵塞油孔。n2可在通大氣或任何真空度下一次起動(dòng)。泵口如裝接電磁閥，應(yīng)與泵同時(shí)動(dòng)作。n3環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，油的溫度升高，粘度下降，飽和蒸汽壓會(huì)增大，會(huì)引起極限真空有所下降，特別是用熱偶計(jì)測(cè)得的全壓強(qiáng)。如加強(qiáng)通風(fēng)散熱，或改善泵油性能，極限真空可得到改善。n4檢查旋片式真空泵的極限真空以壓縮式水銀真空計(jì)為準(zhǔn)，如計(jì)經(jīng)充分預(yù)抽校驗(yàn)，泵溫達(dá)到穩(wěn)定，泵口與計(jì)直接接通，運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘內(nèi)，將達(dá)到極限真空?？倝簭?qiáng)計(jì)測(cè)得之值與泵油和真空計(jì)、規(guī)管誤差有關(guān)，有時(shí)誤差甚至可很大，只能作參考。n5如相對(duì)濕度較高，或被抽氣體含較多可

13、凝性蒸汽，接通被抽容器后，宜打開(kāi)氣鎮(zhèn)閥，運(yùn)轉(zhuǎn)2040分鐘后關(guān)閉氣鎮(zhèn)閥。停泵前，可開(kāi)氣鎮(zhèn)閥空載運(yùn)動(dòng)30分鐘，以延長(zhǎng)泵油壽命。可凝氣體的產(chǎn)生2.泵室與容器隔離，壓縮開(kāi)始。1.泵與容器相連，在70 mbar時(shí)空氣已基本排凈，接下來(lái)將主要抽排蒸汽粒子。3.壓縮到一定程度時(shí)，蒸汽將凝聚成液滴，過(guò)壓狀態(tài)無(wú)法實(shí)現(xiàn)4. 殘余壓強(qiáng)僅能頂開(kāi)排空閥門(mén), 已凝聚的液滴將流回泵室內(nèi) 那么怎樣才能除去這些有害的可凝氣體呢，這樣就引出了氣鎮(zhèn)。氣鎮(zhèn)閥（GasballastValve）n油封機(jī)械真空泵的壓縮室上開(kāi)一小孔，并裝上調(diào)節(jié)閥，當(dāng)打開(kāi)閥并調(diào)節(jié)入氣量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一位置，空氣就通過(guò)此孔摻入壓縮室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽

14、不致凝結(jié)而和摻入的氣體一起被排除泵外起此作用的閥門(mén)稱(chēng)為氣鎮(zhèn)閥。氣鎮(zhèn)閥工作原理n由于大氣中都含有一定量的水蒸氣，所以泵工作時(shí)所抽除的氣體多是某些可凝性氣體和永久性氣體的混合物。這種混合氣體在泵內(nèi)被壓縮排氣的過(guò)程中，如果可凝性氣體的分壓力超過(guò)了泵溫下的飽和蒸氣壓，那么它們就會(huì)凝結(jié)并與泵油混合，隨油一起循環(huán)。當(dāng)它們返回到高真空端時(shí)又重新蒸發(fā)變成蒸汽。隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，凝結(jié)物不斷增加，使泵的極限真空和抽速降低。當(dāng)抽除的氣體中濕度較大時(shí)，泵油的污染更加嚴(yán)重，使泵的密封、潤(rùn)滑和冷卻性能變差，以至于經(jīng)常更換新油。n氣鎮(zhèn)法是防止蒸汽凝結(jié)從而避免油污染的有效方法。這種方法是將室溫干燥的空氣經(jīng)氣鎮(zhèn)孔進(jìn)入泵的壓縮腔中與

15、被抽氣體相混合。當(dāng)把這種混合氣體壓縮到排氣壓力時(shí)，由于摻氣作用使得其中的蒸汽分壓能保持在泵溫狀態(tài)的飽和蒸氣壓以下，因而蒸汽不會(huì)凝結(jié)而與其它氣體一起被排至泵外。被抽氣體中蒸汽的含量越多，摻入的干燥氣體量就需越多。n在實(shí)際應(yīng)用中怎樣合理利用氣鎮(zhèn)排除可凝氣體:n眾所周知，可凝氣體的凝結(jié)取決于它的分壓和溫度。n抽排可凝氣體的“黃金法則”:在做工藝以前暖泵(開(kāi)氣鎮(zhèn)工作半小時(shí))工藝過(guò)程保證氣鎮(zhèn)開(kāi)啟工藝結(jié)束后在開(kāi)氣鎮(zhèn)的條件下再運(yùn)行一段時(shí)間在泵的耐壓范圍內(nèi)抽排可凝氣體n然而，針對(duì)我們的機(jī)器來(lái)講，由于工作環(huán)境相當(dāng)好，真空系統(tǒng)中的可凝氣體很少，而且要求真空度較高(開(kāi)氣鎮(zhèn)會(huì)降低泵的抽真空能力)，所以在實(shí)際中沒(méi)有必要

16、每次都進(jìn)行這樣的操作，只需要在真空泵性能降低的時(shí)候開(kāi)氣鎮(zhèn)放氣就可以了。維護(hù)和保養(yǎng)一、注意事項(xiàng)：1保證真空泵的清潔，防止雜物進(jìn)入泵內(nèi)。2保持真空泵油位。3存放下當(dāng)水份或其它揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)而影響極限真空時(shí)，可開(kāi)氣鎮(zhèn)閥凈化之，觀察極限真空回升情況，數(shù)小時(shí)無(wú)效，應(yīng)更換泵油，必要時(shí)可再次更換。換油方法：泵運(yùn)轉(zhuǎn)約半小時(shí)，使油變稀，停泵從放油孔放油，再敞開(kāi)進(jìn)氣口運(yùn)轉(zhuǎn)1020秒鐘，此間可從吸氣口緩緩加入少量清潔泵油，以更換泵腔內(nèi)存油。如出來(lái)的油很臟，后者可重復(fù)進(jìn)行。n4真空泵不可混入柴油、汽油等其它飽和蒸汽壓較大的油類(lèi)，以免降低極限真空。拆洗泵內(nèi)零件時(shí)，一般用紗布擦拭即可以。若發(fā)現(xiàn)有金屬碎屑、砂泥或其它有

17、害物質(zhì)必須清洗時(shí)，可用汽油等擦洗，干燥后方可裝配，切忌用汽油浸泡。n5倘若因泵需拆開(kāi)清洗或檢修，必須注意拆裝步驟，以免損壞機(jī)件。高真空泵：高真空泵：一般高真空獲得設(shè)備包括擴(kuò)散泵、分子泵或低溫泵。擴(kuò)散泵渦輪分子泵低溫泵最常見(jiàn)泵的工作原理油擴(kuò)散泵工作原理油擴(kuò)散泵工作原理接機(jī)械泵接機(jī)械泵擴(kuò)散泵油被泵外電爐加熱產(chǎn)生油蒸氣油蒸氣沿蒸氣導(dǎo)管上升到管頂油蒸氣經(jīng)傘形噴嘴向下噴出產(chǎn)生射流氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動(dòng)量交換氣體分子與射流一起向下運(yùn)動(dòng)油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口附近被抽走最常見(jiàn)泵的工作原理低溫真空泵低溫真空泵低溫真空泵 (又稱(chēng)低溫泵、冷泵、冷凝泵)是一種利用低溫冷凝和低

18、溫吸附原理抽氣的容積式真空泵，是無(wú)油高真空環(huán)境獲得設(shè)備。低溫泵應(yīng)用于半導(dǎo)體、集成電路、光電器件的制造工藝過(guò)程，是集成電路專(zhuān)用設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備之一；低溫泵也用于各種其它鍍膜設(shè)備和真空應(yīng)用設(shè)備中，如離子束濺射VEECO鍍膜機(jī)。 低溫真空泵工作機(jī)理n1）低溫冷凝。由于低溫泵冷板表面溫度很低，極容易將撞擊其表面之氣體分子粘住，使其溫度急速下降而被凍結(jié)，從而減低空間中的分子數(shù)。n2）低溫吸附。這是基于低溫泵的吸附材料與碰撞的氣體分子之間的束縛力而產(chǎn)生的對(duì)一些像H2和He等不易冷凝的氣體分子的相對(duì)固定，盡管它們的蒸汽壓力還相對(duì)較高。n3）低溫捕集。兩種氣體同時(shí)被抽，但其中一種充當(dāng)吸附劑。如：如果Ar氣被冷

19、凝成冰晶，它對(duì)其它氣體來(lái)說(shuō)，又相當(dāng)于吸附劑及冷阱。 低溫真空泵特點(diǎn) 真正的無(wú)油真空泵：利用低溫冷板來(lái)冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，清潔無(wú)污染； 抽速大：特別是對(duì)H2O、H2等氣體抽速很大，因而排氣速度比其他真空泵快，大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量； 適應(yīng)性強(qiáng)：真空腔內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，來(lái)自外界的干擾或來(lái)自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作； 可以安裝在任何方位； 運(yùn)動(dòng)部件少且低速運(yùn)行，壽命長(zhǎng)； 低溫泵可以達(dá)到109 Pa的極限真空度，部分特殊品種的極限真空度可達(dá)1011 Pa低溫真空泵n制冷機(jī)的一級(jí)通常工作在50K70K范圍，它用來(lái)冷卻靠外的冷板，這個(gè)外部冷板既為更冷的冷板充當(dāng)防輻射的屏蔽，同時(shí)又用來(lái)冷卻擋在泵入

20、口處的百葉窗(障板)，當(dāng)水蒸汽碰到障板上時(shí)就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。n制冷機(jī)的二級(jí)，即最冷的一級(jí)，通常工作在10K20K之間，用來(lái)冷卻靠?jī)?nèi)的冷板，它冷凍穿過(guò)百葉窗的N2、O2、Ar等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內(nèi)部的活性炭吸附。低溫泵抽氣機(jī)理之一：低溫冷凝n上圖表示低溫泵把真空室內(nèi)的壓力降到極低水平的能力。它表示了低溫沉積層上面平衡壓力和低溫沉積溫度之間的關(guān)系。例如：水在760Torr壓力下在373K沸騰。在273K的結(jié)冰溫度上蒸汽壓為4Torr。如果冰層被進(jìn)一步冷卻到150K，平衡蒸汽壓將為410-8Torr。如果在制冷機(jī)一級(jí)溫度上，壓力將低于10-10托

21、數(shù)量級(jí)。從這個(gè)圖上我們也可看出，對(duì)N2來(lái)說(shuō)，如果冷板溫度小于等于20K，壓力將小于10-10托。低溫泵抽氣機(jī)理之二：低溫吸附n單用低溫冷凝是不夠的，Ne、H2、He等氣體在20K的平衡蒸汽壓力太高了，不能被低溫冷凝在光的表面上，因而，用活性炭來(lái)吸附這些氣體。用活性炭作吸附材料是因?yàn)樗写蟮谋砻婷娣e，也因?yàn)樵偕^(guò)程中它在室溫下氣體能很容易地脫附。吸附在活性炭上的氫的平衡壓力決定于活性炭溫度和已吸附的氫的量。隨著吸附的氫的增加，吸附就變?yōu)樵诨钚蕴勘砻娴睦淠?。但冷凝層厚度增加時(shí)壓力不變?；钚蕴砍闅淠芰艽?，如果制冷機(jī)把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氫。低溫泵能夠吸住氣體

22、的最大量(抽氣容量)是指對(duì)特定的氣體種類(lèi)的抽吸能力，也就是低溫泵被再生前抽除的氣體的體積。低溫泵的抽氣速度(抽速)n由于多數(shù)真空系統(tǒng)工作在室溫，設(shè)想理想速度基于室溫。這樣一種分子的速度僅僅由分子重量決定，較輕的氣體具有較大的速度，氫的分子重量是2，通過(guò)每平方厘米開(kāi)口面積上的抽速為44.6L/S。水分子量為18，理想抽速為14.9L/Scm2，而氮為這組中最重的為28，它的理想抽速為11.98L/Scm2。n如果所有碰到泵口迎面上的氣體分子都冷凍在百葉窗上的話，就實(shí)現(xiàn)了理想抽速。事實(shí)上，水就達(dá)到了這一點(diǎn)，幾乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百葉窗表面而不返彈回去。象N2這類(lèi)氣體必須穿過(guò)百葉窗冷凍在

23、內(nèi)部冷板上，一部分分子返彈回去，其余的部分穿過(guò)去冷凍在內(nèi)部冷板上，為了有效阻擋輻射熱到達(dá)內(nèi)部冷板，低溫泵有入口百葉窗，它允許大約4025的空氣分子(O2和N2)流過(guò)它冰凍結(jié)在冷板上。這樣，對(duì)N2的凈抽速是理想抽速的2540或3.04.8L/Scm2，Ne、H2、He要走過(guò)更曲折的道路才能到達(dá)活性炭部位，結(jié)果只有約1220的到達(dá)泵口表面的H2分子被低溫吸附了，其余將彈回，所以H2的凈抽速約為理想抽速的1220或5.68.9L/Scm2。低溫泵的抽氣能力(抽氣容量)n低溫泵能夠聚集大量的固態(tài)水、空氣、氬、氮和氧，然后再蒸發(fā)除霜。在這些霜層形成時(shí)，泵的抽速很少降低，制冷溫度變化也很少，隨著霜層增加到

24、一定程度，抽速和溫度都會(huì)有明顯變化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面積(例如：一個(gè)200口徑的低溫泵可凝聚300克水蒸氣成冰)。固體氮和氬聚集在低溫板的外層達(dá)幾個(gè)厘米，通常這個(gè)厚度僅受到不能挨到輻射屏的限制。(例如：一個(gè)200口徑的泵在低溫板外凝聚1cm厚的空氣或氬，其量為1200標(biāo)準(zhǔn)升。該泵專(zhuān)門(mén)用于濺射臺(tái)，其低溫板較大。另一種同樣口徑的泵該值僅為350標(biāo)準(zhǔn)升)。能吸收氫的量為對(duì)氫抽速減少50時(shí)所聚集的氫平衡壓力(一段選l10-6托)決定，當(dāng)抽除其它氣體使低溫板溫度升高時(shí)，能吸附氫的量就減少。n抽氣容量是指低溫泵能抽除(存留)某種特定氣體的最大量，單位為托升，mbarL或者stdL。抽氣容

25、量由以下因素決定：n1)障板抽水蒸氣達(dá)到了覆蓋一半流通面積；n2)冷板外面凝聚的氮、氬等厚度太大；n3)吸附陣接近飽和。n在這三個(gè)因素中，往往是吸附最先達(dá)到飽和，因?yàn)榕c冷凝相比，吸附的量要小于冷凝的量。所以抽氣容量主要由吸附?jīng)Q定(主要因素是吸附劑的性能和數(shù)量)。n通常抽氣容量是指抽速降到初始抽速的一半時(shí)抽出的氣體的量，這時(shí)低溫泵需要再生了，實(shí)際中常常是真空度不夠好和制冷溫度超過(guò)20K時(shí)進(jìn)行再生。真空系統(tǒng)目前，由于真空泵極限壓強(qiáng)的存在，沒(méi)有一種真空泵能單獨(dú)從大氣抽氣至高真空，目前，由于真空泵極限壓強(qiáng)的存在，沒(méi)有一種真空泵能單獨(dú)從大氣抽氣至高真空，必須前段使用粗抽泵從大氣抽至約必須前段使用粗抽泵從

26、大氣抽至約2-5Pa2-5Pa，再利用高真空泵抽氣至高真空。，再利用高真空泵抽氣至高真空。機(jī)械泵+羅茨泵+油擴(kuò)散泵機(jī)械泵+渦輪分子泵影響真空度的因素有害空間有害空間 出氣口與轉(zhuǎn)子密封點(diǎn)之間的空隙，影響極限壓強(qiáng)出氣口與轉(zhuǎn)子密封點(diǎn)之間的空隙，影響極限壓強(qiáng)機(jī)械泵的真空油機(jī)械泵的真空油 飽和蒸氣壓低、潤(rùn)滑性、黏度、穩(wěn)定性飽和蒸氣壓低、潤(rùn)滑性、黏度、穩(wěn)定性水水 水蒸氣與水蒸氣與機(jī)械泵機(jī)械泵油混合形成懸濁液，破壞泵油質(zhì)量油混合形成懸濁液，破壞泵油質(zhì)量真空的測(cè)量一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍真空計(jì)名稱(chēng)測(cè)量范圍(Pa)真空計(jì)名稱(chēng)測(cè)量范圍(Pa)水銀U型管10510高真空電離真空計(jì)10-110-5油U型管1041高壓

27、力電離真空計(jì)10210-4光干涉油微壓計(jì)110-2B-A計(jì)10-110-8壓縮式真空計(jì)(一般型)10-110-3寬量程電離真空計(jì)1010-8壓縮式真空計(jì)(特殊型)10-110-5放射性電離真空計(jì)10510-1彈性變形真空計(jì)105102冷陰極磁放電真空計(jì)110-5薄膜真空計(jì)10510-2磁控管型電離真空計(jì)10-210-11振膜真空計(jì)10510-2熱輻射真空計(jì)10-110-5熱傳導(dǎo)真空計(jì)(一般型)10210-1分壓力真空計(jì)10-110-14熱傳導(dǎo)真空計(jì)(對(duì)流型)10510-1 熱偶真空計(jì)測(cè)量低真空燈絲的熱量損失包括：熱絲和熱偶間的熱傳導(dǎo)；燈絲的熱輻射；氣體分子的熱傳導(dǎo)。在通過(guò)熱絲的電流一定的條件下

28、，燈絲輻射熱量不變。10210-1Pa時(shí)，熱絲熱偶間熱傳導(dǎo)很小。燈絲熱電偶鉑絲熱端冷端壓強(qiáng)熱傳導(dǎo)系數(shù)燈絲溫度熱電偶電動(dòng)勢(shì)熱偶熱端溫度測(cè)量范圍為：10210-1Pa（氣體分子熱傳導(dǎo)損失為主）。電離真空計(jì)測(cè)量高真空加速極的電勢(shì)比燈絲高收集極的電勢(shì)比燈絲低燈絲電路F-F中通以電流，燈絲受熱后便發(fā)射熱電子螺旋狀柵極G-G電壓高于燈絲（幾百伏），吸引熱電子使熱電子加速B與真空系統(tǒng)相接收集極A電壓比燈絲負(fù)（幾十伏），反射電子電子在往返途中與氣體分子相碰，產(chǎn)生正離子和電子。收集極捕獲正離子形成離子電流Ip；電子被處于正電勢(shì)的加速極收集形成發(fā)射電流Ie。Ip=kIePIe一定時(shí)，Ip與壓強(qiáng)成正比測(cè)量范圍為10

29、-1-105 Pa真空的應(yīng)用真空狀態(tài) 氣體性質(zhì) 應(yīng)用原理 應(yīng)用概況 粗真空 105 102（Pa） 氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無(wú)氣體分子空間特性的變化分子相互間碰撞頻繁 利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)真空的力學(xué)應(yīng)用 1. 真空吸引和輸運(yùn)固體、液體、膠體和微粒； 2. 真空吸盤(pán)起重、真空醫(yī)療器械； 3. 真空成型，復(fù)制浮雕； 4. 真空過(guò)濾； 5. 真空浸漬。 中真空 102 10-1（Pa） 氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下；氣體分子密度較小 利用氣體分子密度降低可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化加熱；利用氣壓降低時(shí)氣體的熱傳導(dǎo)及對(duì)流逐漸消失的原理實(shí)現(xiàn)真空隔熱和絕緣；利用壓強(qiáng)降低液體沸點(diǎn)也降低的原理實(shí)現(xiàn)真空冷凍，真空干燥 1. 黑色金屬的真空熔煉，脫氣、澆鑄和熱處理 2. 真空熱軋、真空表面滲鉻； 3. 真空絕緣和真空隔熱； 4. 真空蒸餾藥物、油類(lèi)及高分子化合物； 5. 真空冷凍、真空干燥； 6. 真空包裝、真空充氣包裝； 7. 高速空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的低壓風(fēng)洞 高真空10-1 10-5（Pa） 分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁；氣體分子密度小 利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學(xué)作用徽弱的特點(diǎn)進(jìn)行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產(chǎn) 1. 稀有金屬、超純金屬和合金、半導(dǎo)體材料的真空熔煉和精制；常用結(jié)構(gòu)材料的真空還原冶