第一章真空技術(shù)基礎(chǔ)

第一章真空技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一德莫.克利特（約在公元前460-370年，大哲學(xué)家）認(rèn)為世界的本源應(yīng)是由原子和虛無組成，且原子在虛無中做永恒的運動

亞里士多德（約在公元前384-322年，大哲學(xué)家）則認(rèn)虛無絕不可能存在，空間必須有物質(zhì)才能夠相互作用，所以空間決不會虛無到?jīng)]有任何物質(zhì)存在

托里拆力試驗第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一十七世紀(jì)用抽水泵它來排除礦井中的積水，無法將水抽到10米以上的高度伽利略（1564－1642）物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家及哲學(xué)家

“真空力”

托里拆力（1608～1647）物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家水銀真空試驗輩爾梯數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家水真空試驗（當(dāng)時未成功）托里拆力試驗第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一在20世紀(jì)初，真空技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域。同樣，真空技術(shù)也是薄膜制備的基礎(chǔ)。本章將對真空的基本知識、真空的獲得、真空的測量等基礎(chǔ)知識進行介紹。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一幾個基本概念：真空：氣體分子數(shù)量低于大氣壓狀態(tài)的空間。但不是完全空的。真空術(shù)語：

本底真空度：全密封真空腔體內(nèi)抽空時的氣壓。

工作真空度：實驗或工藝過程中所必需的氣體壓力。

極限真空度：沒有漏氣和內(nèi)壁脫氣條件下，真空泵所能達到的最低氣壓。

真空規(guī)：測量真空中氣壓的儀表或傳感器。真空度單位：氣壓的單位。真空度就是真空中的氣壓。真空度的測量就是氣壓的測量。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一表1幾種壓強單位的換算關(guān)系單位帕（Pa）托（torr）毫巴（mba）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）1Pa17.5×10-31×10-29.87×10-61torr133.311.3331.316×10-31mba1000.7519.87×10-41atm1.013×1057601.013×1031第一節(jié)、真空的基本知識一、表示真空程度的單位第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一二、真空區(qū)域的劃分粗真空低真空

高真空超高真空極高真空粘滯流粘滯流分子流分子流第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象物理吸附：沒有選擇性、主要靠分子之間的吸引力、容易發(fā)生脫附、一般只在低溫下發(fā)生化學(xué)吸附：在較高溫度下發(fā)生、不容易脫附，只有氣體和固體表面原子接觸生成化合物才能產(chǎn)生吸附作用。氣體脫附：是吸附的逆過程。影響因素:氣體壓強、固體溫度、固體表面吸附的氣體的密度和固體本身的性質(zhì)（如表面光滑度、清潔度等）、以及電吸附、化學(xué)吸附作用的影響。三、固體對氣體的吸附及氣體的脫附第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一表1-2幾種常用真空泵的工作壓強范圍真空泵工作壓強/Pa104102110-210-410-610-810-10氣體傳輸旋片機械泵復(fù)合分子泵擴散泵氣體捕獲無油泵鈦升華泵分子篩吸附泵濺射離子泵低溫泵第二節(jié)、真空的獲得第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一說明：由于不同泵種的工作壓力范圍不同，實際運用中為達一定的真空度，將兩種或以上的真空泵組合起來形成真空泵機組。第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開始工作，極限真空度一般為1~1×10-2Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。

一、旋片式機械真空泵第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一旋片式機械泵通常由轉(zhuǎn)子、定子、旋片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。偏心轉(zhuǎn)子置于定子的圓柱形空腔內(nèi)切位置上，空腔上連接進氣管和出氣閥門。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊旋片，旋片間用彈簧連接，使旋片緊壓在定子空腔的內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是由馬達帶動的，定子置于油箱中，油起到密封、潤滑與冷卻的作用。第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一工作原理：當(dāng)轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使與進氣管相連的區(qū)域不斷擴大，而氣體就不斷地被吸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子達到一定位置時，另一旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開，并將氣體壓縮，直到壓強增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動使氣體不斷地從被抽容器中抽出。特點與使用：單獨使用或用作其他泵的前級泵，低真空系統(tǒng)。缺點：油污染第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一附：干泵第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一渦輪分子泵

二、復(fù)合分子泵多級葉片連續(xù)壓縮保證了高抽速（1000l/s)第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一牽引分子泵

結(jié)構(gòu)簡單轉(zhuǎn)速較小壓縮比大

第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一復(fù)合式分子泵渦輪分子泵抽氣能力高牽引分子泵壓縮比大極限真空度：10-1~10-8Pa第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一三、低溫泵工作原理：依靠氣體分子在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)對氣體分子的去除，進而獲得高真空的裝置。真空度依賴于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類等。第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一兩級制冷機冷頭通過法蘭直接插入到泵殼內(nèi)。屏蔽板及入口障板與制冷機一級冷頭相連，工作溫度在70～80K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧化碳等，主要是為低溫抽氣板提供隔熱屏蔽。屏蔽板頂端或側(cè)壁裝有障板，向著低溫板的一面涂（鍍）黑，外面鍍銀拋光，用以降低二級冷頭的熱負(fù)荷。主抽氣低溫板用銦墊片連接到制冷機二級冷頭上，外表面鍍銀拋光，內(nèi)壁粘活性炭。低溫板工作溫度低于20K（通常為14～15K），能大量冷凝吸附除氫、氦、氖以外的其他常見氣體。低溫活性炭用以吸附氫、氦、氖等難凝氣體。極限真空度：10-1~10-8Pa第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一附：羅茨泵第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

擴散泵是利用氣體擴散現(xiàn)象來抽氣的，它不能直接在大氣壓下工作，而需要一定的預(yù)備真空度（1.33~0.133Pa）。一般與旋片機械泵串聯(lián)使用。油擴散泵的極限真空度主要取決于油蒸汽壓和氣體分子的反擴散，一般能達到1.33×10-5~1.33×10-7Pa。抽氣速率與結(jié)構(gòu)有關(guān)，每秒幾升~幾百升不等。油擴散泵的結(jié)構(gòu)如示意圖

附：擴散泵第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一泵的底部—是裝有真空泵油的蒸發(fā)器，真空泵油經(jīng)電爐加熱沸騰后，產(chǎn)生一定的油蒸汽，蒸汽沿著蒸汽導(dǎo)流管傳輸?shù)缴喜?，?jīng)由三級傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運動的高速蒸汽流，使之具有很好的運載氣體分子的能力。油分子與氣體分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的結(jié)果是油分子把動量交給氣體分子自己慢下來，而氣體分子獲得向下運動的動量后便迅速往下飛去．并且，在射流的界面內(nèi)，氣體分子不可能長期滯留，因而界面內(nèi)氣體分子濃度較小．由于這個濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地擴散進入蒸汽流而被逐級帶至出口，并被前級泵抽走．慢下來的蒸汽流在向下運動的過程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來，沿著泵壁流回蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)使用．冷阱的作用是減少油蒸汽分子進入被抽容器。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一缺點：泵內(nèi)油蒸汽的回流會直接造成真空系統(tǒng)的污染。應(yīng)用領(lǐng)域：真空鍍膜、真空爐、電子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物醫(yī)藥、原子能、宇宙探測等領(lǐng)域。擴散泵能否單獨使用，即從大氣開始抽真空？為什么？如果使用擴散泵時，忘記開冷卻水，結(jié)果會怎樣？思考：第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一加熱鈦靶蒸發(fā)生成鈦膜，并與氣體發(fā)生反應(yīng)工作范圍10-8-10-11Torr價格便宜，可靠附：鈦升華泵第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一在陰陽兩極之間加高壓(~5kV)燈絲產(chǎn)生大量電子氣體分子被電離，并在電場作用下加速飛向陰極.離子在陰極靶(鈦)上轟擊出鈦原子濺射出來的鈦和氣體反應(yīng)捕獲氣體10-4Torrto10-11Torr附：濺射離子泵第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點無油，干凈沒有可拆卸部分，無振動.低能耗，使用壽命長缺點

對稀有氣體捕獲效應(yīng)不明顯.每隔4-6年要重生鈦.應(yīng)用無油超高真空機組的主泵，高能粒子加速器、受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、電真空器件、半導(dǎo)體材料制備、電子顯微鏡、質(zhì)譜儀等科學(xué)實驗裝置及其它需要超高真空工業(yè)設(shè)備中。第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一上節(jié)課內(nèi)容回顧1.真空的概念、劃分及特點2.幾個真空術(shù)語：本底真空度、工作真空度、極限真空度3.概念：前級泵、次級泵4.旋片式機械泵、分子泵、低溫泵、擴散泵的工作原理及第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一壓縮式真空計H.G.麥克勞1874年

Ｕ形管真空計1647年后

第三節(jié)、真空度的測量第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一電阻式真空計

1906年M.皮喇尼熱偶式真空計熱陰極電離真空計1916年O.E.巴克利冷陰極電離真空計1937年F.M.潘寧

BA式電離真空計1950年R.T.貝阿德和D.A.阿爾伯特第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一直接測量氣體壓力不易，利用測定低氣壓下與壓強有關(guān)的某些物理量，再變換后確定壓強。任何具體的物理特性，都是在某一壓強范圍內(nèi)最顯著，任何方法都有測量范圍，這個范圍就是真空計的“量程”沒有一種真空計能夠測量從大氣到10-10Pa的整個領(lǐng)域的真空度第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一一、電阻真空計定義：利用測定熱絲電阻值隨溫度變化的真空計第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一工作過程：真空度↑→氣體分子↓→Q↓分子從熱絲上帶走熱量→熱絲溫度↑→熱絲電阻R↑，可以歸納出R↑→真空度↑第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一電阻真空計的測量范圍為105~10-2Pa。由于是相對真空計，所測壓強對氣體的種類依賴性較大，其校準(zhǔn)曲線是針對干燥的氮氣或者空氣的，所以被測氣體成分變化較大，則對測量結(jié)果要做一定的修正。另外長時間使用后，容易因氧化而產(chǎn)生零點飄移，所以要避免長時間接觸大氣或在高壓下工作。第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一熱量的傳遞不僅僅與壓強有相互關(guān)系，同時與氣體的摩爾量和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)系。不同的氣體會導(dǎo)致壓力測量時得出不同的結(jié)果。在一般情況下，當(dāng)現(xiàn)有的氣體的原子或者分子越大，熱傳導(dǎo)的能力或者效率越低。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一二、熱偶真空計第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一工作過程：真空度↑→氣體分子↓→Q↓分子從熱絲上帶走熱量→熱絲溫度↑→ΔT↑（TA-TB）→E↑熱電勢，可以歸納出E↑→真空度↑第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一熱偶真空計是利用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率與氣體壓強間有依賴關(guān)系制成的。其中有一根細(xì)金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率加熱，則絲的溫度取決于輸入功率與散熱的平衡關(guān)系，而散熱取決于氣體的熱導(dǎo)率。管內(nèi)壓強越低，即氣體分子越稀薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越少，則絲溫越高，從而熱偶絲產(chǎn)生的電動勢越大。通過測量熱偶絲的電動勢來指示真空度了。

第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一Differentgas1:Argon2:Air3:Hydrogen4:CarbonDioxideDifferentpressure第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一測量區(qū)間：102~10-1Pa，（高于100Pa，氣體的熱導(dǎo)率不再隨氣壓的變化而顯著變化；低于0.1Pa，氣體分子傳導(dǎo)走的熱量在總加熱功率中的比例過小，測量的靈敏度下降。）缺點：在測量區(qū)間中指示值呈非線性；測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)；熱慣性和因氧化而發(fā)生的零點飄移，需要校正。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一皮拉尼真空計和熱偶真空計的共同點：

都是以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力的變化為基礎(chǔ)而設(shè)計的，它們是低真空里最常用的測量手段。區(qū)別：皮拉尼真空計：通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實現(xiàn)。

熱偶真空計：通過測量熱絲溫度實現(xiàn)

第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

電離真空計是根據(jù)氣體分子與電子相互碰撞產(chǎn)生電離的原理制成的。它用來測量高真空度，可測范圍為0.133~1.33×10-6Pa。實驗表明，在壓強P≤10-1Pa時，有下列關(guān)系成立I+/Ie=K

P其中Ie為柵極電流，P為氣體壓強，I+為燈絲發(fā)出電子與氣體分子碰撞后使氣體分子電離產(chǎn)生正離子而被板極收集形成的離子電流。K為比例常數(shù)。可見，Ie不變，經(jīng)過用絕對真空計進行校準(zhǔn)，I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度達到10-1Pa以上時，才可以打開電離規(guī)管燈絲。否則，將造成規(guī)管損壞。三、電離真空計第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一影響壓力測量上限的因素：一是在高于10-1Pa壓力下，熱規(guī)的鎢絲陰極將氧化，壽命大為縮短，甚至燒毀。二是高于10-1Pa壓力時，離子流與壓力的關(guān)系曲線開始偏離線性。氣體分子數(shù)增加，電子與分子碰撞數(shù)增加，但能量下降，電離幾率降低，當(dāng)壓強增到一定程度電離作用炮和，曲線偏離線性。第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一影響因素：1、陰極發(fā)射的電子電流強度Ie；2、氣體分子的碰撞截面；3、氣體分子密度。注意：電離真空計的工作上限為0.1Pa左右，在10-6~0.1Pa之間，電離真空計的測量指示值與氣體壓力呈線性關(guān)系。由于不同氣體的碰撞電離截面不同，因而電離真空規(guī)的測量值也與所測氣體種類有關(guān)。第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一熱陰極電離真空計1916年O.E.巴克利冷陰極電離真空計1937年F.M.潘寧

BA式電離真空計1950年R.T.貝阿德和D.A.阿爾伯特按電離源不同分為：第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一熱陰極電離真空計

通稱電離真空計，主要用于高真空測量。它是由圓筒式熱陰極電離規(guī)管和測量線路兩部分組成。這種規(guī)管與三極電子管相似，有

3個電極：陰極（燈絲）、螺旋形柵極（加速極）和圓筒形收集極。測量時，規(guī)管與被測真空系統(tǒng)相連。通電后，熱陰極發(fā)射電子，在飛向帶正電位的加速極的路程中與管內(nèi)空間的低壓氣體分子碰撞,使氣體分子電離。電離所產(chǎn)生的電子和離子,分別在加速極和收集極（帶負(fù)電位）上形成電子流Ie和離子流Ii。在被測氣體壓力低于10-1帕的狀況下,當(dāng)電子流Ie