第1章 真空技术的物理基础

第二章 真空计量基本知识一、真空1.1 真空、理想气体状态方程、气体分子的热运动地球的周围有一层厚厚的空气，称为大气，人类就生活在这些大气中。

空气有一定的质量，在通常状况下，大约为1.29g/l ，可以说是很轻的。

但地球周围的空气非常密，在几十公里以上的高空还有空气存在，这么厚的一层空气受地球引力作用，就会对地面上的一切物体产生压力，这就是大气压。

早在17世纪，托里拆利就通过实验证实了大气压强的大小。

通常一个标准大气压约等于0.1MPa ，相当于760mm 左右的汞柱所产生的压强。

真空是指低于一个大气压的气体空间，但不可理解为什么都没有。

真空是同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。

按照阿佛加德罗定律1mol 任何气体在标准状况下，有6.022×1023个分子，占据22.4L 的体积。

由此我们得到标准状态下气体分子的密度为319/103cm 个⨯。

在非标准状况下，当气体处于平衡时，满足描述理想气体的状态方程。

式中的N 为气体的摩尔数，P 为压力（Pa ）,T 热力学温度，κ为波尔兹曼常数，κ=1.38×10-23J/K 。

因此在非标准状况下，气体分子数密度与压力和温度有关。

每立方厘米中的气体分子数可以表示为： TP n 61024.7⨯= 式中n 为气体分子数密度（cm -3），由此可见，即便在Pa P 11103.1-⨯=这样很高的真空度时，T=293K 时，每立方厘米的空间中仍有数百个气体分子。

因此所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。

同时我们也可知，气体分子数密度在温度不变时，与压力成正比。

因此，真空度可用压力来表示也是以此为理论依据。

在真空抽气过程中，一般可认为是等温的，我们说容器中的压力降低了或气体分子数密度减少了都是正确的。

1.2 气体分子的热运动 从微观的角度看，气体是由分子组成的，所有分子都处在不断的、无规则的运动状态。

分子的这种运kT V N p ⎪⎭⎫ ⎝⎛=动与温度有关，因此我们称之为热运动。

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。

真空技术基础知识真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技术和生产领域,它日益成为许多尖端科学、经济建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础.作为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、航天技术的发展都离不开真空,反过来它们飞跃前进正在推动真空技术的迅速发展,成为真空科学技术发展史上的三个飞跃阶段,从而使真空技术由原来主要应用领域电真空工业,扩展到低温超导技术、薄膜技术、表面科学、微电子学、航海工程和空间科学等近代尖端科学技术中来.至于在一般工业中应用实在种类繁多,不胜枚举.它涉及冶金、化工、.医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用真空技术.例如有机物的真空蒸馏,某些溶液的浓缩、析晶、真空脱水、真空干燥等.人们还利用真空中的各种特点,研制生产出真空吊车、电子管、显像管、中子管.就连人们日常生活中使用的灯管、暖水瓶、真空除尘器等都离不开真空技术.1.真空与真空区域的划分“真空”是指在给定的空间内,气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态。

不同的真空状态有不同的气体分子密度。

在标准状态下，每立方厘米的分子数为2.6870×1019个，而在真空度为10-4帕时，每立方厘米的分子数为3.24×1010个，即使用最现代的抽气方法获得的最高真空度10-13帕时，每立方厘米中仍有3.24×10个分子。

所以真空是一相对概念，绝对真空是不存在的。

气体分子密度小、分子之间相互碰撞不那么频繁，单位时间内碰撞容器壁的分子数减少，从而使真空状态下热传导与对流小，绝热性能强，可降低物质的沸点和汽化点等。

真空的这些特点被广泛应用到生活、生产和科研的各个领域中。

真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。

它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。

气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。

在真空技术领域中，过去常用的压强单位为托（torr），它与目前国际单位制中压强单位帕斯卡的换算关系为：1帕=1牛顿/米2=1千克/米.秒2=7.50062×10-3（托）1托=1/760（标准大气压）=101325.0/760（帕）=133.3224（帕）为使用方便，人们根据真空技术的应用特点、真空物理特性和真空机械泵、真空计的有效使用范围，将真空划分为不同区域及对应的物理特点和主要应用领域，如表1所示。

真空技术基础知识前言1. 真空“真空”来源于拉丁语“Vacuum ”，原意为“虚无”，但绝对真空不可达到，也不存在。

只能无限的逼近。

即使达到10-14—10-16托的极高真空，单位体积内还有330—33个分子。

在真空技术中，“真空”泛指低于该地区大气压的状态，也就是同正常的大气比，是较为稀薄的气体状态。

真空是相对概念，在“真空”下，由于气体稀薄，即单位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它质点（如电子、离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞表面（例如器壁）的次数亦相对减少。

这就是“真空”最主要的特点。

利用这种特点可以研究常压不能研究的物质性质。

如热电子发射、基本粒子作用等。

2. 真空的测量单位一、用压强做测量单位真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度，作为这种量度，最直接的物理量应该是单位体积中的分子数。

但是由于分子数很难直接测量，因而历来真空度的高低通常都用气体的压强来表示。

气体的压强越低，就表示真空度越高，反之亦然。

根据气体对表面的碰撞而定义的气体的压强是表面单位面积上碰撞气体分子动量的垂直分量的时间变化率。

因此，气体作用在真空容器表面上的压强定义为单位面积上的作用力。

压强的单位有相关单位制和非相关单位制。

相关单位制的各种压强单位均根据压强的定义确定。

非相关单位制的压强单位是用液注的高度来量度。

下面介绍几种常用的压强单位。

【标准大气压】（atm ）1标准大气压=101325帕【托】（Torr ）1托=1/760标准大气压【微巴】（μba ）1μba=1达因/厘米2【帕斯卡】（Pa ）国际单位制1帕斯卡=1牛顿/m2【工程大气压】（at ）1工程大气压=1公斤力/厘米2二、用真空度百分数来测量%100760760%⨯-=P δ 式中P 的单位为托，δ为真空度百分数。

此式适用于压强高于一托时。

3. 真空区域划分有了度量真空的单位，就可以对真空度的高低程度作出定量表述。

此外，为实用上便利起见，人们还根据气体空间的物理特性、常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空技术应用特点这三方面的差异，定性地粗划为几个区段。

第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。

答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。

通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。

2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。

完全没有气体的空间状态称为绝对真空。

目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。

因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱和托答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。

1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。

1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域是如何划分的答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。

6、真空各区域的气体分子运动规律。

答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。

真空技术在航空航天中的应用随着时代的发展和人类的不断进步，科技也在不断地发展和创新。

在航空航天领域，真空技术被广泛应用，并成为了航空航天领域不可或缺的一个重要部分。

本篇文章将会探讨真空技术在航空航天中的应用，包括真空技术的基础知识、真空技术在飞行器制造中的应用以及真空技术在航天器中的应用。

一、真空技术的基础知识在了解真空技术在航空航天中的应用之前，我们需要先了解一些真空技术的基础知识。

真空技术是一种利用真空状态下的物理现象来完成工业生产制造及对物质的处理的技术。

真空状态是指气压低至1000KPa以下的气体环境，在这种环境下，气体分子数量极少，分子之间的相互碰撞也极为少，处于一种近似于无碰撞的状态下，因此可以避免化学反应的发生，实现对物质的处理。

在真空技术中，真空度是考量和描述真空状态的一种重要指标。

真空度是指空间内气体分子数密度的大小。

当真空度越高时，含气量越少，气体影响越小，真空状态下的物理现象也会发生一些变化。

例如，在真空状态下，固体材料的表面会发生极为微小的表面形变和分解，这样可以实现对杂质的去除，提高材料的品质。

二、真空技术在飞行器制造中的应用在飞行器制造中，真空技术被广泛应用。

例如，在机翼生产中，采用真空技术可以实现复合材料的成型。

在复合材料成型过程中，材料需要和树脂一起在模具中进行加工。

通过将模具内保持在真空状态下，可以避免气泡、残留气体等因素导致的材料缺陷，提高机翼强度和稳定性。

此外，在飞行器制造中，真空技术还被应用于涂装和涂层工艺中。

涂层工艺是保护飞行器表面的一种重要方法。

在涂层工艺中，真空技术可用于保证表面涂层的均匀性和密实性，以及减少气泡和划痕等因素对涂层质量的影响。

三、真空技术在航天器中的应用在航天器中，真空技术的应用更为广泛和深入。

例如，在航天器的推进中，真空技术被用于推进剂的喷射。

由于在真空状态下，气体分子数量和相互碰撞数量都非常少，这样就可以避免气体的阻塞和漩涡现象，更加安全和稳定地完成推进任务。

物理实验技术中的真空技术使用方法引言：真空技术是物理实验中必不可少的关键技术之一，其广泛应用于加速器、恒温恒湿环境、半导体工业等领域。

本文将针对物理实验技术中的真空技术使用方法进行探讨，从理论基础、真空系统构建、真空度测量与控制等方面进行综述。

一、理论基础真空技术是通过减少气体分子数量来降低气体压强的技术手段。

根据热力学原理和气体动力学理论，我们可以了解到真空技术的基本原理。

实验室中常用的真空度表达方式主要分为压强和气体分子数密度两种，后者又包括全压和分压两种。

二、真空系统构建真空系统由真空容器、抽气装置、漏气检测装置和真空度测量与控制装置四部分组成。

1. 真空容器：真空容器是真空技术的载体，其材料选择、密封方式以及结构特性直接影响真空度和使用寿命。

常见的真空容器材料有玻璃、陶瓷、金属等。

对于高真空实验，通常采用金属真空容器，如不锈钢和铝合金。

2. 抽气装置：抽气装置用来移除真空系统中的气体分子，常见的抽气方法包括机械泵、扩散泵、吸附泵等。

在选择抽气装置时需要考虑气体种类、泵速、气体压强等因素。

3. 漏气检测装置：漏气检测装置用来检测真空系统中的漏气情况。

常见的漏气检测方法包括质谱法、检漏仪法、帕氏法等。

在进行漏气检测前需要进行严密的封装，以排除外界干扰。

4. 真空度测量与控制装置：真空度测量与控制装置用来对真空系统中的真空度进行测量与控制。

常见的真空度测量方法包括气体比容法、捷联压电式真空计、旋转弗兰克敏电离规等。

三、真空度测量与控制真空度的测量和控制是确保实验结果准确性的关键，以下几种常见的真空度测量与控制方法供参考:1. 气体比容法：利用截然不同真空度下气体比容的变化规律进行真空度测量。

具体方法为用较小容积的量热器测得气体密度，然后推算出真空度。

2. 捷联压电式真空计：通过测量电极上被电离的离子电流的大小来确定真空度。

3. 旋转弗兰克敏电离规：通过控制电筒的脉冲频率和采样期来实现对真空度的精确测量。

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。