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第七单元 真空技术7-0 真空技术基础知识“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。
真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。
此后，人们不断致力于提高真空度，随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。
一、真空物理基础 1． 真空的表征表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。
单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2）：1牛顿/米2=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105(Pa)，1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。
各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。
通常可分为：低真空（Pa 10~1013-）、高真空（Pa 10~1061--）、超高真空（Pa 10~10-10-6）和极高真空（低于Pa 1010-）。
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。
关于真空技术基础理论的学习报告本章主要讲述了真空的基础知识及稀薄气体的基本性质，另外阐述了获得真空的主要指标及关键因素，介绍了几种常用真空计的工作原理与测量范围。
1.真空的基本知识薄膜制备方法分物理沉积和化学沉积两大类。
（1）物理气相沉积法是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的，简称PVD (Physical Vapor Deposition) 技术。
其基本制作技术包括：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等。
（2）化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD(Chemical Vapor Deposition)技术。
CVD 法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜。
它可制备多种物质薄膜。
它们均要求淀积薄膜的空间具有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
1.1真空及其单位真空是指低于一个大气压的气体空间。
与正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
真空是相对的，绝对的真空是不存在的。
通常所说的真空是一种“相对真空”。
在真空技术中对于真空度的高低，可用多个参量来度量，最常用的有“真空度”和“压强”。
此外，也可用气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需的时间等来表示。
（注：“真空度”和“压强”是两个概念，不能混淆：压强越低，意味着单位体积中气体分子数愈少，真空度愈高；反之真空度越低则压强就越高。
由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位是用压强来表示。
）在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡(Pascal)，简称帕(Pa)，是目前国际上推荐使用的国际单位制(1971年国际计量会议正式确定)。
托（Torr）是在最初获得真空时(1958年托里拆利)就被采用的、真空技术中的独特单位。
工程中所用旧单位与Pa之关系(1Pa=1N/m2)•毫米汞柱(mmHg)(最早最广泛使用的压强单位)1mmHg＝133．322Pa•托(Torr)1Torr (＝ 1mmHg) ＝1atm/760 ＝133.322Pa（atm表示标准大气压，毫米汞柱与托在本质上是一回事，二者相等）• 巴(bar)1bar＝105 Pa=105N/m2=106达因/cm2=0.986923 atm• 1 kgf/cm2≈1atm (1atm=1.0333kgf/cm2)• 1 atm=760mmHg=0.1013MPa即1MPa约=10 atm(常用储气瓶满瓶压力约200atm)1.2真空区域的划分粗真空( 1×105--1×103 Pa )⏹低真空(1×103--1×10-1Pa)⏹高真空(1×10-1--1×10-6Pa)⏹超高真空(1×10-6--1×10-10Pa)⏹极高真空(＜1×10-10Pa)1.2.1粗真空（1×105--1×103 Pa）在粗真空状态下，气态空间的特性和大气差异不大，气体分子数目多，并仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。
真空技术基础知识⼀真空的概念物理学上将真空定义为:⼀个空间不含有任何物质的状态(或称之为绝对真空);然⽽事实上这种状态⽆法⼆真空范围从技术⾓度讲已经可以达到10-14的数量级,但实际应⽤中使⽤范围较⼩.三真空的表⽰⽅法1)绝对值表⽰法真空度以相对于绝对0度的数值表⽰.绝对0度(即0 bar)是最低真空度,相当于100%真空.在这⼀真空范围特点：真空值采⽤正值真空范围1-0bar2)相对值表⽰法真空值以相对于环境压⼒的⽐例值表⽰，前⾯标以负号，因此此真空值环境压⼒（即⼤⽓压⼒）北视为特点：真空值采⽤负号真空范围0-1；3)百分⽐表⽰法⽤绝对⼤⽓压压⼒值与海平⾯⼤⽓压压⼒值的⽐值表⽰；百分⽐相对值绝对值0%1，013mbar（海平⾯⼤⽓压）压⼒表压⼒表恒温下,所含分⼦微粒少,压⼒⼩,真空度越⾼恒温下,所含分⼦微粒多,压⼒⾼,真空度越低105102GV(低真空)FV(中等真空)10-1HV(⾼真空)10-5UHV(超⾼真空)10-14应⽤于抓取技术的真空范围;真空技术基础知识50%507mbar80%202mbar 100%0 mbar 四真空度测量单位官⽅单位：帕斯卡（Pa）其他单位：bar、mbar、%等单位换算：1bar＝1000mbar100Pa=1hPa1hPa=1mbar1托(Torr)＝1毫⽶汞柱(mmHg)＝133.329帕(Pa) 1mbar=0.001bar1Pa =1N/m21物理⼤⽓压＝1标准⼤⽓压(atm)普适定理海平⾯的⼤⽓压⼒约为1，013mbar海拔⾼度达到2，000m时，⼤⽓压⼒降低为763mbar，⼤约每100m降低1%到达海拔5，500m时，压⼒仅为海平⾯的50%；在珠穆朗玛峰（海拔8，848m），⼤⽓压仅为330mbar当海拔达到16，000m时，⼤⽓压⼒约为90mbar，⽽在30，000与50，000的海拔⾼度，⼤⽓压⼒分真空发⽣器产⽣真空原理⽂丘⾥原理进⽓⼝/⽂丘⾥喷嘴真空/吸盘连接⼝排⽓⼝/接收器喷嘴真空技术常⽤图⽰符号1⼯程⼤⽓压＝1千克⼒/厘⽶2(kgf/cm2)1MPa＝1x106Pa 1mbar＝1000µbar＝1000dyn/cm2( 达因/厘⽶2)-811 mbarPU R 321123-1,013mbar1、真空发⽣器2、真空压⼒表3、过滤器4、单向阀5、储⽓罐7、节流阀8、消声器基本真空回路图真空安全阀（ISV)⼀、应⽤范围⽤于多个吸盘并⾏安装的情况，如果⼀个或⼏个吸盘没有与物体完全接触，则整个真空不会消失⼆、功能图1、真空发⽣器2、分配器3、真空安全阀4、吸盘1121223三、⼯作原理4这种状态⽆法实现.因此通常当某⼀空间内的空⽓压⼒低于其外部⼤⽓压⼒或是空间内空⽓分⼦颗粒这⼀真空范围内1 bar为最⼤值,代表⼤⽓压⼒.压⼒）北视为0值参考点。
