7~0真空技术基础知识

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。

一、真空技术知识1.1 真空区域的划分真空是指气体压力低于一个标准大气压（101325Pa）的气体状态。

在真空状态中，真空度越高，气体状态越稀薄，气体分子的物理特性就逐渐发生变化，因此把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变的过程，作为划分真空区域的依据，是比较合适的。

根据我国所制订的国标GB3163的规定，真空区域大致划分如下：低真空区域 105~102 Pa （760~1托）中真空区域 102~10-1 Pa （1~10-3托）高真空区域 10-1~10-5 Pa （10-3~10-7托）超高真空区域 10-5～10-12Pa （10-7～10－10托）超高真空区域 <10-12Pa （<10-10托）1.2 理想气体定律及其状态方程所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。

由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。

现就有关问题分述如下：1.2.1 气体定律气体的压力p(Pa)、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：1. 波义耳—马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。

即：pV=常数2. 盖·吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：V常数T3. 查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：上述三个公式习惯上称为气体三定律。

具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。

例如：初始压力和体积为P 1、V 1的气体，经等温膨胀后体积变为V 2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P 2=P 1V 1/V 2。

这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。

4. 道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P=P 1+P 2+……P n这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。

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。

真空技术基础一个标准大气压为1.0133×105 帕。

“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。

在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其它粒子之间的相互碰撞也随之减少。

这些特点被应用于科研、生产的许多部门中。

例如：加速器，电子器件，大规模集成电路，热核反应，空间环境模拟，真空冶炼等。

在高真空中，由于材料中易挥发物的损失，表面吸附层的变化，物体表面特性也随之改变。

七十年代以来，表面科学的研究一直十分活跃，它不仅有很强的理论性，还有重大的应用价值。

随着科研、生产的发展，获得并保持真空已形成一门相应的技术¾¾真空技术。

它包括：真空的获得、真空测量、检漏、真空系统的设计等。

依据真空概念，低于一个大气压的气体状态称为真空。

真空度愈高，压强愈低，故用气体压强表示真空度。

我国采用国际单位¾¾帕(Pascal)，以前曾长期使用另一真空度单位托。

一、真空的获得1. 机械泵机械泵是利用机械方法使工作室的容积,周期性地扩大和压缩来实现抽气的。

属于这一类型的有活塞抽气机和旋转抽气机。

这是一种低真空泵，单独使用时可获得低真空，在真空机组中用作前级泵。

旋片式真空泵结构如图3-1 所示。

主要部件为圆筒形定子、偏心转子和旋片。

工作原理如图3-2 所示。

偏心转子绕自己中心O 轴按箭头所示方向转动，转动中定子、转子在B 处保持接触、旋片靠弹簧作用始终与定子接触。

两旋片将转子与定子间的空间分隔成两部分。

进气口C 与被抽容器相连通。

出气口装有单向阀。

当转子由(a)转向(b)时，空间A 不断扩大，气体通过进气口被吸入；转子转到(C)位置，空间A 和进气口隔开，转到(d)位置以后，气体受到压缩，压强升高，直到冲开出气口的单向阀，把气体排出泵外。

转子连续转动，这些过程就不断重复，从而把与进气口相连通的容器内气体不断抽出，达到真空状态。

机械泵在工作过程中，转子在快速运动，两片旋片在不断伸缩，在定子与转子、旋片与定子、旋片与转子各自的接触处都存在磨擦，同时为了实现相对运动，活动零件相互间留有一定的公差，即存在着微小间隙。

真空技术的基本原理和应用真空技术是现代科学技术的重要分支之一，广泛应用于航空航天、半导体制造、光学镀膜、电子器件和材料科学等领域。

本文将介绍真空技术的基本概念、常见真空度和真空泵的分类、原理及应用等内容。

一、真空技术的基本概念真空是指在一个封闭的容器结构内，气体分子的平均自由程大于或等于该结构的尺寸，无法通过碰撞相互传递，从而形成的气体状态。

真空技术是利用真空环境下气体的流动性和物理、化学性质进行材料加工、产品测试和科学研究的技术。

二、常见真空度和真空泵的分类1. 常见真空度真空度的单位是帕(Pa)，衡量压强大小的基本单位。

一般来说，真空度等于1帕时已经属于"真空"。

根据压力的不同，真空度通常分为大气压(约1*10^5帕)、高真空(10^3～10^5帕)、超高真空(10^-1～10^3帕)和极高真空(10^-7～10^-1帕)等不同等级。

2. 真空泵的分类真空泵是用于排气并维持真空度的设备，按照其工作原理和结构特点可以分为机械泵、扩散泵、栅极放电离子泵、离子泵、分子泵等多种类型。

机械泵通常用于真空度在1～10^3帕范围内的气体排放，而分子泵、离子泵等则应用于超高真空范围内。

三、真空泵的原理及应用1. 机械泵机械泵是利用机械运动原理将气体压缩并加速排放的泵，适用于真空度在1～10^3帕范围内。

机械泵一般被广泛应用于高真空系统中，如微电子器件制造中的真空流程，以及真空实验中的真空度维持等。

2. 扩散泵扩散泵利用分子扩散原理把气体分子从低压区域转移到高压区域的泵，适用于高真空和超高真空范围。

扩散泵可被广泛应用于真空制程、真空加热、真空镀膜等领域。

3. 离子泵离子泵利用静电力场和磁场作用于离子，将气体分子逐渐抛离到反极板上，并将离子吸入电场内，使离子发生新的电离交换。

适用于超高真空和极高真空范围。

离子泵是现代半导体制造和核物理等领域中高效的承压排气设备。

4. 分子泵分子泵是一种利用气体分子中的分子扩散和抽吸作用将气体排到高真空范围内的泵。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
真空技术相关常识介绍
Q: 真空？
A: 在给定的空间内低于一个大气压的情况。

Q: 标准环境条件？
A: 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压力为101325Pa。

Q: 压力（压强）？
A: 气体分子从某一假想平面通过时，沿该平面的正法线方向的动量改变率，除以该平面面积，或者气体分子作用于其容器壁表面上的力的法向分量，除以该表面面积。

Q: 真空度？
A: 真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值来表示。

Q: 真空区域划分？
A: 低真空105 ～102Pa
中真空102 ～10-1Pa
高真空10-1 ～10-5Pa
超高真空小于10-5Pa
Q: 真空泵？
A: 用以产生、改善和维持真空的装置。

基本包括气体传输泵与气体捕集泵二种。

Q: 气体
A: 不受分子间相互作用力的约束且能自由地占据任意空间的物质。

Q: 平均自由程？。