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ch1真空技术基础

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真空技术基础

真空技术基础

极限真空Pu（Pa）：真空系统所能达到的最高真空，决定镀 膜的质量； 抽气速率S（L/S）：规定压强下单位时间所抽出的气体的体 积，决定抽真空需要的时间。 真空系统所能达到的真空度由方程决定：
Q V dPi P Pu S S dt
式中，Pi为被抽空间气体的分压强，Q为真空室的各种放 气源的气体流量，V为真空室的体积，t为时间。
39
吸气 吸气
吸气截止
压缩
排气
40
41
42
对机械泵油的基本要求：������ 1.饱和蒸汽压低。不容易挥发。������ 2.有一定的润滑性和粘度。润滑和油封性能好。 3.稳定性高。耐高温，不易氧化变质。 4. 定期检查油面，补充泵油。
43
空气中水蒸汽的处理
气镇阀
44
1.3.2 油扩散泵
麦克斯韦速度分布曲线
16
用麦克斯韦速度分布函数求平均值 平均速度

va
0
v vf (v)dv
0
m 4 2kT
8kT m
3/ 2
2 mv 3 v exp 2kT dv
va v
17
方均根速度
vr
v
2
式中1/π是由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。
27
余弦散射律的意义：
固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦 定律；散射的本质是一个再发射过程，分子在固体表面要停 留一定时间，使之与固体进行能量交换。
28
作业：


试举出工业上利用真空技术的5个例子。 试从荧光灯的发光原理出发，解释荧光 灯管为什么要抽真空？ 估算标准状态下空气分子的平均自由程。 （空气分子的平均直径等相关参数请 查阅有关文献。）

真空技术基础(电阻规 电离规)

真空技术基础(电阻规 电离规)
压强(帕) 10 4 10 3 10 2 1 0 1 01 0.1 0.01
5
接 阀门 机 械 泵
0
5
2 1 1 0 5 0 图3-3 抽气曲线
2 5
热 偶 规
时间(分)
图 3-4
定容法抽速测量装置
2. 定容法测量抽速实验 在真空系统中，对一定容积的被抽容器，随着气体逐渐被抽出，容器内压强包括抽气机进 口处的压强不断降低，因而每次抽出的气体在不断减少，抽速就不断变化。这样，抽气机 的抽速应是在某一瞬时压强下被抽气体体积对时间的导数。即：
7
根据(3-2)或(3-3)式，只要测出一系列压强、时 图 3-5 三级高真空油扩散泵 间值。可在半对数坐标纸上作出抽气曲线。求出抽 1. 进气口 6. 回油管 d ( gP) / dt 代入(3-3)式， 2. 冷凝阱 7. 扩散泵油 即可 气曲线某点的斜率 3. 冷却水套 8. 喷射喷口 求出该压强下的抽气速率。 4. 第一级喷口 9. 出气口 如只需粗略估计抽速，可求其平均抽速。 5. 第二级喷口
70
油蒸汽一起向下运动。油蒸汽被冷却水套冷却，结成油滴回到泵底循环使用，空气分子此 时向喷口下方集结。如此三级喷口逐级起作用，将进气口空气分子集结到出气口，再由机 械泵将积聚起来的气体抽走，可见扩散泵和机械泵必须串接使用才形成抽气过程获得高真 空。 一般三级油扩散泵的极限真空度为 10 帕。影响极限真空度的主要因素是油蒸汽压和 气体分子的反扩散。若加低温冷凝阱（放入干冰或液氮等），阻截油蒸汽分子进入系统， 或采用低蒸汽压扩散泵油，可使极限真空度提高 1-2 个数量级。 玻璃扩散泵的抽速一般为几十升/秒，金属扩散泵可达几百升/秒以上。 扩散泵使用注意事项： (1) 扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作前级泵，并使系统抽到 10 帕量级时才能 启动扩散泵； (2) 泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率; (3) 牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段时间后才能关闭。 4. 其它几种真空泵 (1) 分子泵 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子而获得高真空、超高真空的一种机械真空泵。 -8 工作压强范围为 1 ~ 10 帕。泵的转速为10000 转/分到 50000 转/分，这种泵的抽速范围很宽， 但不能直接对大气排气，需要配置前级泵。分子泵抽速与被抽气体的种类有关，如对氢的 抽速比对空气的抽速大 20% 。 分子泵适用于真空作业，如真空冶炼，半导体提纯，大型电子管排气、原子能工业、 空间模拟等。 (2) 吸附泵 许多化学性活泼的金属元素，如钛、钨、钼、锆、钡等都具有很强的吸气能力。其中 钛有强烈的吸气能力，在室温下性质稳定，易于加工，所以广泛用于真空技术，发展成为 一种超高真空泵¾¾钛泵。 钛泵的抽气机理是气体分子碰撞在新鲜的钛膜上，形成稳定的化合物，随后又被不断 蒸发而形成的新钛膜所复盖。新钛膜又继续吸附气体分子，如此形成稳定的抽气。钛泵对 被抽气体有明显的选择性，对活性气体抽速很大，对惰性气体抽速很小。因而往往需要扩 -6 -10 散泵等作为辅助泵。钛泵的极限真空度为 10 ~ 10 帕。 钛泵可应用于热核反应装置，加速器，空间模拟，半导体元件的镀膜技术和要求无油 污染的真空设备。 (3) 低温吸附泵 用低温介质将抽气面冷却到 20K 以下，抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度 高的气体，产生很大的抽气作用。这种用低温表面将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低 温泵，或称冷凝泵。

一章真空技术基础pptppt课件-PPT课件

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第一章 真空技术基础
1. 真空的基本知识
2. 真空的获得 3.3.真空测量 4.4.真空系统
一、真空的基本知识
1. 什么是真空？ “真空” 拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =>气体较 稀薄的空间。
2.真空的基本特点 a 气体分子的平均自由程大
室温下, 压强为 10-4 Pa 时氮分子的平均自由程 >50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。
3. 真空的应用
（1）产生压力差以完成某些过程
（2）降低某些过程发生所需要的能量势垒，如
凝聚或蒸发过程 （3）隔热 （4）产生干净表面，表面过程，可控薄膜沉积、 wafer bonding
（5）净化腔体(气体、灰尘)
（6）真空干燥
（7）提高分子运动平均自由程
4. 真空度的单位
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表 示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“ 托 ”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压 力的单位为帕(Pa)。我国采用SI真空单位。
想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境 下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中 进行。
e 改变反应进程
1 2 Si3N4 C SiC N2 3 3 G T 1 124117 83 G2 124117 83T RT ln p2/3
压强修正
压强降低，降低了反应温度
真空区域划分

真空区域划分为：粗 2 1 10 ~ 1 10 Pa
低真空
高真空 超高真空 极高真空
2 1 1 10 ~ 1 10 Pa
1 10 ~ 1 10 Pa

真空技术基础-PPT课件

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比较：
种类 电容真空计 测量范围 10-3～ 103Pa 特点 灵敏度高、气体的介电常数不变、压力 读数完全不受气体成分影响、反应速度 快 整个线性误差允许范围是正负百分之３ ０，其中１０００Ｐa------1Pa这一段 线性最好，也就是从中真空段到低真空 段部分． 精度不高，但是电路简单,价格低廉。 应用于高真空至超高真空领域,定量性能 优异。通常与热偶规同时使用 注意 使用前一般需要预热数小时。 必须在高于环境温度的恒温条件下使用。
变容积 式泵
气体动 力式
涡轮分 子泵
分子牵 引
10-8 Pa
与旋片机械泵串 联使用，需要机械 泵抽预真空(1Pa)； 无油污染
。
价格昂贵。
离子泵
冷泵
欲除之气体不排除 大气，而是通过物 理或化学的方式永 久或暂时吸附在系 统中
物理吸 收作用
10-8 Pa
需要机械泵抽预真 价格较贵；高温时， 空(10-1pa)；无油 被吸附的气体又释 放出来。 高真空，无振动， 抽速快。
• 超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可 有足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的 技术突破，它导致了近二十年来新兴表面科学研究的 蓬勃发展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等 基本研方面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了 发展。
真空的获得
气体流动及导率
气体传导率
–串联的气体传导率：1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + … –并联的气体传导率：C = C1 + C1 + C3 + …
11
压力范围和真空泵
真空度可分为：
气流种类 真空状态 初真空： 10 Pa~105 Pa 真空压力 10 Pa~105 Pa 特性分析 气体分子间因黏滯 力作用，气体运动 有方向性，此方向 与抽气方向相同 真空度在10-6Torr 以内时，水汽占 70%-90% 应用范围

（整理）真空技术基础知识

（整理）真空技术基础知识

（整理）真空技术基础知识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。

真空技术基础

真空技术基础

克努森准数Kn —划分分子流状态与黏滞流状态
Kn D /
其中，D为气体容器的尺寸， 为气体分子的平均自由程。
根据Kn的大小，气体的流动可 被划分为三个不同的区间:
分子流状态：
过渡状态： 黏滞流状态：
Kn﹤1
Kn＝1～110 Kn﹥110
§4-2 气体管路的流导
流导：真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气 体的通过能力称为它的流导。 设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力 降低，则其流导C的定义为：
Q C P 1P 2
式中，P1和P2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部 件的气体流量(L)。
流导的求解： 当不同的流导C1，C2，C3之间相互串连或并联时，形 成的总流导C可以通过下式求出：
串联流导：
1 1 1 1 1 C C1 C2 C3 Cn
并联流导：
II. 理想气体状态方程：
m PV RT M
P
其中:
m m N RT kN0T kT nkT VM VN 0 V
R P0V0 / T0 8.3149 J mol1 K 1
k R / N0 1.3810
23
J /K
m 为气体的质量，M 为气体的摩尔质量， 为气体分子的
2
n为单位体积内气体分子的数目。
平均自由程( )与气体的热力学温度(T)、玻耳兹曼常数 (k=R/N0)、某种气体分子的有效截面直径d(常温常压下＝ 0.5 nm)、气体压力和单位体积内气体分子数n之间的关系 为(普通物理学，程守洙主编，P299) ：

平均自由程(
kT 1 1 2 2 2d p nd 2
C C1 C2 C3 Cn

第1章 真空技术基础ppt课件

第1章 真空技术基础ppt课件

式中：n — 分子密度 (个/m3)； k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
P — 气体压强 (Pa)；
T — 气体温度 (K)；
V — 气体体积 (m3)；
m — 气体质量 (kg)；
M — 气体分子量 (kg/mol)； R — 普适气体常数，R = NA·k = 8.314 J/mol·K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
1.333×10-3
(1.013×105/760) (1.013/760)
atm
1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2
7.501×10-3
(760/1.013×105)
7.501×102
105
10-5
9.869×10-6 1.4504×10-4
(1/1.013×105)
9.869×10-1 1.4504×101
P nkT n P Avogadro定律：
kT
一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。
平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
1 kT 2π 2n 2π 2P
表明：
1） 与P成反比，而与 T 成正比；
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m2
主要单位制
厘米克秒制（CGS 制） 1 bar＝106
英制（FPS制） 1
PSI ＝1
lbf
/ in
2
dyne/cm 2
毫末汞柱制（mmHg 制）1 torr＝1 mmHg ＝1/ 760 atm

真空技术基础知识1

真空技术基础知识1

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。

第1章真空技术基础

第1章真空技术基础

几个常用单位的换算
真空的区域划分
•粗真空：1×105 —1×102帕（Pa) •低真空：1×102 —1×10-1帕（Pa) •高真空：1×10-1—1×10-6帕（Pa) •超高真空：1×10-6帕以上
真空各区域气体分子的运动
真空各区域气体分子运动性质各不相同。 粗真空下，气体分子近似为大气状态，分子仍以热运 动为主，分子之间碰撞十分频繁； 低真空是气体分子的流动逐渐从粘滞流状态向分子状 态过渡，此时气体分子之间和分子与器壁之间的碰撞 次数差不多； 当到达高真空时，分子的流动已为分子流，气体分子 与容器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； 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，分子与器壁的碰撞次数也更少。
三、电离真空计
电离真空计是目前广泛使用的真空测量 计，它是利用气体分子电离的原理进行真 空度测量的。 根据气体电离源的不同，又分为热阴极电 离真空计和冷阴极电离真空计。 左图为普通电离计规管结构，它主要有三 个电极：发射电子的灯丝作为发射极A，螺 旋型加速并收集电子的栅极B和圆筒型离子 收集极C等三部分组成，其中发射极接零 电位，加速极接正电位，收集极接负电 位，B和C之间存在拒斥场。
第2节 真空的获得
一. 真空泵的分类
容积泵 气体传输泵 动量传输泵 真空泵 吸附泵 气体捕集泵 低温泵
气体传输泵
它是一种能使气体不断吸入和排出泵外以达到 抽气目的的真空泵。 具体分为容积泵和动量传输泵
容积真空泵
利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气、压缩 和排气的装置 往复式真空泵 容积真空泵 旋转式真空泵
真空技术中，气体在固体表面的吸附和脱附总是存在 的，只是外界条件不同，产生吸附和脱附的程度不 同。 一般地，影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素 是气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密 度、以及固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度 等。 当固体表面温度较高时，气体分子容易脱附，对真空 室的适当烘烤有利于真空的获得就是利用这个道理。

2 第一章 真空技术基础1

2 第一章 真空技术基础1

1.2 稀薄气体的基本性质
☞ 稀薄气体的参数
Degree of Vacuum Atmospheric Low Medium High UltraHigh Pressure (Torr) 760 1 10-3 10-6 10-10 Gas Density, ρ (molecules m-3 ) 2 x 1025 3 x 1022 3 x 1019 3 x 1016 3 x 1012 Mean Free Path (m) 7 x 10-8 5 x 10-5 5 x 10-2 50 5 x 105 Time / ML, tML (s) 10-9 10-6 10-3 1 104
P nkT
赫兹－克努曾公式
va 8kT 8RT m M

P 2m kT
P
稀薄气体的基本性质
气体分子密度
P n 7.2 10 (m -3 ) T
22
标准状态： P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3
P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm3
气体吸附：
气体吸附就是固体表面俘获气体分子的现象。 分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附靠分子间的相互吸引引起的，任何气体在固体 表面均会发生，吸附后容易脱附。 化学吸附在较高温度下发生，只有当气体与固体表面原 子接触生成化合物时才能产生吸附作用，气体不易脱附。
气体脱附
是气体吸附的逆过程。
影响因素：气体的压强、固体的温度、固体表面吸附气体的
第一章 真空技术基础
真空的基本知识 稀薄气体的基本性质
真空的获得
真空的测量
1.1 真空的 基本知识
1643年，意大利物理学家托里折利演示了著 名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。 为了使被研究的样品不被周围气氛所污染， 获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形

BMWL-CH1真空技术基础

BMWL-CH1真空技术基础

Ch.1 真空技术基础(薄膜与真空)❑真空的基本知识❑稀薄气体的基本性质❑真空的获得❑真空的测量为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。

目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。

真空：低于一个大气压的气体空间。

真空单位：帕斯卡（Pascal）：Pa托（Torr）：1Torr=133.322Pa旧的单位：Torr mmHg bar atm☞真空的划分Atmospheric: 760 TorrLow Vacuum: 1 to 1x10-3TorrMedium Vacuum: 1x10-3to 1x10-5TorrHigh Vacuum (HV): 1x10-6to 1x10-8TorrUltra-High Vacuum (UHV): < 1x10-9Torr☞真空的意义Monolayer Coverage TimeFor an ideal gas, the time needed for monolayer coverage is given by:t ML 1015/ Jwhere J is impingement rate.气体分子密度22-37.210 (m )P n T=⨯标准状态：P = 105Pa ，n = 2.46⨯1019分子/cm 3P = 1.3 ⨯10-8Pa ，n = 3.24⨯105分子/cm 3杂质= 本底压力（真空度）☞气体分子的速度分布最可几速度、平均速度、均方根速度☞平均自由程λp = const.☞碰撞次数和余弦散射率碰撞次数（入射频率或入射通量）：单位时间内在单位面积器壁上发射碰撞的气体分子数。

赫兹-克努曾（Hertz-Knudsen ）公式：2PmkTνπ=Pν∝14rn νυ=取氮气：74338.31/10/29828/5.210/r RT J K mol erg J K M g mol cm sυ⨯⋅⨯⨯===⨯19423311(2.4610 5.210) 3.210/44r n cm sνυ==⨯⨯⨯=⨯⋅分子固体原子密度：2235910/n cm -⨯ 原子单原子层原子面密度：215231()10/ML n cm= 原子1592310 3.1103.210t s -==⨯⨯标准状态下撞击表面的气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：在P = 1.3 ⨯10-8Pa 时，n = 3.24⨯105分子/cm 3，则气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：549311(3.2410 5.210) 4.210/44r n cm sνυ==⨯⨯⨯=⨯⋅分子155910 2.41034.210t s ==⨯≈⨯天Degree of Vacuum Pressure(Torr)Gas Density, ρ(molecules m-3 )Mean Free Path(m)Time / ML, t ML(s)Atmospheric760 2 x 10257 x 10-810-9 Low1 3 x 1022 5 x 10-510-6 Medium10-3 3 x 1019 5 x 10-210-3 High10-6 3 x 1016501 UltraHigh10-10 3 x 1012 5 x 105104☞稀薄气体的参数Collision Free Conditions: P ~ 10-6 TorrMaintain a Clean Surface:P ~ 10-10Torr碰撞于固体表面的分子，其飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。

《真空技术基础》课件2

《真空技术基础》课件2
可持续发展方来，随着人类社会对可持续发展需求的不断 提高，真空技术的应用前景将更加广阔。同时，也需要不断研究和开发新的真空技术，以更好地服务 于可持续发展。
THANKS
感谢观看
机遇和挑战。
真空技术的突破
目前，真空技术已经广泛应用于各个领域，如电子、能源、环保等。未来，随着技术的 不断突破，真空技术的应用领域将进一步扩大，为人类社会的发展带来更多的便利和效
益。
真空技术在新能源领域的应用
太阳能光伏产业
真空技术在太阳能光伏产业中发 挥着重要作用，如太阳能电池的 制造需要高真空环境，而真空镀 膜技术可以提高太阳能电池的光
详细描述
真空镀膜技术利用物理或化学方法，在材料表面形成一层具 有特殊性能的薄膜，如高硬度、高耐磨性、高反射率等。这 种技术广泛应用于眼镜、钟表、手机等产品的表面处理，提 高产品的外观和性能。
真空热处理技术
总结词
真空热处理技术是一种在真空中对金属材料进行加热和冷却处理，以达到改变 材料性能的工艺。
详细描述
气体净化
对进入系统的气体进行净化处理，以 减少气体杂质对密封面的磨损和腐蚀 。
定期维护
对密封件进行定期检查和维护，以保 证密封效果和延长使用寿命。
04
真空技术的应用实例
真空镀膜技术
总结词
真空镀膜技术是一种在真空中将金属、非金属或化合物蒸气 沉积在材料表面形成薄膜的工艺，广泛应用于光学、电子、 机械、建筑等领域。
真空电子器件制造技术需要在高真空条件下进行，以保证电子器件的性能和稳定 性。这种技术广泛应用于电视、电脑、手机等电子产品中，是现代电子工业的基 础之一。
真空在科研领域的应用
总结词
真空在科研领域的应用广泛，如真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等，为科学研究提供了重要的实验手 段和基础条件。

第1章 真空技术基础

第1章 真空技术基础

1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空度的单位
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg 1 torr (1 mmHg) 1 Pa 1 bar 1 atm 1 PSI 7.501×10-3 7.501×102 760.0 51.7149
(760/1.013×105)
Pa 1.333×102
1.1 真空的基本知识
1.1.3 气体的吸附及脱附
真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！ 一、基本概念
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象
气体脱附：逆过程 气体从固体表面释出
二、为什么需要关注（意义？）
1）气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持； 2）吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。
西安理工大学 Xi'an University of Technology
-6-
材料科学与工程学院 2008©
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.2 真空区域的划分
真空区域：指不同的真空度范围；
划分目的：为了研究真空和实际应用的便利； 划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分； 划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分。
三、吸附的主要机制：
物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附 化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附
四、可能的影响因素：P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等，如：T固 易脱附！
西安理工大学 Xi'an University of Technology

Ch1-真空-许向东

Ch1-真空-许向东

黏 滞 流
流速低时，气体分子的宏观运动似一组 层流：相互平行的流线，靠近器壁，流速趋于 零；容器中心处，流速最大 紊流：流速较高时，旋涡式的流动模式
vdρ
惯性动量
雷诺准数：Re =
η
d：容器特征尺寸；V：流速； ρ：密度；η：黏度
黏滞阻力；稳定
Re >2200 1200∼2200 <1200
状态 紊流 过渡态 层流
扩散泵油被加热后沿喷嘴向下喷射速度可达200ms由空气动力学原理与进气口形成压力差使气体向下扩散而与油蒸气分子碰撞被油蒸气裹挟作定向运动而到达出气口被机械泵抽走油蒸汽水冷后重新利用
光电薄膜材料与技术
授课教师： 许向东
电子科技大学光电信息学院
教案下载：
互动教学空间（教师社区）
网络学堂
光电信息学院
许向东，授课教案
10-5～10-7 Pa
四、干式真空泵
CVD对真空泵的要求： (1) 无返油现象； (2) 抽除可凝性、腐蚀性、有毒、含有微尘的气体； (3) 在10～数百Pa有大的排气能力。
干式机械泵
1、罗茨泵（机械增压泵）
两个8字形共轭转子， 反向旋转。 无油封， 间隙小，0.1 mm 高速转动: 3000 rpm 抽气时无压缩， 工作原理：容积泵 +分子泵。
为什么？
800
1000 1200 Pressure (mTorr)
1400
1600
§1-1 ●一、定义
真空的基本知识
真空：指低于一个大气压的气体状态。 是一种“相对真空”，“绝对真空”是不存 在的。 特点：压强低，分子稀薄，分子的平均自由程长。 不同领域对什么是真空理解不一样： 显像管： 10-2 Pa

真空技术基础一

真空技术基础一

RT
T
m200C (1Pa m3) 4.1104 M [Kg]
m0
M NA
1.661024 M
M : Mass of 1mol Gas
Mass Density:
m0n
MP RT
1.2101
MP T
200 c 4.1104 MP
200 cAir 1.19 105 P
Maxwell Velocity Distribution
气体分子在一定温度及压力下的自由程差异很大，有大
于平均自由程的，也有小于平均自由程的。
x
nx ne
自由程大于等于平均自由程的分子数目是：
n
n e1
0.368n
P1V1 P2V2
T1
T2
Other Forms：
PV R; PV= m RT
T
M
Dalton’s Law of Partial Pressure
n
P P1 P2 P3 Pn Pi i 1
Difference between Gas and Vapor
气体和蒸汽是真空技术中常见概念，两者的区别不在于 微观结构，而在于其温度是否是临界温度以上。 气体的临界温度是指这样的温度，当气体高于临界温度， 怎么压缩都不可能液化。 但通常我们以室温（15～25oC）为标准，临界温度高于
分子由脱离液相表面进入空间叫做蒸发； 空间中蒸汽分子返回液相叫凝结； 一定温度下，蒸发与凝结速率相等，蒸发处于饱和状态； 此时容器中压力叫做饱和蒸汽压。 饱和蒸汽压只取决于物质本身性质和温度； 温度越高，分子越容易从液相进入气相，饱和蒸汽压就 越高，换句话说就是蒸发越容易实现；
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输运特性
真空的性质可由压强、单位体积分子个数、 气ch1体真空技的术基密础 度等表示
Relative Pressure
Absolute Pressure
用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空 的程度。
帕斯卡（pascal）=1牛/米2，国际单位制
托 （ Torr ） =133.322Pa=1/760atm 单 位 ， 描 述 真空的独特单位
dP dwcos
A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
ch1真空技术基础
6. 气体的流动
Viscous Flow (momentum transfer between molecules)
ch1真空技术基础
低压状态下，可用理想气体的状态方程（波 义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描 述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
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2. 气体分子的速度分布
麦克斯韦速度分布函数
此外，mmHg、atm、bar等。 The only one
which is legal
ch1真空技术基础
4. Pressure unit
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
1பைடு நூலகம்1325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
ch1真空技术基础
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
6. 真空的划分
粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差
vacuum cleaner, vacuum-filter，CVD
低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改变， 电场下具有导电特征 vacuum-bottle, vacuum-desiccator,
旋片转动一周后
P1
P0
v
v v
经n个循环后
Pn
P0
v
v v
n
ch1真空技术基础
Pn不可能趋于零，因为： A.在出气与转子密封点之间存在着“有害 空间”。 B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。 C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。 D.水蒸汽凝结，形成悬浊液
1 2 2n
其中:n——气体分子密度 ，标准状态， n≈3*1019
δ—分子直径, several angstrom
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P v nn ’ R T P n K T
代入理想气体状态方程
得: kT 2 2 P
对于25℃空气
Is λ propotional to T?
0 .6 6 7
f（v）表示分布在速度v附近单位速度间隔内的 分子数占总分子数的比率
ch1真空技术基础
v＝f(T,M)
ch1真空技术基础
3. 三个重要速度表示
最可几速度Vp：f(v)最大时的速度 平均速度Va 均方根速度Vrms
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4.平均自由程 MEAN FREE PATH
定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动 的平均路程
ch1真空技术基础
主要的真空泵
油封机械泵、分子泵、罗 茨泵 原理：利用机械力压缩
油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成 压差
溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升 华形成吸气
冷凝泵 原理：将气体冷凝成液 态/冷凝吸附
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1. 机械泵（旋片式机械泵）
转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整 个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作 用。
第一章 真空技术基础
本章主要内容： 1. 稀薄气体的基本性质 2. 真空的获得 3. 真空的测量 4. 真空的基本知识 5. 真空配件、检测
ch1真空技术基础
定义 真空：低于一个大气压的气体状态。 “相对真空”，“绝对真空”?
特点：压强(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程长。
电学特性
典型的真空系统包括：真空室(Chamber)， 真 空 泵 (Vacuum Pump), 控 制 系 统 (Control system)，真空计(Vacuum Gag)
真空系统的两个重要参数：极限真空（本 底 真 空 , Base pressure or Ultimate pressure），抽气速率(Pumping speed)
Molecular Flow (molecules move independently)
Series Conductance
RT = R1 + R2
1 =1+1
CT C1 C2
1 = C1 + C2
CT C1 x C2
CT = C1 x C2 C1 + C2
SYSTEM
C1 C2
PUMP
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cm
P ( pa)
ch1真空技术基础
碰撞几率
气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
f 1ex/
★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9%
ch1真空技术基础
5. 分子通量与余弦散射律
（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间单 位面积的器壁上碰撞的气体分子数
vacuum-impregnation，Sputtering, LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :Evaperation, Ion source
超高真空 ＜10-6Pa ：Surface analysis， Particle Physics
ch1真空技术基础
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. Ideal gas equation
1
P
F＝Vn 4nVvaa
（克努森方程）
2mKT
＝3.513×1022P/(MT)0.5（molecules/cm2s） When P is in torr.
＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） When P is in pascal.
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（2）气体分子从固体表面的反射几率
气源
1. 空间气体：很容易被抽走 2. 吸附气体： 物理吸附
化学吸附 放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、 超高真空阶段为主要放气源。 真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷 除气手段：烘烤、离子轰击
3. 系统漏气：
密封：
O形橡胶圈：高真空 金属密封ch1圈真空技：术基础超高真空
§1-3 真空的获得