7-0真空技术基础知识

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。）

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。

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-）。

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

某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是 “L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30， 70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。 真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。
例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。
利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述 方面的力学应用。
具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
中真空 1.33×102 ~1.33×10-1（Pa）
气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子 密度较小 。
1. 真空的含义及表征
1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分
2. 真空的获得
2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵
2.2 真空泵的选型
第一章 真空技术的基本知识
3. 真空测量及其设备
3.1 什么是真空测量
高的压强；
1.3 真空区域的划分
划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）
低真空 1.33×105 ~1.33×102（Pa）
低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多 变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频 繁。
2. 真空的获得
分子密度减小 分子数减少
抽走 化学反应
吸附 结晶 容积扩大
2.1 真 空 获 得 设 备

真空技术研究与应用近年来，真空技术已经广泛应用于科研、工业生产等领域。

但是，很多人对于这个技术还不是很了解。

本篇文章将介绍真空技术的一些基础知识和应用。

一、真空技术的基础知识真空是指在一个容器内除去气体分子、原子和离子等物质，剩余的压强就称为真空。

真空是不存在的，因为空间中总是存在一些气体分子。

但是，如果容器内的气体分子数量足够少，那么可以忽略不计。

这时候就可以近似地认为是真空。

为了表示这个近似的真空程度，通常会使用“压强”这个概念来描述。

在真空技术中，常用的单位有帕斯卡（Pa）。

1帕斯卡等于1牛/平方米。

牛是力的单位，平方米是面积的单位。

所以帕斯卡也可以写作Nm^-2。

此外，还有一个常用的单位是托，1托等于1毫米汞柱。

真空技术的基础理论主要包括气体分子运动学理论、连续介质力学等方面的内容。

其中重要的公式有弗朗德定律、泊松方程等。

二、真空技术的应用领域真空技术自问世以来，应用领域不断扩大。

以下将介绍一些常见的应用领域。

1.半导体工业在半导体工业中，真空技术可用于清洗和处理半导体晶片、制造显示器、LED、太阳能电池等。

在半导体工艺中，基本上每一个步骤都需要进行真空处理。

如果气体分子的数量过多，那么会对半导体晶片产生不良的影响。

因此，真空技术就成为了半导体工业中不可或缺的一环。

2.航天领域在航天领域中，真空技术的应用可以追溯到上世纪50年代。

当时人们发现，在大气层以外的空间，由于几乎不存在气体分子，所以太阳风、地球磁场等极端条件对物体的影响与地球上的情况截然不同。

为了模拟这些极端环境，需要使用真空设备。

当进行航天器的部件测试时，也需要使用真空设备来模拟此类情况。

因此，真空技术成为了航空航天领域中的重要技术之一。

3.医疗领域在医疗领域中，真空技术的应用主要是在医疗器械的制造和使用中。

例如，在放射治疗领域中，很多放射医疗设备需要使用真空技术来保证其稳定性和安全性。

另外，在医学图像的制作中，一些实验室需要使用真空技术来制造扫描仪和其他设备。

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

真空技术及真空计量基本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。

kT V N p ??=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。

不需要油作为介质，又称为无油泵
1.3 真空的获得－抽真空
极限真空（极限压强Pu）和抽气速率
——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系 统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间 抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
理论上，一个系统所能达到的真空度：
Q V dP P Pu i S S dt
旋片式机械泵结构示意图和工作原理图
1.3 真空的获得－抽真空
玻－马洛特定律
V P P0 1 V V n次循环后
V Pn P0 V V
n
P0 V lg mt lg 1 Pi V Kt
lgP0/Pi
Pn达到极限值？
体分子的扩散系数；v油蒸气在喷口处的速度 扩散泵的实际抽速：
S (3 ~ 4)d
2
d是进气口直径
泵油要求：
化学稳定性好（无毒、无腐蚀） 热稳定性好（高温不分解） 抗氧化 较低的饱和蒸气压（小于等于10-4Pa）
工作时应有尽可能高的蒸气压
无任何阻挡的话，返油率高达10-3mg/cm2· s
1.3 真空的获得－抽真空
赫兹－克努曾公式
va 8k T 8 RT m M

P 2mk T
温度一定时, P
稀薄气体的基本性质
示例
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
1 1 nva 3.24 10 5 8.5 10 4 6.9 10 9 分子 / cm2 s 4 4

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

507mbar
202mbar
100%
-811 mbar -1,013mbar
0 mbar
四真空度 测量单位 官方单 帕斯卡 位： （Pa）
bar、 其他单 mbar、% 位： 等 单位换 算：
1001PMaP=a1＝h 1x106Pa Pa
1hPa=1mb ar 1mbar=0. 001bar
1Pa =1N/m2
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 粒密度下 降时,我 们称之为 真空状 态.
真空技术基础知识
压力表
压力表
恒温下,所含分子微 粒少,压力小,真空度 越高
真空抽取力 N (大）
2、当一个物体接触 吸盘时，流量减少， 浮子弹簧力向上。 这样密封被打开， 真空就在吸盘处产 生。
P 《 F,浮子下 降，安全阀被打 开。
1、当吸盘与大气相 通时，浮子被吸会 壳体。 在这个位置上气体 只能通过浮子末端 小孔流动。
2 吸盘时，流 浮子弹簧力 这样密封被 真空就在吸 生。
真空发生器包括一个气流喷嘴（文丘里 和一个排气口（消声器）、吸盘连接口。 通过狭小的喷嘴（文丘里喷嘴）时气流
5倍。在排气口与文丘里喷嘴 之间有一段很短的间隙，来自入口的压 在通过该间隙时体积膨胀，并产生吸气 于是在这个装置的输出口（即真空口）
真空值采 特点： 用正值
105 GV(低真空)
102 FV(中等真空)
10-1 HV(高真空)
10-5 UHV(超高真空)
10-14
应用于抓取技术的真 空范围;

力下的真空状态 ，通常在100Pa至1000Pa之间。
高真空
超高真空
超高真空是指在极低压力下的真空状 态，通常在10^-6Pa至10^-9Pa之间 。
高真空是指在较高压力下的真空状态 ，通常在10^-3Pa至10^-5Pa之间。
02
真空的物理性质
真空中的气体分子分布
真空环境
在真空环境中，气体分子数极低，物质处于高度纯净状态， 有利于科学研究和技术应用。
真空的度量单位
帕斯卡（Pa）
帕斯卡是国际单位制中压力的单位，也是真空度的一种度量单位。
托（Torr）
托是国际单位制中压力的单位，常用于表示真空度。
毫米汞柱（mmHg）
毫米汞柱是常用的真空度单位，常用于表示低压力下的真空度。
中需要使用高真空或超高真空环境。
02
在物理实验中，高真空可以消除空气阻力对实 验的影响，例如在研究自由落体运动、弹性碰
撞等实验中需要使用高真空。
04
在材料科学中，高真空可以用于材料制备、表面处 理等，例如在薄膜制备、晶体生长等领域中需要使
用高真空或超高真空环境。
真空在工业生产中的应用
真空在工业生产中的应用也非常 广泛，例如在机械制造、航空航 天、电子制造等领域中需要使用 真空技术。
机械真空泵
利用机械运动将气体吸入并排出，以达到抽气 的目的。
扩散泵
通过加热使气体分子热运动加速，从而实现气 体扩散。
溅射泵
利用高能粒子将气体分子打散，使气体分子从 表面逸出。
真空的测量 技术
皮拉尼真空计
利用电阻丝加热后冷却的原理，测量 真空度。
冷阴极电离真空计
利用不同气体在加热状态下热导率不 同的原理，测量真空度。

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。

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-)｡20世纪70年代进一步提高到的宽达20个数量级的真空度范围,并随着某些新技术､新材料､新工艺的应用和开拓,将进一步接近理想的真空状态｡ 3． 描述真空物理性质的主要物理参数(1)分子密度:用于表示单位体积内的平均分子数｡气体压强与密度的关系为nkT p = (7-0-3)其中n 为分子密度,k 为玻耳兹曼常数,T 为气体温度｡(2)气体分子平均自由程:平均自由程是指气体分子在连续两次碰撞的间隔时间里所通过的平均距离｡对同一种气体分子的平均自由程为pkT 22πσλ=(7-0-4)其中σ为分子直径｡由(7-0-4)式可知,气体分子的平均自由程与气体的密度n 成反比因而它将随着气体压力的下降而增加｡在气体压强低于0.01Pa 的情况下,气体分子间的碰撞几率已很小,气体分子的碰撞主要是其与容器器壁之间的碰撞｡(3)单分子层形成时间:指在新鲜表面上覆盖一个分子厚度的气体层所需要的时间｡一般,真空度越高,干净表面吸附一层分子的时间越长,从而可较长时间地维持一个干净的表面｡单位表面积上气体分子的吸附频率ν与压强p 的关系为s cm /105.3222⋅⨯=分子p MTν (7-0-5)式中M 和T 分别为气体分子的分子量(单位:g)和温度(单位:K),在高真空,例如610-=p Torr 时,对于室温下的氮气,()s cm /105.4214⋅⨯=分子ν,如果每次碰撞均被表面吸附,按每平方厘米单分子层可吸附14105⨯个分子计算,一个干净的表面只要1秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子;若在超高真空1010-=p Torr 或1110-Torr,由同样的估算可知干净表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久｡所以超高真空技术经常应用于集成电路的生产工艺和科学研究等方面｡ 二、真空的获得用来获得､改善和维持真空环境的装置简称为真空泵｡按照真空泵的工作原理可分为二类:一类是“排气”型或称“压缩”型真空泵｡这类真空泵是利用其内部的各种压缩机构将被抽容器中的气体压缩到排气口方向,排入大气中｡例如,旋片式机械泵､增压泵､油扩散泵以及涡轮分子泵等｡另一类称为“吸附”型真空泵｡这类真空泵是在封闭的真空系统中利用各种物理或化学表面(吸气剂)吸气的方法将被抽空间的气体分子吸附在固体表面上｡例如吸附泵､溅射离子泵､钛升华泵及低温泵｡真空泵若按应用范围分,则有低真空泵(包括中真空),例如旋片式机械泵､增压泵及吸附泵等;高真空泵(包括超高､极高真空),例如油扩散泵､涡轮分子泵､离子泵及低温泵等｡真空泵常用的两个重要参量是:(1)极限真空,在被抽容器的漏气及容器内壁放气可忽略的情况下,真空泵能抽得的最高真空称为极限真空｡(2)抽气速率,在给定压强下,单位时间内从泵的进气口抽入泵内的气体体积,称为泵在该压强下的抽气速率,单位为升/秒｡ 1.机械真空泵机械真空泵按改变空腔容积方式分,有活塞往复式､定片式和旋片式等｡它的工作原理是建立在理想气体的波意尔-马略特定律基础之上,即RT PV =(P 为压强,V 为容器体积,T 为绝对温度,R 为常数),在等温过程中,一个容器内的体积和压强的乘积等于常数｡这样,只要使容器的体积在等温条件下不断扩大,就可不断降低容器的压强｡图7-0-1是常用的旋片式机械真空泵的结构图,其工作过程如图7-0-1所示｡7-0-1旋片式机械真空泵当转子逆时针转动时,开始处于图7-0-2(a)的位置,由进气口进入转子与定子之间部分空腔III 的体积不断扩大,而出气口与转子､定子间的部分空腔I 体积不断缩小,如图7-0-2(b);空腔I 内的体积继续被压缩,当压强大到足以推开排气阀时,气体被排出泵外;空腔II 继续传送被隔离气体,空腔III 继续抽气｡转子转到图7-0-2(c)时,空腔I 排气即将结束,空腔II 即将与排气口相通,开始压缩排气过程;空腔III 继续抽气｡转子到图7-0-2(d)的位置时,又开始重复上述过程｡机械泵具有结构简单,工作可靠的优点,机械泵可以从大气压开始进行工作,不仅可单独使用,常用来获得高真空系统的前级泵,以获得更高的真空度｡机械泵一般所能达到的极限真空约为10-2Pa,但在一般实验室情况下只能达到100-10-1Pa ｡ 2.油扩散泵油扩散泵是常用的获得高真空的设备,扩散泵不能直接在大气压下工作,需要在机械泵产生的低真空条件下工作,图7-0-3为常用的油扩散泵的工作原理图｡泵的上部为进气口,泵的底部为蒸发器,用来贮存硅树脂类扩散泵油(简称硅油)或其它专用的扩散泵油｡当加热炉加热槽中的硅油,油蒸汽流沿管筒上升,从伞形喷嘴(三个或四个)向下高速喷出,带动气体分子,使它自上而下作定向流动,气体被迫向排气口方向运动,而被排气口的机械泵抽走,扩散泵的名称也由此而来｡油蒸汽碰到有冷却水管冷却的泵壁上冷凝,油分子被冷凝为液态,沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用,这样周而复始,从而达到连续抽气｡ 为了提高扩散泵的极限真空,扩散泵内通常有3至4个串联的喷嘴,如图7-0-3所示的是由铝合金材料制成的3个喷嘴的3级扩散泵的结构示意图｡一般油扩散泵的极限真空为10-4~10-5Pa ｡油扩散泵的一个缺点是泵内的油蒸汽的回流容易造成真空系统的污染｡由于这个原因,在材料表面分析仪器和其他超高真空系统中一般不采用油扩散泵｡ 使用油扩散泵时应注意几点:(1)不能在断水时使用｡油扩散泵工作时冷却水的作用很大,若水冷作用不够,就会使泵油的循环作用减弱､油蒸汽压提高而妨碍其工作｡(2)应选择适当的加热功率｡加热功率过低,油蒸汽无法形成,泵不能工作;加热功率过高,使油蒸汽过热甚至分解,大大降低其性能｡(3)要保证其预备真空和前级真空,尽量避免大气冲入油扩散泵｡冷却水进气口排气口接机械泵加热炉冷却水真空油喷油嘴 图7-0-3 三级油扩散泵(4)油扩散泵停止使用时,需待工作油液冷却后才能关闭前级泵和冷却水,如有可能,将扩散泵始终保持在真空下为好,以免工作油液氧化､裂解,使得蒸汽压提高,泵的极限真空降低｡如发现泵的极限真空达不到要求,可将泵拆去,倒去旧油,严格清洗并烘干,再换以新的工作油液｡ 3.涡轮分子泵涡轮分子泵是适应现代真空技术对于无油高真空环境的要求而产生的一种高真空泵｡与油扩散泵一样,涡轮分子泵也是对气体分子施加作用力,并是气体分子向特定的方向运动的原理来工作的｡如图7-0-4所示,涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状,在它以20000-30000r/min 的高速旋转时,叶片将动量传给气体分子｡同时,涡轮分子泵中装有很多级叶片,上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用而被进一步压缩至更下一级｡因此,涡轮分子泵的一个特点是其对一般气体分子的抽除极为有效｡例如对于氮气,其压缩比(即泵出口的压力与入口的压力之比)可以达到109｡但是,涡轮分子泵抽取低原子序数气体的能力较差｡例如对氢气,其压缩比仅有103左右｡由于涡轮分子泵对于气体的压缩比很高,因而其油蒸汽的回流可以完全忽略｡涡轮分子泵的极限真空可以达到10-8Pa 数量级,抽速可达1000L/s,而适用的压力范围在1-10-8Pa 之间｡因而,在使用中多用旋片式机械泵作为前级泵｡使用涡轮分子泵应注意的几点:(1)涡轮分子泵不能先于前级泵(机械泵)启动,停机后应立即放气,以防机械泵反油;(2)及时加注和更新润滑油,分子泵被污染时,要及时清洗;(3)涡轮分子泵使用时,应避免剧烈振动,要求防止电磁干扰和强放射性辐射｡ 三､真空的测量测量真空度的仪器称为真空计｡能直接测得真空度的称为绝对真空计,如以水银柱面的高度差来测真空度的麦克劳真空计即属此类｡绝对真空计操作复杂,一般不易连续测量,常用作计量的基准｡通常使用的是相对真空计,即通过测量与真空度有关的物理量来间接地测量真空度,这种测量真空度的压强传感器称为真空规,与各种真空规相配套的真空仪都属于相对真空计,他们使用比较方便,但准确度较低而且各自的测量范围有限,而且需要用绝对真空计校准｡由于真空度覆盖了十几个数量级的范围,一种真空计难以测量如此宽范围的真空度,因此,常用不同的相对真空计来测量不同的真空度｡每一种真空计都只能测量一定范围的真空度,各种真空计结合起来完成全范围内的真空度的测量｡ 1.热偶真空计热偶真空计是常用的测量低真空的相对真空计,它由热偶规管和与之图7-0-5 热偶规真空计定子转子轴承 电机电连接端 级间法兰 抽气口 图7-0-4 涡轮分子泵结构示意图配套的测量电路构成,图7-0-5热偶规管的结构图｡规管上端与要测的低真空相通,ao 和ob 分别为康铜和镍铬丝组成的热电偶,cod 为由铂丝制成的加热用灯丝,加热电流由与c 和d 相联的导线从管脚通入,热电偶的热端o 与灯丝的中部相焊接,灯丝通过加热电流时,使热端温度达到100℃以上,热偶的冷端a ､b 所处的温度基本相同,并由导线从管脚引出,与测量温差电动势的测量仪器相联,测量仪器还提供稳定的灯丝加热电流(丝流).在灯丝加热电流保持一定的条件下,灯丝(即热电偶的热端)的热平衡温度取决于规管所处的真空度:真空度越高,规管内单位体积的气体分子数越少,气体导热性能越差,灯丝和热电偶热端的热平衡温度越高,热电偶冷热两端的温度差越大,温差电动势也就越大,这样由热电偶的温差电动势的大小可间接测出真空度,因为两者的关系很难通过理论计算得到,因此,一般要将热偶真空计用绝对真空计校准｡热偶真空计的量程一般为10-1~10-2Pa,其优点是结构简单,使用方便,缺点是稳定性差,精度不高｡2.电离真空计电离真空计是目前测量高真空的主要仪器,它由电离规管和测量仪器两部分构成,图7-0-6为电离规管的结构图,它由I 形的灯丝(阴极)A ,螺旋状的加速极(栅极)B ,圆筒状的收集极(板极)C 组成.测量时,将规管上部与欲测的真空相通,加上灯丝电流,灯丝被加热而在灯丝表面形成一个“热电子气层”,加速极的电势比灯丝高,于是,热电子在加速电场的作用下飞向加速极｡螺旋状的加速极绕得很疏,大部分电子穿过加速极的间隙飞向收集极,收集极的电势比灯丝低,因此,当电子靠近收集极时,减速电场可使电子反向折回,这样,电子在灯丝与收集极之间可产生次数不同的往返运动,往返中与气体分子可发生碰撞,而使气体分子电离,由一个中性分子分离为正离子和电子,正离子被处于负电势(相对于灯丝)的收集极收集形成离子电流,电子(包含由于碰撞而损失了动能的热电子)被处于正电势的加速极收集形成发射电流｡实验证明,如果保持发射电流恒定,则离子电流与真空度成反比,即离子电流与待测气体的压强成正比,经过用绝对真空计的校准和定标,就可由离子电流的大小来决定真空度｡一般常用的电离真空计的测量范围在10-2~10-5Pa ｡ 四､真空系统的检漏对于一个真空容器或一个真空系统,首先应检查是否漏气｡检漏的目的是确定真空系统或零部件是否漏气,找出漏孔位置以便修补｡真空系统的检漏一般按下列两个步骤进行:(1)确定是否有漏孔;(2)确定漏孔的位置及大小｡检漏的方法很多,有压力检漏法(水压法､气泡法､卤素检漏､氦质谱法)｡静态升压法是先将真空系统抽到一定压力,用真空阀把系统和真空泵隔开｡这时系统内压力如果直线上升,说明系统存在漏气,如果压力保持不变或变化甚微说明系统不漏气｡高频火花检漏是利用高频火花检漏仪的高频放电线圈所产生的电火花,能聚集于玻璃真空系统的漏孔处,从而可确定漏孔位置｡使用时,接通电源,调节放电火花间隙,当产生击穿放电时,即可将高频放电探头在玻璃接头处或其它可疑处移动,寻找漏孔｡遇到漏孔时,电火花就会集中导向孔中,但不要让放电火花在某一处停留,以免薄玻璃被击穿,造成人为漏孔｡ 五､真空材料的清洁处理附表7-1 真空单位换算关系图7-0-6 电离真空计。

三、真空泵的抽速
真空泵的一个基本指标是抽速S，定义为： Q Sp (1 15) P
其中p为真空泵入口处的气压，Q仍为单位时间内通过该处的 气体流量。
量纲：m3／s 流导：描述的是真空部件的气体通过能力，它将 使流动着的气体形成一定程度的压力降低； 抽速：特指一个截面上的气体流速。
真空室
P, S
说明：
1. 由于单位体积内的气体分子数n与气体压力p成正 nRT p= 比（ N ），因而分子的平均自由程将与气体的 压力呈反比；即气体分子自由程随着气体压力的 下降而增加
A
•
在气体压力低于0.1Pa的情况下，气体分子间的碰 撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容 器器壁间发生的碰撞。
三、气体分子的通量
的相互碰撞。
结果：使气体分子的速度服从一定的统计分布。
气体本身对外显示出一定的压力。
2、理想气体
气体分子之间除了相互碰撞的瞬间之外，完全不 存在相互作用，因此
（1）它们可以被看作是相互独立运动的硬球； （2）硬球的半径远远小于球与球之间的距离。
在一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以 被看作是理想气体。
单位制
国际单位：帕斯卡 1Pa=1N/m2
其它常用单位：
单位名称
标准大气压
符号
atm
换算关系
1atm=101325Pa
备注
托
毫米汞柱 毫巴
Torr
1Torr=133.3Pa
美国常用
mmHg 1mmHg=133.3Pa mbar 1mbar=102Pa 欧洲常用
阿伏加德罗定律
1摩尔任何气体在标准状态下所含的分子数是一个定值 NA ，即6.022×1023，。

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。