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第一章 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。）

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

真空技术的基本知识

真空技术的基本知识
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

薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件

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目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。

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

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

1-第1章 真空技术基础

1-第1章 真空技术基础


早期技术落后，所制得的薄膜重复性较差，从而限
制了薄膜的应用。薄膜的应用最早只局限于抗腐性和制造
镜面。

在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能
电子衍射以及其他表面分析技术）出现以后，薄膜的重复性才
大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了20世纪50年 代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈
1643年，意大利物理学家托里拆利
Байду номын сангаас
（Evangelista Torricelli，1608～1647）
与伽利略晚年的得意门生和亲密助手维 维安尼（Vincenzo Viviani ）一起在佛罗
伦萨做了著名的“托里拆利实验” ，证
明了大气压的存在，同时，也为人类揭 示了“真空”这个物理状态的存在。
在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技

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。在真 空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一 物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们 的物理意义。 某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高 的空间则真空度低。
1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压
强的国际单位，1Pa = 1N/m2 7.510-3Torr 。
表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间 的换算关系。
●二、真空区域的划分

为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围

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；
Relevant Results:

(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍

(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
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。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50

第一章真空技术的物理基础1

第一章真空技术的物理基础1

•பைடு நூலகம்
低压气体与理想气体很接近， 因此真空条 件下，可以利用理想气体的模型。
四、蒸汽
• 永久气体与蒸汽的区别：
• 当气体处在它的临界温度以上时，无论怎么压缩都不能使 当气体处在它的临界温度以上时， 其液化 ； • 处在它的临界温度以下时，则可以压缩使其液化。 处在它的临界温度以下时，则可以压缩使其液化。
Basic laws of ideal gas
• Charle’s law : At the constant volume the pressure of the gas increases linearly with its temperature. PT=P0αT • Avogadro’s law : Avogadro concluded that equal volumes of all gases under the same conditions of temperature and pressure contain equal numbers of molecules. 6.023*1023 • Equation of state of ideal gas. PV=nRT (n=M/µ)
• 以室温（15---25）为准，临界温度高于室 温的气体称为蒸汽；而低于室温的气体则 为“永久气体”。 • 见表1-2
1.2 气体的压强
• 定义：单位面积器壁上所受到的压力。 • 单位：牛顿/米2，即帕Pa • 压强方程： P = 1/3(mnv2) or
P=nkT
将气体分子微观热运动的强弱（m,n,v)直接 与宏观上的气体压力(P)定量联系起来
本章内容
• • • • • • • 1.1 气体分子运动论的基本原理 1.2 气体的压强 1.3 气体分子的速率分布 1.4 气体分子的自由程 1.5 气体在管道中的流动 1.6 气体通过小孔的流动 1.7 流导及流阻

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
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几个基本概念：
• 真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空 的。 • 真空术语： 本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压。 工作真空度：实验或工艺过程中所必需的气体压力。 极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达 到的最低气压。 真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。 真空度单位：气压的单位。 真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。
1mba 100 1atm
1.013×105 760
二、真空区域的划分
1105 ~ 1102 Pa
粗真空
低真空 高真空 超高真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
1101 ~ 1106 Pa
110 Pa
11010 Pa
6
粘滞流
分子流
极高真空
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
• 缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空 系统的污染。 • 应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化 工、航空、航天、冶金、材料、生物医药 、原子能、宇宙探测等领域。
思考：
1. 扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？ 2. 如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，结果会怎样？
附：钛升华泵
加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应 工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜，可靠
油扩散泵的结构如示意图
• 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电 炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导 流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口 外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方 向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子 的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子 量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己 慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往 下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长 期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓 度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流 而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽 流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被 冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱 的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
十七世纪用抽水泵 它来排除矿井中的 积水，无法将水抽 到10米以上的高度
伽利略（1564－1642） 物理學家、數學家、天文 學家及哲學家 “真空力”
托里拆力 （1608～1647） 物理学家、数学家 水银真空试验
辈尔梯 数学家、天文学家 水真空试验 （当时未成功）
在20世纪初，真空技术获得了 飞速发展，被广泛应用于军事及民 用领域。同样，真空技术也是薄膜 制备的基础。 本章将对真空的基本知识、真 空的获得、真空的测量等基础知识 进行介绍。
注意：电离真空计的工作上限为0.1 Pa左右， 在10-6~0.1Pa之间，电离真空计的测量指示值 与气体压力呈线性关系。由于不同气体的碰 撞电离截面不同，因而电离真空规的测量值 也与所测气体种类有关。
特点与使用：单独使用或用作其他泵的前级泵，低
真空系统。 缺点：油污染
附：干泵
二、复合分子泵
多级叶片连续压 缩保证了高抽速 （1000 l/s)
涡轮分子泵
结构简单 转速较小 压缩比大
牵引分子泵
涡轮分子泵抽气能力高 牵引分子泵压缩比大
复合式分子泵
极限真空度：10-1~10-8 Pa
三、低温泵
一、旋片式机械真空泵
机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸 气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断 膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大 气压下开始工作，极限真空度一般为 1~1 × 10 2 Pa，抽气速率与转速及空腔体积 V 的大小有关， 一般在每秒几升到每秒几十升之间。
旋片式机械泵通常由 转子、定子、旋片等结构 构成。偏心转子置于定子 的圆柱形空腔内切位置上， 空腔上连接进气管和出气 阀门。转子中镶有两块旋 片，旋片间用弹簧连接， 使旋片紧压在定子空腔的 内壁上。转子的转动是由 马达带动的，定子置于油 箱中，油起到密封、润滑 与冷却的作用。
第一节 、真空的基本知识
一、表示真空程度的单位
表1
单位 1Pa 帕（Pa） 1
几种压强单位的换算关系
托（torr） 毫巴（mba） 标准大气压（atm） 7.5×10-3 1×10-2 9.87×10-6
1torr
133.3
1
0.75
1.333
1 1.013×103
1.316×10-3
9.87×10-4 1
热偶真空计是利用在低气压下气体的热导率 与气体压强间有依赖关系制成的。其中有一根细 金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，则丝的 温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热 取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分 子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则 丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。通过 测量热偶丝的电动势来指示真空度了。
热阴极电离真空计 1916年 O.E.巴克利
冷阴极电离真空计 1937年 F.M.潘宁
热偶式真空计
BA式电离真空计 1950年 R.T.贝阿德和D.A.阿尔伯特
• 直接测量气体压力不易，利用测定低气压 下与压强有关的某些物理量，再变换后确 定压强。 • 任何具体的物理特性，都是在某一压强范 围内最显著，任何方法都有测量范围，这 个范围就是真空计的“量程”
真空技术基础
托里拆力试验
德莫.克利特 （约在公元前460-370年，大哲学家） 认为世界的本源应是由原子和虚无组成，且原子 在虚无中做永恒的运动
亚里士多德
（约在公元前384-322年，大哲学家）则认 虚无绝不可能存在，空间必须有物质才 能够相互作用，所以空间决不会虚无到
没有任何物质存在
托里拆力试验
工作原理：
当转子顺时针转动时，空气由被抽容器 通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管 相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转 子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与 被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以 顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转 动使气体不断地从被抽容器中抽出。
影响压力测量上限的因素： 一是在高于10-1Pa压力下，热规的钨丝阴极将氧化，寿命 大为缩短，甚至烧毁。 二是高于10-1Pa压力时，离子流与压力的关系曲线开始偏 离线性。
气体分子数增加，电子与分子碰撞数增加，但能量下降，电离几率降低， 当压强增到一定程度电离作用炮和，曲线偏离线性。
影响因素：1、阴极发射的电子电流强度Ie； 2、气体分子的碰撞截面； 3、气体分子密度。
没有一种真空计能够测量从大气到10-10Pa的整个领域的真空度
一、电阻真空计
定义：利用测定热丝电阻值随温度变化的真空计
工作过程：真空度↑→气体分子↓→Q↓分子从热丝上带走热量→热丝温度↑→热 丝电阻R↑，可以归纳出R↑→真空度↑
• 电阻真空计的测量范围为105~10-2Pa。由于 是相对真空计，所测压强对气体的种类依 赖性较大，其校准曲线是针对干燥的氮气 或者空气的，所以被测气体成分变化较大， 则对测量结果要做一定的修正。另外长时 间使用后，容易因氧化而产生零点飘移， 所以要避免长时间接触大气或在高压下工 作。
Different pressure
Different gas 1:Argon 2:Air 3:Hydrogen 4:Carbon Dioxide
• 测量区间：102~10-1Pa，（高于100Pa，气 体的热导率不再随气压的变化而显著变化； 低于0.1Pa，气体分子传导走的热量在总加 热功率中的比例过小，测量的灵敏度下 降。） • 缺点：在测量区间中指示值呈非线性；测 量结果与气体种类有关；热惯性和因氧化 而发生的零点飘移，需要校正。 • 优点：结构简单，使用方便。
•热量的传递不仅仅与压强 有相互关系，同时与气体 的摩尔量和分子结构有关 系。 •不同的气体会导致压力测 量时得出不同的结果。 •在一般情况下，当现有的 气体的原子或者分子越大， 热传导的能力或者效率越 低。
二、热偶真空计
工作过程：真空度↑→气体分子↓→Q↓分子从热丝上带走热量→热丝温度 ↑→ΔT↑（TA-TB）→E↑热电势，可以归纳出E↑→真空度↑
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象
物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、 一般只在低温下发生 化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附，只有气体和固体表面原 子接触生成化合物才能产生吸附作用。
气体脱附：是吸附的逆过程。
影响因素:气体压强、固体温度、固体表面吸附的气体的密度和
固体本身的性质（如表面光滑度、清洁度等）、以及电吸附、化学吸 附作用的影响。
• 皮拉尼真空计和热偶真空计的共同点：
都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础而 设计的，它们是低真空里最常用的测量手段。
• 区别：
皮拉尼真空计：通过测量热丝的电阻随温度的变 化实现。 热偶真空计：通过测量热丝温度实现
三、电离真空计
电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生 电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范 围为0.133~1.33×10-6Pa。实验表明，在压强P≤101Pa时，有下列关系成立 I+/Ie=K P 其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发 出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离 子而被板极收集形成的离子电流。K为比例常数。可 见，Ie不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就 可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa 以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成 规管损坏。
附：罗茨泵
附：扩散泵
扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不 能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空 度（1.33~0.133Pa）。一般与旋片机械泵串联使 用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压 和气体分子的反扩散，一般能达到1.33×10-5 ~1.33×10-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升 ~几百升不等。