真空物理基础

1、真空物理基础真空物理基础苟伟苟伟一、真空基础内容提要：什么是真空？（工业标准的真空）真空的衡量（单位及换算关系）真空的划分（低、中、高和超高真空）真空的获得（泵的类型，泵的原理及真空系统）真空的测量（各种常见真空测量装置）真空的应用（真空在各个领域的应用）镀膜领域中的真控技术真空的定义1大气压下气体分子密度约为2.6871025/m3；气压110-4Pa的高真空中，气体分子密度约为2.651016/m3；宇宙中，气体分子密度109/km3，甚至每km3只有几个气体分子。 按照工业标准的规定，真空按照工业标准的规定，真空绝不是“完全空”，而是一种是一种“低于一个标准大低于一个标准大气压的气体充满

2、空间的状态气压的气体充满空间的状态”。由此可知，工业领域所说的真空，与我们平时想象中的“完全空”的真空相差十万八千里。空无一物的理想真空，实际上是不存在的。真空真的是真空真的是“什么都没有什么都没有”吗吗? ?气体分子密度可以接近于零，却不是零。气体分子密度可以接近于零，却不是零。真空现象真空现象1、从地球表面向外空延伸，离地面距离越远，空气越稀薄；2、宇航员在外空间时都必须穿上太空服，一方面就是为了防止宇航员被负压伤害。3、气相薄膜沉积过程中的真空容器；4、霓虹灯管或日光灯管；5、AES，XPS，SEM，TEM等设备其中，1和2属于自然真空，3-5属于人为真空。人为真空需要通过真空泵系统来实

3、现。真空的衡量真空是一种环境，其衡量单位就是气体压力，压力值越低，真空度就越高真空是一种环境，其衡量单位就是气体压力，压力值越低，真空度就越高常用单位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Torr(mTorr)压强单位换算关系表压强单位换算关系表单位名称帕/Pa托/Torr毫巴/mbar大气压/atm1帕17.50110-310-29.86910-61托1.33310211.33310-1.31510-31毫巴1027.50110-19.86910-41大气压1.013105760.001.0131031真空的意义真空的意义Monolayer Coverage TimeFor an ideal

4、 gas, the time needed for monolayer coverage is given by:tML1019/ZAwhere ZA is impingement rate.Impingement Rate (Flux)For an ideal gas, the impingement rate is given by:ZA=v/4where,-the number density of gas molecules v - the mean velocity不同真空条件下气体分子的状态Degree of VacuumPressure (Torr)Gas Density, (m

5、olecules m-3 )Mean Free Path(m)Time/ML, tML (s)Atmospheric7602 x 10257 x 10-810-9Low13 x 10225 x 10-510-6Medium10-33 x 10195 x 10-210-3High10-63 x 1016501UltraHigh10-103 x 10125 x 105104Collision-Free Conditions: P 10-6 TorrMaintain a Clean Surface:P 10-10 Torr真空的划分真空等级真空度范围备注低真空105102Pa气态空间近似为大气状态，

6、分子以热运动为主，分子间碰撞十分频繁中真空10210-1Pa气体分子的流动逐渐从黏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高真空10-110-5Pa气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，粒子沿直线飞行超高真空10-5Pa气体分子数目很少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也很少根据根据GB3163GB31638282，真空区域大致划分如下：，真空区域大致划分如下：真空的获得常用真空泵的工作压强范围及起动压强：常用真空泵的工作压强范围及起动压强： 真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）旋片式机械真空泵110

7、56.710-11105罗茨真空泵1.31031.31.3103分子筛吸附泵11051.310-11105油扩散泵1.310-21.310-71.310涡轮分子泵1.31.310-51.3溅射离子泵1.310-31.310-96.710-1钛升华泵1.310-21.310-91.310-2低温泵1.31.310-111.31.310-1低真空泵或初抽泵高真空泵超高真空泵备注：红色字体为气体传输泵，即通过将气体不断吸入并排出真空泵达到抽气的目的；其余的为气体捕获泵，利用各种吸气材料所特有的吸气作用吸出气体达到目的。真空泵型号及代码含义真空泵型号及规格的表示方法 根据中华人民共和国机械行业标准JB

8、/T7673-95的规定，国产各种真空泵是由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123456。格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。 国产真空泵的型号通常以下表中的汉语拼音字母来表示。若在拼音字母前冠以“2”字，则表示泵在结构上为双级泵。 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”。由于泵的种类较多，选用时应参阅不同生产厂家

9、的产品说明书式样本，是很重要的。 常用真空泵的汉语拼音及名称常用真空泵的汉语拼音及名称代号 名称 代号 名称 W 往复真空泵 Z 油扩散喷射泵（油增压泵） D 定片真空泵 S 升华泵 X 旋片真空泵 LF 复合式离子泵 H 滑阀真空泵 GL 锆铝吸气剂泵 ZJ 罗茨真空泵（机械增压泵） DZ 制冷机低温泵 YZ 余摆线真空泵 DG 灌注式低温泵 L 溅射离子泵 IF 分子筛吸附泵 XD 单级多旋片式真空泵 SZ 水环泵 F 分子泵 PS 水喷射泵 K 油扩散真空泵 P 水蒸气喷射泵 最常见泵的工作原理旋片式机械真空泵工作原理旋片式机械真空泵工作原理旋片S2与进气门G之间空腔的区域I的体积逐渐增

10、大，使被抽容器中的气体由进气门进入此区域 （a）:（b）:同时旋片S1与排气门D之间空腔的体积逐步减小，其中的气体不断地从排气门被挤出（c）:（d）:旋片S1将区域I与进气门隔开，此时区域I的吸气空腔的体积最大 旋片S1开始将区域I内的气体压缩并从排气门排出最常见泵的工作原理油扩散泵工作原理油扩散泵工作原理接机械泵接机械泵扩散泵油被泵外电炉加热产生油蒸气油蒸气沿蒸气导管上升到管顶油蒸气经伞形喷嘴向下喷出产生射流气体分子与射流中油分子碰撞发生动量交换气体分子与射流一起向下运动油蒸汽与水冷的泵壁相遇而冷却回流气体分子则被带到排气口附近被抽走最常见泵的工作原理涡轮分子泵工作原理涡轮分子泵工作原理11

11、1当侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在1角内的将又回到侧；撞击在1 角内再反射的气体分子将进入侧；反射方向在1角内的气体分子最后将进入到侧或散射回侧。动叶片工作原理图22212，12净气体流真空系统目前，由于真空泵极限压强的存在，没有一种真空泵能单独从大气抽气至高真空，目前，由于真空泵极限压强的存在，没有一种真空泵能单独从大气抽气至高真空，必须前段使用粗抽泵从大气抽至约必须前段使用粗抽泵从大气抽至约2-5Pa2-5Pa，再利用高真空泵抽气至高真空。，再利用高真空泵抽气至高真空。机械泵+罗茨泵+油扩散泵机械泵+涡轮分子泵极限压强极限压强：是表示真空泵性能的重要参数之一，指当标准容器作为负载时，使

12、泵按规定的条件正常工作一段时间，真空度不再变化而趋于稳定时的最低压强。真空的测量一些真空计的压力测量范围真空计名称测量范围(Pa)真空计名称测量范围(Pa)水银U型管10510高真空电离真空计10-110-5油U型管1041高压力电离真空计10210-4光干涉油微压计110-2B-A计10-110-8压缩式真空计(一般型)10-110-3宽量程电离真空计1010-8压缩式真空计(特殊型)10-110-5放射性电离真空计10510-1弹性变形真空计105102冷阴极磁放电真空计110-5薄膜真空计10510-2磁控管型电离真空计10-210-11振膜真空计10510-2热辐射真空计10-110-

13、5热传导真空计(一般型)10210-1分压力真空计10-110-14热传导真空计(对流型)10510-1 热偶真空计测量低真空灯丝的热量损失包括：热丝和热偶间的热传导；灯丝的热辐射；气体分子的热传导。在通过热丝的电流一定的条件下，灯丝辐射热量不变。10210-1Pa时，热丝热偶间热传导很小。灯丝热电偶铂丝热端冷端压强热传导系数灯丝温度热电偶电动势热偶热端温度测量范围为：10210-1Pa（气体分子热传导损失为主）。电离真空计测量高真空加速极的电势比灯丝高收集极的电势比灯丝低灯丝电路F-F中通以电流，灯丝受热后便发射热电子螺旋状栅极G-G电压高于灯丝（几百伏），吸引热电子使热电子加速B与真空系统

14、相接收集极A电压比灯丝负（几十伏），反射电子电子在往返途中与气体分子相碰，产生正离子和电子。收集极捕获正离子形成离子电流Ip；电子被处于正电势的加速极收集形成发射电流Ie。Ip=kIePIe一定时，Ip与压强成正比测量范围为10-1-105 Pa真空的应用真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 粗真空 105 102（Pa） 气体状态与常压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 利用真空与大气的压力差产生的力实现真空的力学应用 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；

15、5. 真空浸渍。 中真空 102 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 利用气体分子密度降低可实现无氧化加热；利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘；利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻，真空干燥 1. 黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理 2. 真空热轧、真空表面渗铬； 3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装； 7. 高速空气动力学实验中的低压风洞 高真空10-1 10-5（Pa） 分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁；气体

16、分子密度小 利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产 1. 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金； 2. 纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发； 3. 难熔金疆的真空烧结； 4. 半导体材料的真空提纯和晶体制备； 5. 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造； 6. 6. 真空镀膜，离子注入膜层刻蚀等表面改性真空镀膜，离子注入膜层刻蚀等表面改性； 7. 真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、 x光显微镜，各种粒子加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制

17、造； 8. 电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束加热超高真空 10-6（Pa） 气体分子密度极低，与器壁碰撞的次数极少致使表面形成单分子层的时间增长；气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。 利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究 1. 可控热核聚变的研究； 2. 时间基准氢分子镜的制作； 3 3表面物理，表面化学的研究表面物理，表面化学的研究； 4. 宇宙空间环境的模拟； 5. 大型同步质子加速器的运转； 6. 电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。 真空表面技术表面处理目的 处理方法 粒子运动能量 工作方式 等离子体 高真空 薄膜沉积（表面厚度增加） PVD 真空蒸发镀膜 0.11ev 等离子熔射辉光放电分解 电阻加热蒸发 电子束蒸发 真空电弧蒸发 真空感应蒸发 分子束外延 真空溅射镀膜 10100ev 放电方式：直流、交流、高频 电极数值： 2 级、 3 级