第1章真空知识

1、1杨春利杨春利2薄膜的定义薄膜是一种二维材料，在厚度方向上的尺寸很小，往往为纳米至微米量级；薄膜还是一种人造材料，其结构和性质与制备方法和工艺条件密切相关。薄膜在英文中用thin film，coating，membrane3薄膜材料的性质及典型应用 光学性质 电学性质 磁学性质 化学性质 力学性质 热学性质反射涂层和减反射涂层光记录介质光波导绝缘薄膜导电薄膜半导体器件磁记录介质扩散阻挡层防氧化或防腐蚀层耐磨涂层显微机械防热涂层4q 真空的基本知识真空的基本知识q 稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质q 真空的获得真空的获得q 真空的测量真空的测量5 为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，为了使

2、被研究的样品不被周围气氛所污染，获取获取“原子清洁原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形的表面，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，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。人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。薄膜的制备涉及气相的产生、输运以及反应的过程。薄膜的制备涉及气相的产生、输运以及反应的过程。F 真空：真空： 低于一个大气压的气体空间。低于一个大气压的气体空间。 1643 1643年，意大利物理学家托里折利演示了著年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，揭示了名的大气压实验，揭示了“真空真空”这

3、一物理状态。这一物理状态。6 “真空真空”这一术语译自拉丁文这一术语译自拉丁文VacuoVacuo，其意义是虚无。，其意义是虚无。 真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。低于一个大气压力的气体状态统称为真空。 自然真空：宇宙空间所自然存在的自然真空：宇宙空间所自然存在的 人为真空人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的：人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空：完全没有气体的空间状态绝对真空：完全没有气体的空间状态 相对真空相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态：气体稀薄，分子数较少的状态 真空状态下气体稀薄程度

4、称为真空状态下气体稀薄程度称为真空度真空度，通常用压力，通常用压力值表示。值表示。真空 （Vacuum）7真空技术的发展历史 最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲gu”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。 还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。8 历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃

5、管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760毫米时，就不再下降了。9 1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。10 1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915

6、年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。盖德发明的机械泵盖德发明的分子泵11 真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。现代的有扩散泵12 今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。 今天的真空技术：105pa 10-13pa13F 两类真空两类真空 自然真空和人为真空自

7、然真空和人为真空 相对真空和绝对真空相对真空和绝对真空气体状态方程气体状态方程nkTP P气体压强（气体压强（Pa）；）；n气体分子密度（气体分子密度（m-3）；）；k1.3810-23J/KTPn22102 . 7T=293K，P=1.310-11 Pa时，时，n=3.2103/cm3P = 105Pa，T=290K，n = 2.481019分子/cm3绝对真空是绝对真空是不存在的！不存在的！14F 真空单位真空单位 帕斯卡（帕斯卡（Pascal）：）：Pa 托（托（Torr）：）：1Torr=133.3 Pa 1 Pa=7.510-3 Torr 旧的单位：旧的单位：mmHg Torr ba

8、r atm F 真空程度的表示真空程度的表示 真空度真空度 压强压强 气体分子密度、气体分子平均自由程、气体分子密度、气体分子平均自由程、 形成一个分子层所需要的时间等形成一个分子层所需要的时间等 法定计量单位法定计量单位最早使用、最广泛的最早使用、最广泛的纪念托里拆利纪念托里拆利760 mm HgVacuumATM15单位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar标准大气压1 Pa17.510-3110-29.8710-61 Torr133.311.3331.31610-31 mbar1000.7519.8710-41 atm1.0131057601.0131031几种压强换算关系几种压强换算关系1

9、6 低真空低真空 1105 to 1102 Pa 中真空中真空 1102 to 110-1 Pa 高真空高真空 110-1 to 110-5 Pa 超高真空超高真空 10 102 2 Pa Pa 中真空中真空 10102 2 10 10-1 -1 Pa Pa 高真空高真空 1010-1 -1 10 10-5 -5 Pa Pa 超高真空超高真空 10 10-5 -5 Pa Pa 真空蒸发沉积：真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（高真空和超高真空（1010-3 -3 PaPa）; ; 溅射沉积：溅射沉积： 中、高真空（中、高真空（1010-2 -2 10Pa 10Pa）; ;低压化学气相沉积：中、低

10、真空（低压化学气相沉积：中、低真空（10 100Pa10 100Pa）; ;电子显微分析：电子显微分析： 高真空高真空; ;材料表面分析：材料表面分析： 超高真空。超高真空。18理想气体定律理想气体定律 真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符合理想气体定律：合理想气体定律：1. 1. 波义尔定律波义尔定律2. 2. 盖盖吕萨克定律吕萨克定律3. 3. 查理定律查理定律CPV CTV CTP 4. 4. 理想气体状态方程理想气体状态方程nkTP RTMmPV m-气体质量；气体质量；R-气体普适常数（气体普适常数（8.314 J/molK

11、），），R=NAkNA-阿伏伽德罗常数（阿伏伽德罗常数（6.021023 mol-1）19一、气体分子的速率分布一、气体分子的速率分布 气体分子运动论气体分子运动论： 气体分子一直处无规热运动；气体分子一直处无规热运动； 平均运动速度取决于温度；平均运动速度取决于温度； 分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。 结果结果：气体分子的速度服从一定统计分布气体分子的速度服从一定统计分布, , 气体本身对外显示一定的压力。气体本身对外显示一定的压力。 理想气体模型理想气体模型： 气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，完全不存在

12、相互作用，即它们可被看作是相互独立的硬球，且硬球的半径远小用，即它们可被看作是相互独立的硬球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。于球与球之间的距离。 在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。20一、气体分子的速率分布一、气体分子的速率分布 在平衡状态时，分布在任一速度区间在平衡状态时，分布在任一速度区间vv+dv内，内，分子的几率，满足麦克斯韦分子的几率，满足麦克斯韦- -波尔兹曼分布：波尔兹曼分布：dvvkTmvkTmNdN22232exp24麦克斯韦速度分布函数麦克斯韦速度分布函数22232exp24)(vkTmvkTmvf21

13、温度越高，分子的平均运动速度越大。相对原子质量越小，221. 1. 最可几速率（速率极大值最可几速率（速率极大值? ?）MRTMRTmkTvm41. 1222. 2. 平均速率平均速率MRTMRTmkTva59. 1883. 3. 均方根速率均方根速率MRTMRTmkTvr73. 133速度分布速度分布计算分子运动平均距离计算分子运动平均距离计算分子平均动能计算分子平均动能T=300K，空气，空气分子分子va460m/s23二、平均自由程二、平均自由程 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。程；其统计平均值成为平均自由程

14、。nkTP PdkT22nd221d d- -分子直径；分子直径；n n分子密度分子密度25时时0.667PP=10-4Pa时，时，667066.7cmmP=10-3Pa时，时，6676.67cmm 薄膜技术中最常用的真空度为薄膜技术中最常用的真空度为10-4Pa，自由程大自由程大约是约是66米。即使再差，米。即使再差， 10-3Pa，自由程大约是自由程大约是6.6米。米。 所以不需要考虑飞行中的薄膜材料和残存气体冲所以不需要考虑飞行中的薄膜材料和残存气体冲撞所产生的影响。撞所产生的影响。24 在常温下，空气分子速率在常温下，空气分子速率 400500米，如果在讲台米，如果在讲台上打开一瓶香水

15、，后排的同学应立刻就可闻到香水味。上打开一瓶香水，后排的同学应立刻就可闻到香水味。但实际需要但实际需要 12 分钟才能闻到，这是为什么？分钟才能闻到，这是为什么？ 实际上由于分子激烈的热运动，不断地和其它分子实际上由于分子激烈的热运动，不断地和其它分子碰撞，分子不是走直线，而是折线。碰撞，分子不是走直线，而是折线。 分子间的无规则碰撞在气体由非平衡态分子间的无规则碰撞在气体由非平衡态过渡到平衡态的过程中起着关键作用。过渡到平衡态的过程中起着关键作用。有关分子碰撞的几个物理量：有关分子碰撞的几个物理量：平均碰撞频率平均碰撞频率 ：一个分子在单位时间内与其他分一个分子在单位时间内与其他分子碰撞的平

16、均次数。子碰撞的平均次数。Z平均自由程平均自由程：在一定的宏观条件下一个气体分子在在一定的宏观条件下一个气体分子在连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均值。值。25一、平均碰撞频率一、平均碰撞频率提出模型提出模型: :分子是直径为分子是直径为d 的刚性小球的刚性小球, ,除碰撞外除碰撞外, ,无相无相互作用力。互作用力。 碰撞主要是由相对运动产生的。碰撞主要是由相对运动产生的。设想：设想：跟踪分子跟踪分子A A，其在一段时间，其在一段时间 t t内与多少分子内与多少分子相碰？相碰？ 以以A A的中心运动轨迹（图中虚的中心运动轨迹（图中虚线）

17、为轴线，以分子有效直径线）为轴线，以分子有效直径d d为半径，作一曲折圆柱体。为半径，作一曲折圆柱体。分子分子A走的是一条折线。走的是一条折线。Z假设：假设：其他分子静止不动，只有分子其他分子静止不动，只有分子A A在它们之间以在它们之间以平均相对速率平均相对速率 运动，运动，u26udnttudnZ22tutud2tudn2A A所走过的路程为：所走过的路程为：相应圆柱体的体积为：相应圆柱体的体积为：设气体分子数密度为设气体分子数密度为n n。中心在此圆柱体内的分子总数，亦即在中心在此圆柱体内的分子总数，亦即在 t t时间内与时间内与A A相碰的分子数为相碰的分子数为: :平均碰撞频率：平均

18、碰撞频率：v vv vuv vu uv vavu2udnZ2avdn22在在 t内：内：上面是假定一个分子运动而其余分子都静止而得出上面是假定一个分子运动而其余分子都静止而得出的结果实际上一切分子都在运动，因此上式必须的结果实际上一切分子都在运动，因此上式必须修正如果考虑所有分子都在运动并按麦克斯韦速修正如果考虑所有分子都在运动并按麦克斯韦速率分布律分布，就可从理论上求出气体分子平均相率分布律分布，就可从理论上求出气体分子平均相对速率对速率 与平均速度与平均速度v va a之间存在：之间存在：u27例：例：求空气在求空气在27C、1atm下平均碰撞频率是多少？下平均碰撞频率是多少？（空气分子直

19、径为（空气分子直径为310-10m ）解：解：kTPn3001038. 110013. 1235325m1045.2molaMRTv83102930031. 88avdnZ22252101045. 2468)103(258.4亿次亿次/ /秒秒m/s46828Z二、平均自由程二、平均自由程Zva即即aavdnv22221dnnKTP 221dn平均自由程与平均平均自由程与平均速率无关，与分子有效直速率无关，与分子有效直径及径及分子数密度有关分子数密度有关。秒内平均碰撞次数1秒内平均路程1分子在平均自由程avdnZ22PdkT22平均自由程平均自由程：在一定的宏观条件下一个气体分子在在一定的宏观

20、条件下一个气体分子在连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均值。值。29例：例：求空气分子在标准状态下的平均自由程。求空气分子在标准状态下的平均自由程。 （空气分子直径为（空气分子直径为310 10m ）解：解：标准状态标准状态Pa10013. 1 ,K 273500PTPdkT2252102310013. 1)103(22731038. 1m103 .98问题：问题：一定质量的气体，保持体积不变，当温度增加一定质量的气体，保持体积不变，当温度增加时，分子运动变得剧烈，平均碰撞频率增加了，平均时，分子运动变得剧烈，平均碰撞频率增加了，平均自由

21、程如何变化？自由程如何变化？解答：解答：根据公式根据公式221dn 质量一定，体积保持不变，则气体的分子数密度质量一定，体积保持不变，则气体的分子数密度 n 也不变，平均自由程也不变。也不变，平均自由程也不变。30三、碰撞次数与余弦散射率三、碰撞次数与余弦散射率入射情况入射情况入射频率入射频率（入射通量或碰撞次数）（入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位：单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数面积的器壁上发生碰撞的气体分子数anv41赫兹克努森公式赫兹克努森公式nkTP MRTmkTva88nkTP MRTmkTva88nkTP MRTmkTva88nkTP MRTmkTva88MR

22、TPNmkTPA22, P 温度一定时MRTPNmkTPA22, P 温度一定时31F 示例示例 气体分子密度气体分子密度22-37.2 10 (m )PnT常温下：常温下：P = 105Pa，n = 2.421019分子/cm3P = 1.3 10-8Pa，n = 3.14106分子/cm33225空气中，固体表面形成单原子层所需时间，空气中，固体表面形成单原子层所需时间，取取氮气：氮气：固体原子密度：固体原子密度：单原子层原子面密度：单原子层原子面密度：scmmolgKmolKJMRTva/107 . 414. 310/28298/314. 88843-scmnva223419/108 .

23、 2107 . 41042. 24141分子323/1095cmn原子21532/10)(1cmNML原子33 标准状态下撞击表面的气体原子在表面形成单原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：子层所需要的时间： 在P = 1.3 10-8Pa时，n = 3.14106分子/cm3，则气气体原子在表面形成单原子层所需要的时间：体原子在表面形成单原子层所需要的时间：st92315105 . 3108 . 210scmnva21046/1069. 3107 . 41014. 34141分子h5 . 7107 . 21069. 31041015st34四、气体的流动状态四、气体的

24、流动状态 气体分子的无规则运动本身气体分子的无规则运动本身并不导致并不导致气体的宏观气体的宏观流动。只有在空间存在流动。只有在空间存在宏观压力差宏观压力差的情况下，气体作的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。为一个整体才会产生宏观的定向流动。 气体的流动状态根据气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。不同而存在很大差别。气压较高时气压较高时黏滞流状态黏滞流状态低流速低流速层流状态层流状态高流速高流速紊流状态紊流状态气体流动气体流动状态分类状态分类高真空环境高真空环境分子流状态分子流状态

25、（仅与容器壁碰撞）（仅与容器壁碰撞）35分子流状态分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。互碰撞。特点特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种或与其相当。（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）材料表面分析仪器）粘滞流状态粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。（化学气相沉

26、积系统）（化学气相沉积系统）36 气体的流动状态气体的流动状态气体流动状态间的界线气体流动状态间的界线 克努森克努森(Knudsen)系数系数Kn式中，式中，D为气体容器的尺寸，为气体容器的尺寸，为气体分子的平均自由程为气体分子的平均自由程DKn 分子流状态分子流状态 Kn110气体流动状态可以被粗略地划分为三个不同的状态：3738层流状态：层流状态： 在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与气体在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与气体流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流动层的明流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流动层的明确的层状流线，且各层气体的流动方向总能保持相

27、互平行。确的层状流线，且各层气体的流动方向总能保持相互平行。紊流状态：紊流状态： 气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间将不气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间将不再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。这种流动状态被称之为紊流状态。式。这种流动状态被称之为紊流状态。黏滞流状态分类黏滞流状态分类39雷诺准数雷诺准数Re是帮助判断气体流动状态的另一是帮助判断气体流动状态的另一个无量纲参数，其定义为个无量纲参数，其定义为dRev d为容器的特征尺寸；为容器的特征尺寸； 分别是分别是 气体的流速、气体的流速、密度和动力

28、学黏度系数。密度和动力学黏度系数。 v、 、Re22002200Re1200Re1200紊流状态紊流状态紊流或层流紊流或层流层流状态层流状态40抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。空间的压强低于一个大气压。41 抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。出，使该空间的压强低于一个大气压。目前常用获得真空的设备有：目前常用获得真空的设备有： 旋片式机械真空泵旋片式机械真空泵 油扩散泵油扩散泵 罗茨泵罗茨泵 涡轮分子泵涡轮分子泵 分子

29、筛吸附泵分子筛吸附泵 钛升华泵钛升华泵 溅射离子泵溅射离子泵 低温吸附泵低温吸附泵属于输运式真空泵，即采用对气体属于输运式真空泵，即采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外真空系统之外属于捕获式真空泵，即依靠在真空属于捕获式真空泵，即依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获并排除将气体分子捕获并排除42极限真空（极限压强极限真空（极限压强Pu）和抽气速率）和抽气速率 是表示真空泵性能的两个重要参数。是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强极限压强是该系是该系统所能达到的最低压强；统所能达到的最低压强；抽气速率

30、抽气速率是在规定压强下单位时间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。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：理论上，一个系统所能达到的真空度：dtdPSVSQPPiuPu-真空泵的极限真空（真空泵的极限真空（Pa），）， Q-泵内各种气源（泵内各种气源（PaL/s），）， S-泵的抽气速率（泵的抽气速率（L/s），）， V-真空室体积（真空室体积（L），）， Pi-被抽空被抽空间气体的分压强（间气体的分压强（Pa），），t-时间（时间（s）4344泵组合泵组合从图表中可以看出，没有一种泵能直接从大气一直从图表中可以看出，没有一种泵能

31、直接从大气一直工作到超高真空。因此常常将几种泵组合使用，实工作到超高真空。因此常常将几种泵组合使用，实现预定真空。现预定真空。例如：例如： 油封机械泵油封机械泵油扩散泵油扩散泵10-610-8Pa 吸附泵吸附泵溅射离子泵钛升华泵溅射离子泵钛升华泵10-610-9Pa 机械泵机械泵复合分子泵复合分子泵获得超高真空获得超高真空前级泵前级泵次级泵次级泵451、 机械泵机械泵 Rotary Vane Pumps凡是利用机械运动凡是利用机械运动（转动或滑动）以获（转动或滑动）以获得真空的泵，称为机得真空的泵，称为机械泵，从大气压开始械泵，从大气压开始旋片式旋片式 噪声小、速度快噪声小、速度快定片式定片式

32、滑阀式滑阀式46工作原理： 依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片，将气体 隔离，压缩，然后排除泵体之外。47说明说明：为了提高气体的密封效果，防止气体回流，为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片式机械旋片式机械泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。用。主要性能指标：主要性能指标：抽速：抽速： 1300L/s极限真空度：极限真空度：单级旋片泵单级旋片泵 0.1Pa 两级串联两级

33、串联 0.01Pa旋片式机械旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵。用做其他真空泵的前级真空泵。48玻马洛特定律玻马洛特定律VVVPP01n次循环后次循环后nnVVVPP0Pn达到极限值？达到极限值？mtiVVVPP0KtVVmtPPi1lglg0mtiVVPP 10lgP0/Pit49影响真空度的因素：影响真空度的因素：有害空间有害空间 出气口与转子密封点之间的空隙，影响极限压强出气口与转子密封点之间的空隙，影响极限压强机械泵的真空油机械泵的真空油 饱和蒸气压低、润滑性、黏度、稳定性饱和蒸气压低、润滑性、黏度、稳定性水水水蒸气与机械泵

34、油混合形成悬浊液，破坏泵油质量水蒸气与机械泵油混合形成悬浊液，破坏泵油质量极限真空度可达极限真空度可达10-1Pa左右，双级旋片泵的极限真空可左右，双级旋片泵的极限真空可达达10-2Pa数量级。数量级。502、 罗茨泵罗茨泵罗茨泵内两个罗茨泵内两个8字形的转子字形的转子以相反的方向旋转，转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，不使用的咬合精度很高，不使用油作为密封介质。油作为密封介质。特点特点： 油蒸气污染少油蒸气污染少 转速快（转速快（3000转转/分），分），抽速大（抽速大（103L/s) 启动快启动快 振动小振动小 极限压强达到极限压强达到10-2 Pa，适用压力范围是适用压力范围是0

35、.11000Pa之间之间512、 罗茨泵罗茨泵 当气体的压力低于当气体的压力低于10-1Pa以后，气体的回流将造成以后，气体的回流将造成罗茨泵抽速的降低。而在罗茨泵抽速的降低。而在压力较高时，大量气体的压力较高时，大量气体的高速压缩又会引起泵体和高速压缩又会引起泵体和转子的发热与热膨胀，造转子的发热与热膨胀，造成配合精度很高的泵体的成配合精度很高的泵体的损坏。因此，罗茨泵的适损坏。因此，罗茨泵的适用压力范围是在用压力范围是在0.11000Pa之间。之间。在一般情况在一般情况下，下，罗茨泵总是与旋片式罗茨泵总是与旋片式机械真空泵串联成真空泵机械真空泵串联成真空泵机组使用。机组使用。52磁力驱动罗

36、茨真空泵（无泄漏）系列磁力驱动罗茨真空泵（无泄漏）系列1944 年德国人发明，适应在 10 1000Pa 压力范围内工作。53罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： 较宽的压力范围内有较大的抽速；较宽的压力范围内有较大的抽速； 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速；大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的泵

37、腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；污染； 结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； 压缩比较低，对氢气抽气效果差；压缩比较低，对氢气抽气效果差； 1)1)转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。难。应用领域：应用领域：冶炼、石油化工、电工、电子等行业冶炼、石油化工、电工、电子等行业543、 油扩散泵油扩散泵油扩散泵的工作方式是将油加热至油扩散泵的工作方式是将油加热至高温蒸发状态高温蒸发状态(约约200)，让油蒸气，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断

38、呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击气体分子，并将部分动量传递撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分于，使其被迫向排气给这些气体分于，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下排出泵口方向运动，在压缩作用下排出泵体。同时，被泵体冷却后的油蒸气体。同时，被泵体冷却后的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。又会凝结起来返回泵的底部。只能被用在只能被用在110-6Pa的压力的压力范围内，即范围内，即分子流状态分子流状态的真空条件的真空条件下，下，而不能直接与大气相连而不能直接与大气相连。缺点是缺点是泵内油蒸气的回流会直接造泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的油污染成真空系统的油污染。由于这个原。由于这个原因

39、，在材料表面分析仪器和其他超因，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。高真空系统中一般不采用油扩散泵。5510-310-1torr10-410-7torr加热器200oCoiljet冷却水管道油扩散泵便宜便宜, 耐用耐用返油返油加热慢加热慢 (0.5 hr) & 冷却慢冷却慢 (2 hr)电消耗量大电消耗量大原理原理:油分子（大分子）的动油分子（大分子）的动量量 气体分子的动量，气体分子的动量，传递动量实现被抽分子传递动量实现被抽分子的定向运动，的定向运动， 而油分子而油分子本身几乎不受影响。本身几乎不受影响。564、 涡轮分子泵涡轮分子泵 Turbo Molecu

40、lar Pumps动量传输作用动量传输作用 利用高速转动的转子碰撞气体分子并把其趋向排气口利用高速转动的转子碰撞气体分子并把其趋向排气口57涡轮分子泵涡轮分子泵（Turbo pumb）工作原理：工作原理： 靠机械运动对气体分子施加靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向作用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子运动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，泵的转子叶片具有特定的形状，以以20000-30000转转/分的高速旋转，分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片将动量传给气体分子，多级叶片的连续压缩保证了分子泵的高效的连续压缩保证了分子泵的高效快速的

41、工作。快速的工作。58分子泵的主要特点是分子泵的主要特点是：启动迅速，噪声小，运转平稳，抽速大，启动迅速，噪声小，运转平稳，抽速大，不需要任何工作液体。不需要任何工作液体。 涡轮分子泵涡轮分子泵对小分子压缩比低：对小分子压缩比低： for H2, 103 左右左右由于涡轮分子泵对于气体的压缩比很高，因而其油蒸气的回流由于涡轮分子泵对于气体的压缩比很高，因而其油蒸气的回流可以被完全忽略。涡轮分子泵的极限真空度可以达到可以被完全忽略。涡轮分子泵的极限真空度可以达到10-8Pa的数的数量级，抽速可达量级，抽速可达1000Ls，而适用的压力范围是在而适用的压力范围是在110-8Pa之之间间，因而，在使

42、用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。由于涡，因而，在使用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。由于涡轮分于泵的价格较高，因而多使用在需要严格限制油蒸气污染轮分于泵的价格较高，因而多使用在需要严格限制油蒸气污染的高真空系统之中。的高真空系统之中。595、 低温吸附泵（冷泵）低温吸附泵（冷泵）l工作原理：工作原理： 依靠气体分子在低温条件（依靠气体分子在低温条件（100 K）下自发凝结或被其）下自发凝结或被其它物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得它物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置高真空的装置 。 真空度依赖于低温温度，吸附物质的表面积和吸附气体真空度依赖于低温温度，

43、吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。的种类等。l优点：无振动，抽速快优点：无振动，抽速快l广泛用于受控核聚变，粒子加速器和现代半导体技术领域广泛用于受控核聚变，粒子加速器和现代半导体技术领域l极限真空度一般处于极限真空度一般处于10-110-8Pa之间之间60l抽气原理分成以下三个机构：（1）低温冷凝（2）低温吸附（3）低温捕获 低温吸附泵（冷泵）低温吸附泵（冷泵）低温吸附泵对各种气体的抽速低温吸附泵对各种气体的抽速均很大，因为它均很大，因为它只取决于气体只取决于气体分子向冷凝表面方向运动的速分子向冷凝表面方向运动的速度和参与冷凝过程的泵体内表度和参与冷凝过程的泵体内表面积。面积。低温吸附泵的

44、运转成本低温吸附泵的运转成本较高，但它作为获得无油高真较高，但它作为获得无油高真空环境的一种手段，既可以只空环境的一种手段，既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为配以旋片泵等低真空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以惟一的高真空泵使用，又可以与其他高真空泵种，如涡轮分与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用。子泵等联合使用。61工作原理：工作原理： 高压阴极发射出的高速电子与高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子碰撞引起电离放电，残余气体分子碰撞引起电离放电，电离的气体分子高速撞击电离的气体分子高速撞击TiTi阴极溅阴极溅射出大量射出大量TiTi原子。原子。活性很高的活性很高的TiTi原原子子以吸附

45、或化学反应的形式捕获大以吸附或化学反应的形式捕获大量气体分子并使其在泵体内沉积下量气体分子并使其在泵体内沉积下来，实现无油高真空环境。来，实现无油高真空环境。特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。特点：气体活性大，抽速大；寿命有限。极限真空度：极限真空度：10-8 Pa。Ti升华泵升华泵6、 溅射离子泵溅射离子泵62优点：优点：溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，它具溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，它具有清洁、真空度高、无噪声、无振动、操作方便等优点。离有清洁、真空度高、无噪声、无振动、操作方便等优点。离子泵工作是封闭系统，不需要有连续工作的前级真空系统。子泵工作是封

46、闭系统，不需要有连续工作的前级真空系统。 应用：应用：溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子加速器，受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、加速器，受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的工业设备中工业设备中63工作方式工作方式类型类型抽气类型抽气类型工作原理工作原理极限真空极限真空优点与使用优点与使用缺点缺点机械泵机械泵螺旋机械叶螺旋机械叶片泵片泵气体由特定空气体由特定空间内除去并排间内除去并排除至大气除至大气气

47、体压缩或气体压缩或膨胀膨胀10-2 Pa结构简单，结构简单，单独使用或单独使用或者作为前级者作为前级泵。泵。存在油污染存在油污染及水蒸气的及水蒸气的问题。问题。变容积式泵变容积式泵罗茨罗茨(Roots)泵泵无油真空系无油真空系统，价格较统，价格较贵，需要机贵，需要机械泵预抽真械泵预抽真空；空；泵体与转子泵体与转子发热、膨胀，发热、膨胀，造成泵体损造成泵体损坏；当气体坏；当气体压力低于压力低于10-1 Pa时，气体时，气体回流造成抽回流造成抽速降低速降低气体动力式气体动力式涡轮分子泵涡轮分子泵分子牵引分子牵引10-8 Pa与旋片机械与旋片机械泵串联使用，泵串联使用，需要机械泵需要机械泵抽预真空抽

48、预真空(1Pa)；无油；无油污染。污染。价格昂贵。价格昂贵。捕获式捕获式冷泵冷泵欲除之气体不欲除之气体不排除大气，而排除大气，而是通过物理或是通过物理或化学的方式永化学的方式永久或暂时吸附久或暂时吸附在系统中在系统中物理吸收作物理吸收作用用10-8 Pa需要机械泵需要机械泵抽预真空抽预真空(10-1pa)；无；无油高真空，油高真空，无振动，抽无振动，抽速快。速快。价格较贵；价格较贵；高温时，被高温时，被吸附的气体吸附的气体又释放出来。又释放出来。离子泵离子泵寿命有限寿命有限64说明：说明：由于不同的泵种的工作压力范围不同，实际由于不同的泵种的工作压力范围不同，实际运用中为达到一定的真空度，将两

49、种或以上真空泵运用中为达到一定的真空度，将两种或以上真空泵组合起来形成真空泵机组。组合起来形成真空泵机组。65真空计真空计绝对真空计绝对真空计：通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计 U型压力计、压缩式真空计型压力计、压缩式真空计测量的物理参数与气体成分无关，测量比较准确相对真空计：相对真空计：通过测量与压强有关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空计 放电真空计、热传导真空计、电离真空计放电真空计、热传导真空计、电离真空计测量的准确度略差，而且与气体的种类有关真空真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空真空计计（Vacuum gauges）又称真

50、空规又称真空规。是依。是依据据各各种种物理原理來量物理原理來量测压测压力或分子力或分子数数目目的多少。的多少。在科研和工业生产中广泛使用。在科研和工业生产中广泛使用。66 由仪器测出的真空度与真空室的实际真空度之间可能会由于温度不同而存在误差。 在分子流状态，而且真空室与测量点之间存在较细的管道连接时，测量压力pm和实际压力pc之间的关系将可由分子净通量为零的条件得出：mcmcTTppTc、Tm 真空室和测量点处气体温度67681、 电阻真空计（皮拉尼真空规）电阻真空计（皮拉尼真空规）真空室的压强和灯丝电阻之间真空室的压强和灯丝电阻之间的存在的关系为：的存在的关系为：PR测量真空的范围是测量真

51、空的范围是10510-2Pa低压下，气体的热传导与压强有关低压下，气体的热传导与压强有关21QQQQ1辐射热量、辐射热量、Q2气体分子碰气体分子碰撞灯丝带走的热量撞灯丝带走的热量热传导真空计的一种，测定热丝电阻值随温度变化热传导真空计的一种，测定热丝电阻值随温度变化类型：定温度型，定电流型类型：定温度型，定电流型 和定电压型。和定电压型。69直接用热电偶测量热丝温度直接用热电偶测量热丝温度2、 热偶真空计热偶真空计321QQQQQ1辐射热量、辐射热量、Q2灯丝与热偶灯丝与热偶丝的传导热量、丝的传导热量、Q3气体分子气体分子碰撞灯丝带走的热量碰撞灯丝带走的热量气体压强和热电偶的电动势之间气体压强

52、和热电偶的电动势之间的存在的关系为：的存在的关系为：P测量真空的范围是测量真空的范围是10210-1Pa70 热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量。在气体。在气体压力高于压力高于100Pa的情况下，气体的热导率将不再随气体压力的情况下，气体的热导率将不再随气体压力而显著变化。这时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏而显著变化。这时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏程度将迅速下降。而当气体压力低于程度将迅速下降。而当气体压力低于0.1Pa以后，由气体分以后，由气体分子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，

53、测量的灵敏度也将呈下降趋势。度也将呈下降趋势。缺点缺点：在测量区间内指示值呈非线性，测量结果与气体种：在测量区间内指示值呈非线性，测量结果与气体种类有关，零点漂移严重等。类有关，零点漂移严重等。优点优点：仪器的：仪器的结构简单，使用方便。结构简单，使用方便。热电势随气体压力的变热电势随气体压力的变化曲线化曲线71热偶真空规和皮拉尼真空规热偶真空规和皮拉尼真空规共同点：共同点：热偶真空规和皮拉尼规都是热偶真空规和皮拉尼规都是以气体的热导率以气体的热导率随气体压力的变化为基础随气体压力的变化为基础而设计的，它们是而设计的，它们是低真空时低真空时最常用的测量手段最常用的测量手段。热偶真空规和皮拉尼真

54、空规区别：热偶真空规和皮拉尼真空规区别：热偶真空规：通过测量热偶真空规：通过测量热丝温度热丝温度实现实现皮拉尼真空规：通过测量皮拉尼真空规：通过测量热丝的电阻随温度的变化热丝的电阻随温度的变化实现实现723、 电离真空计电离真空计测量高真空测量高真空利用气体分子电离原理进行真空测量的利用气体分子电离原理进行真空测量的l工作原理：它由阴极，阳极和离工作原理：它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳极过程中，使气体分子电飞向阳极过程中，使气体分子电离，并被收集电极收集形成电流，离，并被收集电极收集形成电流，根据根据离子电流强度离子电流强度测出气体压强。测出气体压强。l特点与使用：属高真空和超高真特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。空测量，通常与热偶规同时使用。阴极发射的电子电流强度Ie、气体分子的碰撞截面、气体分子的密度73WLPIIei 电子加速后，与气体分子碰撞产生电离，产生的正离子数电子加速后，与气体分子碰撞产生电离，