真空技术基础

1、会计学1真空技术基础真空技术基础1真空的介绍真空的介绍2真空的获得真空的获得3真空的测量真空的测量目录2“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，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，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人为真空：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相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。3456盖德 发明的机械泵盖德发明的分子泵7现代的有扩散泵8 今天的真空技术：105pa 10-13pa910760 mm HgVacuumATM1112单位单位帕帕/Pa托

2、托/Torr毫巴毫巴/mbar标准大气压标准大气压1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1l真空（压强）单位l 真空度和压强压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 标准大气压（atm） 气流种类真空状态真空压力特性分析应用范围黏滯流(Viscous flow)初真空： 10 Pa1

3、05 Pa10 Pa105 Pa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 工业应用（包装）過渡流(Transition flow)中真空： 10-2 Pa10 Pa10-2 Pa10 Pa真空度在10-6Torr以内时，水汽占70%-90%CVD沉积技术分子流(Molecular flow)高真空：10-2 Pa10-6 Pa 气体分子跟管壁间碰撞教分子间碰撞多。气体分子间随意运动方向。 溅射沉积技术超高真空：10-6Pa10-10Pa原子表面和界面分析极高真空： 10-10Pa 10-9 Pa 月球大气压强 ，10-15Pa 星际空间压强13研究。这是一项重大的技术突破

4、，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。14气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附。物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；化学吸附则发生在较高的温度下，与化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体和固体表面原子接触生成化合物时才能产生吸附作用。固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附15固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附气

5、体的脱附气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。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，气体分子容易发生脱附，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。16固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附在一些有电离现象的真空泵和真空计中，都不同程度的存在电吸收作用和化学清除作用，这两个因素也将加速固体对气体的吸附。其中电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼

6、性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、钛等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将与非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。17主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂主要的吸附剂真空的获得23泵1泵2真空室真空室泵1泵2并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度2425大气状态大气状态所需真空度所需真空度真空泵：真空泵：具有抽气功能的设备具有抽气功能的设备复合真空泵：复合真空泵：前级泵次级泵前级泵次级泵真空泵的分类真空泵的分类（1 1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。 a、机械式气体输运泵

7、：旋片式机械真空泵、罗茨泵、 涡轮分子泵。 b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获， 并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。真空泵简介旋转叶片真空泵(机械泵)工作原理： 凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，就称为机械泵机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。由于这种泵是用油来进行密封的，所以又属于有有油类型的真空泵油类型的真空泵。这类机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式（又称柱塞式）几种，其中以旋片式机械泵最为常见。 极限真空：单级为2010-3 Torr； 两级

8、串联能低于110-3 Torr26 旋片式真空泵是用油来保持各运动部件之间的密封，并靠机械的办法，使该密封空间的容积周期性地增大，即抽气；缩小，即排气，从而达到连续抽气和排气的目的。右图是单级旋片泵的结构图，泵体主要由定子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。定子两端被密封形成一个密封的泵腔。泵腔内，偏心地装有转子，实际相当于两个内切圆。沿转子的轴线开一个通槽，槽内装有两块旋片，旋片中间用弹簧相连，弹簧使转子旋转时旋片始终沿定子内壁滑动。旋转叶片真空泵旋转叶片真空泵( (机械泵机械泵) )2728机械泵的结构29 泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体

9、间无需油作密封，转速高，抽速快。罗茨（罗茨（Roots)Roots)真空泵真空泵( (无油泵无油泵) )工作原理：（a）进气 （b）隔离 （c）压缩（d）排气303132涡轮分子泵涡轮分子泵（Turbo pumb）工作原理： 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，以20000-35000转/分的高速旋转，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快速的工作。33Turbo Pump 工作原理图3435复合分子泵复合分子泵 分子泵是旋片式机械真空泵的一大发展。同机械泵一样，分子泵也属于气体传输泵，但是它是一种无油

10、类泵，可以与前级泵构成组合装置，从而获得超高真空。目前，可把分子泵分为牵引泵（阻压泵）、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。其中，牵引泵在结构上更为简单，转速较小，但压缩比大；涡轮式分子泵又可以分成“敞开”叶片型和重叠叶片型。前者转速高，抽速也较大，后者则恰好相反。复合型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高的优点和牵引分子泵压缩比大的优点结合在一起，利用高速旋转的转子携带气体分子而获得超高真空。36复合分子泵复合分子泵冷泵（冷泵（CryopumpCryopump）l工作原理： 依靠气体分子在低温条件（20 K）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，进而获得高真空的装置 。 真空度依赖于低

11、温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。l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3738低温泵是利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前具有最高极限真空的抽气泵。它主要用于大型真空系统，如高能物理、超导材料的制备、宇航空间模拟站等要求高清洁、无污染、大抽速、高真空和超高真空等场合。低温泵又称冷凝泵、深冷泵。按其工作原理又可分为低温吸附泵、低温冷凝泵、致冷机低温泵。前两种泵直接使用低温液体（液氮、液氦等）来进行冷却的，成本较高，通常仅作为辅助抽气手段；致冷机低温泵是利用制冷机产生的深低温来进行抽气的泵。l抽气原理分成以下三个机构：（1）

12、低温冷凝（2）低温吸附（3）低温捕获39第一级冷凝面第二级冷凝面40比较：工作方式类型抽气类型工作原理极限真空优点与使用缺点机械泵螺旋机械叶片泵气体由特定空间内除去并排除至大气气体压缩或膨胀10-3 Pa结构简单，单独使用或者作为前级泵。存在油污染及水蒸气的问题。变容积式泵罗茨(Roots)泵无油真空系统，价格较贵，需要机械泵预抽真空；泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，气体回流造成抽速降低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

13、久或暂时吸附在系统中物理吸收作用10-8 Pa 需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真空，无振动，抽速快。价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。41真空真空计简计简介介定义： 真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空计（Vacuum gauges）又称规。是依据各种物理原理來量测压力或分子数目的多少。在科研和工业生产中广泛使用。真空度依范围区分依种工作原理区分粗略真空760 1Torr液体静态真空计中度空1 10 Torr热传导式真空计皮拉尼(Pirani）高真空10 -3 107 Torr电容式真空计超高真空10-7 Torr以下离子化真空计4243真空测量是指用特定的仪器和装置

14、，对某一特定空间内真空测量是指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内真空高低的测定。这种仪器或装置称为真空计（仪器、真空高低的测定。这种仪器或装置称为真空计（仪器、规管）。真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝规管）。真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。凡通过测定物理参数直接获得对真空计和相对真空计。凡通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计均为绝对真空计，例如气体压强的真空计均为绝对真空计，例如U型压力计、型压力计、压缩式真空计等，这类真空计所测量的物理参数与气体压缩式真空计等，这类真空计所测量的物理参数与气体成分无关，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况成分无关

15、，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况下，直接进行测量是极其困难的；而通过测量与压强有下，直接进行测量是极其困难的；而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关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空计则称为相对真空计，如放电真空计，热传导真空计，计则称为相对真空计，如放电真空计，热传导真空计，电离真空计等，它的特点是测量的准确度略差，而且和电离真空计等，它的特点是测量的准确度略差，而且和气体的种类有关。气体的种类有关。l 真空测量元件常被称为真空规，真空测量技术分为低真空和高真空测量；1、电离真空计2、电容压力计3、热偶真空规4、电阻真空计4、电离真空规44

16、水银真空计直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计) 。 压缩型真空计测量范围：103 10-3 PaU型计测量范围：105 10 Pa4546电阻真空计电阻真空计 电阻真空计是热传导真空计的一种，它是利用测量真空中热丝的温度，从而间接获得真空度的大小的。其原理是低压强下气体的热传导与压强有关。47规管中的加热灯丝是电阻温度系数较大的钨丝或铂丝，热丝电阻连接惠斯顿电桥，并作为电桥的一个臂。低压强下加热时，灯丝所产生的热量Q可以表示为： Q = Q1 + Q2 （1-1）式中Q1是灯丝辐射的热量，与灯丝的温度有关；Q2是气体分子碰撞灯丝而带走的热量，大小与气体的压强有关。当热丝温

17、度恒定时，Q1是恒量，即热丝辐射的热量不变。在某一恒定的加热热丝电流条件下，当真空系统的压强降低，即空间中气体的分子数减少时，Q2将随之降低，此时灯丝所产生的热量将相对增加，则灯丝的温度上升，灯丝的电阻将增大，真空室的压强和灯丝电阻之间的存在这样的关系P R，所以可以利用测量灯丝的电阻值来间接地确定压强。电阻真空计电阻真空计电容真空计l工作原理：通过薄膜在气压力差下产生机械位移，测量电极间电容对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。48电容真空计原理图如图所示，在不同压力下金属膜片受力不同会有不同尺度的变形，使得金属膜片和电极之间的电容变化，通过测量电容的变化量，即可知道金属膜片上气压的变

18、化。 这种规的测量范围一般横跨4个量级，比如可能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。 49热偶真空计热偶真空计l热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。l皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。5051热偶真空计热偶真空计 热偶真空计的规管主要由加热灯丝C与D（铂丝）和用来测量热丝温度的热电偶A与B（铂铑或康铜-镍铬）组成。热电偶热端接热丝，冷端接仪器中的毫伏计，从毫伏计中可以测出热偶电动势。测量时，热偶规管接入被测真空系统，热丝通以恒定的电流，同电阻真空计不相同的是，此时灯丝所产生的热

19、量Q有一部分将在灯丝与热偶丝之间传导散去。当气体的压强降低时，热电偶接点处温度将随热丝温度的升高而增大，同样，热电偶冷端的温差电动势也将增大，及气体压强和热电偶的电动势之间存在这样的关系：P 。电离真空规l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，根据离子电流测出气体压强。l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。5253电离计的工作原理是热阴极A发射电子，经过加速极加速，大部分电子飞向收集极，在B-C之间的拒斥场作用下，电子运动速度降低，当速度减到零时，电子又重新飞向B极，在电子飞向B-C空间时，同样

20、也受到拒斥场的作用，在速度减为零时，电子返转飞向C极，电子在B-C空间的反复运动，将与气体分子不断发生碰撞，使气体分子获得能量而产生电离，电子最终被加速极收集，而电离产生的正离子则被收集极接受并形成离子流I+。电离真空计电离真空计种类测量范围特点注意电容真空计10-3103Pa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。皮拉尼 (Pirani)0.1Pa1atm整个线性误差允许范围是正负百分之，其中a-1Pa这一段线性最好，也就是从中真空段到低真空段部分因各种气体的比热及其撞击灯丝时带走的热量不尽相同，所以

21、需要对测量不同的气体进行校正，否则误差甚大。热偶真空计1300Pa精度不高，但是电路简单,价格低廉。电离真空计Ion gauge10-10-10-13Torr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比较：541. 小型化：是电子技术发展的产物,它又是一体化和集成化的基础2. 一体化：可以提高测量准确度3. 集成化：可以更好地适应在实际真空系统中的应用4. 智能化：依赖于计算机技术的迅速发展5. 系统化:可满足工业自动化的需求,亦与计算机技术密切相关因此,真空计向小型化、一体化、集成化、系统化和智能化方向的发展,是在迅速发展的电子技术和计算机技术的推动下,为满足应用的需求而

22、产生的结果。真空计的发展趋势55低真空系统l系统组成： 真空室；机械泵；热偶规l应用 低压化学汽相薄膜沉积； 真空包装等真空室机械泵控制与测试电磁阀热偶规56高真空系统l系统组成： 真空室；分子泵或油扩散泵； 机械泵；热偶电离复合规-l应用:溅射沉积和蒸发等镀膜系统. 真空室机械泵控制与测试电磁阀复合真空规扩散泵或分子泵57超高真空系统n系统组成： 真空室；分子泵或油扩散泵； 机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规n应用 表面，界面及原子操纵 真空室机械泵控制与测试电磁阀复合真空规扩散泵或分子泵离子泵5859760 mm HgVacuumATM60固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体

23、的脱附气体的脱附气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。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，气体分子容易发生脱附，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。61真空的获得62旋转叶片真空泵(机械泵)工作原理： 凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，就称为机械泵机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。由于这种泵是用油来进行密封的，所以又属于有有