真空物理基础

真空物理基础苟伟一、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2.687×1025/m3；气压1×10-4Pa的高真空中，气体分子密度约为2.65×1016/m3；……宇宙中，气体分子密度﹤109/km3，甚至每km3只有几个气体分子。依据工业标准的规定，真空绝不是“完全空”，而是一种“低于一个标准大气压的气体充溢空间的状态”。由此可知，工业领域所说的真空，与我们平常想象中的“完全空”的真空相差十万八千里。空无一物的志向真空，事实上是不存在的。

真空真的是“什么都没有”吗?气体分子密度可以接近于零，却不是零。真空现象1、从地球表面对外空延长，离地面距离越远，空气越淡薄；2、宇航员在外空间时都必需穿上太空服，一方面就是为了防止宇航员被负压损害。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。人为真空须要通过真空泵系统来实现。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，真空度就越高常用单位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Torr(mTorr)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17.501×10-310-29.869×10-61托1.333×10211.333×10-１1.315×10-31毫巴1027.501×10-１19.869×10-41大气压1.013×105760.001.013×1031真空的意义①MonolayerCoverageTimeForanidealgas,thetimeneededformonolayercoverageisgivenby: tML1019/ZAwhereZAisimpingementrate.②ImpingementRate(Flux)Foranidealgas,theimpingementrateisgivenby:

ZA=ρv/4where,ρ-thenumberdensityofgasmoleculesv-themeanvelocity不同真空条件下气体分子的状态DegreeofVacuumPressure

(Torr)GasDensity,ρ

(molecules

m-3)MeanFreePath

(m)Time/ML,tML

(s)Atmospheric7602x10257x10-810-9Low13x10225x10-510-6Medium10-33x10195x10-210-3High10-63x1016501UltraHigh10-103x10125x105104Collision-FreeConditions:P~10-6TorrMaintainaCleanSurface:P~10-10Torr真空的划分真空等级真空度范围备注低真空

105~102Pa气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子间碰撞十分频繁中真空102~10-1Pa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10-1~10-5Pa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依据GB3163－82，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：

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1×105～6.7×10-11×105罗茨真空泵1.3×103～1.31.3×103分子筛吸附泵1×105～1.3×10-11×105油扩散泵1.3×10-2～1.3×10-71.3×10涡轮分子泵1.3～1.3×10-51.3溅射离子泵1.3×10-3～1.3×10-96.7×10-1钛升华泵1.3×10-2～1.3×10-91.3×10-2低温泵1.3～1.3×10-111.3～1.3×10-1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

依据中华人民共和国机械行业标准JB/T7673-95的规定，国产各种真空泵是由基本型号和协助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123—456。格中数字123表示基本型号，456表示协助型号。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S2与进气门G之间空腔的区域I的体积渐渐增大，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起先将区域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旁边被抽走最常见泵的工作原理涡轮分子泵工作原理α1

β1

γ1

ⅠⅡ当Ⅰ侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在α1角内的将又回到Ⅰ侧；撞击在γ1角内再反射的气体分子将进入Ⅱ侧；反射方向在β1角内的气体分子最终将进入到Ⅱ侧或散射回Ⅰ侧。动叶片工作原理图α2

β2

γ2

ⅠⅡα1﹤α2，γ1﹥γ2净气体流ⅡⅠ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，必需前段运用粗抽泵从大气抽至约2-5Pa，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：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，使泵按规定的条件正常工作一段时间，真空度不再变更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105～10高真空电离真空计10-1～10-5油U型管104～1高压力电离真空计102～10-4光干涉油微压计1～10-2B-A计10-1～10-8压缩式真空计(一般型)10-1～10-3宽量程电离真空计10～10-8压缩式真空计(特殊型)10-1～10-5放射性电离真空计105～10-1弹性变形真空计105～102冷阴极磁放电真空计1～10-5薄膜真空计105～10-2磁控管型电离真空计10-2～10-11振膜真空计105～10-2热辐射真空计10-1～10-5热传导真空计(一般型)102～10-1分压力真空计10-1～10-14热传导真空计(对流型)105～10-1

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。在通过热丝的电流确定的条件下，灯丝辐射热量不变。102—10-1Pa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：102—10-1Pa（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，灯丝受热后便放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与真空系统相接收集极A电压比灯丝负（几十伏），反射电子电子在来回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放射电流Ie。Ip=kIePIe确定时，Ip与压强成正比测量范围为10-1-10－5Pa真空的应用表4不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况

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；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.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