第真空技术基础演示文稿

第真空技术基础演示文稿当前第1页\共有20页\编于星期六\18点优选第真空技术基础当前第2页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础真空与薄膜材料与技术有何关系？几乎所有的现代薄膜材料制备都需要在真空或较低的气压条件下进行

都涉及真空下气相的产生、输运和反应过程

了解真空的基本概念和知识，掌握真空的获得和测量技术基础知识

是了解薄膜材料制备技术的基础！1.1真空的基本知识中学物理内容：1643年

托里切利

(Torricelli)著名的大气压实验

为人类首次揭示了真空

这个物理状态的存在！管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在而形成真空(托里切利真空)图中A、B、C三点压力相等，A、C点：大气压；B点：水银柱产生的压力

换句话说：可用水银柱产生的压力作为大气压力的量度!

把高度为760mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压(1atm)

1atm=760mmHg！结果：得到了“真空”的定义和大气压的定义与量度依据！当前第3页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.1真空的基本知识概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，

使该空间内的气压小于1个大气压，

则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。注意：真空，实际上指的是一种低压的、稀薄的气体状态，

而不是指“没有任何物质存在”！因此，真空可分为现代真空技术的极限：每cm3空间内仅有数百个气体分子

对应气压10-11Pa思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？提示：可由Avogadro常数推算(6.02×1023个/22.4×103cm3

2.7×1019个/cm3)当前第4页\共有20页\编于星期六\18点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

真空的实质：一种低压气体物理状态

真空度采用气体压强表征真空度的单位=气体压强的单位注意：真空度和气压的意义相反真空度意味着气压

主要单位制

换算基础：1N＝105dyne＝0.225lbf1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105Pa＝1.013bar当前第5页\共有20页\编于星期六\18点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：说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位；

1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1torr＝1mmHg2、早期的真空度计量常以torr或mbar为单位；

目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛真空度用Pa作单位torr/mmHgPabaratmPSI1torr

(1mmHg)1.333×102

(1.013×105/760)1.333×10-3

(1.013/760)1.316×10-3

(1/760)1.9337×10-21Pa7.501×10-3

(760/1.013×105)10-59.869×10-6

(1/1.013×105)1.4504×10-41bar7.501×1021059.869×10-11.4504×1011atm760.01.013×1051.0131.4696×1011PSI51.71496.8948×1036.8948×10-26.8046×10-2当前第6页\共有20页\编于星期六\18点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。相关物理：1）Knudsen数(克努森)定义：物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！

分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流，其Kn

一般>10！2）真空系统中气体运动特征的理论划分：粘滞流（层流、Poiseuille泊肃叶流）

粘滞-分子流

分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn<0.010.01

Kn

=0.01~11

Kn>>1

—气体分子的平均自由程—流场特征尺寸（如：管径）当前第7页\共有20页\编于星期六\18点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3）理想气体状态方程：，式中：n—分子密度(个/m3)；k—玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/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=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常数，6.02×1023

个/mol；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。

式中：

—分子直径（m）；

Avogadro定律：

一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。表明：1）与P成反比，而与T成正比；2）在气体种类和温度一定的情况下：当前第8页\共有20页\编于星期六\18点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5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足

P(Pa)10510210-110-310-610-9(m)6.667×10-86.667×10-56.667×10-26.6676.667×1036.667×106尺度数十nm不到1mcm量级若干米数km几千kmKn<<0.01≥0.01≥1>>1气体分子流动特征粘滞流过渡段分子流气体分子运动特点大气状态热运动剧烈碰撞频繁粘滞流

分子流分子-分子

与分子-器壁

碰撞几率相当器壁碰撞为主粒子直线飞行分子数更少分子间无碰撞器壁碰撞几率也低真空区域

工程划分

粗真空低真空高真空超高真空极高真空当前第9页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础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。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！当前第10页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.1真空的基本知识1.2真空的获得真空的获得：就是所谓的“抽真空”！

利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在<1atm的特定压强范围！获得真空的主要工具各种真空泵（Pump）！真空泵的分类当前第11页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得真空泵的分类及常用工作压强范围说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1atm到10-8Pa的工作范围

真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统

实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！气体输运泵旋片式机械泵（RotaryPump）单级：105~1Pa双级：105~10-2Pa罗茨泵（BoosterPump/RootsPump）103~10-1Pa油扩散泵（DiffusionPump）1~10-6Pa涡轮分子泵（TurbomolecularPump）1~10-8Pa。。。气体捕获泵溅射离子泵（IonPump）10-3~10-11Pa钛升华泵（TitaniumSublimationPump）10-3~10-11Pa低温冷凝泵（CyroPump）10-4~10-11Pa吸附泵（SorptionPump）102~10-3Pa。。。当前第12页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得1.2.1旋片式机械泵（RotaryPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气机械泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。分类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式运转模式：吸气压缩排气（不断循环）基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；

真空度要求低可单独使用；真空度要求高作为前级泵使用工作区间：单级：105~1Pa；双级：105~10-2Pa优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。双级机械泵示意图当前第13页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得1.2.2油扩散泵（DiffusionPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理真空油历经循环：

蒸发喷射碰撞冷凝回流工作原理：1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）；2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；

3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；

4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；

5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。当前第14页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得1.2.2油扩散泵（DiffusionPump）（d）典型高真空系统组合前级：罗茨泵+机械泵后级：油扩散泵高真空阀和冷阱阻止油气回流的Baffle工作区间：1~10-6Pa（因此需要前级机械泵提供1Pa的出口压力）优点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。缺点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。当前第15页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得1.2.3涡轮分子泵（TurbomolecularPump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理工作原理：1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；

2）转子叶片以20k~60kr/min的高速旋转；

3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子；

4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。工作区间：1~10-8Pa

也需前级泵提供1Pa的出口压力，但可提供更高真空度优点：无油、抽速较高。缺点：1）抽取低原子序数气体能力较差；

2）造价高；3）不易维护。当前第16页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得1.2.4低温吸附泵（Cyropump）（a）外观（b）内部结构多级深冷头示意图工作原理：利用20K以下的超低温表面来凝聚气体分子以实现抽气。

1）初级冷头（外侧温度=50~80K）：吸附水气、CO2

等；

2）多级深冷头（T<20K）：外侧光滑金属表面吸附N2、O2、Ar；

内侧活性炭表面吸附H2、He、Ne工作区间：10-4~10-11Pa优点：可实现目前最高的极限真空度：10-11Pa。缺点：1）属于捕获泵的一种，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷机）；

2）需要“再生”处理。当前第17页\共有20页\编于星期六\18点1真空技术基础1.2真空的获得小结（课后作业）：1、真空泵可分为哪两大类？简述各类包括的常用真空泵类型及其工作压强范围。2、分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？3、各举一例比较气体输运泵和气体捕获泵工作原理的不同。1.3真空的测量概念：采用特定的仪器装置，对某一特定空间内的真空度（即：气压）进行测定。

这些仪器常被称为真空计（Manometer）或真空规（VacuumGauge）原理特点按测量原理不同分为绝对真空计U型气压计压缩式气压计薄膜真空计。。。直接测定气压值的大小气压值测量结果与气体成分无关测量准确高真空下难以实现测量相对真空计热偶真空计Pirani真空计电离真空计。。。测量与气压相关的其它物理量，并与绝对真空计测量值比较，

换算得到气压测得的气压值与气体成分相关精度略差易于实现测量分类：当前第18页\共有20页\编于星期六\18点因此：P

时，气体稀薄化气体导热能力Qg

相同灯丝电流下Ql

热电偶温度T

电压表上测得的热电势V特定气压范围内（102~10-1Pa间），成立：！工作原理：利用一个灯丝持续加热，灯丝旁有一热电偶，灯丝放热总量（Qt）等于辐射热损失（Qr）、热电偶-灯丝间热传导

（Ql）及气体分子与灯丝碰撞携带走的热量（Qg）之和：1