真空技术基础

真空技术基础第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三MainContent1、AdsorptionofGas

气体吸附现象2、GasDischargeunderLowTemperature

低压下气体放电现象第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三AdsorptionofGas(吸附)1、InteractionofSolidandGas吸附(Adsorption)：固体表面聚集一层或者多层气体的现象；吸收(Adsorption)：气体扩散渗入固体内部并被溶解的现象；解吸（Desorption）：被材料吸附的气体或者蒸汽的释放现象；第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三2、BasalPrincipleofAdsorption吸附是真空技术中非常重要的问题，只要涉及的是气体与固体表面的相互作用。被吸附的气体分子叫做吸附质，吸附气体分子的固体叫吸附剂。吸附是固体物质的通性，但是有些物质的吸附能力特别强，如活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛、金属钛、金属锆和金属钡等。吸附现象在真空技术中要辨证地看待。第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三吸附产生的机理大致说就是由于固体表面附件的力场存在，它对于与其碰撞的气体分子而言扮演着一个势阱（Potentialtrap）的角色。吸附剂与吸附质中间作用力分类两种：范德瓦尔斯力和化学键力。范德瓦尔斯力源于电偶极子，强度随距离6次方衰减；化学键力源于吸附剂与吸附质之间的电子交换，有离子键和共价键的区分；第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三吸附的过程：分子以能量与固体表面碰撞，以一定的几率落入范德瓦尔斯势阱，放出一部分热量（吸附热）。被捕获的分子以一定几率穿越势垒（化学吸附活化能）落入更深的势阱，放出较大的能量（化学吸附热）。物理吸附与温度负相关，化学吸附与温度正相关。第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三3、EquilibriumofAdsorption吸附出于平衡状态时，吸附量是温度与环境气体压力的函数：温度一定时，吸附量仅仅是压力的函数，叫做吸附等温线。大量的实验表明吸附等温线有5中类型，其中类型I为单分子层吸附。

第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三根据热力学理论，很多研究者对吸附现象进行了研究，得到很多吸附等温线的理论结果，其中真空技术中常用的有6种。需要注意的是下面这些公式都是有特定的使用范围的，这从一个侧面反映出吸附现象的复杂性，它不仅与吸附剂的物质种类和表面状况有关，也与吸附质的物质种类、携带的能量等有关。第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三朗缪尔等温式：第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三此外还有弗利德利胥等温式、捷姆金等温式、BET等温式、杜平宁等温式和亨利定律等。这些方程都是在普遍的热力学规律基础上，结合特定的假设得到的，所以适用性是有局限的。《真空设计手册》P80～84第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三4、Non-equilibriumofAdsorption在吸附未达到平衡或者外界因素使得吸附质脱附时，吸附现象进入非平衡状态。通常对非平衡态我们关注的是吸附或者解析速率。ChemicalAdsorptionSpeed其中γ是吸附成功率、Fc(θ)是没有被化学吸附占据的吸附位碰撞的概率、Ea是吸附活化能、Γn是单位时间碰撞到单位面积衬底上的分子数目。第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三为了简单起见，通常定义粘附概率αc,得到化学吸附速率的表达式为：下面给出一些实际测量的结果。通常结论是和各种因素相关的。第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三PhysicalAdsorptionSpeed物理吸附速率up是：定义凝聚速率得到物理吸附速率表达式为：第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三FirstLevelDesorptionspeed

分别为单位面积吸附分子数、一级解吸速率常数、气体普适常数、解吸活化能、热力学温度和吸附分子垂直于表面方向的振动周期。常见气体的吸附常数和吸附热有表可查。

第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三TwoLevelDesorptionSpeed在超高真空系统中许多化学活泼的双原子气体在金属表面上化学吸附时分级为原子态。其解吸速率称为二阶解吸速率。分别是单位面积上吸附的分子数、单位面积上吸附的原子数、解吸活化能、二级解吸速率常数、普适气体常数和热力学温标。第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三GasDischargeunderLowTemperature1、IonizationofGas假设分子具有球对称势能，当运动的电子只有在距离分子re之内时，其轨道才有显著的变化。称此时的球对称势能截面为有效截面（EffectCross-Section）。有效截面是微观截面。单位体积内所有分子的有效截面之和叫做总截面。它在物理意义上相当于一个电子在气体中经过单位路程和气体分子碰撞的概率。第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三电子平均自由程总截面第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三CollisionNumberDistributionofElectroninAcceleratingElectricFieldbetweenTwoPole电子从阴极飞跃到阳极的过程中，不断与气体分子碰撞，损失能量和改变运动方向。期间遭受i次碰撞的概率P{i}为：d为极间距第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三如果在电极间有N0个电子，它们与气体发生碰撞的总次数Z满足：第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三ElectronCollisionLeadingtoIonization电子与气体分子碰撞导致有如下可能：a、不发生能量转移b、激发气体分子到激发态；c、电离；上述过程的发生与电子携带的能量相关，满足能量要求时，过程的发生也是以一定的几率进行的。第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三足以引起气体电离的能量叫做电离能，电离能对应的电位叫做电离电位。第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三2、GasDischarge当气体原子或者分子受到某种外界能量作用而形成荷点粒子（电子、正离子、负离子），气体变成导体，当有电场存在时，带电粒子定向运动，产生了气体放电现象。气体放电的特点：（1）气体放电的前提是气体电离，有载流子；（2）恒定温度下，气体电导率由载流子密度和平均自由程决定。它是随外界因素有关的；第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三（3）电子从电场获得的能量，主要转化为下面四种形式的能量：a）通过和气体分子碰撞转化为分子热运动能量；b）通过激发碰撞转化为激发能；c）通过电离碰撞转化为电离能；d）通过和电极碰撞将能量传递给电极。第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三气体放电的伏安特性OA:自然带电粒子形成电流；AB：自然带电粒子导电达到饱和；BD：雪崩击穿；

D：崩溃或者点火；EF：正常辉光放电；FG：异常辉光放电；GH：弧光放电；OC：非自持放电；CD：不稳定自持放电；EH：稳定自持放电第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三当加在阴极和阳极之间的电压增大到某一个数值时，放电从非自持放电转变为自持放电，放电电流会大幅度增大。非自持放电过渡到自持放电的突变称为崩溃，对应的电压叫做着火电压。发生崩溃的条件是：

分别是电离系数、着火电压、电场强度、极间距、二次发射系数

第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三着火电压相当于放电伏安曲线上D点的电压，数值上决定于气体的压力P、极间距d。Vs＝（pd）这个规律叫做巴刑定律，只要乘积保持不变，着火电压也不会变化。各种材料的最低着火电压可以在真空技术的常数表中查寻。第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三3、GlowDischarge辉光放电是满足着火条件后立即发生的一种自持辉光放电，它的显著特点是从阴极到负辉区有几百伏的电位变化。辉光放电的整个空间为明暗相间的光层所分割，而大多数光层分布在靠近阴极的地方。这个特点是与电子和气体相互作用的特点密切相关的。第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三I区：阿斯顿暗区；II区：阴极辉区；III区：阴极暗区；上述三区叫做阴极位降区；IV区：负辉区，光度最强；V区：法拉第暗区；VI区：正柱区，等离子体区；VII区：阳极区第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三除此之外，气体放电还包括弧光放电、活化放电、电晕放电、高频放电和潘宁放电。这些放电类型都与具体的气压、电极和电场条件相关。这些放电形式也根据各自特点的不同有着特殊的用途。比如：弧光放电温度很高，发光强烈，可以用来熔化、焊接金属、制备照明灯具；火花放电具有高压、放电间隙等时、外环境敏感特性，可以用来制作高压验证仪器、计时器和辐射计数器；电晕放电时自持放电，可以用来