真空基本原理基本概念

真空基本原理基本概念1安捷伦科技公司致力于为教育事业贡献力量，愿意无偿提供公司拥有的本技术培训材料。这组幻灯片是由安捷伦科技公司制作的。这些幻灯片仅限用于教学目的。这些材料和本文中包含的信息“按原样”接受，安捷伦对于这些材料不提供任何形式的担保或保证，也不承担您使用或复制这些材料可能产生的任何责任。安捷伦对于因使用、复制或披露本文包含的材料造成的或与之相关的任何损害不承担任何责任。您同意对因您使用或复制这些材料而造成的任何索赔进行赔偿，并确保安捷伦不受损失。如果其中的图片、示意图或绘图要用于其他任何目的，请与安捷伦科技公司取得联系。2目录前言真空发展历史概述真空范围定义压力分子碰撞腔室中测量大气压海拔vs.压力流动什么是流动？气体流动机制过渡流流导一般概念粘性流中的流导分子流中的流导示例流导严重影响泵速粒子运动表面清洁度与电绝缘总结更多信息真空发展历史前言

目录详情请参见注释4沃尔夫冈·盖德(WolfgangGaede)

发明了汞蒸气“扩散”泵，并提出了

基于“分子拖动”的泵概念。1915年盖-吕萨克

(Gay-Lussac`s)

定律描述了

气体的热膨胀。1800年代丹尼尔·伯努利(DanielBernoulli)

出版了Hydrodynamica（《流体动力学》），

介绍了气体的

动力学理论。1738年罗伯特·波义耳(RobertBoyle)是一名哲学家、化学家兼物理学家，因波义耳定律而闻名。1660年代布莱士·帕斯卡(BlaisePascal)研究了液压流体。他的名字“帕斯卡”被确定为压力的国际标准单位，并用于命名一种编程语言和帕斯卡定律。1650年代埃万杰利斯塔·托里拆利(EvangelistaTorricelli)发明了水银气压计。“Torr”（单位）

以他的名字命名。1643年奥托·冯·格里克(OttovonGuericke)

建立了真空

物理学。1600年首次

实现“拖动级”

涡轮分子泵的

商业化。1980年代VarianAssociates

发明了“溅射离子”泵（管寿命）1956年VarianAssociates

由瓦里安兄弟W.W.Hansen和E.Ginzton

创办1948年费尔南德·

霍尔维克

(F.Holweck)

同样提出了

“分子拖动”

泵的建议1920年代“真空”一词源于拉丁语形容词“vacuus”，这个形容词是指“空虚的”或“空洞的”，表示不存在物质，这种状态指物质密度低于地球表面大气压力的气体状态。许多技术过程和仪器都需要真空，例如：长距离移动粒子高能物理（粒子加速器）质谱和电子显微镜形成并保持表面洁净表面涂层（玻璃、膜、半导体）食品包装防止电击穿变压器真空管概述前言目录5真空范围定义真空范围取决于以系统中物质数量定义的真空质量。真空范围越高，周围的物质越少。大气压760Torr粗真空25Torr中等真空7.5e-4Torr高真空7.5e-7Torr超高真空7.5e-10Torr极高真空7.5e-13Torr收集与运输白炽灯热处理表面涂层薄膜沉积质谱纳米技术半导体食品包装电子显微镜亚原子研究空间研究冷冻干燥目录6撞击固定表面的粒子的动量转移产生作用于壁的力。所得压力的计算公式为：表压是相对于环境压力的压力。压力分子碰撞目录P=压力F=力A=表面积P1P2P3PxF1F2F3FX示意图显示了封闭环境内由颗粒碰撞产生的压力。7压力取决于：体系中的分子数量分子动量（热能）腔室面积（体积）在大气中，气球的形状（或体积）代表了内部分子（试图膨胀气球）的力与试图“压扁”气球的外部分子力之间的平衡。去除（最好减小）外力能够使“内部”分子将气球撑开到更大的体积。压力腔室中PTPTPTPTP空气P空气P空气P空气目录8

9压力测量大气压还可使用气压表测量真空度，也可作为大气压力（单位为bar或大气压）的百分比进行衡量。目录托里拆利实验

汞的密度是水的14倍左右

汞柱长度是水柱的1/13408/14=30英寸汞柱=760mm汞柱Berti实验1英寸汞柱=0.036磅(PSIa)

1标准大气压=14.7PSIa

柱高：14.7/0.036=408英寸

=33.9英尺压力测量大气压水柱33.9英尺汞柱30英寸760mm1标准大气压=760Torr目录详情请参见注释10海拔压力(Torr)粒子数/cm31000英里1609km10-104×10625英里40km28×101610英里16km783×101827500英尺8.3km2531×101920000英尺6km3501.5×10195000英尺1.5km6322.5×10192000英尺0.6km7092.8×1019海平面7603.0×1019海拔vs.压力压力空气分子较少空气分子较多目录11与固体不同，液体或气体填充到容器或空间时，原有形状不会保持。液体将在相对较小力的作用下从一个位置“流动”至另一位置。虽然液体受到“体积力”（重力和离心力）的限制，但是气体受这些力的影响相对较小。流动什么是流动？液体以每秒几米的速度运动，而气体能够在相对较小的压力差作用下以每秒几百米的速度运动。目录气体流动类型粗真空粘性流中等真空克努森流高真空分子流超高真空分子流12真空中的气体流动具有三种既定的机制。当气体从高压区域扩散到低压区域时，

可以用流体力学中的术语来描述这种运动。气体行为将根据压力而有所不同。气体流动机制流动目录详情请参见注释粘性流(P>100mTorr)气体的行为与管中的液体类似分子间的距离较小分子-分子碰撞占支配作用通过动量转移而流动流动特征：湍流、层流分子流(P<1mTorr)气体分子的行为与离散粒子类似分子-壁碰撞占支配作用气体粒子之间的碰撞极小流动特征：分子流压力过渡流13粘性流(100mTorr)和分子流(1mTorr)之间的区域被称作过渡流（也称作克努森流）。此时的气体流动行为难以预测。实际上，流动特性是基于压力和容器尺寸之间的关系。仅基于压力来表征流动在技术上不可行。

过渡流中的真空压力估计值可能会有多达50%的

变化，因为可采用至少三种不同的方法来计算过渡流中的流量，它们的结果相差多达50%。14流动过渡流目录流导(C)是气体穿过材料的能力。它是单位时间通过凹口（如孔口、管道或管线）的气体体积(Q)。术语“流导”主要用于被动系统组件。它是气体流动阻力的倒数。流导用单位时间的体积来表示(L/s)。流导一般概念目录P2P1QP2>P1气体流量取决于压力(Px)差和连接的几何形状（如孔口或管道）。

15管中粘性流的流导计算公式为：

流导取决于管径的四次方，并与管长(L)成反比。粘性流中的孔口流导计算方法极其复杂。因此，在实践中很少使用。粘性流流导D=管径(cm)L=长度(cm)P=压力(Torr)目录

粘性流特征：湍流(a)和层流(b)(a)(b)16

分子流流导目录详情请参见注释分子流特征17A=孔口面积流导严重影响泵速示例抽速(S)：S=67L/sS净=1.6L/s开口：直径1英寸(25mm)C=11.6A=57L/sSA=30L/s1m管线C=8L/sSB=6.3L/s≈5.1L/s1m管线C=8L/sSC=3.1L/s≈1.6L/sSASBSDSC目录流导导致抽速损失98%18CERN大型强子对撞机(LHC)在27km（17英里）的路径中，每秒运动11100圈束流管压力约为10-11Torr（与月球表面相同）粒子以光速的99.9999%运动真空还可用作低温磁体的冷屏安捷伦飞行时间(TOF)质谱飞行路径约2m（TOF截面）TOF截面压力约10-6Torr在高电压下还需要真空以加速和收集离子示例粒子运动LHC隧道扇面3-4

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©2009-2017CERN飞行管目录详情请参见注释19水蒸气会“污染”表面在10-6Torr下，几秒内即可形成单层水（在10-11Torr下则需要数小时）水可能“无限”与自身结合击穿电压vs.压力帕邢曲线(F.Paschen,1889)对于高电压功率放大管的操作至关重要（雷达、X射线、微波）击穿电压vs.压力示意图示例

表面清洁度与电绝缘污染（通常是水）洁净表面大气压下真空中目录2010000010000100010010-210-1100