第1章薄膜技術(shù)的真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、第一章第一章 薄膜技術(shù)的真空技術(shù)基礎(chǔ)薄膜技術(shù)的真空技術(shù)基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院納米光電材料實驗室納米光電材料實驗室朱歸勝朱歸勝桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院內(nèi)容提要內(nèi)容提要氣體分子運(yùn)動論的基本概念氣體分子運(yùn)動論的基本概念1真空獲得的手段真空獲得的手段2真空度的測量真空度的測量3桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)引言引言v問題問題v1 1、是不是所有薄膜制備方、是不是所有薄膜制備方法都需要在真空環(huán)境下？法都需要在真空環(huán)境下？v2 2、為什么在薄膜制備的過、為什么在薄膜制備的過程中需要在真空環(huán)境？或者程中需要在真空

2、環(huán)境？或者說真空環(huán)境在薄膜制備過程說真空環(huán)境在薄膜制備過程中的作用是什么？中的作用是什么？桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)引言引言v問題問題1 1：薄膜技術(shù)與真空技術(shù)的關(guān)系薄膜技術(shù)與真空技術(shù)的關(guān)系v 薄膜材料的制備過程是薄膜材料的制備過程是: : v atom by atom atom by atomv v 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的。壓力下制備的。v 例外：比如例外：比如sol-gelsol-gel技術(shù)，絲網(wǎng)印刷技術(shù)技術(shù)，絲網(wǎng)印刷技術(shù)v 問題問題2:2:真空在薄膜制備過程中的作用

3、：真空在薄膜制備過程中的作用：v （1 1）減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞；）減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞；v （2 2）抑制它們之間的反應(yīng)；）抑制它們之間的反應(yīng)；桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)引言引言v 薄膜的氣相沉積一般需要三個基本條件：薄膜的氣相沉積一般需要三個基本條件：熱的氣相源、熱的氣相源、冷的基板和真空環(huán)境。冷的基板和真空環(huán)境。v 在寒冷的冬天，窗玻璃上往往結(jié)霜；人們乍一進(jìn)入溫在寒冷的冬天，窗玻璃上往往結(jié)霜；人們乍一進(jìn)入溫暖的房間，眼鏡片上會結(jié)露。不妨將上述暖的房間，眼鏡片上會結(jié)露。不妨將上述“霜霜”和和“露露”看作氣相沉積的看作氣相沉積的“

4、膜膜”，則火爐上沸騰水壺中，則火爐上沸騰水壺中冒出的蒸汽則是冒出的蒸汽則是“熱的氣相源熱的氣相源”，冰冷的窗玻璃和眼，冰冷的窗玻璃和眼鏡片則是鏡片則是“冷的基板冷的基板”。那么，為什么真空環(huán)境也是。那么，為什么真空環(huán)境也是薄膜氣相沉積的必要條件呢？薄膜氣相沉積的必要條件呢？v 一般說來，工業(yè)上利用真空有下述幾條理由：化學(xué)一般說來，工業(yè)上利用真空有下述幾條理由：化學(xué)非活性；非活性；熱導(dǎo)低；熱導(dǎo)低；與氣體分子之間的碰撞少；與氣體分子之間的碰撞少；壓力低。通過本章的學(xué)習(xí)，可以了解真空環(huán)境對于薄壓力低。通過本章的學(xué)習(xí)，可以了解真空環(huán)境對于薄膜氣相沉積的必要性，并為真空獲得、真空測量及真膜氣相沉積的必要

5、性，并為真空獲得、真空測量及真空應(yīng)用等建立必要的理論基礎(chǔ)?？諔?yīng)用等建立必要的理論基礎(chǔ)。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)2.1 2.1 真空的基本知識真空的基本知識v1 1 真空的定義真空的定義v 真空泛指低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。真空泛指低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。與普通的大氣壓與普通的大氣壓狀態(tài)相比，分子密度較為稀薄，從而氣體分子與氣體分狀態(tài)相比，分子密度較為稀薄，從而氣體分子與氣體分子，氣體分子與器壁之間的碰撞幾率要低些。子，氣體分子與器壁之間的碰撞幾率要低些。v 曾存在兩種不同的說法：曾存在兩種不同的說法：一是真空就是一是真空就是“真的空了真的空了”，就是就

6、是“什么也不存在的空間什么也不存在的空間”。但目前即使用最先進(jìn)的但目前即使用最先進(jìn)的真空制備手段所能達(dá)到的最高真空度真空制備手段所能達(dá)到的最高真空度1 1* *1010-11-11PaPa，每立方，每立方厘米體積中仍有厘米體積中仍有30003000個氣體分子。因此它除了理論研究個氣體分子。因此它除了理論研究外，并無多大實際意義；外，并無多大實際意義；v 另一種說法是另一種說法是“就真空使用者的目的而論的，只要該空就真空使用者的目的而論的，只要該空間的氣體可以忽略不計，就可以認(rèn)為是真空了。間的氣體可以忽略不計，就可以認(rèn)為是真空了。”桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)

7、1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識v 按上述第二種說法，比如炮彈在高于大氣壓的空間飛行按上述第二種說法，比如炮彈在高于大氣壓的空間飛行是沒有問題的，因此可以將高于大氣壓的空間看作是真是沒有問題的，因此可以將高于大氣壓的空間看作是真空，而對于表面研究，空，而對于表面研究，1010-8-8PaPa才稱得上是真空。才稱得上是真空。v 宇宙空間所存在的宇宙空間所存在的“自然真空自然真空”；利用真空泵抽取所得；利用真空泵抽取所得的的“人為真空人為真空”。絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)。絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)。v為了獲得真空至少需要為了獲得真空至少需要 能降低壓強(qiáng)的設(shè)備能降低壓強(qiáng)的設(shè)

8、備真空泵真空泵 能盛放特定空間的裝置能盛放特定空間的裝置真空容器真空容器 桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識v2 2 真空度的術(shù)語描述真空度的術(shù)語描述v分子密度：分子密度：如用阿伏加德羅數(shù)（在如用阿伏加德羅數(shù)（在1 1 和和1 1大氣壓下，大氣壓下，22.4L22.4L的空間中有的空間中有6 6* *10102323個氣體分子，在個氣體分子，在1 1* *1010-8-8PaPa壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)下，1cm1cm3 3中有中有355355萬個氣體分子，相當(dāng)于北京市人口的萬個氣體分子，相當(dāng)于北京市人口的1/41/4。v平均自由程

9、：平均自由程：（氣體分子人一次碰撞到下一次碰撞所（氣體分子人一次碰撞到下一次碰撞所飛距離的統(tǒng)計平均值）在飛距離的統(tǒng)計平均值）在1 1* *1010-8-8PaPa壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)下，25 25 的空氣，的空氣，其平均自由程為其平均自由程為509km509km，相當(dāng)于北京到大連或北京到青島，相當(dāng)于北京到大連或北京到青島間的距離，這就好比從北京到大連或北京到青島的飛行間的距離，這就好比從北京到大連或北京到青島的飛行過程中一次也不碰撞。過程中一次也不碰撞。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識v2 2 真空度的術(shù)語描述真空度的術(shù)語描述

10、v入射頻率：入射頻率：（單位時間碰撞（入射）到單位面積上的分（單位時間碰撞（入射）到單位面積上的分子數(shù)）在子數(shù)）在1 1* *1010-8-8PaPa壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)下，25 25 的空氣，每的空氣，每1cm1cm3 3的表面，的表面，平均每秒多到平均每秒多到380380億次氣體分子的碰撞。要是這些氣體分億次氣體分子的碰撞。要是這些氣體分子整齊地排列于固體表面，大約需要子整齊地排列于固體表面，大約需要3 3個小時。個小時。v1cm1cm3 3中的氣體分子盡管超過中的氣體分子盡管超過350350萬個，而來回自萬個，而來回自由飛行的距離卻大于由飛行的距離卻大于500km500km，矛盾否？，矛盾否？v

11、 這些氣體分子非常小，直徑只有一億分之四厘米，這些氣體分子非常小，直徑只有一億分之四厘米，（0.4nm0.4nm）, ,但運(yùn)動速度極快（大約為步槍子彈的出口速但運(yùn)動速度極快（大約為步槍子彈的出口速度）度）桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識v3 3 真空度量真空度量單位單位v 在真空技術(shù)中，常用在真空技術(shù)中，常用“真空度真空度”習(xí)慣用語和習(xí)慣用語和“壓強(qiáng)壓強(qiáng)”物理量表物理量表示真空程度，通常說成示真空程度，通常說成“某空間的真空度為多大的壓強(qiáng)某空間的真空度為多大的壓強(qiáng)”。某。某空間的壓強(qiáng)越低意味著真空度越高，反之，壓強(qiáng)高的

12、空間則真空間的壓強(qiáng)越低意味著真空度越高，反之，壓強(qiáng)高的空間則真空度低。氣體分子密度、氣體分子的平均自由程、形成一個分空度低。氣體分子密度、氣體分子的平均自由程、形成一個分子層所需要的時間等也可以用來表示真空度。子層所需要的時間等也可以用來表示真空度。v 工程常用的換算：工程常用的換算：1atm=760Torr=1033mbar=10131atm=760Torr=1033mbar=1013* *10102 2PaPa單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.751

13、9.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識v4 4 真空區(qū)域劃分真空區(qū)域劃分v 迄今為止，采用最高超的真空技術(shù)所能達(dá)到的最低壓力狀態(tài)大迄今為止，采用最高超的真空技術(shù)所能達(dá)到的最低壓力狀態(tài)大致為致為1010-12-12PaPa，大氣壓大約為，大氣壓大約為105Pa,105Pa,因此因此1717個數(shù)量級的廣闊的壓個數(shù)量級的廣闊的壓力范圍均在真空技術(shù)所涉及的范疇之內(nèi)。力范圍均在真空技術(shù)所涉及的范疇之內(nèi)。 不同真空區(qū)域的物理特性不同真空區(qū)域的物理特性桂林電子科技大

14、學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.1 1.1 真空的基本知識真空的基本知識桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v1 1 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程v 分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。假設(shè)某種氣體分子的有效截面

15、直徑為過的平均距離。假設(shè)某種氣體分子的有效截面直徑為d d，則該氣體分子的平均自由程應(yīng)該等于。則該氣體分子的平均自由程應(yīng)該等于。v 因此，氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子因此，氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)數(shù)n n成反比。在常溫常壓的條件下，氣體分子的平均自由成反比。在常溫常壓的條件下，氣體分子的平均自由程是極短的。例如，在此條件下，空氣分子的有效截面程是極短的。例如，在此條件下，空氣分子的有效截面直徑直徑d 0.5nm,d 0.5nm,平均自由程平均自由程 50nm 50nm。 2d1n(1-1)桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2

16、1.2 真空的表征真空的表征v1 1 氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程v 由于氣體分子的運(yùn)動軌跡是一條在不斷碰撞的同時不斷由于氣體分子的運(yùn)動軌跡是一條在不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線，因此，盡管它的平均運(yùn)動速度很高，改變方向的折線，因此，盡管它的平均運(yùn)動速度很高，但是單位時間里，其定向運(yùn)動的距離卻較小。但是單位時間里，其定向運(yùn)動的距離卻較小。v 由于氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)由于氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)n n成反比，而壓強(qiáng)成反比，而壓強(qiáng)p p與與n n成正比，因此自由程隨氣體壓力的成正比，因此自由程隨氣體壓力的下降而增加。在真空度優(yōu)于下降而增加。

17、在真空度優(yōu)于0.1Pa0.1Pa時，氣體分子間的碰撞時，氣體分子間的碰撞幾率已很小，主要是氣體分子與容器壁之間的碰撞。分幾率已很小，主要是氣體分子與容器壁之間的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技術(shù)中有著非常重要子平均自由程的概念在真空和薄膜技術(shù)中有著非常重要的作用。在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是的作用。在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。通過氣體分子對襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。 桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v2 2 氣體分子的碰撞頻率氣體分子的碰撞頻率v 真空及薄膜技

18、術(shù)中常碰到的另一個物理量，是氣體分子真空及薄膜技術(shù)中常碰到的另一個物理量，是氣體分子對于單位面積表面的撞頻率，即單位時間內(nèi)單位面積表對于單位面積表面的撞頻率，即單位時間內(nèi)單位面積表面受到氣體分子碰撞的次數(shù)，稱為氣體分子的通量面受到氣體分子碰撞的次數(shù)，稱為氣體分子的通量 ，也稱克努力方程；也稱克努力方程；v 氣體壓力高時，分子頻繁碰撞物體表面；氣體壓力高時，分子頻繁碰撞物體表面；v 氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以忽略氣體壓力低時，分子對物體表面的碰撞可以忽略MRTpNA2(1-2)桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v2 2

19、 氣體分子的碰撞頻率氣體分子的碰撞頻率v 假設(shè)每個向表面運(yùn)動來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個雜假設(shè)每個向表面運(yùn)動來的氣體分子都是雜質(zhì)，而每個雜質(zhì)氣體分子都會被表面所俘獲，則可估計出不同的真空質(zhì)氣體分子都會被表面所俘獲，則可估計出不同的真空環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時間為：環(huán)境中，清潔表面被雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時間為：v 在常溫常壓下，在常溫常壓下， 3.53.5 1010-9-9秒；秒；v 1010-8-8PaPa時，時， 10 10 小時小時v 這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時這一方面說明了真空環(huán)境的重要性。同時, ,氣體分子通量氣體分子通量還決定了薄膜的沉積速率。在薄膜

20、材料的制備過程中，還決定了薄膜的沉積速率。在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對于襯底的碰撞過程來薄膜的沉積主要是通過氣體分子對于襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。此時，薄膜的沉積速度正比于氣體分子的通量。實現(xiàn)的。此時，薄膜的沉積速度正比于氣體分子的通量。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v3 3 氣流與流導(dǎo)氣流與流導(dǎo)v 氣體主要是在分子與分子碰撞的過程中流動（容器的尺氣體主要是在分子與分子碰撞的過程中流動（容器的尺寸遠(yuǎn)大于平均自由程），故稱此種氣流為粘流帶，圖（寸遠(yuǎn)大于平均自由程），故稱此種氣流為粘流帶，圖（b)b)表明

21、，氣體主要是在分子和容器碰撞的過程中流動（容表明，氣體主要是在分子和容器碰撞的過程中流動（容器的尺寸遠(yuǎn)小于平均自由程），故稱之為分子流。單位器的尺寸遠(yuǎn)小于平均自由程），故稱之為分子流。單位時間內(nèi)氣體流動的量叫流量，流量與（質(zhì)量時間內(nèi)氣體流動的量叫流量，流量與（質(zhì)量/ /時間）成正時間）成正比。比。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v3 3 氣流與流導(dǎo)氣流與流導(dǎo)v 氣體流動狀態(tài)與氣體壓力、真氣體流動狀態(tài)與氣體壓力、真空容器尺寸的關(guān)系空容器尺寸的關(guān)系v 根據(jù)根據(jù)KnudsenKnudsen準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)KnKn: :uKnKn1: 110

22、110 粘滯流狀態(tài)粘滯流狀態(tài)KnD桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.2 1.2 真空的表征真空的表征v粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動狀態(tài)粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動狀態(tài)v 根據(jù)根據(jù)ReynoldsReynolds準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)Re:Re:v 式中，式中，d d為容器的特征尺寸（如管路的直徑）；為容器的特征尺寸（如管路的直徑）；、分別是氣體的流速、密度和動力學(xué)黏度系數(shù)。分別是氣體的流速、密度和動力學(xué)黏度系數(shù)。de R Re2200 紊流狀態(tài)紊流狀態(tài) Re1200 層流狀態(tài)層流狀態(tài)桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.3 1.3 真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能

23、力真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力流導(dǎo)流導(dǎo)v 真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導(dǎo)真空系統(tǒng)中，氣體的通過能力稱之為流導(dǎo)C C，流導(dǎo)，流導(dǎo)C C、流、流量量Q Q和壓強(qiáng)和壓強(qiáng)P P三者的關(guān)系：三者的關(guān)系：v 式中，式中，p p1 1和和p p2 2為部件兩端的氣體壓力；為部件兩端的氣體壓力；Q Q為單位時間內(nèi)通為單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣體流量，即單位時間內(nèi)流過的氣體體過該真空部件的氣體流量，即單位時間內(nèi)流過的氣體體積與其壓力的乘積。積與其壓力的乘積。v 流導(dǎo)流導(dǎo)C C的大小取決于：真空系統(tǒng)的大小取決于：真空系統(tǒng)( (管路管路) )的幾何尺寸。在粘的幾何尺寸。在粘滯流狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞是主要的，氣體壓

24、強(qiáng)的滯流狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞是主要的，氣體壓強(qiáng)的作用較為有效，氣體容易流通，故流導(dǎo)大；與此相反，作用較為有效，氣體容易流通，故流導(dǎo)大；與此相反，在分子流狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞可以忽略，氣體壓在分子流狀態(tài)下，氣體分子間的碰撞可以忽略，氣體壓強(qiáng)的作用較小，所以流導(dǎo)小，通常，我們所利用的真空強(qiáng)的作用較小，所以流導(dǎo)小，通常，我們所利用的真空空間壓強(qiáng)極低，大部分屬于分子流?？臻g壓強(qiáng)極低，大部分屬于分子流。21ppQC桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.3 1.3 真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力流導(dǎo)流導(dǎo)v 對于分子流狀態(tài)：流導(dǎo)與氣體的壓力無關(guān)，就等于單位對于分子

25、流狀態(tài)：流導(dǎo)與氣體的壓力無關(guān)，就等于單位時間內(nèi)通過該真空部件的氣體體積。但由于氣體的流速時間內(nèi)通過該真空部件的氣體體積。但由于氣體的流速與氣體的種類和溫度有關(guān)，因此，即使是在壓力差相同與氣體的種類和溫度有關(guān)，因此，即使是在壓力差相同時，管路中流過的氣體量時，管路中流過的氣體量Q Q也不一樣。比如，對于處于兩也不一樣。比如，對于處于兩個直徑很大的管路間的通孔來說，若通孔的截面積為個直徑很大的管路間的通孔來說，若通孔的截面積為A A，則通孔的流導(dǎo)則通孔的流導(dǎo)C C正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向流動正比于通孔兩側(cè)氣體分子向通孔方向流動的流量差。通孔的流導(dǎo)的流量差。通孔的流導(dǎo)C C：v 式中，式中，

26、n n為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)。從此式可知，為單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)。從此式可知，分子分子流條件下管路的流導(dǎo)不僅取決于管路的幾何尺寸，還與流條件下管路的流導(dǎo)不僅取決于管路的幾何尺寸，還與氣體的種類和溫度有關(guān)。氣體的種類和溫度有關(guān)。MRTAnAC2桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.3 1.3 真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力真空系統(tǒng)的導(dǎo)流能力流導(dǎo)流導(dǎo)v 對于黏滯流狀態(tài)：流導(dǎo)隨氣體壓力升高而增加。對于黏滯流狀態(tài)：流導(dǎo)隨氣體壓力升高而增加。v 不同形狀管路的流導(dǎo)已被編制成圖表不同形狀管路的流導(dǎo)已被編制成圖表v 不同流導(dǎo)不同流導(dǎo)C C1 1、C C2 2、C C3 3間可相互串聯(lián)或

27、并聯(lián)，構(gòu)成總流導(dǎo)間可相互串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成總流導(dǎo)C C 串聯(lián)流導(dǎo)：串聯(lián)流導(dǎo)：1/C= 1/C1/C= 1/C1 1+ 1/C+ 1/C2 2+ 1/C+ 1/C3 3 并聯(lián)流導(dǎo)：并聯(lián)流導(dǎo)：C=CC=C1 1+C+C2 2+C+C3 3 （就象描述氣體流動的歐姆定律）（就象描述氣體流動的歐姆定律）桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.4 1.4 真空泵的抽速真空泵的抽速v 為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一個主要指標(biāo)是其抽速個主要指標(biāo)是其抽速SpSp，其定義為，其定義為 ( L/s )( L/s )式中，式

28、中，p p為真空泵入口處的氣體壓力；為真空泵入口處的氣體壓力；Q Q為單位時間內(nèi)通過的真空泵為單位時間內(nèi)通過的真空泵入口的氣體流量。入口的氣體流量。pQSp 真空泵的抽速真空泵的抽速SpSp與管路的流導(dǎo)與管路的流導(dǎo)C C有著相同的物理量綱，且二有著相同的物理量綱，且二者對維持系統(tǒng)的真空度起著同者對維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用樣重要的作用桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.4 1.4 真空泵的抽速真空泵的抽速v 當(dāng)真空管路流導(dǎo)為有限，真空容器出口與真空泵入口處當(dāng)真空管路流導(dǎo)為有限，真空容器出口與真空泵入口處的氣體壓力不相等，但氣體流量相等。泵的實際抽速的氣體

29、壓力不相等，但氣體流量相等。泵的實際抽速S S降降低為低為v 即抽速即抽速S S永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速永遠(yuǎn)小于泵的理論抽速SpSp，且永遠(yuǎn)小于管路流導(dǎo)，且永遠(yuǎn)小于管路流導(dǎo)C C。即。即S S受受SpSp和和C C二者中較小的一個所限制。當(dāng)二者中較小的一個所限制。當(dāng)SpSpC C時，時，S SSp/2Sp/2。因此設(shè)計真空系統(tǒng)的一個基本原則就是，保證。因此設(shè)計真空系統(tǒng)的一個基本原則就是，保證管路的流導(dǎo)管路的流導(dǎo)C C大于真空泵的理論抽速大于真空泵的理論抽速SpSp。CSCSpQSpp桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.4 1.4 真空泵的抽速真空泵的抽速v 真空泵的

30、極限真空度真空泵的極限真空度真空系統(tǒng)極限真空度的影響因素：極限真空度的影響因素： 真空泵回流真空泵回流 氣體泄漏程度氣體泄漏程度 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 管路流導(dǎo)管路流導(dǎo) 實際的真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中總存在著氣體的回流現(xiàn)象，如實際的真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中總存在著氣體的回流現(xiàn)象，如上圖所示。我們先僅考慮真空泵回流一個因素。設(shè)回流上圖所示。我們先僅考慮真空泵回流一個因素。設(shè)回流為為QpQp ，并忽略管路的流阻（，并忽略管路的流阻（C C為無窮大，為無窮大，p= ppp= pp），則由），則由流量相等的關(guān)系式：流量相等的關(guān)系式：)1 (pSQpSQSQppppp系統(tǒng)容積系統(tǒng)容積桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工

31、程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.4 1.4 真空泵的抽速真空泵的抽速v 令的令的Q=0Q=0，即可求出真空泵可以達(dá)到的極限真空度，即可求出真空泵可以達(dá)到的極限真空度P P0 0 為為 同時，還可以求出泵的實際有效抽速為同時，還可以求出泵的實際有效抽速為它將隨著它將隨著Q Q的減小以及的減小以及p p趨于趨于P P0 0的過程而趨于零。的過程而趨于零。顯然，上面的討論僅僅考慮了真空泵回流一個因素，在同顯然，上面的討論僅僅考慮了真空泵回流一個因素，在同時考慮真空泵回流、真空容器泄漏、真空管路的流導(dǎo)及真時考慮真空泵回流、真空容器泄漏、真空管路的流導(dǎo)及真空容器的容積等因素后，整個真空系統(tǒng)的極限真空度總要空容器

32、的容積等因素后，整個真空系統(tǒng)的極限真空度總要低于真空泵的極限真空度。低于真空泵的極限真空度。ppSQp 0)1 (0ppSpQSp桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介v 典型的真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器（真空室）、獲典型的真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）測量真空的器具（真空規(guī)），得真空的設(shè)備（真空泵）測量真空的器具（真空規(guī)），以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。能使壓力從一以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。能使壓力從一個大氣壓開始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱為個大氣壓開始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱

33、為“前級泵前級泵”。另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵稱另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵稱為為“次級泵次級泵”。真空泵是獲得真空的關(guān)鍵設(shè)備。真空泵是獲得真空的關(guān)鍵設(shè)備。v 真空泵的種類有：真空泵的種類有：（1 1）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。 a a、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)、械真空泵、羅茨泵、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)、械真空泵、羅茨泵、渦輪分子泵。渦輪分子泵。b b、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵。、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散泵。（2 2）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣）捕獲式真空泵：依

34、靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。體捕獲，并排出系統(tǒng)之外，如低溫吸附泵、濺射離子泵。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介v （1 1）旋片式機(jī)械真空泵）旋片式機(jī)械真空泵v a a、工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子、工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵中的數(shù)個可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。排出泵體之外。v b b、極限真空度：、極限真空度：1010-1-1 Pa Pa左右。左右。v c c、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)

35、簡單、工作可靠。、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。v d d、缺點：油蒸氣回流、同進(jìn)污染、缺點：油蒸氣回流、同進(jìn)污染系統(tǒng)。系統(tǒng)。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介v （2 2）羅茨（）羅茨（RootsRoots）真空泵）真空泵a a、工作原理：兩個、工作原理：兩個8 8字形的轉(zhuǎn)子以相字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子始終保持反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子始終保持相切合，咬合精度很高，切合處氣相切合，咬合精度很高，切合處氣體始終不能通過，只能從上、下兩體始終不能通過，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。邊被掃出真空系統(tǒng)。b b、極限真空度

36、：、極限真空度： 1010-2-2PaPa左右；左右；c c、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、無油氣回流，抽、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、無油氣回流，抽 速很大。速很大。d d、缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造、缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于成泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于1010-1-1 PaPa時，氣體回流造成抽速降低。時，氣體回流造成抽速降低。e e、適用壓力范圍：、適用壓力范圍：1010-1-11000Pa1000Pa。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介v （3 3）油擴(kuò)散泵）油擴(kuò)散泵a a、工作原理：將油加熱至高溫蒸發(fā)狀

37、態(tài)（約、工作原理：將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約2000C2000C），讓油），讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時不斷撞擊氣體分子，并蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時不斷撞擊氣體分子，并將部分動量傳遞給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向?qū)⒉糠謩恿總鬟f給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向運(yùn)動，在壓縮作用下排出泵體運(yùn)動，在壓縮作用下排出泵體 。同時，被泵體冷卻后的。同時，被泵體冷卻后的油蒸氣又會凝結(jié)起來返回泵的底部。油蒸氣又會凝結(jié)起來返回泵的底部。b b、極限真空度：、極限真空度： 1010-6-6PaPa；c c、優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑大小，抽速、優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑

38、大小，抽速可以從每秒幾升至每秒上萬升不等?？梢詮拿棵霂咨撩棵肷先f升不等。d d、缺點：油蒸氣回流，污染。、缺點：油蒸氣回流，污染。e e、使用油擴(kuò)散泵之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)、使用油擴(kuò)散泵之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)預(yù)抽至預(yù)抽至1Pa1Pa左右。左右。f f、適用壓力范圍：、適用壓力范圍： 1 11010-6-6PaPa桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介油擴(kuò)散泵的工作示意圖油擴(kuò)散泵的工作示意圖桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介

39、v （4 4）渦輪分子泵）渦輪分子泵a a、工作原理：渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在、工作原理：渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以它以200002000030000r/min30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣體分子，同時，渦輪分子泵中裝有很多級葉片，上一級氣體分子，同時，渦輪分子泵中裝有很多級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級。進(jìn)一步壓縮至更下一級。b b、極限真空度：、極限真空度： 1010-8-8PaPa；c c、優(yōu)點：極限真空度高，

40、壓縮比高，油蒸氣的回流可以忽、優(yōu)點：極限真空度高，壓縮比高，油蒸氣的回流可以忽略，抽速可達(dá)略，抽速可達(dá)1000L/s1000L/s。d d、缺點：價格較高。、缺點：價格較高。e e、工作狀態(tài)：在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級泵。、工作狀態(tài)：在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級泵。f f、適用壓力范圍：、適用壓力范圍： 1 11010-8-8PaPa桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介渦輪分子泵渦輪分子泵的原理及結(jié)構(gòu)的原理及結(jié)構(gòu)桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類

41、真空泵簡介v （5 5）低溫吸附泵）低溫吸附泵a a、工作原理：依靠氣體分子會在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他、工作原理：依靠氣體分子會在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實現(xiàn)對氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空。得高真空。b b、極限真空度：、極限真空度： 1010-1-1 1010-8-8PaPa，取決于所采用的低溫溫，取決于所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素；度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素；c c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空；除、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空；除H H2 2、HeHe、

42、NeNe外，對各種氣體抽速均很大。外，對各種氣體抽速均很大。d d、缺點：運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。、缺點：運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。e e、工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一、工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到1010-1-1 以下，以減少吸附以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真

43、空泵簡介各類真空泵簡介桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介v （6 6）濺射離子泵）濺射離子泵a a、工作原理：高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子、工作原理：高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊速撞擊TiTi陰極時又會濺射出大量的陰極時又會濺射出大量的Ti Ti 原子。由于原子。由于TiTi原子原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其

44、在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造成無油的高真空環(huán)境。成無油的高真空環(huán)境。b b、極限真空度：與其他泵種串聯(lián)使用，可達(dá)、極限真空度：與其他泵種串聯(lián)使用，可達(dá) 1010-8-8PaPa。抽速。抽速取決于所抽氣體的活性等因素。取決于所抽氣體的活性等因素。c c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空。、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空。d d、缺點：壽命有限。、缺點：壽命有限。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介離子泵離子泵桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)材料

45、科學(xué)與工程學(xué)1.5 1.5 各類真空泵簡介各類真空泵簡介桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院1.6 1.6 真空的測量真空的測量v （1 1）熱偶真空規(guī)）熱偶真空規(guī) 熱偶真空規(guī)：在作為熱絲的熱偶真空規(guī)：在作為熱絲的PtPt絲中絲中通過恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平通過恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電流提供的加熱功率與通衡以后，電流提供的加熱功率與通過空間熱輻射，金屬絲熱傳導(dǎo)以及過空間熱輻射，金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。這時，用同而

46、呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。這時，用熱電偶的方法測出熱絲本身的溫度，熱電偶的方法測出熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測出了環(huán)境的壓力。也就相應(yīng)測出了環(huán)境的壓力。桂林電子科技大學(xué)桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院1.6 1.6 真空的測量真空的測量v （1 1）問題）問題1 1：為什么熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真：為什么熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測量，只能用于空度的測量，只能用于0.10.1100Pa100Pa？v 原因：原因：v 1 1、在氣體壓力高于、在氣體壓力高于100Pa100Pa時，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體時，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體壓力而顯著變化。此時，用熱絲溫度測量氣體壓力方法壓力而顯著變化。此時，用熱絲溫度測量氣體壓力方法的靈敏度將迅速下降。的靈敏度將迅速下降。v 2 2、當(dāng)氣體壓力