ch1真空技術(shù)基礎(chǔ)課件

第一章

真空技術(shù)基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容：稀薄氣體的基本性質(zhì)真空的獲得

真空的測量真空的基本知識真空配件、檢測

定義真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)?！跋鄬φ婵铡?，“絕對真空”?

特點(diǎn)：壓強(qiáng)(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程長。電學(xué)特性輸運(yùn)特性真空的性質(zhì)可由壓強(qiáng)、單位體積分子個數(shù)、 氣體的密度等表示

用“真空度”及“壓強(qiáng)”兩個參量來衡量真空的程度。

帕斯卡（pascal）=1牛/米2，國際單位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm單位，描述真空的獨(dú)特單位此外，mmHg、atm、bar等。

TheonlyonewhichislegalRelativePressureAbsolutePressure6.真空的劃分

粗真空

105－102Pa:目的是獲得壓差vacuumcleaner,vacuum-filter，CVD

低真空

102－10-1Pa:氣體分子運(yùn)動特征改變，電場下具有導(dǎo)電特征vacuum-bottle,vacuum-desiccator,vacuum-impregnation，Sputtering,LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:Evaperation,Ionsource超高真空＜10-6Pa

：Surfaceanalysis， ParticlePhysics§1-2稀薄氣體的基本性質(zhì)

低壓狀態(tài)下，可用理想氣體的狀態(tài)方程（波義爾定律、蓋·呂薩克定律、查理定律）來描述，遵守麥克斯韋——玻爾茲曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.Idealgasequation2.氣體分子的速度分布

麥克斯韋速度分布函數(shù)f（v）表示分布在速度v附近單位速度間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率

3.三個重要速度表示最可幾速度Vp：f(v)最大時的速度平均速度Va均方根速度Vrms

4.平均自由程MEANFREEPATH

定義：每個分子在連續(xù)兩次碰撞之間所運(yùn)動的平均路程

其中:n——?dú)怏w分子密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)， n≈3*1019δ—分子直徑,severalangstrom代入理想氣體狀態(tài)方程

得:對于25℃空氣

cmn’IsλpropotionaltoT?5.分子通量與余弦散射律

（1）分子通量F（入射頻率n）：單位時間單位面積的器壁上碰撞的氣體分子數(shù)

vaF＝n＝3.513×1022P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisintorr.＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisinpascal.（克努森方程）（2）氣體分子從固體表面的反射幾率A.反射幾率與入射方向無關(guān)，僅按余弦定律散射B.揭示散射的本質(zhì)是個再發(fā)射過程，即氣體將停留在固體表面一小段時間以交換能量（吸附）。

ViscousFlow(momentumtransferbetweenmolecules)MolecularFlow(moleculesmoveindependently)6.氣體的流動氣源2.吸附氣體：1.空間氣體：很容易被抽走物理吸附化學(xué)吸附

放氣量在中真空階段與空間氣源相當(dāng)，高真空、超高真空階段為主要放氣源。真空材料：不銹鋼等，忌用陶瓷除氣手段：烘烤、離子轟擊3.系統(tǒng)漏氣：密封：O形橡膠圈：高真空金屬密封圈：超高真空§1-3真空的獲得

典型的真空系統(tǒng)包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系統(tǒng)(Controlsystem)，真空計(VacuumGag)真空系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)：極限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽氣速率(Pumpingspeed)主要的真空泵

油封機(jī)械泵、分子泵、羅茨泵原理：利用機(jī)械力壓縮油擴(kuò)散泵原理：油蒸汽噴射形成壓差濺射離子泵、鈦升華泵原理：濺射形成吸氣、升華形成吸氣冷凝泵原理：將氣體冷凝成液態(tài)/冷凝吸附

Pn不可能趨于零，因?yàn)椋?/p>

A.在出氣與轉(zhuǎn)子密封點(diǎn)之間存在著“有害空間”。

B.單等級泵時進(jìn)氣口與排氣口壓力差大。

C.泵油在高溫摩擦下，裂解形成輕餾成份。

D.水蒸汽凝結(jié)，形成懸濁液解決辦法是采用雙級泵，以一個轉(zhuǎn)子空間的出氣口作為另一轉(zhuǎn)子空間的進(jìn)氣口，可使極限真空從1Pa→10-2Pa采用高溫泵油氣鎮(zhèn)閥2.Roots--羅茨泵兩個8字形共軛的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵壁之間無油，間隙0.1mm高速轉(zhuǎn)動：可達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，抽氣時無壓縮，工作原理：容積泵+分子泵。機(jī)械增壓泵Pump/BlowerPackages3.擴(kuò)散泵

擴(kuò)散泵油被加熱后沿噴嘴向下噴射，速度可達(dá)200m/s，由空氣動力學(xué)原理與進(jìn)氣口形成壓力差，使氣體向下擴(kuò)散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

HowthePumpWorks4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s氣體隨轉(zhuǎn)子作圓周運(yùn)動，獲得離心力，與轉(zhuǎn)子上頁碰撞，按余弦定律散射，獲得速度，后與定子下交碰撞，再獲向下速度分量。條件：（1）起始工作氣壓小，入大。常壓下，空氣λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm要求λ大于葉片間距。（2）轉(zhuǎn)子葉片線速度與氣體分子速度相近分子量大、氣體易抽，H2難抽H2最可幾速率1557m/s，極限真空殘余氣體中。85%為H2。

PumpOperationMoleculeVMovingWallwithSpeedVPrincipleoftheTurbomolecularPump5.鈦升華泵

加熱熱絲至足夠高溫（1100℃），鈦直接升華，鈦沉積在器壁內(nèi)腔上，形成新鮮鈦膜層，在升華和沉積過程中，鈦與活性氣體結(jié)合形成穩(wěn)定化合物（TiO，TiN），達(dá)到抽氣的目的：吸附作用，物理+化學(xué)（為主）。極限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升華速率，使鈦充分反應(yīng)，否則無效；（2）吸氣面大，抽速高。6.濺射離子泵

陽極為多個不銹鋼圓筒或四方格、六方格組成,陰、陽極之間加有高壓，在陽極小室里產(chǎn)生放電。特點(diǎn)：極限真空10-10Pa，對油污染敏感7.冷凝泵

§1-4真空的測量幾種真空計的工作原理與測量范圍U形管壓力計利用大氣壓與真空壓差測量范圍（Pa）105－102

電阻真空計、熱偶真空計利用氣體分子熱傳導(dǎo)測量范圍（Pa）104－10-2

熱陰極電離真空計、B-A型真空計利用氣體電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測量范圍（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘寧磁控電離計利用磁場中電離與壓強(qiáng)的關(guān)系測量范圍（Pa）1－10-5

氣體放電管利用氣體放電與壓強(qiáng)的關(guān)系測量范圍（Pa）103－11.BourdonGauge2.HeatTransferGaugesThermocouplegaugeandPiraniGauge熱偶真空計

在低氣壓下，氣體傳導(dǎo)的熱量與壓強(qiáng)成正比，對一熱絲進(jìn)行加熱，在平衡時其溫度應(yīng)恒定，用熱電偶測量熱線溫度的變化，即可知壓強(qiáng)的變化，若測量熱絲電阻值的變化，即為熱阻真空計。

Q=Q1輻射+Q2傳導(dǎo)+Q3氣體分子帶走熱量

熱導(dǎo)規(guī)對不同氣體的靈敏度3.CapacitanceManometer4.電離真空計

類似于一真空三極管，燈絲發(fā)射電子使氣體電離，氣體分子電離的多少與氣體分子密度成正比，即與壓強(qiáng)成正比，收集極收集離子數(shù)的多少，即可知壓強(qiáng)P的大小。注意：不可在高氣壓下使用，此時離子電流過大，將燒毀真空計。

電離規(guī)對不同氣體的相對靈敏度氣體對N2相對靈敏度Sr氣體對N2相對靈敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空氣1.0H2O0.9Hg3.4擴(kuò)散泵油氣9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.705.溫度對壓力測試準(zhǔn)確性的影響兩連通容器的壓力：1.低真空：粘滯流情況，平衡條件是壓力相等

P1=P2，

2.高真空：分子層流情況，平衡條件是流導(dǎo)相等例：真空室溫度600℃，規(guī)管溫度25℃，測量壓力只有真實(shí)壓力的58％?！?-5真空部件Bellows—波紋管§1-8真空系統(tǒng)§1-9基片的性質(zhì)玻璃陶瓷單晶金屬塑料機(jī)械性能熱學(xué)性能化學(xué)性能電學(xué)性能聲學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能晶體結(jié)構(gòu)真空術(shù)語VacuumGlossaryLeak－泄漏VirtualLeak－虛漏Permeation－滲入Outga