第真空技術(shù)基礎(chǔ)演示文稿

第真空技術(shù)基礎(chǔ)演示文稿目前一頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)優(yōu)選第真空技術(shù)基礎(chǔ)目前二頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)真空與薄膜材料與技術(shù)有何關(guān)系？幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進(jìn)行

都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)過程

了解真空的基本概念和知識，掌握真空的獲得和測量技術(shù)基礎(chǔ)知識

是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！1.1真空的基本知識中學(xué)物理內(nèi)容：1643年

托里切利

(Torricelli)著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)

為人類首次揭示了真空

這個(gè)物理狀態(tài)的存在！管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空(托里切利真空)圖中A、B、C三點(diǎn)壓力相等，A、C點(diǎn)：大氣壓；B點(diǎn)：水銀柱產(chǎn)生的壓力

換句話說：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力作為大氣壓力的量度!

把高度為760mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個(gè)大氣壓(1atm)

1atm=760mmHg！結(jié)果：得到了“真空”的定義和大氣壓的定義與量度依據(jù)！目前三頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走，

使該空間內(nèi)的氣壓小于1個(gè)大氣壓，

則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實(shí)際上指的是一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)，

而不是指“沒有任何物質(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術(shù)的極限：每cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個(gè)氣體分子

對應(yīng)氣壓10-11Pa思考題：常溫常壓下，每cm3空間內(nèi)有多少個(gè)氣體分子？提示：可由Avogadro常數(shù)推算(6.02×1023個(gè)/22.4×103cm3

2.7×1019個(gè)/cm3)目前四頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.1真空度的單位

真空的實(shí)質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài)

真空度采用氣體壓強(qiáng)表征真空度的單位=氣體壓強(qiáng)的單位注意：真空度和氣壓的意義相反真空度意味著氣壓

主要單位制

換算基礎(chǔ)：1N＝105dyne＝0.225lbf1atm＝760mmHg（torr）＝1.013×105Pa＝1.013bar目前五頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.1真空度的單位不同真空度單位制間的換算關(guān)系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位；

1958年為紀(jì)念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1torr＝1mmHg2、早期的真空度計(jì)量常以torr或mbar為單位；

目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，SI（MKS）制單位應(yīng)用日漸廣泛真空度用Pa作單位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目前六頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.2真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域：指不同的真空度范圍；

劃分目的：為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用的便利；

劃分依據(jù)：按照各個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)氣體運(yùn)動特征的不同進(jìn)行劃分；

劃分準(zhǔn)則：理論上，可依據(jù)Knudsen數(shù)的不同進(jìn)行劃分。相關(guān)物理：1）Knudsen數(shù)(克努森)定義：物理意義：是描述稀薄氣體流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)！

分子平均自由程大于流場特征尺寸時(shí)的氣流稱為Knudsen流，其Kn

一般>10！2）真空系統(tǒng)中氣體運(yùn)動特征的理論劃分：粘滯流（層流、Poiseuille泊肅葉流）

粘滯-分子流

分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn<0.010.01

Kn

=0.01~11

Kn>>1

—?dú)怏w分子的平均自由程—流場特征尺寸（如：管徑）目前七頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.2真空區(qū)域的劃分3）理想氣體狀態(tài)方程：，式中：n—分子密度(個(gè)/m3)；k—玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；

P—?dú)怏w壓強(qiáng)(Pa)；T—?dú)怏w溫度(K)；

V—?dú)怏w體積(m3)；m—?dú)怏w質(zhì)量(kg)；M—?dú)怏w分子量(kg/mol)；R—普適氣體常數(shù)，R=NA·k=8.314J/mol·K；NA—Avogadro常數(shù)，6.02×1023

個(gè)/mol；4）氣體分子的自由程（）：每個(gè)氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運(yùn)動經(jīng)歷的路程。平均自由程（）：氣體分子自由程的統(tǒng)計(jì)平均值。

式中：

—分子直徑（m）；

Avogadro定律：

一定溫度、壓力下，各種氣體單位體積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。表明：1）與P成反比，而與T成正比；2）在氣體種類和溫度一定的情況下：目前八頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.2真空區(qū)域的劃分5）真空區(qū)域的工程劃分：空氣在室溫下滿足

P(Pa)10510210-110-310-610-9(m)6.667×10-86.667×10-56.667×10-26.6676.667×1036.667×106尺度數(shù)十nm不到1mcm量級若干米數(shù)km幾千kmKn<<0.01≥0.01≥1>>1氣體分子流動特征粘滯流過渡段分子流氣體分子運(yùn)動特點(diǎn)大氣狀態(tài)熱運(yùn)動劇烈碰撞頻繁粘滯流

分子流分子-分子

與分子-器壁

碰撞幾率相當(dāng)器壁碰撞為主粒子直線飛行分子數(shù)更少分子間無碰撞器壁碰撞幾率也低真空區(qū)域

工程劃分

粗真空低真空高真空超高真空極高真空目前九頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.1.3氣體的吸附及脫附

真空下，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的！一、基本概念

氣體吸附：固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象氣體脫附：逆過程氣體從固體表面釋出二、為什么需要關(guān)注（意義？）1）氣體在固體表面的吸附/脫附常常影響真空的實(shí)現(xiàn)和保持；2）吸附原理還被用來制作各種吸附泵來獲得高真空。三、吸附的主要機(jī)制：物理吸附：分子間作用力引起、無選擇性、低溫有效、易脫附化學(xué)吸附：僅當(dāng)氣固接觸生成化合物時(shí)發(fā)生、高溫有效、不易脫附四、可能的影響因素：P氣、T固、氣、表面光潔度、清潔度等，如：T固易脫附！目前十頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.1真空的基本知識1.2真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！

利用各種真空泵把容器內(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強(qiáng)保持在<1atm的特定壓強(qiáng)范圍！獲得真空的主要工具各種真空泵（Pump）！真空泵的分類目前十一頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強(qiáng)范圍說明：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1atm到10-8Pa的工作范圍

真空泵往往需要多種泵組合構(gòu)成復(fù)合抽氣系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)以更高的抽氣效率達(dá)到所需的高真空！氣體輸運(yùn)泵旋片式機(jī)械泵（RotaryPump）單級：105~1Pa雙級：105~10-2Pa羅茨泵（BoosterPump/RootsPump）103~10-1Pa油擴(kuò)散泵（DiffusionPump）1~10-6Pa渦輪分子泵（TurbomolecularPump）1~10-8Pa。。。氣體捕獲泵濺射離子泵（IonPump）10-3~10-11Pa鈦升華泵（TitaniumSublimationPump）10-3~10-11Pa低溫冷凝泵（CyroPump）10-4~10-11Pa吸附泵（SorptionPump）102~10-3Pa。。。目前十二頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得1.2.1旋片式機(jī)械泵（RotaryPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理1、擴(kuò)張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣機(jī)械泵：利用機(jī)械運(yùn)動部件轉(zhuǎn)動或滑動形成的輸運(yùn)作用獲得真空的泵。分類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式運(yùn)轉(zhuǎn)模式：吸氣壓縮排氣（不斷循環(huán)）基本特點(diǎn)：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作；

真空度要求低可單獨(dú)使用；真空度要求高作為前級泵使用工作區(qū)間：單級：105~1Pa；雙級：105~10-2Pa優(yōu)、缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；有油污染的問題。雙級機(jī)械泵示意圖目前十三頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得1.2.2油擴(kuò)散泵（DiffusionPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理真空油歷經(jīng)循環(huán)：

蒸發(fā)噴射碰撞冷凝回流工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200℃）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；

3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；

4）氣體分子向排氣口方向運(yùn)動，并在動壓作用下排出泵體；

5）油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。目前十四頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得1.2.2油擴(kuò)散泵（DiffusionPump）（d）典型高真空系統(tǒng)組合前級：羅茨泵+機(jī)械泵后級：油擴(kuò)散泵高真空閥和冷阱阻止油氣回流的Baffle工作區(qū)間：1~10-6Pa（因此需要前級機(jī)械泵提供1Pa的出口壓力）優(yōu)點(diǎn)：1）造價(jià)較低的高真空泵方案；2）沒有機(jī)械運(yùn)動部件。缺點(diǎn)：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）。目前十五頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得1.2.3渦輪分子泵（TurbomolecularPump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理工作原理：1）泵內(nèi)交錯(cuò)布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；

2）轉(zhuǎn)子葉片以20k~60kr/min的高速旋轉(zhuǎn)；

3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；

4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。工作區(qū)間：1~10-8Pa

也需前級泵提供1Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu)點(diǎn)：無油、抽速較高。缺點(diǎn)：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差；

2）造價(jià)高；3）不易維護(hù)。目前十六頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得1.2.4低溫吸附泵（Cyropump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)多級深冷頭示意圖工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣。

1）初級冷頭（外側(cè)溫度=50~80K）：吸附水氣、CO2

等；

2）多級深冷頭（T<20K）：外側(cè)光滑金屬表面吸附N2、O2、Ar；

內(nèi)側(cè)活性炭表面吸附H2、He、Ne工作區(qū)間：10-4~10-11Pa優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11Pa。缺點(diǎn)：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機(jī)）；

2）需要“再生”處理。目前十七頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)1真空技術(shù)基礎(chǔ)1.2真空的獲得小結(jié)（課后作業(yè)）：1、真空泵可分為哪兩大類？簡述各類包括的常用真空泵類型及其工作壓強(qiáng)范圍。2、分析說明實(shí)用的真空抽氣系統(tǒng)為什么往往需要多種真空組成復(fù)合抽氣系統(tǒng)？3、各舉一例比較氣體輸運(yùn)泵和氣體捕獲泵工作原理的不同。1.3真空的測量概念：采用特定的儀器裝置，對某一特定空間內(nèi)的真空度（即：氣壓）進(jìn)行測定。

這些儀器常被稱為真空計(jì)（Manometer）或真空規(guī)（VacuumGauge）原理特點(diǎn)按測量原理不同分為絕對真空計(jì)U型氣壓計(jì)壓縮式氣壓計(jì)薄膜真空計(jì)。。。直接測定氣壓值的大小氣壓值測量結(jié)果與氣體成分無關(guān)測量準(zhǔn)確高真空下難以實(shí)現(xiàn)測量相對真空計(jì)熱偶真空計(jì)Pirani真空計(jì)電離真空計(jì)。。。測量與氣壓相關(guān)的其它物理量，并與絕對真空計(jì)測量值比較，

換算得到氣壓測得的氣壓值與氣體成分相關(guān)精度略差易于實(shí)現(xiàn)測量分類：目前十八頁\總數(shù)二十頁\編于十一點(diǎn)因此：P

時(shí)，氣體稀薄化氣體導(dǎo)熱能力Qg

相同燈絲電流下Ql

熱電偶溫度T

電壓表上測得的熱電勢V特定氣壓范圍內(nèi)（102~10-1Pa間），成立：！工作原理：利用一個(gè)燈絲持續(xù)加熱，燈絲旁有一熱電偶，燈絲放熱總量（Qt）等于輻射熱損失（Qr）、熱電偶-燈絲間熱傳導(dǎo)

（Ql）及氣體分子與燈絲碰撞攜帶走的熱量（Qg）之和：1