真空技术基础

1、2021/2/61 真空技术基础真空技术基础 FUNDAMENTAL VACUUM TECHNOLOGY 2021/2/6 2 1 真空的介绍真空的介绍 2 真空的获得真空的获得 3 真空的测量真空的测量 目录 3 “真空”这一术语译自拉丁文Vacuo,其意义是虚无。 真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内,低于一 个大气压力的气体状态统称为真空。 自然真空:宇宙空间所自然存在的 人为真空:人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空:完全没有气体的空间状态 相对真空:气体稀薄,分子数较少的状态 真空状态下气体稀薄程度称为真空度,通常用压力值表示。 真空 （VACUUM） 4 真空技术的发展历史

2、 最早的真空获得和应用,可追溯到公元前六世纪,我国炼铁 技术就相当进步,为了熔化铁,在炼铁炉上配有鼓风设备。 最初使用的叫“鞲gu”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。 还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前,它已在 我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、 蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。 5 历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年, 意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647) 做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一 个盛水银的小槽,先将水银从玻璃管开口端灌入,直到灌 满全管。然后压住开口,将玻璃管倒立在水银槽内,再打

3、 开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降,直到 距离小槽液面以上760毫米时,就不再下降了。 6 1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气 压的巨大力量,曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米 的半球合起来,用真空泵将球内空气抽除,因而求得的表面 上所受大气压是很大的横向分力,每个半球用8匹马,才能向 相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的,故被称为马 德堡半球实验而闻名于世。 7 1905年德国盖得发明了机械泵,1906年皮拉尼发明热阻 真空计;之后,盖得又于1913年和1915年先后发明了分 子泵、扩散泵;1916年贝克利发明了热阴极电离计。 盖德发明的机械泵 盖

4、德发明的分子泵 8 真空技术迅速从低真空发展到高真空,高真空技术的发 展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼 1936年发明了油扩散泵,潘宁1937年发明了冷阴极电离 计,使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。 直到今天,这些发明还运用在多数真空系统上。 现代的有扩散泵 9 今天的真空技术,已能获得和测量从大气压（105pa） 到10-13pa,压力范围达18个数量级,并随着某些新应用 的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。 今天的真空技术: 105pa 10-13pa 真空技术的应用领域 电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、 材料科学、医学、化工、冶金、日常生活等

5、各个领域。 （电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、杜瓦绝 热） 需要真空系统的微加工设备:电子束光刻设备,热CVD,镀 膜设备,热处理设备等等 真空量度单位 l1标准大气压=760mmHg=760Torr l1标准大气压=1.013x105 Pa l1Torr=133.3Pa l1mbar=100Pa 760 mm Hg Vacuum ATM 2021/2/6 12 单位单位帕帕/Pa托托/Torr毫巴毫巴/mbar标准大气压标准大气压 1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-

6、4 1atm1.013 1057601.013 103 1 l真空（压强）单位 l 真空度和压强 压强越低压强越低, ,真空度越高真空度越高; ;压强越高压强越高, ,真空度越低。真空度越低。 国际单位:帕斯卡（Pascal） Pa 常用单位:托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 标准大气压（atm） 压力范围和真空泵 真空度可分为: 气流种类真空状态真空压力特性分析应用范围 黏滯流(Viscous flow) 初真空: 10 Pa105 Pa 10 Pa105 Pa气体分子间因黏 滯力作用,气体 运动有方向性, 此方向与抽气方 向相同 工业应用（包装） 過渡流 (Transit

7、ion flow) 中真空: 10-2 Pa10 Pa 10-2 Pa10 Pa 真空度在10- 6Torr以内时,水 汽占70%-90% CVD沉积技术 分子流 (Molecular flow) 高真空:10-2 Pa10-6 Pa 气体分子跟管壁 间碰撞教分子间 碰撞多。气体分 子间随意运动方 向。 溅射沉积技术 超高真空:10-6Pa10-10Pa原子表面和界面 分析 极高真空: 10-10Pa 10-9 Pa 月球大气 压强 ,10-15Pa 星 际空间压强 14 超高真空 超高真空为得到超纯的或精确掺杂的镀膜或分子束外延 生长晶体创造了必要的条件,这促进了半导体器件、大 规模集成电路

8、和超导材料等的发展,也为在实验室中制 备各种纯净样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空 剖裂等）提供了良好的基本技术。 超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面,可有 足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术 突破,它导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发 展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等基本研方 面,还是在催化,腐蚀等应用研究都取得了发展。 15 气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象,吸附分为物物 理吸附和化学吸附理吸附和化学吸附。 物理吸附没有选择性,任何气体在固体表面均可发生, 主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体 容易发生脱附,而且这种吸附只在低温下有效

9、; 化学吸附则发生在较高的温度下,与化学反应相似,气 体不易脱附,但只有当气体和固体表面原子接触生成化 合物时才能产生吸附作用。 固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附 2021/2/6 16 固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附 气体的脱附气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面 的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。 一般地,影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素是 气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密度以 及固体本身的性质,如表面光洁程度、清洁度等。当固体 表面温度较高时,气体分子容易发生脱附,对真空室的适 当烘烤有利

10、于真空的获得就是利用这个道理。 2021/2/6 17 固体对气体的吸附及气体的脱附固体对气体的吸附及气体的脱附 在一些有电离现象的真空泵和真空计中,都不同程度的存在 电吸收作用和化学清除作用,这两个因素也将加速固体对气体 的吸附。其中电吸收是指气体分子经电离后形成正离子,正离 子具有比中性气体分子更强的化学活泼性,因此常常和固体分 子形成物理或化学吸附;化学清除现象常在活泼金属（如钡、 钛等）固体材料的真空蒸发时出现,这些蒸发的固体材料将与 非惰性气体分子生成化合物,从而产生化学吸附。 18 主要的吸附剂主要的吸附剂 19 主要的吸附剂主要的吸附剂 20 主要的吸附剂主要的吸附剂 21 主要

11、的吸附剂主要的吸附剂 真空的获得 气体流动及导率 l气体传导率 串联的气体传导率:1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 并联的气体传导率:C = C1 + C1 + C3 + 泵1泵2真空室 真空室 泵1 泵2 并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度 2021/2/6 24 大气状态大气状态 所需真空度所需真空度 真空泵真空泵: :具有抽气功能的设备具有抽气功能的设备 复合真空泵复合真空泵: :前级泵次级泵前级泵次级泵 真空泵的分类真空泵的分类 （1 1）输运式真空泵:以压缩方式将气体输送到系统之外。 a、机械式气体输运泵:旋片式机械真空泵、罗茨泵、 涡轮分子泵。 b、气流式

12、气体输运泵:油扩散泵。 （2）捕获式真空泵:依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获, 并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。 真空泵简介 旋转叶片真空泵(机械泵) 工作原理: 凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵,就称为 机械泵机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型的真空泵, 既可以单独使用,又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。 由于这种泵是用油来进行密封的,所以又属于有油类型的真有油类型的真 空泵空泵。这类机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式（又 称柱塞式）几种,其中以旋片式机械泵最为常见。 极限真空:单级为2010-3 Torr; 两级串联能低于110-3 Torr 20

13、21/2/6 26 旋片式真空泵是用油来保持各运动部件之间的 密封,并靠机械的办法,使该密封空间的容积周期 性地增大,即抽气;缩小,即排气,从而达到连续抽气 和排气的目的。右图是单级旋片泵的结构图,泵体 主要由定子、转子、旋片、进气管和排气管等组 成。定子两端被密封形成一个密封的泵腔。泵腔 内,偏心地装有转子,实际相当于两个内切圆。沿转 子的轴线开一个通槽,槽内装有两块旋片,旋片中间 用弹簧相连,弹簧使转子旋转时旋片始终沿定子内 壁滑动。 旋转叶片真空泵旋转叶片真空泵( (机械泵机械泵) ) 机械泵的抽气原理 机械泵的结构 泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转, 转子的咬合精度很高,且转子

14、间,转子与泵体间无需 油作密封,转速高,抽速快。 罗茨（罗茨（Roots)Roots)真空泵真空泵( (无油泵无油泵) ) 工作原理: （a）进气 （b）隔离 （c）压缩（d）排气 高真空用真空泵高真空用真空泵 高真空泵分为两类 （1）转移动量给气态分子而抽吸气体 扩散泵 （vapour pump） 分子泵 (turbo pump) （2）俘获气体分子 冷泵 （Cryo Pump） 离子泵 （Ion pump） 涡轮分子泵涡轮分子泵（Turbo pumb） 工作原理: 靠机械运动对气体分子施加作 用,并使气体分子向特定方向运动 的原理来工作的。涡轮分子泵的 转子叶片具有特定的形状,以 2000

15、0-35000转/分的高速旋转,将 动量传给气体分子,多级叶片的连 续压缩保证了分子泵的高效快速 的工作。 33 Turbo Pump 工作原理图 2021/2/6 34 复合分子泵复合分子泵 分子泵是旋片式机械真空泵的一大发展。同机械泵一 样,分子泵也属于气体传输泵,但是它是一种无油类泵,可 以与前级泵构成组合装置,从而获得超高真空。目前,可把 分子泵分为牵引泵（阻压泵）、涡轮分子泵和复合分子 泵三大类。其中,牵引泵在结构上更为简单,转速较小,但压 缩比大;涡轮式分子泵又可以分成“敞开”叶片型和重叠 叶片型。前者转速高,抽速也较大,后者则恰好相反。复合 型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高的优点和

16、牵引分子泵 压缩比大的优点结合在一起,利用高速旋转的转子携带气 体分子而获得超高真空。 2021/2/6 35 复合分子泵复合分子泵 冷泵（冷泵（CryopumpCryopump） l工作原理: 依靠气体分子在低温条件（20 K）下自发凝 结或被其它物质表面吸附的性质实现对气体分子 的去除,进而获得高真空的装置 。 真空度依赖于低温度,吸附物质的表面积和吸 附气体的种类等。 l优点:无振动,抽速快 l广泛用于受控核聚变,粒子加速器和现代半导体 技术领域 2021/2/6 37 低温泵是利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子以实现 抽气的一种泵,是目前具有最高极限真空的抽气泵。它主 要用于大型真

17、空系统,如高能物理、超导材料的制备、宇 航空间模拟站等要求高清洁、无污染、大抽速、高真空和 超高真空等场合。低温泵又称冷凝泵、深冷泵。按其工作 原理又可分为低温吸附泵、低温冷凝泵、致冷机低温泵。 前两种泵直接使用低温液体（液氮、液氦等）来进行冷却 的,成本较高,通常仅作为辅助抽气手段;致冷机低温泵是利 用制冷机产生的深低温来进行抽气的泵。 l抽气原理分成以下三个机构: （1）低温冷凝 （2）低温吸附 （3）低温捕获 第一级冷凝面 第二级冷凝面 2021/2/6 40 比较: 工作方 式 类型抽气类型工作原 理 极限真 空 优点与使用缺点 机械泵螺旋机 械叶片 泵 气体由特定空间内 除去并排除至

18、大气 气体压 缩或膨 胀 10-3 Pa 结构简单,单独使 用或者作为前级泵。 存在油污染及水蒸 气的问题。 变容积 式泵 罗茨 (Roots) 泵 无油真空系统,价 格较贵,需要机械 泵预抽真空; 泵体与转子发热、 膨胀,造成泵体损 坏;当气体压力低 于10-1 Pa时,气体 回流造成抽速降低 气体动 力式 涡轮分 子泵分子牵 引 10-8 Pa 与旋片机械泵串 联使用,需要机械 泵抽预真空(1Pa); 无油污染。 价格昂贵。 离子泵冷泵欲除之气体不排除 大气,而是通过物 理或化学的方式永 久或暂时吸附在系 统中 物理吸 收作用10-8 Pa 需要机械泵抽预真 空(10-1pa);无油高 真

19、空,无振动,抽速 快。 价格较贵;高温时, 被吸附的气体又释 放出来。 2021/2/6 41 真空真空计简计简介介 定义: 真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空 计（Vacuum gauges）又称规。是依据各种物理原理來 量测压力或分子数目的多少。在科研和工业生产中广泛 使用。 真空度依范围区分依种工作原理区分 粗略真空 760 1Torr液体静态真空计 中度空 1 10 Torr热传导式真空计 皮拉尼(Pirani） 高真空 10 -3 107 Torr电容式真空计 超高真空 10-7 Torr以下 离子化真空计 2021/2/6 42 真空测量是指用特定的仪器和装置，对某一特定空

20、间内真空测量是指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内 真空高低的测定。这种仪器或装置称为真空计（仪器、真空高低的测定。这种仪器或装置称为真空计（仪器、 规管）。真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝规管）。真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝 对真空计和相对真空计。凡通过测定物理参数直接获得对真空计和相对真空计。凡通过测定物理参数直接获得 气体压强的真空计均为绝对真空计，例如气体压强的真空计均为绝对真空计，例如UU型压力计、型压力计、 压缩式真空计等，这类真空计所测量的物理参数与气体压缩式真空计等，这类真空计所测量的物理参数与气体 成分无关，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况成分无关

21、，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况 下，直接进行测量是极其困难的；而通过测量与压强有下，直接进行测量是极其困难的；而通过测量与压强有 关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空 计则称为相对真空计，如放电真空计，热传导真空计，计则称为相对真空计，如放电真空计，热传导真空计， 电离真空计等，它的特点是测量的准确度略差，而且和电离真空计等，它的特点是测量的准确度略差，而且和 气体的种类有关。气体的种类有关。 l 真空测量元件常被称为真空规,真空测量技术分为低真 空和高真空测量; 1、电离真空计 2、电容压力计 3、热偶真空规 4、电阻真空

22、计 4、电离真空规 水银真空计 直接测量真空度的量具,如U型计、压缩真空计(麦克劳 真空计) 。 压缩型真空计 测量范围：103 10-3 Pa U型计 测量范围：105 10 Pa 2021/2/6 45 电阻真空计电阻真空计 电阻真空计是热传导真空计的一种,它是利用测量真空中热丝 的温度,从而间接获得真空度的大小的。其原理是低压强下气体的 热传导与压强有关。 2021/2/6 46 规管中的加热灯丝是电阻温度系数较大的钨丝或铂丝,热 丝电阻连接惠斯顿电桥,并作为电桥的一个臂。低压强下加 热时,灯丝所产生的热量Q可以表示为: Q=Q1+Q2（1-1 ） 式中Q1是灯丝辐射的热量,与灯丝的温度

23、有关;Q2是气体分 子碰撞灯丝而带走的热量,大小与气体的压强有关。当热丝 温度恒定时,Q1是恒量,即热丝辐射的热量不变。在某一恒定 的加热热丝电流条件下,当真空系统的压强降低,即空间中气 体的分子数减少时,Q2将随之降低,此时灯丝所产生的热量将 相对增加,则灯丝的温度上升,灯丝的电阻将增大,真空室的压 强和灯丝电阻之间的存在这样的关系PR,所以可以利用 测量灯丝的电阻值来间接地确定压强。 电阻真空计电阻真空计 电容真空计 l工作原理:通过薄膜在气压力差下产生机械位 移,测量电极间电容对气压进行绝对测量,测量 结果与气体种类无关。 电容真空计原理图 如图所示, 在不同压力下金属膜 片受力不同会有

24、不同 尺度的变形,使得金 属膜片和电极之间的 电容变化,通过测量 电容的变化量,即可 知道金属膜片上气压 的变化。 这种规的测量范围一般横跨4个量级,比如可 能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。 热偶真空计热偶真空计 l热偶规工作原理:气体的热导率随气体压力变化, 通过热电偶测出热丝的温度,也就相应的测出了 环境的气体压强。 l皮拉尼工作原理:通过测量热丝的电阻随温度的 变化实现对真空度的测量。 2021/2/6 50 热偶真空计热偶真空计 热偶真空计的规管主要由加热灯丝C与D（铂 丝）和用来测量热丝温度的热电偶A与B（铂铑 或康铜-镍铬）组成。热电偶热端接热丝,冷端 接仪器中的毫伏计,从毫伏计中可以测出热偶电 动势。测量时,热偶规管接入被测真空系统,热 丝通以恒定的电流,同电阻真空计不相同的是, 此时灯丝所产生的热量Q有一部分将在灯丝与 热偶丝之间传导散去。当气体的压强降低时,热 电偶接点处温度将随热丝温度的升高而增大,同 样,热电偶冷端的温差电动势也将增大,及气体 压强和热电偶的电动势之间存在这样的关 系:P 。 电离真空规 l工作原理: 它由阴极,阳极和离子