第一章_真空技术基础

第一章第一章真空技术基础真空技术基础 本章主要内容：本章主要内容： 1. 真空的基本知识真空的基本知识 2. 真空的获得真空的获得 3. 真空的测量真空的测量 4. 稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质 5. 真空配件、检测真空配件、检测 1 1-1气体与真空气体与真空 Air, as a gas, is composed of molecules that you can imagine as round elastic balls. Molecules move in straight lines until they collide with neighboring molecules or the container wall. 2 THE ATMOSPHERE IS A MIXTURE OF GASES PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMES GASSYMBOL PERCENT BY VOLUME PARTIAL PRESSURE TORRPASCAL Nitrogen N2 7859379,000 Oxygen O2 2115821,000 ArgonAr0.937.1940 Carbon Dioxide CO2 0.030.2533 NeonNe0.00181.4 x 10-21.8 HeliumHe0.00054.0 x 10-35.3 x 10-1 KryptonKr0.00018.7 x 10-41.1 x 10-1 Hydrogen H2 0.000054.0 x 10-45.1 x 10-2 XenonXe0.00000876.6 x 10-58.7 x 10-3 Water H2O Variable5 to 50665 to 6650 3 2.Pressure P = = F / A=nMvrms2/3NA I It t c co omme es s f fr ro omm t th he e s st tr ri ik ki in ng go of fg ga as s mmo ol le ec cu ul le es so on nt th he e wwa al ll ls s. . Partial Pressure 4 VAPOR PRESSURE OF WATER T (O C) 100 25 0 -40 -78.5 -196 (BOILING) (FREEZING) (DRY ICE) (LIQUID NITROGEN) P ( mbar) 1013 32 6.4 0.13 6.6 x 10 -4 10 -24 5 Pressures of gases 6 7 Vapor Pressure of some Solids 3. THE VACUUM 定义 真空：低于一个大气压的气体状态。真空：低于一个大气压的气体状态。 “相相对对真真空空”，“绝绝对对真真空空”? 特特点点：压压强强(Pressure)低低，分分子子稀稀薄薄， 分子的平均自由程长。分子的平均自由程长。 电学特性电学特性 输运特性输运特性 真空的性质可由压强、单位体积分子个数、真空的性质可由压强、单位体积分子个数、 气体的密度等表示气体的密度等表示8 Relative Pressure Absolute Pressure 用用“真真空空度度”及及“压压强强”两两个个参参量量来来衡衡量量真真空空的的程程 度。度。 帕帕斯斯卡卡（pascal）=1牛牛/米米2，国国际际单单位位制制 托托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单单位位，描描述述 真空的独特单位真空的独特单位 此此外外，mmHg、atm、bar等等。 The only one which is legal 9 4. Pressure unit Pressure unit Pa Bar Atm Torr PaBarAtmTorr 10.000019.86910-67.50110-3 10000019.86910-17.501102 1013251.013251760 133.320.0013331.31610-31 10 5. Why is a Vacuum Needed? 1. To move a particle in a (straight) line over a large distance 11 5. Why is a Vacuum Needed? 1. 颗颗粒粒可可以以做做直直线线运运动动 2. 为为薄薄膜膜生生长长提提供供洁洁净净表表面面 Atmosphere(High)Vacuum Contamination (usually water) Clean surface 12 6. 真空的划分真空的划分 粗真空粗真空 105102Pa : 目的是获得压差目的是获得压差 vacuum cleaner, vacuum-filter，CVD 低真空低真空 10210-1Pa:气气体体分分子子运运动动特特征征改改 变，电场下具有导电特征变，电场下具有导电特征 vacuum-bottle, vacuum- desiccator, vacuum-impregnation，Sputtering, LPCVD 高真空高真空 10-110-6Pa :Evaperation, Ion source 超高真空超高真空 10-6Pa ：Surface analysis， Particle Physics 13 1-2稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质 1. Ideal gas equation 低压状态下，可用低压状态下，可用理想气体理想气体的状态方程（波的状态方程（波 义尔定律、盖义尔定律、盖吕萨克定律、查理定律）来描吕萨克定律、查理定律）来描 述，遵守麦克斯韦述，遵守麦克斯韦玻尔兹曼分布。玻尔兹曼分布。 PVnmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T 14 2. 气体分子的速度分布 麦克斯韦速度分布函数麦克斯韦速度分布函数 f（v）表表示示分分布布在在速速度度v附附近近单单位位速速度度间间隔隔内内的的 分子数占总分子数的比率分子数占总分子数的比率 15 vf(T,M) 16 3. 三个重要速度表示三个重要速度表示 最最可可几几速速度度Vp：f(v)最最大大时时的的速速度度 平均速度平均速度Va 均方根速度均方根速度Vrms 17 4.平均自由程MEAN FREE PATH 定定义义：每每个个分分子子在在连连续续两两次次碰碰撞撞之之间间所所运运动动 的平均路程的平均路程 1 2 2 n 其其中中:n气气体体分分子子密密度度 ，标准状态，标准状态， n3*1019 分分子子直直径径, several angstrom 18 n kT 2 2 P Pv n RT P nKT 代入理想气体状态方程代入理想气体状态方程 得得 : 对于对于25空气空气 0.667 Is propotional to T? cm P( pa) 19 气体分子的密度与平均自由程气体分子的密度与平均自由程 101325 Pa(atm)0.1 Pa1 x 10-7 Pa # /cm3 3 x 10 19 (30 million trillion) 4 x 10 13 (40 trillion) 4 x 10 7 (40 million) MFP 2.5 x10-6 in 6.4 x10-5 mm 2 inches 5.1 cm 31 miles 50 km 20 碰撞几率碰撞几率 气气体体分分子子运运动动 X 的的距距离离以以后后，彼彼此此间间碰碰撞撞的的几几率率。 f 1e x / 误误区区： f 与与成成反反比比。 x= ,f63% x= 0.1,f9% 21 VaV a 5. 分子通量与余弦散射律分子通量与余弦散射律 （1）分分子子通通量量 （入入射射频频率率 ）：单单位位时时间间单单 位面积的器壁上碰撞的气体分子数位面积的器壁上碰撞的气体分子数 1 n v 4 （克克努努森森方方程程） 3.5131022P/(MT)0.5（molecules/cm2s） When P is in torr. 2.641020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P 2mKT When P is in pascal. 22 （2）气气体体分分子子从从固固体体表表面面的的反反射射几几率率 dP dw cos A.反反射射几几率率与与入入射射方方向向无无关关，仅仅按按余余弦弦定定律律散散射射 B.揭揭示示散散射射的的本本质质是是个个再再发发射射过过程程，即即气气体体将将停停留留 在在固固体体表表面面一一小小段段时时间间以以交交换换能能量量（吸吸附附）。 23 6. 气体的流动气体的流动 粘滞流状态粘滞流状态 (momentum transfer between molecules) 分子流状态分子流状态 (molecul es move independ ently) 24 气流状态气流状态 Knudsen number 粘滞流状态：粘滞流状态： Mean Free Path Characteristic Dimension is less than 0.01 过渡状态过渡状态: Mean Free Path Characteristic Dimension is between 0.01 and 1 分子流状态分子流状态: Mean Free Path Characteristic Dimension is greater than 1 25 气源气源 1. 空空间间气气体体：很很容容易易被被抽抽走走 2. 吸吸附附气气体体： 物物理理吸吸附附 化化学学吸吸附附 放放气气量量在在中中真真空空阶阶段段与与空空间间气气源源相相当当，高高真真空空、 超超高高真真空空阶阶段段为为主主要要放放气气源源。 真真空空材材料料：不不锈锈钢钢等等，忌忌用用陶陶瓷瓷 除除气气手手段段：烘烘烤烤、离离子子轰轰击击 3. 系系统统漏漏气气： 密密封封： O形形橡橡胶胶圈圈：高高真真空空 金金属属密密封封圈圈：超超高高真真空空 26 GAS LOAD 渗透渗透 除气除气 Leaks 扩散扩散 回流回流 Real Virtual GAS LOAD (Q) IS EXPRESSED IN: mbar liters per second 27 泵压抽气曲线泵压抽气曲线 10+1 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 Volume 表面解吸表面解吸 扩散扩散 渗透渗透 Pressure (mbar) 10-11 10 110 310 510 710 910 1110 1310 1510 17 28 Time (sec) 1-3真空的获得真空的获得 典典 型型 的的 真真 空空 系系 统统 包包 括括 ： 真真 空空 室室 (Chamber)，真真空空泵泵(Vacuum Pump),控控 制制 系系 统统 (Controlsystem)， 真真 空空 计计 (Vacuum Gag) 真真空空系系统统的的两两个个重重要要参参数数：极极限限真真空空（本本 底底 真真 空空 , Base pressure or Ultimate pressure），抽抽气气速速率率(Pumping speed) 29 真空泵的工作原理真空泵的工作原理 Atmosphere 30 31 主要的真空泵 油封机械泵、分子泵、罗油封机械泵、分子泵、罗 茨茨泵泵 原理：利用机械力压缩原理：利用机械力压缩 油扩散泵油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成原理：油蒸汽喷射形成 压压差差 溅射离子泵、钛升华泵溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升原理：溅射形成吸气、升 华形成吸气华形成吸气 冷凝泵冷凝泵 原理：将气体冷凝成液原理：将气体冷凝成液 态态/冷凝吸附冷凝吸附 1. 机械泵（旋片式机械泵） 转转子子偏偏心心地地置置于于定定子子内内，旋旋片片上上有有弹弹簧簧，整整 个个部部件件浸浸于于机机械械泵泵油油中中，油油起起润润滑滑和和密密封封作作 用用。 旋片转动一周后旋片转动一周后 P P v 10 v v 经经n个循环后个循环后 Pn P 0 v v v 32 n Pump Mechanism 真 空 腔 33 Pn不不可可能能趋趋于于零零，因因为为： A.在在出出气气与与转转子子密密封封点点之之间间存存在在着着“有有害害空空 间间”。 B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。单等级泵时进气口与排气口压力差大。 C. 泵泵油油在在高高温温摩摩擦擦下下，裂裂解解形形成成轻轻馏馏成成 份。份。 D.水蒸汽凝结，形成悬浊液水蒸汽凝结，形成悬浊液 气镇阀气镇阀 采用高温泵油采用高温泵油 解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另 一一转转子子空空间间的的进进气气口口，可可使使极极限限真真空空从从1Pa10-2Pa 34 How Two stage rotary pump Works lower ultimate pressure 35 36 2. Roots-罗罗茨茨泵泵 两两个个8字字形形共共轭轭的的转转 子，转子之间、转子，转子之间、转 子与泵壁之间无子与泵壁之间无 油油，间间隙隙0.1mm高高 速速转转动动：可可达达3000 转转/分分，抽抽气气时时无无压压 缩，工作原理：容缩，工作原理：容 积泵积泵+分子泵。分子泵。 机械增压泵机械增压泵 Pump/Blower Packages 37 Blower/Booster Pump 38 3. 扩散泵扩散泵 扩扩散散泵泵油油被被加加热热 后后沿沿喷喷嘴嘴向向下下喷喷 射射 ， 速速 度度 可可 达达 200m/s，由由空空气气 动动力力学学原原理理与与进进 气气 口口 形形 成成 压压 力力 差差，使使气气体体向向下下 扩扩散散而而被被抽抽走走， 油油蒸蒸汽汽水水冷冷后后重重 新新利利用用。 39 扩散泵工作原理扩散泵工作原理 40 How the Pump Works 41 抽气速率 Critical Point 1. 气体压缩比气体压缩比 2. 常速扩散泵常速扩散泵 3. 过过渡渡 4. 机械泵作用机械泵作用 1234 Pumping Speed (Air) 10-710-110 Inlet Pressure (Pa) 42 43 4. 分子泵分子泵 “Clean, Lean Vacuum Machine” Balzers, 1992 Leybold M2000, 1999 Turbos 44 气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转 子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度， 后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。 条条件件：（1）起起始始工工作作气气压压小小，入入大大。 常常 压压 下下 ， 空空 气气 =0.06m ， 1.3Pa ， =4.4mm要要求求大大于于叶叶片片间间距距。 （2）转转子子叶叶片片线线速速度度与与气气体体分分子子速速度度相相近近分分 子子量量大大、气气体体易易抽抽，H2难难抽抽H2最最可可几几速速率率 1557m/s，极极限限真真空空残残余余气气体体中中。85%为为 H2。 45 46 47 5. 钛升华泵 加加热热热热丝丝至至足足够够高高温温（1100），钛钛直直接接 升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新鲜钛膜升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新鲜钛膜 层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结 合合形形成成稳稳定定化化合合物物（TiO，TiN），达达到到抽抽 气气的的目目的的：吸吸附附作作用用，物物理理 + 化化学学（为为 主）。主）。 极极限限真真空空：10-10Pa 注注意意：（ 1 ）控控制制升升华华速速率率，使使钛钛充充分分反反 应应，否否则则无无效效；（2）吸吸气气面面大大，抽抽速速高高。 48 6. 溅射离子泵 阳阳极极为为多多个个不不锈锈钢钢 圆圆筒筒或或四四方方格格、六六 方方格格组组成成, 阴阴、阳阳 极极之之间间加加有有高高压压， 在在阳阳极极小小室室里里产产生生 放电。放电。 特点：极限真空特点：极限真空 10-10Pa，对对油油污污 染敏感染敏感 49 溅射离子泵的工作前提：先采用抽气泵抽至 10-3 Torr。 50 51 52 Dry Mechanical Pump PUMP OPERATING RANGES Ultra High Vacuum High VacuumRough Vacuum Rotary Vane Mechanical Pump Rotary Piston Mechanical Pump Sorption Pump Blower/Booster Pump High Vac. Pumps Venturi Pump Ultra-High Vac. Pumps 10-1010-810-610-410-210010210+4 P (Pa) 53 PUMP OPERATING RANGES Ultra High Vacuum High VacuumRough Vacuum Diffusion Pump Turbo Pump Cryo Pump Roughing Pumps Liquid Nitrogen Trap Ion Pump Tit. Subl. Pump 10-1210-1010-810-610-410-2110+2 P (Torr) 54 1-4 真空的测量真空的测量 几种真空计的工作原理与测量范围几种真空计的工作原理与测量范围 U形形管管压压力力计计 利用大气压与真空压差利用大气压与真空压差 测测量量范范围围（Pa） 105102 电阻真空计、热偶真空计电阻真空计、热偶真空计 利用气体分子热传导利用气体分子热传导 测测量量范范围围（Pa） 10410-2 55 热阴极电离真空计热阴极电离真空计 、B-A型型真真空空计计 利用气体电离与压强的关系利用气体电离与压强的关系 测测量量范范围围（Pa） 10-110-6、10-110-10 潘宁磁控电离计潘宁磁控电离计 利用磁场中电离与压强的关系利用磁场中电离与压强的关系 测测量量范范围围（Pa） 110-5 气体放电管气体放电管 利用气体放电与压强的关系利用气体放电与压强的关系 测测量量范范围围（Pa） 1031 56 1. Bourdon Gauge 57 2. Heat Transfer Gauges Thermocouple gauge and Pirani Gauge 58 热偶真空计 在在低低气气压压下下，气气体体传传导导的的热热量量与与压压强强成成正正比比， 对对一一热热丝丝进进行行加加热热，在在平平衡衡时时其其温温度度应应恒恒定定， 用用热热电电偶偶测测量量热热线线温温度度的的变变化化，即即可可知知压压强强的的 变变化化，若若测测量量热热丝丝电电阻阻值值的的变变化化，即即为为热热阻阻真真 空计。空计。 Q=Q1辐射辐射+Q2传导传导+Q3气体分子带走热量气体分子带走热量 59 How the gauge works 60 61 热导规对不同气体的灵敏度 4. 电离真空计 类类似似于于一一真真空空三三极极管管，灯灯丝丝发发射射电电子子使使气气体体电电 离离，气气体体分分子子电电离离的的多多少少与与气气体体分分子子密密度度成成正正 比比，即即与与压压强强成成正正比比，收收集集极极收收集集离离子子数数的的多多 少少，即即可可知知压压强强P的的大大小小。 注意：不可在高气压下使用，此时离子电流过注意：不可在高气压下使用，此时离子电流过 大，将烧毁真空计。大，将烧毁真空计。 62 Ionization current is the measure of vacuum 63 电离规对不同气体的相对灵敏度 气体 对N2相对灵敏度Sr气体 对N2相对灵敏度Sr H20.46 He0.17 Ne0.25 Ar1.31 Kr1.98 Xe2.71 N21.0 O20.95 CO1.11 CO21.53 干燥空气1.