表面工程技术2真空技术.doc

西北工业大学材料学院 表面工程技术 2 真空技术引言现代科学技术发展在很大程度上得益于先进、新型材料的制备。而在很多情况下，先进材料的制备、甚至材料加工，都需要在真空条件下进行。这主要是可以避免外界环境气体、杂质的掺入所带来的成分、结构上的缺陷，从而引起性能的下降。而表面工程技术在很多方面都涉及到真空环境。2.1 真空基础一、 真空定义真空：低于一个标准大气压的气体空间。真空特性：真空是相对的、不存在绝对的真空，即在任何真空状态下都存在着气体分子，不可能存在没有物质的绝对真空。真空在英文中为Vacuum，古希腊文，是虚无的意思。根据真空的定义，真空状态与气压有关，而气压是由于大量气体分子频繁撞击而引起的一种宏观上的平均效应。在温度不变时，特定空间的气压与其中的气体分子数或物质的量成正比：因此，同正常的大气状态相比，真空意味着单位体积内的气体分子数比较少，分子撞击的程度（或概率）减少，因此压强降低。正是因为这样，真空可以提供一个比较干净的环境。二、真空的度量真空度真空度：是对气体稀薄程度的一种客观度量，可以用气体的压强、分子数密度、平均自由程等来描述。在真空行业中通常是用气体的压强来表示。但真空度和压强是两个概念，气体压强低表示真空度高、气体压强高表示真空度低。真空的单位（与压强单位相同）：（1）在国际标准单位制中的单位：Pa（Pascal，帕斯卡），1Pa1N/m2（2）工程中也常用：Torr（Torri Celli，托里拆利），1Torr1mmHg=1/760atm.常用真空（压强）单位换算常温下不同真空度时的气体分子数密度常温下气体分子在每秒钟内碰撞到1cm2面积上的个数常温下气体分子平均自由程与真空度的关系三、真空区域的划分粗真空；低真空；高真空；超高真空（1）粗真空：压强P：7601Torr（105102Pa）；分子数密度n：10191016个/cm3；分子平均自由程很短：10-810-3cm，d（容器尺寸）；特点： 分子间碰撞次数频繁，气体分子以热运动为主，与常压相比气体特性无明显变化。 使用此真空区域主要是为了获得压力差。如抽风机、排气（烟）机。（2）低真空：P：110-3Torr（10210-1Pa）；n：10161013个/cm3；：10-3100cm，d特点： 分子间碰撞很少、分子几乎按直线飞行、大部分分子与容器壁相撞，容器中的物体与容器内残余气体的化学作用很微弱，气体的热传导及内摩擦与压强无关。（4）超高真空：P：10-8Torr（10-6Pa）；n：105cm，d特点： 分子间碰撞极少、分子主要与容器壁相撞、气体分子在固体表面上以吸附停留为主。 超高真空主要用于获得纯净气体和纯净固体表面。常用于表面分析，如透射电镜等。四、真空的应用 真空技术已经广泛用于工业生产、科学研究和高新技术产业，材料、电子元件和半导体集成电路的制备尤其与真空技术有着密切的关系。2.2 稀薄气体的基本性质根据真空的定义，可以知道真空空间的气体为稀薄气体。要研究真空的性质，就要研究稀薄气体的性质，即稀薄气体分子的运动规律及特性。大多数稀薄气体，可以等效为理想气体，用理想气体的气体分子运动论进行描述。这是研究真空的获得、真空下气体与固体表面的作用（吸附、解吸等）、固体放气、气体的渗透、气体在真空管道中的流动等与真空有关的物理想象的理论基础。一、定义稀薄气体：在真空技术中所遇到的气体大都是稀薄气体，其气体分子所占空间与气体分子可到达的空间相比要少的多，可以忽略不计。 分子可以假设为弹性小球； 分子间的作用力仅限于弹性碰撞，即除了碰撞的瞬间分子间无相互作用力，分子处于自由运动状态。稀薄气体的性质与理想气体的相似，可用理想气体状态方程来描述。二、理想气体 分子体积与气体体积相比可以忽略不计； 分子之间没有相互吸引力，势能为0； 分子为弹性小球，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞为弹性碰撞，不造成动能损失。1、理想气体状态方程克拉伯龙方程（热力学原理）m：气体质量；M：气体摩尔质量；R：气体普适常数；P、V、T：气体的压强、体积、绝对温度，为状态参数。n：气体分子数密度；k：波尔兹曼常数。推导：N0：阿佛加德罗常数（6.021023）；m：单个气体分子质量；N：质量为m的气体的分子数。则：，。2、理想气体三定律（经验定律） 波义尔马略特定律恒温下，一定质量的气体的压强与体积的乘积为常数。 PVC P1V1P2V2即，恒温下一定质量的气体的压强与体积成反比。 盖吕萨克定律恒定压强下，一定质量的气体的体积与绝对温度成正比。 VCT V1/V2T1/T2即，恒压下一定质量的气体的体积随温度线性增大。 查理定律恒定体积下，一定质量的气体的压强与绝对温度成正比。 PCT P1/P2T1/T2即，恒容下一定质量的气体的压强随温度线性增大。在任何情况下都严格遵守以上三定律的气体称为理想气体。真实气体在温度较高（500K）,压强较小的情况下一般可当作理想气体。此外还有两个重要的定律： 道尔顿分压定律容器中的气体由互相不发生化学反应的不同成分所组成，各成分气体的压强为P1、P2、Pk，混合气体的体积为V，总压强为P，则有：即，互不发生化学反应的混合气体的总压强等于各成分气体的分压强之和。 阿佛加德罗定律等体积的任何种类气体，在相同温度及相同压力下均有相同的分子数。在相同温度及相同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积。把1mol任何气体的分子数目NA叫做阿佛加德罗数，NA=6.0221023mol-1。在标准状态下（P0=1.01325105Pa，T0=0），1mol任何气体的体积V0称为摩尔体积。V0=22.4 L/mol。三、气体分子运动论的一些重要结论（统计物理学原理）1、气体分子的速率分布麦克斯韦速率分布函数 速率分布函数N：一定量气体的分子总数；dN：速率在d间的气体分子数量。则dN/N表示速率在d间的气体分子数量占总数的百分比。在给定速率的附近，若所取间隔d越大则分布在区间+d中的分子数越多、dN/N就越大，当d足够小时即可认为dN/N与d成正比。即：f()称为气体分子的速率分布函数。定义：速率分布函数：a) 分布在附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比。 b) 每一个分子的速率在附近的单位速率间隔内的概率（即概率密度）。f()满足关系式：称为速率分布函数的归一化条件。若全部分子的速率处于0之间。则分布在12(12)之间的分子数N占总分子数的百分比为：。麦克斯韦和波尔兹曼从理论上确定了气体分子安速率分布的统计规律。在平衡状态下，理想气体的速率分布函数为：即，麦克斯韦速率分布函数。其中m为气体分子质量，是气体分子的动能，由于理想气体分子间相互作用力可被忽略，所以不存在势能，全部能量中只有动能。p麦克斯韦速率分布曲线速率分布函数从坐标原点出发，经过一极大值后随速率的增大而减小。速率很大和很小的气体分子所占百分比都很小，而大多数分子具有中等速率。在12内,曲线下的面积表示速率分布在12之间的分子数与总分子数的比率。整个曲线下的面积为1。几个重要的速率：a) 最概然速率p与f()的极大值对应的速率称为最概然速率，p，表示在一定温度下气体分子最可能具有的速率。由可得：。p主要是用来讨论速率分布。温度的高低反映气体分子无规则运动的剧烈程度，T，气体中 较小的分子减少，而 较大的分子增多，p变大，曲线峰值向右移动。但曲线下面积不变。b) 平均速率大量分子速率的算术平均值叫分子的平均速率，用来计算分子运动的平均距离。由。由于d很小，所以近似认为分布于速率d之间的dN个分子的速率是相同的，均为。则dN个分子的速率之和为：则可得N个分子的平均速率为：相当于数学期望。c) 方均根速率同理可得分子的方均根速率：用来计算平均动能。在三个特征速率中，。2、能量分布函数麦克斯韦波尔兹曼分布与速率分布函数相对应，有能量分布函数，称为麦克斯韦波尔兹曼分布，是微观粒子的一种经典统计分布：称为波尔兹曼因子，在统计物理中经常出现。3、平均自由程定义：气体分子在不断地进行无规则热运动，每个分子在连续两次碰撞之间自由飞行的路程称为自由程。自由程的统计平均值称为平均自由程，。与分子数密度n及分子直径的平方成反比。由nP/kT，得：。表明气体分子的平均自由程与压强成反比，与温度成正比。当气体种类及温度一定时：PC（常数）。对个别分子来说，自由程各不相同，有大有小，没有一定规律。但在给定状态下，分子自由程遵循统计分布规律，所以平均自由程是一定的。4、碰撞频率定义：单位时间碰撞（入射）在单位面积器壁上的气体分子数为碰撞频率（入射频率），v。根据麦克斯韦速率分布函数，可求出碰撞频率为：上式称为赫兹克努曾（HertzKnudsen）公式。由，可得：。2.3 气体与蒸气真空是通过对密闭容器进行抽气而获得的。当压强减小时，真空周围的物质会往真空放气，从而影响到真空度。物质的放气现象与其饱和蒸气压有关。此外，真空中的气体分子不可避免地要和真空室壁等他固体表面发生相互作用。这种作用主要有吸附及解吸现象、放气现象。本节对物质的蒸发、凝结性质进行介绍。一、临界温度气体变为液体的途径：降低温度，加大压强。临界温度：当气体温度高于某一温度时，无论用多大的压强压缩气体都不能使其液化，这一温度称为临界温度。温度高于临界温度的气态物质成为气体。温度低于临界温度的气态物质成为蒸气。二、饱和蒸汽压（1）定义：把固体或液体放入密闭容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的蒸汽具有一定的压强，称为蒸汽压。在一定的温度下，当单位时间内蒸发出来的分子数同凝结在器壁或回到蒸发物质的分子数相等时，即蒸发和凝结达到平衡，则称为蒸发达到饱和。物质蒸发达到饱和时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。同一物质的饱和蒸汽压只与温度有关，随温度升高而增大。（2）理想气体：分子无体积，分子间无作用力，所以理想气体没有液化现象。（3）实际气体：物质处于气态，分子间距大（与分子体积相比）、相互间引力较小，主要体现出分子热运动产生的彼此分离的倾向；物质处于液态，分子间距减小、引力增大。要使气体液化必须降低温度或增大压强。降低温度降低动能，减小分子热运动产生的彼此分离倾向加大压强减小分子间距，使引力增大。下图是CO2的液化等温曲线图（举例说明气体的液化过程）。CO2的等温曲线1) TTc时，等温线为一条光滑的曲线，无论加多大压强，气体都不能液化。各种物质的临界温度各种物质的饱和蒸汽压物质水机械泵油普通扩散泵油扩散泵硅油温度（）20202020饱和蒸汽压（Torr）17.510-210-510-510-8510-102.4 固/气界面现象真空是通过对密闭容器进行抽气而获得的。当压强减小时，真空周围的物质会往真空放气，从而影响到真空度。物质的放气现象与其饱和蒸气压有关。此外，真空中的气体分子不可避免地要和真空室壁等他固体表面发生相互作用。本节主要介绍与之相关的吸附及解吸现象、放气现象。固/气界面又称为固体的表面。固体表面与体内在结构上一个重大差异就是原子或分子间的化学键中断。原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。这种键具有吸引外来原子、分子或微小颗粒（如灰尘等）的能力。一、吸附现象（1）定义：气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在固体表面上，形成单层或多层气体分子层的现象叫做吸附。这主要是由于固体表面的悬挂键的吸引所引起。能捕集气体的固体叫吸附剂，而被吸附的气体成份叫吸附质。如：当气体和固体表面处于平衡状态时，靠近固体表面的气体密度总是大于远离表面的气体密度，说明固体表面有俘获气体分子并使之滞留于表面的能力。（2）吸附能（吸附热）固体表面存在悬挂键的这种持殊状态，使表面具有一种过量的能量称为表面自由能。吸附现象使表面自由能减小，吸附的气体分子的能量也减小。减小的能量通常以热的形式放出。伴随吸附现象的发生而释放的能量称为吸附能，又称为吸附热。固体表面吸附1mol气体所放出热量称为吸附热。将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解吸。除掉被吸附的原子的能量称为解吸能。入射到基体表面的气相原子都有定的能量，它们到达基片表面之后可能发生三种现象：1）与基体表面原子进行能量交换被吸附； 2）吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸再蒸发或二次蒸发)； 3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。（3）吸附力：产生吸附现象的力称为吸附力。根据附着力的不同可分为：1）物理吸附：由范德瓦尔斯力（或称范德华力）形成的吸附，吸附原子与表面间无电荷转移。这种吸附力一般是由于原子电偶极矩所形成。2）化学吸附：由化学键力形成的吸附，吸附原子与表面间发生电荷转移。3）物理吸附与化学吸附的比较：范德华力普遍存在于任何分子间，固体表面吸附了一层分子后还可吸附第二、第三层等；化学吸附是由化学键产生的，只有气体分子和固体表面分子能形成化学键时才发生化学吸附。物理吸附类似于凝聚现象，不需要活化能，速率快；化学吸附类似于化学反应，需要活化能，速率慢。物理吸附与化学吸附的比较物理吸附化学吸附吸附热近于液化热140kJ/mol近于反应热40400kJ/mol吸附力范德华力，弱化学键力，强吸附层单分子或多分子层仅单分子层吸附选择性无（任何气体在任何表面上均可物理吸附）有（一种固体表面只能吸附几种气体，如Al可吸附O2、CO，但不能吸附N2）吸附速率快慢吸附活化能不需要需要，且较高吸附温度低较高吸附层结构基本同吸附质分子结构形成新的化合物稳定性不稳定，易脱附较稳定，不易脱附二、余弦反射定律（克努曾定律）碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。即， 1/为归一化因子。克努曾提出了“吸附层”的概念来说明余弦反射定律。即，碰撞于表面的分子都被表面吸附，停留一段时间后才重新蒸发。（有待加强）三、材料在真空中的放气（1）定义：吸附和溶解了气体的材料置于真空时会从材料中放出气体，称为材料的放气。（2）材料放气的原因材料放气是由于材料内部溶解气体的解溶和表面吸附气体的脱附解溶往是最主要的原因，表面脱附的气体量只占总放气量的小部分。 金属表面是高温放气的重要气体来源各种表面处理如化学清洗、抛光、腐蚀、大气中烘烤氧化等，可降低放气速率。 大多数有机材料常温放气的主要成分是水汽，放气速率较高，一般不宜用于真空。聚四氟乙烯、聚酰氩胶等高分子材料可耐高温烘烤，放气速率也较低，可用于真空度小于10-6Pa的真空中。四、气体在固体中的渗透（1）定义：气体从固体表面渗入、通过，并从固体另一表面逸出的过程称为气体在固体中的渗透。（2）渗透过程在气体压强较高（浓度大）的固体一侧，气体在固体表面上发生吸附，并逐渐被表层溶解。在浓度梯度的作用下，溶解的气体逐渐向真空一侧扩散，最后在真空一侧（浓度低）的固体表面逸出。气体在固体中的渗透（外界气体在真空室壁中的渗透，影响到了真空的获得和保持）。（3）气体的渗透速率（透气速率）单位时间通过单位面积的气体量称为透气速率，用Q表示。对于厚度为l的平板材料，两侧气体压强为P1、P2，P1P2，则有：。K渗透系数，表示当固体平板两边压强差为一个大气压时单位面积上渗透过单位厚度的气体量。渗透系数（K）的大小与固体材料及气体种类有关。（4）渗透的驱动力浓度梯度。渗透过程实质上是气体分子的扩散过程。根据Fick扩散定理，单位时间通过单位截面的扩散量与浓度梯度成正比。即：c为气体浓度，D为扩散系数，表示扩散的快慢。则：把上式两边积分，x从0l积分，浓度从c1c2积分，得：QlD(c2c1)D(c1c2) QD(c1c2)/l。根据Henry定律，cSP（S为溶解度，表示溶解的快慢）。则：因此，KDS。（5）一些材料的透气性质 钢、铜、钼等材料的渗透系数很小，可做真空系统的结构材料。 很多有机材料的渗透系数较大，橡胶、塑料等所有气体能渗透，不能当真空壁材料。 有些材料具有一定的选择性，仅对某种气体渗透系数大，如Pd容易渗透H2，Ag容易透过O2。这种性质可用于气体提纯或真空检测。2.5 气体的流动与流导真空是通过真空泵对真空室进行抽气而获得的。气体通过真空管道排到真空室外面。气体在真空管道中的流动会影响到真空度及抽气速率。另外，实验中想真空室供气时，也涉及到气体在容器及管道中的流动。本节主要介绍与气体流动相关的内容。一、气体的流动（1）气体流动的驱动力压力差。在真空系统中，当真空容器（真空室）或连接管道两端存在压力差时，气体就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。任何真空系统都是由真空室（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）及抽气装置（真空泵）组成的，气体从真空室经过真空管道及阀门向抽气口源源不断地流动，是动态真空系统的普遍特点。（2）气体流量单位时间流过（管道）某一截面的气体的量称为气体流量，Q。是描述气体流动大小的物理量，可用PV表示：QPV/t（TorrL/s）还可用质量流量（Kg/s）和摩尔流量（mol/s）表示。目前，质量流量经常用sccm (Standard cubic centimeter per minute)，即标准立方厘米（或毫升）每分钟，或slm (Standard liter per minute)。表示标准状态（1标准大气压大气压、25C）下每分钟1立方厘米(1ml/min)的流量。通常用N2进行标定。因此一般是一个相对值。（3）流阻及流导通过管道的气体流量与管道两端的压力差成正比。即：QG(P2P1)；Z流阻；G 流导。流导（G）表示在单位压强差下流过管道的气体流量，表征管道通过气体的能力的大小。取决于气体的种类、流动状态，管道的几何形状、尺寸。二、气体的流动状态（1）气体的流动状态：粘性流；分子流；过渡流。真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力较高、流速较大、流量也较大，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流（涡流，紊流）；随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流；容器尺寸d，气体以分子间碰撞为主，称为粘性流；当气体流动进入高真空范围，分子平均自由程远远大于管道最小尺寸d时，气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线进行，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称作分子流；容器尺寸d，气体分子和器壁间的碰撞为主，称为分子流。发生在中真空区域内，介于粘滞与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。在不同的流动状态下，管道中的气体流量和导气能力计算方法不同，因此在气体流动计算时，首先要进行流动状态判别。（2）气体流动状态的判据克努曾数由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短，常常不加以单独考虑，而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数 或管道中平均压力Pcp与几何尺寸d的乘积Pcpd作为判据：克努曾数为：。粘性流：=1.1粘性流中分子间碰撞是主要的，气体压强发挥了有效作用，气体容易流动，流导大分子流：=1.5；或Pcpd=310-3分子流中，分子碰撞很小，可忽略不计，流导小过渡流：510-31.5；或310-3Pcpd极限真空时才适用。下图是机械泵的工作特性曲线。（2）机械泵油真空泵的转子和定子全部浸泡在油箱内。作用：密封、润滑、散热要求： 饱和蒸汽压小于泵的极限真空 具有一定的润滑性和黏度机械泵工作时间过长，真空度太小时，机械泵油会反流回机械泵和真空室，造成污染。所以通常不会单独用机械泵长时间抽真空。（3）机械泵的技术参量极限真空：一些因素限制了极限真空的无限提高 死空间（有害空间） 吸气和排气空间有气压差，排气空间的高压气体从间隙回漏到吸气空间。 泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气。在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高。抽气速率：机械泵标牌上标出的抽速叫几何抽速，Sn。实际抽速（有效抽速）比几何抽速小。随容器真空度提高而下降，当达到极限真空时，实际抽速为零。这是由于：泵的入口管道的流阻；泵内逆向气流，泄漏，等实际因素引起的。机械泵的型号：2x-4；2x-82：二级；X：旋片式；4：抽速L/s（4）双级泵为了减小有害空间影响，通常采用双级泵。相当于将两个单级泵串接起来。构造：泵由两个工作室I、II组成。两室前后串联，同向等速旋转，I室是II室的前级，I是低真空级，II是高真空级。被抽气体经高真空级(II室)进入前级，由排气阀排出泵外。工作原理：当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时(例如从大气压力开始抽气)，气体经II室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀排出，另一部分则经由前级排出。当泵工作一段时间后，II室吸入的气体压力较低时，虽经II室的压缩，压力也达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀，则吸入的气体全部进入前级I室，经I室的继续压缩，由排气阀排出。1. 辅助排气阀，2. 级间通道，3. 排气阀极限真空提高的原因：泵工作一段时间后，由于： 高真空级（II）进气的压力大大降低，其出口压力也很小，II室进、出气口的压力差也较小，被压缩气体返回的数量也相应减少； 同时，后级泵（II）中易蒸发的油分子不断被前级泵（I）抽走，油蒸气的分压减少了，因而双级泵的油污染比单级小，极限真空度将大大提高。国产的双级旋片真空泵的极限压力可10-2pa，国外有的泵可达到10-3Pa，而单极泵通常只能达到10-1pa。（5）气镇泵：原因：真空室内的水蒸汽（或其他可凝性气体）较多。当真空容器内水蒸汽（或其他可凝性气体）较多时，在压缩过程中水蒸气分压增大，若压缩达到的总压强还不足以打开排气阀时，水蒸气分压就达到了饱和蒸汽压，此时水蒸气就会凝结成水，和机械泵油混合在一起，随油一起循环。当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。随着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油，并可能会腐蚀机械泵。措施：气镇法是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。这种方法是在排气口附近开一可自动开合的小孔，向排气空间泄入少量干燥空气，以帮助打开排气阀，此即为气镇泵。这样会影响到极限真空及抽速。2、油扩散泵利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。 原理：1）扩散泵油被电炉加热蒸发，油分子得到能量后沿管道向上运动，经喷嘴隙缝喷射，形成一个稳定的伞状的高速蒸汽喷射流；2）由于油分子的分子量大（体积大），速度高（超音速），蒸汽射流范围内的气体分子，和油分子发生碰撞，被驱赶到下方，在泵的下方形成密集的气体分子，在出口处排除（被前级泵抽走）；3）泵的上部，由于气体分子被油蒸汽流驱赶走、其分压比真空容器内的低，所以真空容器内的气体分子不断向泵上方扩散；4）油分子与冷却的泵壁相碰，油蒸汽在壁上凝结后流入泵底，被电炉加热后再上升。极限真空度：由于油蒸汽的作用，使泵内出口处的压强大于进口处的，气体分子会从出口处向进口处反向扩散，但因蒸汽流本身形成了阻挡层，减小了气体的这种反向扩散。当进、出口处的压强差和油蒸汽流的作用相平衡时，泵就失去了进一步抽气的作用，此时达到扩散泵的极限真空。扩散泵的极限真空为10-410-5帕。提高极限真空及抽速的方法：采用多极泵（多级喷口）可提高抽速和极限真空。扩散泵油：在冷凝温度下的饱和蒸汽压要低（以提高极限真空）。 在蒸发温度下应具有尽可能大的蒸汽压（为了提高泵的最大反压强，使泵能在较高的出口压强下工作）。 油应具有较好的化学稳定性、热稳定性、抗氧化性。前级泵作用：前级泵：用以维持另一个泵的前级压力在其临界前级压力以下的真空泵使扩散泵获得一定预备真空，10-110-3Pa在扩散泵工作中，抽出扩散泵的排出气体，维持扩散泵出口处压强在一定值以下（510-2Pa）3、涡轮分子泵用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。 组成：主要由泵体、带叶片的转子（即动叶轮）、静叶轮和驱动系统等组成。涡轮分子泵要由数十个动叶轮和静叶轮组成（泵的级数），动叶轮和静叶轮交替排列。动叶轮和静叶轮几何尺寸基本相同，但叶片倾斜角相反。原理：涡轮叶片（动叶片）以很高的速度高速旋转（1000060000r/min），动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度（一般为150400米秒）。当气体分子与动叶片相碰撞时，动叶片将动量传递给气体分子，上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用继续被压缩至更下一级，一直被驱向出气口，由前级泵抽除。涡轮分子泵必须在分子流状态下工作，因此要求配有工作压力为110帕的前级真空泵。主要应用于高真空以及超高真空领域。压缩比：泵的出口压力与入口压力之比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。可达109N。4、罗茨真空泵结构：在泵腔内有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。根据罗茨真空泵工作压力范围的不同，分为粗真空罗茨泵，低真空罗茨泵（机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。原理：图为罗茨泵转子由0转到180的抽气过程。在0位置时（图a），左转子从泵入口封入V0体积的气体。当转到45位置时（图b），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90位置时（图c），左转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，右转子也从泵入口封入V0体积的气体。当转子继续转到135时（图d），右转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180（图e）位置和0位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个V0体积的气体。转子不断旋转，气体从进气口被吸入到转子与泵壳之间的空间V0内，再经排气口排出。吸气后V0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。当转子顶部转过排气口边缘、V0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，有一部分气体返冲到空间V0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。使用特点：罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，所以高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。优点：（1）在较宽的压力范围内有较大的抽速；（2）转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳；（3）泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；（4）泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；缺点：（1）压缩比较低，对氢气抽气效果差； （2）转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。是在较低入口压力时具有较高的抽气速率，但它不能单独使用，必须有一台前级真空泵串联，待被抽系统中的压力被前级真空泵抽到罗茨真空泵允许入口压力时，罗茨真空泵才能开始工作，并且在一般情况下，罗茨真空泵不允许高压差时工作，否则将会过载和过热而损坏，因此使用罗茨真空泵时必须合理地选用前级真空泵，安装必要的保护设备。5、低温真空泵利用20K以下（液H、液He、液N、液Ne等）的低温表面凝聚吸附气体的真空泵。单用低温冷凝是不够的，He、Ne等气体在20K的平衡蒸汽压力太高了，不能被低温冷凝在光的表面上，因而用活性炭来吸附这些气体。低温泵是获得高真空或超高真空最先进和最理想的设备。它具有其它真空泵无法比拟的优点，具有起始压强高（千帕量级）、工作压强范围宽（10-310-9帕）、抽速大、无返油污染、能抽有毒有害气体、无需前级泵（只需要预抽泵）、性能稳定、操作维护方便等独特的优点。（有待加强）6、吸气剂离子泵它是使被电离的气体通过电磁场或电场的作用吸附在有吸气材料的表面上，以达到抽气的目的。它有如下几种型式。 蒸发离子泵：泵内被电离的气体吸附在以间断或连续方式升华（或蒸发）而覆在泵内壁的吸气材料上，以实现抽气的一种真空泵。 溅射离子泵：泵内被电离的气体吸附在由阴极连续溅射散出来的吸气材料上，以实现抽气目的的一种真空泵。7、钛升华泵8、吸附泵（有待加强）它主要依靠具有大表面的吸附剂（如多孔物质）的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。五、各种真空泵性能比较（数据有待进一步核适）真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）水环式真空泵1051031100000活塞式真空泵1051021100000水蒸气喷射泵10510-11100000分子筛吸附泵10510-11100000旋片式真空泵10510-11100000油蒸气喷射泵10110-21.3100000罗茨真空泵10310-41.31000油扩散泵10-210-51.310涡轮分子泵10010-81.3溅射离子泵10-3110-96.70.1钛升华泵10-210-91.30.01锆铝吸气剂泵10-310-91.310低温泵1001.310-111.31.30.12.7 真空的测量一、定义真空计：测量真空度的量具总称为真空计（真空规）。绝对真空规：能够从它本身测得的物理量直接算出气压大小。相对真空规：必须经绝对真空规的校正才能测量。在真空下，由于压强小，直接测量压强难度很大，通常通过测量与压强有关的某些物理量，再经过变换后确定容器的压强。二、麦克劳真空规结构：真空计的一端与待测容器连接，另一端通过橡皮管与一可以上下移动的水银容器R相连。C和D是直径相同、互相平行的两根毛细管，B是容积已知（设为V）的气体容器。原理：其工作原理是把待测压强气体的一部分进行隔离并用汞（或油）压缩到一极小体积，直到压强增大到可以直接测量的程度，然后根据波义耳马略特定律求出原来待测的压强（比较开管和闭管的液柱差），利用玻义尔定律直接算出气体压强的一种绝对真空计。测量方法：测量开始时，先降低R，使水银面低于N点，此时容器B中的气压与待测气压相同，设为P，然后提高R，使水银面上升、超过N点，使容器B与待测容器隔开。当水银面继续上升时，B中的气体被压缩，由于待测容器的容积大得多，所以当水银面升时，待测容器的气压基本上不受影响。调节R的高度使D管中的水银面正好与C管的顶端相齐。这时C、D两管中水银面的高度差h可直接用标尺测定。若以毫米汞柱为压强的单位，则被压缩气体的压强P为：Ph+P。设毛细管的内截面积为a，则压缩后气体的体积为ah。设压缩前气体的体积为V，由于C的容积很小，V可近似地取为容器的容积V，则根据波义耳定律有：PVhah (公式有待核实)即： 式中a和V是仪器常数，因此测出h就可确定P的数值。麦克劳真空计可以有不同的量程。它所能测量的最高真空度决定于容器B的容积V和毛细管C、D的截面积a，由上式可看出，V越大，a越小，真空计可以测量的真空度就越高。实际使用的麦克劳真空计，一般可以测量到10-6mmHg。由于一般蒸汽在压缩时会凝结，不遵从波义耳定律，所以麦克劳真空计不能用来测量蒸汽压。另外麦克劳真空计也不能连续测定气压的变化，即不能连续地指示出真空系统在抽气过程中压强的变化情况，故它的主要用途是用来校正其它的真空计。技术参数：V500cm3，（太大时易破裂）毛细管不能细于0.5mm，太小Hg易黏结在管壁上，h也不能小于0.5mm。可测出的最低气压托实际可测量范围托。三、热丝真空规1、原理利用低压下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。一根加热丝放入真空器皿内，则输入加热丝能量：S1：热辐射消耗；S2：加热丝支撑架传导消耗；S3：气体分子对热丝碰撞带走的能量；S1、S2当温度一定时为衡量，S3和真空容器中的气压有关。K1：常数；为P的函数，低压下气体的导热系数正比于P。K2：常数。则 2、分类：热导真空规：使加热电流维持一定，测量气体热导率，根据这一原理进行工作的真空规。（有待加强）热偶真空规：直接测量加热丝的温度。3、热偶真空规组成：加热器、热电偶将热偶规管与真空系统相联，加热器电流保持为定值。则热电偶的热电势将由周围气体的压强来决定。因为加热器的温度变化由周围气体的导热率决定，当压强降低时，气体的导热率减小，则加热器的温度升高，热偶的热电势随着增加。如果已知热电势与压强的关系，则可直接指示出真空度。测量范围：T0），则回路中就会产生热电势。（有待加强）在实际应用中，温度为T的一侧是被测温度侧，又称电偶工作端或热端；T0的一侧是参考温度，又称电偶参考端或冷端。4、皮拉尼真空计：（有待加强）测量电阻随压强的变化用电阻温度系数较大的金属（W、Mo、Pt）做热丝，用软玻璃等作外壳做成测量管。将此电阻接入惠斯顿电桥作为电桥的一臂。在大