《真空技术基础》PPT课件.ppt

真空技术基础FundamentalVacuumTechnologyPlan 田永 沈烨 陈路Report 陈路1 真空的介绍2 真空的获得3 真空的测量 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 真空技术的发展历史 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 g u 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 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 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 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 盖德发明的分子泵 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 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 1标准大气压 760mmHg 760Torr1标准大气压 1 013x105Pa1Torr 133 3Pa1mbar 100PaPSI 磅 力 平方英寸 1MPa 145PSI 11 真空 压强 单位 真空度和压强 压强越低 真空度越高 压强越高 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 真空度可分为 压力范围和真空泵 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 真空的获得 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 气体流动及导率 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 16 真空泵 具有抽气功能的设备 复合真空泵 前级泵 次级泵 真空泵的分类 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 依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片 将气体隔离 压缩 然后排除泵体之外 极限真空 单级为20 10 3Torr 两级串联能低于1 10 3Torr 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 且转子间 转子与泵体间无需油作密封 转速高 抽速快 罗茨 Roots 真空泵 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 高真空泵分为两类 1 转移动量给气态分子而抽吸气体扩散泵 vapourpump 分子泵 turbopump 2 俘获气体分子冷泵 CryoPump 离子泵 Ionpump 涡轮分子泵 Turbopumb 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20000 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 TurboPump工作原理图 冷泵 Cryopump 工作原理 依靠气体分子在低温条件 100K 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 优点 无振动 抽速快广泛用于受控核聚变 粒子加速器和现代半导体技术领域 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 比较 真空计简介 定义 真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空计 Vacuumgauges 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 3Pa U型计测量范围 105 10Pa 电容真空计 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 皮拉尼 Pirani 真空计 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 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 电离真空规 工作原理 它由阴极 阳极和离子收集极组成 热阴极发射电子飞向阳极过程中 使气体分子电离 并被收集电极收集形成电流 根据离子电流测出气体压强 特点与使用 属高真空和超高真空测量 通常与热偶规同时使用 比较 小型化 是电子技术发展的产物 它又是一体化和集成化的基础一体化 可以提高测量准确度集成化 可以更好地适应在实际真空系统中的应用智能化 依赖于计算机技术的迅速发展系统化 可满足工业自动化的需求 亦与计算机技术密切相关因此 真空计向小型化 一体化 集成化 系统化和智能化方向的发展 是在迅速发展的电子技术和计算机技术的推动下 为满足应用的需求而产生的结果 真空计的发展趋势 低真空系统 系统组成 真空室 机械泵 热偶规应用