培训系列之2(孙丽娜)：真空工程理论基础

第一章引论,1.1真空及其度量概念物理学上的真空：指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间。应用物理与技术所讨论的真空:低于一个标准大气压的气体状态标准大气压北纬45度海平面，海拔高度为零，空间温度为27摄氏度的大气压.此时压强为:分子密度为:2)真空发展史最早的真空获得和应用的实例可追溯到公元前6世纪，那时我国炼铁技术已相当进步，为了融化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排气。与现在的往复式活塞真空泵的作用原理基本相同。,典型的真空应用的例子：中医的拔火罐。利用了空气的热胀冷缩、蒸气冷凝等物理现象来形成罐内真空。真空技术开始的标志1643年Torrcelli(意大利)托里拆利实验帕斯卡(法物理学家数学家)12岁发现三角形内角和定理,24岁发现压强.证明了大气压与高度有关1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵马德堡半球实验（为了证明大气压的巨大力量）真空技术最初的理论基础1662年，英国人玻义耳发现了玻义耳定律；1738年瑞士人伯努利提出了气体分子运动论。1905年德国人盖得发明了机械泵、1906年皮拉尼发明了热阻真空计、1913年和1915年盖得先后发明了分子泵和扩散泵、1916年贝克利发明了热阴极电离计。真空技术迅速从低真空发展到高真空。1936年希克曼发明了分馏式油扩散泵、1937年潘宁发明了冷阴极电离计，使高真空技术在获得和测量两个方面基本完善。,1940年以后真空技术在原子能方面得到广泛应用，并在真空冶金、真空镀膜、真空冷冻干燥等方面得到扩展。到1950年，真空范围已提高到。贝阿德阿尔伯特在1950年发明了B-A规，为测量高真空创造了条件。1953年吸气泵-离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空。从20世纪50年代到70年代的20多年里，真空技术融入了许多尖端科学技术并一起得到迅速发展。高能加速器、等离子体核聚变装置、微电子学中的超大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃。压力范围下降到现代真空科学与技术分成8个学科分支：真空技术、真空冶金、等离子体科学与技术、薄膜科学与技术、电子材料与加工工艺、表面科学、应用表面科学、纳米科学与技术真空的特点:1稀3少气体较为稀薄单位体积内分子数目较少(分子密度小)分子之间或分子与其它质点之间碰撞几率减少分子在单位时间内碰撞于单位表面积上的次数相对减少,分类:按成因分为自然真空和人为真空动物人(肺):吸满气(740Torr)呼气(300Torr)章鱼:呼气时可达100Torr蚊子:吸血原理,利用大气压与腹腔压差造成真空在100公里以下,海拔每增高15公里,大气压递减约1个数量级.珠峰顶处的气压为32kPa，仅为海平面的三分之一飞机:10km以上高空,200Torr左右,即26kPa真空度:气体稀薄程度可用气体压强、分子密度、平均自由程和单分子层形成时间来描述。真空技术中通常用压强来表示，压强越低,真空度越高。低真空时，有时用“真空度百分数”表示。,压强:TorrPabarmmHg,1.2真空区域的划分及其物理特性(应用)1）低真空（Pa）n稠密，和正常情况下无太大差别，气体分子仍以杂乱无章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞还十分频繁，很难实现带电粒子的定向运动，气体流动属粘滞流态。应用：得到压力差1公斤/平方厘米（并不要求空间性质有所改变）力学作用真空吸引和输送（无网捕捞、吸鱼机、搬运）、真空成型、真空侵渍、拔火罐（起源于东晋公元300年左右）戈力特半球实验,转到,2）中真空（）气体分子密度和常压相比有很大下降，氧化程度降低真空冶炼（黑色金属的真空熔炼、脱气、浇铸和热处理）金属材料内气泡、疏松减少，机械强度和性能大大增强气体中的带电粒子在电场作用下将产生定向运动气体放电真空电弧炉气体的对流消失真空隔热和绝缘、（保温）保温瓶液体的沸点降低冷冻升华：真空冷冻脱水、冬天凉衣服、真空冷冻干燥蔬菜、食品高速空气动力学实验设备（火箭、导弹、飞机、F1赛车）低压风洞,3）高真空（）真空冶金、真空镀膜、真空器件的生产分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少，平均自由程很大，基本不存在气体分子之间的能量交换，分子流动完全呈现分子流态。带电粒子的飞行方向不受干扰（显像管），减少了气体的电离。化学反应接近于零活泼金属一定要在此状态下冶炼Ti、Be、Zr、U、Ge、Mo、W良好的电、热绝缘性能材料的沸点、熔点降低铝空心钽阴极蒸发离子镀蒸镀氮化钛仿金薄膜,4）超高真空（）气体分子是以固体表面的吸附为主；单分子层形成时间等于或大于在实验室测量所用时间制备“清洁”表面；太空模拟室、可控热核聚变的研究、表面物理表面化学的研究5）极高真空（）总结：真空区域的划分原则真空的物理性质低真空：力学性质中真空：液体的沸点降低，气体放电高真空：绝缘、绝热、无氧化超高真空：获得清洁表面极高真空：宇航、物理研究,真空区域的划分原则真空获得技术低真空：旋片泵、水环泵、滑阀泵中真空：罗茨泵、油增压泵高真空：扩散泵、分子泵超高真空：离子泵、升华泵真空区域的划分原则真空测量技术低真空：液位式真空计、指针式真空表中真空：热偶计、电阻计、薄膜规高真空：热阴极电离计、冷阴极电离计超高真空：规极高真空：调制规、弯注规,真空区域的划分原则真空应用技术真空应用设备中（用户自己定义，不规范）前级泵：低真空次级泵：高真空例如：感应炉：油增压泵（高）滑阀泵（低）,1.3真空技术的应用领域真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用真空输运、吸引、起吊设备具有结构简单，易于操作、维护、运输，起吊吸引过程中无振动，生产效率高，运送易损坏物件安全可靠，对环境无污染等特点。吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物的输运水泥地板、机场及公路水泥道路的快速吸干车间起吊、机床夹具、玻璃装运吸乳、吸尘、吸痰、吸胸膜积水、吸原子弹爆炸所产生的辐射尘埃真空造型近年来在立体军用地图、盲人书籍、高级陶瓷、电冰箱洗衣机板件、玩具复制浮雕和文物中都有广泛应用化工、制糖、水泥等工业部门已开始大量采用连续真空过滤，很容易将黏度大的悬浮液利用压力差的作用，通过微细筛孔将悬浮液中的液体与固体分离真空浸渍是先对片状或纤维状的疏松物质进行抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺,返回,真空在电真空器件中的应用由于各种真空器件的工作原理是基于电场磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此，避免电子对气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成所要求的不同真空度，保证电子器件正常工作。电真空工业中利用真空中电子束来进行除气、熔炼、区域提纯、开槽切割、放射性同位素的蒸发难熔金属的焊接等。真空在冶金工业中的应用真空熔炼、真空脱气及炉外精炼、真空热处理、真空烧结、真空蒸馏浓缩和结晶真空在镀膜工业中的应用真空镀膜广泛的应用在光学、电子学、理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学中。真空镀膜所采用的方法主要有：蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流沉积镀、化学气相沉积法等增透膜、高反射膜、导电膜、绝缘膜、保护膜,真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用生物体保存、贵重或热敏性药物生产、食品制作与保存等真空在航天工业中的应用（模拟实验）火箭发动机、航天员训练密封舱、离子推力器、材料及元件、卫星表面带电模拟真空在加速器及受控核聚变中的应用加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能量的装置，加速器产生的粒子和射线已经用于核物理研究和医疗、工业、农业食品等部门。真空在表面科学研究中的应用当真空度达到的超高真空时，在固体表面吸附一个原子或分子层厚度时，所需的时间大约是60分钟。充分利用这段时间对实验件进行表面研究和测试，是完全可能的。,1.4真空物理与真空工程分子运动论（）气体的流动理论（）真空中的热力学问题（）表面现象（）溶解、扩散和渗透（）表面电子发射（）气体放电（）带电粒子在各类型电磁场中的运动（）电子光学基础（）,公式总结习题,第二章气体在平衡状态下的物理特性,平衡态非平衡态标准状态2.1基本定律2.1.1实验定律波义耳-马略特定律M一定T=C盖吕萨克定律M一定P=C查理定律M一定V=C,常量2.1.2理想气体状态方程,所以,引申出1)阿弗加德罗定律2)道尔顿分压定律3),熟练掌握,返回,2.2气体的压强公式气体分子的动能1)分子的自由度2)能量按自由度均分原理,方均速率,3)气体的内能2.3Maxwell速率分布率气体分子以各种大小的速率沿各个方向运动，而且由于相互碰撞，每个分子的速度都在不断变化。因此，某一特定时刻单个分子速度的数值和方向，完全具有偶然性。然而，就大量分子整体来看，在一定的条件下，它们的速度分布却遵循一定的统计规律。为了研究气体分子按速率分布情况，研究它的定量规律，引入速率分布函数的概念。,由图2-2Maxwell速率分布曲线可以看出,从坐标原点出发,经过一极大值后,随速率的增大而渐近于横坐标.即气体分子的速率可以取由0-之间的一切数值,速率很大和很小的分子所占的比率都很小,而具有中等速率的分子所占的比率却很大。与速率分布函数极大值对应的速率叫做最可几速率.物理意义:如果把整个速率范围分成许多相等的小区间,则分布在最可几速率所在的区间的分子比率最大。,从上式中可以看出,温度越高,越大;分子的质量越大,越小.对给定的气体,分布曲线的形状随温度而变;在同一温度下,分布曲线的形状因气体的不同而不同.对于空气大约为500m/s,返回,大量分子的速率的算术平均值叫做分子的平均速率,用表示.,分子速率平方的平均值分子的方均根速率为在讨论速率分布时用到最可几速率,计算分子运动的平均距离时用平均速率,计算分子的平均平动动能时用方均根速率.,返回,2.4气体分子的碰撞气体在管道中流动以及热传导、内摩擦、扩散现象的性质都和分子之间的碰撞有关。碰撞：实质上是分子在另一分子附近通过时受另一分子给予的斥力而使运动方向急剧改变的过程。研究单位时间内气体分子碰撞次数时作下列假设：1）分子是光滑的刚性小球，作完全弹性碰撞而忽略其势能；2）在两次碰撞之间，分子作匀速直线运动；3）分子直径与两次碰撞之间所走的路程相比，可忽略不计；4）碰撞过程是瞬间的；5）分子碰撞不影响其密度分布，即气体处于稳态。,单位时间内的平均碰撞次数(假设其它分子处于静止状态)单位时间内的平均碰撞次数单位体积内的碰撞次数,2.5气体分子的自由程及其分布率自由程：在气体中，一个分子连续两次碰撞之间的路程平均自由程：分子在连续两次碰撞之间所通过的自由程平均值1）同类分子的平均自由程对于一定的气体，当T一定时，则,返回,2）离子、电子的自由程可认为离子的直径与分子直径相同；但因受电场的作用，运动速率远大于分子的速率，这样，可将分子视为静止的，于是离子的平均自由程为电子在电场下速率更快，分子同样视为静止，但电子的直径小，可略去不计,3）自由程长的分布率自由程大于x的几率表示个分子中自由程大于X的分子数,上述公式对于电子、离子同样适用应用：真空镀膜越小越好，但x不能太小（考虑安装空间），只有增大，这就需要减小压强，抽真空。2.6分子入射率由麦克斯韦速度分布率来推导,推导过程略单位时间碰撞于单位面积上的分子数,转到5,单位时间碰撞于单位面积上的气体体积数对于常温下的空气()气体分子在单位时间碰撞于单位面积上的气体分子数与容器中总的分子数无关,正比于分子的平均速率和分子密度。由于分子的平均速率很大，故的值一般很大。对研究蒸发与凝结间的平衡、消气剂的吸气等具有重要意义。,2.7蒸发与凝结2.7.1蒸汽可凝性气体，是相对永久性气体而言的，对于任何一种气体都有一个临界温度，处在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化称为永久气体。而在临界温度以下的气体，靠单纯压缩气体增加压力即能使其液化，便是蒸汽。分类：金属蒸汽、非金属蒸汽；状态：饱和蒸汽、非饱和蒸汽。当处于真空状态时，不论是实际气体还是处于非饱和状态下的蒸汽，均可认为服从理想气体状态方程。处于饱和状态下的蒸汽，不服从理想气体定律，因为在温度不变时，压缩体积时，部分蒸汽将产生凝结，不服从波义尔-马略特定律。,在真空系统中，若有蒸汽源存在，并且系统各部分有不同的温度，那么饱和蒸汽压决定于最低温度。真空系统中的任何液面都是一种蒸汽源，只要留有任何一种液体，系统可达到的最高真空度就是这种液体现有温度下的蒸汽压。在室温下,水的蒸汽压为2338.67帕,水银的蒸汽压为0.12帕.随着温度的升高,蒸汽压增高。如真空系统中蒸汽受到压缩时，压强只能增加到饱和蒸汽压，进一步压缩会使蒸汽凝结。降低真空系统中任何部分的温度，可降低系统中的蒸汽压。,蒸汽对真空的影响：挥发性强的物质相当于放气源，常常会限制系统极限真空度的提高，极限压力不会低于最高的饱和蒸汽压。系统各部分温度不同时，系统中蒸汽的分压力与最低温度的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽将凝聚在最低温度表面上（低温泵、冷阱提高真空度的原理）。抽除水蒸汽是真空技术中的一个难题饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给容积式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题（气镇原理）。水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计（麦氏计）的精确使用。,通常，泵抽除的气体多为永久性气体与可凝性气体的混合物。在压缩和排气过程中，当可凝性气体的分压超过泵温时该气体的饱和蒸汽压时，可凝性气体将会凝结并混于泵油中，随泵油循环，并在返回高真空侧时重新蒸发变成蒸汽。这将会影响到泵的抽气性能，加重泵油的污染程度。气镇法可以有效的防止可凝性气体的凝结，即在压缩过程中将经过控制的永久性气体（通常为室温干燥空气）由气镇孔掺入被压缩气体中，使可凝性蒸汽的分压达到饱和蒸汽压之前，压缩气体的压力已经到达排气压力，排气阀打开，将可凝性气体同永久气体一同排出。油封式机械真空泵普遍装有气镇装置。气镇阀由节流阀和逆止阀两部分组成。,蒸汽的汽化潜热液体在真空中蒸发变成蒸汽时需要吸收热量汽化热要使液体汽化（固体升华），需要提供足够的热量（真空冷冻干燥）液体蒸发吸收热量，有降温作用，如蔬菜水果保鲜，脱水降温积水蒸发结冰现象2.7.2蒸汽压该方程不仅适用于液体及其饱和蒸汽之间的关系,还适用于其它物质相,例如物体的固相和液相的混合物也适用。蒸汽压的单位为mHg,A、B查表，C通常忽略不计。,2.7.3蒸发率和凝结率在靠近某种物质表面的一些分子具有足够的动能时，可以逸出成为一种气体留在空间。提高固体（或液体）表面温度，使分子热运动加剧可加速这一过程。（加热去气）若将某种液体敞开放着，蒸汽分子很快就从液体中扩散出去，而产生所谓的“非饱和蒸汽”。若将液体置于一封闭的空间，则蒸汽压会达到一最大值，此时蒸汽处于饱和状态而其相应的压强称为饱和蒸汽压。这时，从物质表面逸出的蒸汽分子与返回表面的分子数之间形成动态平衡。,蒸发率：单位时间从单位面积上由液体（或固体）转化成气体的质量。凝结率：单位时间在单位面积上由气态转化成液态（或固态）的质量。当蒸发率大于凝结率时，表现为蒸发；当凝结率大于蒸发率时，表现为凝结；当凝结率等于蒸发率时，表现饱和状态。饱和状态下的分子密度和压强称之为饱和蒸汽密度和饱和蒸汽压。蒸发率和凝结率的单位是饱和状态下的凝结率可通过分子入射率来计算,当固态金属表面很干净时，（凝结系数、打击系数单位时间打击到单位面积上的金属蒸汽分子有一部分凝结成故态金属，另一部分撞击后返回到空间形成金属蒸汽，凝结的部分占总数的百分比）因为蒸发率只与金属表面状态和温度有关，所以无论饱和与否，都用上述公式，因为物质具有这种特性。在真空镀膜技术中，往往以各种热源（如电阻、离子轰击、电子束等）使欲镀金属蒸散到工件上形成薄膜。而蒸汽的量和金属的温度有关。温度升高蒸发率增大，在温度较高的饱和状态下，饱和蒸汽压必然很大。只有这样才能形成较大的凝结率与增大了的蒸发率相平衡，从而达到饱和状态。,2.8分子从表面的反射（余弦定律、克努曾定律）入射反射多少？反射方向：余弦定律研究的内容克努曾在低压气体流动和分子束反射的研究中，都证明了余弦定律成立：碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原飞来方向无关，按与表面法线方向所成角度的余弦分布。一个分子，离开表面时位于立体角中的几率为,“吸附层”假说：凡是碰撞于表面的分子，都被表面所暂时吸附，在表面停留一些时间后重新“蒸发”。余弦定律的意义：揭示了固体表面对气体分子作用的一个重要侧面，它将分子原有的方向性彻底“消灭”分子“忘掉”了原有运动方向，均按余弦定律漫射分子在固体表面停留一段时间，气体分子能够与固体进行能量交换、动量交换的先决条件。例如气体对表面的散热作用、用高温表面加热气体、用高速运动的表面来拖动分子、气体被固体表面吸附等。由于分子每碰撞于表面都要停留一段时间，这就造成高真空下气体或蒸汽通过管道需要较长时间。,在分子尺度上是光滑的表面，可以出现镜面反射现象，这时反射角等于入射角即飞离方向完全取决于飞来方向。一般常见材料，即使被精密研磨过，离分子光滑的程度仍然很远，只有晶体的解理面才称得上是分子光滑的表面。故在通常情况，余弦定律都可以认为是成立的。,第三章气体内的迁移现象,气体内的迁移现象：处于非平衡态的气体，由于气体分子不断的相互碰撞和相互搀和，分子之间将经常交换动量和能量，分子速度的大小和方向也不断地改变，最后，气体内各部分的物理性质将趋向均匀，气体状态将趋向平衡。在压强较高时质量迁移扩散现象扩散系数能量迁移热传导现象热传导系数动量迁移粘滞现象粘滞系数,在气体压强较低时，有滑动现象、温度骤增现象、热流逸现象、分子辐射现象。应用：蒸汽流泵的扩散机理、气体沿真空管道的流动规律、真空电炉中或热传导真空计的热交换。3.1气体的动量迁移3.1.1低真空下的动量迁移内摩擦现象（粘滞现象）内摩擦力：流动中的气体，如果各气层的流速不相等，那么相邻两个气层之间的接触面上形成一对阻碍两气层相对运动的等值而反向的摩擦力。气体的这种性质叫做粘滞性。例如用管道输送气体，气体在管道中前进时，紧靠着管壁的气体分子附着于管壁，流速为，稍远一点的气体分子才有流速，离管壁较远一些的气层有较大的流速，在管道中心部分流速最大。这一现象正是由于管壁到中心各气层气体之间有内摩擦作用的表现。,气体的内摩擦是气体内部的动量迁移，是因气体流速不均即有“速度梯度”存在而产生的。两气层之间的内摩擦力为：结论：）与气体种类有关；）与温度有关；）与压强无关（解释）；）高真空时，外摩擦现象（振膜真空计）,3.1.2中真空下的滑动现象和内摩擦现象在气固交界面上有速度跃变存在，贴板气流相对于板面流动的现象称为“滑动现象”。（气流与壁面间的动量交换）滑动系数外摩擦力气体与板面间的相互作用力外摩擦系数气体与壁面的碰撞，实质是对“吸附层”的碰撞，由于碰撞条件不同，可产生两种反射：弹性反射（动量不改变）；漫反射（有充分的动量交换）。（解释滑动现象的原因）3.1.3高真空下的滑动现象由于忽略了内摩擦现象，故滑动系数已失去存在的意义，因为它是通过滑动现象和内摩擦现象之间的关系引入的，这时应直接分析外摩擦力。,但在真空技术中，引入与压强有关的外摩擦系数是很不方便的，于是引入了自由分子粘滞系数，它只与气体的种类和温度有关，与压强无关。由此来计算外摩擦力相当方便。（相对中真空下的外摩擦力公式）3.2气体的能量迁移3.2.1低真空下的能量迁移热传导现象如果气体内部各部分温度不同，从温度较高处向温度较低处有热量的传递，这一现象称为气体的热传导现象。,单位是结论：）与气体种类有关；）有温度有关：）与压强无关（解释）；）在高真空时，热传导系数正比于分子密度或压强，称为自由分子热传导。（利用这种特点来测量真空度各种类型的热传导真空计）热流密度单位时间通过单位面积传递的热量,3.2.2中真空下的温度骤增现象和热传导现象在中真空下，贴板气体和板面温度并不一致，而是存在一定的温度差，这种现象称为温度骤增现象，温度差称为温度跃变。温度跃变温度骤增现象适应系数是反应气体分子和器壁碰撞过程中能量交换充分程度的物理量，与气体种类、表面材料及粗糙度等有关，一般在0.20.95之间。用适应系数将热传导系数加以修正,3.2.3高真空下的温度骤增现象分子流态温度骤增起主导作用高真空中温度不同的两表面间热传导量自由分子热传导系数热传导真空计的工作原理：根据低压气体热传导量正比于压强的关系，即传递热量的多少表征气体的多少制成热传导真空计。更多时候是气体分子在大圆内壁间碰撞自由分子热运动。这种真空计构造简单，使用方便，但读数与气体种类有关，工作特性常因热表面适应系数变化而受影响。,在和时都存在气体热传导现象和摩擦现象（内摩擦和外摩擦），但表现的很不一样。对于扩散现象，只有在时才存在，在时，气体分子间完全没有相互碰撞，不存在扩散现象。3.3气体的质量迁移扩散现象若容器中各部分的气体种类不同，或同类气体在容器中各部分的密度不同，随着时间的变化，容器中各部分气体的成分或气体的密度将趋向均匀一致，这种现象叫扩散现象。分为自扩散和互扩散。应用：扩散泵、真空镀膜技术、真空脱气等,3.3.1自扩散取决于气体分子的密度分布（）结论：）当温度恒定时，真空度越高，气体扩散速度越快（因为在压力较高时，分子间相互碰撞频繁，扩散很慢）真空脱气、真空干燥、真空浸渍等设备的理论依据；）当压强一定时，提高扩散速度的途径是增高温度外部烘考去气、加热去气；）当压强、温度均是常量时，扩散速度随气体种类不同分子质量越轻，扩散越快；,3.3.2互扩散结论总结单原子气体分子2.5，双原子分子B=1.9，多原子分子B=1。,3.4热流逸现象）低真空（）平衡时压强较高时的平衡是两室压强相等，气体的分子数密度及质量密度反比于温度。低温区气体密度大。,）高真空（）压强较低时，气体分子之间可以不发生相互碰撞而飞过小孔。平衡时两室交换的分子数必须相等此时两室的压强并不相等，压强之比正比于温度之比的1/2次方；分子数密度及质量密度反比于温度的1/2次方。现象解析a）当时，分子之间的碰撞频繁，自由程很短，碰撞时交换能量，在小孔附近形成一个具有若干自由程厚的过渡层。在过渡层内温度变化是缓慢的。因此任何一室的分子都不能带着它原来速率直接飞到对室去。,b）当时，气体分子的自由程很长，分子能无碰撞的通过小孔，由一室飞到另一室，并在另一室中与分子或器壁碰撞，取得热平衡。当有机会重新穿过小孔飞回时，也是带着另一室分子的热运动速率飞回来的。此时，小孔两边是能维持温度跃变的。C）一个真空系统各部分温度不一致时，即使没有气体流动（已达到平衡），它们的压强也并不相等。这对真空度的测量有很大影响。设计和选择测量点时必须给予充分注意。在有低温设备的真空系统中，由于温差大，压强差比较显著。例如：一个用液氮冷冻的容器，用某种真空计测量其真空度，则容器中的真实压强只为真空计读数的一半左右。（热处理炉）,3)热流逸（热迁移、热分子流）现象（与热传递的流动方向不同）,第5章气固现象,5.1引言表面科学的一个分支固相和气相间的界面现象表面物理、表面化学现象已成为近代真空技术的重要理论基础。在超高真空状态下，气相分子之间相互碰撞已忽略（空间过程），起关键作用的是气相分子与固体表面的碰撞（器壁过程）。超高真空技术的发展是表面科学飞跃发展的前提条件。处于稀薄气体中的表面，不论是受到中性气体分子的碰撞，还是电子、离子、光子等粒子的作用，都要发生一系列的物理现象。这些现象虽然发生在表面，但都不可避免的导致空间的效果。,气体分子与表面的碰撞，在单位面积的表面上每秒要遭受次的碰撞。如果表面在开始时是干净的，将有一部分分子停留在表面上，出现“吸附现象”，反之，在一定条件下，这些吸附的分子可重新释出而返回气相，出现“脱附”。气体分子在表面与空间的这种相互转换的物理现象，在真空技术中有着特别重要的意义。气体脱附将造成可观的压强，对高真空器件可能导致极坏的结果。反之，如果能将气相分子转换为表面吸附分子，则能实现抽气作用，吸附泵正是利用此原理工作的。,5.2固体表面、吸附现象、固体原子振动周期当气体和固体表面处于平衡态时，靠近固体表面的气体密度总是大于远离表面的密度，说明固体表面有俘获气体分子并使之滞留于表面附近的能力。气体被固体表面俘获而附着于表面上的现象称为吸附现象。能吸附别的物质的固体叫“吸附剂”，被吸附的物质叫“吸附质”。固体分为晶体（有固定的软化点）和非晶体（粘滞性很大的液体）。晶体：岩盐、云母、石英、明矾、水晶、冰、金属等非晶体：玻璃、松脂、沥青、橡胶、塑料等,晶体表面是指晶体最外表的几个原子层和吸附在它上面的原子、分子及其覆盖层，其厚度在零点几纳米到几纳米之间。表面的存在，破坏了晶体的三维周期性，结果使粒子在表面重新排列，这一薄层的原子既受到体内束缚，又受到环境的影响，形成与体内不同周期的结构（例如图5-1氯化钠晶体）。固体表面之所以有吸附能力，正是由于固体表面分子的这种特殊状态所引起的。固体是由相互间吸引的离子、原子、分子组成，尽管它们之间有较强的相互吸引力，但并不是在原位置静止不动，而是不停地以一定的频率做振动，振动的周期与原子的体积、分子量、物质的熔点有关。Lindemann公式,返回,固体原子的这种振动对被吸附分子有直接影响，被吸附分子通常可近视认为是以同一周期做振动。、吸附机理两个分子间的相互作用力吸附力式中第一项代表斥力，第二项代表引力，由于s、t都比较大，所以分子力随着间距的增大而急剧减小，分子力可以认为具有一定的有效作用距离，超出有效距离，可完全忽略。由于st，所以斥力的有效作用距离比引力小。,远吸近推分子势能曲线在平衡位置处，分子力为，势能有极小值。用势能曲线来描述两分子间的“碰撞”过程固体表面对气体分子的作用力分子场力气体分子受固体表面分子所产生的分子力场的作用，具有分子力场的势能。分子力场势能曲线（图5-3）：分子场力为斥力时，为正，势能随着距离的增大而减小；分子场力为吸引力时，为负，势能随着距离的增大而增大；分子场力为时，势能有极小值。,曲线凹下的部分称为“势能坑”或“势谷”。坑的最低点是分子的平衡位置，坑越深，分子势能越小，越稳定。势能曲线最低点的能量就是吸附时所放出的热量，称为“吸附热”。若气体分子从固体表面上“脱附”出来，必须提供脱附能，数值上等于吸附热。5.3吸附参量、固体表面吸附摩尔气体所放出的热量吸附热固体表面脱附摩尔气体所吸收的热量脱附能单位是焦耳摩尔或千焦耳摩尔吸附过程是气体分子势能减少的过程，减少的势能以热量的形式放出。脱附过程是势能增加的过程，需要外界提供能量。,、吸附量固体表面单位面积上所吸附的气体量有些固体吸附剂的实际表面比几何表面大得多，而且是未知数，所以用单位重量的固体所吸附的气体量来表示吸附量。实际表面也叫物理表面、真表面；几何表面也叫视在表面。比面积：单位质量的固体所具有的实际表面积分子筛（一种吸附剂）：,、表面覆盖度在化学吸附中，固体单位表面的吸附中心数是一定的，一吸附中心被气体分子占据，该吸附中心就不再具有吸附其它分子的能力。被气体分子占据的吸附中心数和总吸附中心数之比称为“覆盖度”。在单层吸附中，覆盖度即是被气体覆盖的面积和整个固体表面积之比在物理吸附中，不存在吸附中心的概念，但单位表面可能吸附气体的总数也是一定的。同样引入覆盖度的概念。可能1（多分子层吸附）；（单层吸附）,、平均吸附时间固体表面上吸附的气体分子在不断地做热运动，其中必有一定数量的分子由于动能较大而摆脱固体表面对它的束缚，从表面上解脱出来（脱附）。气体分子从吸附到脱附平均所经历的时间称为“平均吸附时间”、“平均滞留时间”、“平均居留时间”。费朗克尔方程被吸附气体分子在垂直固体表面方向上的振动周期,、表面形成单分子层时间t单分子层布满一平方厘米表面的分子数为假定每次入射都能形成吸附，于是形成单分子层吸附时间为：对于室温下的空气真空度越高，表面形成单分子层的时间越长。,、吸附速率与脱附速率单位面积表面在单位时间内吸附的气体分子数称为吸附速率（单位时间内的吸附量），单位：脱附速率：每平方厘米的吸附剂表面上每秒钟脱附的气体量。表面覆盖分子数越多，脱附速率越大；吸附分子在表面上能够吸附停留的时间越长，脱附速率越小。,5.4物理吸附与化学吸附物理吸附：气体分子靠范德瓦尔斯力吸附在固体吸附剂上。由于范德瓦尔斯力较弱，作用距离较长，被物理吸附的分子结构变动不大，所以被吸引分子和表面的化学性质都保持不变。化学吸附：其作用力与化合物中原子间的作用力相似，比范德瓦尔斯力强得多，作用距离较短。吸附后气体分子与固体表面之间形成吸附化学键，与原气体中的分子相比，由于吸附键的强烈影响，其结构变化较大，状态也更为活跃，好似发生于表面上的化学反应。,返回,判断物理吸附与化学吸附吸附热物理吸附的吸附热较小，一般在几千到几万焦耳摩尔，与气体的液化热接近。化学吸附热一般大于几百千焦耳摩尔，与化学反应的反应热接近。吸附温度物理吸附的温度一般接近气体的沸点温度，主要发生在低温下，真空技术中的低温吸附多属于这种情况。化学吸附温度较高，真空技术中的吸气剂和吸气剂泵多属于这种情况。吸附的稳定性物理吸附不稳定，易脱附，一般来说过程可逆，化学吸附较稳定，不易脱附。,吸附的选择性物理吸附无选择性，在气体沸点附近任何气体在任何固体表面上都可以物理吸附。化学吸附具有选择性，一种固体表面只能吸附某几种气体。吸附作用范围物理吸附可以单分子层也可以多分子层。化学吸附限于单分子层。吸附和脱附的速度物理吸附无需激活能，吸附和脱附速度都很快。化学吸附需一定的激活能，吸附和脱附速度比物理吸附慢。吸附态的光谱物理吸附使原吸附分子的特征吸收带造成某些位移，或使原吸收带的强度有所变更。化学吸附则在紫外、红外及可见光谱区出现新的特征吸收带。物理吸附和化学吸附在一定条件下可以相互转化,5.5吸附动力学5.5.1吸附速率方程称为吸附几率（打击系数），是入射固体表面的分子能够被吸附的几率。物理吸附（凝聚几率），化学吸附（粘附几率）。吸附几率的大小取决于激活能对于化学吸附，只有能量高于激活能的分子才能发生吸附，物理吸附则不需激活能表面覆盖度随着表面覆盖度的增加，吸附几率越来越小吸附的成功率取决于碰撞机制,5.5.2脱附速率方程覆盖度为的固体表面，其单位面积上共吸附有个气体分子，这些分子经过平均吸附时间后将全部被新吸附的分子所代替，故单位时间单位固体表面上脱附的分子数为：脱附速率和温度有关，温度越高，速率越快。这是烘烤去气的理论依据。动态平衡时一定的气体吸附在某一固体上的分子数,5.6朗谬尔吸附等温线吸附量与吸附剂的温度和气体的压强有关(平衡时),即:朗谬尔公式吸附表面上吸附的气体摩尔数为:,朗谬尔吸附理论：形成固体的分子，相互之间以静电力作用，在固体内部，每个原子都受到周围相同原子的作用，故力相互抵消；但在最表层的原子其向外的一面的力未能得到抵消，形成剩余价力，这个剩余价力就可产生吸附作用。凡可产生吸附作用的表面原子都是一个吸附中心（吸附位），因剩余价力的作用距离只不过，即约一个分子直径的距离，故最多只能吸附一个单分子层。洁净表面上的每个吸附中心都是空的，气体分子碰到表面就被吸附中心吸附住。初期吸附快，但后来减慢。已吸附的分子，在表面停留一段时间后，从固体表面获得能量，有一些可以克服吸附能位垒，开始脱附。平衡时的脱附数目等于吸附数目，表面上维持一个恒定吸附量。,为了推导吸附等温线，假定：吸附只能发生在吸附中心，并且只有分子碰撞于空的吸附中心时才发生；每个吸附中心只能吸附一个分子；表面上所有吸附中心对分子的吸附能都相等，而且吸附能不受邻近是否有吸附分子的影响。固体表面分为两部分：一部分是被气体覆盖的，其面积即为覆盖度，吸附系数为；另一部分是未被气体分子覆盖，其面积为(1-)，吸附系数为。平衡时：,朗谬尔吸附等温式覆盖度与压强的关系b可以看作与气固特性有关的常数,即覆盖度与气体压强成正比亨利定律，适用于高真空、超高真空下的单分子层吸附，相当于图5-6最初的直线部分。吸附饱和，等温线末端趋于的渐近线。b随着温度的升高而迅速减小，即随着温度的升高吸附越来越小。朗谬尔公式的等温线是一通过原点斜率一定的直线，就是单位面积上吸附气体的摩尔数和压强成线性关系（图5-7）。,的等温线是平行于轴的水平线。实验得出的吸附等温线与理论的曲线基本一致，差别在c点后尚有一段向上弯曲的线段，理论曲线中没有。这是由于压强很大时被吸附的气体液化造成的。5.7溶解与渗透气体在固体中的溶解要经过吸附、溶解、扩散等。扩散是最慢的步骤，溶解或溶解速度多由扩散的速度决定。最终可溶解的气体量取决于溶解度。渗透大气通过溶解和扩散过程先被吸收到真空容器器壁的材料内，后又在器壁的真空一侧解溶气体在固体中的溶解步骤气体分子吸附在固体表面上吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态（金属）,气体分子（或原子）在固体表层达到相应于环境气压的溶解浓度由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子向固体内部扩散，至到浓度均匀为止分散了的气体分子，有的能与固体分子发生化学反应形成化合物，有的则只起某种化学作用，形成不稳定的假化合物，有的则构成溶体。溶解度：在一定的T、P下，气体在固体中溶解达到饱和时的浓度。与P、T、气固配比的性质有关。（静力学参量溶解气体的多少）溶解度的大小主要取决于材料与气体分子之间的亲和力。水是极性分子，亲和力比较大，所以水蒸气的溶解度较高；惰性气体的亲和力比较差，所以溶解度较小。还与材料的致密程度有关。,亨利定律：扩散浓度不均匀扩散速度：溶解没有达到平衡时的进行速度（动力学参量溶解的快慢）菲克第一定律扩散系数由气固配组的性质决定,渗透：气体渗入、通过和逸出固体阻挡层的过程。首先是气体吸附在气体压强较高的表面上，被表面外层溶解后，其浓度梯度逐渐减少，并逐渐向真空一侧扩散，最后在真空侧表面解吸。（气体的渗透限制了容器所能达到的极限压强）扩散系数与溶解度的乘积叫渗透系数在两边压强差为个标准大气压，渗过厚cm的平板面积的气体量。,渗透系数的大小与材料及气体种类有关。很多材料的渗透系数很小，可忽略不计，例如不锈钢、铜、钼等，可利用这些材料充当真空系统的构造材料。一般的硬玻璃对大多数气体（氦、氢除外）的渗透系数也较小，也可充当真空系统或真空器件的壁材。很多有机材料的渗透系数很大，如橡胶、塑料等，所有气体均能渗透，不能充当壁材。有些材料表现出一定的选择性，仅对某种气体或某些气体渗透系数特别大，材料的这一性质可用于气体提纯及真空检漏。如钯特别容易透过氢，银特别容易透过氧诺顿实验,第6章荷能粒子与表面,荷能粒子：指具有一定动能的电子、光子、重粒子（质子、中子、离子、原子）。表面：最外表的几个原子层和吸附在它上面的原子、分子及覆盖层。弹粒子（入射粒子）靶粒子（靶、靶材）许多真空设备中都含有荷能粒子，如果荷能粒子以足够的能量与固体表面碰撞，但又不足以发生核反应，这时所产生的种种次级效应是各种表面分析技术的研究范畴。例：高能加速器交叉存储环要求良好的超高真空环境，而加速粒子对壁面的轰击脱附出气会破坏已经达到的真空度。,返回,重粒子对材料的溅射剥蚀是溅射离子泵、溅射镀膜、离子刻蚀的基本依据。离子在电场驱动下被壁面或电极俘获，是吸气剂离子泵、电清除的作用原理。氩氧混合气辉光放电、氩离子轰击是获得清洁表面的有效手段。电子轰击加热、电子轰击分解是电离规、电真空器件电极除气的重要方法。氩的再释影响溅射离子泵抽出氩气的性能。,6.1荷能离子与表面本章研究的荷能粒子是指其能量高于热运动的能量而低于发生核反应的能量。荷能粒子轰击固体表面发生的现象有：入射粒子：背散射、俘获、再释、渗透、贯穿表面材料：溅射、原子位移、辐射损伤、表面电子发射、气体溅射。入射粒子能量不同，发生不同的效应能量小于30ev时，可发生的主要效应：背散射、较轻的溅射和原子位移。发生背散射的几率约等于，溅射的产额很低，靶发生原子位移的几率也很低。,能量在30-1000ev之间时，背散射仍很重要，但几率略有下降，在1000ev时约等于0.5；对各种入射粒子和靶均能出现溅射，且溅射产额随能量的加大而线性上升；由于原子位移造成的靶材料的辐射损伤突出起来；入射粒子被靶俘获的几率也有很大的上升，在1000ev时上升到0.5，俘获的一小部分可自发再释，但只限于表面。此时贯穿效应也出现了，在1000ev时可达10个晶格常数。在材料科学研究中，为了便于分析晶体中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的基本单元（通常是最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，成为晶胞；晶格常数指的就是晶胞的边长，1个晶格常数为零点几纳米。,能量在1-30千电子伏特时，背散射几率由0.5减小到0.1；溅射产额上升到几十原子离子；原子位移更加严重，俘获几率接近；常温下再释降低，扩散范围深入到一个纳米表层；平均贯穿深度由10个晶格常数增加到1000个晶格常数，入射粒子和靶原子的束缚电子激发。能量在30千电子伏特1兆电子伏特时，背散射几率、溅射产额都比较低；辐射损伤的广度和深度更大，俘获几率等于，再释更小，贯穿深度对非晶体为10-100纳米，对于晶体超过几微米。6.1.1溅射荷能粒子轰击固体表面使固体原子、离子射出的现象（靶的原子被入射粒子给打出）表征溅射的参量有：溅射阈、溅射产额（溅射系数）、溅射粒子的角分布、能量分布。,溅射阈：开始出现溅射时的入射粒子能量。一般气体金属配组的溅射阈约为5-30电子伏特。溅射的动量理论认为：离子轰击在靶上把一部分动量传给靶原子，如果原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。热学理论认为：靶被离子轰击局部瞬时加热而蒸发。（表6-1）溅射产额：指一个入射粒子溅射出来的平均粒子数目。与入射离子的类型、能量、入射角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热、温度等因素有关。一般来说，入射粒子的质量越大越易引起溅射。随着入射粒子能量的增加，溅射产额也增加，但增大到一定程度就饱和了，并开始下降。（金属氧化物的溅射产额一般要比相应的金属小）（图6-1）,返回,溅射粒子的角分布：溅射粒子的能量分布：一般其平均能量和最可几能量均随着入射粒子能量的增加而缓慢上升；并随轰击粒子质量增加而增加。应用：溅射离子泵、溅射镀膜、离子镀、离子刻蚀6.1.2气体溅射指靶材料吸附或凝结的气体在入射粒子的轰击下重新释出的现象气体溅射产额：在单位面积吸附总分子（原子）数为时，平均每个轰击离子释出的吸附分子数（原子离子）（表6-3）,6.1.3俘获与再释一个荷能原子或离子碰撞于固体靶表面时，它最终或者带着原始能量的一部分反射回真空中去，或者当其多余的动能耗尽后就停留在固体内。后一种情况称为“俘获”（捕集、陷入）。在足够高的靶温下，被俘获的粒子将由于热运动从其停留位置停留一段时间后再次被释放，返回气相，这个过程称为“再释”，有时也称为“热脱附”。表征俘获作用的参量主要是俘获几率，与入射离子的类型、能量及靶的类型、表面结构、俘获浓度、温度有关。俘获量随入射粒子能量的增加而变大最后达到饱和，饱和是俘获与再释达到动态平衡的情况。,离子俘获现象在电离真空计中一直存在，并导致测量误差。另外，可利用这个现象来抽气，特别是非活性气体可被成功地抽除，获得超高真空。表征再释作用的参量主要是再释速度，指从单位表面每秒释出的分子数。6.2荷能电子与表面电子轰击固体表面时，引起两类现象：电子从表面的散射、电子碰撞脱附。由于电子的质量远小于分子或原子，根据动量守恒定律，电子与分子碰撞时，其能量和动量的绝对值均基本保持不变。靠动量交换打出吸附分子的几率是很小的。此外，电子轰击还能引起靶面升温，若电子束功率较小热脱附作用也可以忽略。因此，这里所说的电子碰撞脱附是指,电子碰撞脱附（电子诱导脱附、电子刺激脱附）：吸附的分子因受电子激发或离解而引起的脱附。脱附的产物有中性粒子、激发的中性粒子及正负离子。玻璃和陶瓷在电子轰击下释出气体特别有害，因此超高真空装置必须尽量避免这类绝缘体受到电子轰击。被扩散泵油污染的表面受电子轰击时释出氢及各种碳氢化合物。电子轰击脏污表面产生聚合有机涂层，这些聚合涂层是高电阻率的，如果形成在电子光学系统中，将破坏仪器的精度表面电子发射：被入射粒子轰击使表面电子被打出。,返回,第7章电子发射,7.1电子发射基础固体的电子发射固体内的自由电子，在某种外界因素的作用下逸出固体表面进入周围空间的过程。在真空技术中，使用或遇到电子发射的现象颇多，有时需要得到电子发射并有控制的加以利用，如电子束轰击炉中的电子枪，气体放电管中的阴极；有时又要防止电子发射的出现，如超高真空电离计中防止离子收集极的光电发射。7.1.1金属内自由电子的状态束缚电子具有的能量较低，只能绕某一个原子核运动。自由电子若电子的能量超过一个特定的能量值（金属的束缚能级），则能够挣脱单个原子核的束缚，在整块金属内作自由热运动。,金属中自由电子的浓度很高（），在金属边界处具有数量级个大气压的巨大压力，但金属表面在一般状态下并不发射电子，因为表面上有足够的力（表面势垒）阻止电子的逸出。金属自由电子模型,在金属中作自由热运动的自由电子，其速度或动能的分布遵守费米狄拉克分布函数。单位体积内动能在之间的电子数为,电子密度按能量分布曲线假如金属温度为绝对零度,则在范围内电子密度为零。即所有自由电子都处于的能级上,费米能级是0K下电子所具有的最大能量。当时,少数电子的能量能提高到的范围。温度越高，能量大于费米,能级的电子数越多，电子的最大能量值也越大。但大部分电子处于的能级状态。金属的导电能力主要缘于这些自由电子的运动。将金属的束缚能级至费米能级范围称金属的导带，束缚能级称为导带底。,7.1.2金属的表面势垒和逸出功金属的逸出功：使金属中电子能够克服表面势垒所必须给予它的最小能量。由于在绝对零度下金属中处于费米能级的电子具有最大能量，所需外界给予的能量就最小，而且费米能级上总有足够数量的电子供发射，不需要发射更低能级上的电子，所以,金属表面势垒由偶电层势垒和电像力势垒两部分组成。自由电子在金属边界处试图逸出金属表面，但飞到离子边界层之外的电子会受到离子的吸引，因其能量不足又被拉回到金属中去，即使在绝对零度下，这种飞出和飞回的过程也不断的进行，于是在金属边界处形成了偶电层（最外边界层的离子和它外侧的电子云），这种偶电层的电场具有阻止电子逸出金属表面的作用，产生偶电层势垒。可以证明偶电层势垒的高度等于金属的费米能级。金属的逸出功等于电像力势垒的高度电像力势垒是金属表面众多正离子对逸出表面的电子联合吸引作用的结果,7.2热电子发射将金属加热到足够高的温度，内部电子的能量随着温度升高而增大，其中一部分电