物理电子技术与系统简介ppt课件

1、物理电子技术与系统教师：赵小兰联络：33356107: 物理电子技术与系统n课程内容：n 1、物理电子学基本概念、定律及等离子体物理和应用；n2、真空技术及其应用n课时：48课授16实验n实验安排：1316周 梁添n成果：60期末20实验20作业考勤课程内容1 基础理论部分物理电子学基础）： 气体分子在稀薄气体中的运动规律研究空间气体分子的各种状态及各状态参量之间的关系，状态参量为：m, p, v, T 固-气界面现象研究气体在固体表面及在固体内部的运动规律2 真空获得与测量真空技术） 真空获得 研究真空获得的方法及相关设备 真空测量 研究测量真空的方法及有关测量仪器

2、3 真空检漏与真空系统 真空检漏 研究真空检漏的原理与方法以及氦质谱仪工作原理及其检漏技术 简介真空系统的抽气方程系统的简单计算真空的基本概念n真空泛指在给定的空间内，气体压强低于一个真空泛指在给定的空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气压相比，是较为稀薄的一种气体状态。压相比，是较为稀薄的一种气体状态。n地球表面上的一个大气压约为地球表面上的一个大气压约为 105PanVacuum 一字源至于拉丁字，其原意为一字源至于拉丁字，其原意为empty之之意意n真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根真空度是对气体稀薄程度的一种客观量

3、度。根据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。体的压强来表示。n在国际单位制中，压强是以帕在国际单位制中，压强是以帕(Pa)为单位为单位1Pa=1N/m2。另外常用的单位还有托。另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)、毫巴、毫巴 (mbar)、工程大气压、工程大气压(公斤厘米公斤厘米2)等。等。 真空度的单位n帕：1Pa=1N/m2=1kg/(m.s2)n巴：1bar=103Pan标准大气压：1atm=101325N/m2=101325Pan托：1Torr=1/760(atm)=101325/760(Pa)n托是S

4、I制定的，是一个确定的单位；mmHg依赖于实施的条件，如温度、汞的品牌、当地的重力加速度等，是个不确定的单位。n1Torr=1.333224*102Pa133Pa真空技术发展历史n科学家Galielo 第一位利用活塞的方式在地球上产生接近真空n几年后，Torricelli发明了水银压力计(1643)n1650年，von Guericke 发明了人类第一个泵。n以后，人类对于如何减低压力，并保持在低压力的研究便停顿了将近两百年。nMcLeod发明了压缩式的真空压力计，整个研究发明开始活络起来。n 1905年，Gaede设计了旋转式的泵，所用了封闭液体不是油而是水银，至此以后热电偶式的压力计，扩散

5、泵，离子式压力计，以及液态氦的制造都随着真空技术被改进之后逐渐衍生出来n表一为真空技术演进的一个大事记，从该表我们可以大约明白真空技术演进的过程。n从爱迪生电灯泡的钨丝在真空里可以延长寿命以及到航天员在真空的模拟环境模拟外层空间的实验说明了真空技术已经与人类文明的历史有紧不分开的关系了。 表1：真空技术发展大事记1年代发明者重大发明或著作1643EvangelistaTotricelli Vacuum in the 760 mm mereury column1650 Blaise PascalVariation of Hg column with altitudel654 Otto von G

6、uericke Vacuum piston pumps, Magdeburg hemispheresl662Robert Boyle Prssure-volume law of ideal gases1679Edme Mariotte1675A.L. Lavoisier Atmospheric air. : a mixiure of nitrogen and oxygenl783Daniel Bernoulli Kinetic theory of gases1802 J.A. Charles J. Gay-LussacVolume temperaturc law of gases1810 Me

7、dhurst Propose first vacuum post lines1811Amedeo Avogadro Constant molecular density of gases1843Clegg and Samuda First vacuum railways (Dublin)1850Geissler and TocplerMereury column vacuum pump1859 J.K. MaxwellGas molecule velocity lawsl865Sprengel Mercury drop vacuum pumpl874H. McLeodCompression v

8、acuum gauge1879 T.A. Edison Carbon filament, incandescent lampl879 W. CrookesCathode ray tubel881J. Van der Waats Equation of state of real gasesl893James DewarVacuum insulated flaskl895Wilhelm RocntgenX-rays .1902A. Fleming Vacuum diode . .l904 Arthur Wehnelt Oxider-coated cathode1905 Walfgang Gaed

9、e Rotary vacuum pumpl906 Mareello PiraniThermal conductivity vacuum gauge1907Lee de ForestVacuum triode .1909W.D. Coolidge Powder metallurgy of tungsten, Tungsten filament lamp1909 M. KnudsenMolecular flow of gases1913 W. Gaede Molecular vacuum pump1915 W.D. Coolidge X-ray tube1915W. Gaede Diffusion

10、 pump1915 Irving Langmuir Gas filled incandescent lamp1915Saul Dushman The kenotron1916 Irving Langmuir Condensaiion diffusion pump1916 O.E. BuckleyHot cathode ionization gauge1923F. HalweckMolecular pump1935W. GaedeGas-ballast pump1936Kcnneih Hickman Oil diffusion pump1937F.M. PenningCold cathode i

11、onization gauge1950RT. Bayard and D. Alpert Ultra-high vacuum gauge1953 HJ Schwartz, R.G. Hcrb Ion pumps表1：真空技术发展大事记2表2：一般真空的区分表 真空的要求来自你的应用要求，若是不想因周围真空的要求来自你的应用要求，若是不想因周围外在分子影响你的结果，真空环境变成你控制质外在分子影响你的结果，真空环境变成你控制质量的一个重要参数。量的一个重要参数。空气的成份与其分压成份压力种类Vol%ppm(Pa)N278.08479.117O220.94621.223CO20.03333.437A

12、r0.934946.357Ne18.181.842He5.240.51Kr1.140.116Xe0.0870.009H20.50.051CH420.203N2O0.50.051空气中氮气的比例占最大部分 未将水气的分压考虑进来，因为水气的压力会随着温度不同而有所变化。 ppm （体积浓度表示法一百万体积的空气中所含某种气体的体积数 气体之分压n空气中含有十二种以上之不同气体分子，每一种气体分子呈现出其特有之分压n水蒸气的分压随环境温度的变化而有所不同n在20C且湿度为50%时，水蒸气的分压为8.75Torr，在分压表的排列上属于第三大的分压，因此真空技术中，水蒸气的排除是首要考虑目标。气体种类

13、与压力之关系n当一腔体在属于low vacuum的范围时，其内部气体的组成与大气的气体组成大致相同。n当腔体在高真空时，其气体组成将会一直改变，直到最后的总压力中，水气的压力占总压力的70%-90%。n水蒸气来自材料的表面，倘若将材料加热企图赶走水气，则最后腔体内CO的含量将会随之增加。大气压力与纬度之关系n大气压力随着离地球表面愈远而下降，然而其气体总类的分配比例大致不变n在地球大气层的最外层仅剩下氢气与氦气大气压力与海平面高度之关系真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 粗真空 105 103（Pa） 76010（Torr） 气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间

14、特性的变化分子相互间碰撞频繁。 利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力真空的力学应用学应用 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。 低真空 10310-1（Pa） 气体分子间、分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小 利用气体分子密度降低可实现无氧无氧化加热化加热；利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和真空隔热和绝缘绝缘；利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空真空冷冻真空干冷冻真空干燥。燥。 1. 黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理 2

15、. 真空热轧、真空表面渗铬3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装 7. 高速空气动力学实验中的低压风洞 真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 高真空10-210-6（Pa） 分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁 气体分子密度小 利用气体分子密度小、任何物质与残余气体分子的化学作用微弱的特点进行真空真空冶金、真空冶金、真空镀膜及真空镀膜及真空器件生产器件生产 1. 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金； 2. 纯金属的真

16、空蒸馏精练；放射性同位素蒸发； 3. 难熔金属的真空烧结； 4. 半导体材料的真空提纯和晶体制备； 5. 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造； 6. 真空镀膜，离子注入膜一刻蚀等表面改性； 7. 电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造； 8. 电子束除气、电子束焊接，区域熔炼等超高真空超高真空 1010-6-61010-10-10（PaPa） 气体分子气体分子密度极低密度极低与器壁磋与器壁磋撞的次数撞的次数极少，致极少，致使表面形使表面形成单分子成单分子层的时间层的时间增长。增长。

17、 气态空间气态空间中只有固中只有固体本身的体本身的原子几乎原子几乎没有其他没有其他原子或分原子或分子的存在子的存在。 利用气体分利用气体分子密度极低子密度极低、表面碰撞、表面碰撞极少、表面极少、表面形成单一分形成单一分子层时间很子层时间很长的原理实长的原理实现表面物理现表面物理与表面化学与表面化学的研究的研究 1.1.可控热核聚变的研究；可控热核聚变的研究； 2.2.时间基准氢分子镜的制作时间基准氢分子镜的制作3.3.表面物理表面化学的研究表面物理表面化学的研究 4.4.宇宙空间环境的模拟；宇宙空间环境的模拟； 5.5.大型同步质子加速器的运大型同步质子加速器的运转转6.6.电磁悬浮式高精度陀

18、螺仪电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。的制作。真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 真空的形成与程度区分n真空的形成必须借由外力的方式将气体分子从一封闭的空间转移到该空间之外。n泵的运作是形成真空的首要机械，压力计的配合则是测量真空变化的利器。n不同的真空程度会呈现出不同的物理特性，常见的物理特性如nmolecular density, mean free path, time constant to form a monlayernMolecular density分子密度naverage number of molecular per unit volumenMean free path平均

19、自由程naverage distance that a molecular travels in a gas between two successive collisions with other molecules of that gasnTime to form a monolayer形成单分子层的时间nTime required for a freshly cleaved surface to be covered by a layer of the gas of one molecule thickness气体的特性n基于真空技术完全是针对如何将气体分子由一空间转移动到另一空间，因此对于气体的特性必须要有所了解，方能够有效的处理真空的相关技术。n一般气体我们视为理想气体，也就是说气体分子与气体分子之间无任何作用力。n在实际状况中，氢气，氮气，氧气或是惰性气体我们都可视为理想气体。气体特性n在一大气压下，一立方公尺体积之气体在室温22下含有2.5x1025个分子。n若将气体分子视为个别置放在含有等距的格子内，则气体分子与气体分子间的距离为3.4x10-9m，该距离为分子大小的6-15倍，因此气体分子可视为各自独立的个体，其运动保持直线运动，相互之间没有作用力。n气体分子之间的碰撞视为弹性碰撞。气体特性n气体分子经由碰撞后依旧采取直线运动，因此