Vacuum_Basics真空基础知识

1、真空基础真空基础1真空基础真空基础什么是理想气体？什么是理想气体？ 什么是真空什么是真空? ? 流量流量/ /气载气载 真空泵的抽速真空泵的抽速 流导流导粗粗/ /中真空的抽空时间中真空的抽空时间 高真空抽空时间高真空抽空时间 2什么是什么是 “气体气体”? ?气体气体是物质的一种状态。在气体状态下分子的之间的距离远大于分子的直径。气体粒子在容器里面的分布随时改变。 气体没有一定的形状或者体积，气体可以无限的膨胀并充满任何形状和体积的容器。 气体是可以被压缩的而且可以表现出粘度（粘滞系数，气体摩擦）。3等离子体等离子体（整体呈中性）（整体呈中性）SolidliquidgasplasmaLow

2、energyhigh energye+eee-+e+-e原子正离子负离子电子45温度温度 （能量）（能量）FreezeBoilSolidSolidLiquidLiquid什么是什么是 “理想气体理想气体” ? ?理想气体是一个理论模型。 “理想气体理想气体” 是符合下述假说的理论模型: 1. 气体粒子之间没有作用力，除碰撞外气体粒子的运动完全独立，不受其他气体粒子的影响。2.气体粒子的体积远小于容器的体积，考虑分子运动的时候可以把它看做几何点。气体粒子之间和气体粒子与器壁的碰撞是完全弹性碰撞。3.气体分子对器壁的碰撞形成压强。P PT TP PT TP PT TP PT T压强由如下因素决定1

3、，粒子数密度2，温度（能量）6压强压强单位面积器壁上所受到的压力称为压强。 (DIN 28 400): 压强压强(p) = (p) = 压力压力 (F(FN N) /) /单位面积单位面积(A) (A) p = Fp = FN N / A / A压强的标准单位是 帕斯卡帕斯卡 (英文符号: Pa Pa) 和 巴巴 (英文符号: bar bar). 工程上常用的单位是毫巴(英文符号: mbar mbar). 1 Pa = 1 N/m1 Pa = 1 N/m 1 bar = 1000 mbar = 10 1 bar = 1000 mbar = 105 5 Pa = 10 Pa = 105 5 N/

4、m N/m 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa 压力的单位:1 N(牛顿) = 1 kgm/s2 面积单位:1 m2, 1 cm2 (1 m2 = 10,000 cm2 = 104 cm2) 7气体量定义气体量定义 (1)(1)低压条件下所有气体都可以被看做 “ “理想气体理想气体”。理想气体状态方程(1)(1)p p V = N V = N k kB B T T p p =气体压强 mbarV V =气体体积 l N N = 气体分子数 V T T =绝对温度 K T K = 273.15 + T K = 273.15 + CC k

5、 kB B = 玻尔兹曼常数 = 13.807 10-23 mbar l K-1 符合理想气体状态方程的气体，可以看做是理想气体，8气体量的定义气体量的定义 (2)(2)在给定温度下， pV 的乘积和气体分子数 N 成正比。 在真空工程中一般假设气体的温度定值所以气体量可以简单的由“压强(p)” 和 “体积 (v)”表示。注意: 在真空工程中 气体量气体量 不是由气体分子总量N表示, 而是由 pVpV值值表示。气体量的标准单位是 毫巴升(英文符号: mbar mbar l l).9举例举例(1)(1)1.标准大气压条件下(pn = 1013.25 mbar)(pn = 1013.25 mbar

6、) 1 cm 容积的气体量气体量是多少？pVpV值值 = p = p V V = 1013.25 mbar 1 cm = 1013.25 10-3 mbarl 1 mbarl 2， 气体的分子数总量 N 又是多少呢（ 20 C 条件下）？ 3， N N = (p = (p V) / (k V) / (kB B T) T) = (1013.25 10-3 mbarl) / (13.807 10-23 mbarlK-1 273.15 + 20.00 K) = (1013.25 / 293.15) (100 / 13.807) 1018 25 1018 从如上计算可以看出在标准大气压的十亿分之一的条

7、件下p = (1013.25 / 109) mbar 1 10-6 mbar 1立方厘米的体积内还有250亿个气体分子10气体量气体量 (3)(3)理想气体状体方程理想气体状体方程 1.2 (1) 也可以写为: (2)(2)p p V = V = n n R R T Tp p = 气体压强 mbarV V = 气体体积 l n n = 克分子数 molT T = 气体的绝对温度 K T K = 273.15 + T K = 273.15 + CC R R = 气体常数 = 83.145 mbar l mol-1 K-1 n n = N/N= N/NA A = m/M = m/M N N= 气体

8、分子总数（体积V中） N NA A= 阿伏加德罗常数 = 6.022 1023 mol-1 1 摩尔气体所含的气体分子总数mm= = 气体总质量 （体积V中） g MM= 气体的摩尔质量 g mol-1 11举例举例 (2)(2)1.标准条件下1摩尔理想气体的体积是多少？Standard pressure: pn = 1013.25 mbar, standard temperature: Tn = 273,15 K V V= = V VM, n M, n = = 1 mol 1 mol R R (T (Tn n / p / pn n) ) = (1 mol 83.145 mbarlmol-1K

9、-1) (273.15 K / 1013.25 mbar) = 83.145 (273.15 / 1013.25) l = 22.414 l1 摩尔理想气体在标准条件下的体积是 VM, n = 22.414 l. 这个体积VM, n 又被称为“理想气体的摩尔体积理想气体的摩尔体积”。 2， 标准条件下1 cm 气体的重量是多少？ 空气的摩尔质量 M = 29 gmol-1. mm= (p= (pn n V) / (R V) / (R T Tn n) ) M = (V / M = (V / V VM, nM, n) ) 1 mol 1 mol M M = (1 10-3 / 22.414) 29

10、 g 1.29 10-3 g 12分压强分压强 全压强全压强对于混合气体, 全压强全压强 (混合气表现出了的压强) 可以由混合气体中每种气体的 分分压强压强(混合气体中单一气体表现出的压强)和表示。p ptotaltotal = p = = p = S Si i p pi i = ( = (S Si i n ni i) ) (R (R T) / V = T) / V = n n R R T / V T / V ( (道尔顿定律道尔顿定律) )p = p = S Si i p pi i 混合气体全压强 mbar p pi i气体i的分压强mbar V V混合气体体积 l n n = = S Si

11、 i n ni i = = S Si i (m (mi i/ M/ Mi i) = m / M ) = m / M 混合气体的总摩尔数 mol m = m = S Si i m mi i 混合气体的质量 g M = m / M = m / n n混合气体的摩尔质量混合气体的摩尔质量 g mol-1 T T绝对温度 K R R气体常数 = 83.145 mbar l mol-1 K-113分压强分压强 全压强全压强1415蒸汽蒸汽LIQUID LIQUID EvaporationEvaporationVAPORVAPORCondensationCondensationSOLIDSOLIDSubl

12、imationSublimationVAPORVAPORDepositionDeposition16T (T (O O C)C)10010025250 0-40-40-78.5-78.5-196-196P (torr)P (torr)76076024244.84.80.10.15 x 10 5 x 10 -4-410 10 -24-24(boiling)(boiling)(freezing)(freezing)(dry ice)(dry ice)(liquid nitrogen)(liquid nitrogen)水的饱和蒸汽压水的饱和蒸汽压17气体的饱和蒸汽压气体的饱和蒸汽压HeHeH H2

13、2NeNeN N2 2O O2 2NONONONO2 2H H2 2O O-270-270-260-260-250-250-200-200-100-100100100(BOILING POINT)(BOILING POINT)TEMPERATURE (TEMPERATURE (O OC)C)VAPOR PRESSURE (TORR)VAPOR PRESSURE (TORR)TEMPERATURE (K)TEMPERATURE (K)1 12 23 34 4 5 5101020203030 404050501001002002004004001010-11-11-272-2721010-9-91

14、010-7-71010-5-51010-3-31010-1-1101010103 318固体的饱和蒸汽压固体的饱和蒸汽压ABSOLUTE TEMPERATURE (K)ABSOLUTE TEMPERATURE (K)VAPOR PRESSURE (TORR)VAPOR PRESSURE (TORR)20020040040060060080080015001500200020003000300040004000100010006000600010 10 -1-110 10 -3-310 10 -5-510 10 -7-710 10 -9-9101010 10 +3+310 10 -11-11符号

15、定义符号定义p p =压强 mbarV V =体积 l N N =总分子数（体积 V内） n n =N/V =气体的分子数密度 1/lT T =绝对温度 K T K = 273.15 + T K = 273.15 + CC N NA A = 阿伏加德罗常数 = 6.022 1023 mol-1 m m =气体的分子质量 g m m = m mN = 气体总质量 （体积 V内） g M M = m mNA = 气体的摩尔质量 g mol-1 k kB B = 分子气体常数 = 13.807 10-23 mbar l K-1 R R =kBNA = 气体常数 = 83.145 mbar l mol

16、-1 K-1 19分子热运动速度分子热运动速度分子热运动平均速度分子热运动平均速度 c cavav : 8 R 8 R T T T T K p p M M MM gmol-1 例如: cav(N2, 20C) = 471 m/s(T = 293.2 K, M = 28.0 gmol-1)分子热运动速度的平方分子热运动速度的平方 (c(c) )avav : R R T T T T K M M MM gmol-1 (1)(1) c cavav = (- -) = (- -)1/21/2 = 145.5 (-) = 145.5 (-)1/2 1/2 m/sm/s(2)(2) ( (c c) )ava

17、v = 3 - = 24944 - = 3 - = 24944 - (m/s)(m/s)20压强压强 分子热运动速度分子热运动速度理想气体的压强与分子热运动平均速度的平方 (c)av成正比: r r = = m mn n = 气体的分子数密度(1)(1) p = (1/3) p = (1/3) r r ( (c c) )avav = (1/3) = (1/3) m m n n ( (c c) )avav21 平均自由程平均自由程 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 l l 是一个气体分子与其他其他分子每连续两次碰撞所走过的路程的平均值 1 1 k kB B T T 2 21/21/2 n

18、 n p p d d 2 21/21/2 p p d d p p d d = 气体分子的直径当当T T（温度）一定时，（温度）一定时， 任一气体的l l p p 的乘积是常数的乘积是常数! ! 例如:l lp(N2, 20C) = 6.5 10-5 mmbar 在 p = 1.0 10-2 时: l l(N2, 1.0 10-2 mbar, 20C) = 6.5 mm (1)(1)l l = - = - - = - = - -22气体的粘滞系数气体的粘滞系数理想气体的粘滞系数粘滞系数 h h 在高压强范围 l l 0.01 0.01 a a (a = 腔体的长度), 与压强无关与 (M T)1

19、/2成正比。 1 4 1 4 l lp p 2 2 p p c cav av 例如: h hv v(N2, 20C) 17.5 10-8 mbars(T = 293.2 K, M = 28.0 gmol-1)(1)(1) h hv v = - n = - nm ml lc cavav = - - = - - (M (M T) T)1/2 1/2 23气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞频率 是指一个气体分子每秒钟与气体分子碰撞的次数。 例如: Z(N2, 1.0 10-3 mbar, 20C) = (471 m/s)/(65 mm) 7246 s-1 (T =

20、293.2 K, M = 28.0 gmol-1) (1)(1) Z = c Z = cav av / / l l = (4/ = (4/p p) ) (p/ (p/h hv v) )24气体分子与器壁的碰撞气体分子与器壁的碰撞气体分子与器壁的碰撞频率气体分子与器壁的碰撞频率指每秒钟内1平方厘米的器壁受到气体分子碰撞的次数: 1 p 1 p mbar 4 4 (M(M gmol-1 T T K) )1/21/2 例如: Z*(N2, 1.0 10-3 mbar, 20C) = 2.9 1017 (scm)-1 (T = 293.2 K, M = 28.0 gmol-1) (1) Z(1) Z*

21、 * = - n = - n c cavav = 2.635 = 2.635 10 102222 - (s - (scmcm) )-1-125什么是什么是 “真空真空”?真空是气体的一种状态，指容器内的气体压强低于真空是气体的一种状态，指容器内的气体压强低于 300 mbar的状态的状态, 300mbar是是地球表面可以观测到的最低的大气压地球表面可以观测到的最低的大气压 (DIN 28 400). 真空的区域化分真空的区域化分: 压强压强粗真空:300 到1mbar 中真空: 1到 1 10-3mbar 高真空:1 10-3 到 1 10-7mbar 超高真空:小于 1 10-7mbar26

22、 粗真空粗真空中真空中真空高真空高真空超高真空超高真空10-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101001000mbar or hPa海平面大气压海平面大气压电视显像管电视显像管宇航员，宇宙飞船宇航员，宇宙飞船Incandescent lampsIncandescent lamps真空包装真空包装高山顶大气压高山顶大气压科研领域科研领域星际空间星际空间宇宙模拟宇宙模拟真空的区域和真空的应用真空的区域和真空的应用2728真空系统的关键参数：n抽速（有效抽速）抽速（有效抽速）n流量流量n极限真空极限真空真空泵抽速的

23、定义真空泵抽速的定义在给定压力在给定压力p p下真空泵抽速的定义下真空泵抽速的定义: 真空学通常使用升每秒升每秒或者立方米每小时立方米每小时来定义抽速： (l/s l/s 或 mm/h/h). 通常真空泵的抽速是指在泵口的抽速，在粗/中真空区域用立方米每小时表示，而高真空区域用升每秒表示: 其他表示方式： 抽速抽速(S) (S) = = 体积流率体积流率 (q (qV V) ) 流量流量 Q Q Q Q S(p) S(p) = = = = 压强压强 p p p p29流量（气载）流量（气载）流量由流量由 Q Q表示指单位时间表示指单位时间 t t内通过某一截面的气体量内通过某一截面的气体量 :

24、 流量流量 = =单位时间内通过某一截面的气体量单位时间内通过某一截面的气体量 Q = Q = (p (p V) / V) / t t 真空工程中通常使用毫巴升每秒毫巴升每秒做流量的单位 (mbarmbarl/sl/s). 其他常用表示单位: 1 Slpm= 1 标准升每分钟 = (1013 mbar 1 l) / 60 s = 16.9 mbarl/s 1 sccm= 1 标准立方厘米每分钟 = (1013 mbar 1 cm) / 60 s = 0.0169 mbarl/s30真空泵的极限真空度真空泵的极限真空度真空泵的极限真空度真空泵的极限真空度 是指 一台真空泵可以获得的最低真空度当我

25、们讲到 “ “一台真空泵一台真空泵工作工作在极限的时候在极限的时候” ”, , 是指实际的流量等于零的状态是指实际的流量等于零的状态 Q = 0 Q = 0 也就是说真空泵在它的极限真真空的有效抽速为零也就是说真空泵在它的极限真真空的有效抽速为零 S(ultimate pressure) = 0 ! S(ultimate pressure) = 0 ! 对于粗/中真空泵在给定压力下的抽速可以表示为：S(p) = SS(p) = Smaxmax (1 (1 p pult, Pult, P / p ) / p ) p pult, Pult, P= 真空泵的极限真空度p p = 真空泵的进气压力S

26、Smaxmax= 真空泵的最大抽速 31气体的流态气体的流态粘滞流粘滞流 在粗真空条件下当气体的平均自由程远小于管路直径的时候气体分子之间的碰在粗真空条件下当气体的平均自由程远小于管路直径的时候气体分子之间的碰撞占主导地位，气体的流量与压力梯度成正比撞占主导地位，气体的流量与压力梯度成正比（或者说气体从高压端流向低压端流动）。（或者说气体从高压端流向低压端流动）。风就是典型的粘滞流。风就是典型的粘滞流。分子流分子流在高中真空条件下当气体的平均自由程大于管路直径的时候气体分子之间的碰在高中真空条件下当气体的平均自由程大于管路直径的时候气体分子之间的碰撞几率很小而其他分子与管壁的碰撞占主导地位，单

27、一的气体分子的流向与压撞几率很小而其他分子与管壁的碰撞占主导地位，单一的气体分子的流向与压强无关。强无关。32不同流态下的气体不同流态下的气体 摘自：Marsbed H. Hablanian High-Vacuum TechnologyHigh-Vacuum Technology A Practical Guide Marcel Dekker, Inc., 199733分子流和粘滞流分子流和粘滞流 摘自：Marsbed H. Hablanian High-Vacuum TechnologyHigh-Vacuum Technology A Practical Guide Marcel Dekke

28、r, Inc., 1997气体分子运动方向向遵循压力梯度 气体分子运动方向与压力无关 真空泵真空泵 H H200 torr200 torr真空泵真空泵 L L1x101x10-4 -4 torrtorr34流量连续方程流量连续方程, , 流导公式流导公式 35流量连续方程流量连续方程在稳定的流动状态下，单位时间内流过真空系统任一截面的气体量相等: 如上页图所示： p pA A * * S SA A = Q = QA A = Q = QB B = p = pB B * * S SB B p pA A= A 点的压强mbar S SA A= A 点的抽速l/s Q QA A= A 点的流量mbar

29、l/s p pB B= B点的压强mbar S SB B= B点的抽速l/s Q QB B= B点的流量mbarl/s 单位时间内由流过单位时间内由流过B B点进入管路的气体也会在相同的时间内从点进入管路的气体也会在相同的时间内从 A A点流出点流出! !36流导：流导：流导流导是指真空元件（管道，孔，挡板，阀门等) 下传输气体的能力。不考虑真空系统内部的温度差异的条件下（对某种气体的流导）， C C= 流导 l/s Q Q= 流量 mbarl/s p p = 压差 mbar流导通常不是常数，流导的大小与气流在该处的压强相关。流导通常不是常数，流导的大小与气流在该处的压强相关。 Q QC =

30、= C = = p p37分子流分子流 = = 低压流态低压流态圆管分子流的判别圆管分子流的判别: p p D D 10 1 1 D D= = 管径 cm p p= = 管内压强 mbar 圆长管粘滞流的流导公式圆长管粘滞流的流导公式: : C Ctubetubelaminarlaminar= (p/128) = (p/128) * * (1/ (1/h hv v) ) * * (D (D4 4/L) /L) * * p pavav h hv v= = 气体粘滞系数 D D= = 管径 L L= = 管长 p pavav = = 管内平均压强 = 0.5 * (pA + pB) 41粘滞流粘滞

31、流 (2) (2) 20C空气的 h hv v = (4/ = (4/p p) ) * * (l (l* *p p)/c)/cavav = 18.2 * 10-8 mbar*s (l*p = 6.6 * 10-5 m*mbar, ） cav = 分子热运动的平均速度 = 463 m/s). 圆长管的流导: : C Ctubetubelaminarlaminar= 135 = 135 * * (D (D4 4/L) /L) * * p pavav l/s l/s D 和L 使用 “cm”做单位, pav 使用 “mbar”做单位!42分子流与粘滞流的流导关系分子流与粘滞流的流导关系流导是和压强相

32、关的，在分子流的时候流导最小，随着压强升高，流态变为粘流导是和压强相关的，在分子流的时候流导最小，随着压强升高，流态变为粘滞流，管路流导会大幅增加。滞流，管路流导会大幅增加。43高真空和粗真空的流导高真空和粗真空的流导 圆长管的流导与压强关系曲线圆长管的流导与压强关系曲线 1101001.0E-031.0E-021.0E-011.0E+001.0E+01D * pav cm * mbar C / Cmolecular C/Cmolecular=1.0+11.2*D*pavExperiment分子流高真空 粘滞流粗真空过渡流中真空、4445C C1 1C C2 2R RT T = R = R1

33、1 + R + R2 2C CT T = = C C1 1 x Cx C2 2C C1 1 + C + C2 21 = 1 + 11 = 1 + 1C C1 1C C2 2C CT T1 = C1 = C1 1 + C + C2 2C C1 1 x Cx C2 2C CT TSystemSystemS SPumpPumpC CT T串联流导计算串联流导计算46Pipe (CPipe (C1 1): ):200 liters/sec200 liters/secBaffle (CBaffle (C2 2): ):100 liters/sec100 liters/secC CT T = 200 x

34、100 (liters/sec) = 200 x 100 (liters/sec)200 + 100200 + 100C CT T = 67 (liters/sec) = 67 (liters/sec)示例示例47并联的流导并联的流导 CT =C1 + C2 C C1 1S S1 1ORORC C1 1C C2 2S S2 2C C2 248有效抽速有效抽速C C示例示例: :C = 67 liters/secondC = 67 liters/secondS = 300 liters/secondS = 300 liters/second67 + 30067 + 30067 67 x 300

35、x 300S SNetNet = =S SNetNet = = 55 liters/second55 liters/secondC C x Sx SC + SC + SS SNetNet = =SystemSystemPumpPumpS SS SNetNet49更大的泵还是更好的流导？更大的泵还是更好的流导？Pump Speed:Pump Speed:400 liters/sec400 liters/sec800 liters/sec800 liters/secOpening:Opening: 1 in1 in2 2 (75 liters/sec)(75 liters/sec)S SNetNe

36、t = 63 l/s = 63 l/sS SNetNet = 69 l/s = 69 l/s50如何增大流导如何增大流导Viscous FlowViscous FlowMolecular FlowMolecular Flow 流导与长度反比流导与长度反比Double Diameter:Double Diameter:Conductance Increase 16 timesDouble Diameter:Double Diameter:Conductance Increases 8 Times粗真空与中真空的抽空时间粗真空与中真空的抽空时间 d(p d(pV Vchch)/dt = V)/dt = Vchch dp/dt = dp/dt = p p S(p) + Q S(p) + Qextext p(t = 0) = pp(t = 0) = p0 0 t t = V = Vchch/S/Smaxmax 特征时间 h V Vchch腔体体积 m S Smaxmax 前级泵最大抽速 m/h 考虑: S(p) = SS(p) = Smaxmax(1 (1 p pult, Pult, P/