第2讲真空技术基础(4课时)

第二讲真空技术基础Fundamentalsofvacuumtechnology

要点

气体分子运动论的基本概念真空获得的手段真空度的测量1、气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论认为：气体的大量分子每时每刻都处于无规则的热运动之中，其平均速度取决于气体所具有的温度；同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程，这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体分子的运动速度υ服从麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布：（1-1）

式中，M为气体分子的相对原子质量，T为热力学温度，R为气体常数。上式表明：气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体热力学温度T的比值2.1气体分子运动论的基本概念根据式1-1，还可以求出气体分子的平均运动速度：

可见：温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大；不同种类气体分子的平均运动速度也只与T/M的平方根成正比。

在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。比如在T=300K时，空气分子的平均运动速度υa≈

460m/s。

同时由气体的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体分子的动能等于（3/2）RT，也只与其热力学温度有关。薄膜材料的制备过程是:

atombyatom

几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气相反应的过程。薄膜材料与真空技术

大气压:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg气体压力的单位与换算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级描述气体压强的单位很多，如下表：注：1托就是指在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力。本书采用我国国家标准规定采用的Pa（或MPa、Gpa）作为气体压力的基本单位。单位帕/Pa托/Torr毫巴/mba标准大气压1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1

气体的压力:

理想气体的状态方程气体分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布气体分子的自由程、碰撞频率:

分子运动学的基本概念2、气体的压力和气体分子的平均自由程（1）气体的压力气体分子与容器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。理想气体的压力p与气体分子的动能，或者说是与气体的热力学温度成正比，用理想气体状态方程式描述：

式中，n单位体积内的分子数；NA

为阿伏加德罗（Avogadro)常数；n/NA

即等于单位体积内气体分子的摩尔数。

真空：宇宙空间所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人为真空”。绝对真空：完全没有气体的空间状态。

一般意义上的“真空”并不是指“什么物质都不存在”。目前，即使用最先进的真空制备手段所能达到的最高真空度下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平常所说的真空均指“相对真空状态”。在真空技术中，常用“真空度”习惯用语和“压强”物理量表示真空程度，通常说成“某空间的真空度为多大的压强”。某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真空度低。（2）气体分子的平均自由程

分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该气体分子的平均自由程应该等于

因此，气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比。在常温常压的条件下，气体分子的平均自由程是极短的。例如，在此条件下，空气分子的有效截面直径d≈0.5nm,平均自由程λ≈50nm。由平均自由程还可以求出气体分子的平均碰撞频率=υa/λ。在常温常压的条件下，每个气体分子每秒钟内要经历1010

次碰撞。由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高，但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。

由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。H2和Al原子在不同温度下的速度分布典型值：在T=300K时，空气分子的平均运动速度:

va460m/s气体分子的自由程

空气分子的有效截面半径d0.5nm。在常温常压下，气体分子的平均自由程

50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰撞。在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均自由程

>50m，每个空气分子每秒钟内只经历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的碰撞。粘滞态气流的两种不同的流动状态根据Reynolds准数Re:

Re>2200紊流状态

Re<1200层流状态在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空

>102Pa中真空

10210-1Pa高真空

10-110-5Pa超高真空

<10-5Pa真空度的划分

为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一个主要指标是其抽速Sp，其定义为

(L/s)真空泵的抽速Sp与管路的流导有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用真空泵的抽速2.2真空获得的手段真空的获得真空设备

1.低真空的获得及设备（旋片式机械泵和罗茨泵）

水环式真空泵齿轮泵工作原理喷射泵工作原理真空泵的分类（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。输运式（排出式）机械式气流式捕获式（内消式）可逆式不可逆式旋片式真空泵旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式真空泵。其工作压强范围为101325-1.33×10-2Pa属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为1.33~1.33×10-2Pa，抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。旋片式机械泵通常由泵体、转子、定子、旋片、端盖、弹簧等结构构成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上（转子外圆与泵腔内表面相切，二者有很小的间隙），空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达带动的，定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。旋片式机械真空泵的抽速曲线

极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题旋片式机械真空泵的外形图双级旋片式真空泵双级油封机械真空泵，它是用于密封容器抽除气体获得真空的基本设备，适用于电子、制冷、电光源、化工、医院、瓶胆、包装、脱水、干燥等行业。（但不能用于抽除含氧过高的有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、对真空油起化学反应的以及有颗粒，尘埃的气体，也不能作为输送泵及压缩泵使用）。罗茨真空泵工作原理（2）罗茨（Roots）真空泵a、工作原理：两个8字形的转子以相反的方向旋转，两个转子始终保持相切合，咬合精度很高，切合处气体始终不能通过，只能从上、下两边被扫出真空系统。b、极限真空度：10-2Pa左右；

c、优点：结构简单、无油气回流，抽速很大。d、缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于

10-1Pa时，气体回流造成抽速降低。e、适用压力范围：10-1～1000Pa。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间V0内，再经过排气口排出。由于吸气后V0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但在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，则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。一般来说，罗茨泵具有以下特点：在较宽的压强范围内有较大的抽速；启动快，能立即工作；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸汽不敏感；转子不必润滑，泵腔内无油；振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；驱动功率小，机械摩擦损失小；结构紧凑，占地面积小；运转维护费用低。因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。罗茨泵的外形图

罗茨泵组成的真空机组的外形图

罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用，降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa水环式真空泵水环式真空泵叶片的叶轮偏心地装在圆柱形泵壳内。泵内注入一定量的水。叶轮旋转时，将水甩至泵壳形成一个水环，环的内表面与叶轮轮毂相切。由于泵壳与叶轮不同心，右半轮毂与水环间的进气空间4逐渐扩大，从而形成真空，使气体经进气管进入泵内进气空间。随后气体进入左半部，由于毂环之间容积被逐渐压缩而增高了压强，于是气体经排气空间及排气管被排至泵外。齿轮泵工作原理齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，如图，齿轮主动轮固定在主动轴上，轴的一端伸出壳外由原动机驱动，另一个齿轮从动轮装在另一个轴上，齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合（齿与齿啮合前），然后进入压油管排出。活塞泵齿轮泵，螺杆泵喷射泵工作原理将高压的工作流体，由压力管送入工作喷嘴，经喷嘴后压能变成高速动能，将喷嘴外围的液体（或气体）带走。此时因喷嘴出口形成高速使扩散室的后部吸入室造成真空。利用偏心轴的转动通过连杆装置带动活塞的运动，将轴的圆周转动转化为活塞的往复运动。活塞不断往复运动，泵的吸水与压水过程就连续不断地交替进行。2.高真空的获得及设备

油扩散泵和分子泵

目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（1.33~0.133Pa）。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.33×10-5Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升~几百升不等。油扩散泵的结构如示意图

油扩散泵的外形图

加油标准：内径300mm：1.6升内径200mm：0.7升内径150mm：0.5升油扩散泵a、工作原理：将油加热至高温蒸发状态（约2000C），让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击气体分子，并将部分动量传递给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下排出泵体。同时，被泵体冷却后的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。b、极限真空度：10-6Pa；c、优点：极限真空度高，抽速很大，根据口径大小，抽速可以从每秒几升至每秒上万升不等。d、缺点：油蒸气回流，污染。e、工作状态：分子流状态的真空状态不能与大气直接相连，使用油扩散泵之前，需要采用各种形式的机械泵将系统预抽至1Pa左右。f、适用压力范围：1～10-6Pa泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。涡轮分子泵的外形图

分子泵涡轮分子泵a、工作原理：涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，在它以20000～30000r/min的高速旋转时，叶片将动量传给气体分子，同时，涡轮分子泵中装有很多级叶片，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而被进一步压缩至更下一级。像油扩散泵一样，也是靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动的原理来工作的。b、极限真空度：10-8Pa；c、优点：极限真空度高，压缩比高，油蒸气的回流可以忽略，抽速可达1000L/s。d、缺点：价格较高。e、工作状态：在使用中多用旋片式机械泵作为其前级泵。f、适用压力范围：1～10-8Pa分子真空泵它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为：

1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。2)涡轮分子泵靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。

3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。涡轮分子泵的抽速曲线

涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力范围在110-8Pa之间

低温吸附泵a、工作原理：依靠气体分子会在低温下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对气体分子的去除，进而获得高真空。b、极限真空度：10-1

～10-8Pa，取决于所采用的低温温度、吸附物质的表面积、被吸附气体的种类等因素；c、优点：极限真空度高，可获得无油高真空；除H2、He、Ne外，对各种气体抽速均很大。d、缺点：运转成本较高。e、工作状态：既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为惟一的高真空泵使用，又可以与其他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用，预真空度应达到10-1

以下，以减少吸附泵的负荷并避免在泵体内积聚过厚的气体冷凝产物。溅射离子泵a、工作原理：高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内造成无油的高真空环境。b、极限真空度：与其他泵种串联使用，可达10-8Pa。抽速取决于所抽气体的活性等因素。c、优点：极限真空度高，可获得无油高真空。d、缺点：寿命有限。2.3真空度的测量（热电偶）①热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空，可测范围为13.33~0.1333Pa。其中有一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率