仪器分析中的真空技术和原理

仪器分析中的真空技术和原理第1页，共51页，2023年，2月20日，星期三分析中为什么需要真空？1.Toobtainanatomicallycleansurfacethatwillremainfreeofcontaminatesforthedurationoftheexperiment.2.Gasscatteringinterfereswithelectronandionbasedinstrumentation.第2页，共51页，2023年，2月20日，星期三“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。与正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。通常所说的真空是一种“相对真空”。一、真空（Vacuum）第3页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空量度单位1标准大气压=760mmHg=760Torr1标准大气压=1.013x105Pa1Torr=133.3Pa第4页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空度可分为：粗真空：102Pa~105Pa 工业应用（包装）低真空：10-1Pa~102Pa CVD沉积技术高真空：10-1Pa~10-6Pa 溅射沉积技术超高真空：10-6Pa~10-10Pa 原子表面和界面分析极高真空：<10-10Pa10-9Pa月球大气压强10-15Pa星际空间压强压力范围第5页，共51页，2023年，2月20日，星期三不同状态下的气体性质1．粗真空（1×105～1×102Pa）在粗真空状态下，气态空间的特性和大气差异不大，气体分子数目多，并仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。通常，在此真空区域，使用真空技术的主要目的是为了获得压力差，而不要求改变空间的性质。电容器生产中所采用的真空浸渍工艺所需的真空度就在此区域。第6页，共51页，2023年，2月20日，星期三2．低真空（1×102～1×10-1Pa）

此时每立方厘米内的气体分子数为1016～1013个,气体分子密度与大气时有很大差别，气体的流动也逐渐从粘稠滞流状态过渡到分子状态，这时气体分子的动力学性质明显，气体的对流现象完全消失。在此真空区域，由于气体分子数减少，分子的平均自由程可以与容器尺寸相比拟，并且分子之间的碰撞次数减少，而分子与容器壁的碰撞次数大大增加。

气体状态与常压相比较，只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化，分子相互间碰撞频繁。第7页，共51页，2023年，2月20日，星期三3．高真空（1×10-1～1×10-6Pa）此时气体分子密度更加降低，容器中分子数很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空容器的线度，绝大多数的分子与器壁相碰撞。第8页，共51页，2023年，2月20日，星期三4．超高真空（＜1×10-6Pa）此时每立方厘米的气体分子数在1010个以下。分子间的碰撞极少，分子主要与容器壁相碰撞。超高真空的用途之一是得到纯净的气体，其二，是可获得纯净的固体表面。此时气体分子在固体表面上是以吸附停留为主。第9页，共51页，2023年，2月20日，星期三

在真空中，气体分子密度低，在某些情况下，真空可以近似地看作没有气体“污染”的空间。真空中，气体分子或带电粒子的平均自由程为：其中k为玻耳兹曼常数，

T为气体温度，

σ为分子直径，p为压强。平均自由程l稀薄气体的基本性质第10页，共51页，2023年，2月20日，星期三

例如室温下氮分子的平均自由程在压强为10-9Torr时将长于50km。电子和离子在气体中的平均自由程分别是气体分子平均自由程的5.66和1.41倍。因此除非在宇宙空间，几乎所有地面上体积有限的超高真空系统中，气体分子之间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。第11页，共51页，2023年，2月20日，星期三由于上述原因，真空中分子之间碰撞频率很低，分子与固体表面碰撞的频率极低。单位面积上气体分子碰撞频率ν与压强p

的关系为：式中M和T分别为气体分子的分子量（单位：g）和温度（单位：K）。碰撞频率第12页，共51页，2023年，2月20日，星期三在普通高真空，例如10-6Torr时，对于室温下的氮气，v=4.4×1014分子/cm2•s，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米单分子层可吸附5×1014个分子计算，一个“干净”的表面只要一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子;在超高真空10-10Torr或以上时，由同样的估计可知“干净”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。第13页，共51页，2023年，2月20日，星期三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究方面，还是在催化，腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。第14页，共51页，2023年，2月20日，星期三二、真空系统第15页，共51页，2023年，2月20日，星期三第16页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空系统组成总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：1．抽气设备：例如各种真空泵；2．真空阀门；3．连接管道；4．真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。第17页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空泵又有前级泵和次级泵：能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”，另—些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为“次级泵”。第18页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空系统的主要指标1）极限真空对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空(P＝0)，而是具有一定的压强，称为极限压强(或极限真空)，这是该系统所能达到的最低压强。2）抽气速率指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。第19页，共51页，2023年，2月20日，星期三

理论上，任何一个真空系统所能达到的真空度可由下列方程确定Pu:真空泵的极限压强(Pa)；S:泵的抽气速率(L／s)；Pi:被抽空间气体的分压强；V:真空室的体积；Q:真空室内的各种气源(Pa•L／s)；t:时间(s)。第20页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空泵简介第21页，共51页，2023年，2月20日，星期三旋转叶片真空泵(机械泵)单级旋片式机械泵的结构第22页，共51页，2023年，2月20日，星期三旋片式机械泵工作原理第23页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作原理：

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。工作参数：理论抽速：Sp=V/f:(V为转子与定子间的体积；f为转速）实际抽速：1-300L/s极限真空：单级为20×10-3Torr；

两级串联能低于1×10-3Torr第24页，共51页，2023年，2月20日，星期三特点与使用

单独使用或用作其它泵的前级泵，使用于粗和低真空系统。存在问题

存在油污染以及水蒸气冷凝的问题。在工作时，将一个小流量的惰性气体（气镇）注入到泵的腔体中，这些气体会限制泵的终极压力，从而消除水蒸汽冷凝的问题第25页，共51页，2023年，2月20日，星期三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

分子泵(turbopump)（2）俘获气体分子低温泵吸气泵

离子泵第26页，共51页，2023年，2月20日，星期三扩散泵水冷套喷油嘴导流管

泵壳

加热器第27页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作原理：

将扩散泵油加热至高温蒸发状态(200oC)，让油蒸汽呈多级状向下定向高速喷出时不断撞界击被抽的气体分子，并将动量传给气体分子，迫使其向排气口运动，在压缩作用下被排除泵体。同时泵体冷却的油蒸汽又会凝聚返回泵的底部。第28页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作参数：

实际抽速：1-104L/s(决定于泵体口径）

极限真空：10-4Pa特点与使用

与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(1Pa)；油污染；价格便宜。第29页，共51页，2023年，2月20日，星期三涡轮分子泵

TurboMolecularPumps第30页，共51页，2023年，2月20日，星期三涡轮分子泵工作原理：

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20000-30000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。第31页，共51页，2023年，2月20日，星期三

工作参数：

实际抽速：1000L/s(决定于泵体口径和转速）

极限真空：10-8Pa

特点与使用

与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(1Pa)；无油污染；价格昂贵。第32页，共51页，2023年，2月20日，星期三离子泵

IonPumps第33页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作原理：

依靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体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在泵体内沉积下来，实现超高真空的获得。第34页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作参数：实际抽速：决定于泵体口径和阴极高压极限真空：10-9Pa特点与使用

与旋片机械泵和分子泵配合使用，需要抽预真空(10-6Pa)；无油污染；超高真空洁净系统；价格昂贵。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期三钛升华泵

TitaniumSublimationPumps

钛升华泵内部的电热丝第36页，共51页，2023年，2月20日，星期三第37页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作原理：钛升华泵的工作过程是由控制器通电给升华器(或热丝)，使钛加热到足够高的温度(1100oC)直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上，形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中，与活性气体结合成稳定的化合物(固相的TiO或TiN)，结果将空间的气体分子抽除了，但是对惰性气体和甲烷几乎不吸附。此外，钛膜吸附气体只能是单分子层的，在已吸附气体分子的位置上不能再吸附气体，因此，钛升华器必须不断地升华，使泵体壁面上不断地沉积新的钛膜，才能达到连续抽气的目的。

第38页，共51页，2023年，2月20日，星期三工作参数：启动压力：1～10-2帕工作压力范围：10-2～10-8Pa特点与使用 结构简单、抽速大、无油污染、抗辐射和无振动噪声等特点,启动压力为1～10-2帕，工作压力范围为10-2～10-8帕,是获得无油超高真空的重要真空泵。钛升华泵在电子器件、高能加速器、可控热核反应装置和空间模拟装置，以及表面物理试验等方面都得到广泛的应用。第39页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空的测量真空测量的基础：

为了判断和检定真空系统所达到的真空度，必须对真空容器内的压强进行测量。但在真空技术中遇到的气体压强都很低，要直接测量其压力是极不容易的。因此，对真空容器内的压强进行测量都是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换后确定容器的压强。当压强改变时，这些与压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测量的基础。第40页，共51页，2023年，2月20日，星期三真空计的量程：

任何具体的物理特性，都是在某一压强范围内才最显著。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是该真空计的“量程”。目前，还没有一种真空计能够测量从大气到10-10Pa的整个领域的真空度。真空计按照不同的原理和结构可分成许多类型。下表列出几种真空计的主要特性。第41页，共51页，2023年，2月20日，星期三几种真空计的工作原理与测量范围名称工作原理测量范围（Pa）U形管压力计利用大气与真空压差105～10-2水银压缩真空计根据玻义耳定律103～10-4电阻真空地利用气体分子热传导104～10-2（10-3）热偶真空计热阴极电离真空计利用热电子电离残余气体10-1～10-6B-A型真空计10-1～10-10潘宁磁控电离计利用磁场中气体电离与压强有关的原理1～10-5气体放电管利用气体放电与压强有关的性质103～1第42页，共51页，2023年，2月20日，星期三由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能由于温度的不同而存在误差，而且当气体处于分子流状态，真空室与测试点的气压也有所不同。pc/pm=(Tc/Tm)1/2Tc,Tm分别为真空室和测试点的温度第43页，共51页，2023年，2月20日，星期三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

～10-3PaU型计测量范围：105

～10Pa第44页，共51页，2023年，2月20日，星期三热偶规或Pirani(皮拉尼)规热偶规工作原理：

热偶真空计是利用低压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。当压强较高时，气体传导的热量与压强无关，只有当压强降到低真空范围，才与压强成正比，通过热电偶