培训系列之2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。运用物理与技术所讨论的真空:低于一个规范大气压的气体形状规范大气压－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)真空开展史最早的真空获得和运用的实例——可追溯到公元前6世纪，那时我国炼铁技术已相当提高，为了融化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初运用的叫“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。与如今的往复式活塞真空泵的作用原理根本一样。.典型的真空运用的例子：中医的拔火罐。利用了空气的热胀冷缩、蒸气冷凝等物理景象来构成罐内真空。真空技术开场的标志——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〔为了证明大气压的宏大力量〕真空技术最初的实际根底——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分散泵、1916年贝克利发明了热阴极电离计。真空技术迅速从低真空开展到高真空。1936年希克曼发明了分馏式油分散泵、1937年潘宁发明了冷阴极电离计，使高真空技术在获得和丈量两个方面根本完善。.1940年以后真空技术在原子能方面得到广泛运用，并在真空冶金、真空镀膜、真空冷冻枯燥等方面得到扩展。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，为丈量高真空发明了条件。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同得到迅速开展。高能加速器、等离子体核聚变安装、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、电子资料与加工工艺、外表科学、运用外表科学、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外表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呵斥真空在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、平均自在程和单分子层构成时间来描画。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(运用)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非常频繁，很难实现带电粒子的定向运动，气体流动属粘滞流态。运用：得到压力差—1公斤/平方厘米〔并不要求空间性质有所改动〕力学作用－真空吸引和保送〔无网捕捞、吸鱼机、搬运〕、真空成型、真空侵渍、拔火罐〔来源于东晋公元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、浇铸和热处置〕—金属资料内气泡、疏松减少，机械强度和性能大大加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逝——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、真空冷冻枯燥蔬菜、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、真空器件的消费分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少，平均自在程很大，根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。化学反响接近于零活泼金属一定要在此形状下冶炼Ti、Be、Zr、U、Ge、Mo、W良好的电、热绝缘性能资料的沸点、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〔〕气体分子是以固体外表的吸附为主；单分子层构成时间等于或大于在实验室丈量所用时间——制备“清洁〞外表；太空模拟室、可控热核聚变的研讨、外表物理外表化学的研讨5〕极高真空〔〕总结：真空区域的划分原那么——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：获得清洁外表极高真空：宇航、物理研讨.真空区域的划分原那么——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：分散泵、分子泵超高真空：离子泵、升华泵真空区域的划分原那么——真空丈量技术低真空：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：Ｂ－Ａ规极高真空：调制规、弯注规.真空区域的划分原那么——真空运用技术真空运用设备中〔用户本人定义，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真空技术的运用领域真空在输运、吸引、起吊及真空外型等设备中的运用真空输运、吸引、起吊设备具有构造简单，易于操作、维护、运输，起吊吸引过程中无振动，消费效率高，运送易损坏物件平安可靠，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外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运用化工、制糖、水泥等工业部门已开场大量采用延续真空过滤，很容易将黏度大的悬浮液利用压力差的作用，经过微细筛孔将悬浮液中的液体与固体分别真空浸渍是先对片状或纤维状的疏松物质进展抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺前往.真空在电真空器件中的运用——由于各种真空器件的任务原理是基于电场磁场来控制电子在空间的运动借以到达放大、振荡、显示图象等目的。因此，防止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，保证电子器件正常任务。电真空工业中利用真空中电子束来进展除气、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运用真空熔炼、真空脱气及炉外精炼、真空热处置、真空烧结、真空蒸馏浓缩和结晶真空在镀膜工业中的运用真空镀膜广泛的运用在光学、电子学、理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、外表科学中。真空镀膜所采用的方法主要有：蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流堆积镀、化学气相堆积法等增透膜、高反射膜、导电膜、绝缘膜、维护膜.真空在食品包装及冷冻枯燥工业中的运用生物体保管、贵重或热敏性药物消费、食品制造与保管等真空在航天工业中的运用〔模拟实验〕火箭发动机、航天员训练密封舱、离子推力器、资料及元件、卫星外表带电模拟真空在加速器及受控核聚变中的运用加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能量的安装，加速器产生的粒子和射线曾经用于核物理研讨和医疗、工业、农业食品等部门。真空在外表科学研讨中的运用当真空度到达的超高真空时，在固体外表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展外表研讨和测试，是完全能够的。...1.4真空物理与真空工程分子运动论〔２〕气体的流动实际〔４〕真空中的热力学问题〔３〕外表景象〔３〕溶解、分散和浸透〔５〕外表电子发射〔７〕气体放电〔８〕带电粒子在各类型电磁场中的运动〔９〕电子光学根底〔１０〕公式总结习题..第二章气体在平衡形状下的物理特性平衡态非平衡态规范形状2.1根本定律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理想气体形状方程.所以.引申出1)阿弗加德罗定律2)道尔顿分压定律3).熟练掌握前往.2.2气体的压强公式气体分子的动能1)分子的自在度2)能量按自在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，某一特定时辰单个分子速度的数值和方向，完全具有偶尔性。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照一定的统计规律。为了研讨气体分子按速率分布情况，研讨它的定量规律，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:假设把整个速率范围分成许多相等的小区间,那么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,分布曲线的外形随温度而变;在同一温度下,分布曲线的外形因气体的不同而不同.

对于空气大约为500m/s前往.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间隔时用平均速率,计算分子的平均平动动能时用方均根速率.前往.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、分散景象的性质都和分子之间的碰撞有关。碰撞：本质上是分子在另一分子附近经过时受另一分子给予的斥力而使运动方向急剧改动的过程。研讨单位时间内气体分子碰撞次数时作以下假设：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形状)单位时间内的平均碰撞次数单位体积内的碰撞次数.2.5气体分子的自在程及其分布率自在程：在气体中，一个分子延续两次碰撞之间的路程平均自在程：分子在延续两次碰撞之间所经过的自在程平均值1〕同类分子的平均自在程对于一定的气体，当T一定时，那么前往.2〕离子、电子的自在程可以为离子的直径与分子直径一样；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，于是离子的平均自在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〕自在程长的分布率自在程大于x的几率表示个分子中自在程大于X的分子数1/101/51/41/31/21234510Nx/N00.9050.8190.7790.7160.6070.3680.1350.050.010.0070.0005.上述公式对于电子、离子同样适用运用：真空镀膜越小越好，但x不能太小〔思索安装空间〕，只需增大，这就需求减小压强，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，故的值普通很大。对研讨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，不能经过等温紧缩发生液化称为永久气体。而在临界温度以下的气体，靠单纯紧缩气体添加压力即能使其液化，便是蒸汽。分类：金属蒸汽、非金属蒸汽；形状：饱和蒸汽、非饱和蒸汽。当处于真空形状时，不论是实践气体还是处于非饱和形状下的蒸汽，均可以为服从理想气体形状方程。处于饱和形状下的蒸汽，不服从理想气体定律，由于在温度不变时，紧缩体积时，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，假设有蒸汽源存在，并且系统各部分有不同的温度，那么饱和蒸汽压决议于最低温度。真空系统中的任何液面都是一种蒸汽源，只需留有任何一种液体，系统可到达的最高真空度就是这种液表达有温度下的蒸汽压。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。如真空系统中蒸汽遭到紧缩时，压强只能添加到饱和蒸汽压，进一步紧缩会使蒸汽凝结。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，经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外表上〔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紧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紧缩式真空计〔麦氏计〕的准确运用。

.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。在紧缩和排气过程中，当可凝性气体的分压超越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，并在前往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，即在紧缩过程中将经过控制的永久性气体〔通常为室温枯燥空气〕由气镇孔掺入被紧缩气体中，使可凝性蒸汽的分压到达饱和蒸汽压之前，紧缩气体的压力曾经到达排气压力，排气阀翻开，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安装。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求吸收热量——汽化热要使液体汽化〔固体升华〕，需求提供足够的热量〔真空冷冻枯燥〕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景象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μmHg,A、B查表，C通常忽略不计。.2.7.3蒸发率和凝结率在接近某种物质外表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〕外表温度，使分子热运动加剧可加速这一过程。〔加热去气〕假设将某种液体敞开放着，蒸汽分子很快就从液体中分散出去，而产生所谓的“非饱和蒸汽〞。假设将液体置于一封锁的空间，那么蒸汽压会到达一最大值，此时蒸汽处于饱和形状而其相应的压强称为饱和蒸汽压。这时，从物质外表逸出的蒸汽分子与前往外表的分子数之间构成动态平衡。.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，表现饱和形状。饱和形状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形状下的凝结率可经过分子入射率来计算.当固态金属外表很干净时，α〔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，另一部分撞击后前往到空间构成金属蒸汽，凝结的部分占总数的百分比〕＝１由于蒸发率只与金属外表形状和温度有关，所以无论饱和与否，都用上述公式，由于物质具有这种特性。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构成薄膜。而蒸汽的量和金属的温度有关。温度升高蒸发率增大，在温度较高的饱和形状下，饱和蒸汽压必然很大。只需这样才干构成较大的凝结率与增大了的蒸发率相平衡，从而到达饱和形状。.2.8分子从外表的反射〔余弦定律、克努曾定律〕入射反射多少？反射方向：余弦定律研讨的内容克努曾在低压气体流动和分子束反射的研讨中，都证明了余弦定律成立：碰撞于固体外表的分子，它们飞离外表的方向与原飞来方向无关，按与外表法线方向所成角度θ的余弦分布。一个分子，分开外表时位于立体角中的几率为.“吸附层〞假说：凡是碰撞于外表的分子，都被外表所暂时吸附，在外表停留一些时间后重新“蒸发〞。余弦定律的意义：提示了固体外表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外表停留一段时间，气体分子可以与固体进展能量交换、动量交换的先决条件。例如气体对外表的散热作用、用高温外表加热气体、用高速运动的外表来拖动分子、气体被固体外表吸附等。由于分子每碰撞于外表都要停留一段时间，这就呵斥高真空下气体或蒸汽经过管道需求较长时间。..在分子尺度上是光滑的外表，可以出现镜面反射景象，这时反射角等于入射角——即飞离方向完全取决于飞来方向。普通常见资料，即使被精细研磨过，离分子光滑的程度依然很远，只需晶体的解理面才称得上是分子光滑的外表。故在通常情况，余弦定律都可以以为是成立的。..第三章气体内的迁移景象气体内的迁移景象：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动，最后，气体内各部分的物理性质将趋向均匀，气体形状将趋向平衡。在压强较高时质量迁移—分散景象—分散系数能量迁移—热传导景象—热传导系数动量迁移—粘滞景象—粘滞系数.在气体压强较低时，有滑动景象、温度骤增景象、热流逸景象、分子辐射景象。运用：蒸汽流泵的分散机理、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—内摩擦景象〔粘滞景象〕内摩擦力：流动中的气体，假设各气层的流速不相等，那么相邻两个气层之间的接触面上构成一对妨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。例如用管道保送气体，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０，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。这一景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：１〕与气体种类有关；２〕与温度有关；３〕与压强无关〔解释〕；４〕高真空时，外摩擦景象〔振膜真空计〕.3.1.2中真空下的滑动景象和内摩擦景象在气－固交界面上有速度跃变存在，贴板气流相对于板面流动的景象称为“滑动景象〞。〔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，本质是对“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〔动量不改动〕；漫反射〔有充分的动量交换〕。〔解释滑动景象的缘由〕3.1.3高真空下的滑动景象由于忽略了内摩擦景象，故滑动系数已失去存在的意义，由于它是经过滑动景象和内摩擦景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，于是引入了自在分子粘滞系数，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－热传导景象假设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送，这一景象称为气体的热传导景象。.单位是结论：１〕与气体种类有关；２〕有温度有关：３〕与压强无关〔解释〕；４〕在高真空时，热传导系数正比于分子密度或压强，称为自在分子热传导。〔利用这种特点来丈量真空度——各种类型的热传导真空计〕热流密度－单位时间经过单位面积传送的热量.3.2.2中真空下的温度骤增景象和热传导景象在中真空下，贴板气体和板面温度并不一致，而是存在一定的温度差，这种景象称为温度骤增景象，温度差称为温度跃变。温度跃变－温度骤增景象－顺应系数是反响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、外表资料及粗糙度等有关，普通在0.2－0.95之间。用顺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景象分子流态－温度骤增起主导作用高真空中温度不同的两外表间热传导量自在分子热传导系数热传导真空计的任务原理：根据低压气体热传导量正比于压强的关系，即传送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—自在分子热运动。这种真空计构造简单，运用方便，但读数与气体种类有关，任务特性常因热外表顺应系数变化而受影响。.在和时都存在气体热传导景象和摩擦景象〔内摩擦和外摩擦〕，但表现的很不一样。对于分散景象，只需在时才存在，在时，气体分子间完全没有相互碰撞，不存在分散景象。3.3气体的质量迁移－分散景象假设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，这种景象叫分散景象。分为自分散和互分散。运用：分散泵、真空镀膜技术、真空脱气等.3.3.1自分散－取决于气体分子的密度分布〔〕结论：１〕当温度恒定时，真空度越高，气体分散速度越快〔由于在压力较高时，分子间相互碰撞频繁，分散很慢〕－真空脱气、真空枯燥、真空浸渍等设备的实际根据；２〕当压强一定时，提高分散速度的途径是增高温度－外部烘考去气、加热去气；３〕当压强、温度均是常量时，分散速度随气体种类不同－分子质量越轻，分散越快；.3.3.2互分散结论总结单原子气体分子Ｂ＝2.5，双原子分子B=1.9，多原子分子B=1。.3.4热流逸景象１〕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。.２〕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需相等

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。景象解析a〕当时，分子之间的碰撞频繁，自在程很短，碰撞时交换能量，在小孔附近构成一个具有假设干自在程厚的过渡层。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，气体分子的自在程很长，分子能无碰撞的经过小孔，由一室飞到另一室，并在另一室中与分子或器壁碰撞，获得热平衡。当有时机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〔已到达平衡〕，它们的压强也并不相等。这对真空度的丈量有很大影响。设计和选择丈量点时必需给予充分留意。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，用某种真空计丈量其真空度，那么容器中的真实压强只为真空计读数的一半左右。〔热处置炉〕.3)热流逸〔热迁移、热分子流〕景象〔与热传送的流动方向不同〕..第5章气固景象5.1引言外表科学的一个分支——固相和气相间的界面景象—外表物理、外表化学景象已成为近代真空技术的重要实际根底。在超高真空形状下，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外表的碰撞〔器壁过程〕。超高真空技术的开展是外表科学飞跃开展的前提条件。处于稀薄气体中的外表，不论是遭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景象。这些景象虽然发生在外表，但都不可防止的导致空间的效果。.气体分子与外表的碰撞，在单位面积的外表上每秒要蒙受υ次的碰撞。假设外表在开场时是干净的，将有一部分分子停留在外表上，出现“吸附景象〞，反之，在一定条件下，这些吸附的分子可重新释出而前往气相，出现“脱附〞。气体分子在外表与空间的这种相互转换的物理景象，在真空技术中有着特别重要的意义。气体脱附将呵斥可观的压强，对高真空器件能够导致极坏的结果。反之，假设能将气相分子转换为外表吸附分子，那么能实现抽气作用，吸附泵正是利用此原理任务的。.5.2固体外表、吸附景象１、固体原子振动周期当气体和固体外表处于平衡态时，接近固体外表的气体密度总是大于远离外表的密度，阐明固体外表有俘获气体分子并使之滞留于外表附近的才干。气体被固体外表俘获而附着于外表上的景象称为吸附景象。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.晶体外表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。外表的存在，破坏了晶体的三维周期性，结果使粒子在外表重新陈列，这一薄层的原子既遭到体内束缚，又遭到环境的影响，构成与体内不同周期的构造〔例如图5-1氯化钠晶体〕。固体外表之所以有吸附才干，正是由于固体外表分子的这种特殊形状所引起的。固体是由相互间吸引的离子、原子、分子组成，虽然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公式前往.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以为是以同一周期做振动。２、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，分子力可以以为具有一定的有效作用间隔，超出有效间隔，可完全忽略。由于s>t，所以斥力的有效作用间隔比引力小。.远吸近推分子势能曲线在平衡位置处，分子力为０，势能有极小值。用势能曲线来描画两分子间的“碰撞〞过程固体外表对气体分子的作用力——分子场力Ｆ气体分子受固体外表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，Ｆ为正，势能随着间隔的增大而减小；分子场力为吸引力时，Ｆ为负，势能随着间隔的增大而增大；分子场力为０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〞。假设气体分子从固体外表上“脱附〞出来，必需提供脱附能，数值上等于吸附热。5.3吸附参量１、固体外表吸附１摩尔气体所放出的热量——吸附热固体外表脱附１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方式放出。脱附过程是势能添加的过程，需求外界提供能量。

.２、吸附量σ固体外表单位面积上所吸附的气体量有些固体吸附剂的实践外表比几何外表大得多，而且是未知数，所以用单位分量的固体所吸附的气体量来表示吸附量。实践外表也叫物理外表、真外表；几何外表也叫视在外表。比面积：单位质量的固体所具有的实践外表积

分子筛〔一种吸附剂〕：.３、外表覆盖度θ在化学吸附中，固体单位外表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才干。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外表积之比在物理吸附中，不存在吸附中心的概念，但单位外表能够吸附气体的总数也是一定的。同样引入覆盖度的概念。θ能够>1〔多分子层吸附〕；〔单层吸附〕.４、平均吸附时间固体外表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外表对它的束缚，从外表上解脱出来〔脱附〕。气体分子从吸附到脱附平均所阅历的时间称为“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外表方向上的振动周期.５、外表构成单分子层时间t单分子层布满一平方厘米外表的分子数为假定每次入射都能构成吸附，于是构成单分子层吸附时间为：对于室温下的空气真空度越高，外表构成单分子层的时间越长。.６、吸附速率与脱附速率单位面积外表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外表上每秒钟脱附的气体量。外表覆盖分子数越多，脱附速率越大；吸附分子在外表上可以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，作用间隔较长，被物理吸附的分子构造变动不大，所以被吸引分子和外表的化学性质都坚持不变。化学吸附：其作用力与化合物中原子间的作用力类似，比范德瓦尔斯力强得多，作用间隔较短。吸附后气体分子与固体外表之间构成吸附化学键，与原气体中的分子相比，由于吸附键的剧烈影响，其构造变化较大，形状也更为活泼，好似发生于外表上的化学反响。前往.判别物理吸附与化学吸附吸附热——物理吸附的吸附热较小，普通在几千到几万焦耳／摩尔，与气体的液化热接近。化学吸附热普通大于几百千焦耳／摩尔，与化学反响的反响热接近。吸附温度——物理吸附的温度普通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，普通来说过程可逆，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外表上都可以物理吸附。化学吸附具有选择性，一种固体外表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呵斥某些位移，或使原吸收带的强度有所变卦。化学吸附那么在紫外、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α称为吸附几率〔打击系数〕，是入射固体外表的分子可以被吸附的几率。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，只需能量高于激活能的分子才干发生吸附，物理吸附那么不需激活能外表覆盖度——随着外表覆盖度的添加，吸附几率越来越小吸附的胜利率——取决于碰撞机制.5.5.2脱附速率方程覆盖度为θ的固体外表，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替代，故单位时间单位固体外表上脱附的分子数为：脱附速率和温度有关，温度越高，速率越快。这是烘烤去气的实际根据。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——吸附外表上吸附的气体摩尔数为:.朗谬尔吸附实际：构成固体的分子，相互之间以静电力作用，在固体内部，每个原子都遭到周围一样原子的作用，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，构成剩余价力，这个剩余价力就可产生吸附作用。凡可产生吸附作用的外表原子都是一个吸附中心〔吸附位〕，因剩余价力的作用间隔只不过，即约一个分子直径的间隔，故最多只能吸附一个单分子层。干净外表上的每个吸附中心都是空的，气体分子碰到外表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，在外表停留一段时间后，从固体外表获得能量，有一些可以抑制吸附能位垒，开场脱附。平衡时的脱附数目等于吸附数目，外表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，并且只需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；外表上一切吸附中心对分子的吸附能都相等，而且吸附能不受临近能否有吸附分子的影响。

固体外表分为两部分：一部分是被气体覆盖的，其面积即为覆盖度θ，吸附系数为０；另一部分是未被气体分子覆盖，其面积为(1-θ)，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经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Ｐ轴的程度线。实验得出的吸附等温线与实际的曲线根本一致，差别在c点后尚有一段向上弯曲的线段，实际曲线中没有。这是由于压强很大时被吸附的气体液化呵斥的。5.7溶解与浸透气体在固体中的溶解要经过吸附、溶解、分散等。分散是最慢的步骤，溶解或溶解速度多由分散的速度决议。最终可溶解的气体量取决于溶解度。浸透——大气经过溶解和分散过程先被吸收到真空容器器壁的资料内，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外表上吸附的气体分子有时在固体外表上离解为原子态〔金属〕.气体分子〔或原子〕在固体表层到达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分散，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响构成化合物，有的那么只起某种化学作用，构成不稳定的假化合物，有的那么构成溶体。溶解度：在一定的T、P下，气体在固体中溶解到达饱和时的浓度。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资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。还与资料的致密程度有关。.亨利定律：分散——浓度不均匀分散速度：溶解没有到达平衡时的进展速度〔动力学参量－溶解的快慢〕菲克第一定律分散系数由气－固配组的性质决议.浸透：气体渗入、经过和逸出固体阻挠层的过程。首先是气体吸附在气体压强较高的外表上，被外表外层溶解后，其浓度梯度逐渐减少，并逐渐向真空一侧分散，最后在真空侧外表解吸。〔气体的浸透限制了容器所能到达的极限压强〕分散系数与溶解度的乘积叫浸透系数—在两边压强差为１个规范大气压，渗过厚１cm的平板１面积的气体量。.浸透系数的大小与资料及气体种类有关。很多资料的浸透系数很小，可忽略不计，例如不锈钢、铜、钼等，可利用这些资料充任真空系统的构造资料。普通的硬玻璃对大多数气体〔氦、氢除外〕的浸透系数也较小，也可充任真空系统或真空器件的壁材。很多有机资料的浸透系数很大，如橡胶、塑料等，一切气体均能浸透，不能充任壁材。有些资料表现出一定的选择性，仅对某种气体或某些气体浸透系数特别大，资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章荷能粒子与外表荷能粒子：指具有一定动能的电子、光子、重粒子〔质子、中子、离子、原子〕。外表：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，假设荷能粒子以足够的能量与固体外表碰撞，但又缺乏以发生核反响，这时所产生的种种次级效应是各种外表分析技术的研讨范畴。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曾经到达的真空度。前往.重粒子对资料的溅射剥蚀是溅射离子泵、溅射镀膜、离子刻蚀的根本根据。离子在电场驱动下被壁面或电极俘获，是吸气剂－离子泵、电去除的作用原理。氩氧混合气辉光放电、氩离子轰击是获得清洁外表的有效手段。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荷能离子与外表本章研讨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响的能量。荷能粒子轰击固体外表发生的景象有：入射粒子：背散射、俘获、再释、浸透、贯穿外表资料：溅射、原子位移、辐射损伤、外表电子发射、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１，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；由于原子位移呵斥的靶资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，但只限于外表。此时贯穿效应也出现了，在1000ev时可达10个晶格常数。在资料科学研讨中，为了便于分析晶体中粒子陈列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的根本单元〔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１；常温下再释降低，分散范围深化到一个纳米表层；平均贯穿深度由10个晶格常数添加到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１，再释更小，贯穿深度对非晶体为10-100纳米，对于晶体超越几微米。6.1.1溅射－荷能粒子轰击固体外表使固体原子、离子射出的景象〔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：开场出现溅射时的入射粒子能量。普通气体－金属配组的溅射阈约为5-30电子伏特。溅射的动量实际以为：离子轰击在靶上把一部分动量传给靶原子，假设原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。热学实际以为：靶被离子轰击部分瞬时加热而蒸发。〔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、晶格构造、外表形状、升华热、温度等要素有关。普通来说，入射粒子的质量越大越易引起溅射。随着入射粒子能量的添加，溅射产额也添加，但增大到一定程度就饱和了，并开场下降。〔金属氧化物的溅射产额普通要比相应的金属小〕〔图6-1〕前往.溅射粒子的角分布：溅射粒子的能量分布：普通其平均能量和最可几能量均随着入射粒子能量的添加而缓慢上升；并随轰击粒子质量添加而添加。运用：溅射离子泵、溅射镀膜、离子镀、离子刻蚀6.1.2气体溅射－指靶资料吸附或凝结的气体在入射粒子的轰击下重新释出的景象气体溅射产额：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外表时，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、堕入〕。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，前往气相，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、外表构造、俘获浓度、温度有关。俘获量随入射粒子能量的添加而变大最后到达饱和，饱和是俘获与再释到达动态平衡的情况。.离子俘获景象在电离真空计中不断存在，并导致丈量误差。另外，可利用这个景象来抽气，特别是非活性气体可被胜利地抽除，获得超高真空。表征再释作用的参量主要是再释速度，指从单位外表每秒释出的分子数。6.2荷能电子与外表电子轰击固体外表时，引起两类景象：电子从外表的散射、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根本坚持不变。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，假设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，因此超高真空安装必需尽量防止这类绝缘体遭到电子轰击。被分散泵油污染的外表受电子轰击时释出氢及各种碳氢化合物。电子轰击脏污外表产生聚合有机涂层，这些聚合涂层是高电阻率的，假设构成在电子光学系统中，将破坏仪器的精度外表电子发射：被入射粒子轰击使外表电子被打出。前往..第7章电子发射7.1电子发射根底固体的电子发射——固体内的自在电子，在某种外界要素的作用下逸出固体外表进入周围空间的过程。在真空技术中，运用或遇到电子发射的景象颇多，有时需求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搜集极的光电发射。7.1.1金属内自在电子的形状束缚电子－具有的能量较低，只能绕某一个原子核运动。自在电子－假设电子的能量超越一个特定的能量值〔金属的束缚能级〕，那么可以挣脱单个原子核的束缚，在整块金属内作自在热运动。.金属中自在电子的浓度很高〔〕，在金属边境处具有数量级个大气压的宏大压力，但金属外表在普通形状下并不发射电子，由于外表上有足够的力〔外表势垒〕阻止电子的逸出。金属自在电子模型.在金属中作自在热运动的自在电子，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设金属温度为绝对零度,那么在范围内电子密度为零。即一切自在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形状。金属的导电才干主要缘于这些自在电子的运动。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金属的外表势垒和逸出功金属的逸出功：使金属中电子可以抑制外表势垒所必需给予它的最小能量。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，不需求发射更低能级上的电子，所以.金属外表势垒由偶电层势垒和电像力势垒两部分组成。自在电子在金属边境处试图逸出金属外表，但飞到离子边境层之外的电子会遭到离子的吸引，因其能量缺乏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展，于是在金属边境处构成了偶电层〔最外边境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外表的作用，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外表众多正离子对逸出外表的电子结合吸引作用的结果.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，其中一部分电子的能量足以抑制外表势垒而由金属体内逸出，这样得到的电子发射就叫热电子发射。热电子发射实验热电子发射机理〔用金属中自在电子按能量分布曲线解释〕：当金属中自在运动着的电子打到金属外表时，假设其能量小于势垒高度，那么它们不能抑制势垒而逸出金属，只需其垂直于金属外表的动能足以抑制势垒的那些电子，才干构成发射。.有加速电场的热电子发射〔肖特基效应〕——在热电子发射实验中，为了搜集阴极发射出的电子，阳极必需加正电压。阴极温度一定时，电流随着电压升高而略有增长，这阐明当阴极外表存在加速电场时，该电场除了加速电子使阳极搜集外，还有协助电子从阴极逸出的作用。产生的缘由是外界加速电场使阴极外表势垒变小、变窄，有效逸出功减少，或者了解为电子在逸出过程中受外电场的加速，外电场对电子做了功。.7.3场致发射－假设在阴极外表有足够强的加速电场存在，使金属外表势垒变矮变薄，那么即使在室温下，金属内的自在电子也能透过势垒逸出外表，这种受外电场作用所引起的金属电子发射，称为场致发射，也称冷发射。热电子发射中，电子逸出金属所需的能量来自于金属晶格的热运动，可即使我们把阴极加热到金属原子已显著蒸发的高温，动能足以抑制外表势垒的电子也仅占金属中自在电子总数的一小部分，外界提供应阴极的能量主要耗费于阴极的热辐射。由肖特基效应可知，降低外表势垒是呵斥发射的一个途径。假设阴极前的加速场加强到这种程度，以致外表势垒的顶点降低到费米能级之下，那么金属中的电子将如决堤洪水，奔泄而出。.其真实势垒顶点尚未降到费米能级之前，加速场已使势垒变薄，大量电子穿透势垒发射出来，其电流密度比热发射电流密度大许多数量级。场致发射不需求将阴极加热，外电场只对发射出的电子作功。隧道效应：假设金属外表的势垒较薄，即使当一些电子的能量低于势垒高度，电子不用跃起，而是向程度方向运动而透过势垒发射出来。在时思索阴极温度的影响.7.4二次电子发射当器具有一定能量或速度的电子〔或离子等其它粒子〕轰击金属等物质时，也会引起电子从这些物质中发射出来，这种景象称为二次电子发射。被发射的电子叫二次电子，引起二次电子发射的入射粒子叫原粒子。广义的讲，二次电子发射包括在任何原粒子轰击下，电子从固体或液体外表脱出的一切过程。狭义的讲，仅指在电子的轰击下从物体外表脱出二次电子的过程。这时原粒子称为一次电子。7.4.1在正离子轰击下的二次电子发射〔在电子轰击下的二次电子发射的能够性很小〕正离子轰击阴极发出二次电子的过程称为γ过程，把发射出的二次电子数目与入射离子数目之比称为γ系数。.正离子不能进入被轰击金属深处，因此二次电子是从表层逸出的。正离子轰击二次电子发射存在动能逸出和位能逸出两种作用机制。如图7-14所示，要产生二次电子发射，离子动能必需大于某一值。二次发射的产生是由于正离子的动能传送给晶格，再传给一个电子而使这个电子逸出。因此，动能逸出的二次发射要求轰击金属的离子具有足够大的动能。〔动能逸出〕某些慢速正离子与金属接触时，也能产生二次电子，这时，电子的发射是由于正离子的位能引起的。〔位能逸出〕.二次电子发射的条件需求大于两倍逸出功的缘由是，每发射一个电子还应有一个电子和正离子中和。.7.5光电子发射－当有外部光源的光束照射到金属外表上，且光的频率大于某一定值时，金属中的电子可获得能量而逸出金属外表，这种因光的照射而使金属发射电子的物理景象称为光电子发射。斯托列托夫定律——饱和光电流与入射光的强度成正比，k称为光电阴极灵敏度。假设用单色光照射，光越强，光电发射越大爱因斯坦定律——光电子从金属外表发射出来时的最大初动能只与光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关.当光线照射金属时，一个光子仅与一个电子发生作用并交出其全部能量，金属中的电子吸收了光的能量，就获得了足够的动能抑制金属外表势垒而逸出成为光电子，于是产生了光电景象。光越强，单位时间内作用于金属的光子数越多，当然会有较多的电子能够从金属逸出，这阐明了斯托列托夫定律。单一频率的光线入射时，频率越高，每个光子的能量也越大。金属中处于最高能级的电子在获得这个能量并抑制外表势垒逸出后，自然具有较大的动能，并且由于每个电子只吸收一个光子，所以这个动能与光强无关。.当入射光频率降低到某一临界值〔红限频率〕时，光电子的最大初动能降为零，所以红限频率暗喻了电子所处的最高能级是费米能级；但当金属温度不等于绝对零度时，金属中将有一部分电子的能量大于费米能级，假设这些电子吸收了光子能量，这时飞出的光电子的最大初动能将大于，这种情况下，即使入射光频率小于红限频率时，也有少部分电子能够逸出，称为光电发射阈的破坏。..第8章气体放电8.1气体放电的根底知识气体放电就是空间气体有宏观电流流过的气体导电景象。气体放电由于外部特征和内部机理的不同，包含多种形状，如汤生放电、辉光放电、弧光放电等。运用：利用其发光特性制成的气体放电灯和显示器件；利用放电中粒子受激发射原理制成的气体激光器；利用气体放电伏安特性任务的各种电子、离子器件；依托弧光放电的高温电弧任务的电弧熔炼、焊接技术；依托辉光放电的阴极溅射镀膜技术；利用气体放电产生的等离子体任务的等离子体切割、喷涂、焊接和离子清洗、注入、刻蚀技术。.8.1.1气体原子的激发与电离可以导电的物质中存在有某一种或几种可以自在挪动的荷电离子——载流子〔固体金属中的自在电子、电解液中的正、负离子〕常态下的纯真空气中不含荷电粒子——绝缘体要使气体导电，必需有带电粒子的产生〔气体放电时电极外表的电子发射、气体分子或原子的电离〕气体原子有原子核与绕核旋转的电子组成，这些核外电子的能量并非延续变化而只能取一系列固定的、不延续的值——能级在常态下，原子中的电子都处于本身的最低能级上，具有一系列严厉的能量数值，并能长期坚持这种稳定形状——原子的基态〔用ＡＢ等大写字母表示基态原子〕前往.当原子中的电子遭到某一种外界的作用〔电子的碰撞、光的照射〕，其中某一电子能量添加了，它便由原来的能级跃迁到较高的能级上——原子的激发〔用表示受激原子〕原子在激发态不能坚持恣意需求的时间，通常在左右就前往到基态。当电子从较高能级回到原能级时，多余的能量便以电磁波辐射的方式放出，即发出一个光子。频率为在原子的某些激发能级上，电子能停留较长时间，普通在内，称为介稳能级，原子的形状称为介稳形状。假设原子获得了足够的能量，可以使其中某一电子完全脱离原子核变成自在电子，原子那么因失去一个电子而带正电荷，其大小与电子电荷相等，这一过程称为原子的电离，带正电荷的原子称为正离子〔用表示正离子，e表示自在电子〕.激发的原子假设再遭到外界能量作用，它可跃升到更高能级上，但并未到达电离形状，这种过程称为累积激发〔〕假设几次累积激发结果使电子电离了，称为累积电离。正离子假设在外界能量作用下，仍可进一步激发，构成受激的正离子〔〕，也可以再次的使另一个电子脱离正离子，就构成多电荷的正离子〔〕〔此种情况很少出现，忽略不计〕中性原子有时在碰撞中可以夺得一个自在电子变成带负电的质子，称为负离子〔〕〔普通气体不易构成负离子〕在气体放电景象中，引起气体放电的任何外界要素称为游离剂、游离源.8.1.2碰撞碰撞——指两个或两个以上的粒子相互作用引起动量、动能或内能变化的过程〔假设将参与碰撞的一切粒子看成一个系统，那么整个碰撞过程中严厉遵守能量守恒定律和动量守恒定律〕。分为弹性碰撞和非弹性碰撞弹性碰撞——指在碰撞中，弹、靶粒子内部均未发生变化，两粒子的动能并未和粒子的内能发生相互交换。在这类碰撞中，不仅总能量是守恒的，动能也是守恒的。非弹性碰撞——在碰撞中，弹或靶粒子内部发生了变化，两粒子的动能和内能发生了相互交换。在这类碰撞中，总能量是守恒的，但由于动能和原子内能有相互转变，动能就不再守恒了。假设原子的变化是电子从低能级向高能级跃迁，原子内能添加，总动能减少，称为第一类非弹性碰撞。反之，称为第二类非弹性碰撞。.弹性碰撞过程中弹粒子与靶粒子能量交换的规律假设弹粒子的质量比靶粒子小得多，那么即弹粒子在碰撞中所损耗的能量平均而言，近似为零。与乒乓球撞击排球类似假设弹粒子的质量与靶粒子一样，那么即弹粒子在碰撞中将原来能量的一半损耗掉，和足球撞击排球类似.非弹性碰撞过程中弹粒子与靶粒子交换能量的关系〔弹粒子与靶粒子碰撞后，交给靶粒子的内能占弹粒子原有内能的百分比〕假设弹粒子的质量比靶粒子小得多，如电子碰撞原子使原子激发的情况，那么电子可以将其动能的几乎全部转化成原子的内能假设弹粒子和靶粒子的质量近似，如以正离子轰击同类原子使之激发，那么正离子的动能最多有一半转化成原子的内能.气体放电的几种非弹性碰撞附着过程——在气体放电中，电子和正常原子可以相互结合，结合后，核外电子比原子核中的质子多了，对外显示负电性，这样的粒子称为负离子。电子和正常原子结合成负离子的过程称为附着过程。电子最易附着在能构成负价的原子上，最常见的是氧和卤素族气体的原子。附着过程属于第二类非弹性碰撞。负离子的动能大于附着电子和原子的动能总和。普通只需当电子和原子运动较慢时才发生附着过程。.复合过程——带正电的粒子和带负电的粒子结合成中性粒子的过程，是电离的相反过程。正负离子的复合称为离子复合；电子和离子的复合称为电子复合复合过程是气体在放电时使气体中的带电粒子消逝的主要过程。复合过程属于第二类非弹性碰撞，是电离能转化为动能的过程。包括：复合过程中发射出一个光子，此时，电离能主要转化为光子的能量。.发生复合的两个粒子和另一个粒子同时发生碰撞，此时，电离能主要转化为另一离子的动能，假设这个粒子是器壁上的粒子，那么复合过程将使器壁粒子的动能添加，提高温度，起到加热器壁的作用。复合速率——气体放电时，气体中单位时间、单位面积内发生的复合碰撞次数〔和气体中带电粒子的密度成正比〕复合系数Ｒ值和复合粒子的速度有关。速度越小，复合系数越大。普通电子的速度比离子大得多，所以电子复合系数比离子复合系数小得多。复合过程的几率也和压强有关，压强越大，复合的几率也越大。.转荷过程——当离子和中性原子相互作用时，不但可以发生能量的交换，也可以进展电子的交换，这种粒子之间交换电荷的过程称为转荷过程这些由转荷过程构成的原子参与原有原子的行列，将使原有原子的平均动能添加，温度升高，这就等于借电场的作用把中性气体分子的温度提高了，所以转荷过程对加热气体有显著作用。假设Ａ原子的电离能比Ｂ原子大，那么在转荷过程中，Ａ离子释放的能量除供应Ｂ原子，使Ｂ原子电离外，尚有多余，多余的能量转化为动能，这种转荷过程属于第二类非弹性碰撞。.反之，Ａ原子的电离能小于Ｂ原子的电离能，那么在转荷过程中，Ａ离子释放的能量缺乏以使Ｂ原子电离，缺乏的部分取自动能，结果使动能减少了，这种转荷过程属于第一类非弹性碰撞。潘宁效应——当被激发的原子和中性原子相遇时，假设前者的激发能大于后者的电离能，那么有能够发生以下情况；被激发的原子释放能量成为中性原子，中性原子获得能量电离成为电子和正离子。.发生潘宁效应只需被激发的原子能在较长的时间内存在的条件下，才有较大的宏观有效截面。即只需在气体中存在着被激发到介稳态的原子时，才会发生显著的潘宁效应。运用：在制备氖放电管时，要在氖气中掺入少量氩气。由于氖放电管点燃是使氖原子有足够数量的电离才干实现，但氖电离的宏观有效截面比较小，要使氖气中有足够数量的电离比较困难。但使氖从基态激发到能量为16.53ev的介稳态能级的宏观有效截面却比较大，而且16.53ev比氩的电离能15.76ev大。这样，就可以利用潘宁效应，使氩原子电离以点燃氖放电管。.8.2带电粒子在气体中的运动〔正离子、负离子、电子〕气体放电空间普遍存在有电场，包括外加电场和由于正负电荷在空间各处浓度不均呵斥的宏观电场。带电粒子在这种合成电场中遭到电场力的加速作用并沿电场力方向作定向运动。包括无规那么的热运动和在电场作用下的定向运动。在低真空形状下，无规那么热运动的速率远大于电场作用下的定向运动速率；高真空形状下，电场引起的定向运动的速率大大超越了无规那么热运动的速率；〔例如在辉光放电的阴极附近，电场强度很大，电子和原子的运动可以看作属于定向运动，在等离子区电场很弱，可看作属于热运动。〕.但更多的是热运动和定向运动同时存在〔中真空〕。带电粒子一方面作无规那么的热运动，同时又沿电力线方向作定向运动，由于受电场力作用，带电粒子在两次碰撞之间所走过的轨迹不再是直线，而是弯向电场方向的抛物线。以正离子为例：由于热