《真空中介质的获取与检测》课件

真空中介质的获取与检测从基础理论到实际应用，探索真空科技世界课程概述真空的定义和重要性真空中介质的特性介质获取方法检测技术应用领域什么是真空？真空的定义气体分子被部分或完全清除的空间真空度的概念衡量空间内气体分子稀疏程度的物理量不同级别的真空低真空、高真空、超高真空、极高真空真空的重要性科学研究中的应用粒子物理实验、材料科学研究、空间环境模拟工业生产中的应用半导体制造、真空镀膜、真空干燥、真空包装航空航天领域的应用卫星测试、推进系统研发、空间环境模拟真空中介质的特性10^-3低密度与标准大气相比密度显著降低10^6分子平均自由程增大高真空中可达数米至数十米10^-9粒子之间碰撞减少分子间碰撞频率大幅降低真空中常见介质等离子体用于刻蚀、镀膜等工艺特定气体氮气、氩气等工艺气体残余气体水蒸气、氮气、氧气等介质获取方法概述抽气法利用泵将气体分子从系统中抽离吸附法利用材料表面吸附气体分子化学反应法利用化学反应捕获或转化气体分子抽气法：机械泵旋片泵利用转子偏心旋转可达到10^-3Pa真空度罗茨泵高速旋转的"8"字形转子抽速大，常作为前级泵分子泵高速旋转的叶片给气体分子动量可达到10^-8Pa真空度抽气法：扩散泵1工作原理高速油蒸气流捕获气体分子并带向泵壁2优缺点无运动部件，可靠性高；但存在油蒸气反向扩散风险3应用范围高真空系统，电子显微镜，金属蒸发设备抽气法：涡轮分子泵结构特点多级高速旋转叶片和固定叶片交替排列工作原理高速旋转叶片将气体分子从进口传递到出口性能优势清洁无油，抽速大，极限真空可达10^-10Pa吸附法：低温吸附泵吸附原理低温下气体分子在表面凝结或吸附常用吸附剂活性炭、分子筛、硅胶工作温度范围液氮温区(77K)至液氦温区(4.2K)吸附法：离子溅射泵离子溅射原理高电压加速电子，撞击气体分子形成离子钛膜吸附离子轰击钛阴极，钛原子溅射并形成活性吸附膜3应用领域超高真空系统，粒子加速器，电子显微镜化学反应法：钛升华泵钛的升华过程通电加热钛丝至约1500℃使钛升华化学吸附原理钛原子与活性气体分子形成稳定化合物使用注意事项需定期更换钛丝，避免与氧气大量接触真空规的分类机械真空规利用气体压力产生的机械形变热传导真空规利用气体导热系数与压力关系电离真空规利用气体电离产生的电流测量机械真空规：U型管真空规结构简介U形玻璃管内充填液体（通常为水银）测量原理真空侧与大气侧液柱高度差反映压力应用范围低真空区域(10^3~10^5Pa)优点结构简单，读数直观，可作标准计量缺点精度有限，不适用于高真空测量机械真空规：膜盒真空规膜盒真空规利用弹性膜盒形变测量压力，测量范围为100-10^5Pa，精度约3%热传导真空规：皮拉尼规热丝结构铂丝或钨丝形成惠斯通电桥电路设计恒流或恒温模式测量热丝温度变化测量特点范围10^-1~10^3Pa，对气体种类敏感热传导真空规：热偶真空规热电偶原理利用热电效应测量加热丝温度变化测量范围10^-1~10^3Pa，适合低真空区域应用领域真空蒸馏、冷冻干燥、真空包装电离真空规：冷阴极规冷阴极放电原理高压下电子被加速，撞击气体分子产生电离无需加热，利用自持放电结构特点阴极、阳极、磁场装置电子在磁场作用下螺旋运动增加电离几率测量优势测量范围广：10^-2~10^-8Pa结构简单，耐用性好，无灯丝老化问题电离真空规：热阴极规热阴极规利用热电子轰击气体分子产生离子电流，测量范围可达10^-10Pa，广泛应用于高真空和超高真空系统质谱仪在真空检测中的应用工作原理电离、加速、质量分离、检测残余气体分析确定真空系统内气体成分和含量泄漏检测利用示踪气体定位泄漏点四极质谱仪结构组成离子源、四根平行金属棒、检测器分辨率特点单位质量分辨率，可调范围，紧凑结构应用实例半导体工艺监控，航天器舱内气体分析飞行时间质谱仪工作原理相同能量离子飞行时间与质量平方根成正比优势分析理论上无质量上限，可同时检测所有质量典型应用大分子分析，快速过程监测，同位素分析磁偏转质谱仪磁场分离原理带电粒子在磁场中偏转，偏转半径与质荷比相关结构特点高分辨率，可达10^6，结构复杂，体积大应用领域高精度同位素分析，地质年代测定，核物理研究真空漏率检测方法氦质谱检漏法灵敏度高，可定位2示踪气体法喷洒气体观察压力变化压力升高法简单直观但灵敏度低压力升高法时间(分钟)压力(Pa)通过监测密闭真空系统内压力随时间的变化率计算漏率，简单直观但灵敏度有限示踪气体法常用示踪气体氦气、氢气、卤素化合物、氨气检测流程抽真空、喷洒气体、观察压力或检测器反应优缺点分析可定位泄漏点，操作简单；但气体扩散可能影响精度氦质谱检漏法10^-13检测灵敏度Pa·m³/s，可检测极微小泄漏4氦气分子量小分子易于渗透泄漏处5.2大气含量ppm，不易受环境影响真空介质纯度检测残余气体分析利用质谱仪分析气体成分监测工艺污染物杂质含量测定ppb至ppm级检测能力特定分子的定量分析纯度控制方法真空烘烤去吸附气体低温泵捕获活性气体气体纯化器去除特定杂质残余气体分析仪（RGA）质量数相对强度RGA质谱图显示典型残余气体成分：水蒸气(18)、氮气(28)、氧气(32)和二氧化碳(44)是主要成分真空系统中的污染源泄漏密封不良导致大气渗入脱气材料表面吸附气体释放2反向扩散泵油蒸气向真空室扩散3真空系统清洁技术真空烘烤加热促进吸附气体脱离等离子体清洗活性粒子轰击去除污染物化学清洗溶剂去除油脂和有机污染物真空烘烤温度控制不锈钢：150-300℃，铝：120-150℃，玻璃：120-200℃时间设置一般24-48小时，视材料和真空度要求而定升温速率控制在1-3℃/分钟，避免热应力降温速率控制在1-2℃/分钟，避免重新吸附效果评估残余气体分析，压力下降率，极限真空度等离子体清洗原理介绍高能活性粒子轰击表面去除污染设备构成真空室、射频电源、气体供应系统操作流程抽真空、通入工作气体、激发等离子体、维持处理时间化学清洗常用清洗剂丙酮、异丙醇、乙醇、专用清洗液清洗步骤粗洗、精洗、漂洗、干燥、包装安全注意事项佩戴防护装备，确保通风，处理废液真空中粒子运动特性平均自由程粒子两次碰撞间的平均距离，真空度越高越大碰撞频率与气体压强成正比，高真空中显著降低速度分布符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布，与温度相关分子流理论1克努森数Kn>1分子流条件：平均自由程大于容器特征尺寸10^-2分子流压力范围Pa以下，粒子间碰撞可忽略0流体方程适用性传统流体力学方程不再适用真空中的热传递辐射传热通过电磁波传递能量，与表面温度四次方成正比传导传热通过固体接触面直接传递热量对流传热的缺失气体分子稀少，对流传热效应几乎消失真空中的材料特性升华固体直接气化，如锌、镉在高真空中显著升华脱气材料释放吸附气体，影响真空度摩擦系数变化表面吸附层缺失导致冷焊现象真空镀膜技术蒸发镀膜加热源材料蒸发并在基底凝结溅射镀膜高能离子轰击靶材使原子脱离并沉积离子镀等离子体辅助沉积提高膜层致密性真空热处理原理优势避免氧化和气体吸收减少蒸发损失热处理均匀性好设备构成真空室、加热系统温度控制系统真空获取系统工艺参数控制温度曲线真空度控制冷却方式真空冶金真空冶金技术包括真空熔炼、真空烧结和真空脱气，显著提高金属纯度和性能，降低有害气体含量真空干燥技术1工作原理降低沸点加速水分蒸发，抑制氧化反应设备类型托盘式、转鼓式、微波辅助、冷冻干燥3应用领域食品、制药、半导体、精密仪器空间环境模拟高真空模拟10^-5~10^-7Pa，大型分子泵系统温度模拟-180℃~+150℃，液氮冷却，电加热辐射模拟太阳辐射模拟器，紫外线，电子束，质子束粒子加速器中的真空应用粒子加速器需要超高真空环境减少粒子散射，延长寿命，提高加速效率和能量精度半导体制造中的真空应用离子注入10^-4~10^-5Pa，精确掺杂刻蚀过程10^-1~10^-2Pa，等离子体辅助光刻过程10^0~10^-1Pa，防止氧化真空包装技术原理介绍抽除包装内空气延长保质期，防止氧化设备组成真空室、热封装置、控制系统应用实例食品、药品、电子元件、精密仪器真空绝热工作原理利用真空层阻断热传导和对流传热结构设计多层反射膜减少辐射传热应用领域杜瓦瓶、液化气储罐、建筑保温真空管技术的现代应用高频电子管射频功率放大器广播发射设备高端音频设备微波管行波管速调管磁控管雷达系统X射线管医疗诊断工业无损检测安全检查设备真空中的生物实验环境控制压力、温度、湿度、气体成分精确控制实验设备培养箱、反应器、分析仪器隔离操作研究案例极端环境生物适应性、宇宙生物学真空系统自动化传感器选择压力传感器、流量计、残余气体分析仪控制系统设计PLC、工控机、专用控制器数据采集与分析实时监测、数据记录、趋势分析、故障预警真空安全压力安全防爆、防内缩、压力释放装置电气安全接地保护、漏电保护、高压隔离辐射防护X射线屏蔽、紫外线防护、监测报警真空技术的未来发展趋势超高真空技术10^-12Pa级真空环境，新型泵和检测技术智能化和自动化人工智能控制，自诊断系统，远程操作新材料应用低脱气材料，耐高温材料，纳米结构吸气材料真空度的极限通过新型真空泵技术和表面处理工艺，极限真空度持续突破，但受材料脱气和宇宙射线影响而趋近理论极限真空测量标准国际标准ISO3567，ISO27894，真空技术术语和测量方法国家标准GB/T14976，JJG294-2009，测量仪器与校准规范校准方法比较法、静态扩展法、动态流量法真空系统设计原则材料选择低脱气率，低渗透率，耐腐蚀，高强度结构优化减少死角，优化导流，便于清洁，便于维护泵站配置前级泵+主泵组合，匹配抽速与负载真空系统维护日常检查真空度、漏率、仪表读数、泵运行状态定期维护泵油更换，密封件检查，过滤器清洁故障诊断泄漏测试，排气分析，电气检测真空技术在新能源领域的应用