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1、真空技术基础Fundamental Vacuum Technology,目录,2,“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。 真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。 自然真空：宇宙空间所自然存在的 人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空：完全没有气体的空间状态 相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态 真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。,真空 （Vacuum）,3,真空技术的发展历史,最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲gu”的皮囊鼓

2、风、“风箱”鼓风。 还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。,4,历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760毫米时，就不再下降了。,5,1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大

3、气压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。,6,1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。,盖德 发明的机械泵,盖德发明的分子泵,7,真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离

4、计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。,现代的有扩散泵,8,今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。,今天的真空技术： 105pa 10-13pa,9,真空技术的应用领域,电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、冶金、日常生活等各个领域。 （电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、杜瓦绝热） 需要真空系统的微加工设备：电子束光刻设备，热CVD，镀膜设备，热处理设备等等,10,真空量度单位,1标准大气压

5、=760mmHg=760Torr 1标准大气压=1.013x105 Pa 1Torr=133.3Pa 1mbar=100Pa,11,12,真空（压强）单位,真空度和压强,压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。,国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa 常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 标准大气压（atm）,压力范围和真空泵,真空度可分为：,13,超高真空,超高真空为得到超纯的或精确掺杂的镀膜或分子束外延生长晶体创造了必要的条件，这促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好

6、的基本技术。 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方面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了发展。,14,气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附。,物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；,化学吸附则发生在较高的温度下，与化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体和固体表面原子接触生成化合物时才能产生吸附作用。,固体对气体的

7、吸附及气体的脱附,15,固体对气体的吸附及气体的脱附,气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。,一般地，影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素是气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密度以及固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。当固体表面温度较高时，气体分子容易发生脱附，对真空室的适当烘烤有利于真空的获得就是利用这个道理。,16,固体对气体的吸附及气体的脱附,在一些有电离现象的真空泵和真空计中，都不同程度的存在电吸收作用和化学清除作用，这两个因素也将加速固体对气体的吸附。其中电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比

8、中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、钛等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将与非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。,17,主要的吸附剂,主要的吸附剂,主要的吸附剂,主要的吸附剂,真空的获得,23,气体流动及导率,气体传导率 串联的气体传导率：1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 并联的气体传导率：C = C1 + C1 + C3 + ,泵1,泵2,真空室,真空室,泵1,泵2,并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度,24,25,真空泵：具有抽气功能的设备,复合真空泵：前级泵次级泵,真空泵的分类

9、（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。,真空泵简介,旋转叶片真空泵(机械泵),工作原理： 凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，就称为机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。由于这种泵是用油来进行密封的，所以又属于有油类型的真空泵。这类机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式（又称柱塞式）几种，其中以旋片式机械

10、泵最为常见。 极限真空：单级为2010-3 Torr； 两级串联能低于110-3 Torr,26,旋片式真空泵是用油来保持各运动部件之间的密封，并靠机械的办法，使该密封空间的容积周期性地增大，即抽气；缩小，即排气，从而达到连续抽气和排气的目的。右图是单级旋片泵的结构图，泵体主要由定子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。定子两端被密封形成一个密封的泵腔。泵腔内，偏心地装有转子，实际相当于两个内切圆。沿转子的轴线开一个通槽，槽内装有两块旋片，旋片中间用弹簧相连，弹簧使转子旋转时旋片始终沿定子内壁滑动。,旋转叶片真空泵(机械泵),27,机械泵的抽气原理,28,机械泵的结构,29,泵体内两个呈8字型的

11、转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体间无需油作密封，转速高，抽速快。,罗茨（Roots)真空泵(无油泵),工作原理：,（a）进气 （b）隔离 （c）压缩（d）排气,30,31,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 （vapour pump） 分子泵 (turbo pump) （2）俘获气体分子 冷泵 （Cryo Pump） 离子泵 （Ion pump）,32,涡轮分子泵（Turbo pumb）,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20000-3

12、5000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。,33,Turbo Pump 工作原理图,34,35,复合分子泵,分子泵是旋片式机械真空泵的一大发展。同机械泵一样，分子泵也属于气体传输泵，但是它是一种无油类泵，可以与前级泵构成组合装置，从而获得超高真空。目前，可把分子泵分为牵引泵（阻压泵）、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。其中，牵引泵在结构上更为简单，转速较小，但压缩比大；涡轮式分子泵又可以分成“敞开”叶片型和重叠叶片型。前者转速高，抽速也较大，后者则恰好相反。复合型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高的优点和牵引分子泵压缩比大的优点结合在一起，利用高速旋转

13、的转子携带气体分子而获得超高真空。,36,复合分子泵,冷泵（Cryopump）,工作原理： 依靠气体分子在低温条件（20 K）下自发凝结或被其它物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置 。 真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。 优点：无振动，抽速快 广泛用于受控核聚变，粒子加速器和现代半导体技术领域,37,38,低温泵是利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前具有最高极限真空的抽气泵。它主要用于大型真空系统，如高能物理、超导材料的制备、宇航空间模拟站等要求高清洁、无污染、大抽速、高真空和超高真空等场合。低温泵又称冷凝泵、深冷泵。按

14、其工作原理又可分为低温吸附泵、低温冷凝泵、致冷机低温泵。前两种泵直接使用低温液体（液氮、液氦等）来进行冷却的，成本较高，通常仅作为辅助抽气手段；致冷机低温泵是利用制冷机产生的深低温来进行抽气的泵。,抽气原理分成以下三个机构： （1）低温冷凝 （2）低温吸附 （3）低温捕获,39,第一级冷凝面,第二级冷凝面,40,比较：,41,真空计简介,定义： 真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空计（Vacuum gauges）又称规。是依据各种物理原理來量测压力或分子数目的多少。在科研和工业生产中广泛使用。,42,43,真空测量是指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内真空高低的测定。这种仪器或装置称为

15、真空计（仪器、规管）。真空计的种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。凡通过测定物理参数直接获得气体压强的真空计均为绝对真空计，例如U型压力计、压缩式真空计等，这类真空计所测量的物理参数与气体成分无关，测量比较准确，但是在气体压强很低的情况下，直接进行测量是极其困难的；而通过测量与压强有关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值的真空计则称为相对真空计，如放电真空计，热传导真空计，电离真空计等，它的特点是测量的准确度略差，而且和气体的种类有关。,真空测量元件常被称为真空规，真空测量技术分为低真空和高真空测量； 1、电离真空计 2、电容压力计 3、热偶真空规 4、电阻真空计 4、电

16、离真空规,44,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 10-3 Pa,U型计 测量范围：105 10 Pa,45,46,电阻真空计,电阻真空计是热传导真空计的一种，它是利用测量真空中热丝的温度，从而间接获得真空度的大小的。其原理是低压强下气体的热传导与压强有关。,47,规管中的加热灯丝是电阻温度系数较大的钨丝或铂丝，热丝电阻连接惠斯顿电桥，并作为电桥的一个臂。低压强下加热时，灯丝所产生的热量Q可以表示为： Q = Q1 + Q2 （1-1） 式中Q1是灯丝辐射的热量，与灯丝的温度有关；Q2是气体分子碰撞灯丝而带走的热量，大小

17、与气体的压强有关。当热丝温度恒定时，Q1是恒量，即热丝辐射的热量不变。在某一恒定的加热热丝电流条件下，当真空系统的压强降低，即空间中气体的分子数减少时，Q2将随之降低，此时灯丝所产生的热量将相对增加，则灯丝的温度上升，灯丝的电阻将增大，真空室的压强和灯丝电阻之间的存在这样的关系P R，所以可以利用测量灯丝的电阻值来间接地确定压强。,电阻真空计,电容真空计,工作原理：通过薄膜在气压力差下产生机械位移，测量电极间电容对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。,48,电容真空计原理图,如图所示， 在不同压力下金属膜 片受力不同会有不同 尺度的变形，使得金 属膜片和电极之间的 电容变化，通过测量 电

18、容的变化量，即可 知道金属膜片上气压 的变化。 这种规的测量范围一般横跨4个量级，比如可能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。,49,热偶真空计,热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。 皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。,50,51,热偶真空计,热偶真空计的规管主要由加热灯丝C与D（铂丝）和用来测量热丝温度的热电偶A与B（铂铑或康铜-镍铬）组成。热电偶热端接热丝，冷端接仪器中的毫伏计，从毫伏计中可以测出热偶电动势。测量时，热偶规管接入被测真空系统，热丝通以恒定的电流，同电阻真空计不相同的是，此时灯丝所产生的热量Q有一部分将在灯丝与热偶丝之间传导散去。当气体的压强降低时，热电偶接点处温度将随热丝温度的升高而增大，同样，热电偶冷端的温差电动势也将增大，及气体压强和热电偶的电动势之间存在这样的关系：P 。,电离真空规,工作原理： 它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳极过程中，使气体分子电离，并被收集电极收集形成电流，根据离子电流测出气体压强。 特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。,52,53,电离计