真空物理基礎

1、真空物理基礎真空物理基礎茍偉茍偉一、真空基礎內容提要：什么是真空？（工業(yè)標準的真空）真空的衡量（單位及換算關系）真空的劃分（低、中、高和超高真空）真空的獲得（泵的類型，泵的原理及真空系統(tǒng)）真空的測量（各種常見真空測量裝置）真空的應用（真空在各個領域的應用）鍍膜領域中的真控技術真空的定義1大氣壓下氣體分子密度約為2.6871025/m3；氣壓110-4Pa的高真空中，氣體分子密度約為2.651016/m3；宇宙中，氣體分子密度109/km3，甚至每km3只有幾個氣體分子。 按照工業(yè)標準的規(guī)定，真空按照工業(yè)標準的規(guī)定，真空絕不是“完全空”，而是一種是一種“低于一個標準大低于一個標準大氣壓的氣體充滿

2、空間的狀態(tài)氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)”。由此可知，工業(yè)領域所說的真空，與我們平時想象中的“完全空”的真空相差十萬八千里?？諢o一物的理想真空，實際上是不存在的。真空真的是真空真的是“什么都沒有什么都沒有”嗎嗎? ?氣體分子密度可以接近于零，卻不是零。氣體分子密度可以接近于零，卻不是零。真空現象真空現象1、從地球表面向外空延伸，離地面距離越遠，空氣越稀薄；2、宇航員在外空間時都必須穿上太空服，一方面就是為了防止宇航員被負壓傷害。3、氣相薄膜沉積過程中的真空容器；4、霓虹燈管或日光燈管；5、AES，XPS，SEM，TEM等設備其中，1和2屬于自然真空，3-5屬于人為真空。人為真空需要通過真空泵系統(tǒng)來實

3、現。真空的衡量真空是一種環(huán)境，其衡量單位就是氣體壓力，壓力值越低，真空度就越高真空是一種環(huán)境，其衡量單位就是氣體壓力，壓力值越低，真空度就越高常用單位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Torr(mTorr)壓強單位換算關系表壓強單位換算關系表單位名稱帕/Pa托/Torr毫巴/mbar大氣壓/atm1帕17.50110-310-29.86910-61托1.33310211.33310-1.31510-31毫巴1027.50110-19.86910-41大氣壓1.013105760.001.0131031真空的意義真空的意義Monolayer Coverage TimeFor an ideal

4、 gas, the time needed for monolayer coverage is given by:tML1019/ZAwhere ZA is impingement rate.Impingement Rate (Flux)For an ideal gas, the impingement rate is given by:ZA=v/4where,-the number density of gas molecules v - the mean velocity不同真空條件下氣體分子的狀態(tài)Degree of VacuumPressure (Torr)Gas Density, (m

5、olecules m-3 )Mean Free Path(m)Time/ML, tML (s)Atmospheric7602 x 10257 x 10-810-9Low13 x 10225 x 10-510-6Medium10-33 x 10195 x 10-210-3High10-63 x 1016501UltraHigh10-103 x 10125 x 105104Collision-Free Conditions: P 10-6 TorrMaintain a Clean Surface:P 10-10 Torr真空的劃分真空等級真空度范圍備注低真空105102Pa氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，

6、分子以熱運動為主，分子間碰撞十分頻繁中真空10210-1Pa氣體分子的流動逐漸從黏流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，此時氣體分子之間和分子與器壁之間的碰撞次數差不多高真空10-110-5Pa氣體分子的流動已為分子流，氣體分子與容器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數大大減少，粒子沿直線飛行超高真空10-5Pa氣體分子數目很少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子與器壁的碰撞機會也很少根據根據GB3163GB31638282，真空區(qū)域大致劃分如下：，真空區(qū)域大致劃分如下：真空的獲得常用真空泵的工作壓強范圍及起動壓強：常用真空泵的工作壓強范圍及起動壓強： 真空泵種類工作壓強范圍（Pa）起動壓強（Pa）旋片式機械真空泵110

7、56.710-11105羅茨真空泵1.31031.31.3103分子篩吸附泵11051.310-11105油擴散泵1.310-21.310-71.310渦輪分子泵1.31.310-51.3濺射離子泵1.310-31.310-96.710-1鈦升華泵1.310-21.310-91.310-2低溫泵1.31.310-111.31.310-1低真空泵或初抽泵高真空泵超高真空泵備注：紅色字體為氣體傳輸泵，即通過將氣體不斷吸入并排出真空泵達到抽氣的目的；其余的為氣體捕獲泵，利用各種吸氣材料所特有的吸氣作用吸出氣體達到目的。真空泵型號及代碼含義真空泵型號及規(guī)格的表示方法 根據中華人民共和國機械行業(yè)標準JB

8、/T7673-95的規(guī)定，國產各種真空泵是由基本型號和輔助型兩部分組成，兩者中間為一橫線。其表達型式為123456。格中數字123表示基本型號，456表示輔助型號。 國產真空泵的型號通常以下表中的漢語拼音字母來表示。若在拼音字母前冠以“2”字，則表示泵在結構上為雙級泵。 某些真空泵系列對其抽氣速率則以幾何級數來分檔。其單位是“L/S”。共分18個等級，分別為0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有時也可用泵的入口尺寸來表示，其單位是“mm”。由于泵的種類較多，選用時應參閱不同生產廠家

9、的產品說明書式樣本，是很重要的。 常用真空泵的漢語拼音及名稱常用真空泵的漢語拼音及名稱代號 名稱 代號 名稱 W 往復真空泵 Z 油擴散噴射泵（油增壓泵） D 定片真空泵 S 升華泵 X 旋片真空泵 LF 復合式離子泵 H 滑閥真空泵 GL 鋯鋁吸氣劑泵 ZJ 羅茨真空泵（機械增壓泵） DZ 制冷機低溫泵 YZ 余擺線真空泵 DG 灌注式低溫泵 L 濺射離子泵 IF 分子篩吸附泵 XD 單級多旋片式真空泵 SZ 水環(huán)泵 F 分子泵 PS 水噴射泵 K 油擴散真空泵 P 水蒸氣噴射泵 最常見泵的工作原理旋片式機械真空泵工作原理旋片式機械真空泵工作原理旋片S2與進氣門G之間空腔的區(qū)域I的體積逐漸增

10、大，使被抽容器中的氣體由進氣門進入此區(qū)域 （a）:（b）:同時旋片S1與排氣門D之間空腔的體積逐步減小，其中的氣體不斷地從排氣門被擠出（c）:（d）:旋片S1將區(qū)域I與進氣門隔開，此時區(qū)域I的吸氣空腔的體積最大 旋片S1開始將區(qū)域I內的氣體壓縮并從排氣門排出最常見泵的工作原理油擴散泵工作原理油擴散泵工作原理接機械泵接機械泵擴散泵油被泵外電爐加熱產生油蒸氣油蒸氣沿蒸氣導管上升到管頂油蒸氣經傘形噴嘴向下噴出產生射流氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動量交換氣體分子與射流一起向下運動油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口附近被抽走最常見泵的工作原理渦輪分子泵工作原理渦輪分子泵工作原理11

11、1當側的氣體分子與葉片相碰后反射方向在1角內的將又回到側；撞擊在1 角內再反射的氣體分子將進入側；反射方向在1角內的氣體分子最后將進入到側或散射回側。動葉片工作原理圖22212，12凈氣體流真空系統(tǒng)目前，由于真空泵極限壓強的存在，沒有一種真空泵能單獨從大氣抽氣至高真空，目前，由于真空泵極限壓強的存在，沒有一種真空泵能單獨從大氣抽氣至高真空，必須前段使用粗抽泵從大氣抽至約必須前段使用粗抽泵從大氣抽至約2-5Pa2-5Pa，再利用高真空泵抽氣至高真空。，再利用高真空泵抽氣至高真空。機械泵+羅茨泵+油擴散泵機械泵+渦輪分子泵極限壓強極限壓強：是表示真空泵性能的重要參數之一，指當標準容器作為負載時，使

12、泵按規(guī)定的條件正常工作一段時間，真空度不再變化而趨于穩(wěn)定時的最低壓強。真空的測量一些真空計的壓力測量范圍真空計名稱測量范圍(Pa)真空計名稱測量范圍(Pa)水銀U型管10510高真空電離真空計10-110-5油U型管1041高壓力電離真空計10210-4光干涉油微壓計110-2B-A計10-110-8壓縮式真空計(一般型)10-110-3寬量程電離真空計1010-8壓縮式真空計(特殊型)10-110-5放射性電離真空計10510-1彈性變形真空計105102冷陰極磁放電真空計110-5薄膜真空計10510-2磁控管型電離真空計10-210-11振膜真空計10510-2熱輻射真空計10-110-

13、5熱傳導真空計(一般型)10210-1分壓力真空計10-110-14熱傳導真空計(對流型)10510-1 熱偶真空計測量低真空燈絲的熱量損失包括：熱絲和熱偶間的熱傳導；燈絲的熱輻射；氣體分子的熱傳導。在通過熱絲的電流一定的條件下，燈絲輻射熱量不變。10210-1Pa時，熱絲熱偶間熱傳導很小。燈絲熱電偶鉑絲熱端冷端壓強熱傳導系數燈絲溫度熱電偶電動勢熱偶熱端溫度測量范圍為：10210-1Pa（氣體分子熱傳導損失為主）。電離真空計測量高真空加速極的電勢比燈絲高收集極的電勢比燈絲低燈絲電路F-F中通以電流，燈絲受熱后便發(fā)射熱電子螺旋狀柵極G-G電壓高于燈絲（幾百伏），吸引熱電子使熱電子加速B與真空系統(tǒng)

14、相接收集極A電壓比燈絲負（幾十伏），反射電子電子在往返途中與氣體分子相碰，產生正離子和電子。收集極捕獲正離子形成離子電流Ip；電子被處于正電勢的加速極收集形成發(fā)射電流Ie。Ip=kIePIe一定時，Ip與壓強成正比測量范圍為10-1-105 Pa真空的應用真空狀態(tài) 氣體性質 應用原理 應用概況 粗真空 105 102（Pa） 氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數目由多變少的變化，而無氣體分子空間特性的變化分子相互間碰撞頻繁 利用真空與大氣的壓力差產生的力實現真空的力學應用 1. 真空吸引和輸運固體、液體、膠體和微粒； 2. 真空吸盤起重、真空醫(yī)療器械； 3. 真空成型，復制浮雕； 4. 真空過濾；

15、5. 真空浸漬。 中真空 102 10-1（Pa） 氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下；氣體分子密度較小 利用氣體分子密度降低可實現無氧化加熱；利用氣壓降低時氣體的熱傳導及對流逐漸消失的原理實現真空隔熱和絕緣；利用壓強降低液體沸點也降低的原理實現真空冷凍，真空干燥 1. 黑色金屬的真空熔煉，脫氣、澆鑄和熱處理 2. 真空熱軋、真空表面滲鉻； 3. 真空絕緣和真空隔熱； 4. 真空蒸餾藥物、油類及高分子化合物； 5. 真空冷凍、真空干燥； 6. 真空包裝、真空充氣包裝； 7. 高速空氣動力學實驗中的低壓風洞 高真空10-1 10-5（Pa） 分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁；氣體

16、分子密度小 利用氣體分子密度小任何物質與殘余氣體分子的化學作用徽弱的特點進行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產 1. 稀有金屬、超純金屬和合金、半導體材料的真空熔煉和精制；常用結構材料的真空還原冶金； 2. 純金屬的真空蒸餾精練；放射性同位素蒸發(fā)； 3. 難熔金疆的真空燒結； 4. 半導體材料的真空提純和晶體制備； 5. 高溫金相顯微鏡及高溫材料實驗設備的制造； 6. 6. 真空鍍膜，離子注入膜層刻蝕等表面改性真空鍍膜，離子注入膜層刻蝕等表面改性； 7. 真空工業(yè)的電光管、離子管、電子源管、電子束管、電子衍射儀，電子顯微鏡、 x光顯微鏡，各種粒子加速器、能譜儀、核輻射譜儀，中子管、氣體激光器的制

17、造； 8. 電子束除氣、電子束焊接，區(qū)域熔煉，電子束加熱超高真空 10-6（Pa） 氣體分子密度極低，與器壁碰撞的次數極少致使表面形成單分子層的時間增長；氣態(tài)空間中只有固體本身的原子幾乎沒有其他原子或分子的存在。 利用氣體分子密度極低與表面碰撞極少，表面形成單一分子層時間很長的原理實現表面物理與表面化學的研究 1. 可控熱核聚變的研究； 2. 時間基準氫分子鏡的制作； 3 3表面物理，表面化學的研究表面物理，表面化學的研究； 4. 宇宙空間環(huán)境的模擬； 5. 大型同步質子加速器的運轉； 6. 電磁懸浮式高精度陀螺儀的制作。 真空表面技術表面處理目的 處理方法 粒子運動能量 工作方式 等離子體 高真空 薄膜沉積（表面厚度增加） PVD 真空蒸發(fā)鍍膜 0.11ev 等離子熔射輝光放電分解 電阻加熱蒸發(fā) 電子束蒸發(fā) 真空電弧蒸發(fā) 真空感應蒸發(fā) 分子束外延 真空濺射鍍膜 10100ev 放電方式：直流、交流、高頻 電極數值： 2 級、 3 級