培訓(xùn)系列之1(楊乃恒)：真空技術(shù)發(fā)展概況

1、經(jīng)作者授權(quán)，版權(quán)所有歸東北大學(xué)真空與流體工程研究中心與原作者共有。未經(jīng)本中心及原著者同意，任何人或任何單位不得私自拷貝、刻錄、傳播、轉(zhuǎn)載本講義，或用于商業(yè)用途。東北大學(xué)第六期真空技術(shù)培訓(xùn)班真空技術(shù)發(fā)展概況主講人：楊乃恒主講人：楊乃恒Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)真空技術(shù)o一. 真空技術(shù)發(fā)展概況 （楊乃恒）o二. 真空工程理論基礎(chǔ) （孫麗娜）o三. 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì) （劉坤）o四. 低真空獲得設(shè)備 （張以忱）o五. 清潔真空獲得技術(shù) （巴德純）o六. 中真空獲得設(shè)備

2、（張以忱）o七. 高真空與超高真空獲得設(shè)備 （楊乃恒）o八. 真空測量 （劉玉岱）o九. 真空檢漏 （劉玉岱）o十. 真空鍍膜（一）：PVD物理氣相沉積 （張以忱）o十一. 真空鍍膜（二）：CVD化學(xué)氣相沉積 （張世偉）o十二. 真空冷凍干燥技術(shù) （徐成海）o十三. 真空設(shè)備的自動化控制 （王慶）o十四. 真空材料與真空衛(wèi)生 （張以忱）東北大學(xué)第六期東北大學(xué)第六期培訓(xùn)系列之培訓(xùn)系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)發(fā)展概況真空技術(shù)發(fā)展概況o一一. .前言前言 o二

3、二. .真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展o三三. .真空技術(shù)的應(yīng)用真空技術(shù)的應(yīng)用 o四四. .結(jié)束語結(jié)束語Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China一一. .前言前言o“真空技術(shù)”作為獨(dú)立的學(xué)科體系，誕生于19世紀(jì)末20世紀(jì)初。20世紀(jì)中期，隨著電子器件、原子能、航天技術(shù)對真空條件的需求，推動了真空技術(shù)的長足進(jìn)步。 前 言真空技術(shù)的開創(chuàng)與發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern

4、University, Chinao現(xiàn)在，在我們身邊利用真空技術(shù)的日用品到處可見。例如真空保溫杯，保溫飯盒，暖水瓶；在食品方面就更多了，如真空罐裝液體，真空擠奶，真空干燥食品，真空包裝，真空炸制食品等，舉不勝舉。 前 言真空包裝機(jī)Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao壓差力的利用如電除塵器，高樓擦玻璃的機(jī)器人，板材的運(yùn)輸?shù)龋ㄈ鏏l板、Cu板、玻璃板的運(yùn)輸）。 前 言玻璃板的運(yùn)輸家用吸塵器Vacuum and Fluid Engineering Research Center

5、of Northeastern University, Chinao電子管和電視顯像管（電子束管），利用絕熱效果的不銹鋼制的罐、杯、碗，真空包裝食品，真空下使之干燥的食品等為代表的物品。 前 言電子管真空保溫杯，保溫飯盒Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 前 言太陽能電池相機(jī)鏡頭o另一方面，直接利用真空的制品也有很多，真空蒸發(fā)和真空涂層技術(shù)制作的透鏡、玻璃、反射鏡、太陽能電池、各種LSI（大規(guī)模集成電路）等。Vacuum and Fluid Engineering Rese

6、arch Center of Northeastern University, Chinao現(xiàn)在最尖端的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，很多受真空技術(shù)所支配的。人類的最終的能源是核聚變，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的大型粒子加速器，今后會更加發(fā)展，預(yù)期航天技術(shù)等大科學(xué)中適用高度的真空技術(shù)，再有超晶格等新材料的合成，真空技術(shù)是不可缺少的。 前 言粒子加速器托克馬克裝置Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 前 言o真空技術(shù)是和這些最尖端的科學(xué)技術(shù)相輔相成發(fā)展的。例如熱聚變的研究需要有超高真空環(huán)境、容積100m3

7、以上的真空容器的制造，真空度有很大提高?，F(xiàn)在10-11Pa的極高真空很容易去獲得。這樣一來，真空技術(shù)從日用到最尖端的科學(xué)技術(shù)得以廣泛的適用。真空技術(shù)與尖端技術(shù)結(jié)合Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao在此，首先說明真空的概念及其發(fā)展經(jīng)過，其次敘述真空的獲得技術(shù)和檢測技術(shù)的要點(diǎn)，最后對所有的真空應(yīng)用領(lǐng)域加以具體實(shí)例來說明。與真空有關(guān)的作為大科學(xué)的核聚變、大型加速器和宇宙航天技術(shù)，這些簡要的加以說明。 前 言Vacuum and Fluid Engineering Researc

8、h Center of Northeastern University, China二二. .真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展o2.1 2.1 何謂真空何謂真空 o2.2 2.2 真空技術(shù)的歷史真空技術(shù)的歷史o2.3 2.3 真空的獲得和測量技術(shù)真空的獲得和測量技術(shù) 真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.1 2.1 何謂真空何謂真空o真空的定義真空的定義: 比大氣壓低的壓力狀態(tài)，不是任何東西都沒有的虛無的空間。從比大氣壓（約10

9、5Pa）低的狀態(tài)到虛無的絕對真空（0Pa）為止的寬廣的領(lǐng)域。 表示真空的程度的基準(zhǔn)是必要的。壓力和溫度分別為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0時(shí)，1摩爾的氣體分子有22.4升的體積存在的場合，把它稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao作為表示真空的單位，現(xiàn)在用Pa（帕斯卡）作為單位，原來的是用Torr（托）作為真空的單位，現(xiàn)在均統(tǒng)一用Pa。 Pa與Torr的關(guān)系如下：1Torr=133Pa 760Torr=105Pao從地表向上的高度的真空度如

10、圖1所示。宇宙飛船飛行的壓力約為10-5Pa，月亮與地球中間的壓力約為10-7Pa，然而在銀河系的邊界（邊緣）處的壓力為10-14Pa。真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China圖圖1 1 地表以上的真空度地表以上的真空度 真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.2 2.2 真空技術(shù)的歷史真空技術(shù)的歷史o近代科學(xué)

11、的開花期的17世紀(jì)，托里拆利、波義耳和哥里克等人建立了空氣動力學(xué)法則和真空泵的開發(fā)。o表1所示為第二次世界大戰(zhàn)以前真空技術(shù)的歷史。真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China年年作者作者科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)1643年 托里拆利760mmHg上的真空1650年 帕斯卡大氣壓力隨高度而變化，活塞式真空泵1654年 波義耳定律理想氣體的壓力與體積的關(guān)系1738年 Bernoulli氣體分子運(yùn)動論1775年 Lavoisier大氣的空氣是N2和O2的混合物1802年 蓋

12、呂薩克定律氣體體積溫度定律1810年 Medhurst第一條真空郵遞線1811年 阿佛加德羅氣體恒定的分子密度1843年 Samuda第一條真空鐵路（都柏林）1850年 Toepler汞柱真空泵1859年 Maxwell氣體分子速度分布定律真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China年年作者作者科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)1865年 Sprengel汞滴下真空泵1874年 Mcleod壓縮式真空計(jì)1879年 Edison碳絲白熾燈1879年 Crookes陰極射線管18

13、78年 W.Gaede在德國誕生1881年 Van der Waals真實(shí)氣體狀態(tài)方程1893年 Dewar真空絕緣瓶1902年 Fleming真空二極管1905年 Gaede旋轉(zhuǎn)汞真空泵，Leybold使泵企業(yè)化1906年 Pirani熱傳導(dǎo)真空計(jì)真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China年年作者作者科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)1907年 Forest真空三極管1909年 Coolidge鎢絲白熾燈，鎢的粉末冶金1909年 Gaede發(fā)明旋片旋轉(zhuǎn)泵（Gaede型泵）

14、1909年 Knudsen氣體分子流1911年 Gaede分子真空泵發(fā)明1915年 CoolidgeX射線管1915年 Gaede汞擴(kuò)散泵發(fā)明S0.10.2L/s1916年 Langmuir冷凝擴(kuò)散泵發(fā)明S35L/s1916年 Buckley熱陰極電離計(jì)真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China年年作者作者科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)1923年Holweck盤形分子泵1923年Gaede全金屬三級汞擴(kuò)散泵制造S60L/s，20Torr1935年Gaede氣鎮(zhèn)真空泵，機(jī)

15、械泵氣鎮(zhèn)原理發(fā)明1936年Hickman分餾式油擴(kuò)散泵1937年P(guān)enning冷陰極電離計(jì)1950年Bayard和Alpert超高真空計(jì)（稱BA計(jì)）1953年Schwartz離子泵1953年Herb等吸氣離子泵發(fā)明真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China年年作者作者科學(xué)技術(shù)科學(xué)技術(shù)1951年Vacuum創(chuàng)刊（英國）1964年JVST創(chuàng)刊（美國）1958年第一次國際真空會議1961年第二次國際真空會議1955年Heraeas公司機(jī)械增壓泵1958年Hall

16、濺射離子泵真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao由于真空技術(shù)的飛速發(fā)展，用炭素?zé)艚z發(fā)明了白熾燈泡（1875年），為了使燈絲的壽命長，使燈泡內(nèi)含O2少而采用真空抽氣的辦法。霓虹燈制作設(shè)備霓虹燈制作設(shè)備白熾燈泡白熾燈泡真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao20世紀(jì)初，人們在真空泵的開發(fā)上狠下功夫。因而，真空獲得

17、技術(shù)格外進(jìn)步，出現(xiàn)大型蒸發(fā)用真空裝置和大型的加速器。o圖2所示為真空容器的容積與真空度的發(fā)展過程，容器的尺寸和真空度都有很大增加和提高。真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China圖圖2 2 真空容器的容積與真空度的發(fā)展真空容器的容積與真空度的發(fā)展真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)發(fā)展史的主要階段o 歷史

18、上有確切記載的，可以認(rèn)為真空技術(shù)的歷史開始于1643年。當(dāng)時(shí)，托里拆利（Torricelli）將一端密封的長管注滿水銀并倒置在盛有Hg（汞）的槽里時(shí)，發(fā)現(xiàn)了密封的玻璃管中760mm水銀柱頂端產(chǎn)生的真空。托里拆利實(shí)驗(yàn)真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空技術(shù)的初創(chuàng)時(shí)期延續(xù)到電燈泡的發(fā)明。在這段時(shí)期內(nèi)，在氣體定律的基本原理方面，取得了重大的理論和實(shí)踐的科學(xué)技術(shù)突破。如玻義耳-馬里奧特，查理，蓋.呂薩克，伯努利，阿佛加德羅，麥克斯韋，玻爾茲曼等人的成就

19、。 【玻義耳-馬略特定律】它反映氣體的體積隨壓強(qiáng)改變而改變的規(guī)律。對于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)和體積成反比；或者說，其壓強(qiáng)P與它的體積V的乘積為一常量?！静c氣體分子運(yùn)動論】【伯努利與氣體分子運(yùn)動論】伯努利伯努利明確地?cái)⑹隽藲怏w分子氣體分子運(yùn)動論運(yùn)動論，認(rèn)為氣體作用在容器壁上的壓力，可以用大量的分子快速地來回運(yùn)動來解釋。小知識真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空實(shí)際使用的第一個(gè)進(jìn)展，是和利用真空與大氣之間的壓力差所產(chǎn)生的

20、機(jī)械作用力聯(lián)系在一起的。葛利克用一個(gè)由兩個(gè)半球合成直徑為119cm球體，內(nèi)用真空泵抽空，在大氣壓力作用下在其兩邊各用8匹馬而不能拉開的這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明了大氣的力量。（此即所謂的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)）。后人把這個(gè)原理用于真空郵遞線和真空鐵路運(yùn)輸。 馬德堡半球?qū)嶒?yàn)真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao愛迪生對白熾燈的研制（1879年）也是早期發(fā)明排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果。（Toepler, Sprengel） 白熾燈表明了低分子密度的用途（除去大氣的活性組分）。o

21、麥克勞真空計(jì)（1874年）第一次使測量低壓成為可能。高精度直立式麥?zhǔn)险婵沼?jì) 真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao克魯克斯（Crookes，1879）的陰極射線管是增大了的平均自由程的第一次利用。o而杜瓦瓶（Dewar，1893）則是真空絕熱的首次使用?？唆斂怂古c陰極射線管杜瓦瓶示意圖真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University

22、, Chinao真空二極管（1902）、三極管（1907）以及鎢絲（1909）的發(fā)明，開始了電子管的研制，并使白熾燈的研制日益成熟。在白熾燈生產(chǎn)中使用的真空的“質(zhì)量”在電子管的新領(lǐng)域內(nèi)顯得不足，這就促使真空的獲得和測量得到進(jìn)一步發(fā)展。早期的真空二極管、三極管真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao皮拉尼真空計(jì)、蓋德、朗繆爾的汞擴(kuò)散泵以及熱陰極電離真空計(jì)為高真空技術(shù)的發(fā)展提供了可能。汞擴(kuò)散泵熱陰極電離真空計(jì)真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and

23、Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao高真空技術(shù)的發(fā)展一直延續(xù)到第二次世界大戰(zhàn)前后。在19351936年間取得了三項(xiàng)新成果：氣鎮(zhèn)泵、油擴(kuò)散泵以及冷陰極電離真空計(jì)。這些成果，直至現(xiàn)在仍是大多數(shù)真空系統(tǒng)的常用部件。 冷陰極電離真空計(jì)油擴(kuò)散泵原理圖真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao1940年以后真空技術(shù)在核技術(shù)研究（回旋加速器、同位素分離等），真空冶金，真

24、空鍍膜，冷凍干燥設(shè)備方面有了很大進(jìn)展，如1955年機(jī)械增壓泵的出現(xiàn)。o到1950年，真空度一般能達(dá)到10-410-5Pa，或許達(dá)到更低的壓強(qiáng)但還不能測量。1950年B-A真空計(jì)的出現(xiàn)，為測量更低的壓強(qiáng)開辟了道路，進(jìn)入超高真空領(lǐng)域。1953年出現(xiàn)的離子泵能獲得更低的壓強(qiáng)，即所謂的“清潔真空”出現(xiàn)。在過去的幾十年間，為完成最尖端科學(xué)技術(shù)的需要，真空技術(shù)向大容量化、高真空化和高清潔化的方向發(fā)展。真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.3 2.3 真空的獲得

25、和測量技術(shù)真空的獲得和測量技術(shù)o真空度的不同，獲得和測量技術(shù)也有很大的不同。首先，從獲得的壓力來看，從低真空到極高真空來分類如表2所示。 低真空105102Pa中真空10210-1Pa高真空10-110-5Pa超高真空10-510-8Pa極高真空10-8 Pa以下表表2 2 真空的分類真空的分類真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空獲得的方法可分成以下三類。 （1）利用機(jī)械力的真空泵； （2）利用蒸汽噴射的真空泵； （3）利用表面現(xiàn)象的真空泵。

26、這些泵的工作范圍如圖3所示。真空獲得的方法真空獲得的方法真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China壓力（Pa）壓力（Pa）泵的種類泵的種類機(jī)機(jī)械械泵泵蒸蒸汽汽噴噴射射泵泵其其他他油封機(jī)械泵油封機(jī)械泵機(jī)械增壓泵機(jī)械增壓泵渦輪分子泵渦輪分子泵水銀擴(kuò)散泵水銀擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油噴射泵油噴射泵蒸汽噴射泵蒸汽噴射泵濺射離子泵濺射離子泵低溫泵低溫泵吸附泵吸附泵10-610210-210-4 4104100圖圖3 3 各種真空泵的工作范圍各種真空泵的工作范圍真空的概

27、念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao各種泵可能達(dá)到的壓力和抽速是組成真空系統(tǒng)所必須的。o另外，欲獲得高的真空度，適當(dāng)?shù)氖褂枚嗯_泵是必要的。o超高真空狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)單用泵來抽是不行的，表面吸附的氣體要烘烤除氣或放電情況是必要的。o極高真空的獲得要使用低溫泵，對于真空容器的材料的選擇和內(nèi)壁的處理是必不可少的。 真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univ

28、ersity, China羅茨真空泵組羅茨真空泵組真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空的壓力測定方法o在較高壓力時(shí)（1051Pa）利用壓力差U型管壓力計(jì)，麥克勞真空計(jì)，薄膜計(jì)，彈簧管壓力計(jì)等。o在10310-2Pa的中間壓力范圍，利用氣體性質(zhì)（熱傳導(dǎo)，粘性）的變化而做成的皮氏計(jì)、粘性真空計(jì)。o在低壓力時(shí)，使用將氣體分子電離而測量的電離真空計(jì)。 真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research C

29、enter of Northeastern University, China真空計(jì)的名稱可測的壓力范圍（Pa）水銀壓力計(jì)（U型管）105102油壓力計(jì)（U型管）3*1031麥克勞真空計(jì)（一般型和特殊型）10310-3彈性變形真空計(jì)105102隔膜真空計(jì)（機(jī)械式）105102隔膜真空計(jì)（電氣式）10510-3電離真空計(jì)（三極管型）10-110-5表3 真空計(jì)的適用壓力范圍真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空的概念與真空技術(shù)的發(fā)展真空計(jì)的名稱可測的

30、壓力范圍（Pa）超高真空用B-A型10-210-6極高真空用熱陰極磁控計(jì)10-510-10高真空用（舒爾茨型）1010-2冷陰極真空計(jì)110-5皮拉尼真空計(jì)10410-2熱電偶真空計(jì)10210-1熱敏電阻真空計(jì)10210-1粘性真空計(jì)110-5克努曾真空計(jì)10-110-5續(xù)表3 真空計(jì)的適用壓力范圍Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China三三. .真空技術(shù)的應(yīng)用真空技術(shù)的應(yīng)用真空技術(shù)的應(yīng)用o3.1 3.1 真空的利用真空的利用 o3.2 3.2 與真空技術(shù)有關(guān)的各種工業(yè)與真空技術(shù)

31、有關(guān)的各種工業(yè) o3.3 3.3 在大型的極限科學(xué)技術(shù)方面的應(yīng)用在大型的極限科學(xué)技術(shù)方面的應(yīng)用 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1 3.1 真空的利用真空的利用o從電氣除塵器到食品的真空包裝等日常應(yīng)用，到薄膜合成，核聚變，加速器，宇宙航行領(lǐng)域?yàn)橹梗婵占夹g(shù)得到廣泛的應(yīng)用。 真空技術(shù)的應(yīng)用真空技術(shù)應(yīng)用極其廣泛真空技術(shù)應(yīng)用極其廣泛Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

32、 China真空技術(shù)的應(yīng)用壓力壓力10-7（Pa）10-1010-110210-4105低低真真空空中中真真空空高高真真空空超高超高真空真空極高極高真空真空真空應(yīng)用領(lǐng)域真空應(yīng)用領(lǐng)域液體的輸送液體的輸送液體的過濾液體的過濾減少空氣粘性阻力減少空氣粘性阻力真空干燥真空干燥熱電子源熱電子源高溫金屬防止氧化高溫金屬防止氧化避免與殘留分子碰撞避免與殘留分子碰撞不純物殘留氣體的減少不純物殘留氣體的減少殘留氣體分子防止殘留氣體分子防止在表面上堆積在表面上堆積除塵器除塵器真空吸取器真空吸取器真空包裝真空包裝真空冶金真空冶金真空管真空管核聚變裝置核聚變裝置薄膜技術(shù)薄膜技術(shù)高純物質(zhì)的處理高純物質(zhì)的處理表面的研究表

33、面的研究超晶格等新材料合成超晶格等新材料合成（外抽或（外抽或 自吸式） 自吸式）真空區(qū)域真空區(qū)域圖4 各種真空區(qū)域的特征和應(yīng)用的范圍Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空和大氣壓力差的利用從最古老的馬德堡半球開始。o真空可以減少氣體分子密度、除去有害成分。o提高真空度對制作薄膜以及表面分析技術(shù)有很大的幫助。o真空狀態(tài)下制作的等離子體和電離合成新材料非常盛行。o現(xiàn)在極限科學(xué)技術(shù)都與真空技術(shù)有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。 真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineeri

34、ng Research Center of Northeastern University, China 例如：o用電子顯微鏡等表面分析儀器探究極微物質(zhì)的構(gòu)造；o新的粒子的發(fā)現(xiàn)用的大型加速器；o放射光利用的物性研究；o極高真空下的超晶格的制作；o宇宙開發(fā)；o核聚變裝置。真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空度的提高（極高真空10-12Pa）和真空容器大型化（例如宇航的微重力試驗(yàn)的真空系統(tǒng)真空室1700m3），今后新的尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對此要有所考慮。真空技術(shù)

35、的應(yīng)用空間環(huán)境模擬室Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China利用目的利用目的應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例壓力差壓力差吸塵器、污水吸引、高空燃燒試驗(yàn)裝置、吸塵器、污水吸引、高空燃燒試驗(yàn)裝置、風(fēng)洞、垃圾收集設(shè)備風(fēng)洞、垃圾收集設(shè)備去除有害物去除有害物燈泡、真空熔煉、真空練泥設(shè)備、真空成膜、燈泡、真空熔煉、真空練泥設(shè)備、真空成膜、蒸餾、干燥、脫氣蒸餾、干燥、脫氣絕熱絕熱真空加熱爐、真空擋板、宇宙空間模擬室真空加熱爐、真空擋板、宇宙空間模擬室減少碰撞減少碰撞電子管、電子顯微鏡、加速器、質(zhì)量分析儀、電子

36、管、電子顯微鏡、加速器、質(zhì)量分析儀、表面分析裝置表面分析裝置放電放電激光、熒光燈、離子束裝置、濺射裝置、激光、熒光燈、離子束裝置、濺射裝置、核聚變等離子體、等離子體裝置、霓虹燈招牌核聚變等離子體、等離子體裝置、霓虹燈招牌清潔表面、清潔表面、新材料的新材料的合成（薄膜、合成（薄膜、表面改性）表面改性）人工晶格、半導(dǎo)體制作、薄膜合成減壓化學(xué)蒸人工晶格、半導(dǎo)體制作、薄膜合成減壓化學(xué)蒸發(fā)（發(fā)（CVDCVD）、等離子體）、等離子體CVDCVD、離子注入、離子注入、LSILSI的的微細(xì)加工、超晶格、分子束外延生長微細(xì)加工、超晶格、分子束外延生長真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Enginee

37、ring Research Center of Northeastern University, China3.2 3.2 與真空技術(shù)有關(guān)的各種工業(yè)與真空技術(shù)有關(guān)的各種工業(yè)真空技術(shù)的應(yīng)用o電子工業(yè)的材料合成電子工業(yè)的材料合成o表面分析儀器表面分析儀器o光學(xué)光學(xué)o垃圾（灰塵）的真空輸送垃圾（灰塵）的真空輸送o能源利用技術(shù)及機(jī)械工業(yè)能源利用技術(shù)及機(jī)械工業(yè)o藥品與食品藥品與食品Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)的應(yīng)用真空真空食品工業(yè)食品工業(yè)干燥、蒸餾、濃縮、干燥、蒸餾、濃

38、縮、脫氣、野菜的真空脫氣、野菜的真空冷卻、真空包裝、冷卻、真空包裝、真空貯藏真空貯藏金屬工業(yè)金屬工業(yè)金屬的蒸餾脫氣、金屬的蒸餾脫氣、燒結(jié)、鑄造、燒結(jié)、鑄造、熔解（電弧爐等）熔解（電弧爐等）焊接（電子束等）焊接（電子束等）淬火表面處理淬火表面處理與真空技術(shù)有關(guān)的各種工業(yè)領(lǐng)域及其應(yīng)用實(shí)例 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao電子工業(yè)的材料合成 真空技術(shù)的應(yīng)用 從1975年到1980年，電子器件和半導(dǎo)體關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)甚為盛行，為此濺射裝置、蒸發(fā)裝置、刻蝕裝置、CVD裝置的需求很旺盛。

39、真空磁控+離子束濺射鍍膜機(jī) Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao1984年開始，半導(dǎo)體不景氣持續(xù)到1986年為止。在此期間，半導(dǎo)體及電子器件的制造商積極的研究、投資新的成膜裝置，例如磁盤、顯示器用的成膜裝置的開發(fā)。o具體來說，各種物理濺射裝置反應(yīng)濺射裝置、反應(yīng)性離子刻蝕裝置、離子束蒸發(fā)裝置、分子束外延生長裝置、等離子體CVD裝置、光CVD裝置等。o這些裝置用于大面積集成電路、電子器件、LSI用掩膜、透明導(dǎo)電膜、薄膜晶體管、液晶顯示器等的生產(chǎn)。真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum an

40、d Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China液晶顯示器大規(guī)模集成電路真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 表面分析儀器 評價(jià)新材料、各種薄膜的表面特性用的表面分析技術(shù)，有了超高真空條件才可能實(shí)現(xiàn)。從1965年以來，低速電子衍射裝置的開發(fā)，這以后又使用俄歇電子分光法。為此，固體表面的原子組成很容易得知，X射線電子分光法適用固體的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)的觀察。其它很多表面分析儀器的

41、開發(fā)，對固體表面的組成、結(jié)合、結(jié)晶構(gòu)造能比較詳細(xì)的了解，材料的開發(fā)和物性的研究與發(fā)展作出很大貢獻(xiàn)。 真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China薄膜分析儀(膜厚、折射率等) 真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 光學(xué) 真空技術(shù)的應(yīng)用 在二次世界大戰(zhàn)時(shí)，為了透鏡或棱鏡的增透光，在真空中蒸發(fā)氟化鎂作防反射膜的試行制造。以后，照相機(jī)行業(yè)也用真

42、空蒸發(fā)作防止反射膜。對于玻璃行業(yè)，在真空下各種表面處理技術(shù)的應(yīng)用，例如遮陽玻璃、隔熱玻璃、太陽電池用的透明導(dǎo)電玻璃、防云玻璃，反射鏡的制作，無論是真空蒸發(fā)還是濺射制造及CVD制造均得到使用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)的應(yīng)用幕墻玻璃幕墻玻璃相機(jī)鏡頭哈勃太空望遠(yuǎn)鏡Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 垃圾（灰塵）的真空輸送 真空技術(shù)的應(yīng)用 應(yīng)

43、用真空罐在大氣壓力下流入空氣來輸送物質(zhì)的吸引式空氣輸送裝置，真空技術(shù)的各種用途加以利用了。特別是將分布的物質(zhì)集中一點(diǎn)時(shí)，這種真空輸送的方式非常便利。大面積分布的塵土收集起來，真空技術(shù)很適用。 在某一設(shè)定時(shí)間，底板開始動作，吸氣閥門打開輸送管內(nèi)空氣流動。排氣閥門打開，由于輸送管內(nèi)運(yùn)空氣流聚集中心的垃圾到分離器集中有（35）*104Pa的真空度，透平風(fēng)機(jī)獲得真空。在日本國內(nèi)已經(jīng)有20個(gè)成套機(jī)械設(shè)備，在全世界有200成套機(jī)械設(shè)備在建設(shè)。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China“象鼻”

44、真空吸塵機(jī)真空硬地垃圾清潔機(jī)真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 能源利用技術(shù)及機(jī)械工業(yè) 真空技術(shù)的應(yīng)用 太陽能電池用的非晶硅膜（a-Si:H），這種膜用等離子體CVD、光CVD、熱CVD、反應(yīng)濺射等方法制造。另一方面，作太陽熱發(fā)電用的反射鏡，為了很好的利用太陽光的效率，選擇透過膜和選擇吸收面，用蒸發(fā)法和濺射法來制作。 非晶硅太陽能電池Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Un

45、iversity, Chinao 藥品與食品 為了分離和精制，真空蒸餾、冷凍干燥、真空冷卻、真空濃縮、真空解凍、真空除臭、真空發(fā)泡、真空含浸等均適用，日用品也有很多用真空技術(shù)的。 真空蒸餾設(shè)備真空冷凍干燥設(shè)備真空技術(shù)的應(yīng)用Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)的應(yīng)用3.3 3.3 在大型的極限科學(xué)技術(shù)方面的應(yīng)用在大型的極限科學(xué)技術(shù)方面的應(yīng)用 o作為大型的極限科學(xué)技術(shù)，有宇宙工程學(xué)、加速器、核聚變等。o在宇宙工程學(xué)方面，人造衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)和制造的可靠性的驗(yàn)證，數(shù)百m3的宇宙

46、模擬室。o就排氣而言，有油封機(jī)械泵、機(jī)械增壓泵、低溫泵、渦輪分子泵等組成系統(tǒng)加以使用。o再有人造衛(wèi)星的推進(jìn)力用的離子發(fā)動機(jī)，在宇宙飛船室內(nèi)試驗(yàn)。o在宇宙空間內(nèi)飛行體背面的尾流能獲得極高真空的空間，得到10-14Pa的真空度，利用該空間可以計(jì)劃作分子束外延生長的超晶格的制作等。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)的應(yīng)用o高能物理的領(lǐng)域內(nèi)新的粒子的發(fā)現(xiàn)和物質(zhì)最終構(gòu)造的探索。大型加速器的利用，在美國，直徑為10km以上的質(zhì)子、反質(zhì)子碰撞的儲存環(huán)的建設(shè)，在加速器方面，為了粒

47、子束的很少損失，要求超高真空，排氣系統(tǒng)非常大而且復(fù)雜。真空容器的材料的放氣必須要很好去控制。為此，抑制放氣的鋁合金材料也已開發(fā)了。 大型粒子加速器Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技術(shù)的應(yīng)用o為了核聚變的開發(fā)，現(xiàn)在大型核聚變裝置托 克馬克裝置內(nèi)產(chǎn)生高溫等離子體進(jìn)行聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在核聚變裝置中，容器體積約1000m3左右。o防止向等離子體中混入不純物，要求極限真空達(dá)到約10-7Pa?，F(xiàn)在的裝置有幾千L/s的抽速，持有數(shù)臺分子泵排氣。超高溫等離子體，控制從容器放出的氣體。o

48、烘烤或放電清洗技術(shù)。核聚變研究內(nèi)壁的清洗技 術(shù)有所進(jìn)展。o除其它真空系統(tǒng)適用之外，核聚變的真空系統(tǒng)是大型的超高真空系統(tǒng)，在超高溫條件下使用。因而真空技術(shù)得到高度發(fā)展。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China四四. .結(jié)束語結(jié)束語 結(jié)束語o真空的基本概念及其發(fā)展過程已介紹，真空獲得技術(shù)和測量技術(shù)作了介紹，各領(lǐng)域的應(yīng)用舉例也敘述了。作為超大型真空系統(tǒng)的核聚變裝置、粒子加速器、宇宙模擬等真空技術(shù)也作了介紹。o真空技術(shù)近10年間的發(fā)展，核聚變裝置及加速器的研究，幾百m3超高真空容器的制造

49、，10-11Pa的極高真空也能簡單的獲得。真空技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。等離子體技術(shù)、離子束技術(shù)、濺射技術(shù)已得到發(fā)展。由這些技術(shù)帶來了LSI、新材料合成、薄膜合成、表面改性等方面的進(jìn)展。o今后，作為一項(xiàng)尖端科學(xué)技術(shù)，真空技術(shù)將不斷發(fā)展并在各領(lǐng)域擴(kuò)大其用途。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China納米科學(xué)與技術(shù)o主講人：東北大學(xué)o 楊乃恒 教授Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universi

50、ty, China納米科學(xué)與技術(shù)o人類認(rèn)識外部世界是從感觀開始，用肉眼看到周圍物體，借助各種望遠(yuǎn)鏡探測宇宙，借助各種顯微鏡觀察微小世界。人類早已認(rèn)識到物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。如果研究對象是由無窮多個(gè)原子組成的，即物體再增加或減少一小部分原子，都不會影響物體的性質(zhì)，這類物體我們成為宏觀物體或塊體。這類物體和它們相關(guān)的物性，我們稱為宏觀世界。組成宏觀物體的原子、分子和更小的基本粒子構(gòu)成了微觀世界。介于宏觀世界和微觀世界之間還存在一個(gè)介觀世界。將描述這個(gè)范圍的科學(xué)稱為 現(xiàn)在人們將這個(gè)范圍的結(jié)構(gòu)和特性，它們通常的尺寸范圍為1-100nm（納米），把它稱為納米世界。人們研究納米物體的結(jié)構(gòu)和特性，為此發(fā)展了納

51、米科技。它也是一代新科技的代名詞。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao納米有多小？描述宏觀大小的最小單位是毫米、克、秒。人眼能看到的是可見光波長范圍為320-760nm，耳朵能聽到的聲波的振動頻率范圍為20-20000Hz，可感觸的是環(huán)境溫度范圍為-100-200。在這個(gè)范圍內(nèi)，人類是可以感受的，通過視聽觸摸可能分辨。我們稱這個(gè)范圍的參量為人類感知參量。在人類感知參量中，長度單位是m，千分之一為mm，毫米的千分之一為m，微米的千分之一是nm（納米）。如果將1m與1nm相比，

52、就相當(dāng)于地球與一個(gè)玻璃球大小相比。一根頭發(fā)直徑約為80m，即80000nm，如果一個(gè)漢字寫入尺寸為10nm，那么在一根頭發(fā)絲直徑上寫入8000字，對于這樣小尺寸的信息記錄和加工，還有很多科學(xué)技術(shù)問題，這就是納米科技領(lǐng)域中所要研究的課題之一。這個(gè)例子說明納米科技的世界雖小，卻有大量和豐富的科學(xué)與技術(shù)問題，很多事情超出了我們現(xiàn)今的認(rèn)識和想象。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao有限個(gè)原子比如小于100萬（106）個(gè)原子構(gòu)成的納米粒子，尺寸約為30nm，可見一個(gè)小納米粒子也仍然含

53、有很多原子，通常稱這個(gè)納米粒子為原子團(tuán)。原子團(tuán)在原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性上都將不同于原子，分子塊體材料，具有很多奇異特性。這里所說的原子機(jī)構(gòu)是指構(gòu)成材料原子間的鍵長、鍵角和晶格結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)是指能帶結(jié)構(gòu)、量子態(tài)和逸出功等。納米粒子有很大的表面體積比，即位于粒子表面的原子數(shù)比例較大。比如1cm3的金（Au）含有1022個(gè)金原子，處于表面的金原子數(shù)約為1015個(gè)。相當(dāng)于1000萬個(gè)原子中只有1個(gè)原子是在表面上。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao若有個(gè)金原子團(tuán)含有1000個(gè)

54、原子，則大約有600個(gè)原子處于表面位置，這個(gè)原子團(tuán)中原子的表面體積比為60%，原子數(shù)越少的原子團(tuán)，表面體積比越大。這種現(xiàn)象稱為大的表面體積比，也稱為具有大的比表面。在表面的原子存在沒有抓住相鄰原子的化學(xué)鍵，稱為懸掛鍵。懸掛鍵容易抓住外來原子，形成一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此懸掛鍵多的材料具有活性。原子團(tuán)中原子排列與相同元素塊體不同，處于表面的原子傾向向外擴(kuò)張，因此原子團(tuán)中相鄰原子間距增大。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao塊體金的原子間距為0.29nm，而原子團(tuán)金原子間距要大些。大

55、多少與原子團(tuán)中原子數(shù)有關(guān)，原子團(tuán)是否穩(wěn)定也與原子數(shù)有關(guān)。比如通常13個(gè)原子構(gòu)成的原子團(tuán)是穩(wěn)定的，而取走一個(gè)原子，剩12個(gè)原子，則12個(gè)原子的原子團(tuán)將很快破碎，這個(gè)現(xiàn)象稱為原子團(tuán)爆炸。有的科學(xué)家在試驗(yàn)將一個(gè)穩(wěn)定的原子團(tuán)置于癌細(xì)胞中，用光或電脈沖打掉一個(gè)原子，讓原子團(tuán)爆炸，像炸碉堡那樣從內(nèi)部炸掉腫瘤?？茖W(xué)家將那些穩(wěn)定原子團(tuán)中的原子數(shù)稱為原子團(tuán)的魔數(shù)。通常會有13、55、147個(gè)原子的原子團(tuán)是最穩(wěn)定的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao這種行為表明了納米材料的奇特性質(zhì)和復(fù)雜性。

56、納米科技就是研究這些不同于塊體的，也不同于原子的奇特性質(zhì)，以便能為人類所利用。將原子團(tuán)壓成塊體，或加入別的材料中構(gòu)成復(fù)合材料，將呈現(xiàn)出新的材料特性，可得到零溫度系數(shù)材料（即不隨溫度的變化發(fā)生熱脹冷縮），硬而不脆的陶瓷，以及具有多種活性的材料，等等。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao通常將納米材料分為兩大類：功能材料和結(jié)構(gòu)材料。功能材料主要是納米尺寸的原子團(tuán)、納米線、納米帶等，多用于制造催化、殺菌、清潔、隱身、燃料等材料和信息器件。結(jié)構(gòu)材料是由納米粒子、納米線、納米帶等壓成

57、的塊體?；蚣尤肫渌牧现袠?gòu)成的復(fù)合體，利用納米粒子的活性表面和界面的奇異特性，構(gòu)成新型的人造材料。功能原子團(tuán)材料，因?yàn)槠潴w積小，在常溫常壓下，由于布朗運(yùn)動，它是懸浮在空間或液體中的。因此，在使用這種材料時(shí)，特別要注意這個(gè)飄浮特性，不要造成對于人類環(huán)境和身體的污染、侵害。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao特別是由于納米材料很小，小到可以容易地通過各種渠道，如呼吸系統(tǒng)、五官、甚至皮膚的毛囊孔進(jìn)入人體內(nèi)部，所以它是比空氣中的粉塵危害更大的污染。研究納米科技一定要注意，千萬不可制

58、造危害人類和自然環(huán)境的。納米結(jié)構(gòu)材料，有的加工成本很高，其產(chǎn)品進(jìn)入市場時(shí)，必須考慮成本的因素。比如納米玻璃，增加了強(qiáng)度，失去了脆性；目前的成本遠(yuǎn)高于黃金的價(jià)格。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao納米科技將會給人類帶來很多驚奇。如果將我國13億人的名字登錄下來，每個(gè)名字平均三個(gè)字，將過40億漢字，按現(xiàn)行普通書的容量，若每本40萬字將會是1萬本書，而用納米記錄技術(shù)，在三根頭發(fā)上就是足夠?qū)懮?3億人的名字。Vacuum and Fluid Engineering Researc

59、h Center of Northeastern University, Chinao談?wù)摷{米科技時(shí)，必須意識到納米科技具有更多的人造品格，即許多材料和性能是自然界不存在的，一些功能材料和器件是人造的。人造的東西中，很多是仿自然的，但又超出了自然。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，人類學(xué)飛鳥，但始終沒學(xué)成真正象鳥那樣飛?？墒侨祟愒斐隽孙w機(jī)，甚至火箭，不僅能過?？缪蟓h(huán)球飛行，而且還能飛出地球，登陸月球，探測火星遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鳥的飛行能力。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao在某種意義上，

60、今天人類開始教鳥學(xué)習(xí)飛行。美國有一種候鳥，叫做紅鶴，還有411只，其中只有一只還按季節(jié)遷徙，其中410只依賴人類喂養(yǎng)，忘記了遷徙的本能。美國野生動物保護(hù)協(xié)會為了訓(xùn)練紅鶴恢復(fù)本能，造了一架專門的直升飛機(jī)，跟著那只還能遷徙的鳥，引導(dǎo)其它紅鶴進(jìn)行遷徙飛行訓(xùn)練。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao社會學(xué)家說我們現(xiàn)在面臨信息時(shí)代，可以說信息社會或智能工具就是從納米電子器件的研制開始的。納米電子器件將更加有力地改造自然，也更深刻地改造人類自己。這將是人類社會的巨大進(jìn)步。在一萬年以前開始