真空物理第1章引論

真空物理與技術(shù)

VacuumScienceandTechnology蔣益明材料二樓30165643648

教材王欲知,真空技術(shù)（第二版）北京航空航天大學(xué)出版社，2007參考書華中一,真空實(shí)驗(yàn)技術(shù),上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社華中一,頭腦風(fēng)暴，上海:復(fù)旦大學(xué)出版社羅思,真空技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社高本輝、崔素言,真空物理,北京:科學(xué)出版社關(guān)于“電子科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)真空物理電子離子與真空物理物理電子學(xué)物理電子技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)課程學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)什么？真空物理：研究稀薄氣體物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)方法研究稀薄氣體分子之間，分子與器壁之間的作用。（稀薄氣體理論、氣流、固-液/氣相界面物理等）真空技術(shù)：建立低于大氣壓力的物理環(huán)境，以及在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)等所需的技術(shù)。（真空獲得、真空測(cè)量、真空檢漏、真空應(yīng)用等）應(yīng)用學(xué)科，但同時(shí)包括大量的基本概念怎么學(xué)？宏觀的東西要掌握好多講森林，少講樹木抓住一些大的東西，分清主次，難點(diǎn)和重點(diǎn)注意物理模型、圖像盡可能不做復(fù)雜的推導(dǎo)但必須清楚物理原理、模型學(xué)知識(shí)，更要學(xué)習(xí)如何獲取知識(shí)“創(chuàng)新”授人以魚，不如授之以漁----《老子》自學(xué)很重要怎么學(xué)？各門知識(shí)融會(huì)貫通，尊重他人的工作萬(wàn)物并育而不相害,道并行而不相悖---《禮祀.中庸》學(xué)、問(wèn)、辯、思上智者不教而成；下愚者教而無(wú)益；中庸之人不教不知也---《顏氏家訓(xùn)》學(xué)以聚之，問(wèn)以辯之，寬以居之，仁以行之---《易經(jīng)》師生平等，教學(xué)互長(zhǎng)光學(xué)是學(xué)不會(huì)的，也學(xué)不完的，講的只是“滄海一粟”課堂教學(xué)，隨時(shí)提問(wèn)，注意反饋三人行必有我?guī)?---《論語(yǔ)》重視應(yīng)用，是為用，不是為考第一章引論什么是真空什么是“真空”佛教語(yǔ)惠能《壇經(jīng)·般若品》“念念說(shuō)空，不識(shí)真空”修煉到超出一切色相意識(shí)界限的境界拉丁語(yǔ)vacuum空的現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典沒(méi)有空氣或只有極少數(shù)空氣的狀態(tài)美國(guó)真空學(xué)會(huì)定義Anygasatsub-atmosphericpressure充有低于大氣壓強(qiáng)的氣體空間一般定義包含壓強(qiáng)（或密度）比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低17個(gè)數(shù)量級(jí)隨著真空獲得和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)范圍下限不斷降低“說(shuō)玄空又說(shuō)真空。玄空便是空無(wú)物，真空卻是有物”--《朱子語(yǔ)類》如何使用真空力1公斤力/厘米2傳輸介質(zhì)PVD&CVD（Physical/ChemicalVaporDeposition)除氣低分子密度空間熱絕緣等離子體增加平均自由程減少化學(xué)反應(yīng)獲得/保持清潔表面如何表征真空實(shí)際上就是表征氣體真空度：氣體稀薄程度壓強(qiáng)(Force/Area)Forceexertedisnotreallyausefulconcept體積容器的體積溫度通常情況下是器壁的溫度分子密度

(分子數(shù)密度numberofmoleculersperunitvolume)與壓強(qiáng)有關(guān)Amoreusefulquantitythanactual“pressure”壓強(qiáng)單位單位面積上的作用力液柱高度單位制面積單位力的單位壓強(qiáng)單位SI厘米2達(dá)因1達(dá)因=1g.cm/s2達(dá)因/厘米21bar=106達(dá)因/厘米2CGS米2牛頓1N=1kg.m/s2牛頓/米21Pa=1N/m2技術(shù)制米2公斤力1公斤力=9.81牛頓公斤力/米21大氣壓=1公斤力/cm2=9.81x104N/m2英制英尺2英寸2磅1磅=4.448牛頓1磅/英尺2=47.88牛頓/米21磅/英寸2＝6894.7牛頓/米2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）定義g=980.665cm/s2ρ=13.595g/cm3

T=273K760mmHg產(chǎn)生的壓強(qiáng)

1atm=13.595g/cm3x980.665cm/s2x76cm

=1.013x106達(dá)因/厘米2

=1.013x105牛頓/米21atm=1.013x105Pa托里拆利（Torr）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的760分之一1Torr=1.333x103達(dá)因/厘米2

=133.32牛頓/米2實(shí)際上1Torr=1mm-Hg1Torr=133.3Pa近似認(rèn)為Torr和Pa差兩個(gè)數(shù)量級(jí)巴(bar)氣象學(xué)1巴=106達(dá)因/厘米2氣壓?jiǎn)挝唬汉涟蚼b巴的千分之一1mb=0.76mmHg1mb=100N/m21mb=100Pa（百帕hPa）毫巴通常在提及颶風(fēng)或龍卷風(fēng)暴時(shí)使用，更低的中心氣壓即意味著更高的風(fēng)速和更大的威力壓強(qiáng)單位的換算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓托帕毫巴1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=17601.013*1051.013*1031托(Torr)=1毫米汞柱(1mmHg)=1.316*10-31133.31.3331帕(Pa)=9.87*10-67.5*10-311*10-21毫巴(mb)9.87*10-40.751001自然真空地球上的真空動(dòng)物體內(nèi)天生的“低真空技術(shù)”，人吸氣740Torr，呼氣：300Torr章魚體內(nèi)100Torr空間的真空90km高空10-3Torr1000km高空10-10Torr人工真空人工真空真空區(qū)域的劃分760-10Torr(1atm-103Pa)粗真空水流抽氣機(jī)的極限10-10-3Torr(103-10-1Pa)低真空機(jī)械泵的極限10-3-10-8Torr(10-1-10-6Pa)高真空擴(kuò)散泵的極限<10-8Torr(<10-6Pa)超高真空必須使用低溫泵名詞分子密度：每單位容積內(nèi)的平均分子數(shù)分子入射率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積撞擊器壁的分子數(shù)平均自由程：氣體中一個(gè)分子與其他分子發(fā)生連續(xù)兩次碰撞之間行進(jìn)的平均距離單分子層形成時(shí)間：新離解表面布滿一個(gè)單分子層所需時(shí)間粗真空（1atm-103Pa）空間特性和1x105Pa時(shí)沒(méi)有顯著不同分子濃度差別不大2.7x1019/cm3-2.7x1017/cm3(103Pa)平均自由程10-6cm以熱運(yùn)動(dòng)為主壓力差（1公斤力/cm2)，機(jī)械能處處均勻,可以絕對(duì)密接地施在任意形狀表面吸引固體、液體、膠體和微粒真空成型真空過(guò)濾真空浸漬低真空（103－10-1Pa）氣體分子濃度和大氣時(shí)相差較大真空冶煉、熱處理真空脫碳優(yōu)質(zhì)鋼增產(chǎn)25%真空蒸餾:真空的油類即使高溫情況下也不容易氧化壓強(qiáng)降低，液體沸點(diǎn)降低，真空干燥醫(yī)藥領(lǐng)域熱對(duì)流消失，熱傳導(dǎo)很小，杜瓦瓶，真空保鮮低壓風(fēng)洞高真空（10-1-10-6Pa）氣體分子濃度更加低空間任何物體與殘余氣體分子化學(xué)作用微弱稀有金屬、半導(dǎo)體熔煉和精煉合金熔煉軍械、精密機(jī)械和反應(yīng)堆材料熱電子發(fā)射陰極材料平均自由程大于一般容器線度10-4Pa時(shí)10m數(shù)量級(jí)真空蒸發(fā)各種電子管和離子管超高真空（<10-6Pa)空間分子濃度非常低純凈氣體氣體含有的微量雜質(zhì)將嚴(yán)重影響放電特性可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)使海水發(fā)電,聚變?cè)O(shè)備:超高真空大容器純凈的固體表面除固體本身原子外沒(méi)有其他物質(zhì)的原子或分子表面科學(xué)空間仿真:低真空直到超高真空的各種技術(shù)手段電子管工業(yè):場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡,質(zhì)譜儀真空技術(shù)和科學(xué)真空技術(shù)：壓強(qiáng)低于1atm的空間真空的重要意義:給人類提供了地球上前所未有的、最清潔和最受干擾的環(huán)境壓強(qiáng)范圍跨越17個(gè)數(shù)量級(jí)（105-10-12Pa)真空科學(xué)：真空技術(shù)、薄膜、表面科學(xué)、電子材料與加工、真空冶金和等離子體技術(shù)，納米技術(shù)真空科學(xué)20世紀(jì)人類三大成就電子技術(shù)、核能、航天技術(shù)合成纖維、生物工程、激光等必不可少的技術(shù)—真空未來(lái)：“新浪潮”和“大趨勢(shì)”一個(gè)以高技術(shù)為發(fā)展主體的“信息社會(huì)”計(jì)算機(jī)和微電子、材料和能源工程、生物工程、航天和海洋工程真空科學(xué)同任何一項(xiàng)高技術(shù)都有密切聯(lián)系真空與高技術(shù)真空同計(jì)算機(jī)與微電子半導(dǎo)體集成電路制造0.18um-45nm-32nm-22nm…單晶Si,Ge,GeAs；膜沉積；刻蝕；超晶格（1-10nm)真空同材料與能源工程超純金屬和精密合金制造，形狀記憶合金，吸氫合金太陽(yáng)能、貯氫、可控核聚變(108K,1014cm-3.s/τ)生物工程真空電子顯微鏡、SIMS、STM航天工程空間模擬（真空、輻射和溫度）托克馬克KM6真空電子器件電子管通訊、雷達(dá)、電視、X光機(jī)、第一代電腦電子束管顯像管HDTV等離子體顯示(PDP)場(chǎng)致電子顯示(FEP)手稿輸入（半導(dǎo)體矩陣制備電荷耦合器件CCD)，飛點(diǎn)管電光源器件節(jié)能燈LED大型真空器件加速器、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、同步輻射等真空微電子器件強(qiáng)輻照集成電路失效薄膜和真空無(wú)限薄的氣固界面，但至少1個(gè)單分子層基礎(chǔ)研究薄膜生長(zhǎng)的物理過(guò)程（生長(zhǎng)，徙動(dòng)，表面動(dòng)力學(xué)）薄膜性質(zhì)的物理化學(xué)解釋應(yīng)用研究成膜方法、膜的監(jiān)控和分析薄膜的應(yīng)用范圍薄膜制備要在真空中進(jìn)行半導(dǎo)體、金屬、電介質(zhì)和亞穩(wěn)態(tài)薄膜是電子器件的主角表面科學(xué)和真空表面科學(xué)表面成分、結(jié)構(gòu)表面譜儀表面物理化學(xué)性質(zhì)擴(kuò)散、吸附脫附，鍵合反應(yīng)表面活化合鈍化，電化學(xué)表面機(jī)械性質(zhì)硬化、脆性、摩擦合粘著70年代蓬勃發(fā)展：工業(yè)技術(shù)為表面提供了實(shí)驗(yàn)條件制備有效的清潔表面超高真空技術(shù)的工業(yè)化微米亞微米電子束與離子束技術(shù)弱信號(hào)測(cè)量用電子儀器電子計(jì)算機(jī)“服務(wù)科學(xué)”的驕傲80年代以來(lái)真空科學(xué)范疇的諾貝爾獎(jiǎng)1981年K.Siegbahn，XPS1986年E.Ruska，電子顯微鏡

G.Binniga和H.Rohrer，STM1986年李遠(yuǎn)哲，分子束相互作用1989年P(guān)aul，離子陷阱技術(shù)2000年JackKilby集成電路2001年Kotler、Cornell，堿金屬原子稀薄氣體波色-愛因斯坦凝聚態(tài)2011年小林誠(chéng)益川敏英小林誠(chéng)

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