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1、本科应用物理专业物理专业实验讲义真空与薄膜技术部分刘高斌2008.924实验一、真空实验真空技术已经广泛应用于微电子技术、IT技术、食品包装、医学等领域。尤其是为了确保微电子、光电子等元器件的精密度和性能的稳定，在薄膜材料的制备以及薄膜器件的制造的主要加工工艺中，均大量采用真空条件。本实验将简要介绍真空技术的基础知识，通过对低真空的获得和测量，初步了解真空的获得和真空测量技术的基础理论及操作规程。实验目的：1. 学习真空和真空测量技术的基础知识；2. 熟悉真空系统的结构和操作规程；3. 掌握低真空的获得和测量技术。实验装置： 玻璃真空容器、热电偶规管、电离规管、电阻规管、热电偶真空计、复合真空
2、计、电阻真空计、真空机械泵、扩散泵、真空阀门等预习提示：1. 熟悉真空与真空度、真空技术的关系，以及真空度的表示形式和单位。2. 掌握获得真空的主要设备及它们的工作条件；3. 注意真空度的测量装置及使用条件。实验原理：1、真空的基本知识和真空的获得 1）真空是指低于当地一个大气压的气体状态，存在自然真空和人造真空。在真空技术中，以“真空度”来表示气体的稀薄程度，因而真空度越高，气体越稀薄，气体压强越低。通常气体的真空度直接用气体的压强来表示，真空度的单位也采用压强的单位，常用单位为帕斯卡（Pa）、毫米汞柱、乇、毫巴等。它们之间的关系如表1所示。表1 压强单位换算表标准大气压乇帕毫巴1标准大气压
3、1760（1.013105）1.0131031乇（Torr）=11.31510-31.3310211013251.331帕（Pa）=1N/m29.8710-67.510-51110-21毫巴（mh）9.8710-40.751001表1-2 真空区域的划分级及特征真空区域物理现象特点主要真空泵、真空计低真空（76010乇）（1大气压103Pa），以分子间碰撞为主，粘滞性流动机械泵、吸附泵，各种粗真空泵；U型压力计，薄膜压力计中真空（1010-3乇）（10310-1Pa）(容器特征尺寸)，分子间碰撞、分子与器壁碰撞都为过渡性流动，用克努曾系数确定，为分子流为粘滞流， 机械泵、增压泵、吸附泵；压强真
4、空计、热真空计、振膜真空计高真空（10-310-8乇）（10-110-6Pa），分子与器壁的碰撞为主，分子性流动扩散泵、涡轮分子泵、升华泵、溅射离子泵；热阴极电离真空计，冷阴极电离真空计，压强真空计超高真空（10-810-12乇）（10-610-10Pa）表面现象为主，清洁表面上形成分子层的时间，至少以分钟计加阱扩散泵、消气剂离子泵、溅射离子泵、气氦冷凝泵；B-A电离计、各种改进型热阴极电离计、磁控放电真空计极高真空（10-12乇）（d)，气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图6所示。它是在一玻璃管壳中由两杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热
5、丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压强。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压强。当细丝通电加热达热平衡状态时，其热平衡方程为：图6热丝的热量耗散其中 ：单位时间气体热传导耗散的热量； ：单位时间热辐射耗散的热量； ：单位时间支杆导热耗散的热量。图7热丝热传导Q与压强的关系图6所示规管中热丝热量散失，在低压强下，只有Qg与压力有关，而QL和Qr均与压力无关，可简写成：热传导量Q与压力p的关系如图7所示。它表明，在一定的加热条件下，可根据低压强下气体分子热传导，即气体分子对热丝的冷却能力作为压强的指示。这就是热传导真空计的基
6、本工作原理。热传导真空计规管热丝的温度T2是压强p的函数，即T2 = f(p)。如果预先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度T2来确定压力p。热丝温度的测量方法，有以下三种；a) 利用热丝随温度变化的线膨胀性质；b) 利用热电偶直接测量热丝的温度变化；c) 利用热丝电阻随温度变化的性质。根据第一种测温方法制成的真空计称膨胀式真空计。根据第二种测温方法制成的真空计称热偶真空计。根据第三种测温方法制成的真空计称电阻真空计，在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的，此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高，但稳定性较差。热偶真空计和电阻真空计是目前粗真空和低真空测量中用得最多的两种真空计。热传导真
7、空计是相对真空计，常常在标准环境下，用绝对真空计或用校准系统进行校准。a）电阻真空计的结构电阻真空计的结构及工作原理如图8所示，利用惠斯通电桥的补偿原理，其中一灯丝作为该电路的其中一个电阻。倘若灯丝所在的气体分子密度改变时，其导热度会有所不同，因此灯丝所表现的温度会不同，间接影响电阻值的大小。其中补偿的方式有固定电压、固定电流以及固定温度方式。不同气体其导热度不同，因此在刻度上需要校正。图9热电偶真空计结构1、mV表；2、mA表；3、加热丝；4、热偶；5、热丝电源；、6、电位器；7、开关图8电阻真空计的结构及工作原理图b）热电偶真空计的结构及工作原理热电偶真空计的结构及工作原理如图9所示，热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空，可测范围为13.330.13
