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1、Vacuum Technology(真空技术） Concepts and Key Points（基本概念和技术要点）,张家良大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室The State-key Lab.for Material Modification, Dalian University of technology,1 Concepts（基本概念）Mean Free Path of gas molecules（分子平均自由程）: Viscose flow （粘滞流）Vs. Molecular flow（分子流）Gas flow（气体流动）: Throughput（流量）, Conductanc
2、e（流导）, Pumping speed（抽气速率）Pumps: Mechanical（机械泵）, Roots（罗茨泵）, Turbo（涡轮分子泵）, Diffusion（油扩散泵）, Dry（干燥泵）, Ion（离子泵）, Cryo（冷凝泵） Gauges（真空规）: Mechanical（机械规）, Thermal conductance（热导规）, Ionization（电离规）, Chambers（真空腔体）: Joints （连接密封件）(metal（金属件）, elastomer), parts（真空部件）,Outlines(概述）:,Key points (技术要点)Practi
3、cal concerns :(实用技术）Surface (表面的真空特性)Material (真空材料的采用）: SUS（不锈钢）, Al alloy（铝合金）, ceramic（陶瓷）, plastic（塑料）, Baking（烘烤技术）Virtual leak（虚假漏气）Leak test （检漏技术）UHV （超高真空的获得）,Outlines(概述）:,Vacuum Technology-1 （真空技术之一）Concepts （基本概念）,什么是真空？,真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空的,真空术语,本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压工作真空度：实验或工艺过程所
4、必须的气压力极限真空度：真空泵进气口处测量得到的气压真空规： 测量真空中气压的仪表或者传感器,真空度单位：气压的单位 真空度就是真空中的气压。真空的测量就是气压的测量,气压单位间的换算关系,大气压,标准大气压： 0度时，760mm 水银柱产生的压强。大气压： 地球表面上，大气层产生的气压 随海拔高度和纬度不同而不同，在海拔3000米以内，每升高12米，降低1torr.工业大气压： 1am=1kg/cm2=735.56torr 一个大气压约为1公斤压力,真空的分类,粗真空： 1atm-1Torr中真空: 1torr10-3Torr高真空: 10-3Torr-10-7Torr超高真空: 10-7T
5、orr -10-12Torr极高真空： 真空室尺寸 分子流 分子的运动互相之间是独立的，分子与墙壁表面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。真空度,如果平均自由程 真空室尺寸 粘滞流分子运动互相影响分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学， 真空度,真空获得技术真空泵,获得真空的方法：使用真空泵或者吸气剂，真空泵是获得真空的最重要工具。真空泵性能指标决定真空度高低。,抽气速率的计算:,通常情况下, 真空泵的抽气量 正比于真空室气压 P, 泵抽速 S 定义为：,S 单位：升/秒, /s,Q = PS，因此分子数减少速率为：,流量为：,at T = const,PV = NRT, N是分子总数,at T= c
6、onst,通常稳态条件下，抽气管道中的流量是守恒的， 即：,Q = P1S1 = P2S2,pump 25 /s,pump 1500 /s,P1,P2,P2 = 100 P1,pump500 /s,P1,P2,连接管道，流导为：,S1,S2,D = 直径, in cmL = 长度, in cmC = 流导, in /s,例子 1D = 15 cmL = 20 cmC = 2025 /sS1= 401 /s,例子 2D = 10 cmL = 20 cmC = 600 /sS1= 273 /s,真空泵昂贵. 连接管便宜.,分子流条件下,C,有管道的真空泵抽速：,管道流导的计算：,管道并联的流导,C
7、 = C1 + C2,管道串联的流导,D = 直径, in cmL = 长度, in cmC = 流导, in /sPav = 管道内平均气压, in torr, 分子流条件, D 5 cm, P mtorr,Pav,C, D 5 cm, L = const,viscous,molecular,mtorr,l = 5 cm 1 mtorr,管道流导的计算：,估计:P(N2) in chamber 1P(N2) in chamber 2P(O2) in chamber 1,抽空时间计算：,抽气流量方程,例子V = 1000 S = 500 /st = 2 s每 2.3 t, 气压降低10倍,实际
8、上, 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr，却需要比上述估计长得多的时间,为什么？ 器壁表面脱气。因此腔体材料的选择十分重要，特别是高真空系统,各类真空泵的抽速,真空泵的分类,抽气式旋片式真空泵扩散泵涡轮分子泵分子拖拽泵吸气式冷凝泵离子泵升华泵,常用真空泵的原理:,机械泵: 油旋片泵, 罗茨泵干式叶片泵, 辊对泵,隔膜泵,扩散泵涡轮分子泵离子和升华泵冷凝泵,抽速工作气压压缩比气体选择性,旋片式机械泵Mechanical Pump,第一级: down to 10-1 torr第二级: down to 10-3 torr,inlet,密封, 润滑返流 分子筛过滤,油式,干
9、式 (无油),密封不好寿命短污染,Inlet pressure: 10-3 torr torr atm,heavy load at high pressure,Outlet pressure: 1 atm 1.1 atm,limited by oil vapor & air back leak,抽速大,Pin,Pout,压缩比低 10,净抽速Qnet = Pin Sfor - PoutSbackIf Pout is high, Qnet can be reduced to 0此时 Pout/Pin 达到，因此 K = Pout/Pin = Sfor/Sback,罗茨泵,压缩比定义：,to 机械泵,对辊泵,干式寿命短 (5000 hrs)抗腐蚀性低,Inlet pressure: 10-3 torr torr atm,Outlet pressure: 1 atm 1.1 atm,隔膜泵,抽速低16升/秒极限真空低成本低大气压下工作密封简单耐腐蚀气体,油扩散泵,便宜, 耐用返油加热慢 (0.5 hr) & 冷却慢 (2 hr)电消耗量大,
