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1、物理电子技术与系统教师：赵小兰联系：33356107Email: 物理电子技术与系统n课程内容：X 1、物理电子学基本概念、定律及等离子体 物理和应用；X2、真空技术及其应用n课时：48课授16实验n实验安排：1316周 梁添n成绩：60期末20实验20作业考勤课程内容1 基础理论部分（物理电子学基础）：气体分子在稀薄气体中的运动规律研究空间气体分子的各种状态及各状态参量之间的关系，状态参量为： m, p, v, T固-气界面现象研究气体在固体表面及在固体内部的运动规律2 真空获得与测量（真空技术） 真空获得 研究真空获得的方法及相关设备 真空测量 研究测量真空的方法及有关测量仪器3 真空检漏
2、与真空系统 真空检漏 研究真空检漏的原理与方法以及氦质谱仪工作原理及其检漏技术 简介真空系统的抽气方程系统的简单计算真空的基本概念n真空泛指在给定的空间内，气体压强低于一个 大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气 压相比，是较为稀薄的一种气体状态。X 地球表面上的一个大气压约为 105PaX Vacuum 一字源至于拉丁字，其原意为empty之意n真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根 据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气 体的压强来表示。X 在国际单位制中，压强是以帕(Pa)为单位1Pa=1N/m2 。另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、 毫巴 (mbar)、工程
3、大气压(公斤厘米2)等。 真空度的单位n帕：1Pa=1N/m2=1kg/(m.s2)n巴：1bar=103Pan标准大气压：1atm=101325N/m2=101325Pan托：1Torr=1/760(atm)=101325/760(Pa)X 托是SI制定的，是一个确定的单位；mmHg依赖于 实施的条件，如温度、汞的品牌、当地的重力加速 度等，是个不确定的单位。n1Torr=1.333224*102Pa133Pa真空技术发展历史n科学家Galielo 第一位利用活塞的方式在地球上产生接近真空n几年后，Torricelli发明了水银压力计(1643)n1650年，von Guericke 发明了
4、人类第一个泵。X 此后，人类对于如何减低压力，并保持在低压力的研究便停顿了将近两百年 。nMcLeod发明了压缩式的真空压力计，整个研究发明开始活络起来。n 1905年，Gaede设计了旋转式的泵，所用了封闭液体不是油而是水银， 至此以后热电偶式的压力计，扩散泵，离子式压力计，以及液态氦的制 造都随着真空技术被改进之后逐渐衍生出来n表一为真空技术演进的一个大事记，从该表我们可以大约明白真空技术 演进的过程。n从爱迪生电灯泡的钨丝在真空里可以延长寿命以及到航天员在真空的模 拟环境模拟外层空间的实验说明了真空技术已经与人类文明的历史有紧 不分开的关系了。 表1：真空技术发展大事记1年代发明者重大发
5、明或著作1643EvangelistaTotricelli Vacuum in the 760 mm mereury column1650 Blaise PascalVariation of Hg column with altitudel654 Otto von Guericke Vacuum piston pumps, Magdeburg hemispheresl662Robert Boyle Prssure-volume law of ideal gases1679Edme Mariotte1675A.L. Lavoisier Atmospheric air. : a mixiure o
6、f nitrogen and oxygenl783Daniel Bernoulli Kinetic theory of gases1802 J.A. Charles J. Gay-LussacVolume temperaturc law of gases1810 Medhurst Propose first vacuum post lines1811Amedeo Avogadro Constant molecular density of gases1843Clegg and Samuda First vacuum railways (Dublin)1850Geissler and Tocpl
7、erMereury column vacuum pump1859 J.K. MaxwellGas molecule velocity lawsl865Sprengel Mercury drop vacuum pumpl874H. McLeodCompression vacuum gauge1879 T.A. Edison Carbon filament, incandescent lampl879 W. CrookesCathode ray tubel881J. Van der Waats Equation of state of real gasesl893James DewarVacuum
8、 insulated flaskl895Wilhelm RocntgenX-rays .1902A. Fleming Vacuum diode . .l904 Arthur Wehnelt Oxider-coated cathode1905 Walfgang Gaede Rotary vacuum pumpl906 Mareello PiraniThermal conductivity vacuum gauge1907Lee de ForestVacuum triode .1909W.D. Coolidge Powder metallurgy of tungsten, Tungsten fil
9、ament lamp1909 M. KnudsenMolecular flow of gases1913 W. Gaede Molecular vacuum pump1915 W.D. Coolidge X-ray tube1915W. Gaede Diffusion pump1915 Irving Langmuir Gas filled incandescent lamp1915Saul Dushman The kenotron1916 Irving Langmuir Condensaiion diffusion pump1916 O.E. BuckleyHot cathode ioniza
10、tion gauge1923F. HalweckMolecular pump1935W. GaedeGas-ballast pump1936Kcnneih Hickman Oil diffusion pump1937F.M. PenningCold cathode ionization gauge1950RT. Bayard and D. Alpert Ultra-high vacuum gauge1953 HJ Schwartz, R.G. Hcrb Ion pumps表1：真空技术发展大事记2表2：一般真空的区分表 真空的要求来自你的应用要求，若是不想因周围外 在分子影响你的结果，真空环境
11、变成你控制质量的 一个重要参数。在真空术语中在真空术语中 真空度真空度 压强压强 压强高压强高 真空度低真空度低空气的成份与其分压成份压力种类Vol%ppm(Pa)N278.08479.117O220.94621.223CO20.03333.437Ar0.934946.357Ne18.181.842He5.240.51Kr1.140.116Xe0.0870.009H20.50.051CH420.203N2O0.50.051空气中氮气的比例 占最大部分 未将水气的分压考虑 进来，因为水气的压 力会随着温度不同而 有所变化。 ppm （体积浓度表示法） 一百万体积的空气中所含某 种气体的体积数 气
12、体之分压n空气中含有十二种以上之不同气体分子 ，每一种气体分子呈现出其特有之分压n水蒸气的分压随环境温度的变化而有所 不同n在20C且湿度为50%时，水蒸气的分压为 8.75Torr，在分压表的排列上属于第三大 的分压，因此真空技术中，水蒸气的排 除是首要考虑目标。气体种类与压力之关系n当一腔体在属于low vacuum的范围时， 其内部气体的组成与大气的气体组成大 致相同。n当腔体在高真空时，其气体组成将会一 直改变，直到最后的总压力中，水气的 压力占总压力的70%-90%。n水蒸气来自材料的表面，倘若将材料加 热企图赶走水气，则最后腔体内CO的含 量将会随之增加。大气压力与纬度之关系n大气
13、压力随着离地球表面愈远而 下降，然而其气体总类的分配比 例大致不变n在地球大气层的最外层仅剩下氢 气与氦气大气压力与海平面高度之关系不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况 （真空划分与书中一致（真空划分与书中一致 ）真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 粗真空105 103（Pa）76010（Torr） 气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化分子相互间碰撞频繁。 利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用 1. 真空吸引和输运固体、液体、 胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械3.
14、真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。 低真空 10310-1（Pa）气体分子间 、分子与器 壁间的相互 碰撞不相上 下，气体分 子密度较小 利用气体分 子密度降低 可实现无氧 化加热；利用气压降 低时气体的 热传导及对 流逐渐消失 的原理实现 真空隔热和绝缘；利用压强降 低液体沸点 也降低的原 理实现真空 冷冻真空干燥。 1. 黑色金属的真空熔炼，脱 气、浇铸和热处理 2. 真空热轧、真空表面渗铬3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高 分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装 7. 高速空气动力学实验中的 低压风洞 真空状 态
15、 气体性质 应用原理 应用概况 真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 高真空10-210-6（Pa） 分子间相 互碰撞极 少、分子 与器壁间 碰撞频繁气体分子 密度小 利用气体分 子密度小、 任何物质与 残余气体分 子的化学作 用微弱的特 点进行真空 冶金、真空 镀膜及真空 器件生产 1. 稀有金属、超纯金属和合金、半 导体材料的真空熔炼和精制；常用 结构材料的真空还原冶金； 2. 纯金属的真空蒸馏精练；放射性 同位素蒸发； 3. 难熔金属的真空烧结； 4. 半导体材料的真空提纯和晶体制 备； 5. 高温金相显微镜及高温材料实验 设备的制造； 6. 真空镀膜，离子注入膜一刻蚀 等表面改性；
16、7. 电真空工业的电光管、离子管、 电子源管、电子束管、电子衍射仪 ，电子显微镜、 x 光显微镜，各种 粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪 ，中子管、气体激光器的制造； 8. 电子束除气、电子束焊接，区域 熔炼等超高真空 10-610-10（Pa） 气体分子 密度极低 与器壁磋 撞的次数 极少，致 使表面形 成单分子 层的时间 增长。气态空间 中只有固 体本身的 原子几乎 没有其他 原子或分 子的存在 。 利用气体分 子密度极低 、表面碰撞 极少、表面 形成单一分 子层时间很 长的原理实 现表面物理 与表面化学 的研究 1.可控热核聚变的研究； 2.时间基准氢分子镜的制作3.表面物理表面化学的研究 4.宇宙空间环境的模拟； 5.大型同步质子加速器的运 转6.电磁悬浮式高精度陀螺仪 的制作。真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 真空的形成与程度区分n真空的形成必须借由外力的方式将气体 分子从一封闭的空间转移到该空间之外 。n n泵泵的运作是形成真空的首要机械，压
