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1、真空技术基础真空技术基础德莫德莫.克利特克利特（约在公元前（约在公元前460-370460-370年，大哲学家）年，大哲学家）认为世界的本源应是由原子和虚无组成，且原子认为世界的本源应是由原子和虚无组成，且原子在虚无中做永恒的运动在虚无中做永恒的运动 亚里士多德亚里士多德（约在公元前（约在公元前384-322384-322年，大哲学家）则认年，大哲学家）则认虚无绝不可能存在，空间必须有物质才虚无绝不可能存在，空间必须有物质才能够相互作用，所以空间决不会虚无到能够相互作用，所以空间决不会虚无到没有任何物质存在没有任何物质存在 托里拆力试验托里拆力试验十七世纪用抽水泵十七世纪用抽水泵它来排除矿井中
2、的它来排除矿井中的积水，无法将水抽积水，无法将水抽到到1010米以上的高度米以上的高度 伽利略（伽利略（1564156416421642）物理學家、數學家、天文學物理學家、數學家、天文學家及哲學家家及哲學家 “真空力真空力”托里拆力托里拆力（1608160816471647）物理学家、数学家物理学家、数学家 水银真空试验水银真空试验辈尔梯辈尔梯数学家、天文学家数学家、天文学家水真空试验水真空试验 （当时未成功）（当时未成功）托里拆力试验托里拆力试验在在20世纪初，真空技术获得了世纪初，真空技术获得了飞速发展，被广泛应用于军事及民飞速发展，被广泛应用于军事及民用领域。同样，真空技术也是薄膜用领域
3、。同样，真空技术也是薄膜制备的基础。制备的基础。本章将对真空的基本知识、真本章将对真空的基本知识、真空的获得、真空的测量等基础知识空的获得、真空的测量等基础知识进行介绍。进行介绍。几个基本概念：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：实验或工艺过程中所必需的气体压力。极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达 到的最低气压。真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。真空度单位：气压的单位。真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。表表1 1 几种压强单位的换算关系几种压强单位的换算关系单位单位帕（帕（
4、Pa）托托（torr）毫巴毫巴（mba）标准大气压标准大气压（atm）1Pa17.510-3110-29.8710-61torr133.311.3331.31610-31mba1000.7519.8710-41atm1.0131057601.0131031第一节第一节、真空的基本知识、真空的基本知识一、表示真空程度的单位一、表示真空程度的单位二、真空区域的划分二、真空区域的划分粗真空低真空 高真空超高真空极高真空粘滞流粘滞流粘滞流粘滞流分子流分子流分子流分子流气体吸附气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象固体表面捕获气体分子的现象 物物理理吸吸附附：没没有有选选择择性性、主主要要靠靠分分子子之之
5、间间的的吸吸引引力力、容容易易发发生生脱脱附附、一般只在低温下发生一般只在低温下发生化化学学吸吸附附：在在较较高高温温度度下下发发生生、不不容容易易脱脱附附，只只有有气气体体和和固固体体表表面面原原子接触生成化合物才能产生吸附作用。子接触生成化合物才能产生吸附作用。气体脱附：是吸附的逆过程。气体脱附：是吸附的逆过程。影影响响因因素素:气气体体压压强强、固固体体温温度度、固固体体表表面面吸吸附附的的气气体体的的密密度度和和固固体体本本身身的的性性质质（如如表表面面光光滑滑度度、清清洁洁度度等等）、以以及及电电吸吸附附、化化学学吸吸附作用的影响。附作用的影响。三、固体对气体的吸附及气体的脱附三、固
6、体对气体的吸附及气体的脱附表表1-2 1-2 几种常用真空泵的工作压强范围几种常用真空泵的工作压强范围真空泵工作压强/Pa104102110-210-410-610-810-10气体传输旋片机械泵旋片机械泵复合分子泵复合分子泵扩散泵气体捕获无油泵钛升华泵分子筛吸附泵溅射离子泵低温泵低温泵第二节第二节、真空的获得、真空的获得说明：由于不同泵种的工作压力范围不同，实际运用中为达一定的真空度，将两种或以上的真空泵组合起来形成真空泵机组。机机械械泵泵是是运运用用机机械械方方法法不不断断地地改改变变泵泵内内吸吸气气空空腔腔的的体体积积，使使被被抽抽容容器器内内气气体体的的体体积积不不断断膨膨胀胀，从从而
7、而获获得得真真空空的的装装置置。它它可可以以直直接接在在大大气气压压下下开开始始工工作作，极极限限真真空空度度一一般般为为1110-2Pa，抽抽气气速速率率与与转转速速及及空空腔腔体体积积V V的的大大小小有有关关，一一般般在每秒几升到每秒几十升之间在每秒几升到每秒几十升之间。一、旋片式机械真空泵一、旋片式机械真空泵旋片式机械泵通常由旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，
8、片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由内壁上。转子的转动是由马达带动的，定子置于油马达带动的，定子置于油箱中，油起到密封、润滑箱中，油起到密封、润滑与冷却的作用。与冷却的作用。n工工作作原原理理：当当转转子子顺顺时时针针转转动动时时，空空气气由由被被抽抽容容器器通通过过进进气气管管被被吸吸入入，旋旋片片随随着着转转子子的的转转动动使使与与进进气气管管相相连连的的区区域域不不断断扩扩大大，而而气气体体就就不不断断地地被被吸吸入入。当当转转子子达达到到一一定定位位置置时时，另另一一旋旋片片把把被被吸吸入入气气体体的的区区域域与与被被抽抽容容器器隔隔
9、开开，并并将将气气体体压压缩缩，直直到到压压强强增增大大到到可可以以顶顶开开出出气气口口的的活活塞塞阀阀门门而而被被排排出出泵泵外外，转转子子的的不不断断转转动使气体不断地从被抽容器中抽出。动使气体不断地从被抽容器中抽出。n特点与使用：单独使用或用作其他泵的前级泵，低特点与使用：单独使用或用作其他泵的前级泵，低真空系统。真空系统。n缺点：油污染缺点：油污染附：干泵附：干泵涡轮分子泵涡轮分子泵 二、复合分子泵二、复合分子泵多级叶片连续压多级叶片连续压缩保证了高抽速缩保证了高抽速（1000 1000 l/s)/s)牵引分子泵牵引分子泵 结构简单结构简单转速较小转速较小压缩比大压缩比大 复合式分子泵
10、复合式分子泵涡轮分子泵抽气能力高涡轮分子泵抽气能力高牵引分子泵压缩比大牵引分子泵压缩比大极限真空度：极限真空度：10-110-8Pa三、低温泵三、低温泵工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附物质对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。的表面积和吸附气体的种类等。两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连，
11、工作温蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连，工作温度在度在7080K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧化碳等，主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏化碳等，主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏蔽板顶端或侧壁装有障板，向着低温板的一面涂蔽板顶端或侧壁装有障板，向着低温板的一面涂（镀）黑，外面镀银抛光，用以降低二级冷头的（镀）黑，外面镀银抛光，用以降低二级冷头的热负荷。主抽气低温板用铟垫片连接到制冷机二热负荷。主抽气低温板用铟垫片连接到制冷机二级冷头上，外表面镀银抛光，内壁粘活性炭。低级冷头上，外表面镀银抛光，内壁粘活性炭。低温板工作温度低于温板工作温度低于20K（通常为（通常为
12、1415K），能），能大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体。低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体。极限真空度：极限真空度：10-110-8Pa附：罗茨泵附：罗茨泵 扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（度（1.330.133Pa）。）。一般与旋片机械泵串联使一般与旋片机械泵串联使用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散
13、，一般能达到和气体分子的反扩散，一般能达到1.3310-51.3310-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升抽气速率与结构有关，每秒几升几百升不等。几百升不等。油扩散泵的结构如示意图油扩散泵的结构如示意图 附：扩散泵附：扩散泵泵的底部泵的底部是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高
14、速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去并且，在射流的界面内，气体分子不可能长下飞去并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小由于这个浓期滞留，因而界面内气体分子浓度较小由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流度差，使被抽气体分得
15、以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走慢下来的蒸汽而被逐级带至出口，并被前级泵抽走慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用冷阱冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空系统的污染。应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物医药、原子能、宇宙探测等领域。1.扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？2.如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，
16、结果会怎样？思考：思考：加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应工作范围工作范围10-8-10-11Torr价格便宜，可靠价格便宜，可靠附：钛升华泵附：钛升华泵在阴阳两极之间加高压(5 kV)灯丝产生大量电子气体分子被电离，并在电场作用下加速飞向阴极.离子在阴极靶(钛)上轰击出钛原子溅射出来的钛和气体反应捕获气体10-4 Torr to 10-11 Torr附：溅射离子泵附：溅射离子泵优点优点无油，干净无油，干净没有可拆卸部分，无振动没有可拆卸部分，无振动.低能耗，使用寿命长低能耗，使用寿命长缺点缺点对稀有气体捕获效应不明显对稀有气体捕获效应不明显.每隔每隔4-6年年要重生钛要重生钛.应用应用无油超高真空机组的主泵，高无油超高真空机组的主泵，高能粒子加速器、受控热核反应能粒子加速器、受控热核反应装置、电真空器件、半导体材装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质谱仪料制备、电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超等科学实验装置及其它需要超高真空工业设备中。高真空工业设备中。上节课内容回顾1.真空的概念、划分及特点2.几个真空术语：本底真空度
