薄膜物理與技術(shù)-1真空技術(shù)基礎(chǔ)

1、q 真空的基本知識真空的基本知識q 稀薄氣體的基本性質(zhì)稀薄氣體的基本性質(zhì)q 真空的獲得真空的獲得q 真空的測量真空的測量真空與薄膜材料與技術(shù)有何關(guān)系？ 幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料制備都需要在真空或較低的氣壓條件下進(jìn)行 都涉及真空下氣相的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)過程；了解真空的基本概念和知識，掌握真空的獲得和測量技術(shù)基礎(chǔ)知識 是了解薄膜材料制備技術(shù)的基礎(chǔ)！1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識中學(xué)物理內(nèi)容：1643年 托里切利 (Torricelli) 著名的大氣壓實(shí)驗(yàn) 為人類首次揭示了 真空 這個(gè)物理狀態(tài)的存在！ 管內(nèi)水銀柱上方空間內(nèi)，因已排除空氣的存在而形成真空 (托里切利真空) 圖中A、B、C三點(diǎn)壓

2、力相等，A、C點(diǎn)：大氣壓；B點(diǎn)：水銀柱產(chǎn)生的壓力 換句話說：可用水銀柱產(chǎn)生的壓力 作為 大氣壓力 的量度! 把高度為760 mm的水銀柱所產(chǎn)生的壓力定義為1個(gè)大氣壓 (1 atm) 1 atm = 760 mmHg ！結(jié)果：得到了“真空”的物理存在和大氣壓的定義與量度依據(jù)！1.1 真空的基本知識概念：利用外力將一定密閉空間內(nèi)的氣體分子移走， 使該空間內(nèi)的氣壓小于 1 個(gè)大氣壓， 則該空間內(nèi)的氣體的物理狀態(tài)就被稱為真空。注意：真空，實(shí)際上指的是 一種低壓的、稀薄的氣體狀態(tài)， 而不是指“沒有任何物質(zhì)存在”！因此，真空可分為現(xiàn)代真空技術(shù)的極限：每 cm3空間內(nèi)僅有數(shù)百個(gè)氣體分子 對應(yīng)氣壓 10-12

3、 Pa宇宙(自然)真空：宇宙空間內(nèi)存在的真空人為真空：利用真空設(shè)備獲得的容器內(nèi)真空絕對真空是不絕對真空是不存在的！存在的！1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識1.1.1 真空的定義及其度量單位1.1.1 真空的定義及其度量單位 真空的實(shí)質(zhì)：一種低壓氣體物理狀態(tài) 真空度采用氣體壓強(qiáng)表征 真空度的單位 = 氣體壓強(qiáng)的單位 注意：真空度和氣壓的意義相反 真空度 意味著 氣壓 主要單位制 換算基礎(chǔ)：1 N105 dyne0.225 lbf 1 atm760 mmHg（torr）1.013105 Pa1.013 baratm 760/1 mmHg 1 torr1mmHgin/lbf 1 PSI 1F

4、PSdyne/cm 10 bar 1 CGSm/N 1 Pa 1SIMKS2262制）毫米汞柱制（制）英制（制）厘米克秒制（制）制，即國際單位制（1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識法定計(jì)量單位法定計(jì)量單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義?1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識1.1.1 真空的定義及其度量單位目前標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義：0 oC，水銀密度 ； 重力加速度 時(shí)，760 mm水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，用atm表示，則：在此基礎(chǔ)上，可以導(dǎo)出壓強(qiáng)的非法定單位與帕之間的關(guān)系.313.59509/g cm2980.665/gcm s32251atm76013.59509 g/980.665/1013

5、249/101324.91.013 10mmcmcm sdyn cmPaPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義1.1.1 真空的定義及其度量單位 不同真空度單位制間的換算關(guān)系：說明：1、mmHg是人類使用最早、最廣泛的壓強(qiáng)單位； 1958年為紀(jì)念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr1 mmHg 2、早期的真空度計(jì)量常以 torr 或 mbar 為單位； 目前隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)，SI（MKS）制單位應(yīng)用日漸廣泛 真空度用 Pa 作單位torr/mmHgPabaratmPSI1 torr(1 mmHg)1.333102(1.013105/760)1.33310-3(1.013/760)1.3161

6、0-3(1/760)1.933710-21 Pa7.50110-3(760/1.013105)10-59.86910-6(1/1.013105)1.450410-41 bar7.5011021059.86910-11.45041011 atm760.01.0131051.0131.46961011 PSI51.71496.89481036.894810-26.804610-2法定計(jì)量單位1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識記憶：33441.1.2 真空度的劃分1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識 氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以熱運(yùn)動熱運(yùn)動為主，為主，分子之

7、間碰撞頻繁。分子之間碰撞頻繁。低真空，可以獲得壓力差而不低真空，可以獲得壓力差而不改變空間的性質(zhì)。（如吸塵器、抽濾）改變空間的性質(zhì)。（如吸塵器、抽濾） 容器中分子數(shù)很少，分子平均自由程大于一般容器的線度，分子容器中分子數(shù)很少，分子平均自由程大于一般容器的線度，分子流動為分子流，分子與容器壁碰撞為主，在此真空下蒸發(fā)材料，粒流動為分子流，分子與容器壁碰撞為主，在此真空下蒸發(fā)材料，粒子將按直線飛行。（拉制單晶、表面鍍膜、電子管生產(chǎn)）子將按直線飛行。（拉制單晶、表面鍍膜、電子管生產(chǎn)）中真空，氣體分子密度與大氣狀態(tài)有很大差別。中真空，氣體分子密度與大氣狀態(tài)有很大差別。氣體分子的流動氣體分子的流動從黏滯流

8、狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，氣體對流現(xiàn)象消失。從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，氣體對流現(xiàn)象消失。氣體中帶電氣體中帶電離子在電場作用下，離子在電場作用下， 產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。（離子鍍、濺射鍍膜等產(chǎn)生氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。（離子鍍、濺射鍍膜等氣體放電和低溫等離子體相關(guān)鍍膜技術(shù)）氣體放電和低溫等離子體相關(guān)鍍膜技術(shù)） 氣體分子數(shù)更少，幾乎不存在分子間碰撞，此時(shí)氣體分子在固體表面上氣體分子數(shù)更少，幾乎不存在分子間碰撞，此時(shí)氣體分子在固體表面上是以吸附停留為主。入射固體表面的分子數(shù)達(dá)到單分子層需要的時(shí)間也較長，是以吸附停留為主。入射固體表面的分子數(shù)達(dá)到單分子層需要的時(shí)間也較長，可以獲得純凈表面。（薄膜沉積、表面分析可以獲得純

9、凈表面。（薄膜沉積、表面分析) 氣體分子入射固體表面的頻率已經(jīng)很低，可以氣體分子入射固體表面的頻率已經(jīng)很低，可以保持表面潔凈。適合分子尺寸加工及納米科學(xué)的研保持表面潔凈。適合分子尺寸加工及納米科學(xué)的研究。究。1.1.3 氣體與蒸氣1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 真空的基本知識臨界溫度臨界溫度：對于每一種氣體都有一個(gè)特定的溫度，高于此溫度，氣體無論如何壓縮都不會液化，這個(gè)溫度稱為該氣體的臨界溫度。溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為氣體氣體，低于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)稱為蒸氣蒸氣。實(shí)際應(yīng)用中，通常以室溫標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分氣體和蒸氣。表1-2各種物質(zhì)的臨界溫度。P3氣態(tài)的兩種形式常見物質(zhì)的臨界溫度：空氣 -140 0C；

10、氧氣 -118 0C ； 氮?dú)?-267.8 0C酒精 243 0C ；水 374.2 0C； Fe 3700 0C1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.1 理想氣體定律（一定質(zhì)量的氣體）式中：n 分子密度 (個(gè)/m3)； k 玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 J/K； P 氣體壓強(qiáng) (Pa)； T 氣體溫度 (K)； V 氣體體積 (m3)； m 氣體質(zhì)量 (kg)； M 氣體分子量 (kg/mol)； R 普適氣體常數(shù)，R = NAk = 8.314 J/molK； NA Avogadro常數(shù)，6.021023 個(gè)/mol；TnPkTPnk Avogadro定律： 一定溫度、壓力下，各種氣體單位體

11、積內(nèi)含有的分子數(shù)相同。理想氣體狀態(tài)方程： TnPkTmPVRM或（1） 波義耳定律 T恒定（2） 蓋呂薩克定律 P恒定（3） 查理定律 V恒定PVCC（ 為常數(shù)）VCTPCT1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)氣體分子密度氣體分子密度1.2.2 氣體分子的速度分布在平衡狀態(tài)時(shí)，分布在任一速度區(qū)間vv+dv內(nèi)，分子的幾率，滿足麥克斯韋-波爾茲曼分布：32224exp22mdNmmvv dvkTNkTN容器中氣體分子總數(shù)， 為氣體分子質(zhì)量,T為溫度。麥克斯韋速度分布函數(shù)22232exp24)(vkTmvkTmvf物理意義是：速率在v附近的單位速率區(qū)間的分子數(shù)占分子總數(shù)的百分比；或者說一個(gè)分子的

12、速率在速率v附近單位速率區(qū)間的概率。因此，也叫做分子速率分布的概率密度。 1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)( )dNmf v dvN確 定 ， 溫 度 確 定 ，1.2.2 氣體分子的速度分布1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)平衡溫度越低，曲線越陡，分子按速率分布越集中；溫度越高，曲線越平緩，分子按速率分布越分散。1. 最可幾速率（速率極大值?）MRTMRTmkTvm41. 1222. 平均速率MRTMRTmkTva59. 1883. 均方根速率MRTMRTmkTvr73. 133討論速度分布計(jì)算分子運(yùn)動平均距離計(jì)算分子平均動能1.2.2 氣體分子的速度分布1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.

13、2 稀薄氣體的性質(zhì): :=1.225: 1.128: 1ramv v v物理意義是：若把整個(gè)速率范圍分成許多相等的小區(qū)間，則Vm所在的區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占分子總數(shù)的百分比最大，又稱為又稱為最概然速率最概然速率。利用概率求平均值，對于連續(xù)型隨機(jī)變量，若分布函數(shù)為P(X),則統(tǒng)計(jì)平均值定義為：( )xxx dx例1 計(jì)算400K溫度下氧氣的方均根速率、平均速率和最可幾速率。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.2 氣體分子的速度分布1. 最可幾速率MRTMRTmkTvm41. 1222. 平均速率MRTMRTmkTva59. 1883. 均方根速率MRTMRTmkTvr73. 133空氣25

14、時(shí)0.667()cm PaP23310 21.38 102986.67 10 ()1.41 3.14 (3.5 10)m Pa（）每個(gè)氣體分子在與其它氣體分子連續(xù)2次碰撞之間運(yùn)動經(jīng)歷的路程。 平均自由程（ ）：氣體分子自由程的統(tǒng)計(jì)平均值。 1.2.3 氣體分子的自由程（）nkTP PkT22.()Pconst種類和溫度一定n221-分子直徑；n分子密度P=10-4Pa時(shí)，667066.7cmmP=10-3Pa時(shí)，6676.67cmm 薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是66米。即使再差， 10-3Pa，自由程大約是6.6米。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)氣體吸附：氣體

15、吸附： 氣體吸附就是固體表面俘獲氣體分子的現(xiàn)象。氣體吸附就是固體表面俘獲氣體分子的現(xiàn)象。 分為物理吸附和化學(xué)吸附。分為物理吸附和化學(xué)吸附。 物理吸附靠分子間的相互吸引引起的，任何氣體在固體表面均會發(fā)物理吸附靠分子間的相互吸引引起的，任何氣體在固體表面均會發(fā)生，吸附后容易脫附。生，吸附后容易脫附。 化學(xué)吸附在較高溫度下發(fā)生，只有當(dāng)氣體與固體表面原子接觸生成化學(xué)吸附在較高溫度下發(fā)生，只有當(dāng)氣體與固體表面原子接觸生成化合物時(shí)才能產(chǎn)生吸附作用，氣體不易脫附?；衔飼r(shí)才能產(chǎn)生吸附作用，氣體不易脫附。 氣體脫附氣體脫附 是氣體吸附的逆過程。是氣體吸附的逆過程。影響因素：影響因素：氣體的壓強(qiáng)、固體的溫度、固

16、體表面吸附氣體的密度以及固體氣體的壓強(qiáng)、固體的溫度、固體表面吸附氣體的密度以及固體本身的性質(zhì)如光潔程度、清潔度本身的性質(zhì)如光潔程度、清潔度等等1.2.4 碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律(氣體分子與表面的相互作用氣體分子與表面的相互作用)1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)包括：氣體分子跟器壁表面的碰撞，也包括反射或被吸附。1.2.4 碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律入射頻率入射頻率（入射通量或碰撞次數(shù)）（入射通量或碰撞次數(shù)）：單位時(shí)間，在單位：單位時(shí)間，在單位面積的器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)面積的器壁上發(fā)生碰撞的氣體分子數(shù)1v4an赫茲克努曾公式赫茲克努曾公式描述

17、氣體熱運(yùn)動重要公式mkTP2PnkTP MRTmkTva881 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)入射入射頻率頻率P=1.3*10-4Pa，T=270C423.7 10cm s個(gè)/()襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：襯底完全被一層分子覆蓋所需時(shí)間：2ANNMRTtN PN為表面原子密度為表面原子密度常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)常溫常壓下，潔凈表面被雜質(zhì)完全覆蓋所需時(shí)3.5 10-9 s, 而在而在10-8Pa的高真空中，這一時(shí)間為的高真空中，這一時(shí)間為10h。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)?。所以在薄膜制備技術(shù)中獲得和保持適當(dāng)?shù)恼婵斩仁呛苤匾?。真空度是很重要的?.2.4

18、碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)例例1，求，求0，P = 1.3 10-4Pa氧氣氧氣，1 1）氣體分子密度；）氣體分子密度；2) 2) 分子平均速度；分子平均速度；3 3）平均自由程；）平均自由程；4 4）碰撞次數(shù)；）碰撞次數(shù)；5 5）固體表面形成形成單分子層的時(shí)間；固體表面形成形成單分子層的時(shí)間；6 6）每分鐘成膜厚度。）每分鐘成膜厚度。（已知（已知0氧氣分子直徑氧氣分子直徑3.63.6 10-8 cm，單分子層分子數(shù)8.7 1014 個(gè)/ cm2）32488 8.31 2733.1432 104.3 10 (/ )4.3 10 (/ )

19、aRTvMm scm s解：（1）氣體分子密度氣體分子密度 （2 2）分子平均速度）分子平均速度 （3）平均自由程平均自由程22151m22kTnP（）163(3.5 10m )PnT個(gè)/1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)162182142113.5 104.3 103.8 10/)443.8 10/)anvmscms(分子(分子4 4）碰撞次數(shù)）碰撞次數(shù)5 5）固體表面形成形成單分子層的時(shí)間）固體表面形成形成單分子層的時(shí)間6 6）每分鐘成膜厚度）每分鐘成膜厚度609.5 nm/min)t（22.3 sANNMRTtN P（）若P = 1.3 10

20、-8Pa，t= 2.3 104s1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)課本P6反射情況反射情況 碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射碰撞于固體表面的分子，它們飛離表面的方向與原入射方向無關(guān)，并按與表面法線方向成方向無關(guān)，并按與表面法線方向成角的余弦進(jìn)行分布。角的余弦進(jìn)行分布。 一個(gè)分子在離開其表面時(shí)，處于立體角一個(gè)分子在離開其表面時(shí)，處于立體角d中的幾率為中的幾率為 理論與實(shí)驗(yàn)研究證明了如下的余弦定律。理論與實(shí)驗(yàn)研究證明了如下的余弦定律。cosddp1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.4 碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律余弦定律（又稱克努曾定律），重要意義

21、在于：余弦定律（又稱克努曾定律），重要意義在于：q 它揭示了固體表面對氣體分子作用的另一個(gè)方面，它揭示了固體表面對氣體分子作用的另一個(gè)方面，即分子原有的方向性徹底即分子原有的方向性徹底“消除消除”，均按余弦定律，均按余弦定律散射。散射。q 分子在固體表面上要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子在固體表面上要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動量交換的先決條分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動量交換的先決條件，這一點(diǎn)有重要意義。件，這一點(diǎn)有重要意義。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.4 碰撞次數(shù)與余弦散射定律碰撞次數(shù)與余弦散射定律 想要得到高純度的薄膜，就必須盡量在較高真想要得

22、到高純度的薄膜，就必須盡量在較高真空度的環(huán)境下，或是在不會與薄膜材料產(chǎn)生反應(yīng)的空度的環(huán)境下，或是在不會與薄膜材料產(chǎn)生反應(yīng)的氬氣等的惰性氣體中進(jìn)行。氬氣等的惰性氣體中進(jìn)行。（1）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生碰撞；）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生碰撞；（2）避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生反應(yīng)。避免被蒸發(fā)分子或原子與氣體分子發(fā)生反應(yīng)。 特例：特例：也有故意讓原料氣體和其它氣體發(fā)生反應(yīng)而也有故意讓原料氣體和其它氣體發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生新的性質(zhì)優(yōu)良的材料的情形，這種稱為反應(yīng)性產(chǎn)生新的性質(zhì)優(yōu)良的材料的情形，這種稱為反應(yīng)性濺鍍或是反應(yīng)性蒸鍍。濺鍍或是反應(yīng)性蒸鍍。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性

23、質(zhì)1.2.5 真空在薄膜制備中的作用真空在薄膜制備中的作用1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5 真空在薄膜制備中的作用真空在薄膜制備中的作用 蒸發(fā)分子蒸發(fā)分子在行進(jìn)中，一部分會被殘余氣體分子碰撞而散亂。在行進(jìn)中，一部分會被殘余氣體分子碰撞而散亂。設(shè)設(shè)N0個(gè)蒸發(fā)分子行進(jìn)距離個(gè)蒸發(fā)分子行進(jìn)距離d后未受到殘留氣體分子碰撞的數(shù)目為：后未受到殘留氣體分子碰撞的數(shù)目為：被碰撞的分子被碰撞的分子N1與總分子數(shù)與總分子數(shù)N0的比例關(guān)系：的比例關(guān)系：10011ddNNfeNN 0ddNN e當(dāng)平均自由程等于蒸發(fā)源到基片的距離時(shí)，有63%的分子會受到散射；平均自由程增大10倍，則碰撞的分子數(shù)減少到9

24、%。當(dāng)平均自由程比蒸發(fā)源到基片的距離大的多的情況下，才能有效地減少碰撞。e=2.718真空度對薄膜質(zhì)量的影響真空度對薄膜質(zhì)量的影響考慮自由程：考慮自由程：0.667P 薄膜技術(shù)中最常用的真空度為薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是自由程大約是66米。即使再差，米。即使再差， 10-3Pa，自由程大約是自由程大約是6.6米。米。 所以不所以不需要考慮飛行中的薄膜材料需要考慮飛行中的薄膜材料( (蒸發(fā)分子蒸發(fā)分子) )和殘存氣和殘存氣體沖撞所產(chǎn)生的影響。體沖撞所產(chǎn)生的影響。 P=10-4Pa時(shí)，時(shí)，667066.7cmmP=10-3Pa時(shí)，時(shí)，6676.67cmm1 真空技術(shù)基礎(chǔ)

25、1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5 真空在薄膜制備中的作用真空在薄膜制備中的作用1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 稀薄氣體的性質(zhì)1.2.5 真空在薄膜制備中的作用真空在薄膜制備中的作用殘余氣體分子到達(dá)基片的速率：殘余氣體分子到達(dá)基片的速率：12(2)AGAGpNJRTN為阿伏伽德羅常數(shù)；為殘余分子的摩爾質(zhì)量。蒸發(fā)分子到達(dá)基片的速率：蒸發(fā)分子到達(dá)基片的速率：, , , AdNFtdt分別為膜層的密度、厚度、膜層材料的摩爾質(zhì)量和蒸發(fā)時(shí)間。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得1.3.1 氣體的流動狀態(tài)高真空時(shí)，氣體分子除與容器壁碰撞外，幾乎不發(fā)生氣體分子間的相互碰撞。這種氣體流動狀態(tài)稱為分子流動狀態(tài)分子流動狀

26、態(tài)。分子流動狀態(tài)的特點(diǎn)是氣體分子的平均自由程超過了氣體容器的尺寸或與其相當(dāng)。氣壓較高時(shí)，氣體分子的平均自由程很短，氣體分子相互碰撞極為頻繁。這種氣體流動狀態(tài)稱為氣體的粘滯流動狀態(tài)氣體的粘滯流動狀態(tài)。粘滯流動狀態(tài)物理機(jī)理復(fù)雜。低速流時(shí)，粘滯流動處于層流狀態(tài)層流狀態(tài)。 氣體流速較高，各種氣體流動方向間不再能保持相互平行的狀態(tài)，而呈現(xiàn)出一種旋渦式的流動形式。流動氣體中出現(xiàn)一些低氣壓的漩渦，流動路徑上的任何微小阻礙都會對流動產(chǎn)生很大影響，這種流動狀態(tài)稱滯留滯留狀態(tài)狀態(tài)。氣體流動可按氣體流動可按克努森準(zhǔn)數(shù)克努森準(zhǔn)數(shù)來劃分：來劃分： Kn = D/ D為容器尺寸；為容器尺寸； 為平均自由程為平均自由程 分

27、子流狀態(tài)：分子流狀態(tài)：Kn 1 中中 間間 狀狀 態(tài)：態(tài)：Kn=1110 粘滯流狀態(tài)：粘滯流狀態(tài)：Kn 110氣體流動狀態(tài)與真空系統(tǒng)尺寸和氣氣體流動狀態(tài)與真空系統(tǒng)尺寸和氣體壓力之間的關(guān)系體壓力之間的關(guān)系1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得1.3.1 氣體的流動狀態(tài)目前常用獲得真空的設(shè)備有：目前常用獲得真空的設(shè)備有： 旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵 油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵 復(fù)合分子泵復(fù)合分子泵 分子篩吸附泵分子篩吸附泵 鈦升華泵鈦升華泵 濺射離子泵濺射離子泵 低溫泵低溫泵屬于氣體傳輸泵，即通過氣體吸入屬于氣體傳輸泵，即通過氣體吸入并排出真空泵從而達(dá)到排氣的目的并排出真空泵從而達(dá)到排氣的目的屬于氣體捕

28、獲泵，即通過各種吸氣屬于氣體捕獲泵，即通過各種吸氣材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸材料特有的吸氣作用將被抽氣體吸除，以達(dá)到所需真空。除，以達(dá)到所需真空。不需要油作為介質(zhì)，又稱為無油泵不需要油作為介質(zhì)，又稱為無油泵1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3.2 真空的獲得真空的獲得：就是所謂的“抽真空”！ 利用各種真空泵把容器內(nèi)的空氣抽出，使其內(nèi)部壓強(qiáng)保持在 1 atm的特定壓強(qiáng)范圍！各種真空泵（Pump）極限真空（極限壓強(qiáng)極限真空（極限壓強(qiáng)Pu）和抽氣速率）和抽氣速率 是表示真空泵性能的兩個(gè)重要參數(shù)。是表示真空泵性能的兩個(gè)重要參數(shù)。極限壓強(qiáng)是該系極限壓強(qiáng)是該系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)；抽氣速率是在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間統(tǒng)

29、所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)；抽氣速率是在規(guī)定壓強(qiáng)下單位時(shí)間抽出氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間。抽出氣體的體積，它決定抽真空所需要的時(shí)間。理論上，一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度：理論上，一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度：dtdPSVSQPPiuPu-真空泵的極限真空（真空泵的極限真空（Pa），）， Q-泵內(nèi)各種氣源（泵內(nèi)各種氣源（PaL/s），）， S-泵的抽氣速率（泵的抽氣速率（L/s），）， V-真空室體積（真空室體積（L），）， Pi-被抽空被抽空間氣體的分壓強(qiáng)（間氣體的分壓強(qiáng)（Pa），），t-時(shí)間（時(shí)間（s）1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3.2 真空的獲得1.3.2 真空的獲得真空泵的分類及常用工作壓強(qiáng)范圍說明

30、：從大氣壓力開始抽氣，沒有一種真空泵可以涵蓋從1 atm到10-8 Pa的工作范圍 真空泵往往需要多種泵組合構(gòu)成復(fù)合抽氣系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)以更高的抽氣效率達(dá)到所需的高真空！氣體輸運(yùn)泵旋片式機(jī)械泵（Rotary Pump）單級：1051 Pa 雙級：10510-2 Pa羅茨泵（Booster Pump / Roots Pump）10310-1 Pa 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。氣體捕獲泵濺射離子泵（Ion Pump）10-310-11 Pa 鈦升華泵（Titanium Sublimation Pump）

31、10-310-11 Pa 低溫冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵（Sorption Pump）10210-3 Pa 。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得泵組合泵組合例如：例如： 油封機(jī)械泵油封機(jī)械泵油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵10-610-8Pa 吸附泵吸附泵濺射離子泵鈦升華泵濺射離子泵鈦升華泵10-610-9Pa 機(jī)械泵機(jī)械泵復(fù)合分子泵復(fù)合分子泵獲得超高真空獲得超高真空前級泵前級泵次級泵次級泵 泵泵1 泵泵2真空室真空室真空室真空室 泵泵1泵泵2 并聯(lián)可以提高抽速并聯(lián)可以提高抽速 串聯(lián)可以提高極限真空度串聯(lián)可以提高極限真空度從圖表中可以看出，沒有一種泵能直接從大氣一直工作到超

32、高真空。因此從圖表中可以看出，沒有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空。因此常常將幾種泵組合使用，實(shí)現(xiàn)預(yù)定真空。常常將幾種泵組合使用，實(shí)現(xiàn)預(yù)定真空。1.2 真空的獲得1.2.1 旋片式機(jī)械泵（Rotary Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理1、擴(kuò)張（吸氣）2、容積最大3、壓縮4、排氣機(jī) 械 泵：利用機(jī)械運(yùn)動部件轉(zhuǎn)動或滑動形成的輸運(yùn)作用獲得真空的泵。分 類：旋片式（最常見）、定片式、滑閥式運(yùn)轉(zhuǎn)模式：吸氣 壓縮 排氣 （不斷循環(huán)）基本特點(diǎn)：需加真空油（密封用）；可從大氣壓開始工作； 真空度要求低 可單獨(dú)使用；真空度要求高 作為 前級泵 使用工作區(qū)間：單級：1051 Pa；雙級：105

33、10-2 Pa優(yōu)、缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；有油污染的問題（油飽和蒸氣壓要低）。雙級機(jī)械泵示意圖1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得浸入泵油1.2 真空的獲得1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理真空油歷經(jīng)循環(huán)：蒸發(fā) 噴射 碰撞 冷凝 回流工作原理：1）將真空油加熱到高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約200）；2）讓油蒸汽分多級向下定向高速噴出；3）大量油滴通過撞擊將動能傳遞給氣體分子；4）氣體分子向排氣口方向運(yùn)動，并在動壓作用下排出泵體；5）油氣霧滴飛向低溫介質(zhì)冷卻的泵體外壁，被冷卻凝結(jié)成液態(tài)后返回泵底部的蒸發(fā)器。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得工作區(qū)間

34、：110-6 Pa（因此需要前級機(jī)械泵提供1 Pa的出口壓力）優(yōu) 點(diǎn)：1）造價(jià)較低的高真空泵方案；2）沒有機(jī)械運(yùn)動部件。缺 點(diǎn)：油蒸汽回流有可能污染真空系統(tǒng)（不宜在分析儀器和超高真空場合使用）。必須與機(jī)械泵聯(lián)用射流速度射流速度 200m/s泵油要求：泵油要求： 化學(xué)穩(wěn)定性好（無毒、無腐蝕）化學(xué)穩(wěn)定性好（無毒、無腐蝕） 熱穩(wěn)定性好（高溫不分解）熱穩(wěn)定性好（高溫不分解） 抗氧化抗氧化 較低的飽和蒸氣壓（小于等于較低的飽和蒸氣壓（小于等于10-4Pa） 工作時(shí)應(yīng)有盡可能高的蒸氣壓工作時(shí)應(yīng)有盡可能高的蒸氣壓1.2.2 油擴(kuò)散泵（Diffusion Pump）1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得1.2

35、真空的獲得1.2.3 渦輪分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）工作原理工作原理：1）泵內(nèi)交錯布置轉(zhuǎn)向不同的多級轉(zhuǎn)子和定子；2）轉(zhuǎn)子葉片以20k60k r/min的高速旋轉(zhuǎn)；3）葉片通過碰撞將動能不斷傳遞給氣體分子；4）氣體分子被賦予動能后被逐級壓縮排出。工作區(qū)間：110-8 Pa 也需前級泵提供1 Pa的出口壓力，但可提供更高真空度優(yōu) 點(diǎn)：無油、抽速較高。缺 點(diǎn)：1）抽取低原子序數(shù)氣體能力較差； 2）造價(jià)高；3）不易維護(hù)。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得動量傳輸作用動量傳輸作用定子、轉(zhuǎn)子交互布置1.2 真空的獲得1.2.4 低溫吸附泵（Cyropu

36、mp）（a）外觀（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)多級深冷頭示意圖工作原理：利用20K以下的超低溫表面來凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣。 1）初級冷頭（外側(cè)溫度 = 5080 K）：吸附 水氣、CO2 等； 2）多級深冷頭（T 20 K）：外側(cè)光滑金屬表面 吸附 N2、O2、Ar； 內(nèi)側(cè)活性炭表面 吸附 H2、He、Ne工作區(qū)間：10-410-11 Pa優(yōu) 點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)目前最高的極限真空度：10-11 Pa。缺 點(diǎn)：1）屬于捕獲泵的一種，使用要求高，需要外加冷源（液氮、液氦或制冷機(jī)）； 2）需要“再生”處理。1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得1.2.5 羅茨泵羅茨泵1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得n工作原理：工作原理

37、： 泵體內(nèi)兩個(gè)呈泵體內(nèi)兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，且轉(zhuǎn)子間，轉(zhuǎn)子與泵體間無高，且轉(zhuǎn)子間，轉(zhuǎn)子與泵體間無需油作密封，轉(zhuǎn)速高，抽速快。需油作密封，轉(zhuǎn)速高，抽速快。n工作參數(shù)：工作參數(shù)：n理論抽速：理論抽速：Sp=Vf:n實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 1-103L/sn極限真空：極限真空：10-2 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向與旋片機(jī)械泵串聯(lián)使用，不能直接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣?，F(xiàn)正設(shè)計(jì)新型的可直接向空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)空氣排氣的羅茨泵。高真空系統(tǒng)；價(jià)格較貴。格較貴。羅茨泵結(jié)

38、構(gòu)示意圖羅茨泵結(jié)構(gòu)示意圖1.2.5 羅茨泵羅茨泵1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得吸氣排氣n工作原理：工作原理： 依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相依靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起互碰撞后引起氣體電離放電氣體電離放電，而電離后的氣體分子，而電離后的氣體分子在高速在高速撞擊陰極撞擊陰極時(shí)又會時(shí)又會濺射出大量的濺射出大量的Ti原子原子。由于。由于Ti原子的活性很高，因而它將以原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來形式捕獲大量的氣體分子并在泵體內(nèi)沉積下來，實(shí)，實(shí)現(xiàn)超高真空的獲得?，F(xiàn)超高真空的獲得。n工作參

39、數(shù)：工作參數(shù)：實(shí)際抽速：實(shí)際抽速： 決定于泵體口徑和陰極高壓決定于泵體口徑和陰極高壓極限真空：極限真空：10-8 Pan特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要與旋片機(jī)械泵和分子泵配合使用，需要抽預(yù)真空抽預(yù)真空(10-6 Pa)；無油污染；超高真空；無油污染；超高真空潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。潔凈系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖濺射離子泵結(jié)構(gòu)示意圖1.2.6 濺射離子泵1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.3 真空的獲得1.4 真空的測量1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.4 真空的測量n與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量技術(shù)，根據(jù)真空度（氣與真空環(huán)境獲得方法密切相關(guān)的是真空的測量技術(shù)，根據(jù)真空度（氣體壓

40、力）的范圍的不同，其測量方法和原理也各不同；體壓力）的范圍的不同，其測量方法和原理也各不同；n在真空技術(shù)中待測氣體壓強(qiáng)都很低，要在真空技術(shù)中待測氣體壓強(qiáng)都很低，要直接測量其壓強(qiáng)是極不容易直接測量其壓強(qiáng)是極不容易的。的。因此，因此，都是利用測定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，經(jīng)變換后都是利用測定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，經(jīng)變換后再確定其容器中的壓強(qiáng)再確定其容器中的壓強(qiáng)，從而得到容器的真空度；，從而得到容器的真空度；n任何具體物理特征，都是在某一壓強(qiáng)范圍內(nèi)變化比較顯著。因此，任任何具體物理特征，都是在某一壓強(qiáng)范圍內(nèi)變化比較顯著。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，即真空計(jì)的何方法都有其一

41、定的測量范圍，即真空計(jì)的“量程量程”；n目前，還沒有一種真空計(jì)能夠測量從大氣壓到目前，還沒有一種真空計(jì)能夠測量從大氣壓到10-10Pa的整個(gè)范圍真空的整個(gè)范圍真空度。度。n 真空測量元件常被稱為真空測量元件常被稱為真空規(guī)真空規(guī).1.4 真空的測量1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.4 真空的測量n真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量，常用的有三種方法：1. 熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)熱偶真空規(guī)和皮拉尼真空規(guī)2. 薄膜真空規(guī)薄膜真空規(guī)3. 電離真空規(guī)電離真空規(guī)1.4 真空的測量1 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1.4 真空的測量（1）真空測量技術(shù)真空測量技術(shù)-熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī)

42、熱偶規(guī)或皮拉尼規(guī) P14n皮拉尼工作原理皮拉尼工作原理：通過測量熱絲的：通過測量熱絲的電阻電阻隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)對真空度的測量。隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)對真空度的測量。熱偶規(guī)工作原理熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過熱電偶熱電偶測出熱絲測出熱絲 的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強(qiáng)。 測量范圍測量范圍： 皮拉尼皮拉尼 102-10-2Pa；熱偶規(guī)；熱偶規(guī) 10-4-10-2Pa n特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用： 都屬低真空測量，都屬低真空測量，儀器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。儀器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 對不同氣體的測量結(jié)果不同，因不

43、同氣體分子的導(dǎo)熱系數(shù)不同。對不同氣體的測量結(jié)果不同，因不同氣體分子的導(dǎo)熱系數(shù)不同。 Q = Q1 + Q2 + Q3 輻射 傳導(dǎo) 氣體 Q = Q1 + Q3 輻射 氣體（2）真空測量技術(shù)真空測量技術(shù)電離真空規(guī)電離真空規(guī)n工作原理工作原理：利用某種手段使進(jìn)入規(guī)管中的部分氣體分子發(fā)生電離，收集利用某種手段使進(jìn)入規(guī)管中的部分氣體分子發(fā)生電離，收集這些離子形成離子流；由于被測氣體分子所產(chǎn)生的離子流在一定壓力范這些離子形成離子流；由于被測氣體分子所產(chǎn)生的離子流在一定壓力范圍內(nèi)與氣體的壓力呈現(xiàn)出正比關(guān)系，則通過測量離子流的大小就可以反圍內(nèi)與氣體的壓力呈現(xiàn)出正比關(guān)系，則通過測量離子流的大小就可以反映出被測

44、氣體的壓力值。映出被測氣體的壓力值。n測量范圍測量范圍： 10-5 - 10-1 Pa n特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用：屬高真空和超高真空測量，通常與熱偶規(guī)同時(shí)使用。：屬高真空和超高真空測量，通常與熱偶規(guī)同時(shí)使用。n在熱陰極電離真空計(jì)規(guī)管中，由具有一定負(fù)電位的高溫陰極燈絲發(fā)射出在熱陰極電離真空計(jì)規(guī)管中，由具有一定負(fù)電位的高溫陰極燈絲發(fā)射出來的電子，經(jīng)陽極加速后獲得足夠的能量，在氣體中與分子碰撞時(shí)，可來的電子，經(jīng)陽極加速后獲得足夠的能量，在氣體中與分子碰撞時(shí)，可以引起分子的電離，產(chǎn)生正離子與電子。由于電子在一定的飛行路程中以引起分子的電離，產(chǎn)生正離子與電子。由于電子在一定的飛行路程中與氣體分子碰撞的次數(shù)

45、，正比于氣體分子的密度（單位體積中的分子數(shù)）與氣體分子碰撞的次數(shù)，正比于氣體分子的密度（單位體積中的分子數(shù)）n，也就是正比于氣體的壓力，也就是正比于氣體的壓力p，因此電離碰撞所產(chǎn)生的正離子數(shù)也與氣，因此電離碰撞所產(chǎn)生的正離子數(shù)也與氣體壓力成正比。利用收集極將正離子接受起來，根據(jù)所測離子流的大小體壓力成正比。利用收集極將正離子接受起來，根據(jù)所測離子流的大小來指示氣體壓力的大小。來指示氣體壓力的大小。（3）真空測量技術(shù)）真空測量技術(shù)-薄膜真空規(guī)薄膜真空規(guī)n工作原理工作原理：通過薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械位移，測量電極間電容，：通過薄膜在氣體壓力差下產(chǎn)生機(jī)械位移，測量電極間電容， 對氣壓進(jìn)行絕對測量，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)。對氣壓進(jìn)行絕對測量，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)。n測量范圍測量范圍： 10-3 - 100Pa (10-3 Pa相當(dāng)于薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小相當(dāng)于薄膜位移為一個(gè)原子尺寸大小)n特點(diǎn)與使用特點(diǎn)與使用： 屬高真空