真空技術(shù)基礎(chǔ)和真空計簡介

1、真空技術(shù)基礎(chǔ)和真空計簡介21真空的介紹2真空的獲得3真空的測量目錄3“真空”這一術(shù)語譯自拉丁文Vacuo，其意義是虛無。真空應(yīng)理解為氣體較稀薄的空間。在指定的空間內(nèi)，低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)統(tǒng)稱為真空。自然真空：宇宙空間所自然存在的人為真空：人類利用真空泵抽取所獲得的絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)相對真空：氣體稀薄，分子數(shù)較少的狀態(tài)真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。真空 （VACUUM）4真空技術(shù)的發(fā)展歷史最早的真空獲得和應(yīng)用，可追溯到公元前六世紀(jì)，我國煉鐵技術(shù)就相當(dāng)進步，為了熔化鐵，在煉鐵爐上配有鼓風(fēng)設(shè)備。最初使用的叫“鞲gu”的皮囊鼓風(fēng)、“風(fēng)箱”鼓風(fēng)。還有更為典型的例

2、子是中醫(yī)的拔火罐。兩千年前，它已在我國民間用作治病的工具。它很好地利用了空氣熱脹冷縮、蒸汽冷凝等物理現(xiàn)象來形成罐內(nèi)真空。5歷史上有確切記載獲得“真空”的卻是歐洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大氣壓實驗。他用一根一端封閉的細(xì)長玻璃管和一個盛水銀的小槽，先將水銀從玻璃管開口端灌入，直到灌滿全管。然后壓住開口，將玻璃管倒立在水銀槽內(nèi)，再打開壓住的開口。此時玻璃管中的水銀高度逐漸下降，直到距離小槽液面以上760毫米時，就不再下降了。61654年德國人葛利克發(fā)明了活塞真空泵。他為了證明大氣壓的巨大力量，曾做過一次公開實驗,他用兩個

3、直徑119厘米的半球合起來，用真空泵將球內(nèi)空氣抽除，因而求得的表面上所受大氣壓是很大的橫向分力，每個半球用8匹馬，才能向相反方向拉開。因為該實驗在德國馬德堡做的，故被稱為馬德堡半球?qū)嶒灦劽谑馈?1905年德國蓋得發(fā)明了機械泵，1906年皮拉尼發(fā)明熱阻真空計；之后，蓋得又于1913年和1915年先后發(fā)明了分子泵、擴散泵；1916年貝克利發(fā)明了熱陰極電離計。蓋德 發(fā)明的機械泵蓋德發(fā)明的分子泵8真空技術(shù)迅速從低真空發(fā)展到高真空，高真空技術(shù)的發(fā)展勢頭一直延續(xù)到第二次世界大戰(zhàn)。尤其是?？寺?936年發(fā)明了油擴散泵，潘寧1937年發(fā)明了冷陰極電離計，使得高真空技術(shù)在獲得和測量兩方面基本上已完善。直到今

4、天，這些發(fā)明還運用在多數(shù)真空系統(tǒng)上?，F(xiàn)代的有擴散泵9今天的真空技術(shù)，已能獲得和測量從大氣壓（105pa）到10-13pa，壓力范圍達18個數(shù)量級，并隨著某些新應(yīng)用的開拓而要求一步步地接近“理想真空”。 今天的真空技術(shù)：105pa 10-13pa真空技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域電子技術(shù)、航空航天技術(shù)、加速器、表面物理、微電子、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化工、冶金、日常生活等各個領(lǐng)域。（電子管、電視管、加速器、電子顯微鏡、鍍膜、杜瓦絕熱） 需要真空系統(tǒng)的微加工設(shè)備：電子束光刻設(shè)備，熱CVD，鍍膜設(shè)備，熱處理設(shè)備等等真空量度單位1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760Torr1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓5 Pa1mbar=100Pa760 m

5、m HgVacuumATM12單位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1真空（壓強）單位 真空度和壓強壓強越低，真空度越高；壓強越高，真空度越低。國際單位：帕斯卡（Pascal） Pa常用單位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm） 壓力范圍和真空泵真空度可分為： 氣流種類真空狀態(tài)真空壓力特性分析應(yīng)用范圍黏滯流(Viscous flow)初真空：

6、10 Pa105 Pa10 Pa105 Pa氣體分子間因黏滯力作用，氣體運動有方向性，此方向與抽氣方向相同 工業(yè)應(yīng)用（包裝）過渡流(Transition flow)中真空： 10-2 Pa10 Pa10-2 Pa10 Pa真空度在10-6Torr以內(nèi)時，水汽占70%-90%CVD沉積技術(shù)分子流(Molecular flow)高真空：10-2 Pa10-6 Pa 氣體分子跟管壁間碰撞教分子間碰撞多。氣體分子間隨意運動方向。 濺射沉積技術(shù)超高真空：10-6Pa10-10Pa原子表面和界面分析極高真空： 10-10Pa 10-9 Pa 月球大氣壓強 ，10-15Pa 星際空間壓強14超高真空超高真空

7、為得到超純的或精確摻雜的鍍膜或分子束外延生長晶體創(chuàng)造了必要的條件，這促進了半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路和超導(dǎo)材料等的發(fā)展，也為在實驗室中制備各種純凈樣品（如電子轟擊鍍膜、等離子鍍膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技術(shù)。超高真空可以提供一個“原子清潔”的固體表面，可有足夠的時間對表面進行實驗研究。這是一項重大的技術(shù)突破，它導(dǎo)致了近二十年來新興表面科學(xué)研究的蓬勃發(fā)展。無論在表面結(jié)構(gòu)、表面組分及表面能態(tài)等基本研方面，還是在催化，腐蝕等應(yīng)用研究都取得了發(fā)展。15氣體吸附就是固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象，吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附?jīng)]有選擇性，任何氣體在固體表面均可發(fā)生，主要靠分子間的相互吸引力引起的

8、。物理吸附的氣體容易發(fā)生脫附，而且這種吸附只在低溫下有效；化學(xué)吸附則發(fā)生在較高的溫度下，與化學(xué)反應(yīng)相似，氣體不易脫附，但只有當(dāng)氣體和固體表面原子接觸生成化合物時才能產(chǎn)生吸附作用。固體對氣體的吸附及氣體的脫附16固體對氣體的吸附及氣體的脫附氣體的脫附是氣體吸附的逆過程。通常把吸附在固體表面的氣體分子從固體表面被釋放出來的過程叫做氣體的脫附。一般地，影響氣體在固體表面吸附和脫附的主要因素是氣體的壓強、固體的溫度、固體表面吸附的氣體密度以及固體本身的性質(zhì)，如表面光潔程度、清潔度等。當(dāng)固體表面溫度較高時，氣體分子容易發(fā)生脫附，對真空室的適當(dāng)烘烤有利于真空的獲得就是利用這個道理。17固體對氣體的吸附及氣

9、體的脫附在一些有電離現(xiàn)象的真空泵和真空計中，都不同程度的存在電吸收作用和化學(xué)清除作用，這兩個因素也將加速固體對氣體的吸附。其中電吸收是指氣體分子經(jīng)電離后形成正離子，正離子具有比中性氣體分子更強的化學(xué)活潑性，因此常常和固體分子形成物理或化學(xué)吸附；化學(xué)清除現(xiàn)象常在活潑金屬（如鋇、鈦等）固體材料的真空蒸發(fā)時出現(xiàn)，這些蒸發(fā)的固體材料將與非惰性氣體分子生成化合物，從而產(chǎn)生化學(xué)吸附。主要的吸附劑主要的吸附劑主要的吸附劑主要的吸附劑真空的獲得氣體流動及導(dǎo)率氣體傳導(dǎo)率串聯(lián)的氣體傳導(dǎo)率：1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 并聯(lián)的氣體傳導(dǎo)率：C = C1 + C1 + C3 + 泵1泵2真空室真

10、空室泵1泵2并聯(lián)可以提高抽速 串聯(lián)可以提高極限真空度24大氣狀態(tài)所需真空度真空泵：具有抽氣功能的設(shè)備復(fù)合真空泵：前級泵次級泵真空泵的分類（1）輸運式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。 a、機械式氣體輸運泵：旋片式機械真空泵、羅茨泵、 渦輪分子泵。 b、氣流式氣體輸運泵：油擴散泵。（2）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲， 并排出系統(tǒng)之外。如低溫吸附泵、濺射離子泵。真空泵簡介旋轉(zhuǎn)葉片真空泵(機械泵)工作原理： 凡是利用機械運動（轉(zhuǎn)動或滑動）以獲得真空的泵，就稱為機械泵。它是一種可以從大氣壓開始工作的典型的真空泵，既可以單獨使用，又可作為高真空泵或超高真空泵的前級泵。由于這

11、種泵是用油來進行密封的，所以又屬于有油類型的真空泵。這類機械泵常見的有旋片式、定片式和滑閥式（又稱柱塞式）幾種，其中以旋片式機械泵最為常見。 極限真空：單級為2010-3 Torr； 兩級串聯(lián)能低于110-3 Torr26 旋片式真空泵是用油來保持各運動部件之間的密封，并靠機械的辦法，使該密封空間的容積周期性地增大，即抽氣；縮小，即排氣，從而達到連續(xù)抽氣和排氣的目的。右圖是單級旋片泵的結(jié)構(gòu)圖，泵體主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、進氣管和排氣管等組成。定子兩端被密封形成一個密封的泵腔。泵腔內(nèi)，偏心地裝有轉(zhuǎn)子，實際相當(dāng)于兩個內(nèi)切圓。沿轉(zhuǎn)子的軸線開一個通槽，槽內(nèi)裝有兩塊旋片，旋片中間用彈簧相連，彈簧使轉(zhuǎn)子旋

12、轉(zhuǎn)時旋片始終沿定子內(nèi)壁滑動。旋轉(zhuǎn)葉片真空泵(機械泵)機械泵的抽氣原理機械泵的結(jié)構(gòu) 泵體內(nèi)兩個呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，且轉(zhuǎn)子間，轉(zhuǎn)子與泵體間無需油作密封，轉(zhuǎn)速高，抽速快。羅茨（Roots)真空泵(無油泵)工作原理：（a）進氣 （b）隔離 （c）壓縮（d）排氣高真空用真空泵高真空泵分為兩類（1）轉(zhuǎn)移動量給氣態(tài)分子而抽吸氣體 擴散泵 （vapour pump） 分子泵 (turbo pump)（2）俘獲氣體分子 冷泵 （Cryo Pump） 離子泵 （Ion pump）渦輪分子泵（Turbo pumb）工作原理： 靠機械運動對氣體分子施加作用，并使氣體分子向特定方向運動的

13、原理來工作的。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，以20000-35000轉(zhuǎn)/分的高速旋轉(zhuǎn)，將動量傳給氣體分子，多級葉片的連續(xù)壓縮保證了分子泵的高效快速的工作。33Turbo Pump 工作原理圖34復(fù)合分子泵 分子泵是旋片式機械真空泵的一大發(fā)展。同機械泵一樣，分子泵也屬于氣體傳輸泵，但是它是一種無油類泵，可以與前級泵構(gòu)成組合裝置，從而獲得超高真空。目前，可把分子泵分為牽引泵（阻壓泵）、渦輪分子泵和復(fù)合分子泵三大類。其中，牽引泵在結(jié)構(gòu)上更為簡單，轉(zhuǎn)速較小，但壓縮比大；渦輪式分子泵又可以分成“敞開”葉片型和重疊葉片型。前者轉(zhuǎn)速高，抽速也較大，后者則恰好相反。復(fù)合型分子泵將渦輪分子泵抽氣能力高的優(yōu)

14、點和牽引分子泵壓縮比大的優(yōu)點結(jié)合在一起，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子而獲得超高真空。35復(fù)合分子泵冷泵（Cryopump）工作原理： 依靠氣體分子在低溫條件（20 K）下自發(fā)凝結(jié)或被其它物質(zhì)表面吸附的性質(zhì)實現(xiàn)對氣體分子的去除，進而獲得高真空的裝置 。 真空度依賴于低溫度，吸附物質(zhì)的表面積和吸附氣體的種類等。優(yōu)點：無振動，抽速快廣泛用于受控核聚變，粒子加速器和現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域37低溫泵是利用20K以下的低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣的一種泵，是目前具有最高極限真空的抽氣泵。它主要用于大型真空系統(tǒng)，如高能物理、超導(dǎo)材料的制備、宇航空間模擬站等要求高清潔、無污染、大抽速、高真空和超高真空等場合

15、。低溫泵又稱冷凝泵、深冷泵。按其工作原理又可分為低溫吸附泵、低溫冷凝泵、致冷機低溫泵。前兩種泵直接使用低溫液體（液氮、液氦等）來進行冷卻的，成本較高，通常僅作為輔助抽氣手段；致冷機低溫泵是利用制冷機產(chǎn)生的深低溫來進行抽氣的泵。抽氣原理分成以下三個機構(gòu)：（1）低溫冷凝（2）低溫吸附（3）低溫捕獲第一級冷凝面第二級冷凝面40比較：工作方式類型抽氣類型工作原理極限真空優(yōu)點與使用缺點機械泵螺旋機械葉片泵氣體由特定空間內(nèi)除去并排除至大氣氣體壓縮或膨脹10-3 Pa結(jié)構(gòu)簡單，單獨使用或者作為前級泵。存在油污染及水蒸氣的問題。變?nèi)莘e式泵羅茨(Roots)泵無油真空系統(tǒng)，價格較貴，需要機械泵預(yù)抽真空；泵體與轉(zhuǎn)

16、子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于10-1 Pa時，氣體回流造成抽速降低氣體動力式渦輪分子泵分子牽引10-8 Pa 與旋片機械泵串聯(lián)使用，需要機械泵抽預(yù)真空(1Pa)；無油污染。價格昂貴。離子泵冷泵欲除之氣體不排除大氣，而是通過物理或化學(xué)的方式永久或暫時吸附在系統(tǒng)中物理吸收作用10-8 Pa 需要機械泵抽預(yù)真空(10-1pa)；無油高真空，無振動，抽速快。價格較貴；高溫時，被吸附的氣體又釋放出來。41真空計簡介定義： 真空氣壓計是測量真空度或氣壓的儀器簡稱真空計（Vacuum gauges）又稱規(guī)。是依據(jù)各種物理原理來量測壓力或分子數(shù)目的多少。在科研和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。真空度依范圍區(qū)

17、分依種工作原理區(qū)分粗略真空760 1Torr液體靜態(tài)真空計中度空1 10 Torr熱傳導(dǎo)式真空計皮拉尼(Pirani）高真空10 -3 107 Torr電容式真空計超高真空10-7 Torr以下離子化真空計42真空測量是指用特定的儀器和裝置，對某一特定空間內(nèi)真空高低的測定。這種儀器或裝置稱為真空計（儀器、規(guī)管）。真空計的種類很多，通常按測量原理可分為絕對真空計和相對真空計。凡通過測定物理參數(shù)直接獲得氣體壓強的真空計均為絕對真空計，例如U型壓力計、壓縮式真空計等，這類真空計所測量的物理參數(shù)與氣體成分無關(guān)，測量比較準(zhǔn)確，但是在氣體壓強很低的情況下，直接進行測量是極其困難的；而通過測量與壓強有關(guān)的物

18、理量，并與絕對真空計比較后得到壓強值的真空計則稱為相對真空計，如放電真空計，熱傳導(dǎo)真空計，電離真空計等，它的特點是測量的準(zhǔn)確度略差，而且和氣體的種類有關(guān)。 真空測量元件常被稱為真空規(guī)，真空測量技術(shù)分為低真空和高真空測量；1、電離真空計2、電容壓力計3、熱偶真空規(guī)4、電阻真空計4、電離真空規(guī) 水銀真空計直接測量真空度的量具，如U型計、壓縮真空計(麥克勞真空計) 。 壓縮型真空計測量范圍：103 10-3 PaU型計測量范圍：105 10 Pa45電阻真空計 電阻真空計是熱傳導(dǎo)真空計的一種，它是利用測量真空中熱絲的溫度，從而間接獲得真空度的大小的。其原理是低壓強下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強有關(guān)。46規(guī)管中

19、的加熱燈絲是電阻溫度系數(shù)較大的鎢絲或鉑絲，熱絲電阻連接惠斯頓電橋，并作為電橋的一個臂。低壓強下加熱時，燈絲所產(chǎn)生的熱量Q可以表示為： Q = Q1 + Q2 （1-1）式中Q1是燈絲輻射的熱量，與燈絲的溫度有關(guān)；Q2是氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量，大小與氣體的壓強有關(guān)。當(dāng)熱絲溫度恒定時，Q1是恒量，即熱絲輻射的熱量不變。在某一恒定的加熱熱絲電流條件下，當(dāng)真空系統(tǒng)的壓強降低，即空間中氣體的分子數(shù)減少時，Q2將隨之降低，此時燈絲所產(chǎn)生的熱量將相對增加，則燈絲的溫度上升，燈絲的電阻將增大，真空室的壓強和燈絲電阻之間的存在這樣的關(guān)系P R，所以可以利用測量燈絲的電阻值來間接地確定壓強。電阻真空計電容真

20、空計工作原理：通過薄膜在氣壓力差下產(chǎn)生機械位移，測量電極間電容對氣壓進行絕對測量，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)。電容真空計原理圖如圖所示，在不同壓力下金屬膜片受力不同會有不同尺度的變形，使得金屬膜片和電極之間的電容變化，通過測量電容的變化量，即可知道金屬膜片上氣壓的變化。 這種規(guī)的測量范圍一般橫跨4個量級，比如可能是至100Pa、至1000Pa等。 熱偶真空計熱偶規(guī)工作原理：氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力變化，通過熱電偶測出熱絲的溫度，也就相應(yīng)的測出了環(huán)境的氣體壓強。皮拉尼工作原理：通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化實現(xiàn)對真空度的測量。50熱偶真空計 熱偶真空計的規(guī)管主要由加熱燈絲C與D（鉑絲）和用來測量熱絲溫

21、度的熱電偶A與B（鉑銠或康銅-鎳鉻）組成。熱電偶熱端接熱絲，冷端接儀器中的毫伏計，從毫伏計中可以測出熱偶電動勢。測量時，熱偶規(guī)管接入被測真空系統(tǒng)，熱絲通以恒定的電流，同電阻真空計不相同的是，此時燈絲所產(chǎn)生的熱量Q有一部分將在燈絲與熱偶絲之間傳導(dǎo)散去。當(dāng)氣體的壓強降低時，熱電偶接點處溫度將隨熱絲溫度的升高而增大，同樣，熱電偶冷端的溫差電動勢也將增大，及氣體壓強和熱電偶的電動勢之間存在這樣的關(guān)系：P 。電離真空規(guī)工作原理： 它由陰極，陽極和離子收集極組成，熱陰極發(fā)射電子飛向陽極過程中，使氣體分子電離，并被收集電極收集形成電流，根據(jù)離子電流測出氣體壓強。特點與使用：屬高真空和超高真空測量，通常與熱偶規(guī)同時使用。52電離計的工作原理是熱陰極A發(fā)射電子，經(jīng)過加速極加速，大部分電子飛向收集極，在B-C之間的拒斥場作用下，電子運動速度降低，當(dāng)速度減到零時，電子又重新飛向B極，在電子飛向B-C空間時，同樣也受到拒斥場的作用，在速度減為零時，電子返轉(zhuǎn)