第2講真空技術(shù)基礎(chǔ)(4課時)

第二講真空技術(shù)基礎(chǔ)Fundamentalsofvacuumtechnology

要點

氣體分子運動論的基本概念真空獲得的手段真空度的測量1、氣體分子的運動速度及其分布氣體分子運動論認為：氣體的大量分子每時每刻都處于無規(guī)則的熱運動之中，其平均速度取決于氣體所具有的溫度；同時，在氣體分子之間以及氣體分子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過程，這種碰撞過程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計分布。氣體分子的運動速度υ服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼（Maxwell-Boltzmann）分布：（1-1）

式中，M為氣體分子的相對原子質(zhì)量，T為熱力學溫度，R為氣體常數(shù)。上式表明：氣體分子的速度分布只取決于分子的相對原子質(zhì)量M與氣體熱力學溫度T的比值2.1氣體分子運動論的基本概念根據(jù)式1-1，還可以求出氣體分子的平均運動速度：

可見：溫度越高、氣體分子的相對原子質(zhì)量越小，則分子的平均運動速度越大；不同種類氣體分子的平均運動速度也只與T/M的平方根成正比。

在常溫條件下，一般氣體分子的運動速度是很高的。比如在T=300K時，空氣分子的平均運動速度υa≈

460m/s。

同時由氣體的速度分布函數(shù)還可以證明，每摩爾氣體分子的動能等于（3/2）RT，也只與其熱力學溫度有關(guān)。薄膜材料的制備過程是:

atombyatom

幾乎所有的現(xiàn)代薄膜材料都是在真空或是在較低的氣體壓力下制備的，都涉及到氣相的產(chǎn)生、輸運以及氣相反應(yīng)的過程。薄膜材料與真空技術(shù)

大氣壓:atm,kg/cm2,barPa:N/m2Torr:mm·Hg氣體壓力的單位與換算1atm=1000mbar=0.1MPa1Torr=133Pa薄膜技術(shù)領(lǐng)域：從10-7Pa到105Pa，覆蓋了12個數(shù)量級描述氣體壓強的單位很多，如下表：注：1托就是指在標準狀態(tài)下，1毫米汞柱對單位面積上的壓力。本書采用我國國家標準規(guī)定采用的Pa（或MPa、Gpa）作為氣體壓力的基本單位。單位帕/Pa托/Torr毫巴/mba標準大氣壓1Pa17.5×10-3

1×10-2

9.87×10-6

1Torr133.311.3331.316×10-3

1mba1000.7519.87×10-4

1atm1.013×1057601.013×103

1

氣體的壓力:

理想氣體的狀態(tài)方程氣體分子的速度分布:Maxwell-Boltzmann分布氣體分子的自由程、碰撞頻率:

分子運動學的基本概念2、氣體的壓力和氣體分子的平均自由程（1）氣體的壓力氣體分子與容器壁的不斷碰撞對外表現(xiàn)為氣體具有一定的壓力。理想氣體的壓力p與氣體分子的動能，或者說是與氣體的熱力學溫度成正比，用理想氣體狀態(tài)方程式描述：

式中，n單位體積內(nèi)的分子數(shù)；NA

為阿伏加德羅（Avogadro)常數(shù)；n/NA

即等于單位體積內(nèi)氣體分子的摩爾數(shù)。

真空：宇宙空間所存在的“自然真空”；利用真空泵抽取所得的“人為真空”。絕對真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)。

一般意義上的“真空”并不是指“什么物質(zhì)都不存在”。目前，即使用最先進的真空制備手段所能達到的最高真空度下，每立方厘米體積中仍有幾百個氣體分子。因此，平常所說的真空均指“相對真空狀態(tài)”。在真空技術(shù)中，常用“真空度”習慣用語和“壓強”物理量表示真空程度，通常說成“某空間的真空度為多大的壓強”。某空間的壓強越低意味著真空度越高，反之，壓強高的空間則真空度低。（2）氣體分子的平均自由程

分子平均自由程：氣體分子在兩次碰撞的間隔時間里走過的平均距離。假設(shè)某種氣體分子的有效截面直徑為d，則該氣體分子的平均自由程應(yīng)該等于

因此，氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)n成反比。在常溫常壓的條件下，氣體分子的平均自由程是極短的。例如，在此條件下，空氣分子的有效截面直徑d≈0.5nm,平均自由程λ≈50nm。由平均自由程還可以求出氣體分子的平均碰撞頻率=υa/λ。在常溫常壓的條件下，每個氣體分子每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷1010

次碰撞。由于氣體分子的運動軌跡是一條在不斷碰撞的同時不斷改變方向的折線，因此，盡管它的平均運動速度很高，但是單位時間里，其定向運動的距離卻較小。

由于氣體分子的平均自由程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)n成反比，而壓強p與n成正比，因此自由程隨氣體壓力的下降而增加。在真空度優(yōu)于0.1Pa時，氣體分子間的碰撞幾率已很小，主要是氣體分子與容器壁之間的碰撞。分子平均自由程的概念在真空和薄膜技術(shù)中有著非常重要的作用。在薄膜材料的制備過程中，薄膜的沉積主要是通過氣體分子對襯底的碰撞過程來實現(xiàn)的。H2和Al原子在不同溫度下的速度分布典型值：在T=300K時，空氣分子的平均運動速度:

va460m/s氣體分子的自由程

空氣分子的有效截面半徑d0.5nm。在常溫常壓下，氣體分子的平均自由程

50nm，每個空氣分子每秒鐘內(nèi)要經(jīng)歷1010次碰撞。在氣體壓力低于10-4Pa的情況下，其平均自由程

>50m，每個空氣分子每秒鐘內(nèi)只經(jīng)歷10次碰撞；氣體分子間的碰撞幾率已很小，氣體分子的碰撞將主要是其與容器器壁之間的碰撞。粘滯態(tài)氣流的兩種不同的流動狀態(tài)根據(jù)Reynolds準數(shù)Re:

Re>2200紊流狀態(tài)

Re<1200層流狀態(tài)在薄膜技術(shù)領(lǐng)域，人為地將真空環(huán)境粗略地劃分為:低真空

>102Pa中真空

10210-1Pa高真空

10-110-5Pa超高真空

<10-5Pa真空度的劃分

為獲得真空環(huán)境，需要選用不同的真空泵，而它們的一個主要指標是其抽速Sp，其定義為

(L/s)真空泵的抽速Sp與管路的流導有著相同的物理量綱，且二者對維持系統(tǒng)的真空度起著同樣重要的作用真空泵的抽速2.2真空獲得的手段真空的獲得真空設(shè)備

1.低真空的獲得及設(shè)備（旋片式機械泵和羅茨泵）

水環(huán)式真空泵齒輪泵工作原理噴射泵工作原理真空泵的分類（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。輸運式（排出式）機械式氣流式捕獲式（內(nèi)消式）可逆式不可逆式旋片式真空泵旋片式真空泵（簡稱旋片泵）是一種油封式真空泵。其工作壓強范圍為101325-1.33×10-2Pa屬于低真空泵。它可以單獨使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級泵。它已廣泛地應(yīng)用于冶金、機械、軍工、電子、化工、輕工、石油及醫(yī)藥等生產(chǎn)和科研部門。獲得低真空常采用機械泵，機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開始工作，極限真空度一般為1.33~1.33×10-2Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。旋片式機械泵通常由泵體、轉(zhuǎn)子、定子、旋片、端蓋、彈簧等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在旋片泵的腔內(nèi)偏心地安裝一個轉(zhuǎn)子，偏心轉(zhuǎn)子置于定子的圓柱形空腔內(nèi)切位置上（轉(zhuǎn)子外圓與泵腔內(nèi)表面相切，二者有很小的間隙），空腔上連接進氣管和出氣閥門。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊旋片，旋片間用彈簧連接，使旋片緊壓在定子空腔的內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是由馬達帶動的，定子置于油箱中，油起到密切、潤滑與冷卻的作用。旋轉(zhuǎn)時，靠離心力和彈簧的張力使旋片頂端與泵腔的內(nèi)壁保持接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動旋片沿泵腔內(nèi)壁滑動。當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使與進氣管相連的區(qū)域不斷擴大，而氣體就不斷地被吸入。當轉(zhuǎn)子達到一定位置時，另一旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開，并將氣體壓縮，直到壓強增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動使氣體不斷地從被抽容器中抽出。旋片式機械真空泵的抽速曲線

極限真空度可達10-1Pa左右，但有油污染問題旋片式機械真空泵的外形圖雙級旋片式真空泵雙級油封機械真空泵，它是用于密封容器抽除氣體獲得真空的基本設(shè)備，適用于電子、制冷、電光源、化工、醫(yī)院、瓶膽、包裝、脫水、干燥等行業(yè)。（但不能用于抽除含氧過高的有爆炸性的、對金屬有腐蝕性的、對真空油起化學反應(yīng)的以及有顆粒，塵埃的氣體，也不能作為輸送泵及壓縮泵使用）。羅茨真空泵工作原理（2）羅茨（Roots）真空泵a、工作原理：兩個8字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子始終保持相切合，咬合精度很高，切合處氣體始終不能通過，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。b、極限真空度：10-2Pa左右；

c、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、無油氣回流，抽速很大。d、缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；當氣體壓力低于

10-1Pa時，氣體回流造成抽速降低。e、適用壓力范圍：10-1～1000Pa。羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風機相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間V0內(nèi)，再經(jīng)過排氣口排出。由于吸氣后V0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒有壓縮和膨脹。但在轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過排氣口邊緣，V0空間與排氣側(cè)相通時，由于排氣側(cè)氣體壓強較高，則有一部分氣體返沖到空間V0中去，使氣體壓強突然增高。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，氣體排出泵外。一般來說，羅茨泵具有以下特點：在較寬的壓強范圍內(nèi)有較大的抽速；啟動快，能立即工作；對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸汽不敏感；轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動小，轉(zhuǎn)子動平衡條件較好，沒有排氣閥；驅(qū)動功率小，機械摩擦損失?。唤Y(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小；運轉(zhuǎn)維護費用低。因此，羅茨泵在冶金、石油化工、造紙、食品、電子工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。羅茨泵的外形圖

羅茨泵組成的真空機組的外形圖

羅茨泵可與旋片式機械泵串聯(lián)成真空機組使用，降低每臺泵的負荷，擴大可獲得的真空度范圍羅茨泵組成的真空機組的抽速曲線組成機組使其極限真空度提高到10-2Pa水環(huán)式真空泵水環(huán)式真空泵葉片的葉輪偏心地裝在圓柱形泵殼內(nèi)。泵內(nèi)注入一定量的水。葉輪旋轉(zhuǎn)時，將水甩至泵殼形成一個水環(huán)，環(huán)的內(nèi)表面與葉輪輪轂相切。由于泵殼與葉輪不同心，右半輪轂與水環(huán)間的進氣空間4逐漸擴大，從而形成真空，使氣體經(jīng)進氣管進入泵內(nèi)進氣空間。隨后氣體進入左半部，由于轂環(huán)之間容積被逐漸壓縮而增高了壓強，于是氣體經(jīng)排氣空間及排氣管被排至泵外。齒輪泵工作原理齒輪泵具有一對互相嚙合的齒輪，如圖，齒輪主動輪固定在主動軸上，軸的一端伸出殼外由原動機驅(qū)動，另一個齒輪從動輪裝在另一個軸上，齒輪旋轉(zhuǎn)時，液體沿吸油管進入到吸入空間，沿上下殼壁被兩個齒輪分別擠壓到排出空間匯合（齒與齒嚙合前），然后進入壓油管排出。活塞泵齒輪泵，螺桿泵噴射泵工作原理將高壓的工作流體，由壓力管送入工作噴嘴，經(jīng)噴嘴后壓能變成高速動能，將噴嘴外圍的液體（或氣體）帶走。此時因噴嘴出口形成高速使擴散室的后部吸入室造成真空。利用偏心軸的轉(zhuǎn)動通過連桿裝置帶動活塞的運動，將軸的圓周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動?；钊粩嗤鶑?fù)運動，泵的吸水與壓水過程就連續(xù)不斷地交替進行。2.高真空的獲得及設(shè)備

油擴散泵和分子泵

目前，廣泛使用的獲得高真空的泵就是擴散泵。擴散泵是利用氣體擴散現(xiàn)象來抽氣的，它不能直接在大氣壓下工作，而需要一定的預(yù)備真空度（1.33~0.133Pa）。油擴散泵的極限真空度主要取決于油蒸汽壓和氣體分子的反擴散，一般能達到1.33×10-5Pa。抽氣速率與結(jié)構(gòu)有關(guān)，每秒幾升~幾百升不等。油擴散泵的結(jié)構(gòu)如示意圖

油擴散泵的外形圖

加油標準：內(nèi)徑300mm：1.6升內(nèi)徑200mm：0.7升內(nèi)徑150mm：0.5升油擴散泵a、工作原理：將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)（約2000C），讓油蒸氣呈多級狀向下定向高速噴出時不斷撞擊氣體分子，并將部分動量傳遞給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向運動，在壓縮作用下排出泵體。同時，被泵體冷卻后的油蒸氣又會凝結(jié)起來返回泵的底部。b、極限真空度：10-6Pa；c、優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑大小，抽速可以從每秒幾升至每秒上萬升不等。d、缺點：油蒸氣回流，污染。e、工作狀態(tài)：分子流狀態(tài)的真空狀態(tài)不能與大氣直接相連，使用油擴散泵之前，需要采用各種形式的機械泵將系統(tǒng)預(yù)抽至1Pa左右。f、適用壓力范圍：1～10-6Pa泵的底部—是裝有真空泵油的蒸發(fā)器，真空泵油經(jīng)電爐加熱沸騰后，產(chǎn)生一定的油蒸汽，蒸汽沿著蒸汽導流管傳輸?shù)缴喜?，?jīng)由三級傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運動的高速蒸汽流，使之具有很好的運載氣體分子的能力。油分子與氣體分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的結(jié)果是油分子把動量交給氣體分子自己慢下來，而氣體分子獲得向下運動的動量后便迅速往下飛去．并且，在射流的界面內(nèi)，氣體分子不可能長期滯留，因而界面內(nèi)氣體分子濃度較?。捎谶@個濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地擴散進入蒸汽流而被逐級帶至出口，并被前級泵抽走．慢下來的蒸汽流在向下運動的過程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來，沿著泵壁流回蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)使用．冷阱的作用是減少油蒸汽分子進入被抽容器。渦輪分子泵的外形圖

分子泵渦輪分子泵a、工作原理：渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以20000～30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣體分子，同時，渦輪分子泵中裝有很多級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被進一步壓縮至更下一級。像油擴散泵一樣，也是靠對氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運動的原理來工作的。b、極限真空度：10-8Pa；c、優(yōu)點：極限真空度高，壓縮比高，油蒸氣的回流可以忽略，抽速可達1000L/s。d、缺點：價格較高。e、工作狀態(tài)：在使用中多用旋片式機械泵作為其前級泵。f、適用壓力范圍：1～10-8Pa分子真空泵它是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮、被驅(qū)向排氣口后為前級抽走的一種真空泵。這種泵具體可分為：

1)牽引分子泵氣體分子與高速運動的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動量，被驅(qū)送到泵的出口。2)渦輪分子泵靠高速旋轉(zhuǎn)的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。

3)復(fù)合分子泵它是由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合起來的一種復(fù)合型的分子真空泵。渦輪分子泵的抽速曲線

渦輪分子泵的極限真空度達10-8Pa，適用的壓力范圍在110-8Pa之間

低溫吸附泵a、工作原理：依靠氣體分子會在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實現(xiàn)對氣體分子的去除，進而獲得高真空。b、極限真空度：10-1

～10-8Pa，取決于所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素；c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空；除H2、He、Ne外，對各種氣體抽速均很大。d、缺點：運轉(zhuǎn)成本較高。e、工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達到10-1

以下，以減少吸附泵的負荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。濺射離子泵a、工作原理：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氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊Ti陰極時又會濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造成無油的高真空環(huán)境。b、極限真空度：與其他泵種串聯(lián)使用，可達10-8Pa。抽速取決于所抽氣體的活性等因素。c、優(yōu)點：極限真空度高，可獲得無油高真空。d、缺點：壽命有限。2.3真空度的測量（熱電偶）①熱偶真空計是用在低氣壓下氣體的熱導率與氣體壓強間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來測量低真空，可測范圍為13.33~0.1333Pa。其中有一根細金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率