第三講：遷移現(xiàn)象

第三講：遷移現(xiàn)象3.1氣體中的輸運(yùn)現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室

前述物理量和現(xiàn)象均是基于平衡條件的討論。當(dāng)系統(tǒng)各部分的宏觀物理性質(zhì)不均勻時(shí)，系統(tǒng)就處于非平衡態(tài)。在不受外界干擾時(shí)，系統(tǒng)總要從非平衡態(tài)自發(fā)地向平衡態(tài)過(guò)渡。這種過(guò)渡稱為輸運(yùn)過(guò)程（遷移現(xiàn)象）。壓強(qiáng)較高的條件下（克努曾數(shù)小，通常小于0.01），氣體輸運(yùn)過(guò)程的主要現(xiàn)象（內(nèi)摩擦、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散現(xiàn)象）。在壓強(qiáng)較低的條件下，氣體的遷移過(guò)程將體現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。2007年4月第三講：遷移現(xiàn)象什么是平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)真空與過(guò)裝教研室2007年4月氣體內(nèi)部宏觀量的不一致狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。非平衡態(tài)是最不穩(wěn)定的，還沒(méi)達(dá)到均勻分布之前的氣體處在變化之中，從宏觀上看正在運(yùn)動(dòng)，這個(gè)變化運(yùn)動(dòng)的過(guò)程稱為遷移現(xiàn)象或輸運(yùn)過(guò)程由于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞，使氣體各部分的宏觀量趨于近似一致時(shí)，氣體達(dá)到暫時(shí)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為平衡態(tài)。第三講：遷移現(xiàn)象在較強(qiáng)氣壓下氣體的遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月（1）粘滯性(內(nèi)摩擦)動(dòng)量（2）熱傳導(dǎo)動(dòng)能（3）擴(kuò)散現(xiàn)象質(zhì)量在較低氣壓下氣體的遷移現(xiàn)象（1）熱流逸（2）分子的輻射力效應(yīng)（3）滑動(dòng)現(xiàn)象和低壓下的粘滯性(外摩擦)（4）溫度劇增現(xiàn)象和低壓下的熱傳導(dǎo)等等第三講：遷移現(xiàn)象遷移規(guī)律與真空度的關(guān)系真空與過(guò)裝教研室2007年4月（1）當(dāng)壓強(qiáng)較高時(shí)，分子的平均自由程遠(yuǎn)小于氣體容器的線度d（即λ<<d）這是氣體分子間碰撞遠(yuǎn)高于氣體分子與器壁之間的碰撞，或者氣體分子在空間飛行的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于分子滯留于器壁表面的時(shí)間，所以物理量的遷移只依靠氣體分子之間的碰撞。（2）當(dāng)氣壓較低時(shí)，氣體分子平均自由程λ大于氣體容器的線度d（即λ>d），這時(shí)氣體分子間的碰撞可以忽略，而主要考慮氣體分子和器壁之間的碰撞，遷移現(xiàn)象以考慮器壁為主，此時(shí)氣體分子滯留于器壁表面的時(shí)間大于分子的自由飛行時(shí)間，這通常稱作為氣體分子運(yùn)動(dòng)的器壁過(guò)程。（3）當(dāng)壓強(qiáng)介于兩者之間時(shí)，λ接近于容器線度(λ～d),這就需要綜合考慮。第三講：遷移方程輸運(yùn)現(xiàn)象的統(tǒng)一描述---遷移方程真空與過(guò)裝教研室2007年4月設(shè)物理量g在空間不是均勻分布，但平行xy面的平面上，g值是均勻的，也即g只是坐標(biāo)Z的函數(shù)若有一個(gè)分子由p點(diǎn)出發(fā)經(jīng)自由程λ飛向z=z0平面上的o點(diǎn)，過(guò)p點(diǎn)垂直z軸作平面z=z0+h，它與平面z=z的距離是h=λcosθ兩平面上的物理量物理量g分別為g（z0），g（z0+h），將后者泰勒一級(jí)展開近似：計(jì)算單位時(shí)間經(jīng)過(guò)ds的g量根據(jù)碰撞頻度推導(dǎo)可知，與z軸成θ角，速率在v—v+dv之間落在ds上的分子數(shù)目每秒有第三講：遷移現(xiàn)象輸運(yùn)現(xiàn)象的統(tǒng)一描述---遷移方程真空與過(guò)裝教研室2007年4月很顯然，凡穿過(guò)元面積ds的分子，每個(gè)分子所攜帶的g測(cè)量值相當(dāng)于M點(diǎn)平面所具有的量值，即g(Z0+h)所以這些分子所遷移的g量共為對(duì)θ從0—π積分，則遷移量為：（包括自上而下0—π/2，自下而上π/2--π）各種不同速度分子所遷移的g量，只要把上述對(duì)v從0-∞積分，得：第三講：遷移現(xiàn)象3.1輸運(yùn)方程真空與過(guò)裝教研室

某種物理量（g）如果處在非平衡條件，由于分子熱運(yùn)動(dòng)，該物理量有傾向平衡的趨勢(shì)。完成該過(guò)程需要通過(guò)分子遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)（參見流體力學(xué)中關(guān)于遷移現(xiàn)象的討論）。輸運(yùn)方程為：討論：由于自由程和分子密度成反比關(guān)系，因此輸運(yùn)量的大小和二者乘積無(wú)關(guān)；輸運(yùn)（遷移過(guò)程）是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，達(dá)到的平衡也是動(dòng)平衡。2007年4月第三講：遷移現(xiàn)象3.1氣體中的內(nèi)摩擦(動(dòng)量傳輸）真空與過(guò)裝教研室

定向流動(dòng)的氣體，當(dāng)各層流速不同時(shí)，兩相鄰層間會(huì)互施一作用力，使流速快的一層減速，流速慢的一層加速，從而使各氣層流速一致，引起宏觀的粘滯現(xiàn)象（內(nèi)摩擦現(xiàn)象）。2007年4月v1v2ffABxzu=u(z)dSdf’df第三講：遷移現(xiàn)象3.1氣體中的內(nèi)摩擦真空與過(guò)裝教研室2007年4月v1v2zxyxSxfvv+v牛頓內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)（流體力學(xué)）Z0處，速度為v，上層速度為v+dv，則：第三講：遷移現(xiàn)象高壓下氣體的粘滯現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月由分子運(yùn)動(dòng)論，內(nèi)摩擦現(xiàn)象的本質(zhì)是由于分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于λ<<d時(shí)，氣體較密，可將氣體按平均自由程λ分成許多平行于FF’的氣層，速度較大層分子飛到相鄰的速度較小的層內(nèi)，并與那里分子發(fā)生碰撞，因此動(dòng)量由速度較大層傳向速度較小的相鄰層，這個(gè)動(dòng)量變化梯度決定了層與層之間的作用力，此時(shí)，物理量g=mv，帶入遷運(yùn)方程：與內(nèi)摩擦定律聯(lián)立得：上式成立的條件是：1.分子運(yùn)動(dòng)的速度比氣流大的多2.氣體碰撞后氣體流速不變3.T.P處處一定第三講：遷移現(xiàn)象結(jié)論真空與過(guò)裝教研室2007年4月上式并不準(zhǔn)確，其準(zhǔn)確值為1.與p無(wú)關(guān),因?yàn)閜,n,單位時(shí)間,單位面積變換的分子相對(duì)減少,但由于λ,每一份子變換的凈余量,總遷移量不變,即η不變2.3.第三講：遷移現(xiàn)象混合氣體的粘滯性真空與過(guò)裝教研室2007年4月基于輸運(yùn)量滿足線性疊加這與假設(shè),即3.3低壓氣體中的輸運(yùn)現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室

在壓強(qiáng)逐漸降低的情況下，氣體分子之間的碰撞在所有碰撞中的比例降低，氣體分子和器壁之間的碰撞越來(lái)越重要。因此上述適用于高壓條件的理論將不再適用。需要使用低壓條件（即分子流條件）下的輸運(yùn)理論。2007年4月第三講：遷移現(xiàn)象第三講：遷移現(xiàn)象低壓強(qiáng)氣體的粘滯性真空與過(guò)裝教研室2007年4月1.在壓強(qiáng)較高時(shí)(λ<<d)，可把氣體按λ大小分為許多平行層，此時(shí)，由于λ很短，氣層很密，從宏觀來(lái)看，可以認(rèn)為動(dòng)量沿各層的改變是逐漸連續(xù)的，并依靠分子間碰撞由一層傳到另一層。貼近器壁的那一層氣體的流速可以看成與器壁相等2.當(dāng)壓強(qiáng)降低時(shí)（λ>d），分子之間無(wú)碰撞，分子與器壁碰撞占主要地位，此時(shí)，氣體不緊貼器壁，對(duì)器壁以一定相對(duì)速度滑動(dòng)—滑移現(xiàn)象。這種氣體與器壁之間因速度突變（即速度差）而造成的摩擦作用稱為“外摩擦”，此時(shí)分子間內(nèi)摩擦不存在。

在克努曾數(shù)大于1時(shí)，在壓強(qiáng)足夠低的條件下,分子間碰撞可以忽略,只考慮分子與器壁間的碰撞。每個(gè)分子都對(duì)傳遞動(dòng)量做出貢獻(xiàn)，并且和兩板發(fā)生碰撞并傳遞動(dòng)量，此現(xiàn)象稱為外摩擦。

如右圖所示，低壓氣體的外摩擦和氣體與板1及板2的碰撞有關(guān)。第二講：真空物理基礎(chǔ)（一）2.9.1低壓氣體外摩擦真空與過(guò)裝教研室

在克努曾數(shù)大于1時(shí)，在壓強(qiáng)足夠低的條件下,分子間碰撞可以忽略,只考慮分子與器壁間的碰撞。每個(gè)分子都對(duì)傳遞動(dòng)量做出貢獻(xiàn)，并且和兩板發(fā)生碰撞并傳遞動(dòng)量，此現(xiàn)象稱為外摩擦。2007年4月

如左圖所示，低壓氣體的外摩擦和氣體與板1及板2的碰撞有關(guān)。和靜止板1碰撞，則該分子各方向平均速度為0；和板2碰撞后，得到速度u。所以該分子對(duì)于板1和板2的摩擦力為mu。自由分子粘滯系數(shù)。第三講：遷移現(xiàn)象低壓強(qiáng)下的粘滯性真空與過(guò)裝教研室2007年4月從宏觀上看，外摩擦力∝氣體對(duì)器壁相對(duì)速度及作用面積，即從氣體分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看，外摩擦力分子器壁碰撞，質(zhì)量為m的分子，在x方向上速度分量平均值為vx，每個(gè)打在器壁上的分子具有x方向動(dòng)量的平均值，如果（1）器壁絕對(duì)光滑，彈性反射，x方向動(dòng)量變化為0（2）絕對(duì)粗糙，余弦定理，損失了分子原有的速度，即x方向的變量為：mvx實(shí)際上介于兩者之間，則動(dòng)量變化為：f為反射系數(shù)，動(dòng)量適應(yīng)系數(shù)第三講：遷移現(xiàn)象低壓強(qiáng)下的粘滯性真空與過(guò)裝教研室2007年4月至于氣流速度，平均來(lái)看有：與上面的式子聯(lián)立得：所以由于余弦定理，單位時(shí)間碰撞在器壁面積dA上的分子數(shù)為故動(dòng)量變化總和為有因?yàn)樗裕旱谌v：遷移現(xiàn)象低壓強(qiáng)下的粘滯性真空與過(guò)裝教研室2007年4月上式ρ與壓強(qiáng)成正比，故η外∝p,但不方便很少使用由理想氣體方程,平均速度公式代入中,并考慮到(一半分子與平板碰撞將具有與之相同的速度,與下半板碰撞將速度為0,半數(shù)為Vf)則:第三講：遷移現(xiàn)象中壓強(qiáng)(λ～

d)的滑動(dòng)現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月（1）較高壓強(qiáng)下(λ<<d),兩板內(nèi)各層速度線性變化,即dv/dz=VF/d,氣體內(nèi)摩擦為

此時(shí)λ很短，氣流很密，氣流各層的速度連續(xù)變化。（2）λ>d,僅有氣體與器壁的外摩擦力(3)中壓強(qiáng)（

λ～d）平板之間以λ劃分幾層，從宏觀上看，表現(xiàn)為速度突變，靠近壁板F’和F的氣層流速與器壁的速度差比較大，即存在“滑動(dòng)現(xiàn)象”，此外氣體內(nèi)摩擦現(xiàn)象亦存在，所以中壓強(qiáng)的粘滯性實(shí)際是內(nèi)摩擦和外摩擦的綜合。第三講：遷移現(xiàn)象中壓強(qiáng)(λ～

d)的滑動(dòng)現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月（1）λ～

d時(shí)內(nèi)摩擦在λ～

d，氣層中間速度變化可視為線性變化，但貼近器壁的氣層速度與器壁速度仍有突變，但可以把速度梯度看做好像是把兩器壁各向外展寬ζ后仍按線性變化：即

從而可以得出內(nèi)摩擦力第三講：遷移現(xiàn)象中壓強(qiáng)(λ≈d)的外摩擦力真空與過(guò)裝教研室2007年4月邊界層和器壁之間的速度差所以外摩擦為穩(wěn)態(tài)時(shí)內(nèi)外摩擦力相等,得上一節(jié)內(nèi)容可得:第三講：遷移現(xiàn)象中壓強(qiáng)(λ≈d)的外摩擦力真空與過(guò)裝教研室2007年4月討論：1、滑動(dòng)系數(shù)實(shí)質(zhì)是內(nèi)外摩擦系數(shù)的比值，其大小主要由氣體分子與器壁之間動(dòng)量交換決定；2、f=0,ξ→∞,氣體以同一宏觀速度運(yùn)動(dòng)，無(wú)速度梯度；f=1,ξ→,與壓強(qiáng)成反比；所以滑動(dòng)現(xiàn)象是氣體壓強(qiáng)減小時(shí)，自由程增大，氣流速度在邊界處不連續(xù)，發(fā)生突變現(xiàn)象3、滑動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：1）較大自由程（d），此時(shí)有一定的漫反射幾率，即f存在；2）f=0,即表面光滑，即使=0，亦有滑動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生；3）＞＞d，為外摩擦第三講：遷移現(xiàn)象粘滯性在真空技術(shù)中的應(yīng)用真空與過(guò)裝教研室2007年4月（一）由內(nèi)摩擦系數(shù)推分子直徑先由右圖所示的機(jī)構(gòu)求出內(nèi)摩擦系數(shù)可求出σ第三講：遷移現(xiàn)象粘滯性在真空技術(shù)中的應(yīng)用真空與過(guò)裝教研室2007年4月（二）粘滯性真空計(jì)

利用低壓強(qiáng)下外摩擦力與壓強(qiáng)成正比的關(guān)系，可做成測(cè)量真空度的“粘滯性真空計(jì)”利用旋轉(zhuǎn)體的摩擦扭矩與壓強(qiáng)的關(guān)系制成的旋轉(zhuǎn)圓盤真空計(jì)利用振蕩體的摩擦阻尼衰減與壓強(qiáng)有關(guān)之關(guān)制成的石英絲真空計(jì)利用連續(xù)諧振體的振幅隨氣體的摩擦阻尼而改變，做成的振動(dòng)膜真空計(jì)通過(guò)測(cè)量作用在兩個(gè)元件表面上的粘滯力來(lái)測(cè)定壓力的一種真空計(jì)。它的兩個(gè)元件溫度相同。一個(gè)元件處于靜止，另一個(gè)相對(duì)于第一個(gè)運(yùn)動(dòng)。粘滯性應(yīng)用分子泵：利用氣體分子和高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子之間的碰撞，將氣體分子拖曳到高壓區(qū)域。2007年4月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（簡(jiǎn)介）分子真空泵（Molecularpump）自1912年誕生后，至今已經(jīng)有一百多年的歷史了。由于早期的牽引分子泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以應(yīng)用有限，到1956年渦輪分子泵被發(fā)明后，此類泵才在核物理、電真空、表面科學(xué)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。近20年來(lái)，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起和薄膜工業(yè)的發(fā)展，分子泵得到了重視并獲得了廣泛的應(yīng)用。早期的分子泵：Gaede,1913Holweck,1913Siegbahn,1913真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（概述）分子泵依然是一種機(jī)械泵，但其工作原理已經(jīng)不是利用容積變化，而是利用氣體動(dòng)量傳輸（分子牽引現(xiàn)象）來(lái)獲得真空。因此分子泵是一種動(dòng)量傳輸泵?，F(xiàn)代分子泵有三類：牽引分子泵（MolecularDragPump）：氣體分子與高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動(dòng)量，被驅(qū)送到泵的出口。渦輪分子泵（TurboMolecularPump）：靠高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片和靜止的定葉片相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)抽氣的。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。復(fù)合分子泵（CompoundMolecularPump）：由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合分子牽引現(xiàn)象：在分子流條件下，剛體處在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，氣體分子在剛體表面獲得動(dòng)能，并且按照一定方向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為分子牽引現(xiàn)象。分子牽引現(xiàn)象是所有分子泵工作的基礎(chǔ)。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（概述）由于軸承技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)際上真空泵的研制已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。極限壓力已經(jīng)達(dá)到10-9Pa以內(nèi)；工作壓力范圍1Pa~10-8Pa；泵的轉(zhuǎn)速為10000r/min~50000r/min；抽速?gòu)?0L/s已經(jīng)發(fā)展到50000L/s。分子泵標(biāo)準(zhǔn)：

GB7774-1987《渦輪分子泵性能測(cè)試方法》；

JB/T9125-1999《立式渦輪分子泵》；

SJ/T10097-1991《F—250/1400型立式渦輪分子泵》。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（牽引分子泵）工作原理：牽引分子泵采用螺旋槽式結(jié)構(gòu)，泵腔內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子四周帶有溝槽，并用擋板隔開。利用分子牽引原理，氣體分子由入口進(jìn)入泵腔，被轉(zhuǎn)子攜帶到出口側(cè)，經(jīng)排氣管道到出口側(cè)被前級(jí)泵帶走。牽引泵工作原理圖：吸氣口排氣口轉(zhuǎn)子螺旋氣體通道靜止的泵腔真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（Gaede牽引分子泵）牽引分子泵最早由Gaede發(fā)明，結(jié)構(gòu)原理圖如下。在泵腔內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子周圍帶有溝槽并用擋板隔開。每一個(gè)溝槽就相當(dāng)于一個(gè)單級(jí)分子泵，后一級(jí)的入口和前一級(jí)的出口相連。轉(zhuǎn)子和泵殼間存在間隙。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（牽引分子泵）優(yōu)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：早期設(shè)計(jì)的牽引分子泵抽速小、允許間隙小（在0.1mm以內(nèi)），工作可靠性差，易出機(jī)械故障。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)時(shí)間短，抽重氣體能力高。提高壓縮比很容易。最新發(fā)展：由于渦輪分子泵和牽引分子泵具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，所以渦輪-牽引復(fù)合分子泵獲得了很大的成功。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（牽引分子泵）最新發(fā)展：根據(jù)在復(fù)合分子泵中的使用經(jīng)驗(yàn)，人們對(duì)牽引分子泵進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。由于間隙被方法，機(jī)械故障、加工等問(wèn)題都得到了有效解決。按照新的設(shè)計(jì)理論，國(guó)外開發(fā)了很多新型的牽引分子泵，如法國(guó)的ALCATEL公司。新設(shè)計(jì)的牽引分子泵雖然在抽速上較渦輪分子泵低，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工量少，因此在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。泵軸電源接頭陶瓷軸承驅(qū)動(dòng)電機(jī)陶瓷軸承葉輪陶瓷進(jìn)氣口動(dòng)密封泵腔真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（渦輪分子泵）工作原理：渦輪分子泵是由一系列動(dòng)靜相間的葉輪互相配合組成。每個(gè)葉輪的葉片與葉輪水平面成一定角度。動(dòng)片與定片傾角方向相反。主軸帶動(dòng)葉輪在靜止的定葉片間高速旋轉(zhuǎn)。高速選轉(zhuǎn)的葉片將動(dòng)量傳遞給氣體分子并使其產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽氣目的。通常渦輪分子泵靠近泵體進(jìn)氣口的葉片采用“開放式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它具有抽速大壓縮比小的特性，有助于提升泵的極限真空；而靠近出氣口的葉片結(jié)構(gòu)采用“封閉式”設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)抽速小壓縮比大，有助于泵的氣體排除。這樣設(shè)計(jì)可以使整臺(tái)泵的抽氣性能得到優(yōu)化，達(dá)到泵的極限真空高、抽速大、壓縮比高、級(jí)數(shù)少的理想結(jié)果真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（渦輪分子泵）和牽引分子泵的比較：葉片代替了溝槽，從而大大增加了抽氣面積；工作間隙增加，可靠性提高，加工難度降低；真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（渦輪分子泵-工作原理）抽氣條件：渦輪分子泵必須在分子流條件下工作（即氣體分子的平均自由程必須很大，使得分子間碰撞機(jī)會(huì)減少，滿足氣體分子定向運(yùn)動(dòng)的要求；轉(zhuǎn)子葉片必須具有和氣體分子速度相近的線速度；分子泵的轉(zhuǎn)速越高，對(duì)抽速越有利。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（渦輪分子泵-工作原理）優(yōu)點(diǎn)：1.啟動(dòng)速度快；2.轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、抽速穩(wěn)定；3.清潔無(wú)油；4.運(yùn)行成本低；5.尺寸??；6.抽氣量大。缺點(diǎn)：1.對(duì)顆粒物敏感；2.需要使用前級(jí)泵；3.高轉(zhuǎn)速引起振動(dòng)和噪聲；4.對(duì)于分子量小的氣體抽速低；5.維護(hù)費(fèi)用高；6.初期投資大。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（復(fù)合分子泵）復(fù)合分子泵是針對(duì)渦輪分子泵的改進(jìn)：渦輪分子泵滿足不了既要求高的本底真空度、又需要較高清潔度的場(chǎng)合。因此結(jié)合渦輪分子泵和牽引分子泵的優(yōu)點(diǎn)，研制了復(fù)合分子泵。因此：復(fù)合分子泵是渦輪和牽引分子泵的串聯(lián)組合形式；復(fù)合分子泵在很寬的壓力范圍內(nèi)具有很高的抽速和壓縮比；通過(guò)先進(jìn)的軸承設(shè)計(jì)和動(dòng)密封設(shè)計(jì)，可以做到完全無(wú)油，甚至直排大氣。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（復(fù)合分子泵）復(fù)合分子泵的形式很多，按結(jié)構(gòu)分，可以分為：渦輪葉片與盤式牽引泵的組合形式、渦輪葉片與筒式牽引泵的組合形式。牽引泵用來(lái)增加壓縮比，提高泵的出口壓力；渦輪級(jí)用來(lái)提高抽速。盤式牽引級(jí)在平板圓盤平面上開出型線溝槽，抽氣時(shí)靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤拖動(dòng)氣體，實(shí)現(xiàn)抽氣的目的；筒式牽引級(jí)采用利用圓筒形柱面（轉(zhuǎn)子和定子皆可）上開一定斷面的溝槽（矩形、圓弧形等）來(lái)拖動(dòng)氣體，實(shí)現(xiàn)抽氣；牽引級(jí)和渦輪級(jí)之間氣體分子流動(dòng)形式存在很大差別，因此有必要設(shè)置過(guò)渡級(jí)來(lái)控制返流、提高抽氣性能。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（研究?jī)?nèi)容及主體結(jié)構(gòu)）一般包括三個(gè)方面的研究：建立反映各種流動(dòng)狀態(tài)下氣體輸送的三維數(shù)學(xué)模型、利用理論分析或模擬的方法獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)和抽氣性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、利用模擬計(jì)算及分析的結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)分子泵的結(jié)構(gòu)。分子泵的主體結(jié)構(gòu)渦輪分子泵可以采用兩種結(jié)構(gòu)：臥式結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子主軸水平布置。吸氣口在抽氣單元的中央，氣體吸入后，被兩側(cè)的葉片組合抽走。軸承安裝在泵體的兩側(cè)。立式結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子軸垂直安裝，只有一組葉片。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（渦輪分子泵結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)子體高抽速高壓縮比排氣口中頻電機(jī)入口法蘭靜止葉片軸承軸承真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（復(fù)合分子泵結(jié)構(gòu)）真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.1分子真空泵（陶瓷軸承分子泵）傳統(tǒng)分子泵轉(zhuǎn)子利用高強(qiáng)度鋁合金材料制造。在核聚變、加速器、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用受到限制（強(qiáng)磁場(chǎng)、腐蝕物、顆粒物）。陶瓷分子泵使用陶瓷材料制備轉(zhuǎn)子，采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。完全無(wú)油、沒(méi)有電氣系統(tǒng)，可在上述金屬材料分子泵受限的場(chǎng)合使用。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（振動(dòng)問(wèn)題）由于分子泵的轉(zhuǎn)子葉片及軸均為彈性元件。當(dāng)分子泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分子泵振動(dòng)往往很嚴(yán)重。原因可能是：渦輪轉(zhuǎn)子以及電動(dòng)機(jī)主軸的不平衡（材質(zhì)、加工誤差、裝配質(zhì)量）；高轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生的共振現(xiàn)象；主軸的支撐條件（軸承的精度、安裝方式、潤(rùn)滑條件等）。設(shè)計(jì)制造缺陷造成的振動(dòng)很難消除。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（清洗問(wèn)題）真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象3.4.1分子真空泵（牽引分子泵）最新發(fā)展：高真空直排大氣干泵EPX干泵利用分子牽引、流體動(dòng)力學(xué)和內(nèi)流動(dòng)機(jī)理,采用創(chuàng)新的旋渦級(jí)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了高真空泵的直排大氣OnTool干泵主要由兩級(jí)組成:Holweck級(jí)和側(cè)槽旋渦級(jí)無(wú)論是EPX干泵還是OnTool干泵,都基于Holweck級(jí)即牽引分子泵的原理,在Holweck級(jí)提高抽速和壓縮比的基礎(chǔ)上,在排氣側(cè)串接上能夠高速攪動(dòng)氣體、產(chǎn)生螺旋爬行上升的氣體流動(dòng),并在吸排氣口之間加入單向截止閥,從而實(shí)現(xiàn)直排大氣。真空與過(guò)程裝備系2009年5月第三講：遷移現(xiàn)象HighvacuumsidechannelpumpworkingagainstatmosphereThesidechannelpumpthegasisexposedtotherotorandacceleratedbyitmanytimes.Thisallowssidechannelpumpstodeveloprelativelyhighcompressionvaluesinasinglestage.TheprincipleofoperationofasidechannelpumpisbasedontheexchangeofmomentumbetweenthegaspassingthroughthebladesoftherotorandthegasinthechannelduringitscirculatoryflowthecompressionandpumpingspeedofsidechannelpumpstagesareincreasedsignificantlyatreducedpowerconsumptionAcryogenicviscouscompressor(CVC)isbeingdevelopedtopumphydrogenicexhaustgasesfromthetoruspumpsandcompressthemtoahigherpressurebyregenerationforpumpingtothetritiumexhaustprocessingfacilityforseparationpurificationfortheroughingsystemtopumpfrom500Pato10Paatflowratesof200Pa·m3/s.ExcludingthesorptionsectionanddirectlyexhuasttheheliumtosimplifyoperationGasespulledthroughthepumptubesbyviscousdrag,whereitiscollectedinthebottombowlofthepumpandpumpedoutthroughthecentralexhaustlineCryogenicviscouscompressorCryopumpsexploitthemostelementaryformofproducingvacuumbyloweringthetemperatureofthegasandcapturingthegasmolecules,inthiscasebydesublimation.InthistypeofpumpthehydrogenisotopeschemisorbonthesurfacetoformthefIrstlayer.Additionallayersareformedbyphysisorption.AcryopumpwasusedonJETforpumpingthetorusexhuastduringtritiumoperatIOn.ThisdeSignusedcharcoalsorptiontopumpanyheliuminthegasstream.IntheCVCconceptweareexcludingthesorptionsectionanddirectlyexhuasttheheliumtosimplifYoperation.Heliumthatisentrainedinthetorusexhaustgasflowatamaximumof5%ofthetotalisnotpumpedbythecoldmetalsurfacesandthereforeispulledthroughthepumptubesbyviscousdrag,whereitiscollectedinthebottombowlofthepumpandpumpedoutthroughthecentralexhaustline.TheCVCheliumexhaustisconnectedtoamechanicalroughingpumpandroutedtothedetritiationsystembeforebeingexhaustedtoatmosphere.Cryogenicviscouscompressor3.5氣體中的熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室

由于氣體內(nèi)各處溫度不同,通過(guò)分子的碰撞而產(chǎn)生的能量遷移現(xiàn)象。假設(shè)氣體內(nèi)各氣層之間沒(méi)有相對(duì)流動(dòng)速度，且各處氣體分子數(shù)密度均相同,物體內(nèi)各部分溫度不均勻時(shí)，將有熱量由溫度較高處傳遞到溫度較低處的現(xiàn)象。從平行板模型出發(fā)，取板間任一假象面ds，由于分子的無(wú)規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)ds面的分子應(yīng)有以下兩部分組成，即從左到右的分子和從右左的分子，由于氣體的溫度隨x的增大而增大，總的來(lái)說(shuō)，后一部分分子攜帶的平均動(dòng)能總和大于前一部分分子攜帶動(dòng)能總和，這樣單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)ds面就有了凈余動(dòng)能遷移，這就是熱傳導(dǎo)現(xiàn)象2007年4月T2T1△QT2>T1第三講：遷移現(xiàn)象第三講：遷移現(xiàn)象氣體熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月（一）較高壓強(qiáng)（λ<<d）的情況溫度梯度梯度為遷移物理量g就是每一個(gè)分子攜帶的平均動(dòng)能所以高壓強(qiáng)下平行板間氣體溫度分布第三講：遷移現(xiàn)象氣體熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月具有i個(gè)自由度的分子總能量為而即是熱容量，指溫度上升或下降一度所吸入或放出的熱量第三講：遷移現(xiàn)象氣體熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月上式成立的前提1.T>>λ（dT/dx）分子熱運(yùn)動(dòng)速度分布近似看成處于局部平衡2.碰撞分子碰撞后仍服從麥?zhǔn)椒植?.壓強(qiáng)處處相等存在的問(wèn)題1.速度大，通過(guò)假象平面的幾率大，動(dòng)能不再是而是2.溫度高處平均自由程長(zhǎng)3.T不同導(dǎo)致，分子密度不同，利用波爾茲曼分布函數(shù)，修正后第三講：遷移現(xiàn)象氣體熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月討論：12、K與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)3應(yīng)用（一）兩平行板間的熱傳導(dǎo)（二）同軸圓筒之間的熱傳導(dǎo)（三）同心球之間的熱傳導(dǎo)第三講：遷移現(xiàn)象3.6低壓下的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象（λ>d）真空與過(guò)裝教研室2007年4月在高真空時(shí)λ>>d，氣體分子在器壁之間往返碰撞傳熱，這種傳遞熱量的方式和中高壓下情況不同，由于氣體分子不發(fā)生碰撞，故不存在氣體內(nèi)部的傳熱過(guò)程，僅有分子與器壁之間的熱量交換具有溫度T的分子碰撞器壁后以T溫度返回時(shí)，由器壁帶走的熱量，這個(gè)熱量顯然為Q=（單位時(shí)間從板面飛回的分子數(shù)）*（具有T溫度的分子所帶走的平均熱能）-（單位時(shí)間單位面積碰撞于板的分子數(shù)）*（具有T溫度分子所帶來(lái)的平均動(dòng)能）第三講：遷移現(xiàn)象3.6.1低壓下的熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月由余弦定理，單位時(shí)間內(nèi)具有速率V—V+dV的分子碰撞到單位器壁的數(shù)目為總平動(dòng)動(dòng)能為平動(dòng)動(dòng)能平均值為式中假設(shè)內(nèi)能同溫度滿足線性關(guān)系第三講：遷移現(xiàn)象3.6.1低壓下的熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月一克分子的平均總能量為定容比熱得：又所以第三講：遷移現(xiàn)象3.6.1低壓下的熱傳導(dǎo)真空與過(guò)裝教研室2007年4月因?yàn)椋簞t故：又因得：討論：Q與P正比，與間距d無(wú)關(guān)其中Λ為自由分子熱傳導(dǎo)系數(shù)式中第三講：遷移現(xiàn)象3.6.2溫度適應(yīng)系數(shù)真空與過(guò)裝教研室2007年4月得

其中α1α2是下板和上板的溫度適應(yīng)系數(shù)討論：1、絕對(duì)粗糙，α1=α2=12、若：α1=α2=α,若令T↑=T2,T↓=T1,得引入溫度適應(yīng)系數(shù)α,衡量氣體分子與板表面能量交換程度，表示3、圓筒傳熱方程分析：外筒壁接收分子包括內(nèi)筒壁反射分子+外筒壁反射分子內(nèi)筒壁接收分子第三講：遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月3.6.2溫度適應(yīng)系數(shù)第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月λ<<d時(shí)氣體內(nèi)部溫度的變化是連續(xù)的，且有一定的梯度，在氣體與器壁之間，溫度變化時(shí)連續(xù)的，即我們認(rèn)為緊貼器壁的氣層中，溫度是與器壁相同的λ～d時(shí)，盡管氣體內(nèi)部溫度的變化仍是連續(xù)的，但是在邊界外溫度則發(fā)生一躍變，這就是較低壓強(qiáng)下出現(xiàn)的所謂溫度劇增現(xiàn)象產(chǎn)生劇增現(xiàn)象的原因：由于在λ增大時(shí)，碰撞到器壁上的分子都從較遠(yuǎn)的地方飛來(lái)，也就是從溫度較高的一個(gè)平均自由程的地方飛來(lái)，與器壁碰撞后，相對(duì)于器壁部分或全部地交出自己的能量，在返回氣體之中，而這飛來(lái)與飛回的兩部分分子構(gòu)成了緊貼器壁的氣層這兩類分子的平均溫度則是該氣層的溫度，顯然由于λ的增大，該溫度要高于器壁的溫度，于是產(chǎn)生了劇增現(xiàn)象。第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月氣體間的熱傳導(dǎo)：平行板間溫度變化：但是中壓強(qiáng)下，會(huì)有劇增現(xiàn)象，類似于遷移現(xiàn)象，加一個(gè)物理量β，成線性關(guān)系：相當(dāng)于把二平行板向外展寬β距離后仍可使溫度梯度在整個(gè)容器之間線性變化所以：第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月邊界氣層不緊貼器壁的情況與器壁有溫度突變?chǔ)的邊界氣層實(shí)際上應(yīng)該與器壁相距λ距離，所以：參照低壓強(qiáng)時(shí)熱傳導(dǎo)公式可將邊界層與器壁熱傳導(dǎo)寫成(1)（2）所以：α為溫度適應(yīng)系數(shù)與氣層內(nèi)傳熱量聯(lián)立第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月K1是外傳熱系數(shù)，K是內(nèi)熱傳導(dǎo)系數(shù)得第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月討論：1.p下降，λ變大，劇增現(xiàn)象更為明顯2.邊界處產(chǎn)生溫度劇增現(xiàn)象原因：a.較大平均自由程（λ～d），且此時(shí)表面存在一定適應(yīng)系數(shù)（α≠0）。b.α=0,λ趨向于0，邊界處亦有客觀的劇增3.當(dāng)λ>>d，由于分子間無(wú)碰撞，氣體內(nèi)部不能建立起溫度梯度，邊界外也有顯著的劇增現(xiàn)象

λd4.β值并不精確第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月應(yīng)用：圓筒傳熱方程第三講：遷移現(xiàn)象3.7溫度劇增現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月氣體熱傳導(dǎo)應(yīng)用：（1）在壓強(qiáng)高時(shí)單位時(shí)間通過(guò)一定面積的傳熱量Q與P無(wú)關(guān)，在壓強(qiáng)低（λ>d）時(shí)，Q與P成正比（2）在壓強(qiáng)高（λ<<d）時(shí)Q與（T2-T1）/d成正比，在壓強(qiáng)低時(shí)傳熱量Q只與溫度（T1-T2）成正比，而與兩壁板之間距d無(wú)關(guān)因此，可利用低壓強(qiáng)下熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)成正比的關(guān)系來(lái)測(cè)量真空度，主要有熱阻真空計(jì)a，熱偶真空計(jì)b第二講：真空物理基礎(chǔ)（一）氣體熱傳導(dǎo)（應(yīng)用）真空與過(guò)裝教研室利用低壓氣體熱量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及其和壓強(qiáng)的關(guān)系，可以：熱阻/熱偶真空計(jì)：熱偶真空計(jì)是用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率與氣體壓強(qiáng)間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來(lái)測(cè)量低真空，可測(cè)范圍為13.33~0.1333Pa。其中有一根細(xì)金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率加熱，則絲的溫度取決于輸入功率與散熱的平衡關(guān)系，而散熱取決于氣體的熱導(dǎo)率。管內(nèi)壓強(qiáng)越低，即氣體分子越稀薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越少，則絲溫越高，從而熱偶絲產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可以通過(guò)測(cè)量熱偶絲的電動(dòng)勢(shì)來(lái)指示真空度了。如果測(cè)量的是電阻值，則成為熱阻真空計(jì)。熱絕緣裝置：暖水瓶、杜瓦瓶，中空玻璃等2007年4月4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.1工作原理2007年4月和直接測(cè)量壓力不同，實(shí)際中使用的真空計(jì)多為間接測(cè)量型的。即利用某些和壓力有關(guān)的物理量來(lái)反映壓力的大小。在壓力變化條件下，氣體導(dǎo)熱的能力是不同的。熱傳導(dǎo)真空計(jì)就是基于該原理而設(shè)計(jì)的。在一個(gè)玻璃或金屬制成的管殼內(nèi)，有一帶支撐的熱絲。熱絲通電后，將向周圍傳熱：Qrad:輻射熱量損失；Qend:引線熱量損失；Qgas:氣體分子熱傳導(dǎo)熱量損失。

當(dāng)?shù)竭_(dá)熱平衡后，熱絲的溫度將取決于氣體的壓力。4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.2電阻真空計(jì)（簡(jiǎn)介）2007年4月電阻式真空計(jì)也稱Pirani真空計(jì)，其原理就是通過(guò)熱絲電阻變化來(lái)反映氣體壓力的變化。其測(cè)量的范圍可在104~10-1Pa。電阻式真空計(jì)可用金屬或玻璃對(duì)熱絲進(jìn)行封裝。常用的熱絲材料有鎢、鉑和鎳三種。4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.2電阻真空計(jì)（測(cè)量線路）2007年4月電阻式真空計(jì)在使用中須將電阻值轉(zhuǎn)化為氣體壓力值。對(duì)于熱絲變化方法的不同，可以使用如下三種形式進(jìn)行測(cè)量：定電壓法：保持電橋兩側(cè)電壓不變，觀察平衡電流和壓力的關(guān)系；（壓強(qiáng)高時(shí)熱絲溫度降低，導(dǎo)致靈敏度下降。測(cè)量電路較為簡(jiǎn)單，低壓力時(shí)測(cè)量精度較高。定電流法：保持熱絲電流不變，觀察失平衡電壓和壓力的關(guān)系；定電阻法：保持熱絲電阻（溫度）不變，觀察電壓和壓力之間的關(guān)系。4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.3熱偶真空計(jì)（原理）2007年4月熱偶真空計(jì)借助熱電偶直接測(cè)量熱絲溫度的變化，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)用于表征規(guī)管內(nèi)的壓力。熱電偶：對(duì)于任意兩種金屬，當(dāng)兩個(gè)接頭溫度不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的溫差電效應(yīng)。利用該效應(yīng)來(lái)測(cè)量熱絲溫度的變化；中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，加入中間導(dǎo)體（異質(zhì)材料），只要其兩端溫度相同，就不會(huì)影響熱電偶原來(lái)的熱電勢(shì)。4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.3熱偶真空計(jì)（結(jié)構(gòu)）2007年4月熱偶真空計(jì)由規(guī)管和測(cè)量電路兩部分組成。規(guī)管由熱絲和熱電偶組成，被封裝在金屬或玻璃管中。熱電偶的熱端與熱絲連接，冷端由導(dǎo)線引出管外。測(cè)量電路包括兩個(gè)部分：供電回路和熱偶電勢(shì)的顯示回路。為實(shí)際使用方便，須將熱電偶的電壓讀數(shù)和氣體壓力讀數(shù)對(duì)應(yīng)。而熱電勢(shì)和氣體壓強(qiáng)的關(guān)系很難通過(guò)計(jì)算獲得，因此需要校準(zhǔn)。4.3熱傳導(dǎo)真空計(jì)4.3.4熱傳導(dǎo)真空計(jì)的測(cè)量范圍2007年4月作為相對(duì)真空計(jì)，寄生現(xiàn)象的發(fā)生是難以避免的。正是因?yàn)檫@些現(xiàn)象的發(fā)生，使熱傳導(dǎo)真空計(jì)的測(cè)量范圍受到限制。熱絲的平衡溫度和三者之間的平衡有關(guān)：高壓強(qiáng)：第一項(xiàng)起主導(dǎo)作用，因此熱傳導(dǎo)真空計(jì)適用于壓強(qiáng)較高條件下的真空度測(cè)量；低壓強(qiáng)：第一項(xiàng)依然起作用，但后兩項(xiàng)變得更顯著，因此低壓條件下需要使用其它方法來(lái)測(cè)量真空度。對(duì)熱傳導(dǎo)真空計(jì)可以從材料、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)，但對(duì)于低壓范圍的測(cè)量能力依然有限。Dynamicoperationofamicro-thermocouplesensorasavacuumgaugeAnewvacuumgaugebasedonaKtypemicrothermocouplewith25.4

μmdiameter.Thissensorisintendedforthesimultaneousmeasurementofthetemperatureandpressureintherangesextendingfrom293

Kto400

Kand10?1

Pato105

Parespectively.TheoperationofthesensorisbasedontheanalysisofthefrequencyoftheoscillatingsignalobtainedThefrequencyofthesignaloscillationisafunctionofthegaspressureinthesystem.Duetoitslowthermalinertia(熱慣量）(timeconstantof30

ms),thisgaugegivestwopiecesofinformationsimultaneously:thetemperatureandthepressureofthegas.Experimentsareconductedwithdryair.AthermocouplevacuumgaugeforlowvacuummeasurementTheconstructionofathermocouplevacuumgaugefortherangeofpressuresfrom200to800

mbarisreported.Thegaugediffersfromsimilaronesthatcoverthemediumvacuumregion.Themaindifferenceisthatthethermocoupleisnotfixedtothefilament,asusual,butisplacedatsomedistancefromthefilament.Apartfromthethreeabove-mentionedheattransferphenomena,thereisnodirecttransferofheatfromfilamenttothermocouplebyconductiononthecontactregionbutinplaceofthatthereisaradianttransfer3.8氣體中的擴(kuò)散行為真空與過(guò)裝教研室2007年4月

一種氣體可以滲透到另一種氣體中去，或者從氣體某一部分滲透到其他部分，前者稱為互擴(kuò)散（如磁控濺射和刻蝕工藝中工作氣體），后者稱為自擴(kuò)散。擴(kuò)散現(xiàn)象的原因可以分為三種：

容器中氣體的分子數(shù)密度不同；溫度不同；氣體中各氣層流動(dòng)速度不同。

當(dāng)氣體內(nèi)各處的分子數(shù)密度不同或各部分氣體的種類不同時(shí)，其分子由于熱運(yùn)動(dòng)而相互摻合，在宏觀上產(chǎn)生的氣體質(zhì)量遷移現(xiàn)象。第三講：遷移現(xiàn)象應(yīng)用：真空干燥、燈泡注氣、擴(kuò)散泵工作原理第三講：遷移現(xiàn)象3.8擴(kuò)散現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月一自擴(kuò)散定義：在總壓強(qiáng)p或總分子數(shù)n處處保持一致下，一種氣體擴(kuò)散于同種氣體中，當(dāng)出現(xiàn)濃度差即會(huì)出出現(xiàn)擴(kuò)散。假設(shè)空間存在某種氣體密度處處均勻，都等于n，而其中的所謂“標(biāo)記”分子密度不均勻，為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)密度僅為Z坐標(biāo)的函數(shù)，即n1=n1（z）單位時(shí)間通過(guò)ds擴(kuò)散的“標(biāo)記分子”總質(zhì)量dM顯然正比于dS及密度ρ在ds出的梯度：第三講：遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月物理意義，當(dāng)密度等于1時(shí)，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的質(zhì)量流量。D是自擴(kuò)散系數(shù)，其中結(jié)論：1.自擴(kuò)散系數(shù)正比于λ，故反比于ρ，即壓強(qiáng)越高，擴(kuò)散越慢，這點(diǎn)與內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象不同，自擴(kuò)散系數(shù)與壓強(qiáng)有關(guān)，這是應(yīng)為壓強(qiáng)較高時(shí)，分子間碰撞頻繁，不宜散開的緣故。2.自擴(kuò)散系數(shù)正比于v，即分子運(yùn)動(dòng)越快，擴(kuò)散越快，又因?yàn)楣蕼囟仍礁?，擴(kuò)散越快，分子質(zhì)量越輕，擴(kuò)散越快，最后這點(diǎn)導(dǎo)致不同氣體有不同的擴(kuò)散速率，它是一個(gè)很重要的現(xiàn)象。分子擴(kuò)散的方向與分子數(shù)密度梯度的方向相反自擴(kuò)散系數(shù)

由于分子的無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)，ΔS左右兩側(cè)都會(huì)有氣體分子穿過(guò)ΔS，但是在dt時(shí)間內(nèi)，右側(cè)的分子穿過(guò)ΔS的數(shù)目比左側(cè)的分子穿過(guò)ΔS的數(shù)目要多。3.8擴(kuò)散現(xiàn)象第三講：遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月自擴(kuò)散現(xiàn)象的理論可以在如下的幾種情況得到應(yīng)用，其一是它可以使用于一種假象的情形，一種分子運(yùn)動(dòng)著稀薄氣體在一種分子不動(dòng)的氣體中的擴(kuò)散（單純擴(kuò)散）其二是在均勻的總壓強(qiáng)下任意溶度的氣體在任意濃度的同種氣體內(nèi)擴(kuò)散，即“標(biāo)記擴(kuò)散”3.8擴(kuò)散現(xiàn)象第三講：遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月互擴(kuò)散：性質(zhì)互異的氣體間的擴(kuò)散稱為互擴(kuò)散當(dāng)兩種氣體相互接觸時(shí)，他們之間的壓強(qiáng)很快就取得平衡，但是兩種氣體達(dá)到均勻需要相當(dāng)時(shí)間，也就是氣體擴(kuò)散過(guò)程比他們壓強(qiáng)平衡過(guò)程要慢得多。在氣體混合過(guò)程中，單位體積內(nèi)各氣體成分的比例是不同的，且在變化中，但任何時(shí)刻密度應(yīng)保持不變，這是互擴(kuò)散現(xiàn)象的主要特征。3.8擴(kuò)散現(xiàn)象第三講：遷移現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室2007年4月設(shè)D1-2和D2-1分別為成分I，II在混合氣體中的互擴(kuò)散系數(shù)，若用分子數(shù)表示，則有且互擴(kuò)散系數(shù)最終與混合氣體的密度比有關(guān)應(yīng)用：真空干燥、燈泡注氣、擴(kuò)散泵工作原理3.8擴(kuò)散現(xiàn)象3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵工作原理及過(guò)程）第三講：真空獲得技術(shù)當(dāng)油鍋爐中的油被加熱沸騰后，將產(chǎn)生油蒸汽從噴嘴中高速射出（注意：由于前級(jí)泵的工作，真空室及油擴(kuò)散泵已經(jīng)處在真空條件下，此時(shí)泵油能在較低溫度下蒸發(fā)沸騰）；油蒸汽在低壓下蒸發(fā)壓力很大，由噴嘴加速出射后，壓力能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而高速噴出；噴出后的氣體分子壓力和密度逐漸降低；油蒸汽分子射流從噴嘴中以超音速射出；真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵工作原理及過(guò)程）第三講：真空獲得技術(shù)射流中被抽氣體分子密度很低，由于擴(kuò)散作用這些分子部分的進(jìn)入射流區(qū)域；進(jìn)入射流區(qū)域的分子，被油蒸汽分子碰撞，在射流方向上獲得動(dòng)能，從而被“脅迫”進(jìn)入擴(kuò)散泵的下一級(jí)；經(jīng)過(guò)逐級(jí)壓縮后，被前級(jí)泵抽出；油蒸汽射流在泵腔壁被冷卻而得到循環(huán)。油蒸汽分子射流從噴嘴中以超音速射出；真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)）第三講：真空獲得技術(shù)泵體：一般可以做成圓筒形、錐筒形和凸腔形，泵的內(nèi)腔鍍鎳；圓筒形：便于加工；凸腔形：第一、二級(jí)增加工作接觸面積，提高抽速；錐筒形：介于圓筒和凸腔之間的形式。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)）第三講：真空獲得技術(shù)噴嘴和導(dǎo)流管：多級(jí)擴(kuò)散泵中，一般利用傘形噴嘴和噴射噴嘴及導(dǎo)流導(dǎo)管組成噴射導(dǎo)流系統(tǒng)。傘形噴嘴：直徑逐級(jí)增加，呈塔形（噴嘴直徑和張角是兩個(gè)最為重要的參數(shù)）；噴射噴嘴：利用拉烏爾噴嘴和擴(kuò)壓器結(jié)合的形式，提高能耐受的出口壓力，通常裝在擴(kuò)散泵的最后一級(jí)，也稱為噴射級(jí)；導(dǎo)流管：連接級(jí)與級(jí)，形成蒸發(fā)空間。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)）第三講：真空獲得技術(shù)分餾裝置：把餾分不同的油分子分開在油擴(kuò)散泵中，采用分餾結(jié)構(gòu)來(lái)消除揮發(fā)性較高的輕餾分對(duì)被抽系統(tǒng)的影響：必要性：輕餾分蒸汽壓高，易進(jìn)入被抽系統(tǒng)，影響極限壓力；工作原理：按照油的循環(huán)路徑，讓先蒸發(fā)的部分盡量為輕餾分，且進(jìn)入高壓級(jí)；效果：極限壓力可以提高接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，相關(guān)的擴(kuò)散泵也被稱為分餾泵。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)）第三講：真空獲得技術(shù)其它：加熱器：用來(lái)對(duì)油進(jìn)行加熱，通常采用電加熱形式；冷卻器：通過(guò)在泵體外設(shè)置水冷管道，對(duì)泵腔的上部進(jìn)行足夠的冷卻，保證泵油循環(huán)并且減小返油；進(jìn)排氣口：排氣口和前級(jí)泵相連；進(jìn)氣口和被抽空間相連。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵性能）第三講：真空獲得技術(shù)抽氣速率：典型趨勢(shì)：在高壓力區(qū)域和低壓力區(qū)域抽速下降；泵的抽速在入口壓力很寬的范圍內(nèi)保持不變。低壓區(qū)：反擴(kuò)散氣體+泵壁放氣+蒸汽流釋放氣體所占比重越來(lái)越大；高壓區(qū)：抽氣量迅速降低，大量氣體分子進(jìn)入蒸汽射流中和蒸汽分子碰撞，使蒸汽射流的定向運(yùn)動(dòng)速度衰減。氣體分子碰撞變得復(fù)雜。多級(jí)泵的抽氣速率由第一級(jí)決定，其它各級(jí)的抽速依次增加，從而確保能將前一級(jí)的氣體抽走。油擴(kuò)散泵的抽速受很多因素影響：被抽氣體的種類和溫度；泵的幾何尺寸；泵油的種類；出口壓力等。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵性能）第三講：真空獲得技術(shù)極限壓力：在規(guī)定測(cè)試條件下，泵的入口能夠達(dá)到的最低壓力。極限壓力受到很多因素影響：前級(jí)側(cè)氣體的反擴(kuò)散、泵壁溫度下油的飽和蒸汽壓、蒸汽流中釋放的氣體以及泵壁放氣等。反擴(kuò)散和下列因素有關(guān)系：蒸汽射流下部的氣體壓力；蒸汽射流的密度和速度；氣體的分子量。當(dāng)擴(kuò)散泵工作在合適壓力條件（出口壓力小于臨界出口壓力時(shí)），反擴(kuò)散對(duì)泵的極限壓力影響不大。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵性能）第三講：真空獲得技術(shù)最大出口壓力：根據(jù)前面對(duì)于抽速的介紹可以得到如下關(guān)系：根據(jù)擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最后一級(jí)的抽氣面積是最小的，因此擴(kuò)散泵的出口壓力由泵的最后一級(jí)決定。取決于：蒸汽射流的密度；噴嘴的蒸汽流量；最后一級(jí)噴嘴的結(jié)構(gòu)（可以采用噴射噴嘴）。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵性能）第三講：真空獲得技術(shù)擴(kuò)散泵油的特性及返油對(duì)擴(kuò)散泵油的性能要求：分子量大：減小輕餾分的不利影響；飽和蒸汽壓低（常溫）/高（沸騰溫度下）：可以降低泵的極限壓力，提高出口壓力；其它：抗氧化性、熱穩(wěn)定性、無(wú)毒等。油擴(kuò)散泵的返油：返油的絕對(duì)性和相對(duì)性；來(lái)源：凝結(jié)于頂部噴嘴的油的再蒸發(fā)；泵壁油膜的再蒸發(fā)和爬移；各種碰撞引起的彈射和散射；消除方法：擋油帽、擋油環(huán)、各種冷阱和障板。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散泵運(yùn)行和維護(hù)）第三講：真空獲得技術(shù)擴(kuò)散泵的運(yùn)行及維護(hù)泵本身：泵油：應(yīng)定期更換；安裝：泵芯裝配、清洗；加熱及冷卻：先通冷卻水，在加熱泵油，加熱功率、冷卻水流量。真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)的漏率應(yīng)足夠??；前級(jí)泵的匹配及工作狀態(tài)；各種閥門的通斷。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散增壓泵簡(jiǎn)介）第三講：真空獲得技術(shù)油擴(kuò)散增壓泵的工作原理與油擴(kuò)散泵相似，因此具有相似的特點(diǎn)，并且應(yīng)用領(lǐng)域也相似。只是油增壓泵工作壓強(qiáng)范圍比油擴(kuò)散泵高(10～10-2Pa)，所以油增壓泵除作主泵外，還可作油擴(kuò)散泵的前級(jí)泵，起增壓作用。油擴(kuò)散增壓泵工作在粘滯流和分子流之間。低入口壓力：擴(kuò)散攜帶---蒸汽密度足夠低；高入口壓力：摩擦攜帶---蒸汽密度盡量高；矛盾1：蒸汽流密度無(wú)法隨被抽氣體的壓力改變而改變，因此需要使用油擴(kuò)散增壓泵來(lái)滿足較高壓強(qiáng)時(shí)的需要；矛盾2：為了在較寬的壓力范圍內(nèi)工作，油擴(kuò)散泵的壓力不能太高，因此油擴(kuò)散增壓泵的往往使用多級(jí)噴嘴結(jié)構(gòu)。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（油擴(kuò)散增壓泵結(jié)構(gòu)與原理）第三講：真空獲得技術(shù)油增壓泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其工作原理與油擴(kuò)散泵相似，仍然是以靠工作射流來(lái)攜帶氣體，達(dá)到抽氣目的。不同點(diǎn)是油增壓泵的射流主要是依靠被抽氣體與蒸汽射流之間的粘滯摩擦來(lái)攜帶氣體進(jìn)行抽氣。為使油增壓泵能在較高的壓強(qiáng)區(qū)域內(nèi)工作，必須增大蒸汽射流強(qiáng)度(密度)，所以油增壓泵的加熱功率要比同容量的油擴(kuò)散泵大得多。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（水噴射泵簡(jiǎn)介）第三講：真空獲得技術(shù)水噴射泵用水作為工作介質(zhì)，通過(guò)高速射流來(lái)牽引氣體，并在被抽容器內(nèi)獲得粗真空。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、安裝維護(hù)方便；壓縮比高、能對(duì)大氣直接排氣，可作為前級(jí)泵使用；可以抽除含顆粒狀介質(zhì)、易燃、易爆或有腐蝕性的氣體以及氣液混合介質(zhì)；缺點(diǎn)：氣液混合能量損失大，抽氣效率低。極限壓力：?jiǎn)渭?jí)可達(dá)3.3kPa。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.4.2噴射真空泵（水噴射泵簡(jiǎn)介）第三講：真空獲得技術(shù)水噴射泵結(jié)構(gòu)及原理噴嘴：作用：將高壓水泵射出的水的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；噴射方式：連續(xù)噴射、旋轉(zhuǎn)噴射和脈沖噴射；噴嘴形式：錐形收縮噴嘴、圓形薄壁孔口噴嘴、多孔型噴嘴；吸入室：和進(jìn)氣管相連，圓筒形，截面一般是噴嘴出口面積的6~10倍。擴(kuò)壓器：包括漸縮段、喉管和漸擴(kuò)段。工作原理：相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段；液氣混合階段；擴(kuò)壓運(yùn)動(dòng)階段。真空與過(guò)程裝備系2009年5月3.9熱流逸現(xiàn)象真空與過(guò)裝教研室

概念：在分子流狀態(tài)下，兩個(gè)連通容器由于溫度不同引起了氣體流動(dòng)，當(dāng)氣體傳輸達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)容器之間產(chǎn)生壓力梯度的現(xiàn)象。因此，對(duì)于一個(gè)各部分溫度不同的真空室，即使沒(méi)有氣體流動(dòng)。它們的壓強(qiáng)也不相等。2007年4月原因：