真空物理基礎(chǔ)

真空物理基礎(chǔ)茍偉一、真空基礎(chǔ)內(nèi)容提要：★什么是真空？（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的真空）★真空的衡量（單位及換算關(guān)系）★真空的劃分（低、中、高和超高真空）★真空的獲得（泵的類型，泵的原理及真空系統(tǒng)）★真空的測(cè)量（各種常見真空測(cè)量裝置）★真空的應(yīng)用（真空在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用）★鍍膜領(lǐng)域中的真控技術(shù)真空的定義1大氣壓下氣體分子密度約為2.687×1025/m3；氣壓1×10-4Pa的高真空中，氣體分子密度約為2.65×1016/m3；……宇宙中，氣體分子密度﹤109/km3，甚至每km3只有幾個(gè)氣體分子。依據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，真空絕不是“完全空”，而是一種“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體充溢空間的狀態(tài)”。由此可知，工業(yè)領(lǐng)域所說的真空，與我們平常想象中的“完全空”的真空相差十萬八千里?？諢o一物的志向真空，事實(shí)上是不存在的。

真空真的是“什么都沒有”嗎?氣體分子密度可以接近于零，卻不是零。真空現(xiàn)象1、從地球表面對(duì)外空延長(zhǎng)，離地面距離越遠(yuǎn)，空氣越淡??；2、宇航員在外空間時(shí)都必需穿上太空服，一方面就是為了防止宇航員被負(fù)壓損害。3、氣相薄膜沉積過程中的真空容器；4、霓虹燈管或日光燈管；5、AES，XPS，SEM，TEM等設(shè)備……其中，1和2屬于自然真空，3-5屬于人為真空。人為真空須要通過真空泵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。真空的衡量真空是一種環(huán)境，其衡量單位就是氣體壓力，壓力值越低，真空度就越高常用單位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Torr(mTorr)壓強(qiáng)單位換算關(guān)系表單位名稱帕/Pa托/Torr毫巴/mbar大氣壓/atm1帕17.501×10-310-29.869×10-61托1.333×10211.333×10-１1.315×10-31毫巴1027.501×10-１19.869×10-41大氣壓1.013×105760.001.013×1031真空的意義①M(fèi)onolayerCoverageTimeForanidealgas,thetimeneededformonolayercoverageisgivenby: tML1019/ZAwhereZAisimpingementrate.②ImpingementRate(Flux)Foranidealgas,theimpingementrateisgivenby:

ZA=ρv/4where,ρ-thenumberdensityofgasmoleculesv-themeanvelocity不同真空條件下氣體分子的狀態(tài)DegreeofVacuumPressure

(Torr)GasDensity,ρ

(molecules

m-3)MeanFreePath

(m)Time/ML,tML

(s)Atmospheric7602x10257x10-810-9Low13x10225x10-510-6Medium10-33x10195x10-210-3High10-63x1016501UltraHigh10-103x10125x105104Collision-FreeConditions:P~10-6TorrMaintainaCleanSurface:P~10-10Torr真空的劃分真空等級(jí)真空度范圍備注低真空

105~102Pa氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子間碰撞十分頻繁中真空102~10-1Pa氣體分子的流動(dòng)逐漸從黏流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，此時(shí)氣體分子之間和分子與器壁之間的碰撞次數(shù)差不多高真空10-1~10-5Pa氣體分子的流動(dòng)已為分子流，氣體分子與容器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)大大減少，粒子沿直線飛行超高真空＜10-5Pa氣體分子數(shù)目很少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子與器壁的碰撞機(jī)會(huì)也很少依據(jù)GB3163－82，真空區(qū)域大致劃分如下：真空的獲得常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍及起動(dòng)壓強(qiáng)：

真空泵種類工作壓強(qiáng)范圍（Pa）起動(dòng)壓強(qiáng)（Pa）旋片式機(jī)械真空泵1×105～6.7×10-11×105羅茨真空泵1.3×103～1.31.3×103分子篩吸附泵1×105～1.3×10-11×105油擴(kuò)散泵1.3×10-2～1.3×10-71.3×10渦輪分子泵1.3～1.3×10-51.3濺射離子泵1.3×10-3～1.3×10-96.7×10-1鈦升華泵1.3×10-2～1.3×10-91.3×10-2低溫泵1.3～1.3×10-111.3～1.3×10-1低真空泵或初抽泵高真空泵超高真空泵備注：紅色字體為氣體傳輸泵，即通過將氣體不斷吸入并排出真空泵達(dá)到抽氣的目的；其余的為氣體捕獲泵，利用各種吸氣材料所特有的吸氣作用吸出氣體達(dá)到目的。真空泵型號(hào)及代碼含義真空泵型號(hào)及規(guī)格的表示方法

依據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7673-95的規(guī)定，國(guó)產(chǎn)各種真空泵是由基本型號(hào)和協(xié)助型兩部分組成，兩者中間為一橫線。其表達(dá)型式為123—456。格中數(shù)字123表示基本型號(hào)，456表示協(xié)助型號(hào)。國(guó)產(chǎn)真空泵的型號(hào)通常以下表中的漢語拼音字母來表示。若在拼音字母前冠以“2”字，則表示泵在結(jié)構(gòu)上為雙級(jí)泵。某些真空泵系列對(duì)其抽氣速率則以幾何級(jí)數(shù)來分檔。其單位是“L/S”。共分18個(gè)等級(jí)，分別為0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有時(shí)也可用泵的入口尺寸來表示，其單位是“mm”。由于泵的種類較多，選用時(shí)應(yīng)參閱不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書式樣本，是很重要的。常用真空泵的漢語拼音及名稱代號(hào)名稱代號(hào)名稱W往復(fù)真空泵Z油擴(kuò)散噴射泵（油增壓泵）D定片真空泵S升華泵X旋片真空泵LF復(fù)合式離子泵H滑閥真空泵GL鋯鋁吸氣劑泵ZJ羅茨真空泵（機(jī)械增壓泵）DZ制冷機(jī)低溫泵YZ余擺線真空泵DG灌注式低溫泵L濺射離子泵IF分子篩吸附泵XD單級(jí)多旋片式真空泵SZ水環(huán)泵F分子泵PS水噴射泵K油擴(kuò)散真空泵P水蒸氣噴射泵最常見泵的工作原理旋片式機(jī)械真空泵工作原理旋片S2與進(jìn)氣門G之間空腔的區(qū)域I的體積漸漸增大，使被抽容器中的氣體由進(jìn)氣門進(jìn)入此區(qū)域（a）:（b）:同時(shí)旋片S1與排氣門D之間空腔的體積逐步減小，其中的氣體不斷地從排氣門被擠出（c）:（d）:旋片S1將區(qū)域I與進(jìn)氣門隔開，此時(shí)區(qū)域I的吸氣空腔的體積最大旋片S1起先將區(qū)域I內(nèi)的氣體壓縮并從排氣門排出最常見泵的工作原理油擴(kuò)散泵工作原理接機(jī)械泵

擴(kuò)散泵油被泵外電爐加熱產(chǎn)生油蒸氣

油蒸氣沿蒸氣導(dǎo)管上升到管頂

油蒸氣經(jīng)傘形噴嘴向下噴出產(chǎn)生射流

氣體分子與射流中油分子碰撞發(fā)生動(dòng)量交換

氣體分子與射流一起向下運(yùn)動(dòng)

油蒸汽與水冷的泵壁相遇而冷卻回流氣體分子則被帶到排氣口旁邊被抽走最常見泵的工作原理渦輪分子泵工作原理α1

β1

γ1

ⅠⅡ當(dāng)Ⅰ側(cè)的氣體分子與葉片相碰后反射方向在α1角內(nèi)的將又回到Ⅰ側(cè)；撞擊在γ1角內(nèi)再反射的氣體分子將進(jìn)入Ⅱ側(cè)；反射方向在β1角內(nèi)的氣體分子最終將進(jìn)入到Ⅱ側(cè)或散射回Ⅰ側(cè)。動(dòng)葉片工作原理圖α2

β2

γ2

ⅠⅡα1﹤α2，γ1﹥?chǔ)?凈氣體流ⅡⅠ真空系統(tǒng)目前，由于真空泵極限壓強(qiáng)的存在，沒有一種真空泵能單獨(dú)從大氣抽氣至高真空，必需前段運(yùn)用粗抽泵從大氣抽至約2-5Pa，再利用高真空泵抽氣至高真空。機(jī)械泵+羅茨泵+油擴(kuò)散泵機(jī)械泵+渦輪分子泵極限壓強(qiáng)：是表示真空泵性能的重要參數(shù)之一，指當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器作為負(fù)載時(shí)，使泵按規(guī)定的條件正常工作一段時(shí)間，真空度不再變更而趨于穩(wěn)定時(shí)的最低壓強(qiáng)。真空的測(cè)量一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍真空計(jì)名稱測(cè)量范圍(Pa)真空計(jì)名稱測(cè)量范圍(Pa)水銀U型管105～10高真空電離真空計(jì)10-1～10-5油U型管104～1高壓力電離真空計(jì)102～10-4光干涉油微壓計(jì)1～10-2B-A計(jì)10-1～10-8壓縮式真空計(jì)(一般型)10-1～10-3寬量程電離真空計(jì)10～10-8壓縮式真空計(jì)(特殊型)10-1～10-5放射性電離真空計(jì)105～10-1彈性變形真空計(jì)105～102冷陰極磁放電真空計(jì)1～10-5薄膜真空計(jì)105～10-2磁控管型電離真空計(jì)10-2～10-11振膜真空計(jì)105～10-2熱輻射真空計(jì)10-1～10-5熱傳導(dǎo)真空計(jì)(一般型)102～10-1分壓力真空計(jì)10-1～10-14熱傳導(dǎo)真空計(jì)(對(duì)流型)105～10-1

熱偶真空計(jì)—測(cè)量低真空

燈絲的熱量損失包括：熱絲和熱偶間的熱傳導(dǎo)；燈絲的熱輻射；氣體分子的熱傳導(dǎo)。在通過熱絲的電流確定的條件下，燈絲輻射熱量不變。102—10-1Pa時(shí)，熱絲熱偶間熱傳導(dǎo)很小。燈絲熱電偶鉑絲熱端冷端壓強(qiáng)熱傳導(dǎo)系數(shù)燈絲溫度熱電偶電動(dòng)勢(shì)熱偶熱端溫度測(cè)量范圍為：102—10-1Pa（氣體分子熱傳導(dǎo)損失為主）。電離真空計(jì)

—測(cè)量高真空

加速極的電勢(shì)比燈絲高

收集極的電勢(shì)比燈絲低

燈絲電路F-F中通以電流，燈絲受熱后便放射熱電子螺旋狀柵極G-G電壓高于燈絲（幾百伏），吸引熱電子使熱電子加速B與真空系統(tǒng)相接收集極A電壓比燈絲負(fù)（幾十伏），反射電子電子在來回途中與氣體分子相碰，產(chǎn)生正離子和電子。收集極捕獲正離子形成離子電流Ip；電子被處于正電勢(shì)的加速極收集形成放射電流Ie。Ip=kIePIe確定時(shí)，Ip與壓強(qiáng)成正比測(cè)量范圍為10-1-10－5Pa真空的應(yīng)用表4不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況

真空狀態(tài)氣體性質(zhì)應(yīng)用原理應(yīng)用概況粗真空105～102（Pa）氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無氣體分子空間特性的變化．分子相互間碰撞頻繁利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)真空的力學(xué)應(yīng)用1.真空吸引和輸運(yùn)固體、液體、膠體和微粒；2.真空吸盤起重、真空醫(yī)療器械；3.真空成型，復(fù)制浮雕；4.真空過濾；5.真空浸漬。中真空102～10-1（Pa）氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下；氣體分子密度較小利用氣體分子密度降低可實(shí)現(xiàn)無氧化加熱；利用氣壓降低時(shí)氣體的熱傳導(dǎo)及對(duì)流逐漸消失的原理實(shí)現(xiàn)真空隔熱和絕緣；利用壓強(qiáng)降低液體沸點(diǎn)也降低的原理實(shí)現(xiàn)真空冷凍，真空干燥1.黑色金屬的真空熔煉，脫氣、澆鑄和熱處理2.真空熱軋、真空表面滲鉻；3.真空絕緣和真空隔熱；4.真空蒸餾藥物、油類及高分子化合物；5.真空冷凍、真空干燥；6.真空包裝、真空充氣包裝；7.高速空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的低壓風(fēng)洞高真空10-1～10-5（Pa）分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁；氣體分子密度小利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學(xué)作用徽弱的特點(diǎn)進(jìn)行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產(chǎn)1.稀有金屬、超純金屬和合金、半導(dǎo)體材料的真空熔煉和精制；常用結(jié)構(gòu)材料的真空還原冶金；2.純金屬的真空蒸餾精練；放射性同位素蒸發(fā)；3.難熔金疆的真空燒結(jié)；4.半導(dǎo)體材料的真空提純和晶體制備；5.高溫金相顯微鏡及高溫材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制造；6.真空鍍膜，離子注入．膜層刻蝕等表面改性；7.真空工業(yè)的電光管、離子管、電子源管、電子束管、電子衍射儀，電子顯微鏡、x光顯微鏡，各種粒子加速器、能譜儀、核輻射譜儀，中子管、氣體激光器的制造；8.電子束除氣、電子束焊接，區(qū)域熔煉，電子束加熱超高真空﹤10-6（Pa）氣體分子密度極低，與器壁碰撞的次數(shù)極少致使表面形成單分子層的時(shí)間增長(zhǎng)；氣態(tài)空間中只有固體本身的原子幾乎沒有其他原子或分子的存在。利用氣體分子密度極低與表面碰撞極少，表面形成單一分子層時(shí)間很長(zhǎng)的原理實(shí)現(xiàn)表面物理與表面化學(xué)的