真空基本原理基本概念

真空基本原理基本概念1安捷倫科技公司致力于為教育事業(yè)貢獻(xiàn)力量，愿意無(wú)償提供公司擁有的本技術(shù)培訓(xùn)材料。這組幻燈片是由安捷倫科技公司制作的。這些幻燈片僅限用于教學(xué)目的。這些材料和本文中包含的信息“按原樣”接受，安捷倫對(duì)于這些材料不提供任何形式的擔(dān)?；虮ＷC，也不承擔(dān)您使用或復(fù)制這些材料可能產(chǎn)生的任何責(zé)任。安捷倫對(duì)于因使用、復(fù)制或披露本文包含的材料造成的或與之相關(guān)的任何損害不承擔(dān)任何責(zé)任。您同意對(duì)因您使用或復(fù)制這些材料而造成的任何索賠進(jìn)行賠償，并確保安捷倫不受損失。如果其中的圖片、示意圖或繪圖要用于其他任何目的，請(qǐng)與安捷倫科技公司取得聯(lián)系。2目錄前言真空發(fā)展歷史概述真空范圍定義壓力分子碰撞腔室中測(cè)量大氣壓海拔vs.壓力流動(dòng)什么是流動(dòng)？氣體流動(dòng)機(jī)制過(guò)渡流流導(dǎo)一般概念粘性流中的流導(dǎo)分子流中的流導(dǎo)示例流導(dǎo)嚴(yán)重影響泵速粒子運(yùn)動(dòng)表面清潔度與電絕緣總結(jié)更多信息真空發(fā)展歷史前言

目錄詳情請(qǐng)參見(jiàn)注釋4沃爾夫?qū)どw德(WolfgangGaede)

發(fā)明了汞蒸氣“擴(kuò)散”泵，并提出了

基于“分子拖動(dòng)”的泵概念。1915年蓋-呂薩克

(Gay-Lussac`s)

定律描述了

氣體的熱膨脹。1800年代丹尼爾·伯努利(DanielBernoulli)

出版了Hydrodynamica（《流體動(dòng)力學(xué)》），

介紹了氣體的

動(dòng)力學(xué)理論。1738年羅伯特·波義耳(RobertBoyle)是一名哲學(xué)家、化學(xué)家兼物理學(xué)家，因波義耳定律而聞名。1660年代布萊士·帕斯卡(BlaisePascal)研究了液壓流體。他的名字“帕斯卡”被確定為壓力的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位，并用于命名一種編程語(yǔ)言和帕斯卡定律。1650年代埃萬(wàn)杰利斯塔·托里拆利(EvangelistaTorricelli)發(fā)明了水銀氣壓計(jì)?！癟orr”（單位）

以他的名字命名。1643年奧托·馮·格里克(OttovonGuericke)

建立了真空

物理學(xué)。1600年首次

實(shí)現(xiàn)“拖動(dòng)級(jí)”

渦輪分子泵的

商業(yè)化。1980年代VarianAssociates

發(fā)明了“濺射離子”泵（管壽命）1956年VarianAssociates

由瓦里安兄弟W.W.Hansen和E.Ginzton

創(chuàng)辦1948年費(fèi)爾南德·

霍爾維克

(F.Holweck)

同樣提出了

“分子拖動(dòng)”

泵的建議1920年代“真空”一詞源于拉丁語(yǔ)形容詞“vacuus”，這個(gè)形容詞是指“空虛的”或“空洞的”，表示不存在物質(zhì)，這種狀態(tài)指物質(zhì)密度低于地球表面大氣壓力的氣體狀態(tài)。許多技術(shù)過(guò)程和儀器都需要真空，例如：長(zhǎng)距離移動(dòng)粒子高能物理（粒子加速器）質(zhì)譜和電子顯微鏡形成并保持表面潔凈表面涂層（玻璃、膜、半導(dǎo)體）食品包裝防止電擊穿變壓器真空管概述前言目錄5真空范圍定義真空范圍取決于以系統(tǒng)中物質(zhì)數(shù)量定義的真空質(zhì)量。真空范圍越高，周圍的物質(zhì)越少。大氣壓760Torr粗真空25Torr中等真空7.5e-4Torr高真空7.5e-7Torr超高真空7.5e-10Torr極高真空7.5e-13Torr收集與運(yùn)輸白熾燈熱處理表面涂層薄膜沉積質(zhì)譜納米技術(shù)半導(dǎo)體食品包裝電子顯微鏡亞原子研究空間研究冷凍干燥目錄6撞擊固定表面的粒子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生作用于壁的力。所得壓力的計(jì)算公式為：表壓是相對(duì)于環(huán)境壓力的壓力。壓力分子碰撞目錄P=壓力F=力A=表面積P1P2P3PxF1F2F3FX示意圖顯示了封閉環(huán)境內(nèi)由顆粒碰撞產(chǎn)生的壓力。7壓力取決于：體系中的分子數(shù)量分子動(dòng)量（熱能）腔室面積（體積）在大氣中，氣球的形狀（或體積）代表了內(nèi)部分子（試圖膨脹氣球）的力與試圖“壓扁”氣球的外部分子力之間的平衡。去除（最好減?。┩饬δ軌蚴埂皟?nèi)部”分子將氣球撐開(kāi)到更大的體積。壓力腔室中PTPTPTPTP空氣P空氣P空氣P空氣目錄8

9壓力測(cè)量大氣壓還可使用氣壓表測(cè)量真空度，也可作為大氣壓力（單位為bar或大氣壓）的百分比進(jìn)行衡量。目錄托里拆利實(shí)驗(yàn)

汞的密度是水的14倍左右

汞柱長(zhǎng)度是水柱的1/13408/14=30英寸汞柱=760mm汞柱Berti實(shí)驗(yàn)1英寸汞柱=0.036磅(PSIa)

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=14.7PSIa

柱高：14.7/0.036=408英寸

=33.9英尺壓力測(cè)量大氣壓水柱33.9英尺汞柱30英寸760mm1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760Torr目錄詳情請(qǐng)參見(jiàn)注釋10海拔壓力(Torr)粒子數(shù)/cm31000英里1609km10-104×10625英里40km28×101610英里16km783×101827500英尺8.3km2531×101920000英尺6km3501.5×10195000英尺1.5km6322.5×10192000英尺0.6km7092.8×1019海平面7603.0×1019海拔vs.壓力壓力空氣分子較少空氣分子較多目錄11與固體不同，液體或氣體填充到容器或空間時(shí)，原有形狀不會(huì)保持。液體將在相對(duì)較小力的作用下從一個(gè)位置“流動(dòng)”至另一位置。雖然液體受到“體積力”（重力和離心力）的限制，但是氣體受這些力的影響相對(duì)較小。流動(dòng)什么是流動(dòng)？液體以每秒幾米的速度運(yùn)動(dòng)，而氣體能夠在相對(duì)較小的壓力差作用下以每秒幾百米的速度運(yùn)動(dòng)。目錄氣體流動(dòng)類型粗真空粘性流中等真空克努森流高真空分子流超高真空分子流12真空中的氣體流動(dòng)具有三種既定的機(jī)制。當(dāng)氣體從高壓區(qū)域擴(kuò)散到低壓區(qū)域時(shí)，

可以用流體力學(xué)中的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這種運(yùn)動(dòng)。氣體行為將根據(jù)壓力而有所不同。氣體流動(dòng)機(jī)制流動(dòng)目錄詳情請(qǐng)參見(jiàn)注釋粘性流(P>100mTorr)氣體的行為與管中的液體類似分子間的距離較小分子-分子碰撞占支配作用通過(guò)動(dòng)量轉(zhuǎn)移而流動(dòng)流動(dòng)特征：湍流、層流分子流(P<1mTorr)氣體分子的行為與離散粒子類似分子-壁碰撞占支配作用氣體粒子之間的碰撞極小流動(dòng)特征：分子流壓力過(guò)渡流13粘性流(100mTorr)和分子流(1mTorr)之間的區(qū)域被稱作過(guò)渡流（也稱作克努森流）。此時(shí)的氣體流動(dòng)行為難以預(yù)測(cè)。實(shí)際上，流動(dòng)特性是基于壓力和容器尺寸之間的關(guān)系。僅基于壓力來(lái)表征流動(dòng)在技術(shù)上不可行。

過(guò)渡流中的真空壓力估計(jì)值可能會(huì)有多達(dá)50%的

變化，因?yàn)榭刹捎弥辽偃N不同的方法來(lái)計(jì)算過(guò)渡流中的流量，它們的結(jié)果相差多達(dá)50%。14流動(dòng)過(guò)渡流目錄流導(dǎo)(C)是氣體穿過(guò)材料的能力。它是單位時(shí)間通過(guò)凹口（如孔口、管道或管線）的氣體體積(Q)。術(shù)語(yǔ)“流導(dǎo)”主要用于被動(dòng)系統(tǒng)組件。它是氣體流動(dòng)阻力的倒數(shù)。流導(dǎo)用單位時(shí)間的體積來(lái)表示(L/s)。流導(dǎo)一般概念目錄P2P1QP2>P1氣體流量取決于壓力(Px)差和連接的幾何形狀（如孔口或管道）。

15管中粘性流的流導(dǎo)計(jì)算公式為：

流導(dǎo)取決于管徑的四次方，并與管長(zhǎng)(L)成反比。粘性流中的孔口流導(dǎo)計(jì)算方法極其復(fù)雜。因此，在實(shí)踐中很少使用。粘性流流導(dǎo)D=管徑(cm)L=長(zhǎng)度(cm)P=壓力(Torr)目錄

粘性流特征：湍流(a)和層流(b)(a)(b)16

分子流流導(dǎo)目錄詳情請(qǐng)參見(jiàn)注釋分子流特征17A=孔口面積流導(dǎo)嚴(yán)重影響泵速示例抽速(S)：S=67L/sS凈=1.6L/s開(kāi)口：直徑1英寸(25mm)C=11.6A=57L/sSA=30L/s1m管線C=8L/sSB=6.3L/s≈5.1L/s1m管線C=8L/sSC=3.1L/s≈1.6L/sSASBSDSC目錄流導(dǎo)導(dǎo)致抽速損失98%18CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)在27km（17英里）的路徑中，每秒運(yùn)動(dòng)11100圈束流管壓力約為10-11Torr（與月球表面相同）粒子以光速的99.9999%運(yùn)動(dòng)真空還可用作低溫磁體的冷屏安捷倫飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜飛行路徑約2m（TOF截面）TOF截面壓力約10-6Torr在高電壓下還需要真空以加速和收集離子示例粒子運(yùn)動(dòng)LHC隧道扇面3-4

圖片

?2009-2017CERN飛行管目錄詳情請(qǐng)參見(jiàn)注釋19水蒸氣會(huì)“污染”表面在10-6Torr下，幾秒內(nèi)即可形成單層水（在10-11Torr下則需要數(shù)小時(shí)）水可能“無(wú)限”與自身結(jié)合擊穿電壓vs.壓力帕邢曲線(F.Paschen,1889)對(duì)于高電壓功率放大管的操作至關(guān)重要（雷達(dá)、X射線、微波）擊穿電壓vs.壓力示意圖示例

表面清潔度與電絕緣污染（通常是水）潔凈表面大氣壓下真空中目錄2010000010000100010010-210-1100