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1、真空物理基础,苟伟,一、真空基础,内容提要：什么是真空？（工业标准的真空）真空的衡量（单位及换算关系）真空的划分（低、中、高和超高真空）真空的获得（泵的类型，泵的原理及真空系统）真空的测量（各种常见真空测量装置）真空的应用（真空在各个领域的应用）镀膜领域中的真控技术,真空的定义,1大气压下气体分子密度约为2.6871025/m3；气压110-4Pa的高真空中，气体分子密度约为2.651016/m3；宇宙中，气体分子密度109/km3，甚至每km3只有几个气体分子。,按照工业标准的规定，真空绝不是“完全空”，而是一种“低于一个标准大气压的气体充满空间的状态”。由此可知，工业领域所说的真空，与我们
2、平时想象中的“完全空”的真空相差十万八千里。空无一物的理想真空，实际上是不存在的。,真空真的是“什么都没有”吗?,气体分子密度可以接近于零，却不是零。,真空现象,1、从地球表面向外空延伸，离地面距离越远，空气越稀薄；2、宇航员在外空间时都必须穿上太空服，一方面就是为了防止宇航员被负压伤害。3、气相薄膜沉积过程中的真空容器；4、霓虹灯管或日光灯管；5、AES，XPS，SEM，TEM等设备其中，1和2属于自然真空，3-5属于人为真空。人为真空需要通过真空泵系统来实现。,真空的衡量,真空是一种环境，其衡量单位就是气体压力，压力值越低，真空度就越高,常用单位有：（1）Pa,（2）mbar,（3）Tor
3、r(mTorr),压强单位换算关系表,真空的意义,Monolayer Coverage TimeFor an ideal gas,the time needed for monolayer coverage is given by:tML1019/ZAwhere ZA is impingement rate.Impingement Rate(Flux)For an ideal gas,the impingement rate is given by:ZA=v/4where,-the number density of gas molecules v-the mean velocity,不同真空
4、条件下气体分子的状态,真空的划分,根据GB316382，真空区域大致划分如下：,真空的获得,常用真空泵的工作压强范围及起动压强：,低真空泵或初抽泵,高真空泵,超高真空泵,备注：红色字体为气体传输泵，即通过将气体不断吸入并排出真空泵达到抽气的目的；其余的为气体捕获泵，利用各种吸气材料所特有的吸气作用吸出气体达到目的。,真空泵型号及代码含义,真空泵型号及规格的表示方法 根据中华人民共和国机械行业标准JB/T7673-95的规定，国产各种真空泵是由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123456。格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。国产真空泵的型号通常以下表中的汉语
5、拼音字母来表示。若在拼音字母前冠以“2”字，则表示泵在结构上为双级泵。某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是“L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。由于泵的种类较多，选用时应参阅不同生产厂家的产品说明书式样本，是很重要的。,常用真空泵的汉语拼音及名称,最常见泵的工作原理,旋片式机械真空泵工作原理,旋片S2与进气门G之间空腔的区域I的体积逐渐增大，使被抽容器中的气体由进气门进入此区域,（a）
6、:,（b）:,同时旋片S1与排气门D之间空腔的体积逐步减小，其中的气体不断地从排气门被挤出,（c）:,（d）:,旋片S1将区域I与进气门隔开，此时区域I的吸气空腔的体积最大,旋片S1开始将区域I内的气体压缩并从排气门排出,最常见泵的工作原理,油扩散泵工作原理,接机械泵,扩散泵油被泵外电炉加热产生油蒸气,油蒸气沿蒸气导管上升到管顶,油蒸气经伞形喷嘴向下喷出产生射流,气体分子与射流中油分子碰撞发生动量交换,气体分子与射流一起向下运动,油蒸汽与水冷的泵壁相遇而冷却回流气体分子则被带到排气口附近被抽走,最常见泵的工作原理,涡轮分子泵工作原理,当侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在1角内的将又回到侧；撞击
7、在1 角内再反射的气体分子将进入侧；反射方向在1角内的气体分子最后将进入到侧或散射回侧。,动叶片工作原理图,12，12,真空系统,目前，由于真空泵极限压强的存在，没有一种真空泵能单独从大气抽气至高真空，必须前段使用粗抽泵从大气抽至约2-5Pa，再利用高真空泵抽气至高真空。,机械泵+罗茨泵+油扩散泵,机械泵+涡轮分子泵,极限压强：是表示真空泵性能的重要参数之一，指当标准容器作为负载时，使泵按规定的条件正常工作一段时间，真空度不再变化而趋于稳定时的最低压强。,真空的测量,一些真空计的压力测量范围,热偶真空计测量低真空,灯丝的热量损失包括：热丝和热偶间的热传导；灯丝的热辐射；气体分子的热传导。在通过
8、热丝的电流一定的条件下，灯丝辐射热量不变。10210-1Pa时，热丝热偶间热传导很小。,测量范围为：10210-1Pa（气体分子热传导损失为主）。,电离真空计 测量高真空,加速极的电势比灯丝高,收集极的电势比灯丝低,灯丝电路F-F中通以电流，灯丝受热后便发射热电子,螺旋状栅极G-G电压高于灯丝（几百伏），吸引热电子使热电子加速,B 与真空系统相接,收集极A电压比灯丝负（几十伏），反射电子,电子在往返途中与气体分子相碰，产生正离子和电子。收集极捕获正离子形成离子电流Ip；电子被处于正电势的加速极收集形成发射电流Ie。,Ip=kIePIe一定时，Ip与压强成正比,测量范围为10-1-105 Pa,真空的应用,表 4 不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况,真空表面技术,
