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1、1,第二章 真空技术基础,2.1 气体分子运动论的基本概念2.2 真空的基本知识2.3 真空的获得2.4 真空的测量,2,1643年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，为人类揭示了“真空”这个物理状态的存在。20世纪初，真空技术获得了飞速发展，被广泛应用于军事及民用领域。真空技术是制备薄膜的基础。几乎所有薄膜材料的制备都是在真空或较低气压条件下进行的。,概 述,3,宇宙空间所存在的真空。,真空,自然真空,人为真空,人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空。,4,真空的定义：在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态。绝对真空：完全没有气体的空间状态。,一般意义上的“真空”并不是
2、指“什么物质也不存在”。相对真空状态,目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，仍存在几百个气体分子/cm3。,真空程度：真空度，压强。压强越低，真空度越高。反之，压强高的空间真空度低。,5,真空的基本知识,P：压强（Pa）n：气体分子密度（个/m3）V：体积（m3）m：气体质量（kg）M：气体分子量（kg/mol）T：绝对温度（K）k：玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）R：气体普适常数（8.314J/Kmol）,6,真空的基本知识,n=7.21022 P/T(个m3),在标准状态下，任何气体分子密度为1019 个cm3 当 P=1.3 10-11 Pa 的真空度时，T=2
3、93 K 则 n=4 103个cm3,(NA：阿伏伽德罗常数),7,真空度 压强气体分子密度：单位体积中气体分子数气体分子的平均自由程形成一个分子层所需的时间等,怎样表示真空程度？,8,真空度的单位,毫米汞柱（mmHg）：使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。托（Torr）：在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力，1Torr=1mmHg。1971年，国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压强的国际单位，1Pa=1N/m27.510-3Torr。,9,10,粗真空（Pa）1105 1102低真空（Pa）1102 110-1高真空（Pa）110-1110-6超高真空
4、（Pa）110-6,真空区域的划分,11,气体与蒸气,临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。,温度高于临界温度的气态物质称为气体温度低于临界温度的气态物质称为蒸气但通常以室温为标准来区分气体和蒸气,气体与蒸气的区分依赖于临界温度,12,各种物质的临界温度,氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的临界温度远高于室温，所以常温下它们是蒸气。,13,2.1 气体分子运动论的基本概念,一、气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论的理论：气体的大量分子每时每刻都处于无规则
5、的热运动之中，其平均运动速度取决于气体所具有的温度。同时，在气体分子之间以及气体分子与容器壁之间，发生着不断的碰撞过程。这种碰撞过程的结果之一是使气体分子的速度服从一定的统计分布。,14,理想气体,对于实际气体的性质进行适当简化后提出的一种模型。气体分子之间除了碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，既它们可以被看作是相互独立的许多硬球。且这些气体分子硬球的半径远远小于球与球之间的距离。在一般温度和压力下，所有气体都可以被看作是理想气体。,15,麦克斯韦尔-玻耳兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布,M为气体分子的相对原子质量；T为热力学温度；R为气体常数。气体分子的速度取决于分子的相对原
6、子质量与气体热力学温度的比值。,气体分子的运动速度,16,气体分子的速度具有很大的分布区间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越大。,17,不同种类气体分子的平均运动速度只与T/M的平方根成正比。在常温条件下，一般气体分子的运动速度是很高的。T=300K，空气分子的平均运动速度va460m/s。,气体分子的平均运动速度,18,气体的压力和气体分子的平均自由程,气体的压力：气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。理想气体的压力p与气体的热力学温度成正比：,理想气体状态方程,n为单位体积内的分子数；NA为阿伏伽德罗常数；n/NA等于单位体积内气体分子的摩尔数
7、。,19,分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d，则该气体分子的平均自由程等于,气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比。常温、常压条件下，空气分子的有效截面直径d0.5nm，此时，其平均自由程 50nm。,20,平均碰撞频率：va/常温、常压条件下，每个空气分子每秒中内要经历1010次碰撞。气体分子的运动轨迹并不是一条直线，而是一条不断碰撞的同时不断改变方向的折线。在气体压力低于0.1Pa时，气体分子之间的碰撞几率很小，气体分子的碰撞主要是与容器器壁之间的碰撞。,21,碰撞次数与余弦定律,入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发
8、生碰撞的 分子数，用v表示,n：气体分子的密度va：气体分子的平均速度,上述公式称为赫兹-克努森(Hertz-Knudsen)公式，它是描述气体分子热运动的重要公式。,22,气体分子从表面的反射余弦定律,碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角d(与表面法线成角)中的几率是：,式中：1/是归一化条件，即位于2立体角中的几率为1而出现的。,23,余弦定律的重要意义在于：,（1）它揭示了固体表面对气体分子作用的另一个方面，即将分子原有的方向性彻底“消除”，均按余弦定律散射。（2）分子在固体表面要停留一定
9、的时间，这是气体分子能够与固体进行能量交换和动量交换的先决条件，这一点有重要的实际意义。,24,定义：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率，即单位面积上气体分子的通量。单位时间内，单位面积表面受到气体分子的碰撞次数：薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。,气体分子的通量,克努森（Knudsen）方程,25,固体材料与气体的界面,实际表面：暴露于大气环境中的固体表面，或经切割、研磨、抛光、清洗等加工处理，保持在常温、常压或低真空，或高温下的表面。清洁表面：不存在任何污染的化学纯表面，经过如轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理等特殊处理后，保持在10-910-6Pa超高真空下，外来污染少到不能用一般表
10、面分析方法探测的表面。,26,在高真空环境中，清洁表面被环境中的气体分子污染所需要的时间,N为表面的原子密度。常温、常压条件下，清洁表面被杂质完全覆盖所需要的时间约3.510-9s。在10-8Pa的高真空中，时间延长至10h。说明在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空环境是极其重要的。,假设每一个向清洁表面运动来的气体分子都是杂质，而每个杂质分子都被该表面捕获。,27,2.2 真空的基本知识,28,真空区域的划分,气体分子运动性质：粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，此时分子之间和分子与器壁之间的碰撞次
11、数差不多；高真空时气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器器壁之间的碰撞为主，碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，粒子将沿直线飞行；超高真空时，气体分子数更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。,29,真空蒸发法 沉积薄膜所需要的真空度属于高真空和超高真空（110-3Pa）。溅射沉积技术和低压化学气相沉积技术需要的真空度分别为中、高真空范围（10-210Pa）和中、低真空范围（10100Pa）。电子显微分析 技术需要维持的分析环境一般属于高真空范围，而各种材料表面分析技术需要超高真空系统。,30,气体的流动状态,为了更好地获得和利用真空环境，需要对气体的流动状态有简单的了解
12、。在空间中存在压力差的情况下，气体作为一个整体会发生宏观的定向流动。气体的流动状态根据气体容器的几何尺寸，气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大的差别。,31,气体的流动状态,气体的分子流状态：在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。特点：气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料的表面分析仪器工作在分子流的状态下。,32,气体的黏滞流状态：气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。化学气相沉积系统一般工作在气体的黏滞流状态下。,气体的流动状态,33,克努森（Knudsen）
13、准数Kn,气体容器的尺寸,气体分子的平均自由程,分子流状态 Kn110,两种气体流动状态间的界线,34,在低流速情况下，黏滞态气流处于层流状态。在流速较高时，变为紊乱状态。,35,36,雷诺（Reynolds）准数Re,d为容器的特征尺寸（管路直径）；v、分别是气体的流速、密度和动力学黏度系数。Re2200 紊流状态2200 Re1200 紊流或层流态Re1200 层流状态,判断气体流动状态的另一个参数,37,气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象。分为物理吸附和化学吸附。物理吸附：没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，且只有在低温下有
14、效。,固体对气体的吸附及 气体的脱附,38,化学吸附：发生在较高的温度下，与化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体和固体表面原子接触生成化合物时才能产生吸附作用。气体脱附：气体吸附的逆过程，吸附在固体表面的气体分子从固体表面释放出来的过程。,39,影响因素,真空技术中，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的，只是外界条件不同，产生吸附或脱附的程度不同。气体压强、固体温度、固体表面吸附的气体密度以及固体本身的性质（表面光洁度、清洁度等）。在一些有电离现象的真空泵和真空计中，都不同程度的存在电吸收作用和化学清除作用，也将加速固体对气体的吸附。,40,电吸收：指气体分子经电离后形成正离子，正离子
15、具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附。化学清除现象：在活泼金属（Ba、Ti等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将与非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。,41,“抽真空”，利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。,2.3 真空的获得,旋转式机械真空泵油扩散泵复合分子泵,分子筛吸附泵钛升华泵溅射离子泵低温泵,设备,气体传输泵，通过将气体不断吸入并排出真空泵从而达到排气的目的。,气体捕获泵（无油类泵），是一种利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除，以达到所需真空度。,42,43,气体管路的流导,流导：真
16、空管路中气体的通过能力。设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则流导C为,p1和p2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部件的气体流量，即单位时间内流过的气体体积与其压力的乘积。,44,对于以分子流状态流动的气体，流导C与气体的压力无关,分子流条件下管路的流导不仅取决于管路的几何尺寸，还与气体的种类和温度有关。如：一个处于两个直径很大的管路之间的通孔，若其截面积为A，则通孔的流导正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。,n为单位体积内的气体分子数。,45,当压力升高时，气体通过单位面积的流量增加，因而管路流导的数值随气体压力的升高而增加。,在黏滞流情况下，气体流
17、导的数值随着气体的压力呈现复杂的变化,串联流导,并联流导,46,真空泵的抽速,式中：p为真空泵入口处的气体压力；Q为单位时间内通过真空泵入口的气体流量。,47,旋片式机械真空泵,48,49,利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵。可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可单独使用，又可作为高真空或超高真空泵的前级泵。用油密封，属于有油类型的真空泵。靠机械的方法，使该密封空间的容积周期性增大，即抽气；缩小，即排气，达到连续抽气和排气的目的。优点：结构简单、工作可靠。缺点：油蒸气的回流和对真空系统造成油的污染。,50,复合分子泵,51,是旋片式机械真空泵的一大发展。气体传输泵，无油类泵，可以与前级
18、泵构成组合装置，获得超高真空。分子泵：牵引泵、涡轮分子泵和复合分子泵。复合分子泵优点：抽气能力高，压缩比大。泵转速24000r/min。,52,低温泵冷凝泵、深冷泵,低温吸附泵、低温冷凝泵：直接使用低温液体（液氮、液氦等）来进行冷却，成本较高，通常仅作为辅助抽气手段。制冷机低温泵：利用制冷机产生的深低温来进行抽气。,53,利用20K以下依靠气体分子自发凝结或被低温表面吸附以实现抽气，是目前具有最高极限真空的抽气泵。主要用于大型真空系统，如高能物理、超导材料的制备、宇航空间模拟站等要求高清洁、无污染、大抽速、高真空和超高真空等场合。作为捕获泵收集各种包括有害的，或易燃易爆气体，使其凝结在制冷板上
19、，达到抽气的目的。,54,工作原理：靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，电离的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子使其在泵体内沉积下来，在真空室内造成无油的真空环境。,溅射离子泵,55,溅射离子泵的抽速对于不同的气体是不一样的。对活性较大的气体，具有较大抽速。抽速：氢气氧气、水蒸汽或氮气氩气。溅射离子泵与低温吸附泵有吸附气体分子的相似之处。不同点：溅射离子泵所抽取的气体分子不会在高温下再被释放出来。Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命具有一定限度。,56,绝对真空计：通过测定物理
20、参数直接获得气体压强的真空计，如U型压力计、压缩式真空计。它们所测量的物理参数与气体成分无关，测量准确。相对真空计：通过测量与压强有关的物理量，并与绝对真空计比较后得到压强值，如放电真空计、热传导真空计、电离真空计等，测量准确度略差，且和气体种类有关。,2.4 真空的测量,57,电阻真空计,是热传导真空计的一种，利用测量真空中热丝的温度，间接获得真空度的大小。原理：低压强下气体的热传导与压强有关。真空室的压强和灯丝电阻之间存在的关系：P R。测量范围：10510-2Pa。校准曲线都是针对干燥的氮气或空气。,58,热偶真空计,以气体的热传导随气体压力的变化为基础。是低真空时最常用的测量手段。原理
21、：在热偶真空规中，在作为热丝的铂丝中通过恒定强度的电流，达到热平衡后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射、金属丝热传导以及气体分子热传导损失的功率相等，热丝的温度将随着真空度的不同呈现有规律的变化。气体压强和热电偶的电动势关系：P。,59,60,61,测量范围：10210-1Pa。测量压强不能过低，因为当压强过低时，气体分子热传导逸去的热量很少，而以热丝、热电偶的热传导和热辐射引起的热损失为主，则热电偶电动势的变化将不是由于压强变化所引起。具有热惯性，数据的读取滞后。经常调整加热电流，重新校正加热电流值。,62,电离真空计,在高真空范围内最常使用的测量工具。主要部分：阴极、阳极和离子收集极。由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收集极接收电离的离子，并根据离子电流强度的大小测量环境的真空度。测量的压力上限：1Pa。由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因此电离真空计的测量值与所测量的气体种类有关。,63,
