真空技术入门汇编.docx

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真空技术入门汇编

真空技术入门

真空：

低于一个大气压的气体状态。

1643年，意大利物理学家托里拆利（E.Torricelli）首创著名的大气压实验，获得真空。

自然真空：

气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。

人为真空：

用真空泵抽掉容器中的气体。

⏹真空量度单位

1标准大气压=760mmHg=760（Torr）

1标准大气压=1.013x105Pa

1Torr=133.3Pa

⏹真空区域的划分

目前尚无统一规定，常见的划分为：

粗真空105-103pa（760-10Torr）

低真空103-10-1pa（10-10-3Torr）

高真空10-1-10-6pa（10-3-10-8Torr）

超高真空10-6-10-10pa（10-8-10-12Torr）

极高真空<10-10pa（<10-12Torr）

⏹真空技术的应用

电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。

真空获得—真空泵

1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。

原理：

当泵工作后，形成压差，p1>p2，实现了抽气。

⏹真空泵的分类

气体传输泵:

是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。

气体捕集泵:

是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。

⏹真空泵的主要参数

抽气速率:

定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积

或表示为：

其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。

泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。

极限压强：

Pn（极限真空）

最高工作压强：

Pm

工作压强范围（Pn-Pm）：

泵能正常工作的压强范围

几种常用真空泵的工作压强范围：

旋片机械泵105-10-2pa

吸附泵105-10-2pa

扩散泵100-10-5pa

涡轮分子泵101-10-8pa

溅射离子泵100-10-10pa

低温泵10-1-10-11pa

⏹几种常用真空泵的工作原理

●旋片机械泵

工作过程是：

吸气—压缩—排气。

定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。

主要参量是：

抽速和极限压强。

由于极限压强较高，常用做前级泵（预抽泵）。

旋片式机械泵

●油扩散泵

工作过程是：

油蒸发—喷射—凝结，重复循环

由于射流具有高流速（约200米/秒）、高密度、高分子量（300—500），故能有效地带走气体分子。

扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强（最大40Pa），如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。

1.水冷套；2.喷油嘴；3.导流管；4.泵壳；5.加热器

●涡轮分子泵

工作过程是：

高速旋转叶片（30000转/分）—对气体分子施以定向动量—压缩—排气。

优点：

无油，洁净，启动快，制动快，可忍受大气冲击。

缺点：

由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小，价格昂贵。

1.动叶轮；2.泵壳；3.涡轮排；4.中频电动机；5.底座；

6.出气口法兰；7.润滑油池；8.静叶轮；9.电机冷却水管.

真空的测量—真空计

⏹绝对真空计

直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计（麦克劳真空计）。

压缩型真空计测量范围：

103～10-3Pa

U型计测量范围：

105～10Pa

⏹相对真空计

直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。

●热偶真空计（热传导真空计）

测量范围：

100-10-1Pa

测量下限：

热丝温度较高，气体分子热传导很小，热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。

热电偶规管及其电路原理

●热阴极电离真空计

原理：

电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流：

I+=kIep=cp

其中，k称为电离计的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。

测量范围：

1.33×10-1～1.33×10-5Pa

测量下限：

高速电子打到加速极G→G产生软x射线→软x射线射向收集极c→收集极c产生光电发射→产生电子流Ix→Ix与I+方向相反，与压强无关。

电离规管

电离计线路图

理论解释：

当p较高时，kx/p<

当p很低时，kx/p>>k，此时

I+与压强无关

●B—A真空计（超高真空熱阴极电离计）

50年代初，Bayard和Alpert经过改进电离规，减小光电流，减小受照面积，制成B-A规，收集极面积减小了100—1000倍，测量下限也降低100—1000倍。

Ф0.2mm的钨丝测量下限可达10-8~10-9pa

Ф4μm的钨丝测量下限可达10-10pa

B-A真空规管

1.离子收集极；2.加速极（栅极）3.阴极灯丝；4.外壳

真空镀膜

⏹真空溅射：

当高能粒子（电场加速的正离子）打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来。

⏹真空蒸发：

在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表面上。

⏹真空蒸发镀膜简介

●真空系统（DM—300镀膜机）

真空系统（DM—300镀膜机）

●蒸发系统

蒸发系统

●蒸发源

蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式（a）、篮式（b）、发叉式（c）和浅舟式（d）等。

蒸发源

⏹膜厚的计算

在真空中气体分子的平均自由程为：

L=0.65/p（cm），其中p的单位是Pa。

当p=1.3×10-3Pa时，L≈500cm。

L>>基片到蒸发源的距离，分子作直线运动。

设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过任何方向一立体角dω的质量为：

蒸发物质到达任一方向面积元ds质量为：

设蒸发物的密度为ρ，单位时间淀积在ds上的膜厚为t，则：

比较以上两式可得：

对于平行平面ds，φ=θ，则上式为：

由：

可得：

在点源的正上方区域（δ=0）时：

⏹薄膜厚度的测量

●干涉显微镜法

干涉条纹间距Δ0，条纹移动Δ，台阶高为

测出Δ0和Δ，即可测得膜厚t，其中λ为单色光波长，如用白光，λ取

●称重法

如果薄膜面积A，密度ρ和质量m可以被精确测定的话，膜厚t就可以计算出来：

●石英晶体振荡器法

广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。