真空技术基础 PPT课件PPT资料.ppt

1、常用真空泵的结构工作原理、特点、应用范围及局限性。3 3、真空测量仪表的分类及总体特点真空测量仪表的分类及总体特点；典型真空典型真空计的测量原理、适用范围、应用特点及局限性。计的测量原理、适用范围、应用特点及局限性。本章重点1 1、不同单位制真空度换算；、不同单位制真空度换算；2 2、真空区域划分、真空区域划分-气体流动特征关系；气体流动特征关系；3 3、典型真空泵工作原理及适用范围；、典型真空泵工作原理及适用范围；4 4、常用真空计工作原理及特点。、常用真空计工作原理及特点。本章难点 真空区域划分的依据；真空区域划分的依据；各种真空泵的工作原理；电离真空计的问题及改进。Technologie

2、s薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-4-1 真空技术基础真空与真空与 薄膜材料与技术 有何关系有何关系？制备现代薄膜材料 大部分情况下需要在 真空或较低的气压条件下 进行，涉及 真空下气相产生、输运、反应、凝聚、沉积 等过程！因此：了解 真空的基本概念和知识；掌握 真空的获得和测量技术 基础知识 是了解 薄膜材料制备技术 的必要基础！Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-5-1.1 真空的基本知识回顾：中学物理内

3、容1643年 托里切利（Torricelli）著名的大气压实验 为人类首次揭示了 真空 这个 物理状态 的存在！1 真空技术基础 管内水银柱上方空间内，因已排除空气的存在 而形成 真空（托里切利真空）右图中 A、B、C 三点压力相等，其中：A、C点：环境气体产生的大气压；B点：水银柱产生的流体压力 换句话说，由于液柱形成的压力与环境气压互相平衡，可以用 水银柱产生的压力 作为 大气压 的量度！把高度为760 mm的水银柱所产生的压力定义为1个大气压（1 atm）1 atm=760 mmHg（Torr，托）结果：得到了“真空”的定义、大气压的定义以及 量度 依据！Technologies薄膜材料

4、与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-6-概念：利用外力将 一定密闭空间内 的气体分子移走，使该空间内的 气压 10！2）真空系统中气体运动特征的理论划分：粘滞流（层流、Poiseuille流）粘滞-分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流）Kn 1 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 流场特征尺寸（如：管径）流场特征尺寸（如：管径）Thin Film Materials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-11

5、-1 真空技术基础1.1 真空的基本知识1.1.2 真空区域的划分3）理想气体状态方程：，式中：n 分子密度（个/m3）；k 玻尔兹曼常数，1.3810-23 J/K；P 气体压强（Pa）；T 气体温度（K）；V 气体体积（m3）；m 气体质量（kg）；M 气体分子量（kg/mol）；R 普适气体常数，R=NAk=8.314 J/molK；NA Avogadro常数，6.021023 个/mol；4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。平均自由程（）：气体分子自由程的统计平均值。式中：分子直径（m）；Avogadro定律：定律：一定温度、压力下，各

6、种气体单位体积内含有的分子数相同。表明：1）与P成反比，而与 T 成正比；2）在气体种类和温度一定的情况下：Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-12-1 真空技术基础1.1 真空的基本知识1.1.2 真空区域的划分5）真空区域的工程划分：空气在室温下满足 记忆方法：“52-168（159），粗低高超极”P（Pa）10510210-110-310-610-9 （m）6.66710-86.66710-56.66710-26.6676.6671036.667106尺度数十nm数十 mcm量级若干米

7、数 km几千kmKn1气体分子流动特征粘滞流过渡段分子流气体分子运动特点大气状态热运动剧烈碰撞频繁粘滞流分子流分子-分子与分子-器壁碰撞几率相当器壁碰撞为主粒子直线飞行分子数更少分子间无碰撞器壁碰撞几率也低真空区域工程划分 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高 真空Thin Film Materials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-13-1 真空技术基础1.1 真空的基本知识1.1.3 气体的吸附及脱附 真空下，气体在固体表面的吸附和脱附现象总是存在的！一、基本概念 气体吸附：固体

8、表面捕获气体分子的现象 气体脱附：逆过程 气体从固体表面释出二、为什么需要关注（意义？）1）气体在固体表面的吸附/脱附常常影响真空的实现和保持；2）吸附原理还被用来制作各种吸附泵来获得高真空。三、吸附的主要机制：物理吸附：分子间作用力引起、无选择性、低温有效、易脱附 化学吸附：仅当气固接触生成化合物时发生、高温有效、不易脱附四、可能的影响因素：P气、T固、气、表面光洁度、清洁度等，如：T固 易脱附！Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-14-1 真空技术基础1.1 真空的基本知识小结（课后作业

9、）：1、真空如何定义（概念）？如何表征？有哪些单位制？如何换算？2、为什么要划分真空区域？其依据是什么？关键参数如何定义？3、工程上如何划分真空区域？各个真空区域的气体分子的物理运动特征如何？4、什么是吸附和脱附？为什么要关注？其主要机制和影响因素有哪些？1.2 真空的获得真空的获得：就是所谓的“抽真空”！利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在 1 atm的特定压强范围！获得真空的主要工具 各种真空泵（Pump）！真空泵的分类Thin Film Materials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of

10、 Technology-15-1 真空技术基础1.2 真空的获得真空泵的分类及常用工作压强范围说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围 真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！气体输运泵旋片式机械泵（Rotary Pump）单级：1051 Pa 双级：10510-2 Pa罗茨泵（Booster Pump/Roots Pump）10310-1 Pa 油扩散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。气体捕获泵溅射离子泵（Ion Pu

11、mp）10-310-11 Pa 钛升华泵（Titanium Sublimation Pump）10-310-11 Pa 低温冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵（Sorption Pump）10210-3 Pa 。Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-16-1 真空技术基础1.2 真空的获得1.2.1 旋片式机械泵（Rotary Pump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气机 械 泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作

12、用获得真空的泵。分 类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式运转模式：吸气 压缩 排气（不断循环）基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作；真空度要求低 可单独使用；真空度要求高 作为 前级泵 使用工作区间：单级：1051 Pa；双级：10510-2 Pa优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题。双级机械泵示意图Thin Film Materials&Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-17-1 真空技术基础1.2 真空的获得1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pump）（a

13、）外观（b）内部结构（c）工作原理真空油历经循环：蒸发 喷射 碰撞 冷凝 回流工作原理：1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200）；2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出；3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子；4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体；5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-18-1 真空技术基础1.2 真空的获得1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pump）（d）典型高真空系统组合前

14、级：罗茨泵+机械泵 后级：油扩散泵高真空阀和冷阱阻止油气回流的Baffle工作区间：110-6 Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力）优 点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。缺 点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2018 西安理工大学Xian University of Technology-19-1 真空技术基础1.2 真空的获得1.2.3 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外观（b）内部结构（c）工作原理工作原理：1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子；2）转子叶片以20k60k