真空技术及真空计量基本知识

第二章 真空计量基本知识
一、真空
1.1 真空、理想气体状态方程、气体分子的热运动
地球的周围有一层厚厚的空气，称为大气，人类就生活在这些大气中。

空气有一定的质量，在通常状况下，大约为1.29g/l ，可以说是很轻的。

但地球周围的空气非常密，在几十公里以上的高空还有空气存在，这么厚的一层空气受地球引力作用，就会对地面上的一切物体产生压力，这就是大气压。

早在17世纪，托里拆利就通过实验证实了大气压强的大小。

通常一个标准大气压约等于0.1MPa ，相当于760mm 左右的汞柱所产生的压强。

真空是指低于一个大气压的气体空间，但不可理解为什么都没有。

真空是同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。

按照阿佛加德罗定律1mol 任何气体在标准状况下，有6.022×1023个分子，占据22.4L 的体积。

由此我们得到标准状态下气体分子的密度为319/103cm 个⨯。

在非标准状况下，当气体处于平衡时，满足描述理想气体的状态方程。

式中的N 为气体的摩尔数，P 为压力（Pa ）,T 热力学温度，κ为波尔兹曼常数，κ=1.38×10-23J/K 。

因此在非标准状况下，气体分子数密度与压力和温度有关。

每立方厘米中的气体分子数可以表示为： T
P n 61024.7⨯= 式中n 为气体分子数密度（cm -3），由此可见，即便在Pa P 11103.1-⨯=这样很高的真空度时，T=293K 时，每立方厘米的空间中仍有数百个气体分子。

因此所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。

同时我们也可知，气体分子数密度在温度不变时，与压力成正比。

因此，真空度可用压力来表示也是以此为理论依据。

在真空抽气过程中，一般可认为是等温的，我们说容器中的压力降低了或气体分子数密度减少了都是正确的。

1.2 气体分子的热运动 从微观的角度看，气体是由分子组成的，所有分子都处在不断的、无规则的运动状态。

分子的这种运kT V N p ⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
动与温度有关，因此我们称之为热运动。

做无规则运动的气体速度不都具有相同的值，而是形成一个各种速度的速度分布，具有最大速度和最小速度的分子数都比较少，而具有“中等”速度的分子数比较多，速度的分布是有规律的。

容器中的气体，施于器壁或测量元件的压力，是大量气体分子不断对他们进行碰撞的结果。

我们知道，所有气体分子都在以各种可能的速度和方向无规则的运动着，随时都有一部分分子碰撞到器壁或测量元件上，并把它们的动量传递给被碰撞的物体，对于一个分子来讲，它每次碰撞在什么地方，有多大的动量都是偶然的，不确定的。

但对于容器中的大量分子而言，每时每刻都有许多分子碰撞到器壁和测量元件上，按照统计规律，这种碰撞是恒定的、持续的、确定的，从宏观上表现出来的，就是压力。

因此从分子运动的观点看，气体压力是由于大量气体分子做无规则的热运动，对物体表面施加碰撞的统计平均结果。

1.3 真空的特点
在低于大气压力的稀薄气体中，气体所显示的第一个特点是气体分子数目的减少,即单位体积内所具有的分子数目的减小.
低压气态空间所显示的第二个特点是随着分子数目的减少,分子间、分子与器壁之间相互的碰撞次数也逐渐的减少下来。

随大气压力降低，每秒种内碰撞到每平方厘米表面积上去的分子数是在不断减少的。

低气压状态中，气体的第三个特点是气体分子热运动自由程的增大。

所谓自由程，是指一个气体分子在其热运动过程中，彼此之间不断发生碰撞，一个分子与其它分子每连续两次碰撞之间所走的路程。

由于分子运动速度不同，运动情况不同，单独讨论某一个分子的自由程是无意义的，因此通常采用平均自由程的概念，它定义为相当多的不同自由程的平均值。

平均自由程也只有统计的概念。

理论和实验表明，气体分子的平均自由程可以用下式表示
其中为σ分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。

二、真空的度量
根据上面的讨论，我们可以看出，在真空中气体分子数目、气体分子间相互碰撞次数及气体分子碰撞到空间任何物体表面上去的次数都有着明显的减少。

随着气态空间分子数的减少，即出现了真空度不断提
高的过程。

所谓真空度，就是空间中气态物质的稀薄程度。

气体的压力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。

因此，低压力与高真空或高压力与低真空，在含义上是完全相同的。

在真空技术中由于真空度和压强有关，所以真空度的度量单位是用压强来表示。

压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），简称帕，是目前国际上推荐使用的国际单位制。

我国采用国际单位制。

1958年，第一届国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。

托（Torr）是最初获得真空时被采用的真空技术中的独特单位，实际上也是1mmHg柱所产生的压强。

两者的关系为1Torr=133.322Pa=1mmHg。

还有一种压强的计量单位是巴(bar), 1 bar =105 Pa ，它的常用单位是毫巴(mbar)，1mbar=10-3bar=100Pa，这也是我们镀膜线控制界面所用的压强单位。

三、真空的划分
有了度量真空度的单位，就可以定量表示真空度的高低了。

但在习惯上，人们只需要指出真空状态的大致情况时，采用划分真空区域的方法是比较方便的。

根据我国制定的国标，真空区域大致划分如下：低真空区域105-102Pa （760-1托）
中真空区域102-10-1Pa （1-10-3托）
高真空区域10-1-10-5Pa （10-3-10-7托）
超高真空区域＜10-5Pa （＜10-7托）
3.1 低真空区域
在低真空情况下，气体分子的平均自由程小于10-4cm，分子数密度还很高，在容器壁上经常保留着一个被吸附的气体层，容器内部气体分子由于不断与其它分子发生碰撞，所以运动轨迹是一个平均自由程远小于容器尺寸的空间折线。

如图1示。

图1 低真空下气体分子的运动轨迹λ<<d 图2 低真空下蒸汽分子的运动轨迹
此时如果容器内部存在一个蒸发源，例如用电热杯加热一小杯水，由于气体分子数密度高，在水蒸气分子不断离开水面又会不断被碰撞返回水面，所以蒸发速度慢。

另一方面，离开水面的蒸汽分子由于与其他气体分子碰撞，完全破坏了刚离开水面时的方向，而是通过杂乱无章的空间折线做随机运动，如图2示。

任何蒸汽分子都可能凝结在容器壁或屏的任何一面，不会由于屏的存在而在容器上部壁上出现“分子阴影”。

因此真空镀膜不能工作在粗真空范围，否则，就会在真空镀膜机腔内及被镀件的所有表面上出现膜层。

在低真空情况下，气体传导热量的能力与压力无关。

低真空情况下气体传导热的过程主要是靠气体分子间的相互碰撞，动能高的气体分子通过碰撞把热能传递给动能低的分子以完成热量的传递。

若压力高，分子数密度大，分子平均自由程小，反之，压力低，分子数密度小，平均自由程增加，二者相互关联，使得在粗真空范围内气体的热传导能力并不随着压力的降低而提高。

在低真空条件下，分子自由程小，气体可视为连续介质，气流通过管道时，流层间存在摩擦阻力，因此流速沿半径方向会均匀减小，中间最大，而贴近管壁处由于壁对气体的粘着作用，使流速为零。

从分子运动的观点看，出现这种现象的原因是气体分子具有传递动量的能力。

气体随气流做定向运动时具有一定的动量，由于分子数密度很高，这些分子同时还要在各个方向上做无规则热运动，碰撞与之相邻的气体分子，把它们的一部分动量传递给这些分子，这样互相碰撞传递动量的结果，形成如上所述的速度分布。

气体的这种传递动量或内部各层之间交换动量的现象称为气体的粘滞性和内摩擦。

上述气体分子的平均自由程小于管道最小截面尺寸的流动状态就称为粘滞流。

低真空下气体的流动主要表现为粘滞流。

3.2 中真空区域
在中真空区域内，随真空度由低到高，分子的平均自由程从10-4cm到10cm，变得可与容器尺寸相比拟。

所以中真空情况下，容器壁上吸附的气体层比低真空容易脱离器壁。

中真空环境中液体的蒸发也要比低真空快很多。

在中真空状态下，随着气压的降低，平均自由程的增加就开始不足以补偿分子数减少造成的影响，出现了热传导能力与压力有关的现象，在一定范围内，热传导能力与气体压力成正比。

根据这一特点，制成了热传导式真空计。

在中真空下，分子的平均自由程可以与容器的尺寸相比拟，但分子之间还存在较多碰撞，气体的流动既不是粘滞流，也不是分子流，而是介于粘滞流和分子之间的一种中间流状态。

3.3 高真空区域
在高真空情况下，气体分子的平均自由程一般在10cm以上，这就是说，在一个容器内部，做热运动的气体分子之间已几乎不发生碰撞。

它们只与容器壁发生碰撞，在容器壁间作折线运动。

如图3示。

图3高真空时气体分子的热运动路径图4高真空时蒸汽分子的直线轨迹λ>>d 在高真空情况下，由于离开器壁的分子不能与其它分子碰撞返回器壁表面，所以器壁上，至少是大部分器壁上已不能保留布满气体分子的吸附层。

在高真空情况下，如果真空容器的内部存在一个蒸发源，例如真空镀膜的蒸镀物质，由于蒸发的原子不可能因与其它分子碰撞而返回蒸发源，所以蒸发速度可以达到该温度下的最大值。

另外，从蒸发源飞离的蒸发原子，将不改变方向，一直碰到器壁或屏上，并凝结在那里。

冷凝的蒸镀层只在屏朝向蒸发源的那一面和器壁不被遮挡的部分出现，如图4所示。

如同蒸发源是一个点光源一样。

这就是真空镀膜的基础。

在高真空情况下，气体的热传导能力与压力有关，压力越低，热传导能力越差。

绝热性能越高。

这是
因为压力越低，载热分子数越少的缘故。

像杜瓦斯、保温瓶等都是利用了这一原理。

四、蒸汽
所谓蒸汽（又称可凝性气体），是相对于永久气体（或称非可凝性气体）而言的。

对于任何一种气体，都存在着一个临界温度，在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。

空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫凝结。

凝结的逆过程，即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。

单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率，单位是kg/(m2·s)。

在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率大于凝结率，则宏观上表现为液体的蒸发；若蒸发率小于凝结率，则宏观上表现为蒸汽的凝结；二者相等时，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应温度下的饱和蒸汽压P S。

物质的饱和蒸汽压P S随着温度升高而增大。

在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前可以使用理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，理想气体定律不再适用，气体的饱和蒸汽压P S只与温度有关，在特定温度下是一个定值。

只要保持温度恒定，饱和蒸汽压就不会改变，容积减小，将有一部分蒸汽分子凝结成液体；反之增大容积，又会有一部分液体变为气体。

饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题。

以最常见的旋片泵为例，如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大，在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前，水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压，则继续压缩的过程中，就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中，无法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽，增大吸气侧的水蒸汽比例和压力，导致泵的抽气能力和极限真空的下降。

解决这一问题的一个传统方法是加气镇，即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在达到饱和前便被排出。

水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计的精确使用。

测量读数时，如果测量管内经过压缩的气体中，水蒸汽的分压力低于当时饱和蒸汽压，则读数显示的是水蒸汽和永久气体的压力；若水蒸汽已经达到饱和发生液化，则读数会比永久气体的分压力高一些，无法得到准确的数据。

为消除水蒸汽对测量的干扰，常在麦氏计上安装一个低温冷阱，这样测得的就只是永久气体的分压力。

液体（或固体）在真空中蒸发（或升华）变成蒸汽时需要吸收热量，称为汽化热。

这种现象有时也会
给真空操作带来问题，比如在大型真空装置中积存一些水，抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除，而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰，余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发，从而会延长抽真空的时间。

五、气体吸附
气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在表面上,形成单层或多层气体分子层的现象叫做吸附。

发生吸附作用的原因是由于固体表面存在着力场。

根据吸附力的不同,气体吸附可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附是气体分子受范德瓦尔斯力的吸引作用而附着在吸附剂表面之上,其特点是吸附较弱,吸附热较小,吸附不稳定,较易脱附,但对吸附的气体一般无选择性,温度越低吸附量越大,能形成多层吸附,分子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。

化学吸附是靠固体表面原子与气体分子间形成吸附化学键来实现的,与发生化学反应相类似,同物理吸附相比,化学吸附的特点是吸附强,吸附热大,稳定不易脱附,吸附有选择性,温度较高时发生化学吸附的气体分子增多,只能紧贴表面形成单层吸附(在化学吸附的分子上面还能形成物理吸附),溅射离子泵和电子管中吸气剂的吸气作用就包括化学吸附。

气体吸附的逆过程,即被吸附的气体或蒸汽从表面释放出来重新回到空间的过程,称为脱附或解吸。

解吸现象可以是自然发生的,也可以是人为加速的。

自然解吸有两种情况,一是从宏观平均地看,每个吸附气体分子在表面停留一段时间后,都要发生脱附飞回空间,这时也会有其它气体分子发生新的吸附,在气体温度压力一定的条件下,吸附速率与脱附速率相等,表面上的气体吸附量维持恒定;另一种情况是在抽真空的过程中,空间气体压力不断降低,表面上脱附速率大于吸附速率,气体吸附量逐渐减少,气体从表面上缓缓放出,这种现象在真空中叫做材料的放气或出气。

工程中最关心的问题是表面上的气体吸附总量和抽真空时表面的放气速率,但至今还没有很准确通用的计算方法,只能从实验经验中总结出:在低真空阶段,表面吸附及表面放气与空间气体相比,数量很小,其影响可以忽略不计;在中真空阶段,表面放气量已接近空间气体量,对二者应同样重视;进入高真空乃至超高真空阶段,表面放气(不计系统漏气时)已成为主要气体负荷,放气的快慢直接影响着抽空时间。

通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生,在真空技术中叫做去气或除气.人工去气可以缩短系统达到极限真空的时间;可以获得没有气体分子遮盖的清洁表面。

加热烘烤去气方法通过提高吸气表面的
温度,增加分子热运动能量来促进解吸,边加热边排气,常用于超高真空系统容器内表面及内部构件的去气和真空电子器件内灯丝等内部金属元件的去气；离子轰击去气方法一般是在空间形成气体放电,产生离子体区,高能离子轰击待清洗的固体表面,产生气体溅射,使吸附气体发生脱附,这是一种相当有效、简捷迅速的除气手段,在薄膜技术、表面科学等有气体放电条件或有离子源的设备中广泛采用。

六、真空的获得
真空技术在不同领域中应用，对真空度的要求各不相同，在实践中，人们根据不同需要研制了各式各样的真空泵或抽气方法，它们形状不同，原理各异。

目前用以获得真空的技术方法有两种：一种是通过某些机械的运动把气体直接从密闭容器中排出；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上。

图5 各种真空泵的工作范围
图5给出了各种原理的真空泵的工作范围。

真空系统除了真空泵以外，还有被抽容器、连接件、阀门、导管等。

在真空泵启动之前，假设整个真空系统没有漏气的部位，内部也不存在放气源，抽气系统中压力处处相等，气体不存在宏观流动。

启动真空泵，真空泵处的压力首先降低，气体开始沿着从容器→导管→真空泵的方向流动，随着气体的不断被抽出，系统中的压力不断降低，在工作相当长的时间后，容器、管道和真空泵入口处的压力逐渐趋于平衡并达到一个极限值，达到这种状态后，不管真空泵再继续工作多长时间，也不可能提高系统的真空度，此时达到了该真空泵所能达到的极限值。

由于极限值的存在，至今还没有一种泵能直接从大气压一直工作到超高真空。

因此，为了获得高真空，
通常采用几种泵组合起来使用。

根据真空泵在真空系统中所承担的工作任务，我们可以分为：
粗抽泵：从大气开始降低系统的压力到另一抽气系统开始工作的真空泵。

前级真空泵：用于维持另一个泵的前级压强在其最高许可的前级压强以下的真空泵。

主泵：在真空系统中，用来获得所要求的真空度的真空泵。

增压泵：工作在低真空泵和高真空泵之间，用以提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气速率要求的真空泵。

根据真空泵的工作范围，还可以把真空泵分为：
粗（低）真空泵：粗、低真空泵是指从大气开始，降低被抽容器的压强后工作在低真空或粗真空压强范围内的真空泵。

高真空泵：真空泵是指在高真空范围工作的真空泵。

超高真空泵：高真空泵是指在超高真空范围工作的真空泵。

真空泵的主要参数包括如下几个：
极限压强：极限压强又称极限真空，它是指泵在入口处装有标准试验罩，并按规定条件工作，无其它引入气体并正常工作的情况下，趋向稳定的最低压强。

抽气速率：抽气速率一般用符号S表示，单位是m3/s（秒）或l/s（秒），抽气速率是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩指定位置（通常是泵口出）测得的平衡压强之比。

简称泵的抽速。

S=Q G/P
起动压强：泵在无损坏起动并有抽气作用时的压强。

启动压强是一个重要参量，使用真空泵时必须在低于启动压强时才能启动，否则会造成无可挽回的损失。

例如机械泵，在大气压下可以正常启动，但扩散泵就必须低于启动压强时才能启动。

前级压强：排气压强低于一个大气压的真空泵的出口压强，单位是Pa。

临界前级压强：扩散泵等所许可的最高前级压强，超过了此值将导致泵损坏。

了解泵的临界前级压强对设计真空系统，合理选择前级泵是十分重要的。

如果前级泵无法保证入口管道中的压强低于与其串联的
主真空泵的临界前级压力，主真空泵就不能正常工作，甚至造成损坏。

真空泵是一个真空系统获得真空的关键。

下面根据工作原理的不同我们主要介绍如下几种真空泵：
6.1 机械泵（旋片泵）
获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。

如图6(1)所示，旋片式机械泵通常由定子、偏心转子、旋片等结构构成。

定子为一圆柱形空腔，空腔上连接进气管和出气阀门，转子顶端保持于定子的圆柱空腔内切位置上。

转子上开有槽，槽内安放了由弹簧连接的两个旋片。

当转子旋转时，两旋片的顶端始终紧压在定子空腔的内壁上。

转子的转动是由马达带动的，整个空腔置于油箱中，油起到密切、润滑和冷却的作用。

图6-1旋片泵结构图图6-2旋片泵的工作原理图
图6-2是旋片泵的工作原理图。

当转子顺时针转动到A旋片通过进气口（图6-2-1）时，空气由被抽容器通过进气管被吸入。

随着转子的转动，A旋片与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。

当到达图b位置时，吸气区域达到最大。

旋片继续运动，转子达到一定位置时，B旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体不断压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，之后进入下一个循环，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。

旋片式机械泵可以直接在大气压下开始工作，其极限真空度可达1.33×10-2Pa。

旋片式机械泵的极限压
强主要取决于：1、定子空间中两空腔间的密封性，因为其中一空间为大气压，另一空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；2、排气口附近有一死角空间，旋片移动时它，此空间不可能趋于无限小，因此不能有足够的压力去顶开排气阀门；3、泵腔内密封油存在一定的蒸汽压。

旋片式机械泵使用时必须注意以下几点：1、启动前先检查油槽中的油液面是否达到规定的要求，机械泵转子转动方向与泵的规定方向是否符合（否则会把泵油压入真空）。

2、机械泵停止工作时要立即让进气口与大气相通，以清除泵内外的压差，防止大气通过缝隙把泵内的油缓缓地从进气口倒压进被抽容器（“回油”现象）。

3、泵不宜长时间抽大气，否则因长时间大负荷工作会使泵体和电动机受损。

6.2 分子泵
当气体分子碰撞到高速移动的固体表面时，一般不作弹性反射，而是在表面停留很短的时间，然后在离开表面时将获得与固体表面速率相近的相对切向速率，这就是动量传输作用。

涡轮分子泵就是利用这一现象而制成的。

即它是靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走，而使被抽容器获得高真空的一种机械分子泵。

图7 涡轮分子泵的结构示意图
右图7是涡轮分子泵的结构示意图。

它的工作原理是基于叶轮转子上的叶片和定子圆盘上的槽缝相互组合形成特定的形状，当叶轮转动时，从进气口一侧扩散进入泵腔中的气体分子有较大的几率运动向出气口一侧，从而实现抽气的功能。

在图7中转子轴上安装了许多斜开缝的圆盘（构成叶轮），在这些转子圆盘之间对应的是定子圆盘，定子圆盘上也开有斜缝，斜缝的方向与转子上的斜缝相反，当转子高速旋转时，气体分子从上部进气口进入，在转子和定子的作用下，分成两股，向左或向右被压缩到靠近泵轴的两端，。