真空技术及真空计量基本知识
真空技术基础
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1.2 稀薄气体的性质
真空下，气体呈稀薄状态。稀薄气体最 接近理想气体，可以采用热力学方程进 行描述。
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1.2.1气体分子的速度分布 气体分子无规则运动及 它们之间频繁地相互碰撞; 分子以各种大小不同的速率 随机地向各个方向运动; 在 频繁的碰撞过程中，分子间 不断交换动量和能量，使每 一分子的速度不断变化。 处于平衡态的气体，虽 然每个分子在每一瞬时的速 度大小、方向都在随机地变 化着，但是大多数分子之间 存在一种统计相关性。
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1.1.2真空区域的划分
7
镀膜工艺采用真空的主要优点
8
超高真空的应用
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10
分子束外延镀膜示意图
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1.1.3 气体与蒸汽
对于每种气体，都有一个特定温度，即高于此温度时，气 体无论怎样都不会液化，称为该气体的临界温度。室温高于临界 温度的气态物质称为气体，反之称为蒸汽。 氮、氢、氩、氧等临界温度低于室温，所以室温下称它们为 气体，而水、金属在气态时就称为蒸汽，二氧化碳的临界温度为 31℃，与室温接近，因此很容易液化。
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切换阀
电离规 主阀 挡油板 扩散泵 冷却水 缓冲器 加热器 （储气瓶）
a
薄膜生长的微观过程
24
几种真空概念之间的关系
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气体分子从固体表面的反射
克努曾研究低压气体流动规律，证明余弦散射定律成立。 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成θ角的余弦进行分布。 一个分子离开表面时，处于立体角dω（与表面法线成θ角） 中的几率为:
真空物理学基础
真空物理学基础
真空物理学是研究真空状态下物质行为的学科，它涵盖了许多重要概念和原理。本文将从真空定义、真空度量、真空的应用以及真空技术的发展等方面来探讨真空物理学的基础知识。
真空的定义与真空度量
真空是指在一定的空间中，没有气体分子和其他物质存在的状态。真空的产生可以通过抽气装置将气体从封闭的容器中排除或者使用吸附剂吸附气体分子来实现。
真空的度量可以通过不同的指标来衡量。最常见的度量单位是帕斯卡（Pa），也可以使用托（Torr）或毫巴（mbar）等。此外，还有其他度量单位，如微米汞柱（μmHg）和毫米水柱（mmH2O）。
真空的应用
真空物理学在许多领域和行业中有着广泛的应用。以下是一些主要的应用领域：
1. 电子技术：真空管和半导体器件的制造过程中需要使用高真空环境，以确保器件的性能和稳定性。
2. 材料科学：将材料置于真空中，可以改变其性能和特性，例如在高真空环境下进行热处理可以提高材料的硬度和强度。
3. 化学实验：在一些化学实验中，需要排除氧气等气体的干扰，以保证实验结果的准确性。
4. 太空科学：真空物理学对于深空探测和航空航天技术的发展至关
重要，因为在太空中存在着极低的气体密度。
真空技术的发展
随着科技的进步，真空技术也得到了长足的发展。以下是几个重要
的真空技术：
1. 抽气技术：通过使用泵类设备，将封闭容器内的气体抽出，使其
达到所需真空度。常见的泵类设备包括机械泵、分子泵和扩散泵等。
2. 密封技术：在高真空系统中，为了防止气体泄漏，需要采用可靠
的密封技术，如金属密封、真空密封环和磁力密封等。
7~0真空技术基础知识
第七单元 真空技术
7-0 真空技术基础知识
“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。此后，人们不断致力于提高真空度，
随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10
Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。 一、真空物理基础 1． 真空的表征
表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2
）：
1牛顿/米2
=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）
帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105
(Pa)，
1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡
真空的基本知识
真空的基本知识
一、真空及真空度的概念
在真空技术中，把低于一个大气压的气体状态，统称为真空。与正常的大气相比，这是一种较稀薄的气体状态。
真空中残存气体的稀薄程度就是真空程度的高低，即真空度。
二、真空度的单位
依据真空度的定义，衡量真空度高低最直接的物理量应是每单位体积中的分子数，但由于历史和技术上的原因，真空度的高低是用被抽空容器中残存气体的绝对压强来表示的。“压强”，是指单位面积容器壁上所承受的压力，它是目前国际上通用的表示真空度的物理量。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，定义为“1Torr 是1个大气压的1/760”，因1个大气压为760mmHg，故Torr可以与mmHg通用。国际单位制（SI）中规定压强的单位为帕（Pa），帕（Pa）是牛顿/米2（N/m2）的专门名称。目前，包括我国在内的许多国家已逐步用Pa取代Torr作为真空压强的标准基本单位。
真空度越高，则气体的压力越低，炉内气体分子数目也越少；反之，气体压力越高，意味着真空度越低。可见，压强的大小与真空度的高低成反比。
在各种文献中，压强的单位除了Pa和Torr外，还有标准大气压、bar、kgf/cm2。几种常见单位之间的换算关系如下。
1 Torr = 133.3 Pa
1 Pa = 7.5×10-3 Torr
1 Torr = 1 mmHg 柱
1 Torr = 1/760 大气压
三、真空区域的划分
真空区域的划分方法很多，目前，我国将真空区域划分为：低真空、中真空、高真空和超高真空。各真空区域所对应的真空值分别为：
真空技术
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真空技术
“真空”这一术语是物理学家在很久以前定义的，但是工程师们将真空度分为以下几个标准：
在技术应用中，对真空估算和测定非常重要。当测定真空时，对真空的不同定义和计量单位必须考虑。
（１）超高真空：压力范围小于１０＿。ｍｂａｒ。
应用：金属以微粒状态散射，气相淀积和电子束熔炼，可控热核聚变研究，大型同步质子加速器等。
（２）高真空：压力范围为１０－７ｍｂａｒ～１０～ｍｂａｒ。
应用：稀有金属及超纯金属的真空熔炼和电子管生产，真空镀膜，离子注入等。
（３）中高真空：压力范围为１０－３ｍｂａｒ～ｌｍｂａｒ
应用：钢水真空脱气，白炽灯的生产制造，食品的冷冻干燥，合成树脂的烘干等。
应用：搬运技术。工程上，低真空的范围常以百分数来表示，也就是真空在一个标准大气压下的比例。在低真空范围内。工件材料的性质在真空搬运中起着十分重要的作用。
气密性的表面材料（例如金属，塑料）通常在６０％～８０％的真空中搬运。
对于透气的材料（例如纸板，模压胶合板）所能达到的真空必须通过实验来确定，方能作为进一步计算的基础。搬运这种材料所需的真空通常为２０％至４０％。
（５）粗真空：
应用在真空医疗器械、真空成型、真空过滤、真空浸渍等场合。
（４）低真空：压力范围从ｌｍｂａｒ到一个标准大气在科学应用中，尤其在中高真空范围内，真空常以压。绝对值定义，因此其数值通常为正数。
实际上，低真空常以相对值定义，即真空相对于大表１为压力单位换算（国际标准），表２为真空／压气压力来定义。因此，其数值通常为负数，因为大气压力的换算，可说明压力和其他常用计量单位之间的－关力是一个基准值，设定为０。系。
第1章真空知识
1.2 稀薄气体的基本性质
理想气体定律
真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符 合理想气体定律：
1. 波义尔定律 3. 查理定律
PV C
2. 盖· 吕萨克定律 V CT
P CT
PV m RT M
4. 理想气体状态方程
P nkT
m-气体质量；R-气体普适常数（8.314 J/mol· K），R=NA· k
8RT 8 8.31 300 468 m/s va 29103 M mol
Z 2nd va
2
2 (31010 )2 468 2.451025
4.58 亿次/秒
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二、平均自由程λ
平均自由程λ：在一定的宏观条件下一个气体分子在 连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均 值。
P nkT
k－1.38×10-23J/K
P n 7.2 10 T
22
绝对真空是 不存在的！
P－气体压强（Pa）；n－气体分子密度（m-3）；
P = 105Pa，T=290K，n = 2.481019分子/cm3 T=293K，P=1.3×10-11 Pa时，n=3.2×103/cm3
13
1.1 真空的 基本知识
真空程度的表示
真空度 压强 气体分子密度、气体分子平均自由程、 形成一个分子层所需要的时间等
真空测量的种类及各种真空计的原理
真空测量的种类及各种真空计的原理（1）
1.什么是真空测量
真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的，并不十分合理。压力高意味着真空度低；反之，压力低与真空度高相对应。
全压力测量
1.U型管真空计
结构最简单的测量压力的仪器，它通常是用玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的或开口与大气相通，以U型管两端的液面差来指示真空度。U型管真空计的测量范围为105～10Pa。它是一种绝对真空计。
(1)开式U型管真空计：将U型管内充入适量的工作液(如水银)，一端开口接大气(即环境大气压p0)，另一端与被测真空系统相连接(待测压力p)如图1所示。
其压力计算公式如下
p = p0 - ρgh (1)
式中p ——待测压力
p0——环境大气压力
h ——两液面高度差
ρ——工作液密度
g ——重力加速度
(2)闭式U型管真空计：如图2所示，
把管内预先抽至压力为10-1Pa以下，然后将工作液(如水银)注入管内，其开口端与待测真空系统相连接。当真空系统抽气前，真空系统内的压力等于环境大气压力，则工作液充满封闭端形成最大液面差h0；当系统抽气到某一瞬间时，两端液面处于液面静压力平衡时，则待测压力值可用下式求得(忽略封闭端内压力对液面的影响)：
p = ρgh (2)
2.弹性元件真空计
利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的真空测量仪表称为弹性元件真空表。在结构和外形上与工业用压力表类似，一般用于粗真空(102～105Pa)的测量。根据变形弹性元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、膜盒式和膜片式，其结构如图3所示。
真空知识
基础知识
1、真空的概念
“真空”一词来自拉丁语“vacuum”，原意为“虚无”、“空的”。真空是指在给定空间内低于环境大气压力的气体状态，即该空间内的气体分子密度低于该地区大气压力的气体分子密度，并不是没有物质的空间。水环真空泵应用于低真空（105—103 Pa）领域
2、真空的测量单位
在真空技术中，表示处于真空状态下气体稀薄程度的量称为真空度，可用压力、分子数密度、平均自由程和形成一个单分子层的时间常数等来表征，但通常用气体的压力（剩余压力）值来表示。气体压力越低，表示真空度越高；反之，压力越高，真空度越低。
法定的压力计量单位为帕［帕斯卡］，符号为Pa
1Pa=1N.m-2 此外，还可用真空度的百分数作测量单位。
δ——真空度百分数（%）P——绝对压力（Pa）Pb-P 表示真空压力表读数，表压力（用Pe表示）真空度百分数δ（%）与压力P对照表
3、单位换算
1atm（标准大气压）=1013.25hPa（百帕）
1mmHg（毫米汞柱）=1Torr（托）=1.333 hPa（百帕）
1bar（巴）=1000 hPa（百帕）
1mbar（毫巴）=1 hPa（百帕）
１inHg（英寸汞柱）=25.4mmHg（毫米汞柱）=33.8 hPa （百帕）
4、相关术语
◇气量——水环真空泵的气量是指入口在给定真空度下，出口为大气压1013.25hPa时，单位时间通过泵人口的吸入状态下的气体容积，m3/min或m3/h 。
◇最大气量——水环真空泵的最大气量是指气量曲线上
的气量最大值，m3/min或m3/h。
◇真空度（或称作压力）——水环真空泵的真空泵是指入口处在真空状态下气体的稀薄程度，以绝对压力表示，Pa、hPa、kPa。
真空技术基础
吸附泵＋溅射离子泵＋钛升华泵——10-6~10-9Pa
机械泵＋复合分子泵——获得超高真空
前级泵
次级泵
1.3 真空的获得－抽真空
1.3 真空的获得－抽真空
☞ 机械泵 Rotary Vane Pumps 旋片式 噪声小、速度快 定片式 滑阀式
1.3 真空的获得－抽真空
赫兹－克努曾公式
va 8k T 8 RT m M
P 2mk T
温度一定时, P
稀薄气体的基本性质
示例
气体分子密度
P n 7.2 10 (m-3 ) T
22
标准状态： P = 105Pa，n = 2.461019分子/cm3
P = 1.3 10-8Pa，n = 3.24105分子/cm3
exp mv
2
v 2k T
2
1.2 稀薄气体的基本性质
1. 最可几速率（速率极大值?）
速度分布
vm
2k T m
2 RT RT 1.41 M M
2. 平均速率
计算分子运动平均距离
va 8kT 8RT RT 1.59 m M M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
3k T 3RT RT vr 1.73 m M M
1 1 nva 3.24 10 5 8.5 10 4 6.9 10 9 分子 / cm2 s 4 4
真空机械设计手册
真空机械设计手册
真空技术是一种重要的工程技术，在各个领域都有着广泛的应用。真空机械设计手册
作为工程技术人员的必备参考资料，对于真空技术的学习和应用具有重要意义。本手册旨
在系统地介绍真空技术的基本原理、真空系统的设计与构建、真空泵的选型和应用等内容，旨在为工程技术人员提供一份全面而实用的参考资料。
第一部分：真空技术基础
1.1 真空的基本概念
1.2 真空度的计量
1.3 真空技术的应用领域
1.4 真空技术的发展历史
第二部分：真空系统设计与构建
2.1 真空系统的组成和结构
2.2 真空管道与密封
2.3 真空室的设计和制造
2.4 真空阀门与控制系统
第三部分：真空泵的选型与应用
3.1 真空泵的工作原理
3.2 真空泵的分类与特点
3.3 真空泵的选型原则
3.4 真空泵在真空系统中的应用
第四部分：常见真空设备的设计与应用
4.1 真空冷凝器的设计与应用
4.2 真空干燥器的设计与应用
4.3 真空蒸馏设备的设计与应用
4.4 真空测量仪器的选用与校准
第五部分：真空系统的安全与维护
5.1 真空系统的安全操作规程
5.2 真空设备的常见故障与排除
5.3 真空系统的日常维护与保养
5.4 真空系统的紧急故障处理与应急措施
第六部分：真空技术应用案例
6.1 真空技术在航空航天领域的应用
6.2 真空技术在光电子器件制造中的应用
6.3 真空技术在新能源开发中的应用
6.4 真空技术在生物医药领域的应用
通过以上内容的系统讲解，本手册旨在为读者提供一份全面而实用的真空技术参考资料，帮助工程技术人员更好地掌握真空技术的基本原理、设计与应用。结合实际应用案例，使读者能够更加深入地理解真空技术在不同领域的应用和发展趋势。希望本手册能够成为
真空技术基础
I. 实验定律: 1、波义尔定律 2、盖•吕萨克定律 PV=C V=CT
m PV RT M
3、查理定律
4、道尔顿定律
P=CT
P=P1+ P2+……Pn
5、阿佛伽德罗定律：在相同温度和相同压强下，一摩尔
的任何气体所占有的体积都相同。（T0=273.15K，P0=1 大气压的标准状态下，这个体积都是υ 0=22.41升）
第一章 真空的基本知识
§1-1 真空的基本概念
标准大气压：海拔高度为零时，空间温度为27 ℃的 特定点的大气压(国际计量标准规定)。 此时压强等于1.01325×105 帕(相当760 mmHg)，每立 方厘米的大气中含有分子数为2.5×1019个。
真空：指低于一个标准大气压的气体状态 (同正常的 大气相比，是比较稀薄的气体状态)。
第一篇
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
真空技术基础
真空的基本知识 理想气体状态方程 气体分子运动论 气体的流动状态和真空抽速 真空的获得 真空的测量
绪 言
几乎所有的现代薄膜材料制备都是在真空
或是在较低的气压下进行的，都涉及到气相的产 生、输运以及反应的过程。因此，有关气体的基 本性质、真空的获得以及测量等方面的知识，是 了解薄膜材料制备技术的基础。
海拔高度与气压的对应值表
高度(km) 压强(Pa) 0 1×105 30 1×103 60 1×101 90 1×10－1 100 1×10－2 200 1×10－4 400 1×10－6 900 1×10－8
真空基础知识
接头
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管件
Copyright @2005 FPI inc, all right reserved
wk.baidu.com通密封件
功率式穿通密封件
同轴信号式穿通密封件
热电偶
陶瓷隔离件
气液穿通密封件
传动式穿通密封件
光学式穿通密封件
Copyright @2005 FPI inc, all right reserved
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真空系统的组装
不可拆卸的（永久的）连接是金属部件之间焊接， 玻璃间烧结，玻璃与金属部件间封接。 可拆卸真空连接最方便的方法是依赖弹性体（如O 型圈）以保证密封，但弹性体不能耐高温，使用的 温度范围一般低于200 oC。高温条件下，总是使用 铟、铝、金、银等塑性较好的金属作为密封材料。
典型的真空系统
1—真空室充气阀；2—真空测量规管；3—流量调节阀；4—高真空阀； 5—冷阱；6—油扩散泵；7—储气罐；8—热偶规管（测扩散泵前级压力）； 9—前级阀；10—真空膜盒继电器；11—预抽阀；12—罗茨泵；13，14— 机械泵（其中一台可兼维持泵）；15—旁通阀 Copyright @2005 FPI inc, all right reserved
Chapter 1(真空基本知识)
cos
余弦散射定律的重要意义
分子从表面反射与飞来方向无关这一点非常 重要。它意味着可将飞来的分子看成一个分子束 从一个方向飞来，亦可看成按任意方向飞来，其 结果都是相同的。余弦定律(又称“克努曾定律”) 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。
1bar＝105 Pa=105N/m2=106达因/cm2=0.986923 atm
• 1 kgf/cm2≈1atm (1atm=1.0333kgf/cm2) • 1 atm=760mmHg=0.1013MPa 即1MPa约=10 atm
(常用储气瓶满瓶压力约200atm)
二、真空区域的划分
赫兹—克努曾（Hertz-Knudsen）公式:
2 mk T ， υ：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰 撞的气体分子数，称为入射频率。 n:器壁前的气体分子密度； υa : 分子的平均速度。
1 4
n
a
p
三、碰撞速率与余弦散射律（续）
2、气体分子从固体表面的反射 余弦散射定律（克努曾定律）： 碰撞于固体表面的稀薄气体分子，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)中的几率为：
真空技术在材料制备中的应用研究
真空技术在材料制备中的应用研究
1. 简介
真空技术自问世以来就得到了广泛应用，与材料制备领域的深
入发展也有着密不可分的关系。本文将从基础知识、真空设备、
制备过程与应用场景等几个方面入手，阐述真空技术在材料制备
中的应用研究。
2. 基础知识
在了解真空技术在材料制备中的应用之前，有必要了解一些基
础知识。首先，真空是指在一定的空间内气体压力低于大气压，
是一种不同于固、液、气态的一种物质状态。其次，真空度用于
表示一个容器内部的气压大小，常用的计量单位有毫巴和帕斯卡。
3. 真空设备
在材料制备中，常用的真空设备有真空干燥箱、真空淬火炉、
真空热处理炉等。其中，真空干燥箱用于去除材料中的水分或者
其它溶剂物质，可使材料具有更好的稳定性；真空淬火炉是一种
常用的金属材料处理设备，通过对金属材料进行急冷来调节材料
的硬度、韧性和塑性等性质；真空热处理炉则可针对材料的特定
要求进行高温处理和保温，从而得到优质的材料。
4. 制备过程
在真空条件下进行材料制备，可以减少氧化或其他化学反应的
影响，如合成纳米材料、制备调控壁厚的管状材料等。同时在真
空条件下，材料的结晶、生长、改性等过程能够得到更精准的控
制和监测，能够实现对所获得材料的纯度、微观定向等性质的高
度调控。
5. 应用场景
真空技术在材料制备方面的应用非常广泛。在航空、航天、核
工程等领域中，各种金属、合金材料、液晶、电子器件以及新型
金属纳米材料等的制备都需要利用到真空技术。比如航空航天中
燃气涡轮叶片、超耐腐蚀材料等的制备，均需在真空状态下进行。在光电材料方面，真空技术已经被广泛应用于制备太阳能电池、
真空技术在纳米材料研究中的应用
真空技术在纳米材料研究中的应用纳米科技是当前科技领域研究的热门方向之一。在纳米材料的制备过程中，真空技术被广泛应用。了解和掌握真空技术对于纳米材料研究是至关重要的。
一、真空技术简介
真空技术是通过抽取气体使系统中的气压降低到一定范围内的技术。常用的真空度计量单位是帕（Pa）。在纳米材料研究中，真空技术的真空度通常在 10^-3Pa 至 10^-7Pa 范围内。
真空技术的应用范围广泛，例如半导体、光刻技术、材料科学等领域。在制备纳米材料时，真空技术被广泛应用于制备、修饰和表征。
二、纳米材料制备中的真空技术应用
1. 溅射法
溅射法是一种制备纳米薄膜的方法。在溅射薄膜制备过程中，
溅射源中的原子或离子被加速后射向基底材料，形成一层覆盖于
基底材料之上的薄膜。
在溅射过程中，应用真空技术可以减少气体分子对薄膜的弛豫
时间，防止气体分子对基底材料的交叉污染，并减少薄膜表面的
粗糙度。
2. 化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种制备纳米线、纳米棒等纳米结构的方法。在化学气相沉积法制备过程中，需要将气体中的底物分子转化为
气态分子，然后通过化学反应生成新的材料并在基底上获得纳米
结构。
真空技术在化学气相沉积法中同样有着重要的应用，通过减少
气压可以降低气压对反应的影响，增加气相反应中材料分子运动
的速率，提高基底表面的质量和反应效率。
三、纳米材料表征中的真空技术应用
1. 扫描电子显微镜(SEM)
扫描电子显微镜(SEM)是一种可以用来表征纳米材料形貌和结构的工具。在SEM成像中，电子束照射样品表面，样品表面的电子反射信号由探测器收集，然后形成图像。
第1章真空技术的物理基础分解
第1章 真空技术的物理基础
• 简要叙述真空技术的基本理论 • 详细的内容请看教材。
1.1 真空的概念
• 在真空技术中，“真空”泛指低于一个大气压的 气体状态，换言之，同正常的大气比，是较为稀 薄的一种气体状态.
• 同正常的大气比, 气体的分子数少 。 • 随着海拔高度（离海平面的垂直高度）越高，气
• 1个标准大气压=760mmHg高;
• 1个标准大气压(atm)＝0.76m×13595.1Kg/m3×9.80665m/s2=
•
=101325牛顿／m2=101325Pa=1.01325×105Pa
• 1毫米泵柱（mmHg）=133.322pa.
• 1mmHg=1.00000014Torr • 1托（Torr）=1/760 atm=133.322Pa;
• 如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需 要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、 防漏、检漏等。
• 2。分子数密度低。在“真空”下，由于气体稀薄，即单 位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它粒子， 如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少，
• 分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次 数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各 种真空设备正是利用它进行工作。
• 基于上述二个原因，不难理解，一旦电真空器件 的内部真空变坏，必然导致器件性能变坏，甚至 完全失效。
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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23个分子，占据22.4L的6.022×10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193cm10个/3?体积。由此我们得到标准状态下气体分子的密度为。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。N??p?kT??V??
-23。因=1.38热力学温度，为压力（式中的N为气体的摩尔数，PPa）,Tκ为波尔兹曼常数，κ×10J/K 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：P610?7n?.24T11?-3Pa103P?1.?T=293K这样很高的真空度时，cmn式中为气体分子数密度（），由此可见，即便在时，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。气体分子的热运动1.2
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1 / 191 / 19
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
kT??2??p2
为压强，分子直径，其中为σpTk为气体温度，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2 / 192 / 19
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。
，简称帕，是目前国际上推荐使用的国际单位制。我
国Pascal）压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（）（Torr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。托采用国际单位制。1958柱所产生的压强。两者的关系为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1mmHg5，(mbar) Pa ，它的常用单位是毫巴1Torr=133.322Pa=1mmHg。还有一种压强的计量单位是巴(bar),1 bar =10-3 bar=100Pa，
这也是我们镀膜线控制界面所用的压强单位。1mbar=10三、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：25托）（760-1Pa 低真空区域10 -10-32-1托）10（-101-10Pa 中真空区域-7-3-1-5-10 （10 高真空区域10-10托）Pa
-7-5 10托）（＜10＜Pa 超高真空区域3.1 低真空区域-4，分子数密度还很高，在容器壁上
经常保留着一在低真空情况下，气体分子的平均自由程小于10cm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示。小于容器尺寸的空间折线。如图1
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低真空下蒸汽分子的运动轨迹图2 λ< 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示。如图2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，。“分子阴影”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4 / 194 / 19 -4cm到10cm分子的平均自由程从10，变得可与容器尺寸相比拟。在中真空区域内，随真空度由低到高，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。