真空技术基础

极限真空Pu（Pa）：真空系统所能达到的最高真空，决定镀 膜的质量； 抽气速率S（L/S）：规定压强下单位时间所抽出的气体的体 积，决定抽真空需要的时间。 真空系统所能达到的真空度由方程决定：
Q V dPi P Pu S S dt
式中，Pi为被抽空间气体的分压强，Q为真空室的各种放 气源的气体流量，V为真空室的体积，t为时间。
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吸气 吸气
吸气截止
压缩
排气
40
41
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对机械泵油的基本要求：������ 1.饱和蒸汽压低。不容易挥发。������ 2.有一定的润滑性和粘度。润滑和油封性能好。 3.稳定性高。耐高温，不易氧化变质。 4. 定期检查油面，补充泵油。
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空气中水蒸汽的处理
气镇阀
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1.3.2 油扩散泵
麦克斯韦速度分布曲线
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用麦克斯韦速度分布函数求平均值 平均速度

va
0
v vf (v)dv
0
m 4 2kT
8kT m
3/ 2
2 mv 3 v exp 2kT dv
va v
17
方均根速度
vr
v
2
式中1/π是由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。
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余弦散射律的意义：
固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦 定律；散射的本质是一个再发射过程，分子在固体表面要停 留一定时间，使之与固体进行能量交换。
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作业：


试举出工业上利用真空技术的5个例子。 试从荧光灯的发光原理出发，解释荧光 灯管为什么要抽真空？ 估算标准状态下空气分子的平均自由程。 （空气分子的平均直径等相关参数请 查阅有关文献。）
式中，n为气体分子密度，
为分子拦截面积，d为分子直径。

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气体种类和温度一定时，平均自由程与压强的乘积为常数。
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Va 1 v nV a 4
1.2.3碰撞次数与余弦散射律 单位时间内，在单位面积的容器壁上发生碰撞的气 体分子数称为入射频率。由赫兹-克努曾公式求出：
V 为平均速度。 N为气体分子密度，
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Pu和S由真空泵的性能、各种泵型的合理选配及真空 室、管道的最佳布局决定，Q与真空系统的结构材料、加 工工艺及操作程序有关。 没有一种泵能直接从大气直接抽到超高真空，因此 经常需要几种泵组合使用。工业上常见的真空泵组合为：
1.机械泵+扩散泵 油扩散泵价格低廉，极限真空可达到10-3-10-6Pa, 可以 满足大部分的中、高真空系统的需要。为有油系统，需 定期维护。 2. 机械泵+涡轮分子泵 分子泵也是一种精密的机械泵，为无油系统，造价高， 免维护。多用于高级工业系统及实验系统。 3. 其它组合 吸附泵+溅射离子泵+钛升华泵。。。 34 不常见。

0
3kT v f v dv m
2
3kT vr v m
2
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最可几速度Vp
df (v) dv
v v p
0
vp
2kT m
2 RT Mm
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三种速度的比较
2kT vp m
v
8kT πm
3kT v m
2
v p : v : v 2 1 : 1.128: 1.224
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57
1.4.2 电离规
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电离规的测量范围
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电离规实物及工作原理图
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复合真空计（高低真空测量）
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补充内容 1： 真空的简易测量方法
对于密闭透明的光电器 件，可能通过电火花辉 光的颜色来判断真空度 的大小。 随着真空度增加，电火 花颜色从紫色，变为粉 红色，再慢慢变 淡，。。。。，再变为 完全消失。
2
②就真空使用者的目的而论，只要该空间的气体可以忽略 不计，就可以认为是真空了。该定义只是定性的描述。 ������ 对于导弹来说，在高于大气的空间飞行没有问题， 因此可以把高于大气的空间看成真空；������ 对于彩电的显像管，为了保证电子的运动，10－2Pa即 可；������ 对于表面分析，10－8 Pa才能进行研究。
主要真空泵的排气原理与工作范围
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几种真空泵的抽速比较
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1.3.1油封机械泵
最基本的从大气开 始工作的真空泵。原理 类似于从水槽中一杯一 杯舀水，但不同的是真 空泵的工作对象是空气， 所以在排气时，不能使 真空室外的气体进入， 所以需要用油来密封， 同时又起润滑作用。
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三种油封机械泵
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挡板和冷阱
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1.3.3涡轮分子泵与罗茨泵
工作原理： 类似于精密的电风扇，靠高速旋转的叶片对气体分子施 加作用力，并使气体分子向特定方向运动而实现高真空。
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涡轮分子泵对加工和装配精度要求极高， 目前已实现国产化，价格比较昂贵。一般 用于高级工业系统和小型实验室系统。 无油，长期免维护。
叶片的高速运动是靠高速旋 转获得的。叶片周边的线速 度一般为200～300m/s，即 720～1080km/h，与波音飞 机的飞行速度相当。叶片装 有多级，例如30级叶片，转 动叶片与固定叶片交错布置， 如前页图。上一级叶片传送 过来的气体分子又会受到下 一级叶片的作用，继续被压 缩到更下一级，因此对一般 的气体分子，压缩比很高 （氮气可达到109）。但对 于原子质量小的气体（氢 气），压缩比仅为103。压 缩比——泵的出口压力与入 口压力之比。适用于 53 1～10-8Pa的真空区间。
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补充内容2：循环冷水机
1.冷却水循环使用， 防止浪费。？ 2. 水温更低，冷却 效果更好。 3.采用纯净水，防止 自来水水垢阻塞管 道。
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补充内容3：真空镀膜系统的操作步骤
手动放气阀 热偶规
真空镀膜需严格按照操 作规程进行操作。 操作失误会导致严重的 设备损坏。 常见的操作事故有： 1. 扩散泵油氧化，炭化 失效，导致高真空抽 不上来。 2. 机械泵油返油，倒灌。 3. 扩散泵油污染真空室。
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f ( v)
T1 300K T2 1200K
f ( v)
O2 H2
o
v p1 v p 2
v
o
vp 0 vpH
v
N2 分子在不同温 度下的速率分布
同一温度下不同 气体的速率分布
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1.2.2 平均自由程
气体分子处于不规则的热运动状 态，除了与容器发生碰撞外，分 子之间还经常发生碰撞。在两次 碰撞之间，气体分子可看成匀速 运动，所走过的路程为自由程。 自由程的分布具有统计性，其统 计平均值为平均自由程。
a
薄膜生长的微观过程
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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:
3
真空干燥
白炽灯
保温瓶内胆
真空包装
拔火罐
4
③指定空间内，低于一个大气压的气体状态（科学概念） 用气压表示空气的稀密程度。
什么是气压？ 容器里飞来飞去的气体分子一直在频繁地撞击容器壁，其趋 势是向外推挤容器壁。单个分子碰在器壁上产生的力自然是 微不足道的，然而同时碰在器壁上的分子数目非常巨大，合 起来就是很大的力，这种推力就是气压。 气压的性质是，当温度和体积不变时，容器中的空气越稀薄， 也就是说容器中气体分子的数越少，气压越低。在自然环境 中，海拔越高的地方，气压越低。也就是说，越往高空（外 太空）去，便越接近“完全空”的真空。 太空宇宙并非绝对的真空，气体特别稀薄，以等离子 5 体的形式存在。
真空的单位
气压单位——Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者基本相等。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡）为国际单位。 1 Pa＝1 N/m2=7.5×10-3 Torr, 1 Torr=133.32 Pa 1 atm＝760 Torr 1 bar=105 Pa。 在标准文献上，Pa真空气压的主要单位。但工业上仍然 有时延用其它单位。
第一章 真空技术基础
1.1 1.2 1.3 1.4 真空的基本知识 稀薄气体的基本性质 真空的获得 真空的测量
1
1.1真空的基本知识
1.1.1真空的定义及单位
①什么也不存在的空间（17世纪） 真空就是没有空气的空间。真空包装袋、暖水瓶瓶胆、 电灯泡等——真空产品。 这些真空用品并非完全空，只是“空气及其稀薄的空 间”。
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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）
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1.3 真空的获得
真空系统包括：真空容器（真空室）、真空泵、真空 计（压力表）及必要的管道、阀门等其他附属设备。任何 真空系统不可能达到绝对真空，即P＝0。
1.气阀 2.低真空计 3.高真空计 6. 次级泵（抽高真空） 15. 前级泵（抽低真空）
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前级泵
真空室 次级泵
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真空设备的两个主要衡量指标：
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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。