真空技术基础和应用培训PPT教案
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相之间不碰撞。高真空和超高真空下的流 动。分子自由程远大于管道直径。 2. 粘滞流：与分子流相对，分子自由程远小 于管道直径，中真空下的流动。 3. 湍流：粘滞流的一类特殊状态，流速大而 粘滞强出现的不规则涡旋流动状态。
真空技术中的物理基础
基本定律和方程：
设计和分析真空系统的特征常用的基本定律 1. 理想气体状态方程：PV=nRT 2. 理想气体实验三定律：玻玛定律；盖吕定律和查理定律。
Байду номын сангаас
connecting tube 1 cm inner diameter 10 cm length
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
抽空时间计算：
d P V SP 抽气流量方程 dt
dP S P dt V P P0 e-t/τ τ V
parts（真空部件）
Outlines(概述）:
Key points (技术要点)
Practical concerns :(实用技术） 1. Surface (表面的真空特性) 2. Material (真空材料的采用）:
SUS（不锈钢）, Al alloy（铝合金）, ceramic（陶瓷）, plastic（塑料）, Baking（烘烤技术） Virtual leak（虚假漏气） Leak test （检漏技术） UHV （超高真空的获得）
Vacuum Technology-1
（真空技术之一） Concepts
（基本概念）
什么是真空？
真空：气体分子数量低于大气压状态的空 间。但不是完全空的
真空术语
本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压 工作真空度：实验或工艺过程所必须的气压力 极限真空度：真空泵进气口处测量得到的气压 真空规： 测量真空中气压的仪表或者传感器
1 1 1 C C1 C2
C = C1 + C2
管道流导的计算：
C 12 D3 L
@ 分子流条件, D ~ 5 cm, P < mtorr
l = 5 cm @ 1 mtorr
C
1 8 0 D4 L
Pav
@ 粘滞流, P > mtorr @ D ~5 cm, L = const
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s
真空的分类
根据：真空应用范围、真空物理特性、真 空泵和真空规的使用范围等，划分真空度。
粗真空： 1atm-1Torr 中真空: 1torr—10-3Torr 高真空: 10-3Torr---10-7Torr 超高真空: 10-7Torr ---10-12Torr 极高真空： <10-12Torr
P = 10-6 torr l = 50 m t = 0.1 s
真空获得技术
真空泵 真空度测量 真空室和部件 设计真空系统 真空维持
真空获得技术—真空泵
真空泵的几个术语
1. 抽气速率：在泵的入口处，压强为P, 单位时间内抽出的气 体量为Q, 抽速Sp =Q/P, 单位：L/s
2. 有效抽气速率：真空泵与真空室之间通常有管道，管道 存在压差，减小了泵的抽速。 管道流导为U, 有效抽速 S=SpU/(Sp+U)
真空技术的发展历史
1602年，德国开始，水泵和空气泵获得真空。 最好真空度0.25Torr.
1873年，白炽灯泡发明，电子管出现，真空 开始应用。
1905年，旋转水银真空泵 1907年，油封旋转真空泵 1913年，分子抽气机 1915年，扩散泵，进入高真空时代
真空技术的发展历史
1948年，大量尖端技术出现，需求超高真空。 发明了离子泵，可实现超高真空。
如果平均自由程 > 真空室尺寸 ⇒ 分子流 分子的运动互相之间是独立的，分子与墙壁表 面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。
真空度
度高低。
如果平均自由程 <真空室尺寸 ⇒ 粘滞流 分子运动互相影响 分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学，
真空度
抽气速率的计算:
PV = NRT, N是分子总数 N PV at T= const
1950年前后，吸气材料被应用于真空获得。 发明了Ti升华泵。
70年代，分子抽气泵被改进，发展出涡轮分 子泵，可以替代扩散泵，获得高真空。 目前广泛使用涡轮分子泵获得高真空和超 高真空
真空技术的发展历史
真空规的发展历史 1873年，发明压缩式真空计， 1874年，热辐射真空计（热电阻）。 1906年，热真空计（热电偶的使用）
例子 1 D = 15 cm L = 20 cm C = 2025 ℓ/s S1= 401 ℓ/s
C 12 D3 L
分子流条件下
例子 2 D = 10 cm L = 20 cm C = 600 ℓ/s S1= 273 ℓ/s
真空泵昂贵. 连接管便宜.
管道流导的计算：
管道串联的流导 管道并联的流导
Pav = 管道内平均气压, in torr
C
molecular
viscous
Pav
mtorr
gas inlet, N2 1x10-3 torr ℓ/s
gas inlet, O2 1x10-4 torr ℓ/s
Chamer 1
pump 1 500 ℓ/s
Chamer 2
pump 2 100 ℓ/s
真空技术基础和应用培训
会计学
1
Outlines(概述）:
1 Concepts（基本概念） Mean Free Path of gas molecules（分子平均自由程）: Viscose flow （粘滞流）Vs. Molecular flow（分子流） Gas flow（气体流动）:
Throughput（流量）, Conductance（流导）, Pumping speed（抽气速率） Pumps: Mechanical（机械泵）, Roots（罗茨泵）, Turbo（涡轮分子泵）,
油扩散泵
原理:
油分子（大分子）的动量
>> 气体分子的动量， 传递动量实现被抽分子的定向运 动， 而油分子本身几乎不受影
冷却水管道
响。
10-3 ~ 10-1 torr
10-4 ~ 10-7 torr oil jet
便宜, 耐用 返油 加热慢 (~0.5 hr) & 冷却慢 (~2 hr) 电消耗量大
S
例子 V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s t= 2 s 每 2.3 t, 气压降低10倍
实际上, 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr，却需要比上述估计长得多的时间
为什么？ 器壁表面脱气。
因此腔体材料的选择十分重要，特别是高真空系统
各类真空泵的抽速
真空泵的分类
是理想气体方程的推论。 PV=const (T,n 常数） V/T=const (P,n 常数) P/T=const (V,n常数） 3. 阿佛伽德罗定律：阿佛伽德罗常数 N0=6.023X1023/mol
P=nmvs2/3=rvs2/3=nKT m—分子质量；n—单位体积气体的分子数；vs是气体 分子平均速率。
v
8kT
pm
500m s
Mean Free Path: 平均自由程
l 5 103 cm
P(torr)
直径是 3 Å 的分子 并且 v 500m s
P = 760 torr l = 700 Å t = 0.14 ns
P = 1 torr
l = 50 mm t = 100 ns
P = 10-3 torr l = 5 cm t = 100 ms
第一级: down to 10-1 torr 第二级: down to 10-3 torr
inlet
油式
密封, 润滑 返流 ⇒ 分子筛过滤
干式 (无油)
密封不好 寿命短 污染
limited by oil vapor & air back leak Inlet pressure: 10-3 torr ~ torr ~ atm
• 抽气式
1. 旋片式真空泵 2. 扩散泵 3. 涡轮分子泵 4. 分子拖拽泵
• 吸气式
1. 冷凝泵 2. 离子泵 3. 升华泵
常用真空泵的原理:
机械泵:
油旋片泵, 罗茨泵 干式叶片泵, 辊对泵, 隔膜泵
扩散泵
涡轮分子泵
抽速 工作气压 压缩比 气体选择性
离子和升华泵
冷凝泵
旋片式机械泵
Mechanical Pump
撞之间飞越的距离。 2. 流量，抽气量(Q)：单位时间流过抽气管
道的气体分子总量。单位：Torr.L/s 3. 流导(U)：真空管道流过气体的能力。流过
管道的流量与管道两端压差之比. U=Q/(P2-P1), 单位：L/s(升/秒)
真空技术中的物理基础
基本概念 1. 分子流：分子在流动过程中自由飞行，互
Diffusion（油扩散泵）, Dry（干燥泵）, Ion（离子泵）, Cryo（冷凝泵） Gauges（真空规）: Mechanical（机械规）, Thermal conductance（热导规）,
Ionization（电离规）, Chambers（真空腔体）: Joints （连接密封件）(metal（金属件）, elastomer),
heavy load at high pressure
Outlet pressure: 1 atm ~ 1.1 atm
罗茨泵
Pin
Pout
to 机械泵
抽速大
压缩比低 ~ 10
压缩比定义：
净抽速
K Pout Pin
@ Qnet 0
Qnet = Pin Sfor - PoutSback If Pout is high, Qnet can be reduced to 0 此时 Pout/Pin 达到，因此
真空度单位：气压的单位
真空度就是真空中的气压。真空的测量 就是气压的测量
气压单位间的换算关系
大气压
标准大气压： 0度时，760mm 水银柱产生的压强。
大气压： 地球表面上，大气层产生的气压 随海拔高度和纬度不同而不同，在海拔 3000米以内，每升高12米，降低1torr.
工业大气压： 1am=1kg/cm2=735.56torr 一个大气压约为1公斤压力
真空技术中的物理基础
气体分子的速度： 气体分子速度是随机的热运动速度。 但是其平均速率是确定的： V≈vs=(8KT/pm)0.5=150(T/M)0.5
其中，m是分子质量，M是分子量。 分子的平均自由程
l=1/pD2n, D是分子直径。
例子：气体分子的平均速率: 空气 (80% N2 + 20% O2) at 20 oC
K = Pout/Pin = Sfor/Sback
对辊泵
干式 寿命短 (5000 hrs) 抗腐蚀性低
Inlet pressure: 10-3 torr ~ torr ~ atm
Outlet pressure: 1 atm ~ 1.1 atm
隔膜泵
抽速低<16升/秒 极限真空低 1. 成本低 2. 大气压下工作 3. 密封简单 4. 耐腐蚀气体
通常情况下, 真空泵的抽气量 正比于真空室气压 P, 泵抽 速 S 定义为：
δPV PS S 1 δPV
δt
P δt
流量为：
S 单位：升/秒, ℓ/s
Q = PS，因此分子数减少速率为：
d N d PV Q PS dt dt
at T = const
通常稳态条件下，抽气管道中的流量是守恒的， 即：
Q = P1S1 = P2S2 P2 = 100 P1
P1
pump 1 500 ℓ/s
P2
pump 2 5 ℓ/s
有管道的真空泵抽速：
P1, S1
1 1 1 S1 C S2
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s
C 连接管道，流导为：
P2
S2
pump
500 ℓ/s
3. 起始压强：真空泵开始工作的允许压强，泵的工作原理 决定。 有些需要真空下开始工作，因此前级泵是必须的。
4. 极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能 达到的最低气压，工作介质决定了极限真空。
真空获得技术—真空泵
获得真空的方法：使
用真空泵或者吸气剂，真空 泵是获得真空的最重要工具 。真空泵性能指标决定真空
电离真空计 1937年，磁控管真空计 1946年，辐射电离真空计
之后，各类真空计的精度逐渐提高，出现了大量改进型， 目前常用有：热辐射真空计（低、中真空），热电偶真空 计（中、高真空），电离真空计（高、超高真空），磁控 管真空计（超高，极高真空）
真空技术中的物理基础
基本概念 1. 平均自由程(l)：热运动的分子相继两次碰
真空技术中的物理基础
基本定律和方程：
设计和分析真空系统的特征常用的基本定律 1. 理想气体状态方程：PV=nRT 2. 理想气体实验三定律：玻玛定律；盖吕定律和查理定律。
Байду номын сангаас
connecting tube 1 cm inner diameter 10 cm length
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
抽空时间计算：
d P V SP 抽气流量方程 dt
dP S P dt V P P0 e-t/τ τ V
parts（真空部件）
Outlines(概述）:
Key points (技术要点)
Practical concerns :(实用技术） 1. Surface (表面的真空特性) 2. Material (真空材料的采用）:
SUS（不锈钢）, Al alloy（铝合金）, ceramic（陶瓷）, plastic（塑料）, Baking（烘烤技术） Virtual leak（虚假漏气） Leak test （检漏技术） UHV （超高真空的获得）
Vacuum Technology-1
（真空技术之一） Concepts
（基本概念）
什么是真空？
真空：气体分子数量低于大气压状态的空 间。但不是完全空的
真空术语
本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压 工作真空度：实验或工艺过程所必须的气压力 极限真空度：真空泵进气口处测量得到的气压 真空规： 测量真空中气压的仪表或者传感器
1 1 1 C C1 C2
C = C1 + C2
管道流导的计算：
C 12 D3 L
@ 分子流条件, D ~ 5 cm, P < mtorr
l = 5 cm @ 1 mtorr
C
1 8 0 D4 L
Pav
@ 粘滞流, P > mtorr @ D ~5 cm, L = const
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s
真空的分类
根据：真空应用范围、真空物理特性、真 空泵和真空规的使用范围等，划分真空度。
粗真空： 1atm-1Torr 中真空: 1torr—10-3Torr 高真空: 10-3Torr---10-7Torr 超高真空: 10-7Torr ---10-12Torr 极高真空： <10-12Torr
P = 10-6 torr l = 50 m t = 0.1 s
真空获得技术
真空泵 真空度测量 真空室和部件 设计真空系统 真空维持
真空获得技术—真空泵
真空泵的几个术语
1. 抽气速率：在泵的入口处，压强为P, 单位时间内抽出的气 体量为Q, 抽速Sp =Q/P, 单位：L/s
2. 有效抽气速率：真空泵与真空室之间通常有管道，管道 存在压差，减小了泵的抽速。 管道流导为U, 有效抽速 S=SpU/(Sp+U)
真空技术的发展历史
1602年，德国开始，水泵和空气泵获得真空。 最好真空度0.25Torr.
1873年，白炽灯泡发明，电子管出现，真空 开始应用。
1905年，旋转水银真空泵 1907年，油封旋转真空泵 1913年，分子抽气机 1915年，扩散泵，进入高真空时代
真空技术的发展历史
1948年，大量尖端技术出现，需求超高真空。 发明了离子泵，可实现超高真空。
如果平均自由程 > 真空室尺寸 ⇒ 分子流 分子的运动互相之间是独立的，分子与墙壁表 面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。
真空度
度高低。
如果平均自由程 <真空室尺寸 ⇒ 粘滞流 分子运动互相影响 分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学，
真空度
抽气速率的计算:
PV = NRT, N是分子总数 N PV at T= const
1950年前后，吸气材料被应用于真空获得。 发明了Ti升华泵。
70年代，分子抽气泵被改进，发展出涡轮分 子泵，可以替代扩散泵，获得高真空。 目前广泛使用涡轮分子泵获得高真空和超 高真空
真空技术的发展历史
真空规的发展历史 1873年，发明压缩式真空计， 1874年，热辐射真空计（热电阻）。 1906年，热真空计（热电偶的使用）
例子 1 D = 15 cm L = 20 cm C = 2025 ℓ/s S1= 401 ℓ/s
C 12 D3 L
分子流条件下
例子 2 D = 10 cm L = 20 cm C = 600 ℓ/s S1= 273 ℓ/s
真空泵昂贵. 连接管便宜.
管道流导的计算：
管道串联的流导 管道并联的流导
Pav = 管道内平均气压, in torr
C
molecular
viscous
Pav
mtorr
gas inlet, N2 1x10-3 torr ℓ/s
gas inlet, O2 1x10-4 torr ℓ/s
Chamer 1
pump 1 500 ℓ/s
Chamer 2
pump 2 100 ℓ/s
真空技术基础和应用培训
会计学
1
Outlines(概述）:
1 Concepts（基本概念） Mean Free Path of gas molecules（分子平均自由程）: Viscose flow （粘滞流）Vs. Molecular flow（分子流） Gas flow（气体流动）:
Throughput（流量）, Conductance（流导）, Pumping speed（抽气速率） Pumps: Mechanical（机械泵）, Roots（罗茨泵）, Turbo（涡轮分子泵）,
油扩散泵
原理:
油分子（大分子）的动量
>> 气体分子的动量， 传递动量实现被抽分子的定向运 动， 而油分子本身几乎不受影
冷却水管道
响。
10-3 ~ 10-1 torr
10-4 ~ 10-7 torr oil jet
便宜, 耐用 返油 加热慢 (~0.5 hr) & 冷却慢 (~2 hr) 电消耗量大
S
例子 V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s t= 2 s 每 2.3 t, 气压降低10倍
实际上, 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr，却需要比上述估计长得多的时间
为什么？ 器壁表面脱气。
因此腔体材料的选择十分重要，特别是高真空系统
各类真空泵的抽速
真空泵的分类
是理想气体方程的推论。 PV=const (T,n 常数） V/T=const (P,n 常数) P/T=const (V,n常数） 3. 阿佛伽德罗定律：阿佛伽德罗常数 N0=6.023X1023/mol
P=nmvs2/3=rvs2/3=nKT m—分子质量；n—单位体积气体的分子数；vs是气体 分子平均速率。
v
8kT
pm
500m s
Mean Free Path: 平均自由程
l 5 103 cm
P(torr)
直径是 3 Å 的分子 并且 v 500m s
P = 760 torr l = 700 Å t = 0.14 ns
P = 1 torr
l = 50 mm t = 100 ns
P = 10-3 torr l = 5 cm t = 100 ms
第一级: down to 10-1 torr 第二级: down to 10-3 torr
inlet
油式
密封, 润滑 返流 ⇒ 分子筛过滤
干式 (无油)
密封不好 寿命短 污染
limited by oil vapor & air back leak Inlet pressure: 10-3 torr ~ torr ~ atm
• 抽气式
1. 旋片式真空泵 2. 扩散泵 3. 涡轮分子泵 4. 分子拖拽泵
• 吸气式
1. 冷凝泵 2. 离子泵 3. 升华泵
常用真空泵的原理:
机械泵:
油旋片泵, 罗茨泵 干式叶片泵, 辊对泵, 隔膜泵
扩散泵
涡轮分子泵
抽速 工作气压 压缩比 气体选择性
离子和升华泵
冷凝泵
旋片式机械泵
Mechanical Pump
撞之间飞越的距离。 2. 流量，抽气量(Q)：单位时间流过抽气管
道的气体分子总量。单位：Torr.L/s 3. 流导(U)：真空管道流过气体的能力。流过
管道的流量与管道两端压差之比. U=Q/(P2-P1), 单位：L/s(升/秒)
真空技术中的物理基础
基本概念 1. 分子流：分子在流动过程中自由飞行，互
Diffusion（油扩散泵）, Dry（干燥泵）, Ion（离子泵）, Cryo（冷凝泵） Gauges（真空规）: Mechanical（机械规）, Thermal conductance（热导规）,
Ionization（电离规）, Chambers（真空腔体）: Joints （连接密封件）(metal（金属件）, elastomer),
heavy load at high pressure
Outlet pressure: 1 atm ~ 1.1 atm
罗茨泵
Pin
Pout
to 机械泵
抽速大
压缩比低 ~ 10
压缩比定义：
净抽速
K Pout Pin
@ Qnet 0
Qnet = Pin Sfor - PoutSback If Pout is high, Qnet can be reduced to 0 此时 Pout/Pin 达到，因此
真空度单位：气压的单位
真空度就是真空中的气压。真空的测量 就是气压的测量
气压单位间的换算关系
大气压
标准大气压： 0度时，760mm 水银柱产生的压强。
大气压： 地球表面上，大气层产生的气压 随海拔高度和纬度不同而不同，在海拔 3000米以内，每升高12米，降低1torr.
工业大气压： 1am=1kg/cm2=735.56torr 一个大气压约为1公斤压力
真空技术中的物理基础
气体分子的速度： 气体分子速度是随机的热运动速度。 但是其平均速率是确定的： V≈vs=(8KT/pm)0.5=150(T/M)0.5
其中，m是分子质量，M是分子量。 分子的平均自由程
l=1/pD2n, D是分子直径。
例子：气体分子的平均速率: 空气 (80% N2 + 20% O2) at 20 oC
K = Pout/Pin = Sfor/Sback
对辊泵
干式 寿命短 (5000 hrs) 抗腐蚀性低
Inlet pressure: 10-3 torr ~ torr ~ atm
Outlet pressure: 1 atm ~ 1.1 atm
隔膜泵
抽速低<16升/秒 极限真空低 1. 成本低 2. 大气压下工作 3. 密封简单 4. 耐腐蚀气体
通常情况下, 真空泵的抽气量 正比于真空室气压 P, 泵抽 速 S 定义为：
δPV PS S 1 δPV
δt
P δt
流量为：
S 单位：升/秒, ℓ/s
Q = PS，因此分子数减少速率为：
d N d PV Q PS dt dt
at T = const
通常稳态条件下，抽气管道中的流量是守恒的， 即：
Q = P1S1 = P2S2 P2 = 100 P1
P1
pump 1 500 ℓ/s
P2
pump 2 5 ℓ/s
有管道的真空泵抽速：
P1, S1
1 1 1 S1 C S2
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s
C 连接管道，流导为：
P2
S2
pump
500 ℓ/s
3. 起始压强：真空泵开始工作的允许压强，泵的工作原理 决定。 有些需要真空下开始工作，因此前级泵是必须的。
4. 极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能 达到的最低气压，工作介质决定了极限真空。
真空获得技术—真空泵
获得真空的方法：使
用真空泵或者吸气剂，真空 泵是获得真空的最重要工具 。真空泵性能指标决定真空
电离真空计 1937年，磁控管真空计 1946年，辐射电离真空计
之后，各类真空计的精度逐渐提高，出现了大量改进型， 目前常用有：热辐射真空计（低、中真空），热电偶真空 计（中、高真空），电离真空计（高、超高真空），磁控 管真空计（超高，极高真空）
真空技术中的物理基础
基本概念 1. 平均自由程(l)：热运动的分子相继两次碰