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10-10Pa 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

习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分

真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。通常可分为：

低真空（Pa 10~101

3

-）、高真空（Pa 10~1061

--）、超高真空（Pa 10~10-10

-6）和极高真空

（低于Pa 10

10

-）。

20世纪70年代进一步提高到的宽达20个数量级的真空度范围，并随着某些新技术、新材料、新

工艺的应用和开拓，将进一步接近理想的真空状态。 3． 描述真空物理性质的主要物理参数

（1）分子密度：用于表示单位体积内的平均分子数。气体压强与密度的关系为

nkT p = （7-0-3）

其中n 为分子密度，k 为玻耳兹曼常数，T 为气体温度。

（2）气体分子平均自由程：平均自由程是指气体分子在连续两次碰撞的间隔时间里所通过的平均距离。对同一种气体分子的平均自由程为

p

kT 2

2πσλ=

（7-0-4）

其中σ为分子直径。由（7-0-4）式可知，气体分子的平均自由程与气体的密度n 成反比因而它将随着气体压力的下降而增加。在气体压强低于0.01Pa 的情况下，气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞主要是其与容器器壁之间的碰撞。

（3）单分子层形成时间：指在新鲜表面上覆盖一个分子厚度的气体层所需要的时间。一般，真空度越高，干净表面吸附一层分子的时间越长，从而可较长时间地维持一个干净的表面。单位表面积上气体分子的吸附频率ν与压强p 的关系为

s cm /105.3222

⋅⨯=

分子p MT

ν （7-0-5）

式中M 和T 分别为气体分子的分子量（单位：g ）和温度（单位：K ），在高真空，例如610-=p Torr 时，对于室温下的氮气，()

s cm /105.4214⋅⨯=分子ν，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米单分子层可吸附14

105⨯个分子计算，一个干净的表面只要1秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子；若在超高真空1010-=p Torr 或11

10

-Torr ，由同样的估算可知干净表面吸附单分子层的时间

将达几小时到几十小时之久。所以超高真空技术经常应用于集成电路的生产工艺和科学研究等方面。 二、真空的获得

用来获得、改善和维持真空环境的装置简称为真空泵。按照真空泵的工作原理可分为二类：一类是“排气”型或称“压缩”型真空泵。这类真空泵是利用其内部的各种压缩机构将被抽容器中的气体压缩到排气口方向，排入大气中。例如，旋片式机械泵、增压泵、油扩散泵以及涡轮分子泵等。另一类称为“吸附”型真空泵。这类真空泵是在封闭的真空系统中利用各种物理或化学表面（吸气剂）吸气的方法将被抽空间的气体分子吸附在固体表面上。例如吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵及低温泵。真空泵若按应用范围分，则有低真空泵（包括中真空），例如旋片式机械泵、增压泵及吸附泵等；高真空泵（包括超高、极高真空），例如油扩散泵、涡轮分子泵、离子泵及低温泵等。

真空泵常用的两个重要参量是：（１）极限真空，在被抽容器的漏气及容器内壁放气可忽略的情况下，真空泵能抽得的最高真空称为极限真空。（２）抽气速率，在给定压强下，单位时间内从泵的进气口抽入泵内的气体体积，称为泵在该压强下的抽气速率，单位为升／秒。 1．机械真空泵

机械真空泵按改变空腔容积方式分，有活塞往复式、定片式和旋片式等。它的工作原理是建立在理想气体的波意尔-马略特定律基础之上，即RT PV =（P 为压强，V 为容器体积，T 为绝对温度，R 为常数），在等温过程中，一个容器内的体积和压强的乘积等于常数。这样，只要使容器的体积在等温条件下不断扩大，就可不断降低容器的压强。

图7-0-1是常用的旋片式机械真空泵的结构图，其工作过程如图7-0-1所示。

7-0-1旋片式机械真空泵

当转子逆时针转动时，开始处于图7-0-2（a ）的位置，由进气口进入转子与定子之间部分空腔III 的体积不断扩大，而出气口与转子、定子间的部分空腔I 体积不断缩小，如图7-0-2（b ）；空腔I 内的

体积继续被压缩，当压强大到足以推开排气阀时，气体被排出泵外；空腔II 继续传送被隔离气体，空腔III 继续抽气。转子转到图7-0-2（c ）时，空腔I 排气即将结束，空腔II 即将与排气口相通，开始压缩排气过程；空腔III 继续抽气。转子到图7-0-2（d ）的位置时，又开始重复上述过程。

机械泵具有结构简单，工作可靠的优点，机械泵可以从大气压开始进行工作，不仅可单独使用，常用来获得高真空系统的前级泵，以获得更高的真空度。机械泵一般所能达到的极限真空约为10-2Pa,但在一般实验室情况下只能达到100-10-1Pa 。 2．油扩散泵

油扩散泵是常用的获得高真空的设备，扩散泵

不能直接在大气压下工作，需要在机械泵产生的低

真空条件下工作，图7-0-3为常用的油扩散泵的工作原理图。泵的上部为进气口，泵的底部为蒸发器，

用来贮存硅树脂类扩散泵油(简称硅油)或其它专用

的扩散泵油。当加热炉加热槽中的硅油，油蒸汽流沿管筒上升，从伞形喷嘴（三个或四个）向下高速喷出，带动气体分子，使它自上而下作定向流动，气体被迫向排气口方向运动，而被排气口的机械泵抽走，扩散泵的名称也由此而来。油蒸汽碰到有冷却水管冷却的泵壁上冷凝，油分子被冷凝为液态，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用，这样周而复始，从而达到连续抽气。

为了提高扩散泵的极限真空，扩散泵内通常有3至4个串联的喷嘴，如图7-0-3所示的是由铝合金材

料制成的3个喷嘴的3级扩散泵的结构示意图。一般油扩散泵的极限真空为10-4～10-5Pa 。

油扩散泵的一个缺点是泵内的油蒸汽的回流容易造成真空系统的污染。由于这个原因，在材料表面分析仪器和其他超高真空系统中一般不采用油扩散泵。 使用油扩散泵时应注意几点：

（1）不能在断水时使用。油扩散泵工作时冷却水的作用很大，若水冷作用不够，就会使泵油的循环作用减弱、油蒸汽压提高而妨碍其工作。

（2）应选择适当的加热功率。加热功率过低，油蒸汽无法形成，泵不能工作；加热功率过高，使油蒸汽过热甚至分解，大大降低其性能。

（3）要保证其预备真空和前级真空，尽量避免大气冲入油扩散泵。

冷却水

进气口

排气口

接机械泵

加热炉 冷却水

真空油

喷油嘴 图7-0-3 三级油扩散泵