第一章真空技术基础教材

1
1.333
1.316×10-3
1mba 100
0.75
1
9.87×10-4
1atm 1.013×105 760
1.013×103 1
二、真空区域的划分
粗真空
1105 ~ 1102 Pa
低真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
高真空 超高真空
1101 ~ 1106 Pa
1106 Pa
粘滞流 分子流
极高真空
11010 Pa
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象
物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、 一般只在低温下发生 化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附，只有气体和固体表面原 子接触生成化合物才能产生吸附作用。
复合分子泵
扩散泵
钛升华泵
分子筛吸附泵
溅射离子泵源自文库
低温泵
• 说明：
• 由于不同泵种的工作压力范围不同，实际 运用中为达一定的真空度，将两种或以上 的真空泵组合起来形成真空泵机组。
一、旋片式机械真空泵
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。它可以直接在大 气压下开始工作，极限真空度一般为1~1×102Pa，抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关， 一般在每秒几升到每秒几十升之间。
本章将对真空的基本知识、真 空的获得、真空的测量等基础知识 进行介绍。
几个基本概念：
• 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：实验或工艺过程中所必需的气体压力。 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。 真空规：测量真空中气压的仪表或传感器。
特点与使用：单独使用或用作其他泵的前级泵，低 真空系统。 缺点：油污染
附：干泵
二、复合分子泵
涡轮分子泵
多级叶片连续压 缩保证了高抽速
（1000 l/s)
结构简单 转速较小 压缩比大
牵引分子泵
涡轮分子泵抽气能力高 牵引分子泵压缩比大
复合式分子泵
极限真空度：10-1~10-8 Pa
三、低温泵
十七世纪用抽水泵 它来排除矿井中的 积水，无法将水抽 到10米以上的高度
伽利略（1564－1642） 物理學家、數學家、天文
學家及哲學家 “真空力”
托里拆力 （1608～1647） 物理学家、数学家
水银真空试验
辈尔梯 数学家、天文学家 水真空试验 （当时未成功）
在20世纪初，真空技术获得了 飞速发展，被广泛应用于军事及民 用领域。同样，真空技术也是薄膜 制备的基础。
旋片式机械泵通常由 转子、定子、旋片等结构 构成。偏心转子置于定子 的圆柱形空腔内切位置上， 空腔上连接进气管和出气 阀门。转子中镶有两块旋 片，旋片间用弹簧连接， 使旋片紧压在定子空腔的 内壁上。转子的转动是由 马达带动的，定子置于油 箱中，油起到密封、润滑 与冷却的作用。
工作原理： 当转子顺时针转动时，空气由被抽容器 通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管 相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转 子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与 被抽容器隔开，并将气体压缩，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，转子的不断转 动使气体不断地从被抽容器中抽出。
油扩散泵的结构如示意图
• 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电 炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导 流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口 外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方 向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子 的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子 量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己 慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往 下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长 期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓 度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流 而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽 流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被 冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱 的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性 质对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附 物质的表面积和吸附气体的种类等。
• 两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏 蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连，工作温 度在70～80 K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧 化碳等，主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏 蔽板顶端或侧壁装有障板，向着低温板的一面涂 （镀）黑，外面镀银抛光，用以降低二级冷头的 热负荷。主抽气低温板用铟垫片连接到制冷机二 级冷头上，外表面镀银抛光，内壁粘活性炭。低 温板工作温度低于20 K（通常为14～15 K），能 大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。 低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体。
• 极限真空度：10-1~10-8 Pa
附：罗茨泵
附：扩散泵
扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不 能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空 度（1.33~0.133Pa）。一般与旋片机械泵串联使 用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压 和气体分子的反扩散，一般能达到1.33×10-5 ~1.33×10-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升 ~几百升不等。
真空技术基础
托里拆力试验
德莫.克利特 （约在公元前460-370年，大哲学家） 认为世界的本源应是由原子和虚无组成，且原子
在虚无中做永恒的运动
亚里士多德 （约在公元前384-322年，大哲学家）则认
虚无绝不可能存在，空间必须有物质才 能够相互作用，所以空间决不会虚无到
没有任何物质存在
托里拆力试验
气体脱附：是吸附的逆过程。 影响因素:气体压强、固体温度、固体表面吸附的气体的密度和
固体本身的性质（如表面光滑度、清洁度等）、以及电吸附、化学吸 附作用的影响。
第二节 、真空的获得
表1-2 几种常用真空泵的工作压强范围
真空泵 气体传输
气体捕获 无油泵
旋片机械泵
工作压强/Pa 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10
真空度单位：气压的单位。 真空度就是真空中的气压。真空度的测量就是气压的测量。
第一节 、真空的基本知识
一、表示真空程度的单位
表1 几种压强单位的换算关系
单位 帕（Pa） 托（torr） 毫巴（mba） 标准大气压（atm）
1Pa 1
7.5×10-3 1×10-2
9.87×10-6
1torr 133.3