第一章真空技术基础教材
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第1章薄膜技术的真空技术基础-文档资料
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.1 真空的基本知识
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.2 真空的表征
1 气体分子的平均自由程
分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走 过的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为d， 则该气体分子的平均自由程应该等于。
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联，构成总流导C ——串联流导：1/C= 1/C1+ 1/C2+ 1/C3
——并联流导：C=C1+C2+C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
桂林电子科技大学
材料科学与工程学
1.4 真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同的真空泵，而它们的一 个主要指标是其抽速Sp，其定义为 Q Sp p ( L/s ) 式中，p为真空泵入口处的气体压力； Q为单位时间内通过的真空泵 入口的气体流量。 真空泵的抽速Sp与管路的流导 C有着相同的物理量纲，且二 者对维持系统的真空度起着同 样重要的作用
由于气体分子的运动轨迹是一条在不断碰撞的同时不断 改变方向的折线，因此，尽管它的平均运动速度很高， 但是单位时间里，其定向运动的距离却较小。
由于气体分子的平均自由程与单位体积内的气体分子数n 成反比，而压强p与n成正比，因此自由程随气体压力的 下降而增加。在真空度优于0.1Pa时，气体分子间的碰撞 几率已很小，主要是气体分子与容器壁之间的碰撞。分 子平均自由程的概念在真空和薄膜技术中有着非常重要 的作用。在薄膜材料的制备过程中，薄膜的沉积主要是 通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的。
Q S p Q p S p p (1
(整理)《真空》教案.
0.5学时
0.5学时
0.2学时
0.2学时
0.2学时
0.4学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们掌握吸附泵和低温泵；了解抽气速率的测量；全面总结第三章的内容。
预习内容：真空的测量
第13次课
课时2学时
章节题目
第四章真空的测量
本次课
教学目标
通过学习本节内容使学生了解真空测量的概述，掌握U型管真空计和压缩式真空计（麦氏计）的工作原理、特点及应用。
2）按发布权限分。环境标准按发布权限可分为国家环境标准、地方环境标准和行业环境标准。通过学习本节内容使学生熟悉热传导真空计（电阻真空计和热偶真空计）的工作原理、特点及测量范围。
6.提出安全对策措施建议本次课
重点难点
热传导真空计的工作原理。
教学基本内容设计：
4.3热传导真空计
一.工作原理
二.电阻真空计
本次课
重点难点
真空泵性能参数；旋转式机械真空泵工作原理。
教学基本内容设计：
3.1概述
一、真空泵性能参数
1．抽气速率
2．极限压强
3．最大工作压强
4．压缩比：泵对给定气体的出口压力与入口压力之比
二、真空系统时间常数
三、真空泵分类
3. 2旋转式机械真空泵
一、工作原理
二、泵的特性及其应用
三、机械泵的改进
四、机械泵的常见故障和排除方法
本次课
重点难点
涡轮分子泵和离子蒸发泵的工作原理及应用。
教学基本内容设计：
3.5涡轮分子泵
一、工作原理
二、结构
三、工作特性
四、应用
3.6离子蒸发泵
一、工作原理
二、具体的泵
0.5学时
0.2学时
0.2学时
0.2学时
0.4学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们掌握吸附泵和低温泵；了解抽气速率的测量；全面总结第三章的内容。
预习内容：真空的测量
第13次课
课时2学时
章节题目
第四章真空的测量
本次课
教学目标
通过学习本节内容使学生了解真空测量的概述，掌握U型管真空计和压缩式真空计（麦氏计）的工作原理、特点及应用。
2）按发布权限分。环境标准按发布权限可分为国家环境标准、地方环境标准和行业环境标准。通过学习本节内容使学生熟悉热传导真空计（电阻真空计和热偶真空计）的工作原理、特点及测量范围。
6.提出安全对策措施建议本次课
重点难点
热传导真空计的工作原理。
教学基本内容设计：
4.3热传导真空计
一.工作原理
二.电阻真空计
本次课
重点难点
真空泵性能参数；旋转式机械真空泵工作原理。
教学基本内容设计：
3.1概述
一、真空泵性能参数
1．抽气速率
2．极限压强
3．最大工作压强
4．压缩比：泵对给定气体的出口压力与入口压力之比
二、真空系统时间常数
三、真空泵分类
3. 2旋转式机械真空泵
一、工作原理
二、泵的特性及其应用
三、机械泵的改进
四、机械泵的常见故障和排除方法
本次课
重点难点
涡轮分子泵和离子蒸发泵的工作原理及应用。
教学基本内容设计：
3.5涡轮分子泵
一、工作原理
二、结构
三、工作特性
四、应用
3.6离子蒸发泵
一、工作原理
二、具体的泵
一章真空技术基础pptppt课件-PPT课件
第一章 真空技术基础
1. 真空的基本知识
2. 真空的获得 3.3.真空测量 4.4.真空系统
一、真空的基本知识
1. 什么是真空？ “真空” 拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =>气体较 稀薄的空间。
2.真空的基本特点 a 气体分子的平均自由程大
室温下, 压强为 10-4 Pa 时氮分子的平均自由程 >50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。
3. 真空的应用
（1）产生压力差以完成某些过程
（2）降低某些过程发生所需要的能量势垒，如
凝聚或蒸发过程 （3）隔热 （4）产生干净表面，表面过程，可控薄膜沉积、 wafer bonding
（5）净化腔体(气体、灰尘)
（6）真空干燥
（7）提高分子运动平均自由程
4. 真空度的单位
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表 示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“ 托 ”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压 力的单位为帕(Pa)。我国采用SI真空单位。
想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境 下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中 进行。
e 改变反应进程
1 2 Si3N4 C SiC N2 3 3 G T 1 124117 83 G2 124117 83T RT ln p2/3
压强修正
压强降低，降低了反应温度
真空区域划分
真空区域划分为：粗 2 1 10 ~ 1 10 Pa
低真空
高真空 超高真空 极高真空
2 1 1 10 ~ 1 10 Pa
1 10 ~ 1 10 Pa
1. 真空的基本知识
2. 真空的获得 3.3.真空测量 4.4.真空系统
一、真空的基本知识
1. 什么是真空？ “真空” 拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =>气体较 稀薄的空间。
2.真空的基本特点 a 气体分子的平均自由程大
室温下, 压强为 10-4 Pa 时氮分子的平均自由程 >50km。因此体积有限的超真空系统中，气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。
3. 真空的应用
（1）产生压力差以完成某些过程
（2）降低某些过程发生所需要的能量势垒，如
凝聚或蒸发过程 （3）隔热 （4）产生干净表面，表面过程，可控薄膜沉积、 wafer bonding
（5）净化腔体(气体、灰尘)
（6）真空干燥
（7）提高分子运动平均自由程
4. 真空度的单位
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表 示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“ 托 ”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压 力的单位为帕(Pa)。我国采用SI真空单位。
想要得到高纯度的薄膜，就必须尽量在较高真空度的环境 下，或是在不会与薄膜材料产生反应的氩气等的惰性气体中 进行。
e 改变反应进程
1 2 Si3N4 C SiC N2 3 3 G T 1 124117 83 G2 124117 83T RT ln p2/3
压强修正
压强降低，降低了反应温度
真空区域划分
真空区域划分为：粗 2 1 10 ~ 1 10 Pa
低真空
高真空 超高真空 极高真空
2 1 1 10 ~ 1 10 Pa
1 10 ~ 1 10 Pa
真空技术的基本知识
某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是 “L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30， 70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。 真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。
例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。
利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述 方面的力学应用。
具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
中真空 1.33×102 ~1.33×10-1（Pa）
气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子 密度较小 。
1. 真空的含义及表征
1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分
2. 真空的获得
2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵
2.2 真空泵的选型
第一章 真空技术的基本知识
3. 真空测量及其设备
3.1 什么是真空测量
高的压强；
1.3 真空区域的划分
划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）
低真空 1.33×105 ~1.33×102（Pa）
低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多 变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频 繁。
2. 真空的获得
分子密度减小 分子数减少
抽走 化学反应
吸附 结晶 容积扩大
2.1 真 空 获 得 设 备
例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70L／S。
利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述 方面的力学应用。
具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
中真空 1.33×102 ~1.33×10-1（Pa）
气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子 密度较小 。
1. 真空的含义及表征
1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分
2. 真空的获得
2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵
2.2 真空泵的选型
第一章 真空技术的基本知识
3. 真空测量及其设备
3.1 什么是真空测量
高的压强；
1.3 真空区域的划分
划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）
低真空 1.33×105 ~1.33×102（Pa）
低真空这种气体状态与常压状态相比较，只有分子数目由多 变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频 繁。
2. 真空的获得
分子密度减小 分子数减少
抽走 化学反应
吸附 结晶 容积扩大
2.1 真 空 获 得 设 备
真空技术基础
不需要油作为介质，又称为无油泵
1.3 真空的获得－抽真空
极限真空（极限压强Pu）和抽气速率
——是表示真空泵性能的两个重要参数。极限压强是该系 统所能达到的最低压强；抽气速率是在规定压强下单位时间 抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
理论上，一个系统所能达到的真空度：
Q V dP P Pu i S S dt
旋片式机械泵结构示意图和工作原理图
1.3 真空的获得－抽真空
玻－马洛特定律
V P P0 1 V V n次循环后
V Pn P0 V V
n
P0 V lg mt lg 1 Pi V Kt
lgP0/Pi
Pn达到极限值？
体分子的扩散系数；v油蒸气在喷口处的速度 扩散泵的实际抽速：
S (3 ~ 4)d
2
d是进气口直径
泵油要求：
化学稳定性好（无毒、无腐蚀） 热稳定性好（高温不分解） 抗氧化 较低的饱和蒸气压（小于等于10-4Pa）
工作时应有尽可能高的蒸气压
无任何阻挡的话，返油率高达10-3mg/cm2· s
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
1 1 nva 3.24 10 5 8.5 10 4 6.9 10 9 分子 / cm2 s 4 4
2011-00真空技术基础
1 ． 5 ． 1 真空在输运、吸引、起吊及真空 造型等设备中的应用
1．5．2 真空在电真空器件中的应用
• 出于各种真空器件的工作原理是基于电场、磁场 来控制电于在空间的运动借以达到放大、振荡、 显示图像等目的。 • 因此．避免电子对气体分子间的碰撞，保证电子 在空间的运动规律、防止发射热电子的阴极氧化 中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求 的不同真空度，保证电子器件的正常工作，是绝 对必要的。 • 目前，电真空工业中所生产的电真空器件主要有 电子管，离于管，电子束管，电光源管．还有中 子管、电子衍射仪、电子显微镜、x光显微镜，各 种粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、气体激光 器等。这些电于器件及工艺，在近代科学和近代 大工业生产中起着重要作用。
• 大气压力随着离地面高度的递增而降低，基本按指 数规律下降。18km高空，大气压力降到标准大气 压的十分之一，96km高空，只有百万分之一。地 球大气层以外的宇宙真空，称为“空间真空”．它 是典型的“自然真空”。 • 人通过胸腔和腹腔之间的隔膜收缩和放松使肺呼吸， 吸气时胸腔压力接近大气压力，呼气时降到半个大 气压力以下，即人为的真空状态。进一步，人们运 用科技手段，发明了各种真空泵去抽掉密闭容器中 的气体，以获得“人为真空”，逐渐形成了“真空 科学与技术”这个学科。 • 但是，即使使用现代排气方法获得的最低压力．也 只能达到10-12~10-13Pa。还远未达到绝对真空。
主要内容
• • • • • • • • • 绪论 1 稀薄气体的分子运动理论 2 真空中气体的流动理论 3 吸附与脱附 4 真空中的电现象 5 真空获得 6 真空测量 7 真空检漏 8 真空系统的组成与设计
பைடு நூலகம் 绪论
• 1．1 何为真空 • 物理学上的“真空”是指没有或者不计气体 分子和原子存在的物理空间，仅存在各种能 量粒子的场空间； • 另—种是应用物理与技术所讨论的“真 空”——低于一个大气压力的稀薄气体的空 间状态。 • “真空”一词来自拉丁语“Vacuum”，意为 “空虚”。 • 真空分为自然真空和人造真空。
第一章 真空技术基础
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。 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。
1mba 100 1atm
1.013×105 760
二、真空区域的划分
1105 ~ 1102 Pa
粗真空
低真空 高真空 超高真空
1102 ~ 1101 Pa
粘滞流
1101 ~ 1106 Pa
110 Pa
11010 Pa
6
粘滞流
分子流
极高真空
分子流
三、固体对气体的吸附及气体的脱附
• 缺点：泵内油蒸汽的回流会直接造成真空 系统的污染。 • 应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化 工、航空、航天、冶金、材料、生物医药 、原子能、宇宙探测等领域。
思考：
1. 扩散泵能否单独使用，即从大气开始抽真空？为什么？ 2. 如果使用扩散泵时，忘记开冷却水，结果会怎样？
附：钛升华泵
加热钛靶蒸发生成钛膜，并与气体发生反应 工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜，可靠
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。
《真空》教案
三.校准
四.测量范围
五.电离真空计的使用
六.电离真空计的特点
辅助手段和时间分配
0.5学时
0.5学时
0.2学时
0.5学时
0.2学时
0.1学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们掌握电离计的工作原理、基本结构及如何扩展测量上下限；了解电离真空计的使用及特点。
预习内容：超高真空热阴极电离真空计
辅助手段和时间分配
0.4学时
0.2学时
0.2学时
0.4学时
0.2学时
0.4学时
0.2学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们熟练掌握真空泵性能参数；掌握旋转式机械真空泵工作原理、特性及应用。
预习内容：机械增压泵
第9次课
课时2学时
章节题目
第三章真空获得
本次课
教学目标
通过学习本节内容使学生掌握机械增压泵。
0.5学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习熟练掌握气体分子运动论的基本原理；利用气体状态方程进行简单计算；了解理想气体、蒸汽；掌握气体的压强的定义、压强方程及道尔顿分压定律。
预习内容：麦克斯韦速率分布及平均自由程。
第3次课
课时2学时
章节题目
第一章真空技术的物理基础（一）----气体分子运动论
Gay-Lussac’s law
Charle’s law
Avogadro’s law
Equation of state of ideal gas
二、气体分子运动论的基本假设
三、理想气体
四、蒸汽
1.2气体的压强
辅助手段和时间分配
0.2学时
四.测量范围
五.电离真空计的使用
六.电离真空计的特点
辅助手段和时间分配
0.5学时
0.5学时
0.2学时
0.5学时
0.2学时
0.1学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们掌握电离计的工作原理、基本结构及如何扩展测量上下限；了解电离真空计的使用及特点。
预习内容：超高真空热阴极电离真空计
辅助手段和时间分配
0.4学时
0.2学时
0.2学时
0.4学时
0.2学时
0.4学时
0.2学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习使学生们熟练掌握真空泵性能参数；掌握旋转式机械真空泵工作原理、特性及应用。
预习内容：机械增压泵
第9次课
课时2学时
章节题目
第三章真空获得
本次课
教学目标
通过学习本节内容使学生掌握机械增压泵。
0.5学时
本次课小结
作业、预习等
本课小结：通过学习熟练掌握气体分子运动论的基本原理；利用气体状态方程进行简单计算；了解理想气体、蒸汽；掌握气体的压强的定义、压强方程及道尔顿分压定律。
预习内容：麦克斯韦速率分布及平均自由程。
第3次课
课时2学时
章节题目
第一章真空技术的物理基础（一）----气体分子运动论
Gay-Lussac’s law
Charle’s law
Avogadro’s law
Equation of state of ideal gas
二、气体分子运动论的基本假设
三、理想气体
四、蒸汽
1.2气体的压强
辅助手段和时间分配
0.2学时
第1章 真空技术基础ppt课件
式中：n — 分子密度 (个/m3)； k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；
P — 气体压强 (Pa)；
T — 气体温度 (K)；
V — 气体体积 (m3)；
m — 气体质量 (kg)；
M — 气体分子量 (kg/mol)； R — 普适气体常数，R = NA·k = 8.314 J/mol·K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
1.333×10-3
(1.013×105/760) (1.013/760)
atm
1.316×10-3
(1/760)
PSI 1.9337×10-2
7.501×10-3
(760/1.013×105)
7.501×102
105
10-5
9.869×10-6 1.4504×10-4
(1/1.013×105)
9.869×10-1 1.4504×101
P nkT n P Avogadro定律：
kT
一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同。
4）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。
平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。
1 kT 2π 2n 2π 2P
表明：
1） 与P成反比，而与 T 成正比；
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m2
主要单位制
厘米克秒制（CGS 制） 1 bar＝106
英制（FPS制） 1
PSI ＝1
lbf
/ in
2
dyne/cm 2
毫末汞柱制（mmHg 制）1 torr＝1 mmHg ＝1/ 760 atm
第1章真空技术的物理基础
• 2. 镀膜和材料制取设备 • 真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜，化 学气相沉积镀膜。等 3. 电子学和光电子学的应用 • 半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管， 三极管，PN结，超大规模，超大规模集成 电路，光电子器件的 制备 以及应用。 • 等等，都需要真空环境。
•
• 4。真空冶金 • 真空熔炼，真空焊接，真空热 处理，真空蒸 馏等等。 • 5. 表面物理中应用 • 各种表面分析仪器，如低能电子衍射仪，俄歇 电子能谱仪，光电子能谱仪，二次离子质谱仪等， 这些仪器可以分析材料组分，结构，化学组成， 污染，掺杂等，可以监视材料的生长、制作、分 解、激活，分析其机理及影响其寿命的因素。 • 6. 宇宙航行及空间科学研究。 • 太空极高真空环境需要在地球上模拟，有许多新 的现象，是大气环境中所没有的。例如没有对流， 没有内摩擦。 • 7. 在原子研究中和利用中的应用。
• •
•
3) 高真空（1×10-2~1×10-6Pa） 此时气体分子密度更加降低，容器中分子数 很少。因此，分子在运动过程中相互间的碰撞 很少，气体分子的平均自由程已大于一般真空 容器的限度，绝大多数的分子与器壁相碰撞， 因而在高真空状态蒸发的材料，其分子（或微 粒）将按直线方向飞行。 另外，由于容器中的真空度很高，容器空间的 任何物体与残余气体分子的化学作用也十分微 弱。在这种状态下，气体的热传导和内摩擦已 变得与压强无关。
2 P
• • • • •
此式表明，气体分子的自由程与压强成反比，与温度成正比。 显然，在气体种类和温度一定的情况下
在25°C的空气情况下 或
P 0.667(cm 数
1.13 吸附与脱附
• 处在气体中的表面，以两种重要方式与气体相互 作用，即吸附与脱附。 • 吸附即分子附着于表面，脱附系分子从表面逸出。 究竟是出现吸附或脱附，则根据具体情况而定。 • 如果表面是洁净的，置于气体中就出现吸附； • 反之，如果它业已吸附大量气体，置于真空中就 出现脱附。气体分子在表面与空间之间的这种相 互转换在真空技术中具有重要的意义。
真空技术基础和应用ppt课件
2020/7/6
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。
• 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
2020/7/6
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 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.
4.
U=Q/(P2-P1), 单位：L/s(升/秒)
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
2020/7/6
抽空时间计算：
d PV SP 抽气流量方程 dt
dP S P dt V P P 0 e - t/ τ τ V
S
例子 V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s t= 2 s 每 2.3 t, 气压降低10倍
Vacuum Technology (真空技术）
Concepts and Key Points （基本概念和技术要点）
张家良
大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室 The State-key Lab.for Material Modification,
Dalian University of technology
P = 760 torr l = 700 Å t = 0.14 ns
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。
• 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
2020/7/6
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 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.
4.
U=Q/(P2-P1), 单位：L/s(升/秒)
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
2020/7/6
抽空时间计算：
d PV SP 抽气流量方程 dt
dP S P dt V P P 0 e - t/ τ τ V
S
例子 V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s t= 2 s 每 2.3 t, 气压降低10倍
Vacuum Technology (真空技术）
Concepts and Key Points （基本概念和技术要点）
张家良
大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室 The State-key Lab.for Material Modification,
Dalian University of technology
P = 760 torr l = 700 Å t = 0.14 ns
1-第1章 真空技术基础
早期技术落后，所制得的薄膜重复性较差，从而限
制了薄膜的应用。薄膜的应用最早只局限于抗腐性和制造
镜面。
在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能
电子衍射以及其他表面分析技术）出现以后，薄膜的重复性才
大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了20世纪50年 代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈
1643年，意大利物理学家托里拆利
Байду номын сангаас
（Evangelista Torricelli，1608～1647）
与伽利略晚年的得意门生和亲密助手维 维安尼（Vincenzo Viviani ）一起在佛罗
伦萨做了著名的“托里拆利实验” ，证
明了大气压的存在，同时，也为人类揭 示了“真空”这个物理状态的存在。
在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技
不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压 强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气
体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最 低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。 因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。在真 空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一 物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们 的物理意义。 某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高 的空间则真空度低。
1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压
强的国际单位，1Pa = 1N/m2 7.510-3Torr 。
表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间 的换算关系。
●二、真空区域的划分
为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
《真空技术基础》课件2
可持续发展方来，随着人类社会对可持续发展需求的不断 提高，真空技术的应用前景将更加广阔。同时，也需要不断研究和开发新的真空技术，以更好地服务 于可持续发展。
THANKS
感谢观看
机遇和挑战。
真空技术的突破
目前，真空技术已经广泛应用于各个领域，如电子、能源、环保等。未来，随着技术的 不断突破，真空技术的应用领域将进一步扩大，为人类社会的发展带来更多的便利和效
益。
真空技术在新能源领域的应用
太阳能光伏产业
真空技术在太阳能光伏产业中发 挥着重要作用，如太阳能电池的 制造需要高真空环境，而真空镀 膜技术可以提高太阳能电池的光
详细描述
真空镀膜技术利用物理或化学方法，在材料表面形成一层具 有特殊性能的薄膜，如高硬度、高耐磨性、高反射率等。这 种技术广泛应用于眼镜、钟表、手机等产品的表面处理，提 高产品的外观和性能。
真空热处理技术
总结词
真空热处理技术是一种在真空中对金属材料进行加热和冷却处理，以达到改变 材料性能的工艺。
详细描述
气体净化
对进入系统的气体进行净化处理，以 减少气体杂质对密封面的磨损和腐蚀 。
定期维护
对密封件进行定期检查和维护，以保 证密封效果和延长使用寿命。
04
真空技术的应用实例
真空镀膜技术
总结词
真空镀膜技术是一种在真空中将金属、非金属或化合物蒸气 沉积在材料表面形成薄膜的工艺，广泛应用于光学、电子、 机械、建筑等领域。
真空电子器件制造技术需要在高真空条件下进行，以保证电子器件的性能和稳定 性。这种技术广泛应用于电视、电脑、手机等电子产品中，是现代电子工业的基 础之一。
真空在科研领域的应用
总结词
真空在科研领域的应用广泛，如真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等，为科学研究提供了重要的实验手 段和基础条件。
THANKS
感谢观看
机遇和挑战。
真空技术的突破
目前，真空技术已经广泛应用于各个领域，如电子、能源、环保等。未来，随着技术的 不断突破，真空技术的应用领域将进一步扩大，为人类社会的发展带来更多的便利和效
益。
真空技术在新能源领域的应用
太阳能光伏产业
真空技术在太阳能光伏产业中发 挥着重要作用，如太阳能电池的 制造需要高真空环境，而真空镀 膜技术可以提高太阳能电池的光
详细描述
真空镀膜技术利用物理或化学方法，在材料表面形成一层具 有特殊性能的薄膜，如高硬度、高耐磨性、高反射率等。这 种技术广泛应用于眼镜、钟表、手机等产品的表面处理，提 高产品的外观和性能。
真空热处理技术
总结词
真空热处理技术是一种在真空中对金属材料进行加热和冷却处理，以达到改变 材料性能的工艺。
详细描述
气体净化
对进入系统的气体进行净化处理，以 减少气体杂质对密封面的磨损和腐蚀 。
定期维护
对密封件进行定期检查和维护，以保 证密封效果和延长使用寿命。
04
真空技术的应用实例
真空镀膜技术
总结词
真空镀膜技术是一种在真空中将金属、非金属或化合物蒸气 沉积在材料表面形成薄膜的工艺，广泛应用于光学、电子、 机械、建筑等领域。
真空电子器件制造技术需要在高真空条件下进行，以保证电子器件的性能和稳定 性。这种技术广泛应用于电视、电脑、手机等电子产品中，是现代电子工业的基 础之一。
真空在科研领域的应用
总结词
真空在科研领域的应用广泛，如真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等，为科学研究提供了重要的实验手 段和基础条件。
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复合分子泵
扩散泵
钛升华泵
分子筛吸附泵
溅射离子泵
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。
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
Байду номын сангаас
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。
• 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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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