真空技术与应用
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真空技術與應用
真空概論
Biblioteka Baidu
真空的定義 義大利人托里切利(Torricelli)利用玻璃試管盛滿水銀倒置於水銀槽中, 管中的水銀自然下降至76㎝(760㎜)高度,而在頂端留下一空間。這空間 沒有空氣進入,則被認為是真空（vacuum）。 一般定義:一個容器內空間的壓力小於大氣壓力就是真空。也可以說若容 器內氣體分子密度小於2.5*1019molecules/㎝3(一大氣壓力的分子密度), 則該容器內為真空。簡單的表示:壓力<大氣壓力。 真空壓力與真空度 托里切利 真空 真空壓力單位換算表
高度上升,
壓力減小 Eg. 坐飛機.
大氣壓力與海平面高度之關係
1. 2. 3. 4.
真空的區分 粗略真空（Rough vacuum）：760~1 torr 中度真空（Medium vacuum）：1~10-3 torr 高真空（High vacuum）：10-3~10-7 torr 超高真空（Ultra-high vacuum）：10-7 torr 以下 氣流的種類與特性 氣流種類 黏滯流 （Viscous flow） 過度流 （Transition flow） λ/d λ/d＜0.01 真空範圍 粗略真空
各種氣流狀態的特性： 1. 黏滯流包括：a. Re（雷諾數）＞2200,氣流中有渦流產生。 b. Re（雷諾數）＜2200,氣流中無渦流存在。 ∵ λ ＜＜ d ∴氣體分子與氣體分子間碰撞頻繁，其次數遠大於氣體分子與管壁之 碰撞次數。 氣體分子間因黏滯力之作用，使氣體運動有方向性，並與抽氣方向相 同，此特性可防止機械幫浦的油氣回流至真空系統；一般管路直徑 5cm，壓力0.2torr 之氣流為黏滯流，故使用機械幫浦與擴散幫浦組 合之抽氣系統，機械幫浦只抽氣至0.2torr。
P PV 1V1 2 2 T1 T2
氣流與氣導
氣體流域:是以氣體本身的性質以及其在管中流動時的相對量為其特點。 管路的氣導(Conductance) 影響氣導值的參數，除了傳輸氣體的種類及壓力外，還有管路的截面 形狀(如圓形、方形或橢圓形等)。其他的因素有長度或管件為直線或 具彎角。 其他如擋板、冷凝阱、吸收阱、閥件及其他管配件之氣導 係數均會在個別技術參數中描述。 以下兩點可視為管件選用時的一般性原則： 管路的長度越短越好，且須具有足夠的內徑！ 管徑大小至少須和幫浦進氣端口徑相等。 管路作用對有效抽速Seffective的影響 所有介於幫浦及腔體(如；高溫真空爐) 間的管件及接頭均會產生節 流效應( throttle effect) 並使所裝置的幫浦抽氣速率降至有效抽 速Seffective ! 此一經管損後的抽氣速率可以管件氣導的函數表示： 連續方程式pVessel x Seff = pPump x Spump 管件的選用須注意越短越好，且須具有正確的內徑大小。
分子流： ∵ λ ＞ d ∴氣體分子與管壁之碰撞次數較氣體分子與氣體分子間之碰撞為多。 氣體分子在管路中之運動為隨意方向，不受抽氣方向的影響。
氣體分子動力論
氣體特性 一般氣體我們視為理想氣體，也就是說氣體分子與氣體分子之間必沒 有任何作用力。 在實際狀況中，氫氣、氮氣、氧氣或是惰性氣體我們都可視為理想氣 體。 在一大氣壓下，一立方公尺體積之氣體在室溫22℃下含有2.5x10E25 個分子。 若將氣體分子視為個別置放在含有等距的格子內，則氣體分子與氣體 分子間的距離為3.4x10-9m，該距離為分子大小的6-15倍，因此氣體分 子可視為各自獨立之個體，其運動保持直線運動，相互之間沒有作用 力。 氣體分子之間的碰撞視為彈性碰撞。 氣體分子經由碰撞後依舊採取直線運動，因此若與大尺度來看氣體分 子的運動情形，將發現氣體的運動行為是隨機的碰撞行為(統計觀 念）。
P t nt kT n1kT n2 kT n3kT.... ni kT
or
Pt P 1 P 2 P 3 ....... P i
Avogradro’s Law（1801年） 氣體在固定溫度與體積的條件之下，氣體的壓力大小與氣體 在標準溫度與壓力之下（STP）數量為 分子的數量成正比 6.02252x1026個的氣體分子，其體積為 P1 P2 22.4136立方公尺，我們俗稱一莫耳。 N1 N 2 綜合氣體定律 將上面幾個氣體定律可以整合成關係式
1＞λ/d＞0.01
中度真空
分子流 （Molecular flow）
λ/d＞1
高真空或 超高真空
氣體本身的特性： 平均自由徑（Mean free path，λ）：氣體分子與氣體分子相繼二次 碰撞中所運動之距離的平均值。 λ＝1/21/2πndo 式中 n＝氣體分子密度（氣體分子數/真空室體積） do＝氣體分子的直徑;n↑ λ↓ ,do↑ λ↓
mbar 1 1*10-2 1.33 1013 Pa 100 1 133 101325 Torr 0.75 7.5*10-3 1 760 Atm 9.87*10-4 9.87*10-6 1.32*10-3 1
水銀 76cm
大氣壓力與緯度之關係 大氣壓力隨著離地球表面愈遠而下降，然而其氣體總類的分配比例大致 不變 在地球大氣層的最外層僅剩下氫氣與氦氣
氣體的吸附和放出
釋氣(Outgassing) (mbar· l) 釋氣(outgassing) 指的是氣體或水氣由真空腔體內的表面或其 他零件釋放出來的過程。此一氣體的釋放量由P · V的乘積表示， 其中V 為氣體釋放出的體積，即腔體體積；P 或更精確以Δ P 表示則為因釋氣所造成的壓力增量。 釋氣率(Outgassing rate) (mbar · l · s-1) 此為一定時間內的釋氣量表示為mbar · l · s-1. 釋氣率(Outgassing rate) (mbar · l · s-1 ·c-2 )m 單位面積的釋氣率，此一數值與物質的材質與表面狀態有 關。
理想氣體定律 Boyle’s Law（1662年） 在溫度固定時，一定量氣體所產生之壓力與體積成反比 PV=constant or P1V1=P2V2 Charles’s Law （1787年） 一定量氣體所產生之壓力與溫度成正比 V1/T1=V2/T2 Dalton’s Law（1801年） 一個混合氣體的總壓力等於每個每個單獨氣體其分壓得總和
真空概論
Biblioteka Baidu
真空的定義 義大利人托里切利(Torricelli)利用玻璃試管盛滿水銀倒置於水銀槽中, 管中的水銀自然下降至76㎝(760㎜)高度,而在頂端留下一空間。這空間 沒有空氣進入,則被認為是真空（vacuum）。 一般定義:一個容器內空間的壓力小於大氣壓力就是真空。也可以說若容 器內氣體分子密度小於2.5*1019molecules/㎝3(一大氣壓力的分子密度), 則該容器內為真空。簡單的表示:壓力<大氣壓力。 真空壓力與真空度 托里切利 真空 真空壓力單位換算表
高度上升,
壓力減小 Eg. 坐飛機.
大氣壓力與海平面高度之關係
1. 2. 3. 4.
真空的區分 粗略真空（Rough vacuum）：760~1 torr 中度真空（Medium vacuum）：1~10-3 torr 高真空（High vacuum）：10-3~10-7 torr 超高真空（Ultra-high vacuum）：10-7 torr 以下 氣流的種類與特性 氣流種類 黏滯流 （Viscous flow） 過度流 （Transition flow） λ/d λ/d＜0.01 真空範圍 粗略真空
各種氣流狀態的特性： 1. 黏滯流包括：a. Re（雷諾數）＞2200,氣流中有渦流產生。 b. Re（雷諾數）＜2200,氣流中無渦流存在。 ∵ λ ＜＜ d ∴氣體分子與氣體分子間碰撞頻繁，其次數遠大於氣體分子與管壁之 碰撞次數。 氣體分子間因黏滯力之作用，使氣體運動有方向性，並與抽氣方向相 同，此特性可防止機械幫浦的油氣回流至真空系統；一般管路直徑 5cm，壓力0.2torr 之氣流為黏滯流，故使用機械幫浦與擴散幫浦組 合之抽氣系統，機械幫浦只抽氣至0.2torr。
P PV 1V1 2 2 T1 T2
氣流與氣導
氣體流域:是以氣體本身的性質以及其在管中流動時的相對量為其特點。 管路的氣導(Conductance) 影響氣導值的參數，除了傳輸氣體的種類及壓力外，還有管路的截面 形狀(如圓形、方形或橢圓形等)。其他的因素有長度或管件為直線或 具彎角。 其他如擋板、冷凝阱、吸收阱、閥件及其他管配件之氣導 係數均會在個別技術參數中描述。 以下兩點可視為管件選用時的一般性原則： 管路的長度越短越好，且須具有足夠的內徑！ 管徑大小至少須和幫浦進氣端口徑相等。 管路作用對有效抽速Seffective的影響 所有介於幫浦及腔體(如；高溫真空爐) 間的管件及接頭均會產生節 流效應( throttle effect) 並使所裝置的幫浦抽氣速率降至有效抽 速Seffective ! 此一經管損後的抽氣速率可以管件氣導的函數表示： 連續方程式pVessel x Seff = pPump x Spump 管件的選用須注意越短越好，且須具有正確的內徑大小。
分子流： ∵ λ ＞ d ∴氣體分子與管壁之碰撞次數較氣體分子與氣體分子間之碰撞為多。 氣體分子在管路中之運動為隨意方向，不受抽氣方向的影響。
氣體分子動力論
氣體特性 一般氣體我們視為理想氣體，也就是說氣體分子與氣體分子之間必沒 有任何作用力。 在實際狀況中，氫氣、氮氣、氧氣或是惰性氣體我們都可視為理想氣 體。 在一大氣壓下，一立方公尺體積之氣體在室溫22℃下含有2.5x10E25 個分子。 若將氣體分子視為個別置放在含有等距的格子內，則氣體分子與氣體 分子間的距離為3.4x10-9m，該距離為分子大小的6-15倍，因此氣體分 子可視為各自獨立之個體，其運動保持直線運動，相互之間沒有作用 力。 氣體分子之間的碰撞視為彈性碰撞。 氣體分子經由碰撞後依舊採取直線運動，因此若與大尺度來看氣體分 子的運動情形，將發現氣體的運動行為是隨機的碰撞行為(統計觀 念）。
P t nt kT n1kT n2 kT n3kT.... ni kT
or
Pt P 1 P 2 P 3 ....... P i
Avogradro’s Law（1801年） 氣體在固定溫度與體積的條件之下，氣體的壓力大小與氣體 在標準溫度與壓力之下（STP）數量為 分子的數量成正比 6.02252x1026個的氣體分子，其體積為 P1 P2 22.4136立方公尺，我們俗稱一莫耳。 N1 N 2 綜合氣體定律 將上面幾個氣體定律可以整合成關係式
1＞λ/d＞0.01
中度真空
分子流 （Molecular flow）
λ/d＞1
高真空或 超高真空
氣體本身的特性： 平均自由徑（Mean free path，λ）：氣體分子與氣體分子相繼二次 碰撞中所運動之距離的平均值。 λ＝1/21/2πndo 式中 n＝氣體分子密度（氣體分子數/真空室體積） do＝氣體分子的直徑;n↑ λ↓ ,do↑ λ↓
mbar 1 1*10-2 1.33 1013 Pa 100 1 133 101325 Torr 0.75 7.5*10-3 1 760 Atm 9.87*10-4 9.87*10-6 1.32*10-3 1
水銀 76cm
大氣壓力與緯度之關係 大氣壓力隨著離地球表面愈遠而下降，然而其氣體總類的分配比例大致 不變 在地球大氣層的最外層僅剩下氫氣與氦氣
氣體的吸附和放出
釋氣(Outgassing) (mbar· l) 釋氣(outgassing) 指的是氣體或水氣由真空腔體內的表面或其 他零件釋放出來的過程。此一氣體的釋放量由P · V的乘積表示， 其中V 為氣體釋放出的體積，即腔體體積；P 或更精確以Δ P 表示則為因釋氣所造成的壓力增量。 釋氣率(Outgassing rate) (mbar · l · s-1) 此為一定時間內的釋氣量表示為mbar · l · s-1. 釋氣率(Outgassing rate) (mbar · l · s-1 ·c-2 )m 單位面積的釋氣率，此一數值與物質的材質與表面狀態有 關。
理想氣體定律 Boyle’s Law（1662年） 在溫度固定時，一定量氣體所產生之壓力與體積成反比 PV=constant or P1V1=P2V2 Charles’s Law （1787年） 一定量氣體所產生之壓力與溫度成正比 V1/T1=V2/T2 Dalton’s Law（1801年） 一個混合氣體的總壓力等於每個每個單獨氣體其分壓得總和