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。
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。 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。
注意：电离真空计的工作上限为0.1 Pa左右， 在10-6~0.1Pa之间，电离真空计的测量指示值 与气体压力呈线性关系。由于不同气体的碰 撞电离截面不同，因而电离真空规的测量值 也与所测气体种类有关。
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
多级叶片连续压 缩保证了高抽速 （1000 l/s)
涡轮分子泵
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
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 × 10 2 Pa，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。
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。
第一节 、真空的基本知识
一、表示真空程度的单位
表1
单位 1Pa 帕（Pa） 1
几种压强单位的换算关系
托（torr） 毫巴（mba） 标准大气压（atm） 7.5×10-3 1×10-2 9.87×10-6
1torr
133.3
1
0.75
1.333
1 1.013×103
1.316×10-3
9.87×10-4 1
热偶真空计是利用在低气压下气体的热导率 与气体压强间有依赖关系制成的。其中有一根细 金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，则丝的 温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热 取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分 子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则 丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。通过 测量热偶丝的电动势来指示真空度了。
热阴极电离真空计 1916年 O.E.巴克利
冷阴极电离真空计 1937年 F.M.潘宁
热偶式真空计
BA式电离真空计 1950年 R.T.贝阿德和D.A.阿尔伯特
• 直接测量气体压力不易，利用测定低气压 下与压强有关的某些物理量，再变换后确 定压强。 • 任何具体的物理特性，都是在某一压强范 围内最显著，任何方法都有测量范围，这 个范围就是真空计的“量程”
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
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。
影响压力测量上限的因素： 一是在高于10-1Pa压力下，热规的钨丝阴极将氧化，寿命 大为缩短，甚至烧毁。 二是高于10-1Pa压力时，离子流与压力的关系曲线开始偏 离线性。
气体分子数增加，电子与分子碰撞数增加，但能量下降，电离几率降低， 当压强增到一定程度电离作用炮和，曲线偏离线性。
影响因素：1、阴极发射的电子电流强度Ie； 2、气体分子的碰撞截面； 3、气体分子密度。
没有一种真空计能够测量从大气到10-10Pa的整个领域的真空度
一、电阻真空计
定义：利用测定热丝电阻值随温度变化的真空计
工作过程：真空度↑→气体分子↓→Q↓分子从热丝上带走热量→热丝温度↑→热 丝电阻R↑，可以归纳出R↑→真空度↑
• 电阻真空计的测量范围为105~10-2Pa。由于 是相对真空计，所测压强对气体的种类依 赖性较大，其校准曲线是针对干燥的氮气 或者空气的，所以被测气体成分变化较大， 则对测量结果要做一定的修正。另外长时 间使用后，容易因氧化而产生零点飘移， 所以要避免长时间接触大气或在高压下工 作。
Different pressure
Different gas 1:Argon 2:Air 3:Hydrogen 4:Carbon Dioxide
• 测量区间：102~10-1Pa，（高于100Pa，气 体的热导率不再随气压的变化而显著变化； 低于0.1Pa，气体分子传导走的热量在总加 热功率中的比例过小，测量的灵敏度下 降。） • 缺点：在测量区间中指示值呈非线性；测 量结果与气体种类有关；热惯性和因氧化 而发生的零点飘移，需要校正。 • 优点：结构简单，使用方便。
•热量的传递不仅仅与压强 有相互关系，同时与气体 的摩尔量和分子结构有关 系。 •不同的气体会导致压力测 量时得出不同的结果。 •在一般情况下，当现有的 气体的原子或者分子越大， 热传导的能力或者效率越 低。
二、热偶真空计
工作过程：真空度↑→气体分子↓→Q↓分子从热丝上带走热量→热丝温度 ↑→ΔT↑（TA-TB）→E↑热电势，可以归纳出E↑→真空度↑
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。
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。
• 皮拉尼真空计和热偶真空计的共同点：
都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础而 设计的，它们是低真空里最常用的测量手段。
• 区别：
皮拉尼真空计：通过测量热丝的电阻随温度的变 化实现。 热偶真空计：通过测量热丝温度实现
三、电离真空计
电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生 电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范 围为0.133~1.33×10-6Pa。实验表明，在压强P≤101Pa时，有下列关系成立 I+/Ie=K P 其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发 出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离 子而被板极收集形成的离子电流。K为比例常数。可 见，Ie不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就 可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa 以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成 规管损坏。
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。