第1章真空技术的物理基础

1.7 气体分子运动论的基本假设
• （1）任何气体均由大量微小的质点组成；对于单一气体， 这些质点是完全相同的。这些微小质点称为分子。 • （2）分子尽管很微小，但仍然有一定的体积。因此在运 动时它们相互不断碰撞，且亦与容器器壁碰撞；这些碰撞 是完全弹性的，即无能量损失的。 • 这就是关于气体构造的分子假说。为了将这一假说构筑 成一个理论体系，气体分子论还假设： • （3）分子的运动及碰撞遵从牛顿定律，可以应用经典力 学来处理。 • （4）分子的数目是巨大的，而气体的宏观性质是大量分 子的微观性质的统计平均值，可以采用统计学的方法予以 求出。
第1章 真空技术的物理基础
• 简要叙述真空技术的基本理论 • 详细的内容请看教材。
1.1 真空的概念
• 在真空技术中，“真空”泛指低于一个大气压的 气体状态，换言之，同正常的大气比，是较为稀 薄的一种气体状态. • 同正常的大气比, 气体的分子数少 。 • 随着海拔高度（离海平面的垂直高度）越高，气 体越稀薄。.. • 通常意义上，在地球上，人能生存的状况都不应 称作真空。 • 真空应说成低于周围大气压的状态。
1.3 真空特点
• 1。 与大气有压差。压强低于一个大气压，故需要一个 “真空”容器，即真空设备。该容器在地球上就需要承受 一个大气压力的作用，压力的大小则看容器内外压差。内 部为真空环境的容器，可以认为压差为1个大气压。所以 该容器必需承受大于1个大气压力的作用。 • 如需获取真空条件，必须研制设计生产真空设备，需 要进行真空获取、测量、气体成分分析，如何有效设计、 防漏、检漏等。 • 2。分子数密度低。在“真空”下，由于气体稀薄，即单 位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它粒子， 如电子、离子之间的碰撞就不那么频繁，明显减少， • 分子主要碰撞表面，如容器表面四壁、内部装置的次 数也相对减少。这是真空的最主要的特点。正是如此，各 种真空设备正是利用它进行工作。
1.12 气体分子的平均自由程
• 气体分子处于不规则的热运动状态，它除与容器壁发生碰撞外，气体 分子间还经常发生碰撞。每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为 • “自由程”。这是一个描述气体性质的微观参量。其统计平均值： 1

2 wenku.baidu.com n
• λ称为“平均自由程”。由此可知，平均自由程与分子密度n和分子直 径 的平方是反比关系。 kT • 根据（1- ）式，上式可改写为 2
1.2 真空的单位---压强
• 在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），系千克
米秒制单位，简称帕(Pa), 是目前国际上推荐实用的国际单位制 （SI）。 • 1Kg×9.80665m/s2=9.80665 牛顿 (Kg.m/s2) • 1N（牛顿）= 1Kg.m/s2. • 1Pa =1牛顿/平方米=1 Kg /m.s2 • 1个标准大气压=760mmHg高; • 1个标准大气压(atm)＝0.76m×13595.1Kg/m3×9.80665m/s2= • =101325牛顿／m2=101325Pa=1.01325×105Pa • 1毫米泵柱（mmHg）=133.322pa. • 1mmHg=1.00000014Torr • 1托（Torr）=1/760 atm=133.322Pa; • 巴（bar） • 毫巴 1bar=105Pa 1mbar=100Pa
• •
•
1) 粗真空（1×105~1×103 Pa） 在粗真空状态下气态空间的特性和大气差 异不大，气体分子数目多，并以热运动为 主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的 平均自由程很短。 通常，在此真空区域，使用真空技术的目 的是为了获得压力差，而不要求改变空间 的性质。电容器生产中所采用的真空浸渍 工艺所需的真空度就在此区域。
1.9 气体运动的基本定律
• 一定量气体的压强P、体积V、 温度T、质量m • 1.波义耳定律: • 一定质量的气体，在恒定的温 度下，气体的压强与体积的乘积 为常数。 •T PV=C • 或 P1V1=P2V2
P
V
P
T
• 2.盖 吕萨克定律 • 一定质量的气体，在压强一定时， 气体的体积与绝对温度成正比。 • V=CT •

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 ) Pa • 0.667 (cm) P
P 常数
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。
1.4 真空技术的应用
• 1。电真空器件 • 内部为“真空”环境的电子器件，如：微波管，显 像管、真空摄像管、微光管，白炽灯，日光灯，荧 光灯，钠灯，钨灯等。 • 它们 都需要良好的真空: • 主要原因在于：其原理基于利用电场、磁场等来控 制电子流的运动，以达到放大、振荡、显示图像等 目的，如果器件中气体分子较多，电子流就不可避 免与分子碰撞，改变运动的规律。 • 电真空器件一般都有一个电子源，如各种热阴 极光电阴极等，它们都是一些敏感的化学性活泼表 面，极易受到气体的“中毒作用”而失效，只有在 真空中才能正常工作。
• •
•
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。
真空镀膜技术
南京理工大学 2012.9
教材与课时
• • • • 3学分，其中上课40学时，8学时实验 本课程内容包括：真空技术，薄膜技术 两部分 教材： 1。王欲知，陈旭 ，真空技术，北京航空航天大 学 出版社 ， 2007.6，第2版。 • 2。杨帮朝，王文生，薄膜物理与技术，电子科技 大学出版社， 1994年。 • 参考书： • 3。王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006 年9月第1版。
• 基于上述二个原因，不难理解，一旦电真空器件 的内部真空变坏，必然导致器件性能变坏，甚至 完全失效。 • 显像管真空较差，就会导致电极间交叉跳火，出 现离子斑。摄像管真空较差，分辨率下降由于电 子束遭分子碰撞，聚散不良。图像增强器真空较 差，降低灵敏度，还出现图像频变斑点。 • 真空不良对各种器件性能的影响是十分明显的， 通常电真空器件的寿命取决于阴极的寿命。而气 体对阴极的中毒作用是积累的，随着时间的加长， 阴极愈来愈坏，最后管子就完全不能应用了。
1.5 真空度的概念
• “真空度”和“压强”是两个概念，不能混 淆， • 压强越低意味着单位体积中气体分子数愈 少，真空度愈高； • 反之真空度越低则压强就越高。 • 由于真空度与压强有关，所以真空的度量 单位是用压强来表示。 • 真空度是一个定性指示。
1.6 真空区域的划分
• 为了研究真空和实际应用方便，常把真空 划分为粗真空、低真空、高真空和超高真 空、极高真空五个等级。 • 随着真空度的提高，真空的性质将逐渐变 化，并经历由分子数的量变到真空质变的 过程。
1.11 气体和蒸汽
蒸 汽 的 临 界 温 度 气 体 的 临 界 温 度
室温
• 实用上的室温（15~25°C）为准，凡临 界温度高于室温的气体称为蒸汽；低于室 温的则为“永久气体”或“气体”。 • 如此，则室温下，蒸汽是随时可液化的， 而气体则不能。氮、氢、氩、氧和空气的 临界温度远低于室温，所以在常温下它们 是“气体”。二氧化碳的临界温度与室温 接近，极易液化。 • 蒸汽是不能满足理想气体方程的，如将容 器体积缩小，则有一部分蒸汽转化成液态， 其压强未增。 • 以上关于理想气体的概念，只适用于 “永久气体”，不适用于蒸汽。“永久气 体”与蒸汽的区别，在于其所处温度是在 临界温度以上或以下。 • 对一定的物质，饱和蒸汽压的大小只取决 于温度。 温度越高,蒸汽压越大.
• 2) 低真空（1×103~1×10-2Pa） • 此时每立方厘米内的气体分子数为1016~1013个。 气体分子密度与大气时有很大差别，气体中的带 电粒子在电场作用下，会产生气体导电现象。 • 这时，气体的流动也逐渐从粘稠滞留状态过度到 分子状态，这时气体分子的动力学性质明显，气 体的对流现象完全消失。 • 在此真空区域，由于气体分子数减少，分子的平 均自由程可以与容器尺寸相比拟。并且分子之间 的碰撞次数减少，分子与容器壁的碰撞次数大大 增加。
1.8 理想气体
• 从分子运动论的观点，理想气体是指符合下述假 说的一种理论模型： • （1） 气体分子本身的体积与它的活动空间即整 个气体体积或容器体积相比，是微不足道的，在 考虑分子的运动时，可以将分子看成几何点。 • （2）分子之间没有相互作用力。除了碰撞之外每 个分子的运动是完全独立的，不受其他分子的影 响。 • 低压气体与理想气体很接近，因此在真空技术 中完全可应用理想气体的模型而不必加以任何修 正。
• •
4) 超高真空（1×10-6Pa~1×10-10Pa） 此时每立方厘米的气体分子数在1010个以 下。分子间的碰撞极少,分子主要与容器 壁相碰撞。超高真空的用途之一是得到纯 净的气体，其二，是可获得纯净的固体表 面。此时气体分子在固体表面上是已吸附 停留为主。
• 5) 极高真空（<1×10-10Pa） • 此时每立方厘米的气体分子数在108个以下。 分子间的碰撞极少，分子主要与容器壁相 碰撞。极高真空的获得是一项困难的工作， 但是在太空是容易得到的，极高真空可以 模拟太空的环境，在天文和核试验上也需 要这样的真空环境。
P n 7.2 10 (个 / m3 ) T
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1.10 临界温度
• 对于每一种气体都有一个特定的温度，高 于此温度时，气体无论如何压缩都不会液 化，这个温度称为该气体的临界温度。 • 也就是说，当一个气体处在临界温度以上 时，无论怎样压缩都不能使其液化；当它 处于临界温度以下时，则可压缩使其液化。
V
V0 V T T0
P
T
• 3.査理定律 • 一定质量的气体，如果体 积不变，则气体的压强与 绝对温度成正比。 • P=CT • 或
V
P0 P T T0
• 当气体处于平衡时，可得到描述气体性质的气体状态方程， 即： P=nkT m • 或 PV RT • M • 式中，P为压强（Pa）； • n是气体分子密度（个/m3）； • V为体积（m3）； • M为气体分子量（kg/mol）; • m是气体质量（kg）; • T是绝对温度（K）； • k是波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）。 • R为气体普适常数（8.314J/mol.K），也可以用R=RA.k来 表示，NA为阿伏加德罗常数（6.032×1023个/mol）， • 于是可得：
• 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。