薄膜物理第1章真空技术基础

1.3 真空的获得
1、扩张（吸气）
2、容积最大
（a）外观 分
浸入泵油 （b）内部结构
3、压缩
4、排气
（c）工作原理
机 械 泵：利用机械运动部件转动或滑动形成的输运作用获得真空的泵。 类：旋片式（最常见）、定片式、滑阀式 运转模式：吸气 压缩 排气 （不断循环） 基本特点：需加真空油（密封用）；可从大气压开始工作； 真空度要求低 可单独使用；真空度要求高 作为 前级泵 使用 工作区间：单级：105~1 Pa；双级：105~10-2 Pa 优、缺点：结构简单、工作可靠；有油污染的问题（油饱和蒸气压要低）。
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
1. 最可几速率（速率极大值?）
2kT 2RT RT vm 1.41 m M M
讨论速度分布
2. 平均速率
计算分子运动平均距离
va 8kT 8RT RT 1.59 m M M
3. 均方根速率
计算分子平均动能
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1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 绝对真空是不 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 存在的！ 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
注意：真空，实际上指的是 一种低压的、稀薄的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在”！
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K
R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K
解：（1）气体分子密度
P n T
(3.5 1016 个/m3 )
（2）分子平均速度 v 8RT 8 8.31 273 a M 3.14 32 103
真空油历经循环： 蒸发 喷射 碰撞 冷凝 回流
1 真空技术基础
1.3 真空的获得
1.3 真空的获得
（3） 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）
定 子、 转 子 交 互 布 置
（a）外观
（b）内部结构
（c）工作原理
工作原理：
工作区间：1~10-8 Pa
1）泵内交错布置转向不同的多级转子和定子； 也需前级泵提供1 Pa的出口压力，但可提供更高真空度 2）转子叶片以20k~60k r/min的高速旋转； 优 点：无油、抽速较高。 3）叶片通过碰撞将动能不断传递给气体分子； 缺 点：1）抽取低原子序数气体能力较差； 4）气体分子被赋予动能后被逐级压缩排出。 2）造价高；3）不易维护。
(760/1.013×105)
1.333×102
(1.013×105/760)
1.333×10-3
(1.013/760)
1.316×10-3
(1/760)
1.9337×10-2
1.4504×10-4 1.4504×101 1.4696×101
10-5 105 1.013×105 6.8948×103 1.013 6.8948×10-2
1.3.2 真空的获得
旋片式机械泵（Rotary Pump）
1.3 真空的获得
真空泵的分类及常用工作压强范围
气 罗茨泵（Booster Pump / Roots Pump） 体 输 油扩散泵（Diffusion Pump） 运 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump） 泵 。。。 气 钛升华泵（Titanium Sublimation Pump） 体 捕 低温冷凝泵（Cyro Pump） 获 吸附泵（Sorption Pump） 泵 。。。 溅射离子泵（Ion Pump） 单级：105~1 Pa 双级：105~10-2 Pa 103~10-1 Pa 1~10-6 Pa 1~10-8 Pa 10-3~10-11 Pa 10-3~10-11 Pa 10-4~10-11 Pa 102~10-3 Pa
va
8kT 8RT m M
P
如T=20 0C空气：
2.86 1018个/(cm2 s)
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
例1，求0℃，P = 1.3 10-4Pa氧气，
1）气体分子密度；2) 分子平均速度；3）平均自由程；4）碰撞次数
（已知0℃氧气分子直径3.6 10-8 cm，单分子层分子数8.7 1014 个/ cm2）
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
理想气体状态方程：
式中：n — 分子密度 (个/m3)； P — 气体压强 (Pa)； V — 气体体积 (m3)； M — 气体分子量 (kg/mol)；
1.2 稀薄气体的性质
1.2.1 理想气体定律（一定质量的气体）
k — 玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K； T — 气体温度 (K)； m — 气体质量 (kg)； R — 普适气体常数，R = NA· k = 8.314 J/mol· K； NA — Avogadro常数，6.02×1023 个/mol；
说明：从大气压力开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从1 atm到10-8 Pa的工作范围
真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！
1.3 真空的获得－抽真空
泵组合
从图表中可以看出，没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空。因此 常常将几种泵组合使用，实现预定真空。
泵2
真空室
并联可以提高抽速
泵1
真空室
泵1
泵2
串联可以提高极限真空度
例如： 油封机械泵＋油扩散泵——10-6~10-8Pa 吸附泵＋溅射离子泵＋钛升华泵——10-6~10-9Pa 机械泵＋复合分子泵——获得超高真空
前级泵
次级泵
1 真空技术基础
1.3 真空的获得
（1） 旋片式机械泵（Rotary Pump）
σ-分子直径；n－分子密度
1 真空技术基础
入射频率
1.2 稀薄气体的性质
1.2.4 碰撞次数与余弦散射定律
入射频率ν （入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位 面积的器壁上发生碰撞的气体分子数
1 nv a 4
P nkT

P 2 mkT PN A 2 MRT
赫兹－克努曾公式
描述气体热运动重要公式
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.2.5 真空度的划分(与课本有差异）
记忆：3344
1 真空技术基础
1.3 真空的获得
真空的获得：就是所谓的“抽真空”！
利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在 <1 atm的特定压强范围！
目前常用获得真空的设备有： 各种真空泵（Pump）
动量传输作用
1 真空技术基础
1.3 真空的获得
1 真空技术基础
不同真空度单位制间的换算关系：
torr/mmHg Pa
1.1 真空的基本知识
法定计量单位
bar atm PSI
1.1.1 真空的定义及其度量单位
1 torr (1 mmHg)
1 Pa 1 bar 1 atm 1 PSI 7.501×10-3 7.501×102 760.0 51.7149
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
6.8046×10-2
说明：1、mmHg是人类使用最早、最广泛的压强单位； 1958年为纪念托里切利，用托（torr）代替了mmHg：1 torr＝1 mmHg 2、早期的真空度计量常以 torr 或 mbar 为单位； 目前随着标准化进程的推进，SI（MKS）制单位应用日渐广泛 真空度用 Pa 作单位
宇宙(自然)真空：宇宙空间内存在的真空 因此，真空可分为 人为真空：利用真空设备获得的容器内真空
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-12 Pa
1 真空技术基础
1.1 真空的基本知识
1.1.1 真空的定义及其度量单位
真空的实质：一种低压气体物理状态 真空度采用气体压强表征 真空度的单位 = 气体压强的单位
双级机械泵示意图
例：下图为旋片式机械泵工作过程示意图，简述工作原理和 工作压强范围。 答：旋片式机械泵是依靠放置在偏心 转子中的可以旋转的旋片将气体隔离、 压缩，然后排出泵体。图（ a ）表示 正在吸气，同时把上一周期吸入的气 体逐步压缩；（ b ）表示吸气截止， 此时泵的吸气量达到最大并开始压缩； （ c ）表示吸气空间另一次吸气，而 排气空间继续压缩；（ d ）表示排气 空间内的气体被压缩到当压强超过一 个大气压时，气体便推开排气阀由排 气管排出。如此不断循环。单级旋片 泵工作压强范围105-1 Pa。
旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入 并排出真空泵从而达到排气的目的 属于气体捕获泵，即通过各种吸气 材料特有的吸气作用将被抽气体吸 除，以达到所需真空。
不需要油作为介质，又称为无油泵
1 真空技术基础
3kT 3RT RT vr 1.73 m M M
1 真空技术基础
1.2 稀薄气体的性质
（） 1.2.3 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 2 2 n
P nkT
kT 2 2 P
P Avogadro定律： P nkT n 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。
气体分子密度
1 真空技术基础
1.2.2 气体分子的速度分布
1.2 稀薄气体的性质
在平衡状态时，分布在任一速度区间v～v+dv内，分 子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布：
2 dN m 2 mv 4 v 2 dv exp 2kT N 2 kT N 容器中气体分子总数，m为气体分子质量,T为温度。 3


麦克斯韦速度分布函数
2 m 2 2 m v f (v) 4 exp v 2kT 2kT 3


物理意义是：速率在v附近的单位速率区间的分子数占分子总数的百分比；或者说 一个分子的速率在速率v附近单位速率区间的概率。因此，也叫做分子速率分布的 概率密度。
1 真空技术基础
第一章 真空技术基础
真空的基本知识 稀薄气体的基本性质
真空的获得
真空的测量
知识点
• 概念 最可几速度、平均速度、均方根
速度、平均自由程等
• 换算 常用压强单位的换算 • 分类 真空区域的划分、真空计、各种真
空泵
• 原理 机械泵、扩散泵、分子泵的工作原
理，真空计的工作原理
1 真空技术基础
1 真空技术基础
1.3 真空的获得
（2） 油扩散泵（Diffusion Pump）
1.3 真空的获得
（a）外观
（b）内部结构
（c）工作原理
工作原理：
1）将真空油加热到高温蒸发状态（约200℃）； 2）让油蒸汽分多级向下定向高速喷出； 3）大量油滴通过撞击将动能传递给气体分子； 射流速度 200 m/s 4）气体分子向排气口方向运动，并在动压作用下排出泵体； 5）油气雾滴飞向低温介质冷却的泵体外壁，被冷却凝结成液态后返回泵底部的蒸发器。 工作区间：1~10-6 Pa（因此需要前级机械泵提供1 Pa的出口压力） 优 点：1）造价较低的高真空泵方案；2）没有机械运动部件。 缺 点：油蒸汽回流有可能污染真空系统（不宜在分析仪器和超高真空场合使用）。必须与机械泵联用
4.3 102 ( m / s ) 4.3 104 (cm / s)
（3）平均自由程


1 2 2 n

kT （51m） 2 2 P
1 真空技术基础
4）碰撞次数
1.2 稀薄气体的性质
1 1 nva 3.5 1016 4.3 102 3.8 1018(分子 / m2 s) 4 4 3.8 1014(分子 / cm2 s)
注意：真空度和气压的意义相反 真空度 意味着 气压 法定计量单位
国际单位制（MKS制，即SI制） 1 Pa＝1 N / m 2 1 bar＝106 dyne/cm 2 厘米克秒制（CGS 制） 主要单位制 1 PSI ＝1 lbf / in 2 英制（FPS制） 毫米汞柱制（mmHg 制） 1 torr ＝1 mmHg ＝1 / 760 atm