真空技术基础讲解学习
7~0真空技术基础知识
第七单元 真空技术7-0 真空技术基础知识“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。
真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。
此后，人们不断致力于提高真空度，随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。
一、真空物理基础 1． 真空的表征表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。
单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2）：1牛顿/米2=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105(Pa)，1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。
各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。
通常可分为：低真空（Pa 10~1013-）、高真空（Pa 10~1061--）、超高真空（Pa 10~10-10-6）和极高真空（低于Pa 1010-）。
真空技术的基本知识
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(电阻规 电离规)
S=
dV dt
如果测出容器内不同时刻的压强值，并作压强随时间变化的抽气曲线，由此可计算抽速。 定容法测量抽速的实验装置如图 3-4 所示， 一般用体积足够大的被抽容器， 各连接导管 尽量短而粗，所用控制阀的孔径要大，则流阻可忽略不计，且容器内压强近似处处相等， 当抽气 dt 后，被抽出气体体积为 Sdt。因为容器容积未变，故容器内压强降低了 dP。在此 引入 PV 这一气体量，则 dt 时间内被抽出的气体量为 PSdt，容器内因抽气而减少的气体量 为 VdP。显然，这两者应是相等的，故有：
超高真空机组 分子泵 吸附泵，低温泵
超高真空电离计
超高真空
能实现气体放电 能实现气体放电
1019 ~ 1016 10-6 ~ 10-3
1016 ~ 1013 10 -3 ~ 5
1013 ~ 109 5 ~ 104
< 109 > 104
l << d
l »d
l >d
l >> d
同前
14 ~ 30
30 ~ 90
标准大气压 1 标准大气压 (atm) 1 托(Torr) (1 毫米汞柱） 1 帕(pa) （1 牛顿/米 2） 1 工程大气压 9.6784×10
-1
托 760
帕 1.0133×10
5
工程大气压 1.0332
-3
1
1.3158× 10
-3
1
7.5008×10
-3
133.32
1.3595×10
9.8692×10
[
]
即认为在一小段时间 t1 - t 2 间隔内抽速近似不 变，由(3-1)式得
Sò
t t
2 1
第三章 真空技术基础与等离子体
f 1-Nd 1-e-dl N0
d: 分子行进距离 若自由程足够大：f≈ d / l
.
真空的获得
• 产生真空的过程——抽气；工具——真空泵
• 单位时间抽出的气体体积——抽气速率
• 真空泵工作足够时间后所达到的最低气压 ——极限真空
• 不同类型的真空泵有特定的工作范围，通常 需要两级联合才能达到高真空以上。从大气 开始的叫“前级泵”，从低气压开始工作的 叫“次级泵”。
•油的蒸汽压应当在常 温下低于10-4 Pa ，而 在工作时尽可能高， 高热稳定性和化学稳 定性
.
•可能有回油污染
涡轮分子泵（分子泵）
•纯机械运动，高速 转子叶片对气体加 压 •抽气速率1000 l /s •无回油污染问题
.
低温吸附泵（低温泵）
•通过20K以下低温 凝聚气体分子 •需前级泵 •具有最高极限真空 度 •无回油污染问题 •工作后需再生处理
.
.
.
氩离子对不同元素的溅射产额
.
.
.
.
.
.
磁控溅射
.
磁控溅射靶
等离子体
磁道 靶 冷却水 磁体
.
.
.
平衡和非平衡磁控溅射的比较
非 平 衡 技 术 提 高 轰 击 工 件 的 离 子 电 流
.
1 fold Mag 1
Mag 2 Ti
Mag 3
N polar S polar
Mag 4 Ti
.
.
.
.
.
.
离子注入
非平衡过程，高固溶度 • 直射性
低热过程
• 处理深度浅
无变形，不改变精度 • 注入元素离子化需专门设备
真空技术基础知识1
真空技术基础知识真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技术和生产领域,它日益成为许多尖端科学、经济建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础.作为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、航天技术的发展都离不开真空,反过来它们飞跃前进正在推动真空技术的迅速发展,成为真空科学技术发展史上的三个飞跃阶段,从而使真空技术由原来主要应用领域电真空工业,扩展到低温超导技术、薄膜技术、表面科学、微电子学、航海工程和空间科学等近代尖端科学技术中来.至于在一般工业中应用实在种类繁多,不胜枚举.它涉及冶金、化工、.医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用真空技术.例如有机物的真空蒸馏,某些溶液的浓缩、析晶、真空脱水、真空干燥等.人们还利用真空中的各种特点,研制生产出真空吊车、电子管、显像管、中子管.就连人们日常生活中使用的灯管、暖水瓶、真空除尘器等都离不开真空技术.1.真空与真空区域的划分“真空”是指在给定的空间内,气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态。
不同的真空状态有不同的气体分子密度。
在标准状态下，每立方厘米的分子数为2.6870×1019个，而在真空度为10-4帕时，每立方厘米的分子数为3.24×1010个，即使用最现代的抽气方法获得的最高真空度10-13帕时，每立方厘米中仍有3.24×10个分子。
所以真空是一相对概念，绝对真空是不存在的。
气体分子密度小、分子之间相互碰撞不那么频繁，单位时间内碰撞容器壁的分子数减少，从而使真空状态下热传导与对流小，绝热性能强，可降低物质的沸点和汽化点等。
真空的这些特点被广泛应用到生活、生产和科研的各个领域中。
真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。
它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。
气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。
在真空技术领域中，过去常用的压强单位为托（torr），它与目前国际单位制中压强单位帕斯卡的换算关系为：1帕=1牛顿/米2=1千克/米.秒2=7.50062×10-3（托）1托=1/760（标准大气压）=101325.0/760（帕）=133.3224（帕）为使用方便，人们根据真空技术的应用特点、真空物理特性和真空机械泵、真空计的有效使用范围，将真空划分为不同区域及对应的物理特点和主要应用领域，如表1所示。
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
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。
第二章_真空技术基础
不同的薄膜制备设备对真空度的要求不同：
溅射 CVD 蒸发 MBE
10~10-2
100~10-3 <10-3
<10-5
压强单位换算关系
1atm=1.013×105Pa；1bar=1.0×105Pa 1Torr=1atm/760=133.3Pa; 1Pa= 7.5×10-3Torr
Pa Pa Torr mbar 1 133 100
Torr 7.5×10-3 1 0.75
mbar 0.01 1.33 1
atm 9.78×10-6 1.32×10-3 9.78×10-4
atm
1.01×105
760
1013
1
气体的动力学描述
平衡态理想气体状态方程：
m P=nkT or PV= RT M
M：摩尔质量 (kg / mol ) k：玻尔兹曼常数 (k 1.38 1023 J / K ) R：普适气体常数 ( R N A k )
平均速率
8kT v m
kT 平均自由程 2 2 n 2 2 P
1
均方根速率 vr 3kT
m
2.3 气体的流动与抽气
克努森（Knudsen）数： Kn D D为容器尺寸； λ为气体分子的平均自由程。
气体流动状态
Kn>1
低气压、
粘滞-分子流 1>Kn>0.01
2) 孔的流导
C0 3.64 A0 T M
4) 管道串并联流导 1 1 1 串联 C C1 C2
并联
C C1 C2
抽气速率：
在一定的压强下，单位时间内通过真空泵入口 的气体流量，即 Q
S
P
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标准大气压
9.87× 10-6 1.316 ×10-3 9.87× 10-4 11
1
压力范围和真空泵
真空度可分为：
气流种类
真空状态
真空压力
特性分析
应用范围
黏滯流(Viscous flow)
初真空： 10 Pa~105 Pa
過渡流
中真空： 10-2
(Transition flow) Pa~10 Pa
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。
2
真空技术的发展历史
最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼 铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设 备。最初使用的叫“鞲[gōu] ”的皮囊鼓风、“风箱” 鼓风。
还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在 我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩 、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。
10 Pa~105 Pa 10-2 Pa~10 Pa
气体分子间因黏 滯力作用，气体 工业应用（包装） 运动有方向性， 此方向与抽气方
向相同
真空度在106Torr以内时，水
汽占70%-90%
CVD沉积技术
分子流 (Molecular flow)
高真空： 超高真空：
极高真空：
10-2 Pa~10-6 Pa
真空技术基础
真空 （VACUUM）
“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。 真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于 一个大气压力的气体状态统称为真空。 自然真空：宇宙空间所自然存在的 人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空：完全没有气体的空间状态 相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有
足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术
突破，它导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发
展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等基本研方
面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了发展。
13
固体对气体的吸附及气体的脱附
气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为 物理吸附和化学吸附。
4
1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气 压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘 米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的 表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马， 才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故 被称为马德堡半球实验而闻名于世。
溅lt; 10-10Pa
气体分子跟管壁 间碰撞教分子间 碰撞多。气体分 子间随意运动方
向。
原子表面和界面 分析
10-9 Pa 月球大气 压强 ，10-15Pa 星际空间压强
超高真空
超高真空为得到超纯的或精确掺杂的镀膜或分子束外延 生长晶体创造了必要的条件，这促进了半导体器件、大 规模集成电路和超导材料等的发展，也为在实验室中制 备各种纯净样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空 剖裂等）提供了良好的基本技术。
需要真空系统的微加工设备：电子束光刻设备，热CVD ，镀膜设备，热处理设备等等
真空量度单位
1标准大气压=760mmHg=760Torr 1标准大气压=1.013x105 Pa 1Torr=133.3Pa 1mbar=100Pa
Vacuum 760 mm Hg ATM
真空度和压强
压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。
物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生， 主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体 容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；
化学吸附则发生在较高的温度下，与化学反应相似， 气体不易脱附，但只有当气体和固体表面原子接触生 成化合物时才能产生吸附作用。
14
固体对气体的吸附及气体的脱附
气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面 的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。 一般地，影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素是 气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密度以 及固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。当固 体表面温度较高时，气体分子容易发生脱附，对真空室 的适当烘烤有利于真空的获得就是利用这个道理。
5
1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热 阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明 了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离 计。
盖德 发明的机械泵
盖德发明的分子泵
6
真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的 发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼 1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电 离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已 完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上 。
15
固体对气体的吸附及气体的脱附
真空（压强）单位
国际单位：帕斯卡（Pascal） Pa 常用单位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg）
巴（bar） 标准大气压（atm）
单位
1Pa 1Torr 1mba 1atm
帕/Pa
1 133.3 100 1.013 × 105
托/Torr 7.5×10-3
1 0.75 760
毫巴/mbar 1× 10-2 1.333 1
现代的有扩散泵
7
今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa ）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新 应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。
今天的真空技术： 105pa～ 10-13pa
8
真空技术的应用领域
电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子 、材料科学、医学、化工、冶金、日常生活等各个领域 。 （电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、杜瓦绝 热）
3
历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年 ，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,16081647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管 和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入， 直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽 内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐 下降，直到距离小槽液面以上760毫米时，就不再下降了 。