真空技术基本方程
真空中的波动方程
真空中的波动方程
一、物理背景
波动方程是描述波动现象的基本方程，适用于描述在各种介质中传播的波动。
在真空环境中，波动方程的应用尤其广泛，主要涉及电磁波、声波、引力波等。
真空中的波动方程是指在真空中传播的波动所满足的数学模型，用于描述波动在空间和时间中的变化规律。
二、数学模型
在真空环境中，波动方程通常表示为以下形式：
ΔΦ/Δt=c^2ΔΦ/Δx^2
其中，ΔΦ表示波动场的变化量，Δt表示时间变化量，Δx表示空间变化量，c表示波速。
对于不同类型的波动，波动方程的具体形式会有所不同。
例如，对于电磁波，波动方程通常表示为麦克斯韦方程组；对于声波，波动方程通常表示为声波方程。
三、求解方法
求解真空中的波动方程通常需要使用数值方法，因为波动方程是偏微分方程，解析解通常很难得到。
常用的数值求解方法包括有限差分法、有限元法、谱方法等。
这些方法可以将偏微分方程离散化为代数方程组，然后使用数值计算方法求解。
求解过程中需要考虑边界条件和初始条件，以获得准确的解。
四、应用领域
真空中的波动方程在许多领域中都有广泛应用。
例如，在通信领域，可以利用电磁波在真空中的传播特性实现卫星通信和无线通信；在物理学领域，可以利用真空中的波动方程研究光子、声子等粒子的传播和散射特性；在地球物理学领域，可以利用真空中的波动方程研究地震波的传播和散射等。
因此，掌握真空中的波动方程对于理解这些领域的物理现象和开发相关技术具有重要意义。
第二讲_真空技术基础
真空系统的导流能力 流导
不同形状管路的流导已被编制成图表 不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联 ，构成总流导C
1 1 1 1 C C1 C2 C3
串联流导： 并联流导：
C C1 C2 C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同 的真空泵，而它们的一个主要指标 是其抽速Sp，其定义为
涡轮分子泵运 转速度极高， 因此需要在优 于1Pa的较高真 空度下运转
涡轮分子泵的抽速曲线
涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力 范围在110-8Pa之间
隔膜真空泵的外形图
隔膜泵的能力较小(1L/s) ，极限真空度较差(100Pa) ，但无油污染问题
干泵系统的外形图
干泵的能力较大(100L/s) ，极限真空度较高(10-2Pa) ，无严重的油污染问题
p(t) p0 (pi p0 )e
则极限真空度:
S pt V
p0
Qp SP
0
有限流导情况下真空泵的抽速
当真空管路流导为有限，真 空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体 流量相等。泵的实际抽速S 降低为
SPC Q S p SP C
即抽速S永远小于泵的理论 抽速Sp，且永远小于管路 流导C。即S受Sp和C二者 中较小的一个所限制。
气体压力的单位与换算
大气压: atm, kg/cm2, bar Pa: N/m2 Torr: mm· Hg 1atm = 1000mbar = 0.1MPa 1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级
分子运动学的基本概念
超高真空物理与技术基础3
超⾼真空物理与技术基础3第三章真空状态下的⽓体流动（初稿）3.1⽓体流动过程的基本物理量在实际真空技术应⽤过程中，我们所⾯临的第⼀个问题就是把⽓体从真空室排去，所以对⽓体在系统中的流动性要有所了解。
⽽真空系统的许多排⽓泵，不同⼝径的连接管道，以及各种形状的真空室都会影响到系统的排⽓速率。
因此研究分析⽓体通过⼩孔和管道的流动，是我们设计真空系统的主要课题之⼀，同时也是⼀些真空实验的理论根据。
本章我们将介绍⽓体流动的特性，以及如何计算⽓体流动速度和流导。
⾸先我们了解⼀些⽓体流动过程的基本物理量。
3.1.1 体积流率当管道⾥的⽓体两端存在压⼒差时，便会出现⽓体⾃动从压⼒⾼的⼀端向压⼒低的⼀端扩散,便形成了⽓体流动。
为了计算了解管道中流过的⽓体的多少，通常使⽤⽓体的质量流率Sm （公⽄/秒）和摩尔流率Sr （摩尔/秒），即单位时间内通过管道某⼀给定截⾯的⽓体质量和⽓体摩尔数。
实际⼯作中由于这两种流率不便测量⽽采⽤体积流率。
体积流率是指在给定温度、压⼒下，单位时间内流过管道或设备的任⼀截⾯上的⽓体体积。
体积流量通常⽤符号Sv 表⽰，单位为：⽶3/秒。
在⽓体压⼒为P 的截⾯上，Sv 与Sm 和Sr 的关系为：v m S TR M P S = 和 v r S T R P S ??=式中：M——⽓体摩尔质量kg/mol；R——普适⽓体常数，R＝8.31J/mol ·K T——温度℃；P——压强Pa；3.1.2⽓体流量什么是⽓体流量？在单位时间内通过给定截⾯的⽓体数量，称之为⽓体流量，⽤Q 表⽰。
由于⽓体是可以压缩的流体，所以流过的⽓体不仅和流过的体积有关，⽽且和其压强即⽓体密度n=N/V 有关,⽓体流量也可以认为是单位时间内，⽓体分⼦N 以流率s 通过给定管道横截⾯A 的分⼦数量。
这种关系定义在真空科学与技术领域也可以⽤泵的抽速表⽰：n S n v A N ?=??= v A S ?≡ (m 3/s)根据流量定义，泵对真空系统的抽⽓速率也可以⽤真空泵的抽速来衡量。
真空系统抽气时间的计算
真空系统抽气时间的计算1．真空系统的抽气方程真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。
我们可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。
那么真空系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢或者说真空室内究竟有哪些气源呢?总起来说，可以归纳为下述几个方面：(1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为P o Pa，则容器内原有的大气量为VP0Pa·m3；(2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用Q f Pa·m3／s来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式(27)的经验公式来计算。
真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。
所以总的表面放气流量Q f为式(49)。
(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以Q s Pa·m3／s表示。
渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。
气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只有分离为原子才能透过钯、铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。
氦分子能透过玻璃。
氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。
一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。
但是所有的隋性气体都不能透过金属。
除了有选择性之外，渗透气流量Q s还与温度、气体的分压强有关。
在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量Q s是个微小的定值。
(4)液体或固体蒸发的气体流量Q Z Pa·m3／s。
空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。
在高真空条件下，特别是在高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸气压。
当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定的，因而蒸发的气流量也是个常量。
(5)大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量Q L Pa·m3／s。
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
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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
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•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
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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
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氩离子对不同元素的溅射产额
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磁控溅射
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磁控溅射靶
等离子体
磁道 靶 冷却水 磁体
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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
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1 fold Mag 1
Mag 2 Ti
Mag 3
N polar S polar
Mag 4 Ti
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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
一、真空技术知识1.1 真空区域的划分真空是指气体压力低于一个标准大气压（101325Pa）的气体状态。
在真空状态中，真空度越高，气体状态越稀薄，气体分子的物理特性就逐渐发生变化，因此把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变的过程，作为划分真空区域的依据，是比较合适的。
根据我国所制订的国标GB3163的规定，真空区域大致划分如下：低真空区域 105~102 Pa （760~1托）中真空区域 102~10-1 Pa （1~10-3托）高真空区域 10-1~10-5 Pa （10-3~10-7托）超高真空区域 10-5～10-12Pa （10-7～10－10托）超高真空区域 <10-12Pa （<10-10托）1.2 理想气体定律及其状态方程所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。
由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。
现就有关问题分述如下：1.2.1 气体定律气体的压力p(Pa)、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：1. 波义耳—马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。
即：pV=常数2. 盖·吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：V常数T3. 查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：上述三个公式习惯上称为气体三定律。
具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。
例如：初始压力和体积为P 1、V 1的气体，经等温膨胀后体积变为V 2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P 2=P 1V 1/V 2。
这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
4. 道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P=P 1+P 2+……P n这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。
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
真空技术基础和应用ppt课件
真空技术中的物理基础
• 基本概念
1. 平均自由程(l)：热运动的分子相继两次碰 撞之间飞越的距离。
2. 流量，抽气量(Q)：单位时间流过抽气管 道的气体分子总量。单位：Torr.L/s
3. 流导(U)：真空管道流过气体的能力。流 过管道的流量与管道两端压差之比.
4.
U=Q/(P2-P1), 单位：L/s(升/秒)
2020/12/13
真空度
抽气速率的计算:
PV = NRT, N是分子总数 NPV at T= const
通常情况下, 真空泵的抽气量 正比于真空室气压 P, 泵抽 速 S 定义为：
δPVPS S1δPV
δt
P δt
流量为：
S 单位：升/秒, ℓ/s
Q = PS，因此分子数减少速率为：
2020/12/13
2020/12/13
大气压
• 标准大气压： 0度时，760mm 水银柱产生的压强。
• 大气压： 地球表面上，大气层产生的气压 随海拔高度和纬度不同而不同，在海拔 3000米以内，每升高12米，降低1torr.
• 工业大气压： 1am=1kg/cm2=735.56torr 一个大气压约为1公斤压力
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Chamer 1
pump 1 500 ℓ/s
Chamer 2
pump 2 100 ℓ/s
connecting tube 1 cm inner diameter 10 cm length
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
为什么？ 器壁表面脱气。
因此腔体材料的选择十分重要，特别是高真空系统
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二、真空技术基本方程
真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。
所说的真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。
真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口处的压力下，单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。
真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对气体的导通性能，即所说的流导。
流导的定义是：在单位压差下，流经管路的气流量的大小。
用一个数学式子来表示，即是式(1) 如果用S e来表示真空系统对容器的有效抽速，用S p表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有式(2)，(2a)、(2b)、和(2c) 方程(2)，(2a)、(2b)、和(2c)本质上是一个方程，只不过写法不同，这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速S p和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。
从方程(2b)可以看出：如果管路的流导C远大于泵的抽速S p，则S p／C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速S e≈S p。
这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路时，应使管路的流导尽可能大一些。
因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。
这是设计连接管道时的一条重要原则。
相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速S p，则C/S p的值远小于1，从方程(2c)可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速S e≈C，这就是说，在这种情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。