第1章 真空技术的物理基础

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
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。

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.
真空技术的应用




简单应用: 白炽灯，日光灯，荧光灯，钠灯，钨灯等。 电真空器件 内部为“真空”环境的电子器件，如：显像管、真空摄像管、 微光管，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。
在25°C的空气情况下 或

P 0 .6 6 7 ( c m P a )

P 常数

0 . 667 P
( cm )
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。
2) 低真空（1×102~1×10-2Pa） 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) 粗真空（1×105~1×102 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。
简单叙述真空技术的基本理论
详细的内容请看教材。
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，压强低 。 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。


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。
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。

T

V
V
V0 T0
T
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。 V=CT 或

V
P
P0 T0
Hale Waihona Puke T 所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。同正常的大气相 比，是比较稀薄的气体状态。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
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。

两个分子间的相互作用力



处于基态的两个分子之间，存在四种相互作用力。 （1）弥散力 即通常所称的范德瓦尔力，它存在于任何 一对分子之间。气体在低温时液化，就是这个力的作用结 果。弥散力存在于任何两个中性分子之间。 （2）感应力 两个分子中一个或者两个都具有永久电矩 （电偶极矩μ或四极矩χ）时出现的力。这时有电矩的分 子在另一个分子中感应出一个电矩，从而产生相互作用力。 （3）静电力 当两个分子都具有永久电矩时，就出现这 种静电作用力。 （4）价力 相当于将原子结合为分子的力以及分子在 极度接近时出现的短程斥力。 真空技术中常遇气体多为偶极矩及四极矩均为零（μ=0， χ=0）之气体，故主要只存在弥散力及价力，而且主要是 弥散力。
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 n
2


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 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




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。

真空技术的应用



3. 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。 4. 在原子研究中和利用中的应用。 5. 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。 6. 微电子学的应用 半导体中硅薄膜，超纯硅，提纯，二极管，三极管，PN 结，超大规模，超大规模集成电路等等，都需要真空环境。
n 7 . 2 10
22
P
(个 / m )
3
T
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。
气体和蒸汽
5)
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。

真空的单位

际上推荐实用的国际单位制（SI）。 1Kg×9.80665m/s2=9.80665 牛顿 (Kg.m/s2) 1Pa =1牛顿/平方米=1 Kg /m.s2 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个标准大气压=760mmHg高 1毫米泵柱（mmHg）=133.322pa 1mmHg=1.00000014Torr 1托（Torr）=1/760 atm=133.322Pa; 巴（bar） 1bar=105Pa 毫巴 1mbar=100Pa