真空技术的基本知识
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
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
真空基础知识
INFICON HAPSITE Protable GC/MS真空系统
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中国计量科学学院设计的矩形离子阱质谱仪真空系统
恒压电源 测量范围：1 Torr to 10-4 Torr
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电离真空计
工作原理：电子在电场中飞行时从电场获得能量， 若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生 电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子 能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正 比于气体密度，在一定温度下正比于气体的压力。 因此，可根据离子电流的大小指示真空度。 根据气体分子电离方式的不同，电离真空计可可分 三种：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放 射电离真空计。
真空阀门
电磁线圈
铁芯
电磁阀
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真空法兰 CF法兰
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真空法兰 KF法兰
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（1）曲线A：说明该系统既不漏气，也不放气 （放气是由于系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽 不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。 （2）曲线B：在开始时上升较快，而后呈饱和状， 表明系统本身不漏气，但内部有放气源。 （3）曲线C：呈直线上升，说明系统漏气。 （4）曲线D：表明系统压强开始上升很快，而后 变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况 都存在。
判断真空系统确实漏气之后，就开始着手寻找漏孔的位置、测定漏率大小，以 便进行修补。检查的方法主要有：压力检漏法、真空检漏法、氦质谱检漏法和 其他检漏法等。
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
真空技术基础知识
真空技术基础知识前言1. 真空“真空”来源于拉丁语“Vacuum ”，原意为“虚无”，但绝对真空不可达到，也不存在。
只能无限的逼近。
即使达到10-14—10-16托的极高真空，单位体积内还有330—33个分子。
在真空技术中，“真空”泛指低于该地区大气压的状态，也就是同正常的大气比，是较为稀薄的气体状态。
真空是相对概念，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质点（如电子、离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞表面（例如器壁）的次数亦相对减少。
这就是“真空”最主要的特点。
利用这种特点可以研究常压不能研究的物质性质。
如热电子发射、基本粒子作用等。
2. 真空的测量单位一、用压强做测量单位真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度，作为这种量度，最直接的物理量应该是单位体积中的分子数。
但是由于分子数很难直接测量，因而历来真空度的高低通常都用气体的压强来表示。
气体的压强越低，就表示真空度越高，反之亦然。
根据气体对表面的碰撞而定义的气体的压强是表面单位面积上碰撞气体分子动量的垂直分量的时间变化率。
因此，气体作用在真空容器表面上的压强定义为单位面积上的作用力。
压强的单位有相关单位制和非相关单位制。
相关单位制的各种压强单位均根据压强的定义确定。
非相关单位制的压强单位是用液注的高度来量度。
下面介绍几种常用的压强单位。
【标准大气压】（atm ）1标准大气压=101325帕【托】（Torr ）1托=1/760标准大气压【微巴】（μba ）1μba=1达因/厘米2【帕斯卡】（Pa ）国际单位制1帕斯卡=1牛顿/m2【工程大气压】（at ）1工程大气压=1公斤力/厘米2二、用真空度百分数来测量%100760760%⨯-=P δ 式中P 的单位为托，δ为真空度百分数。
此式适用于压强高于一托时。
3. 真空区域划分有了度量真空的单位，就可以对真空度的高低程度作出定量表述。
此外，为实用上便利起见，人们还根据气体空间的物理特性、常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空技术应用特点这三方面的差异，定性地粗划为几个区段。
真空技术基础
表面清洗的基本方法
溶 剂 清 洗
1）软化水或纯水 离子杂质：如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Al3+、Zn2+、 Cu2+、Ni2＋、Mn2＋、H＋、NH4＋、SO4＋、Cl－、NO3－、 HCO3－、CO3－、PO43－、OH一、SiO32－等。阳离子和 阴离子结合为可溶性盐类存在于水中
MR3
ECR CA T/C C/C CP1 IBE
GV302
Ar
IG3 DG3 PS3
S/CTΒιβλιοθήκη P3 DP1 RP3真空获得
水环泵、旋片泵、水喷射泵、螺杆泵、爪式泵、罗茨泵、分子 泵、扩散泵、低温泵、吸附泵 1）低真空阶段以机械泵为主（旋转、气体压缩） 2）中真空、高真空、超高真空阶段以扩散泵、分子泵、低温 泵为主 基本概念： 主泵、粗抽泵、前级泵、粗真空泵、高真空泵、超高真空泵和 增压泵 工作压力和极限压力
气体放电
V K A R +
I
气体放电管
1200 1000
Townsend放电 异常放电
v(V)
800 600 400 200 0 1E-21
正常放电
弧光放电
1E-17
1E-13
1E-09
2
1E-05
1E-01
I(A/cm )
伏安特性
阴极溅射原理图
靶材的刻蚀图
一种新型刻蚀均匀磁控溅射源
离子镀原理图
（4）汽油 汽油有较强的溶解性，能溶除油污、油漆等有机杂质。特 别是航空汽油，无毒性，去污能力强，是清洗常用有机溶剂。
（5）松节油
松节油与乙醚、乙醇、氯仿等有机溶剂互溶，是一种无毒 溶剂。对有机杂质有较好的溶解能力，能溶解油类、脂肪、蜡
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主讲 钟 晖
Institute of vacuum Metallurgy
School of metallurgical science and engineering
真空冶金学
前言 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
真空度的其它表示方法
自由程与真空度的关系
真空度的单位 根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力，是碰 撞表面单位面积上所受的力，单位为“帕斯卡”(Pascal)， 简称“帕”(Pa)。
真空度百分数
真空单位换算
➢帕（Pa）：国际单位； ➢标准大气压：0℃下水银密度为13.595g*cm-3时，等于760毫米汞柱
（3）真空的科学含义
在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态或稀薄
的气体状态 。
真空的特点: （1）真空状态下的气体压力低于一个大气压；
（2）真空状态下气体的分子密度小于大气状态的气体分子密度 ， 气体分子的自由程增大；
（3） 真空状态下由于分子密度的减小，因此作为组成大气组分的 氧、氮等气体含量 ( 也包括水分的含量 ) 也将相对减少。
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。
利用气体分子密度降低可实现无氧化加热，利用气压降低时 气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘， 利 用压强降低，液体沸点也降低的原理实现真空冷冻及真空干燥。 具体应用： 1. 黑色金属的真空熔炼 ， 脱气 、 浇铸和热处理 ； 2. 真空热轧、真空表面渗铬； 3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装； 7. 高速空气动力学实验中的低压风洞。
压力（托） 大气分子密度（个/厘米3） 压力（托）
大气分子密Байду номын сангаас（个/厘 米3）
760 240 100 10
1 1×10-1 1×10-2 1×10-3 1×10-4 1×10-5 1×10-6
2.5×1019 9.7×1018 3.3×10 18 3.3×1017 3.3×10 16 3.3×1015 3.3×10 14 3.3×1013 3.3×10 12 3.3×1011 3.3×1010
1×10-7 1×10-8 1.8×10-8 1×10-9 1×10-10 1×10-11 1×10-12 1×10-12 1×10-14 1×10-15 1×10-16
3.3×10 9 3.3×108 3.3×10 8 3.3×107 3.3×10 6 3.3×105 3.3×10 4 3.3×103 3.3×102 3.3×101 3.3×100
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 。
常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系
大气压力 （托）
平均自由路程 [厘米]
大气压力 （托）
平均自由路程 [厘米]
760
6.5×10-8
1×10-5
5×10 2
10
5×10 –4
1×10-8
5×105
1
5×10-3
1×10-11
5×108
1×10-3
5×100
1×10-16
5×1013
常温下低压空间中大气的分子密度
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
6. 真空工程材料 6.1 材料的真空性能 6.2 真空系统对材料的要求 6.3 常见的真空材料
1. 真空的含义及表征
1.1 大气与真空 （1）大气的性质
看不到、摸不着，无色，无味 每一升大气大约有1克多重 大气不但有一定的重量，而且它又是由各种不同气体组成的
（2）大气的压力
由分子这种热运动所引起的气体分子之间、气体分子与地球表 面及地球表面上任何物体之间的频繁碰撞的结果——产生大气 压力
真空技术的发展史 真空技术的基本知识 金属真空蒸馏 有色合金中间产品的真空蒸馏分离 矿石及半成品的真空蒸馏 金属化合物的真空还原 高熔点金属的真空精炼 粉末材料的真空制备 金属表面处理 真空技术在冶金中的其他应用
真空冶金的应 用，是建立在真空 技术的进步和广泛使 用的基础上的。
第一章 真空技术的基本知识
高真空 1.33×10-1~1.33×10-5（Pa）
分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁, 气体分子密度小。 利用气体分子密度小，任何物质与残余气体分子的化学作用微弱 特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产 。
3.2 真空计
3.3 全压力测量
3.4 分压力测量
3.5 真空计校准
4. 真空系统
4.1 什么是真空系统 4.2 真空系统的典型形式 4.3 真空阀门 4.4 捕集器 4.5 真空系统设计
第一章 真空技术的基本知识
5. 真空系统漏气和检漏 5.1 概述（基本概念） 5.2 检漏方法 5.3 检漏仪器 5.4 检漏方法的选择
自然真空 人为真空
1.2 真空度的表征及单位
真空度（degree of vacuum） ： 表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值
来表示。
根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表示，而以 压力表示真空度与此并不矛盾
在一般真空系统中，通常以各向同性的中性气体的压 力这一流体静力学的物理量表示真空度，因此，真空度 的测量仅仅归结于压力的测量（注意测量条件）。 （有限容器、静止、稳态及各向同性单一的中性气氛）