真空技术基础一
2020/7/10
一、Definition、Phenomena、 Characteristics and Applications 一般含义上真空通常指一个特定的空间区 域，在此空间范围内，气压低于一个大气 压。 自然条件下真空环境很普遍，但高度真空 环境很少，如外层空间环境。 人工真空的例子很多，如Torricellian Vacuum。
室温的是蒸汽，低于室温的是气体。
2020/7/10
Pressure、Mass and Mass Density of IG
Pressure:
P
1 3
n
m0
v
2 s
1 3
v
2 s
[
P
a
]
P nkT
k 1.38 1023 J / K
vs : root mean square speed
2020/7/10
2020/7/10
二、Theoretical Tools for Vacuum Analysis
1、 Basic Properties of Ideal Gas A. 分子看作无内部结构的质点；
B. 分子间除散射外无相互作用；
温度不太低，压强不太大时，实际气 体均可以看作IG处理；
真空中的气体借用IG模型非常适合；
2020/7/10
2、Some Hypotheses and Results of IG
基本假设： A. 任何气体均由大量微小的质点构成，单一气体中这
些质点完全相同，叫做气体分子； B. 分子永不停息的作无规则热运动。分子除自身相互
碰撞外，也与容器壁碰撞； C. 分子的数量非常大，气体宏观性质是大量分子微观
多种气体分子间碰撞总次数：
n
Z n Z i j i j
电子在电场中与气体分子的碰撞次数：
Ze
4
n
2
2e U
me
2020/7/10
Cosine Distribution Theorem:
余弦定理是气体分子与固体表面相互作用的重要定理。 其规律反映出气体分子与固体表面的碰撞不是瞬时完成 的。气体分子需要先停留在固体表面，然后经过一定时 间的能量、动量交换才脱离表面飞出的。
性质的统计平均值，可以通过统计物理办法计算得 到。
2020/7/10
Avog数 ； 标准状态下，1mol任何气体分子的NA＝6.02×1023。
State Equation of IG
P1V1 P2V 2
T1
T2
2020/7/10
2020/7/10
Results of Molecular collision：
真空技术中，经常要关心的问题除了真空环境的气压外 ，气体分子间的、气体分子与容器壁、衬底材料等的碰 撞状况也是要考虑的重要方面。尤其是在薄膜材料的制 备中，这个问题更加突出。不同的碰撞状况将导致薄膜 材料的结构、形貌、电学、光学等特性发生显著的变化 。
最可几速度： vm
2kT 4.08
m0
T M
平均速度：
v1
vdN
N0
8 R M T4.60
T M
均方根速度： vs
3kT 4.99 m0
T M
2020/7/10
Some Simple Results of Characteristic Velocity:
1、在给定的温度下，均方根速度最大，平均速度次之， 最可几速度最小； 2、在确定时刻，具有最可几速度的分子数目最多，具有 均方根速度的分子数目最少； 3、特征速度均与热力学温度的平方根成正比，与气体分 子质量的平方根成反比；
Mass:
m PV M 1.203 101 PV M
RT
T
m 200 C (1P a m 3 ) 4.1 10 4 M [ K g ]
m0
M NA
1.66 1024 M
M : Mass of 1mol Gas
2020/7/10
Mass Density:
m0n
MP RT
1.2 10 1
2020/7/10
相同分子间的碰撞次数：
Z A A2n 22 v 1 0 .2 2 n 22TM [1 /secm 3]
不同气体分子碰撞次数：
ZAB
nAnB 2
(A
B
)2
2kT( 1 1 )
m0A m0B
14.46nAnBAB
T( 1 1 )[1/secm3] MA MB
2020/7/10
(k1T12m0v2)
2
2kT
其中f（v）就是速度分布函数
2020/7/10
2020/7/10
Maxwell 速度分布率是关于气体分子运动的一个 重要规律，从图中至少可以看出:相同的气体， 温度越高，具有较高速度的分子数目越多，分布 函数形状平坦；同时可以理解，对于同温度下不 同的气体，分子质量越大的其速度大的分子数目 越少。除此之外，还有一系列的特征速度：
2020/7/10
微观层面看，真空最为显著的特点是气体 分子数密度小。由此可以引申出一系列的 力学、热学、电学、光学和化学特性。这 是真空技术的依据。 真空的特点也反映出对真空现象认识的理 论工具首先是气体分子运动论。
2020/7/10
真空与真空技术有着广泛的用途，在很多 生产、科研领域，如冶金、电子、制药、 军事、航天和分析等，有着重要的用途， 其相关的知识已经发展为一门独立的学科 。 真空技术是薄膜材料科学的重要技术基础 ，可以说没有真空技术就没有当前蓬勃发 展的薄膜材料科学。
Other Forms：
PVR; PV=mRT
T
M
Dalton’s Law of Partial Pressure
n
PP1P2P3Pn Pi i1
2020/7/10
Difference between Gas and Vapor
气体和蒸汽是真空技术中常见概念，两者的区别不在于 微观结构，而在于其温度是否是临界温度以上。 气体的临界温度是指这样的温度，当气体高于临界温度 ，怎么压缩都不可能液化。 但通常我们以室温（15～25oC）为标准，临界温度高于
MP T
200 c 4.1 10 4 M P
200 cAir 1 .1 9 1 0 5 P
2020/7/10
Maxwell Velocity Distribution
在N个气体分子中，分子热运动速度介于v-v+dv的分子
数目满足：
dNv N f(v)dv
=4 N(
m0
) e v dv 3 2
一、Definition、Phenomena、 Characteristics and Applications 一般含义上真空通常指一个特定的空间区 域，在此空间范围内，气压低于一个大气 压。 自然条件下真空环境很普遍，但高度真空 环境很少，如外层空间环境。 人工真空的例子很多，如Torricellian Vacuum。
室温的是蒸汽，低于室温的是气体。
2020/7/10
Pressure、Mass and Mass Density of IG
Pressure:
P
1 3
n
m0
v
2 s
1 3
v
2 s
[
P
a
]
P nkT
k 1.38 1023 J / K
vs : root mean square speed
2020/7/10
2020/7/10
二、Theoretical Tools for Vacuum Analysis
1、 Basic Properties of Ideal Gas A. 分子看作无内部结构的质点；
B. 分子间除散射外无相互作用；
温度不太低，压强不太大时，实际气 体均可以看作IG处理；
真空中的气体借用IG模型非常适合；
2020/7/10
2、Some Hypotheses and Results of IG
基本假设： A. 任何气体均由大量微小的质点构成，单一气体中这
些质点完全相同，叫做气体分子； B. 分子永不停息的作无规则热运动。分子除自身相互
碰撞外，也与容器壁碰撞； C. 分子的数量非常大，气体宏观性质是大量分子微观
多种气体分子间碰撞总次数：
n
Z n Z i j i j
电子在电场中与气体分子的碰撞次数：
Ze
4
n
2
2e U
me
2020/7/10
Cosine Distribution Theorem:
余弦定理是气体分子与固体表面相互作用的重要定理。 其规律反映出气体分子与固体表面的碰撞不是瞬时完成 的。气体分子需要先停留在固体表面，然后经过一定时 间的能量、动量交换才脱离表面飞出的。
性质的统计平均值，可以通过统计物理办法计算得 到。
2020/7/10
Avog数 ； 标准状态下，1mol任何气体分子的NA＝6.02×1023。
State Equation of IG
P1V1 P2V 2
T1
T2
2020/7/10
2020/7/10
Results of Molecular collision：
真空技术中，经常要关心的问题除了真空环境的气压外 ，气体分子间的、气体分子与容器壁、衬底材料等的碰 撞状况也是要考虑的重要方面。尤其是在薄膜材料的制 备中，这个问题更加突出。不同的碰撞状况将导致薄膜 材料的结构、形貌、电学、光学等特性发生显著的变化 。
最可几速度： vm
2kT 4.08
m0
T M
平均速度：
v1
vdN
N0
8 R M T4.60
T M
均方根速度： vs
3kT 4.99 m0
T M
2020/7/10
Some Simple Results of Characteristic Velocity:
1、在给定的温度下，均方根速度最大，平均速度次之， 最可几速度最小； 2、在确定时刻，具有最可几速度的分子数目最多，具有 均方根速度的分子数目最少； 3、特征速度均与热力学温度的平方根成正比，与气体分 子质量的平方根成反比；
Mass:
m PV M 1.203 101 PV M
RT
T
m 200 C (1P a m 3 ) 4.1 10 4 M [ K g ]
m0
M NA
1.66 1024 M
M : Mass of 1mol Gas
2020/7/10
Mass Density:
m0n
MP RT
1.2 10 1
2020/7/10
相同分子间的碰撞次数：
Z A A2n 22 v 1 0 .2 2 n 22TM [1 /secm 3]
不同气体分子碰撞次数：
ZAB
nAnB 2
(A
B
)2
2kT( 1 1 )
m0A m0B
14.46nAnBAB
T( 1 1 )[1/secm3] MA MB
2020/7/10
(k1T12m0v2)
2
2kT
其中f（v）就是速度分布函数
2020/7/10
2020/7/10
Maxwell 速度分布率是关于气体分子运动的一个 重要规律，从图中至少可以看出:相同的气体， 温度越高，具有较高速度的分子数目越多，分布 函数形状平坦；同时可以理解，对于同温度下不 同的气体，分子质量越大的其速度大的分子数目 越少。除此之外，还有一系列的特征速度：
2020/7/10
微观层面看，真空最为显著的特点是气体 分子数密度小。由此可以引申出一系列的 力学、热学、电学、光学和化学特性。这 是真空技术的依据。 真空的特点也反映出对真空现象认识的理 论工具首先是气体分子运动论。
2020/7/10
真空与真空技术有着广泛的用途，在很多 生产、科研领域，如冶金、电子、制药、 军事、航天和分析等，有着重要的用途， 其相关的知识已经发展为一门独立的学科 。 真空技术是薄膜材料科学的重要技术基础 ，可以说没有真空技术就没有当前蓬勃发 展的薄膜材料科学。
Other Forms：
PVR; PV=mRT
T
M
Dalton’s Law of Partial Pressure
n
PP1P2P3Pn Pi i1
2020/7/10
Difference between Gas and Vapor
气体和蒸汽是真空技术中常见概念，两者的区别不在于 微观结构，而在于其温度是否是临界温度以上。 气体的临界温度是指这样的温度，当气体高于临界温度 ，怎么压缩都不可能液化。 但通常我们以室温（15～25oC）为标准，临界温度高于
MP T
200 c 4.1 10 4 M P
200 cAir 1 .1 9 1 0 5 P
2020/7/10
Maxwell Velocity Distribution
在N个气体分子中，分子热运动速度介于v-v+dv的分子
数目满足：
dNv N f(v)dv
=4 N(
m0
) e v dv 3 2
合集下载
1 第1章 真空技术基础
Thin Film Materials & Technologies
本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m，
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！
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”！
存在的真空 宇宙真空：宇宙空间内 因此，真空可分为 备获得的容器内真空 人为真空：利用真空设
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 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 2.7×1019 个/cm3) -4薄膜材料与技术
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 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
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
-2-
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
本课程讨论的对象：
什么是薄膜（Thin film）？
① 相对尺度：某一维尺寸 << 其余二维尺寸； ② 绝对尺度：在此维度上材料厚度 < 1~5 m，
厚度 > 5 m 的沉积层叫什么 ？
一般称为涂层 (Coatings)
本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜（thin solid films）！
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”！
存在的真空 宇宙真空：宇宙空间内 因此，真空可分为 备获得的容器内真空 人为真空：利用真空设
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 10-11 Pa 思考题：常温常压下，每cm3空间内有多少个气体分子？ 提示：可由Avogadro常数推算 (6.02×1023个/22.4×103cm3 2.7×1019 个/cm3) -4薄膜材料与技术
atm 1.316×10-3
(1/760)
PSI 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
9.869×10-6 9.869×10-1
(1/1.013×105)
制备技术 形成机制 主要研究：各种薄膜材料的 成分结构 特性性能
-2-
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
1 真空技术基础
真空与薄膜材料与技术有何关系？
真空技术基础(电阻规 电离规)
压强(帕) 10 4 10 3 10 2 1 0 1 01 0.1 0.01
5
接 阀门 机 械 泵
0
5
2 1 1 0 5 0 图3-3 抽气曲线
2 5
热 偶 规
时间(分)
图 3-4
定容法抽速测量装置
2. 定容法测量抽速实验 在真空系统中，对一定容积的被抽容器，随着气体逐渐被抽出，容器内压强包括抽气机进 口处的压强不断降低，因而每次抽出的气体在不断减少，抽速就不断变化。这样，抽气机 的抽速应是在某一瞬时压强下被抽气体体积对时间的导数。即：
7
根据(3-2)或(3-3)式，只要测出一系列压强、时 图 3-5 三级高真空油扩散泵 间值。可在半对数坐标纸上作出抽气曲线。求出抽 1. 进气口 6. 回油管 d ( gP) / dt 代入(3-3)式， 2. 冷凝阱 7. 扩散泵油 即可 气曲线某点的斜率 3. 冷却水套 8. 喷射喷口 求出该压强下的抽气速率。 4. 第一级喷口 9. 出气口 如只需粗略估计抽速，可求其平均抽速。 5. 第二级喷口
70
油蒸汽一起向下运动。油蒸汽被冷却水套冷却，结成油滴回到泵底循环使用，空气分子此 时向喷口下方集结。如此三级喷口逐级起作用，将进气口空气分子集结到出气口，再由机 械泵将积聚起来的气体抽走，可见扩散泵和机械泵必须串接使用才形成抽气过程获得高真 空。 一般三级油扩散泵的极限真空度为 10 帕。影响极限真空度的主要因素是油蒸汽压和 气体分子的反扩散。若加低温冷凝阱（放入干冰或液氮等），阻截油蒸汽分子进入系统， 或采用低蒸汽压扩散泵油，可使极限真空度提高 1-2 个数量级。 玻璃扩散泵的抽速一般为几十升/秒，金属扩散泵可达几百升/秒以上。 扩散泵使用注意事项： (1) 扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作前级泵，并使系统抽到 10 帕量级时才能 启动扩散泵； (2) 泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率; (3) 牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段时间后才能关闭。 4. 其它几种真空泵 (1) 分子泵 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子而获得高真空、超高真空的一种机械真空泵。 -8 工作压强范围为 1 ~ 10 帕。泵的转速为10000 转/分到 50000 转/分，这种泵的抽速范围很宽， 但不能直接对大气排气，需要配置前级泵。分子泵抽速与被抽气体的种类有关，如对氢的 抽速比对空气的抽速大 20% 。 分子泵适用于真空作业，如真空冶炼，半导体提纯，大型电子管排气、原子能工业、 空间模拟等。 (2) 吸附泵 许多化学性活泼的金属元素，如钛、钨、钼、锆、钡等都具有很强的吸气能力。其中 钛有强烈的吸气能力，在室温下性质稳定，易于加工，所以广泛用于真空技术，发展成为 一种超高真空泵¾¾钛泵。 钛泵的抽气机理是气体分子碰撞在新鲜的钛膜上，形成稳定的化合物，随后又被不断 蒸发而形成的新钛膜所复盖。新钛膜又继续吸附气体分子，如此形成稳定的抽气。钛泵对 被抽气体有明显的选择性，对活性气体抽速很大，对惰性气体抽速很小。因而往往需要扩 -6 -10 散泵等作为辅助泵。钛泵的极限真空度为 10 ~ 10 帕。 钛泵可应用于热核反应装置，加速器，空间模拟，半导体元件的镀膜技术和要求无油 污染的真空设备。 (3) 低温吸附泵 用低温介质将抽气面冷却到 20K 以下，抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度 高的气体，产生很大的抽气作用。这种用低温表面将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低 温泵，或称冷凝泵。
5
接 阀门 机 械 泵
0
5
2 1 1 0 5 0 图3-3 抽气曲线
2 5
热 偶 规
时间(分)
图 3-4
定容法抽速测量装置
2. 定容法测量抽速实验 在真空系统中，对一定容积的被抽容器，随着气体逐渐被抽出，容器内压强包括抽气机进 口处的压强不断降低，因而每次抽出的气体在不断减少，抽速就不断变化。这样，抽气机 的抽速应是在某一瞬时压强下被抽气体体积对时间的导数。即：
7
根据(3-2)或(3-3)式，只要测出一系列压强、时 图 3-5 三级高真空油扩散泵 间值。可在半对数坐标纸上作出抽气曲线。求出抽 1. 进气口 6. 回油管 d ( gP) / dt 代入(3-3)式， 2. 冷凝阱 7. 扩散泵油 即可 气曲线某点的斜率 3. 冷却水套 8. 喷射喷口 求出该压强下的抽气速率。 4. 第一级喷口 9. 出气口 如只需粗略估计抽速，可求其平均抽速。 5. 第二级喷口
70
油蒸汽一起向下运动。油蒸汽被冷却水套冷却，结成油滴回到泵底循环使用，空气分子此 时向喷口下方集结。如此三级喷口逐级起作用，将进气口空气分子集结到出气口，再由机 械泵将积聚起来的气体抽走，可见扩散泵和机械泵必须串接使用才形成抽气过程获得高真 空。 一般三级油扩散泵的极限真空度为 10 帕。影响极限真空度的主要因素是油蒸汽压和 气体分子的反扩散。若加低温冷凝阱（放入干冰或液氮等），阻截油蒸汽分子进入系统， 或采用低蒸汽压扩散泵油，可使极限真空度提高 1-2 个数量级。 玻璃扩散泵的抽速一般为几十升/秒，金属扩散泵可达几百升/秒以上。 扩散泵使用注意事项： (1) 扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作前级泵，并使系统抽到 10 帕量级时才能 启动扩散泵； (2) 泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率; (3) 牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段时间后才能关闭。 4. 其它几种真空泵 (1) 分子泵 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子而获得高真空、超高真空的一种机械真空泵。 -8 工作压强范围为 1 ~ 10 帕。泵的转速为10000 转/分到 50000 转/分，这种泵的抽速范围很宽， 但不能直接对大气排气，需要配置前级泵。分子泵抽速与被抽气体的种类有关，如对氢的 抽速比对空气的抽速大 20% 。 分子泵适用于真空作业，如真空冶炼，半导体提纯，大型电子管排气、原子能工业、 空间模拟等。 (2) 吸附泵 许多化学性活泼的金属元素，如钛、钨、钼、锆、钡等都具有很强的吸气能力。其中 钛有强烈的吸气能力，在室温下性质稳定，易于加工，所以广泛用于真空技术，发展成为 一种超高真空泵¾¾钛泵。 钛泵的抽气机理是气体分子碰撞在新鲜的钛膜上，形成稳定的化合物，随后又被不断 蒸发而形成的新钛膜所复盖。新钛膜又继续吸附气体分子，如此形成稳定的抽气。钛泵对 被抽气体有明显的选择性，对活性气体抽速很大，对惰性气体抽速很小。因而往往需要扩 -6 -10 散泵等作为辅助泵。钛泵的极限真空度为 10 ~ 10 帕。 钛泵可应用于热核反应装置，加速器，空间模拟，半导体元件的镀膜技术和要求无油 污染的真空设备。 (3) 低温吸附泵 用低温介质将抽气面冷却到 20K 以下，抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度 高的气体，产生很大的抽气作用。这种用低温表面将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低 温泵，或称冷凝泵。
真空技术的基本知识
某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是 “L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30， 70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。 真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。
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
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
碰撞分子百分数：
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
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
（整理）真空技术基础知识
（整理）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。
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
真空机械设计手册
真空机械设计手册真空技术是一种重要的工程技术，在各个领域都有着广泛的应用。
真空机械设计手册作为工程技术人员的必备参考资料，对于真空技术的学习和应用具有重要意义。
本手册旨在系统地介绍真空技术的基本原理、真空系统的设计与构建、真空泵的选型和应用等内容，旨在为工程技术人员提供一份全面而实用的参考资料。
第一部分：真空技术基础1.1 真空的基本概念1.2 真空度的计量1.3 真空技术的应用领域1.4 真空技术的发展历史第二部分：真空系统设计与构建2.1 真空系统的组成和结构2.2 真空管道与密封2.3 真空室的设计和制造2.4 真空阀门与控制系统第三部分：真空泵的选型与应用3.1 真空泵的工作原理3.2 真空泵的分类与特点3.3 真空泵的选型原则3.4 真空泵在真空系统中的应用第四部分：常见真空设备的设计与应用4.1 真空冷凝器的设计与应用4.2 真空干燥器的设计与应用4.3 真空蒸馏设备的设计与应用4.4 真空测量仪器的选用与校准第五部分：真空系统的安全与维护5.1 真空系统的安全操作规程5.2 真空设备的常见故障与排除5.3 真空系统的日常维护与保养5.4 真空系统的紧急故障处理与应急措施第六部分：真空技术应用案例6.1 真空技术在航空航天领域的应用6.2 真空技术在光电子器件制造中的应用6.3 真空技术在新能源开发中的应用6.4 真空技术在生物医药领域的应用通过以上内容的系统讲解，本手册旨在为读者提供一份全面而实用的真空技术参考资料，帮助工程技术人员更好地掌握真空技术的基本原理、设计与应用。
结合实际应用案例，使读者能够更加深入地理解真空技术在不同领域的应用和发展趋势。
希望本手册能够成为广大工程技术人员在真空技术领域学习和工作中的得力助手。
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。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。