真空技术基础PPT课件
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真空技术之真空的基本特点.ppt
分子或原子团）；
②气态粒子通过基本上无碰撞的直线 运动方式传输到基片；
③粒子沉积在基片表面上并凝聚成薄 膜。
2019年8月18
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32
影响真空镀膜质量和厚度的因素很多，主 要有真空度、蒸发源的形状、基片的位置、蒸 发源的温度等。固体物质在常温和常压下，蒸 发量极低。真空度越高，蒸发源材料的分子越 易于离开材料表面向四周散射。真空室内的分 子越少，蒸发分子与气体分子碰撞的概率就越 小，从而能无阻挡地直线达到基片的表面。
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（3）真空镀膜
一些光学零件的光学表面需要用物理方 法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光 线经过该表面的反射光特性或透射光持性发 生变化，许多机械加工所采用的刀具表面也 需要沉积一层致密的、结合牢固的超硬镀层 而使其得以硬化，延长其使用寿命，改善被 加工部件的精度和光洁度。
滑与冷却的作用。
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18
当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过 进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管 相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。 当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体 的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压 强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵 外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中 抽出。
真空镀膜按其方式不同可分为真空 蒸发镀膜、真空溅射镀膜和现代发展起 来的离子镀膜。这里只介绍真空蒸发镀 膜技术。
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众所都知，任何物质总在不断地发生着固、
真空技术之真空的基本特点.ppt
2019-8-18
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目前，作为物理镀膜方法的真空镀 膜，尤其是纳米级超薄膜制作技术，己 广泛地应用在电真空、无线电、光学、 原子能、空间技术等领域及我们的生活 中。
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真空镀膜实质上是在高真空状态下 利用物理方法在镀件的表面镀上一层薄 膜的技术，它是一种物理现象。
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旋片式机械泵通常由 转子、定子、旋片等结 构构成。偏心转子置于 定子的圆柱形空腔内切 位置上，空腔上连接进 气管和出气阀门。转子 中镶有两块旋片，旋片 间用弹簧连接，使旋片 紧压在定子空腔的内壁 上。转子的转动是由马 达带动的，定子置于油 箱中，油起到密切、润
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②电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生 电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范围 为0.133~1.33×10-6Pa。实验表明，在压强P≤10-1Pa时， 有下列关系成立
I+/Ie=K P 其中Ie为栅极电流，P为气体压强，I+为灯丝发 出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子 而被板极收集形成的离子电流。K为比例常数。可见， Ie不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就可以 指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa以上 时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成规管损 坏。
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常 用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾 建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。 国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我 国采用SI规定。
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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
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
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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。
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。
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
《真空基础知识》课件
力下的真空状态 ，通常在100Pa至1000Pa之间。
高真空
超高真空
超高真空是指在极低压力下的真空状 态，通常在10^-6Pa至10^-9Pa之间 。
高真空是指在较高压力下的真空状态 ，通常在10^-3Pa至10^-5Pa之间。
02
真空的物理性质
真空中的气体分子分布
真空环境
在真空环境中，气体分子数极低，物质处于高度纯净状态， 有利于科学研究和技术应用。
真空的度量单位
帕斯卡（Pa）
帕斯卡是国际单位制中压力的单位，也是真空度的一种度量单位。
托（Torr）
托是国际单位制中压力的单位，常用于表示真空度。
毫米汞柱（mmHg）
毫米汞柱是常用的真空度单位，常用于表示低压力下的真空度。
中需要使用高真空或超高真空环境。
02
在物理实验中，高真空可以消除空气阻力对实 验的影响，例如在研究自由落体运动、弹性碰
撞等实验中需要使用高真空。
04
在材料科学中，高真空可以用于材料制备、表面处 理等，例如在薄膜制备、晶体生长等领域中需要使
用高真空或超高真空环境。
真空在工业生产中的应用
真空在工业生产中的应用也非常 广泛，例如在机械制造、航空航 天、电子制造等领域中需要使用 真空技术。
机械真空泵
利用机械运动将气体吸入并排出，以达到抽气 的目的。
扩散泵
通过加热使气体分子热运动加速，从而实现气 体扩散。
溅射泵
利用高能粒子将气体分子打散，使气体分子从 表面逸出。
真空的测量 技术
皮拉尼真空计
利用电阻丝加热后冷却的原理，测量 真空度。
冷阴极电离真空计
利用不同气体在加热状态下热导率不 同的原理，测量真空度。
高真空
超高真空
超高真空是指在极低压力下的真空状 态，通常在10^-6Pa至10^-9Pa之间 。
高真空是指在较高压力下的真空状态 ，通常在10^-3Pa至10^-5Pa之间。
02
真空的物理性质
真空中的气体分子分布
真空环境
在真空环境中，气体分子数极低，物质处于高度纯净状态， 有利于科学研究和技术应用。
真空的度量单位
帕斯卡（Pa）
帕斯卡是国际单位制中压力的单位，也是真空度的一种度量单位。
托（Torr）
托是国际单位制中压力的单位，常用于表示真空度。
毫米汞柱（mmHg）
毫米汞柱是常用的真空度单位，常用于表示低压力下的真空度。
中需要使用高真空或超高真空环境。
02
在物理实验中，高真空可以消除空气阻力对实 验的影响，例如在研究自由落体运动、弹性碰
撞等实验中需要使用高真空。
04
在材料科学中，高真空可以用于材料制备、表面处 理等，例如在薄膜制备、晶体生长等领域中需要使
用高真空或超高真空环境。
真空在工业生产中的应用
真空在工业生产中的应用也非常 广泛，例如在机械制造、航空航 天、电子制造等领域中需要使用 真空技术。
机械真空泵
利用机械运动将气体吸入并排出，以达到抽气 的目的。
扩散泵
通过加热使气体分子热运动加速，从而实现气 体扩散。
溅射泵
利用高能粒子将气体分子打散，使气体分子从 表面逸出。
真空的测量 技术
皮拉尼真空计
利用电阻丝加热后冷却的原理，测量 真空度。
冷阴极电离真空计
利用不同气体在加热状态下热导率不 同的原理，测量真空度。
真空技术基础及其应用现状演示幻灯片
马德堡半球实验
4
2020/4/13
早期真空相关发现和发明：
阴极射线（Goldstein，1876年）
碳丝灯泡（T.A.Edison，1879年）
X射线（W.Rontgen,1895年）
真空二极管（A.Fleming，1902年）
真空三极管（L.Forest，1907年）
充气日光灯（ngmuir，1915年）
（1）灵敏度与气体种类有关 （2）压强高于10-1Pa时，灯丝易于烧毁。
22
2020/4/13
4、真空控制系统
控制真空系统中机组的启 停，大门的开、闭，真空 系统真空度、温度的监测 系统，称为真空控制系统， 该系统包括控制操作界面、 显示界面等。
23
2020/4/13
5、真空检漏技术
一个理想的真空容器，当达到真空状态后，与对其工作 的真空泵隔离，该容器内的真空度不应改变。而一个真 正容器内，则压强会上升，这是由于容器壁表面出气、 渗透和漏气等因素构成的。
测量所得的离子流。
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2020/4/13
各种真空计适用压力范围
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2020/4/13
几种常用真空计简介
电容薄膜真空计 原理：压强改变时薄膜发生形变，它和感知电极间
的距离改变，从而其间的电容量改变，用电学的方 法测出电容量，便可通过校准确定气体压强。 量程：其量程有四个数量级，105Pa~10Pa、 104Pa~1Pa、103Pa~10-1Pa、102Pa~10-2Pa 特点：量程宽(1×105Pa~1×10-2Pa)，精度高，稳定性 好，测量结果与气体 种类无关 ，特别是可以测量蒸 汽和腐蚀性气体的压力
真空技术基础及其应用现状
刘甲朋
1