超高真空技术
物理实验技术中的超高真空环境的操作与维护指南
物理实验技术中的超高真空环境的操作与维护指南简介超高真空（Ultra-high vacuum，简称UHV）是物理实验中常用的一种环境，在这个环境下能够有效地消除气体分子、灰尘颗粒等对实验的干扰，因此在许多实验中都需要使用超高真空环境。
本文将介绍在物理实验中的超高真空环境的操作与维护指南，以帮助实验人员正确使用和维护超高真空设备。
一、超高真空的概念与特点超高真空是指气压低于10^-9帕的真空环境，这样的低压环境能够有效地去除大部分气体分子、灰尘颗粒等杂质，从而提供一个高纯度、无干扰的实验环境。
在超高真空环境下，气体分子的平均自由程很长，因此相互碰撞的几率极低，使得实验结果更加准确可靠。
二、超高真空环境的建立与维护要点1. 净化气源：在建立超高真空环境前，需对气源进行净化处理，包括过滤除尘、冷凝等步骤，以确保进入真空系统的气体纯净无杂质。
2. 泵系统选择：超高真空环境需要使用高效的真空泵系统，常见的有离心泵、分子泵等。
根据实验需求和实验设备的要求，选择适当的泵系统，并定期检查和维护泵系统的工作状态。
3. 气体排放控制：在实验过程中，会产生大量气体排放，需通过气体排放系统将其排至合适的位置，防止气体污染实验环境。
4. 清洁与维护：超高真空设备要保持干净整洁，避免灰尘、油污等杂质的进入。
定期清洗设备表面，并确保材料的良好密封，以保持超高真空环境的稳定。
三、超高真空设备的操作技巧1. 确保气密性：超高真空设备的密封性非常重要，因此在操作过程中要注意确保所有连接部分的严密性，避免气体泄漏。
2. 预热设备：在使用前，需对设备进行预热处理，以去除残留的气体和水分，防止对实验结果的干扰。
3. 操作稳定性：在超高真空环境下，操作需尽量保持稳定，并避免过快或过慢的操作，以免引起设备损坏或实验结果的不准确。
4. 压力监控：定期监测超高真空系统的压力，根据实验要求调整和维持恰当的压力范围，以确保实验的顺利进行。
四、常见问题与解决方法1. 气体泄漏：当发现超高真空系统的泄漏，首先需要使用泄漏检测仪器定位泄漏位置，然后采取适当补救措施，如更换密封件、修复漏点等。
超高真空技术在仪器设备中的应用
超高真空技术在仪器设备中的应用超高真空技术（Ultra-high Vacuum，简称UHV）是一种通过减少气体分子的数量来实现极低气体压力的技术。
它广泛应用于许多领域，特别是在仪器设备的制造和研发过程中。
本文将探讨超高真空技术在仪器设备中的应用，并介绍其对仪器的性能和可靠性的提高。
一、超高真空技术对仪器设备的应用1.1 电子显微镜电子显微镜是一种以电子束代替可见光进行成像的仪器。
在常压下，空气分子会与电子束发生碰撞，产生散射现象，导致分辨率下降。
而在超高真空环境下，空气分子被有效排除，电子束能够准确地扫描样品，从而提高了电子显微镜的分辨率和成像质量。
1.2 光谱仪器光谱仪器是一种利用光的特性进行物质分析和表征的仪器。
在常压下，气体分子会对光信号进行吸收和散射，干扰了谱线的测量。
而在超高真空条件下，气体的数量被大大减少，使得光信号的传播路径更为稳定和可控，提高了光谱仪器的精密度和灵敏度。
1.3 等离子体设备等离子体设备是一种通过产生离子化气体而形成等离子体状态的装置。
在常压下，气体分子较多，会对等离子体的稳定性和扩散性造成影响。
而在超高真空环境中，气体分子被有效去除，等离子体能够更好地维持和控制，提高了等离子体设备的效率和稳定性。
1.4 真空冷冻设备真空冷冻设备是一种利用真空环境下的低温特性来达到冷却效果的设备。
在常压下，空气的热传导和对流会限制冷却效果的提升。
而在超高真空状态下，气体分子的热传导和对流被削弱，真空冷冻设备可以更好地实现低温冷却，对于某些高精度的实验和实际应用非常重要。
二、超高真空技术对仪器性能的改善2.1 噪声和排放的减少在超高真空环境中，气体分子的减少使得仪器内部的噪声干扰降低，提高了信号的检测灵敏度。
同时，不再有气体分子的排放，避免了气体污染对仪器元件的腐蚀和损坏，延长了仪器的使用寿命。
2.2 提高材料的纯度和清洁度超高真空技术要求材料具有较高的纯度和低的揮发性，以避免材料释放出有害气体对仪器的影响。
物理实验技术中的超高真空环境的操作与维护指南的泄露问题与解决方法
物理实验技术中的超高真空环境的操作与维护指南的泄露问题与解决方法近年来，超高真空技术在物理实验中得到了广泛应用，为研究者提供了一个接近真空的环境来进行实验研究，尤其在材料科学、表面科学和纳米技术等领域中有着重要的应用。
然而，在超高真空环境的操作与维护中，泄露问题一直是一个困扰研究人员的难题。
泄露问题可能导致实验结果的不准确性甚至失效，因此，在超高真空实验中，保持良好的气密性非常重要。
下面，我将介绍一些超高真空环境中常见的泄露问题及其解决方法。
首先，超高真空环境中常见的泄露问题主要有两种类型：漏气泄露和吸气泄露。
漏气泄露是指真空系统中的气体通过封闭部分的缝隙或孔洞逸出，导致真空度下降。
常见的漏气泄露原因包括密封不严、连接装置损坏、管道老化、材料疲劳等。
解决漏气泄露问题的方法包括更换密封件、修复或更换连接装置、更换老化的管道和材料等。
此外，定期进行检测和维护也是预防漏气泄露问题的关键。
吸气泄露是指真空系统中的气体通过壁材、装置表面等逸出导致真空度下降。
常见的吸气泄露原因包括材料脱气、表面吸附、阀门或管路的开启等。
解决吸气泄露问题的方法包括选择低脱气材料、采用表面处理技术（如氧化、氮化等）、正确关闭阀门和管路等。
此外，定期清理和保养真空系统的内部设备也是保持超高真空度的关键。
除了漏气泄露和吸气泄露外，超高真空环境中还会遇到其他影响实验结果的问题，例如磁场泄露、辐射泄露等。
对于这些问题，合理设计真空系统的结构，选用合适的材料和设备，以及严格执行操作规程都是重要的解决方法。
在实验操作中，研究人员应注重以下几点以减少泄露问题的发生：首先，选择合适的封闭装置和材料。
封闭装置的密封性能和材料的气体扩散性对超高真空度至关重要。
因此，在使用超高真空系统前，必须对封闭装置进行严密性测试，并选择低脱气材料。
其次，正确操作真空系统。
操作人员应按照操作规程进行实验，严禁不当打开或关闭阀门，避免对真空系统产生负面影响。
此外，实验过程中要避免剧烈震动和强氧化性气体的使用，以免损坏真空系统。
超高真空工作原理
超高真空工作原理超高真空是指在约10^-6 Pa以下的极低气压下进行工作的一种状态。
在超高真空条件下，气体分子数非常稀少，气体压强几乎可以忽略不计，因此可以排除气体分子对实验、设备或工艺产生的影响，从而实现一些特殊的研究或应用。
超高真空工作原理主要包括两个方面的内容：真空的获得和维持、以及真空环境下的物理与化学性质。
一、真空的获得和维持在超高真空条件下，空气中的气压要远低于常压状态。
真空技术通常采用以下几种方式来实现超高真空获得和维持。
1. 抽气装置与泵浦技术真空系统中常使用抽气装置和泵浦技术来实现气体的抽除，从而降低气压。
常见的抽气装置包括机械泵、分子泵、离心泵等。
机械泵通过机械方式抽出大部分气体，分子泵则利用高速分子碰撞将气体分子抽出，离心泵则通过离心力将气体分子抽走。
这些泵浦技术的结合使用可以有效降低气压，实现真空。
2. 清洁和封闭系统超高真空要求系统的密封性非常好，以防止气体的泄漏。
因此，在真空系统设计和使用过程中，要注重材料的选择和处理，以及对系统的清洁和封闭工作的重视。
采用合适的材料可以防止气体穿透，并且经过良好的清洁和密封处理，可以减少气体泄露的可能性。
3. 辅助技术超高真空环境下，还需要一些辅助技术来维持真空的状态。
例如，加热技术可以通过加热材料驱除吸附在材料表面的气体分子；冷却技术可以将气体分子凝结或冷却到低温状态，进一步降低气压。
此外，还有灌注技术、气体慢泄技术等可以实现维持超高真空状态的辅助方法。
二、超高真空工况下物理与化学性质超高真空环境下，气体分子的数量非常稀少，因此气体分子间的相互作用相对较小，有许多特殊的物理和化学性质。
1. 到达平衡状态的时间延长在超高真空条件下，气体分子间的碰撞次数减少，相应的平衡状态的达到时间相对较长。
这使得部分实验需要更长的时间来进行，一些研究也因此变得更加复杂，需要更加耐心的探索和实验。
2. 电子运动的特殊性在超高真空环境下，电子受到气体分子的碰撞相对减少，其自由程增大，因此电子的运动更稳定、更顺畅。
使用物理实验技术进行超高真空测量的方法与技巧
使用物理实验技术进行超高真空测量的方法与技巧引言：在科学研究领域，超高真空是一个非常重要的条件，许多实验都需要在超高真空环境中进行，而超高真空测量关乎实验结果的准确性与可靠性。
本文将介绍使用物理实验技术进行超高真空测量的方法与技巧。
一、超高真空概述超高真空是指在大气压以下的压力范围内，维持一个极高的真空度。
超高真空技术在纳米科学、表面物理、材料科学等领域扮演着重要角色。
二、超高真空测量设备1. 压力测量设备超高真空环境下的压力测量需要采用高度敏感且具有大气压以下量程的设备。
常见的压力测量设备包括离子规、质谱仪和压力传感器等。
2. 物理参数测量设备超高真空下，温度、电流、电压等物理参数的测量需要特殊的设备。
其中，温度测量可以使用电阻温度计、热电偶等；电流和电压的测量可以使用电流计和电压计等。
3. 成分分析设备对超高真空环境中的气体成分进行分析，常用的设备有质谱仪、气相色谱仪等，这些设备可以帮助我们了解超高真空环境中的气体成分及其浓度。
三、超高真空测量方法1. 压力测量方法离子规常用于超高真空压力测量，其工作原理是利用气压对于电子电离的影响来测量真空度。
质谱仪也可以用于测量超高真空中的气体成分和压力。
2. 温度测量方法在超高真空环境下，温度的测量需要考虑热电偶引线的绝缘以避免电流泄漏。
采用电阻温度计可以减少这方面的干扰，同时还可以在超高真空条件下进行快速的温度变化监测。
3. 电流和电压测量方法用于超高真空环境的电流计和电压计需要具备较高的精度和灵敏度。
常见的电流计有霍尔效应电流计和热电阻电流计等；电压计则可以使用电子电压计和差分电压计等。
需要注意的是，在超高真空环境下，由于电流和电压的泄漏问题，选择合适的测量方法和设备非常重要。
四、超高真空测量技巧1. 减少污染超高真空条件下，即使微小的杂质也可能对实验结果产生影响。
因此，在操作过程中要注意减少污染源的产生，保持实验装置的洁净。
选择适当的材料和密封方式也可以减少气体泄漏和杂质的产生。
超高真空技术-气体捕集泵
四、影响钛升华泵抽速的因素
主要由升华速率决定。若吸气面足够大，在 一定压强范围内，升华速率高，则泵的抽速 大。当然膜沉积速率与排气量要相称，否则 第一层钛膜吸气尚未饱和，第二层又覆盖上 去，即使升华率高，抽速也增大不了多少。 为了维持恒定的抽速，减少钛的消耗，需要 对升华速率进行调节。当真空度高时要把升 华速率降低。吸气面也是决定泵性能的重要 因素之一。吸气面越大，泵的抽速越大。但 泵口流导限制了泵的抽速。对室温下空气， 泵口最大流导是11.7L／cm2·s。
分子筛用量(g)；当 n>17 时，用(1)式计算抽速S，当
n<17 用(2)式计算S，系数K按表1选取。
n 2 4 6 8 10 14 17 K 1.75 2.85 3.35 3.65 3.75 3.99 4.0
四、分子筛吸附泵 在系统中的位置和作用
1）做主泵
2）做中介泵：吸附阱
真 空 室
主 泵
分 子 筛
机械泵
作用：防止油蒸汽进入真空室
3）做预抽泵：
把某一容器从大气压抽到一定真空度
概述：
钛升华泵
过渡族金属和难熔金属：钛（Ti）、锆 （Zr）、钽（Ta）、铌（Nb）、钼 （Mo）、钨（W）、钍（Th）、钙 （Ca）、钡（Ba）等在一定的温度范围
内对活性气体有很好的吸附和吸收功能
Ti： 化学性质稳定，不易燃烧爆炸、 易于加工、蒸发、价格便宜
超高真空技术
合肥工业大学 机械与汽车工程学院真空教研室
干蜀毅
气体捕集式真空泵
气体捕集式真空泵是一种 使气体分子被吸附或凝结 在泵内表面上的真空泵
气体传输泵：有来有去 气体捕集泵：有来无去
气体捕集泵种类
1.吸附泵，它是依靠具有大表面积的吸附剂(如多孔物质)的 物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。例如分子筛吸附 泵。
超高真空技术在表面物理学中的应用
超高真空技术在表面物理学中的应用超高真空技术是一项关键的工程技术，它在各个领域具有广泛的应用。
在表面物理学领域，超高真空技术的应用同样非常重要。
本文将探讨超高真空技术在表面物理学中的应用，并阐述其在研究和应用方面的贡献。
一、X射线光电子能谱（XPS）超高真空环境下的X射线光电子能谱（XPS）是一种常用的表面分析方法。
该技术通过照射样品表面，利用光电效应测量样品上的元素组成和化学状态。
超高真空环境下，可以避免氧、水和其他气体对样品表面的污染，保证测量结果的准确性。
XPS技术的应用非常广泛。
例如，在材料研究中，可以通过XPS技术研究材料的表面成分和结构，了解材料的表面性质及其与环境的相互作用。
此外，XPS还可以用于催化剂研究、薄膜制备和电子器件等领域，为相关研究和应用提供关键信息。
二、扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应的表面分析和成像技术。
在超高真空环境下，STM可以实现对纳米尺度下表面的高分辨率成像。
通过在样品表面扫描探针，可以得到样品表面的原子级分辨图像。
STM技术的应用非常丰富。
在表面物理学研究中，STM可以研究表面形貌、晶体缺陷、原子结构和表面反应等。
同时，STM还可以用于材料制备和纳米器件研究，例如石墨烯的制备和纳米器件的构建。
三、低能电子衍射（LEED）低能电子衍射（LEED）是一种经典的表面结构研究方法。
在超高真空环境下，通过将电子束与样品表面相互作用，观察电子的散射模式，可以确定样品表面的晶格结构。
LEED技术的应用广泛存在于材料科学和表面物理学领域。
例如，通过LEED技术可以研究材料的晶格结构、表面平整度和晶体生长等问题，为材料设计和制备提供重要的参考。
四、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜（AFM）是一种利用力的测量来获取样品表面形貌的技术。
在超高真空环境下，AFM可以实现对样品表面的原子级成像和力学性质的测量。
AFM技术在表面物理学中具有广泛的应用。
常见的几种超高真空密封技术
常见的几种超高真空密封技术真空应用，真空系统解决方案一、真空橡胶密封19世纪中期，出现了第一个O形圈。
到今天，仅仅过了一百多年的时间，但是，O形圈结构简单、装卸方便、密封可靠、动摩擦阻力小、无需周期调整，所以得到了全面发展，广泛应用于各种真空系统的密封上。
应用于真空系统比较多的有两类橡胶：由天然乳胶制成的硫化橡胶、合成橡胶（包括丁基、氯基、丁晴橡胶），以及硅酮橡胶、氟橡胶等。
解决真空橡胶密封，除了要有正确的密封结构设计之外，合理选择密封材料也是关键。
影响真空密封的几个主要因素有：橡胶的耐热性、耐压缩变形性、漏气率、气透性、出气率，以及升华（失重）等。
•耐热性。
在真空系统中，常常要对系统或元件进行去气，一般通过烘烤来完成，这样对橡胶密封件要求有一定的耐热性，以保证烘烤去气的顺利进行。
一般烘烤温度在120℃以下和10-5Pa的真空度下，可以采用丁基或丁晴橡胶；如果要求更高的烘烤温度，并且在超高真空环境中工作，则需采用氟橡胶。
•耐压缩变形性。
在真空系统中，大量的真空密封件，都处于压缩状态下工作。
为了使密封件具备密封的可靠性，同时保持一定的密封寿命，真空密封橡胶应具有较小的压缩变形值（最好小于35%），同时要求具有比较缓慢的压缩应力松弛程度（即压缩应力松弛系数较大），这样才能保证真空密封件具有较高的工作寿命。
•漏气率。
根据经验和计算，在真空系统中，当真空泵的抽气速率为8000L/s时，要维持5×10-7Pa的真空度，橡胶的漏气率不得大于5.25×10-3Pa·cm3/s。
下表1是各种橡胶的漏气率。
表1 各种橡胶的漏气率•气透性。
不同橡胶在不同温度下，对空气的气透性不同，这是由它们的内部结构决定的。
丁晴橡胶由于有甲基基团，所以气透性低；又由于丁晴橡胶有晴基的极性基团，所以它对非极性气体渗透性低。
因此，丁晴橡胶的丙烯晴含量越高，其气透性越低。
值得一提的是，温度对橡胶的气透性影响很大，温度越高，气透性越大。
超高真空条件下的物理实验技术使用指南
超高真空条件下的物理实验技术使用指南导语：超高真空条件下的物理实验是一项重要而复杂的技术，其影响着物理学、材料科学和纳米技术等领域的发展。
为了帮助实验人员更好地掌握这一技术，本文将以指南的形式详细介绍超高真空条件下的物理实验技术的使用方法和注意事项。
一、超高真空的概念超高真空是指在10^-9毫巴以下的极低气压环境中进行实验。
在这种条件下，气体分子的数量相对较少，避免了气体分子和实验样品之间的相互作用，为各种实验提供了稳定的环境。
1.真空系统的构成超高真空系统主要由抽气系统、封闭系统、真空度检测系统和实验样品系统组成。
抽气系统通过机械泵、分子泵等将气体排出系统，保证系统的低气压环境。
封闭系统则通过气阀等装置，控制系统与外界的气体交换。
真空度检测系统则可实时监测系统内的气体压力。
实验样品系统则是进行实验的关键部分。
2.真空度的控制与维持为了保证超高真空条件下的实验，必须对真空度进行控制与维持。
首先，抽气系统的选择和操作要合理，可以根据实验需求选择合适的泵，并合理操作，避免泵腔被大量气体污染。
其次，封闭系统的操作也至关重要，需要经常检查气阀和密封装置的状态，并保持严密封闭，避免气体泄漏。
最后，定期检查真空度检测系统的准确性，及时校准。
二、超高真空下的实验样品处理在超高真空条件下，实验样品的处理是决定实验成功的重要因素。
1.实验样品的准备首先，实验样品需要充分清洗，确保表面干净无污染物。
其次，样品的尺寸和形状需满足实验要求，例如需要进行局部加热实验时，可选择薄膜或纳米材料。
2.样品的放置与加热在放置实验样品时，要注意避免与容器壁、夹持装置等接触，以免产生不必要的对流。
同时，合理的加热装置的选择和放置也是超高真空实验的关键。
绝热固定装置等可以用来实现样品的局部或全局加热。
三、超高真空下的实验技术1.表面吸附及脱附超高真空条件下的表面吸附现象对实验的影响巨大。
因此，衡量和控制表面吸附是超高真空实验的一个重要技术。
超高真空技术工作原理
超高真空技术工作原理超高真空技术是一种在极低压力环境下实现材料表面、气体或液体中的无空气存在的技术。
它在许多领域中得到广泛应用，包括微电子、光电子、材料科学、空间技术等。
本文将详细介绍超高真空技术的工作原理。
一、超高真空技术概述超高真空技术是通过减少气体分子数密度来实现真空状态。
在超高真空环境中，气体分子的平均自由程远大于真空室尺寸，从而减少气体分子与物体表面的碰撞和吸附过程，达到减少杂质、提高纯度、防止氧化和腐蚀等目的。
二、超高真空技术的基本原理1. 抽气系统超高真空技术的关键在于有效地抽取气体分子。
这通常通过真空泵和各种辅助设备实现。
真空泵常用的有机械泵、扩散泵、离子泵和吸附泵等。
这些泵可以协同工作，形成一种有效的抽气系统，将气体从真空室中抽出。
2. 杂质处理除了通过抽气系统将气体抽出外，还需要对积附在表面的气体和气体分子进行清除，以达到更高的真空度。
这可以通过加热、电弧灼烧、电子轰击、化学反应和物理吸附等方式实现。
杂质处理的方法选择取决于所需的真空度和材料的特性。
3. 密封系统超高真空技术中的密封系统对于有效保持真空度至关重要。
它通常由法兰、密封垫和紧固件组成。
在超高真空环境中，密封系统必须耐受气压力差和温度变化，以保证系统的稳定性和安全性。
三、超高真空技术的应用领域1. 微电子领域超高真空技术在微电子领域扮演着重要角色。
在半导体器件的制造过程中，超高真空能够提供一个无尘、无气的环境，有效降低杂质的含量，提高器件的性能和可靠性。
2. 光电子领域光电子领域需要高纯度的材料和干净的表面。
超高真空技术可以用于薄膜沉积、材料表面处理和光学元件制造等方面，确保材料的高纯度和光学性能。
3. 材料科学领域超高真空技术在材料科学研究中起着重要作用。
通过控制真空状态下材料表面的物理和化学特性，研究人员可以对材料进行改性、表面处理和纳米尺度的制备和研究。
4. 空间技术领域在航天器的设计和制造过程中，超高真空技术可以有效地降低材料的重量、阻尼热扩散、减少腐蚀和气体释放等问题，提高航天器的性能和可靠性。
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1 Torr = 1.33 mbar = 133 Pa
真空划分
➢ 粗真空：atm to 10-1 Pa
• 气体主要来自真空室空间 • 气体运动以粘滞流为主 • 气体成份 ： 80% N2 and 20% O2 • 真空室容积和泵的抽速决定抽气时间
➢ 高真空： 10-1 to 10-5 Pa
• 气体主要来自真空室壁表面 • 气体处于分子流状态 • 气体成份： 80%: H2O and 20%: N2, CO, H2, CO2 • 表面积、材料及泵抽速决定极限真空度和抽气时间
2x10-8 4x10-9
2x10-7 3x108
5x10-7 1x10-8
not available 5x10-9
5x10 not available
-10
1x10-8 1x10-10
untreated degreased
3x10-5 3x10-5 8x10-7 1x10-8 1x10-6 1x10-6 1x10-6 5x10-7 1x10-7 1x10-8 8x10-9 8x10-9 6x10-6 not available 1x10-8 5x10-8 2x10-6 5x10-7
2.49 x 1019 3.25 x 1016 3.25 x 1013 3.25 x 1010 3.25 x 107 3.25 x 104
Molecular Incidence (molecules/cm2/sec.)
2.87 x 1023 3.78 x 1020 3.78 x 1017 3.78 x 1014 3.78 x 1011 3.78 x 108
Pressure (Pa) 10-1 10-4 10-7
Molecules on Surface Molecules on Volume 0.5 500 500,000
Pressure (Pa)
atm
133 1.33×10-1 1.33×10-4 1.33×10-7 1.33×10-10
Molecular Density (molecules/cm3 )
➢ 超高真空： 10-5 to 10-10 Pa
• 气体来自真空室壁表面、体内及泵释放 • 气体处于分子流状态
• 基本成份： H2 and CO @ 10-8Pa; H2 @ 10-9Pa
• 表面积、材料、泵抽速及温度决定极限真空度和抽气时间
一些数字概念
1 标准大气压（atm）≈ 1 kgf/cm2
真空测量
➢ 全压强
➢ 冷阴极真空计 ➢ 热阴极真空计 ➢ 电阻真空计
Cathode -2kV
Anode to ground
Magnet
真空测量
➢ 分压强
➢ 四极质谱计
➢ 基本概念
➢ 气源
➢ 空间 ➢ 表面 ➢ 材料 ➢ 泄漏
➢ 措施
➢ 材料选择 ➢ 结构设计 ➢ 加工 ➢ 表面处理 ➢ 检漏
关于 Q
粒子加速器 超高真空技术
PQ S
殷立新 上海应用物理研究所
加速器中粒子运行的基本环境
• 电场----加速 • 磁场----导向 • 真空----减小束流碰撞损失
目录
➢ 超高真空基本知识
• 压强 • 气载 • 抽速
➢ 加速器真空技术
• 同步辐射光源 • 其它类型加速器
➢ 总结
超高真空基本知识
关于 P
1 hour
Aluminum (anodized) 3x10-5
Aluminum
8x10-7
Brass
2x10-6
Beryllium
1x10-6
Copper
1x10-7
Copper (OFHC)
பைடு நூலகம்
8x10-9
Delrin
6x10-6
Lead
1x10-7
Mild Steel
2x10-6
1018 Steel (Ni plated) 2x10-6
过程 ➢ 扩散出气：材料体内溶解气体通过扩散过程从真空表面进入容器 ➢ 渗透出气：真空室外气体分子通过渗透过程穿过真空室壁进入容器 ➢ 表面出气率q：单位时间从真空表面单位面积产生的气体量，
Pa·L/s/cm2 ➢ 漏率：单位时间通过漏孔从真空室外进入系统容器内的气体量，
Pa·L/s
气源
➢ 空间 ➢ 表面 ➢ 材料 ➢ 泄漏
Mean Free Path (cm)
Monolayer Formation Time
(sec)
3.9 x 10-6 5.1 x 10-3
5.1 5.1 x 103 5.1 x 106 5.1 x 109
1.7 x 10-9 2.2 x 10-6 2.2 x 10-3
2.2 2.2 x103 (37 min) 2.2 x 106 (25.5 days)
Gold Sheet
8x10-8
Titanium
1x10-9
Stainless steel
5x10-8
10 hours >24 hrs
3x10-7 8x10-8
5x10-8 1x10-10
6x10-7 1x10-7
5x10-7 1x10-9
5x10-9 1x10-10
2x10-9 3x10-11
1x10-7 7x10-7
热解吸
➢ 物理吸附 E < 30 kJ/mol；化学吸附 E >100 kJ/mol ➢ 超高真空系统中H2O是主导系统真空度的主要成份 ➢ 150~300℃真空烘烤,降低H2O、CO、CO2出气率2-4量级 ➢ 高温真空烘烤400~500℃，促进碳氢化合物分解。 ➢ 对于烘烤后系统，热出气率为＝5×10-10Pa·L/s/cm2
➢ 真空基本概念
➢ 真空划分 ➢ 常用单位 ➢ 一些数字概念
➢ 真空测量
➢ 全压强 ➢ 分压强
基本概念
➢ 真空：低于大气压的稀簿气体状态
➢ 压强： 气体分子作用于容器壁的单位面积上的力
➢ 平均自由程：作无规则热运动的气体分子，相继两次 碰撞所飞越的平均距离
➢ 粘滞流：气体分子间碰撞为主
ld0.01
➢ 分子流：气体分子与容器壁碰撞为主
ld1
P nkT n l P l C
常用单位
1 标准大气压（atm） =
101,325 760 760
1.013 1013
帕斯卡 （Pascal），国际单位 毫米汞柱 （millimeter of mercury) 乇 （Torr），美、亚洲 巴 （bar） 毫巴 （millibar），欧洲
基本概念
➢ 气载：用流量Q表示。在确定温度下，单位时间进入系统容器内的气 体量， Pa·L/s
➢ 解吸：真空表面吸附气体分子脱离表面进入容器的过程 ➢ 热解吸：在热作用下气体分子脱离表面进入容器的过程 ➢ 光激发解吸：在同步辐射光激发作用下气体分子脱离表面进入容 器的过程
➢ 离子激发解吸：在离子激发作用下气体分子脱离表面进入容器的