真空技术基础
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真空技术基础
极限真空Pu（Pa）：真空系统所能达到的最高真空，决定镀 膜的质量； 抽气速率S（L/S）：规定压强下单位时间所抽出的气体的体 积，决定抽真空需要的时间。 真空系统所能达到的真空度由方程决定：
Q V dPi P Pu S S dt
式中，Pi为被抽空间气体的分压强，Q为真空室的各种放 气源的气体流量，V为真空室的体积，t为时间。
39
吸气 吸气
吸气截止
压缩
排气
40
41
42
对机械泵油的基本要求：������ 1.饱和蒸汽压低。不容易挥发。������ 2.有一定的润滑性和粘度。润滑和油封性能好。 3.稳定性高。耐高温，不易氧化变质。 4. 定期检查油面，补充泵油。
43
空气中水蒸汽的处理
气镇阀
44
1.3.2 油扩散泵
麦克斯韦速度分布曲线
16
用麦克斯韦速度分布函数求平均值 平均速度
va
0
v vf (v)dv
0
m 4 2kT
8kT m
3/ 2
2 mv 3 v exp 2kT dv
va v
17
方均根速度
vr
v
2
式中1/π是由于归一化条件，即位于2π立体角中的几率为1而出现 的。
27
余弦散射律的意义：
固体表面会将分子原有的方向性彻底消除，均满足余弦 定律；散射的本质是一个再发射过程，分子在固体表面要停 留一定时间，使之与固体进行能量交换。
28
作业：
试举出工业上利用真空技术的5个例子。 试从荧光灯的发光原理出发，解释荧光 灯管为什么要抽真空？ 估算标准状态下空气分子的平均自由程。 （空气分子的平均直径等相关参数请 查阅有关文献。）
真空技术基础及其应用现状
VS
此外，真空技术还可以用于材料表面 的改性和处理，以及纳米材料的制备 等方面。例如，在制备高纯度金属薄 膜时，需要在高真空环境下进行蒸发 和溅射；在制备碳纳米管时，也需要 使用真空技术来控制反应条件和提高 产率。
真空技术在其他领域的应用
除了上述领域外，真空技术还广泛应用于航 空航天、汽车、能源、环保等领域。例如， 在航空航天领域中，需要高真空环境来进行 飞行器的气动性能测试和材料表面的处理； 在汽车领域中，需要使用真空技术来进行燃 料喷射和刹车系统的控制。
真空技术基础及其应用现状
日期：
目录 Contents
• 真空技术概述 • 真空技术的原理 • 真空技术的基础设备 • 真空技术的应用现状 • 真空技术的发展趋势和未来展望
01
真空技术概述
真空技术的定义
真空技术是指在低于一个大气压 的条件下，利用物理和化学的方 法获取和应用真空的科学技术。
真空技术涉及的领域广泛，包括 真空获得、真空测量、真空控制 和真空应用等。
新型的真空泵和抽气技术将被开 发出来，以更高效地实现真空环
境的创建和控制。
真空技术的效率提升将有助于降 低能耗和减少环境污染，使其在 可持续发展方面发挥更大的作用
。
开发新型的真空技术设备
随着真空技术的不断发展，新型 的真空技术设备也将不断涌现。
这些设备将具有更高的性能、更 小的体积和更轻的重量，以满足
机械泵包括旋片泵、滑阀泵等，是最 常见的真空泵类型，具有简单、可靠 、易于维护等优点。
根据工作原理，真空泵可分为机械泵 、分子泵、溅射泵等。
分子泵依靠高速旋转的叶片或磁场来 加速气体分子，使其以较高的速度离 开工作腔，从而实现抽气。
真空容器
真空容器是用于存储真空或特定气体 的容器。
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
真空技术基础知识
第七单元 真空技术7-0 真空技术基础知识“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。
真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。
此后，人们不断致力于提高真空度，随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。
一、真空物理基础 1． 真空的表征表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。
单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2）：1牛顿/米2=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105(Pa)，1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。
各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。
通常可分为：低真空（Pa 10~1013-）、高真空（Pa 10~1061--）、超高真空（Pa 10~10-10-6）和极高真空（低于Pa 1010-）。
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
真空技术基础
克努森准数Kn —划分分子流状态与黏滞流状态
Kn D /
其中，D为气体容器的尺寸， 为气体分子的平均自由程。
根据Kn的大小，气体的流动可 被划分为三个不同的区间:
分子流状态：
过渡状态： 黏滞流状态：
Kn﹤1
Kn＝1～110 Kn﹥110
§4-2 气体管路的流导
流导：真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气 体的通过能力称为它的流导。 设某一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力 降低，则其流导C的定义为：
Q C P 1P 2
式中，P1和P2为部件两端的气体压力；Q为单位时间内通过该真空部 件的气体流量(L)。
流导的求解： 当不同的流导C1，C2，C3之间相互串连或并联时，形 成的总流导C可以通过下式求出：
串联流导：
1 1 1 1 1 C C1 C2 C3 Cn
并联流导：
II. 理想气体状态方程：
m PV RT M
P
其中:
m m N RT kN0T kT nkT VM VN 0 V
R P0V0 / T0 8.3149 J mol1 K 1
k R / N0 1.3810
23
J /K
m 为气体的质量，M 为气体的摩尔质量， 为气体分子的
2
n为单位体积内气体分子的数目。
平均自由程( )与气体的热力学温度(T)、玻耳兹曼常数 (k=R/N0)、某种气体分子的有效截面直径d(常温常压下＝ 0.5 nm)、气体压力和单位体积内气体分子数n之间的关系 为(普通物理学，程守洙主编，P299) ：
平均自由程(
kT 1 1 2 2 2d p nd 2
C C1 C2 C3 Cn
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。
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在常温常压下，气体分子的平均自由程
50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰 撞。
在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均
自由程 > 50m，每个空气分子每秒钟内只经
历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小， 气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的 碰撞。
气体流动状态 与气体压力、 真空容器尺寸 的关系
根据Knudsen准数 Kn:
Kn<1: 分子流状态
Kn>110 粘滞流状态
D Kn
粘滞态气流的两种不同的流动状态
根据Reynolds准数Re: Re vD
Re>2200 Re<1200
紊流状态 层流状态
气体分子的通量（Knudsen方程）
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称 单位面积上气体分子的通量
真空泵可以达到的极限真空度
实际的真空系统总存在气体 回流、气体泄露、气体释放等现 象。设其等效的气体流量Qp 0 ， 并忽略管路流阻(流导C为无穷大， p=pp)，则气压随时间的变化曲 线为
S pt
p(t) p0 (pi p0 )e V
则极限真空度:
p0
Qp S
0
P
有限流导情况下真空泵的抽速
溅射离子泵的外形图
溅射离子泵的结构示意图
溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa
第二讲 真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
要点
气体分子运动论的基本概念 真空获得的手段 真空度的测量
薄膜材料与真空技术
薄膜材料的制备过程是:
atom by atom
几乎所有的现代薄膜材料都是 在真空或是在较低的气体压力下制 备的，都涉及到气相的产生、输运 以及气相反应的过程。
旋片式机械真空泵的外形图
旋片式机 械真空泵 的结构示
意图
镇气阀：空气可通 过此阀掺入排气室 以降低压缩比，从 而使大部分蒸汽不 致凝结而和掺入的 气体一起被排除泵 外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线
极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题
罗茨泵的外形图
罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染 其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间
10-8Pa时，
10 小时
这一方面说明了真空环境的重要性。同时, 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:
低真空 >102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 <10-5 Pa
真空系统的导流能力 流导
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率:
1 nd 2
f
va
H2和Al原子在不同温度下的速度分布
f (v)
4
(
M
3
M v2
) 2 v 2e 2RT
2RT
典型值：在T=300K 时，空气分子的平 均运动速度:
va 460m/s
气体分子的自由程
空气分子的有效截面半径d 0.5nm。
气体压力的单位与换算
大气压: atm, kg/cm2, bar
Pa:
N/m2
Torr: mm·Hg
1atm = 1000mbar
= 0.1MPa
1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级
分子运动学的基本概念
气体的压力:
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布:
NA p
2MRT
气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面； 气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可
以忽略
气体分子通量的应用: 杂质的污染
假设每个向表面运动来的气体分子都是杂 质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获， 则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂 质气体分子污染所需要的时间为：
在常温常压下， 3.510-9秒；
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联 ，构成总流导C
串联流导：
111 1
C C1 C2 C3
并联流导：
C C1 C2 C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同 的真空泵，而它们的一个主要指标 是其抽速Sp，其定义为
Sp
Q p
( L/s )
真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着 相同的物理量纲，且二者对维持系统 的真空度起着同样重要的作用
当真空管路流导为有限，真 空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体 流量相等。泵的实际抽速S 降低为
S Q SPC p SP C
即抽速S永远小于泵的理论 抽速Sp，且永远小于管路 流导C。即S受Sp和C二者 中较小的一个所限制。
真空泵的分类
输运式（排出式） 机械式 气流式
捕获式（内消式） 可逆式 不可逆式
油扩散泵组 成的真空机 组的外形图
由扩散泵组成真 空机组，其极限 真空可达110-5Pa ，但油污染的问 题较为严重
涡轮分子泵的外形图
涡轮分子 泵的结构 示意图
涡轮分子泵运 转速度极高， 因此需要在优 于1Pa的较高真 空度下运转
涡轮分子泵的抽速曲线
涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力 范围在110-8Pa之间
罗茨泵组成的真空机组的外形图
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用， 降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围
罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线
组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa
油扩散泵的 外形图
油扩散泵 的结构示
意图
扩散泵油在高温下 会发生氧化，因此 扩散泵需要在优于 10-2Pa的较高真空 度下工作
隔膜真空泵的外形图
隔膜泵的能力较小(1L/s) ，极限真空度较差(100Pa)
，但无油污染问题
干泵系统的外形图
干泵的能力较大(100L/s) ，极限真空度较高(10-2Pa)
，无严重的油污染问题
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的外形图
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的结构示意图
低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于 所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附 表面的面积等
真空系统中，气体的通过能力称之为流导C
Q C
p1 p2
流导C的大小取决于
真空系统(管路)的几何尺寸 气体的种类与温度 气体的流动状态(分子流或粘滞流)
如对分子流, 一个处于两直径很大的管路之
间的通孔的流导为
A
RT
C n A 2M
真空系统的导流能力 流导
不同形状管路的流导已被编制成图表
50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰 撞。
在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均
自由程 > 50m，每个空气分子每秒钟内只经
历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小， 气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的 碰撞。
气体流动状态 与气体压力、 真空容器尺寸 的关系
根据Knudsen准数 Kn:
Kn<1: 分子流状态
Kn>110 粘滞流状态
D Kn
粘滞态气流的两种不同的流动状态
根据Reynolds准数Re: Re vD
Re>2200 Re<1200
紊流状态 层流状态
气体分子的通量（Knudsen方程）
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称 单位面积上气体分子的通量
真空泵可以达到的极限真空度
实际的真空系统总存在气体 回流、气体泄露、气体释放等现 象。设其等效的气体流量Qp 0 ， 并忽略管路流阻(流导C为无穷大， p=pp)，则气压随时间的变化曲 线为
S pt
p(t) p0 (pi p0 )e V
则极限真空度:
p0
Qp S
0
P
有限流导情况下真空泵的抽速
溅射离子泵的外形图
溅射离子泵的结构示意图
溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa
第二讲 真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
要点
气体分子运动论的基本概念 真空获得的手段 真空度的测量
薄膜材料与真空技术
薄膜材料的制备过程是:
atom by atom
几乎所有的现代薄膜材料都是 在真空或是在较低的气体压力下制 备的，都涉及到气相的产生、输运 以及气相反应的过程。
旋片式机械真空泵的外形图
旋片式机 械真空泵 的结构示
意图
镇气阀：空气可通 过此阀掺入排气室 以降低压缩比，从 而使大部分蒸汽不 致凝结而和掺入的 气体一起被排除泵 外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线
极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题
罗茨泵的外形图
罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染 其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间
10-8Pa时，
10 小时
这一方面说明了真空环境的重要性。同时, 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:
低真空 >102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 <10-5 Pa
真空系统的导流能力 流导
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率:
1 nd 2
f
va
H2和Al原子在不同温度下的速度分布
f (v)
4
(
M
3
M v2
) 2 v 2e 2RT
2RT
典型值：在T=300K 时，空气分子的平 均运动速度:
va 460m/s
气体分子的自由程
空气分子的有效截面半径d 0.5nm。
气体压力的单位与换算
大气压: atm, kg/cm2, bar
Pa:
N/m2
Torr: mm·Hg
1atm = 1000mbar
= 0.1MPa
1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级
分子运动学的基本概念
气体的压力:
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布:
NA p
2MRT
气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面； 气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可
以忽略
气体分子通量的应用: 杂质的污染
假设每个向表面运动来的气体分子都是杂 质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获， 则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂 质气体分子污染所需要的时间为：
在常温常压下， 3.510-9秒；
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联 ，构成总流导C
串联流导：
111 1
C C1 C2 C3
并联流导：
C C1 C2 C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同 的真空泵，而它们的一个主要指标 是其抽速Sp，其定义为
Sp
Q p
( L/s )
真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着 相同的物理量纲，且二者对维持系统 的真空度起着同样重要的作用
当真空管路流导为有限，真 空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体 流量相等。泵的实际抽速S 降低为
S Q SPC p SP C
即抽速S永远小于泵的理论 抽速Sp，且永远小于管路 流导C。即S受Sp和C二者 中较小的一个所限制。
真空泵的分类
输运式（排出式） 机械式 气流式
捕获式（内消式） 可逆式 不可逆式
油扩散泵组 成的真空机 组的外形图
由扩散泵组成真 空机组，其极限 真空可达110-5Pa ，但油污染的问 题较为严重
涡轮分子泵的外形图
涡轮分子 泵的结构 示意图
涡轮分子泵运 转速度极高， 因此需要在优 于1Pa的较高真 空度下运转
涡轮分子泵的抽速曲线
涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力 范围在110-8Pa之间
罗茨泵组成的真空机组的外形图
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用， 降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围
罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线
组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa
油扩散泵的 外形图
油扩散泵 的结构示
意图
扩散泵油在高温下 会发生氧化，因此 扩散泵需要在优于 10-2Pa的较高真空 度下工作
隔膜真空泵的外形图
隔膜泵的能力较小(1L/s) ，极限真空度较差(100Pa)
，但无油污染问题
干泵系统的外形图
干泵的能力较大(100L/s) ，极限真空度较高(10-2Pa)
，无严重的油污染问题
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的外形图
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的结构示意图
低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于 所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附 表面的面积等
真空系统中，气体的通过能力称之为流导C
Q C
p1 p2
流导C的大小取决于
真空系统(管路)的几何尺寸 气体的种类与温度 气体的流动状态(分子流或粘滞流)
如对分子流, 一个处于两直径很大的管路之
间的通孔的流导为
A
RT
C n A 2M
真空系统的导流能力 流导
不同形状管路的流导已被编制成图表