真空技术解析课件.pptx

1、1章节目录 第一节 真空技术概述 第二节 真空的获得 第三节 真空的测定-真空规第1页/共56页 真空技术在科学研究和生产中已得到广泛应真空技术在科学研究和生产中已得到广泛应用。用。2020世纪世纪5050年代以来，真空在冶金生产和科研中年代以来，真空在冶金生产和科研中的应用迅速推广，形成了一个专门的领域的应用迅速推广，形成了一个专门的领域真空真空冶金冶金。第一节 概述第2页/共56页3真空技术发展历史-基本实验技术真空技术已经成为一门独立的前言学科。基本内容包括：真空物理 真空获得 真空测量、检漏 真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及

2、材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。第3页/共56页 一、概述一、概述 压力和温度一样是系统的状态参数，与许多物化性质相关。物化实验中，会涉及到高压、常压和真空系统。不同压力系统有着不同的测量方法和技术。第4页/共56页5假定P0为大气压(1)绝对压力 P (2)相对压力 p=P Po(3)正压力 P Po(4)负压力 P Po (5)差压力 P1-P2 2.习惯表示：第5页/共56页1 1研究意义研究意义 冶金新工艺冶金新工艺：由于采用真空技术，发展了一系：由于采用真空技术，发展了一系列冶金新工艺，提高了产品质量，提供了优质列冶金新工艺，提高了产品质量，提供

3、了优质的新材料。的新材料。真空冶金物理化学真空冶金物理化学：由于采用真空技术，改变：由于采用真空技术，改变了冶金过程物理化学条件，出现了许多真空冶了冶金过程物理化学条件，出现了许多真空冶金物理化学问题期待人们去解决。在近代冶金金物理化学问题期待人们去解决。在近代冶金和材料科学的研究和分析中也离不开真空技术。和材料科学的研究和分析中也离不开真空技术。第6页/共56页测试系统要求测试系统要求：在高温下，为防止试样氧化，就需要将测试系统抽成真空或再通入保护气体。金属中的：在高温下，为防止试样氧化，就需要将测试系统抽成真空或再通入保护气体。金属中的气体分析，一些近代的测试仪器如电子气体分析，一些近代的

4、测试仪器如电子 探针、离子探针、电子显微镜等，也都是在高真空下才得以实探针、离子探针、电子显微镜等，也都是在高真空下才得以实现的。现的。新材料制备新材料制备：表面物理化学研究，超纯材料制备，半导体集成电路制造，低温能源技术等，都需要超高：表面物理化学研究，超纯材料制备，半导体集成电路制造，低温能源技术等，都需要超高真空技术真空技术第一节 概述第7页/共56页2、几个概念几个概念 真空真空凡是低于大气压的气体所存在的空间状态，称之凡是低于大气压的气体所存在的空间状态，称之为为真空真空 粗真空粗真空 100,000100,0001000Pa 1000Pa 低真空低真空 10001000一一0.1

5、Pa 0.1 Pa 高真空高真空 0.10.11010-6-6 Pa Pa 超高真空超高真空 低于低于1010-6-6 Pa Pa 完全没有气体的空间状态称为完全没有气体的空间状态称为绝对真空绝对真空。第8页/共56页第一节 概述真空度 真空度是表示真空程度的习惯用语，它不用量度单位表示。最好也不要采用“好”“坏”或”“高”、“低”这种词汇来表示，因为这些词汇不能确切地表达真空度的概念。第9页/共56页：获得真空的过程：获得真空的过程：用来获得真空的器械称为真空泵。：用来获得真空的器械称为真空泵。：真空泵开始工作时，被：真空泵开始工作时，被抽容器或真空泵的入气端应达到的气体压力抽容器或真空泵的

6、入气端应达到的气体压力（）：一些泵可直接从大气压）：一些泵可直接从大气压下开始工作，如机械泵、吸附泵下开始工作，如机械泵、吸附泵第二节 真空的获得第10页/共56页第二节 真空的获得 次级泵：次级泵：另一些泵只能从较低的气压抽到更低的气压，它们必须在前级泵产生的预备真空另一些泵只能从较低的气压抽到更低的气压，它们必须在前级泵产生的预备真空(前级真空前级真空)下才下才能工作，如扩散泵、离子泵等能工作，如扩散泵、离子泵等 显然，预备真空内的气压必须低于次级泵的起始工作压力，次级泵才能开始抽气。显然，预备真空内的气压必须低于次级泵的起始工作压力，次级泵才能开始抽气。抽气速率抽气速率，简称抽速：在规定

7、的气压下单位时间内抽出的气体体积，简称抽速：在规定的气压下单位时间内抽出的气体体积第11页/共56页第二节 真空的获得u平均自由程平均自由程 平均自由程，系指粒子平均自由程，系指粒子(分子、电子、离子、中子分子、电子、离子、中子)和同类粒子和同类粒子或异类粒子两次碰撞时所飞越的平均距离。或异类粒子两次碰撞时所飞越的平均距离。u流量或抽气量流量或抽气量 单位时间内流过真空泵或管道中某截面的气体量、称为流量或单位时间内流过真空泵或管道中某截面的气体量、称为流量或抽气量。在真空技术中该量用某截面上的压强乘以单位时间内抽气量。在真空技术中该量用某截面上的压强乘以单位时间内流过的气体体积来表示有时简称为

8、流过的气体体积来表示有时简称为Q Q值。符号为值。符号为Q Q。单位为。单位为P aP a。第12页/共56页1.1.可直接获得可直接获得0.1Pa0.1Pa以下的真空度，可作为其他真空以下的真空度，可作为其他真空设备的前级泵使用设备的前级泵使用2.2.特点：特点：l 由钢铁制造，属于精密设备由钢铁制造，属于精密设备l 主要工作部件浸在真空泵油中，因此不适合抽取对主要工作部件浸在真空泵油中，因此不适合抽取对真空泵油起化学作用真空泵油起化学作用 或对钢铁有腐蚀作用的气体或对钢铁有腐蚀作用的气体第二节 真空的获得-旋片式机械真空泵第13页/共56页3.工作原理工作原理整个泵体浸没在真空泵油中，整个

9、泵体浸没在真空泵油中，转转子子紧贴在紧贴在定子定子圆柱形空腔的上部，圆柱形空腔的上部，并和空腔不同轴。转子由电动机并和空腔不同轴。转子由电动机带动在空腔内旋转，由于弹簧的带动在空腔内旋转，由于弹簧的作用，转子上的翼片总是紧贴在作用，转子上的翼片总是紧贴在空腔壁上。空腔壁上。当转子顺时针方向转动时，与进当转子顺时针方向转动时，与进气管气管2 2相通的空腔逐渐增大并吸相通的空腔逐渐增大并吸入气体，与排气阀相通的空腔则入气体，与排气阀相通的空腔则逐渐缩小，将气体压缩，直至冲逐渐缩小，将气体压缩，直至冲开阀门，通过油层排入排气管进开阀门，通过油层排入排气管进入大气。入大气。第二节 真空的获得-旋片式机

10、械真空泵第14页/共56页I.该抽气机制对于抽取永久性气体（即常温该抽气机制对于抽取永久性气体（即常温下压缩不会液化的气体，比如空气）很有下压缩不会液化的气体，比如空气）很有效，对于象水蒸气那样的可凝结性气体，效，对于象水蒸气那样的可凝结性气体，在压缩过程中就可能液化混入真空泵油中在压缩过程中就可能液化混入真空泵油中II.只能按照规定方向旋转，否则油会压入真只能按照规定方向旋转，否则油会压入真空系统空系统III.停止工作时，先将泵与连接真空系统的阀停止工作时，先将泵与连接真空系统的阀门关闭，再向泵中放干燥空气，否则泵油门关闭，再向泵中放干燥空气，否则泵油会进入被抽系统会进入被抽系统第二节 真空

11、的获得-旋片式机械真空泵第15页/共56页第二节 真空的获得-旋片式机械真空泵金属屑、玻璃渣之类金属屑、玻璃渣之类抽水分过多（串连：干燥剂氯化钙或抽水分过多（串连：干燥剂氯化钙或五氧化二磷；吸收剂固体氢氧五氧化二磷；吸收剂固体氢氧化钠；冷阱用致冷剂）化钠；冷阱用致冷剂）抽挥发性气体如乙醚或腐蚀性气体如抽挥发性气体如乙醚或腐蚀性气体如氯化氢氯化氢使用注意事项第16页/共56页第二节 真空的获得-扩散泵 结构如图所示，工作时，先用前级泵即将扩散泵及系统抽成预备真空0.1Pa，由电炉加热，扩散泵油在真空下挥发成蒸气，沿着导管上升，由喷嘴喷出，可以设一二三四级不等，高速喷出的油蒸气在水冷壁上又凝结成液

12、体经过导管流回泵底，再重新加热气化，不断循环。第17页/共56页第二节 真空的获得-扩散泵 扩散泵是获得高真空的抽气设备 10-310-8 Torr 的高真空)，按泵的工作介质可分为汞扩散泵和油扩散泵。常见的是硅油扩散泵，以油泵作为其前级泵。第18页/共56页第二节 真空的获得-扩散泵被抽系统的气体分子由于热运动扩散经过进气口被抽系统的气体分子由于热运动扩散经过进气口进入下面空间中，在大量高速定向运动的油分子进入下面空间中，在大量高速定向运动的油分子（一般是硅油）碰撞下被带到泵的下部，经过排（一般是硅油）碰撞下被带到泵的下部，经过排气口经过前级泵抽走。气口经过前级泵抽走。第19页/共56页20

13、 工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用。扩散泵使用注意事项：由于扩散泵的有效工作范围在 10-110-8 Torr，所以在使用扩散泵时，必须要用前级泵，将压力降到 10-1 Torr 以下，并且前级泵的抽气速度必须大于扩散泵。泵的冷却和加热器加热对泵的工作效率也很重要，防止泵油返流现象。加热、冷却必须缓慢进行，防止扩散泵爆裂。第20页/共56页第二节 真空的获得-扩散泵 该过程存在两个有害的反向扩散：该过程存在两个有害的反向扩散：一是被抽气体分子被压倒泵底，上下存在密度差，气体分子回向上部反向运动一是被抽气体分子被压倒泵底，上下存在密度差，气体分子回向上

14、部反向运动 二是定向运动的油分子与被抽气体碰撞后，有一部分会改变方向进入被抽系统；另外喷嘴处的油蒸气分子二是定向运动的油分子与被抽气体碰撞后，有一部分会改变方向进入被抽系统；另外喷嘴处的油蒸气分子密度大于被抽系统的油蒸气密度，油分子会反向进入被抽系统密度大于被抽系统的油蒸气密度，油分子会反向进入被抽系统 第21页/共56页第二节 真空的获得-扩散泵使用注意事项：普通油扩散泵的极限真空度为10-5Pa，超高真空油扩散泵达到510-8Pa预真空下开始工作冷却水套必须充满冷水，未通水不得开启加热扩散泵油停机时，先停止加热，待油冷却后再停止冷却水第22页/共56页每一种真空规都有一定的量程范围。在不同

15、的压力范围内选择不同的真空规。真空规为两大类：I.一类是麦克劳(McLeod H D)真空规，直接测量压力的II.另一类相对真空规，利用测量与压力有关的物理量的变化来间接测量压力，可以实现连续快速测量，但准确度不够。u测量真空度的仪器称为真空计真空计或真空规。真空规。第三节 真空的测定-真空规第23页/共56页按测量方法的原理来分可以分为：基于力的作用原理：U形管，波登管式，波纹管式，膜片式；基于压缩作用原理：麦氏真空计*；基于导热作用原理：电阻真空计，热电偶真空计*；基于电离作用原理：热阴极式*，冷阴极式，放射性真空计。第三节 真空的测定-真空规第24页/共56页随着系统中真空度的升高，U形

16、管真空侧的液面在大气作用下随之上升。依据两管中校面的高度差，就可以测得真空系统中的真空度，即p=pa-h，其中p为系统中真空度，pa为大气压值，h为两液面之差。选第三节 真空的测定-真空规（1）U形管真空计水银或油大气第25页/共56页玻义耳-马略特定律 它反映气体的体积随压强改变而改变的规律。对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比；或者说，其压强P与它的体积V的乘积为一常量，即PV=C（常数）（T不变时）或P1V1P2V2=PnVn实际气体只是在压强不太高、温度不太低的条件下才服从这一定律。第三节 真空的测定-真空规（2）麦克劳真空计复习第26页/共56页麦氏计是一种绝

17、对真空计，测量范围为1.3xl031.3108帕，精度较高，可作为其它真空计的标准。它是于1874年由麦克劳研制的，故命名为麦克劳真空计，简称麦氏计。毛细管第27页/共56页1 毛细管(接真空系统)2、3 毛细管 4-玻璃泡 5 毛细管 6 活塞(接空气泵)7 汞容器 8 底座工作原理：它首先是让被测真空系统的残留气体进入规内，然后加以压缩，比较压缩前后的体积和压力的变化，就可算出其真空度。第三节 真空的测定-真空规（2）麦克劳真空计第28页/共56页毛细管A、玻璃泡及下面一段管子(到a-a面为止)的体积为V1。测量前需用油封机械泵将水银瓶抽真空，使水银面处于a-a位置。这时，玻璃泡与真空系统

18、相通，其压强与真空系统相同，均为p。转动切换阀门，切断油封机械泵，使水银瓶与干燥空气相通。此时，水银瓶中水银在干燥空气压力作用下，沿导液管上升，充满玻璃泡然后沿毛细管A上升，使玻璃泡和毛细管A中气体被压缩到毛细管A的顶部，其体积为V2。因管A中压强高于管B中压强，使两个毛细管产生高度差h，这时，根据物理学中波义耳定律就可计算出真空系统中的压强，即 pV1=(p+h)V2其中p为真空系统中压强。了解第29页/共56页特点：特点：由于这种真空规操作较慢；由于这种真空规操作较慢；不能连续读数；不能连续读数；且要用有毒的汞作工作液，因此人们且要用有毒的汞作工作液，因此人们不愿意直接不愿意直接 用它；用

19、它；是直接测量气体压力的真空规，可用是直接测量气体压力的真空规，可用于校正其他真空规于校正其他真空规第三节 真空的测定-真空规（2）麦克劳真空计第30页/共56页原理：低压下（低真空）气体热导率与其压力之间关系测量 即：K=b P b：比例常数第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计气体导热系数气体压力第31页/共56页假设灯丝由导热损失的热量与加热电流I所产生的热量平衡时，灯丝温度不变。其平衡方程为其中R为灯丝电阻；E1为气体分子迁移热量；E2为辐射迁移热量；E3为引出导线的迁移热量。若由于压力减小而使E1减小，则当I不变时，平衡方程将失去平衡，使灯丝温度变化。2123I REEE第三节

20、 真空的测定-真空规（3）热导式真空计第32页/共56页 根据灯丝温度来衡量压力的变化。热导真空计是通过测量灯丝温度来决定压力大小的。根据测定气体热传导方法的不同，热导式真空计可分为：电阻真空计 热电偶真空计 第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计第33页/共56页第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计-热电阻真空计(1)电阻真空计 （又称皮喇尼真空计）在较低的压力(小于13.3Pa)时，热电阻丝的电阻值取决于周围气体的压强。电阻式电阻式硅管硅管测量电路测量电路钨丝或铂钨丝或铂丝丝第34页/共56页资料1成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司规格电阻真空规管外形图第35页

21、/共56页型号型号ZJ-52ZJ-52AZJ-52BZJ-52CZJ-52DZJ-52EZJ-52FZJ-52T(G)ZJ-52T(M)测量范围测量范围Pa31030.11050.1灯丝阻值灯丝阻值10012.510012.510012.5100902902连接直径连接直径mm连接法兰连接法兰18-18-DN16KF-DN16KF-DN16CF-DN16CFZ3/8-15.50.5-15.50.5DN10KF电阻真空规管型号系列表 资料2成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司第36页/共56页热偶丝的热电势由加热丝的温度决定维持加热丝电流恒定，热偶丝的热电势将由其周围的气体压强决定。

22、当压强低于某一定值时，气体导热系数与压强成正比，从而可找出热电势与压强的关系，直接用表头指示真空度第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计-热电偶真空计玻璃壳铂丝热电偶铂丝的作用：用于加热热电偶，通以恒定电流，其温度为100-200。第37页/共56页第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计-热电偶真空计第38页/共56页 热偶真空规管外形图资料3成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司第39页/共56页型号型号ZJ-51M007BM007CM007DM007EM007FZJ-56ZJ-53BZJ-54D测量范围测量范围Pa100.11000.1灯丝电流灯丝电流mA90-130

23、90-13090-13090-13090-13090-13090-130283902热丝冷阻热丝冷阻717171717171719.519.51连接直径连接直径mm连接法兰连接法兰15.50.5-15-DN25KF15.50.5-200.1-6-15.50.5-15.50.5-测量最大真空小于测量最大真空小于0.1 Pa0.1 Pa电偶真空规管型号系列表资料4成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司第40页/共56页 热导真空计使用特点：特点1：通常它们是和绝对真空计平行测量而作出其刻度曲线的。它们的读数与气体种类有关，用空气作的刻度曲线不能用于其他气体。特点2：此两种真空规结构简单，

24、使用方便可远距离测量。第三节 真空的测定-真空规（3）热导式真空计第41页/共56页第三节 真空的测定-（4）电 离 真 空 计-重要第42页/共56页43 3.冷阴极电离真空规管外形图资料5成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司第43页/共56页（量程范围为：110-3510-10托）电离真空计诞生于1916年，由巴克利首先研制成功。以后不断地改进，使其测量范围达到1.31021.3105帕，变成了高真空区域广泛使用的真空计。电 离 真 空 计第44页/共56页电 离 真 空 计 这种真空计可以远距离测量，易于实现自动记录及控制，由于有炽热的灯丝，不适于测高氧含量气体。第45页/共

25、56页电离真空计有三种形式：热阴极电离真空计冷阴极电离真空计放射性电离真空计。电 离 真 空 计种类第46页/共56页不同气体稀薄状况不同，引起气体电离的情况有差异利用离子电流测量压力。在气体中如果有动能足够大的电子与气体分子相碰撞，它可以从气体分子中击出一个或几个电子使气体分子成为正离子。把这种正离子收集到一个电极上使其产生离子电流，在稀薄气体中，它与气体压力有关。电 离 真 空 计原理e气体分子e2e2正离子电流（与气体压力有关）e2e2e第47页/共56页阴极(灯丝)：发射电子，被带正电的加速极作用，以加速度运动，当电子的动能足够大，在飞向加速极的路途中与管内低压气体分子碰撞，使气体分子

26、电离，产生电子和正离子，之后螺旋形栅极(加速极)：电子形成电流Ie圆筒形收集极（带负电位）：形成离子电流Ii。第48页/共56页 阴极用以通电加热发射电子；2009-3-3 栅极带正电势，用以加速和捕获电子；板极带负电势，用以排斥电子和捕获正离子。电 离 真 空 计部件作用第49页/共56页式中，k为规管的灵敏度。由于用电离真空计测量压力时，电子电流保持不变，故当压力足够低(低于10-1Pa)时，离子电流Ii与电子电流Ie之比正比于气体的压力p，即第50页/共56页电子在运动过程中与稀薄气体分子碰撞时，如果电子具有的电子在运动过程中与稀薄气体分子碰撞时，如果电子具有的能量大于气体的电离能，能量

27、大于气体的电离能，则气体分子将发生电离，产生则气体分子将发生电离，产生和和。G灯丝阴极:当系统抽至一定的真空度后通电加热，使阴极发射出热电子F栅极:带正电势。捕获电子，在线路中产生电流I-E:极板，带负电势。正离子飞向带负电势的极板，在极板上获得电子而复合成，在线路中产生一种。此电流又称为离子的。在一定温度下，当气体压力低于在一定温度下，当气体压力低于0.1 Pa0.1 Pa时，时，I+I+与与I-I-之比值之比值正比于气体的压力正比于气体的压力P P，称为电离真空规的称为电离真空规的，其意义是在其意义是在第51页/共56页与绝对真空规相对比而作出的。与绝对真空规相对比而作出的。测定高真空：测

28、定高真空：1010-1-1 1010-6-6PaPa范围内。范围内。由于不同的气体有不同的电离电势，所以各种气体的刻度曲线由于不同的气体有不同的电离电势，所以各种气体的刻度曲线也不一样。绝大多数电离规的刻度曲线都是用氮作被测气体绘也不一样。绝大多数电离规的刻度曲线都是用氮作被测气体绘出的。出的。所以：所以：残余气体中以小分子为主时，容易电离，测得真空度低，低残余气体中以小分子为主时，容易电离，测得真空度低，低于真正的压力；于真正的压力；残余气体中以大分子为主时，其读数高于真实的压力。残余气体中以大分子为主时，其读数高于真实的压力。刻度热阴极电离真空规第52页/共56页 资料8成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司电 离 真 空 计第53页/共56页4.冷阴极电离真空规管外形图资料7成都国光电气股份有限公司成都国光电气股份有限公司第54页/共56页本章小结1.几个概念：真空、真空度、真空泵、前级泵和次级泵几个概念：真空、真空度、真空泵、前级泵和次级泵2.旋片式真空泵旋片式真空泵/扩散泵的结构和工作原理扩散泵的结构和工作原理3.真空规的分类，真空规的分类，“热电阻热电偶真空规热电阻热电偶真空规”和和”热阴极电热阴极电离真空规离真空规“工作原理工作原理第55页/共56页第5章 真空技术56感谢观看！第56页/共56页