电子科大薄膜物理第一章 真空课件.ppt

1、主要内容主要内容1.稀薄气体基本性质稀薄气体基本性质2.真空的获得真空的获得 3.真空的测量真空的测量1-1 气体与真空气体与真空空气作为一种气体，空气作为一种气体，由气体分子组成（可由气体分子组成（可以想象为弹性小球）。以想象为弹性小球）。气体分子沿直线运动，气体分子沿直线运动，直到与邻近分子或者直到与邻近分子或者器壁发生碰撞为止。器壁发生碰撞为止。1.气体、蒸汽气体、蒸汽?取决于压力增加时是否能够凝聚成为液体。取决于压力增加时是否能够凝聚成为液体。例如：例如：200oC 时水为蒸汽，但是在时水为蒸汽，但是在 500oC,水就是气体。水就是气体。当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。当压力较低时

2、，气体和蒸汽特性相同。P=F/A=nMvrms2/3NA 气压来气压来源于源于气气体分子体分子对对器壁的不器壁的不断碰断碰撞。撞。气气体分体分压压2.气压气压PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMESGASSYMBOLPERCENT BYVOLUMEPARTIAL PRESSURETORRPASCAL氮气氮气氧气氧气氩气氩气二氧化碳二氧化碳氖气氖气氦气氦气氪气氪气氢气氢气氙气氙气水水N2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000

3、087Variable5931587.10.251.4 x 10-24.0 x 10-38.7 x 10-44.0 x 10-46.6 x 10-55 to 5079,00021,000940331.85.3 x 10-11.1 x 10-15.1 x 10-28.7 x 10-3665 to 6650空气是多种气体混合物空气是多种气体混合物T(O C)100250-40-78.5-196P(mbar)1013326.40.136.6 x 10-410-24(沸点沸点)(冰点冰点)(干冰干冰)(液氮液氮)水的饱和蒸汽压水的饱和蒸汽压气体的饱和蒸汽压气体的饱和蒸汽压部分固体的饱和蒸汽压部分固体的

4、饱和蒸汽压3.真空真空l定义定义 真空：低于真空：低于一个大气压一个大气压U当地大气压的气体状态当地大气压的气体状态 “相对真空相对真空”，“绝对真空绝对真空”?特点：压强特点：压强(Pressure)低，分子稀薄，低，分子稀薄，分子的平均自由程长。分子的平均自由程长。电学特性电学特性输运特性输运特性真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等表示表示4.压力单位压力单位Pressure unitPaBarAtmTorrPa10.000019.86910-67.50110-3 Bar1000001 9.86910-17.501102 Atm101

5、3251.013251760 Torr133.320.0013331.31610-31 用用“真空度真空度”及及“压强压强”两个参量来衡量真两个参量来衡量真空的程度空的程度 帕斯卡（帕斯卡（Pascal）=1牛牛/米米2，国际单位制国际单位制 托（托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描单位，描述真空的独特单位述真空的独特单位 此外，此外，mmHg、atm、bar等。等。Relative PressureAbsolute Pressure5.为什么需要真空为什么需要真空?1.需要粒子在较长的距离做直线运动。需要粒子在较长的距离做直线运动。5.为什么需要真空为什么需要真空?2

6、.提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。污染严重污染严重(经常是水经常是水)洁净表面洁净表面空气气氛空气气氛高真空高真空6.真空的划分真空的划分 粗真空粗真空 105102Pa:目的是获得压差目的是获得压差 真空吸尘器，真空过滤器，真空吸尘器，真空过滤器，CVD 低真空低真空 10210-1Pa:气体分子运动特征改气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征变，电场下具有导电特征 vacuum-bottle,真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD高真空高真空 10-110-6Pa:蒸发，离子源蒸发，离子源超高真空超高真空 1

7、0-6Pa：表面分析，粒子物理表面分析，粒子物理1-2 稀薄气体的基本性质稀薄气体的基本性质 低压状态下，可用低压状态下，可用理想气体理想气体的状态方程的状态方程（波义尔定律、盖（波义尔定律、盖吕萨克定律、查理定律）吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦来描述，遵守麦克斯韦玻尔兹曼分布。玻尔兹曼分布。PVnmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/M nmolecular=7.2*1022P/T1.理想气体状态方程理想气体状态方程2.气体分子的速度分布气体分子的速度分布 麦克斯韦速度分布函数麦克斯韦速度分布函数 表示分布在速度表示分布在速度 附近单位速度间隔

8、内附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率。的分子数占总分子数的比率。3222()4 exp22MMvf vvRTRT()f vv气体分子速度分布气体分子速度分布3.三个重要速度表示三个重要速度表示 最可几速度最可几速度 ：最大时的速度最大时的速度 平均速度平均速度 均方根速度均方根速度 vvpvrmsv()f v3222()4 exp22MMvf vvRTRT283prmsRTvMRTvMRTvM=(T,M)v f4.平均自由程平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程动的平均路程 其中其中:n气体分子密度

9、气体分子密度，标准状态，标准状态n3*1019 d d 分子直径分子直径,几个几个212nd 代入理想气体状态方程代入理想气体状态方程 得得:对于对于25空气空气 PkT22dPvn RTPnKT0.667()P pacmIs propotional to T?分子密度与平均自由程分子密度与平均自由程101325 Pa(atm)0.1 Pa1 x 10-7 Pa#/cm3MFP3 x 10 19(30 million trillion)4 x 10 13(40 trillion)4 x 10 7(40 million)2.5 x 10-6 in6.4 x 10-5 mm2 inches5.1

10、cm31 miles50 km碰撞几率碰撞几率气体分子运动气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。的距离以后，彼此间碰撞的几率。/1xef误区：误区：f 与与成反比。成反比。x=,f63%x=0.1,f9%5.分子通量与余弦散射律分子通量与余弦散射律 （1）分子通量分子通量F F（入射频率入射频率n n）：单位时间：单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数单位面积的器壁上碰撞的气体分子数142AN PnvMRTF 2.641020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）P:pascal M:g T:K（克努森方程）（克努森方程）（2）气体分子从固体表面的反射几率）气体分子从固

11、体表面的反射几率 cosdwdPA.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。黏滞流黏滞流(分子间动量传递分子间动量传递)分子流分子流(分子独立运动分子独立运动)6.气体的流动气体的流动流体机制流体机制黏滞流黏滞流:分子间距小；分子间碰撞占主导；分子间距小；分子间碰撞占主导；通过动量传递进行流动；一般压力大于通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar过渡流过渡流:介于两者之间。介于两

12、者之间。分子流分子流:分子间距大；分子与器壁碰撞占主导；分子间距大；分子与器壁碰撞占主导；通过无定向运动进行；一般压力小于通过无定向运动进行；一般压力小于 10 mbar-3平均自由程平均自由程特征长度特征长度黏滞流黏滞流:小于小于 0.01克努森数克努森数平均自由程平均自由程特征长度特征长度过渡流过渡流:0.01,1平均自由程平均自由程特征长度特征长度分子流分子流:大于大于 1气源气源2.吸附气体：吸附气体：1.空间气体：很容易被抽走空间气体：很容易被抽走物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附 放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、超高真空阶段为主要放

13、气源。超高真空阶段为主要放气源。真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷 除气手段：烘烤、离子轰击除气手段：烘烤、离子轰击3.系统漏气：系统漏气：密封：密封：O形橡胶圈：高真空形橡胶圈：高真空金属密封圈：超高真空金属密封圈：超高真空气体负荷气体负荷OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeation气体负荷单位气体负荷单位:mbarL/s抽气曲线抽气曲线Pressure(mbar)Time(sec)10-1110 110 310 510 710 910 1110 1310 1510 1710+110-110-310

14、-510-710-9空间气体空间气体表面解吸表面解吸扩散扩散渗透渗透Exp(-at)1/t1/t1-3 真空的获得真空的获得 典 型 的 真 空 系 统 包 括：真 空 室典 型 的 真 空 系 统 包 括：真 空 室(Chamber)，真空泵，真空泵(Vacuum Pump),控制系统控制系统(Control system)，真空计，真空计(Vacuum Gag)真空系统的两个重要参数：极限真空真空系统的两个重要参数：极限真空（本底真空（本底真空,Base pressure or Ultimate pressure），抽气速率），抽气速率(Pumping speed)泵将气体抽出系统？泵将气

15、体抽出系统？No！No！No！真空泵真空泵Vacuum pumpVacuum pump 要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两个区域存在个区域存在压力差压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥的时候气体分子才会移动。低压区域拥有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫做做泵泵。在特定系统中生成真空的泵被称为。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵真空泵。Atmosphere主要的真空泵主要的真空

16、泵 油封机械泵、分子泵、罗茨泵油封机械泵、分子泵、罗茨泵 原理：利用机械力压缩原理：利用机械力压缩 油扩散泵油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成压差原理：油蒸汽喷射形成压差 溅射离子泵、钛升华泵溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升华形原理：溅射形成吸气、升华形成吸气成吸气 冷凝泵冷凝泵 原理：将气体冷凝成液态原理：将气体冷凝成液态/冷凝冷凝吸附吸附1.1.机械泵（旋片式机械泵）机械泵（旋片式机械泵）转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作用。密封作用。旋片转动一周后旋片转动一周后 经经n

17、个循环后个循环后 10vPPvv0nvPnPvv真空腔Pn接近接近0容积变化容积变化 Pn不可能趋于零，因为：不可能趋于零，因为：A.在出气与转子密封点之间存在着在出气与转子密封点之间存在着“有害空有害空间间”。B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。单等级泵时进气口与排气口压力差大。C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。D.水蒸汽凝结，形成悬浊液水蒸汽凝结，形成悬浊液解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另一转子空间的进气口，可使极限真空从一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa10-2Pa采用高

18、温泵油采用高温泵油气镇阀气镇阀双级泵工作原理双级泵工作原理可获得更低的气压可获得更低的气压1.1.旋片式机械泵的缺点旋片式机械泵的缺点u振动！振动！u返油返油（无法生成高真空）（无法生成高真空）u容易磨损容易磨损u对可凝结的气体效果不佳对可凝结的气体效果不佳u发热发热u耗油耗油返油返油2气压气压0.2 mbar 时容易发生时容易发生油分子的平均自由程油分子的平均自由程随气压降低逐渐增大随气压降低逐渐增大压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将

19、气体排出。凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将气体排出。单级和双极叶片泵的抽速特征单级和双极叶片泵的抽速特征2.2.Roots-罗茨泵罗茨泵 两个两个8字形共轭的转字形共轭的转子，转子之间、转子，转子之间、转子与泵壁之间无油，子与泵壁之间无油，间隙间隙0.1mm高速转高速转动：可达动：可达3000转转/分，分，抽气时无压缩，工抽气时无压缩，工作原理：容积泵作原理：容积泵+分分子泵。子泵。机械增压泵机械增压泵Pump/Blower Packages真空泵工作示意图真空泵工作示意图单级罗茨真空泵结构图单级罗茨真空泵结构图C(blower+rotary piston)（罗茨泵（

20、罗茨泵+旋转活塞泵）旋转活塞泵）D(rotary piston)（旋转活塞泵）（旋转活塞泵）A(blower+rotary vane)（罗茨泵（罗茨泵+旋片泵）旋片泵）B(rotary vane)（旋片泵）（旋片泵）3.3.扩散泵扩散泵 扩散泵油被加热后沿喷嘴扩散泵油被加热后沿喷嘴向 下 喷 射，速 度 可 达向 下 喷 射，速 度 可 达200m/s，由空气动力学，由空气动力学原理与进气口形成压力差，原理与进气口形成压力差，使气体向下扩散而被抽走，使气体向下扩散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。油蒸汽水冷后重新利用。顶级喷口拥有最纯的油蒸汽顶级喷口拥有最纯的油蒸汽工作原理工作原理抽速变化抽速变

21、化10-710-110Pumping Speed(Air)1234Inlet Pressure(Pa)Critical Point1.Compression Ratio Limit2.Constant Speed3.Constant Q(Overload)4.Mechanical Pump Effect污染油蒸汽的释放污染油蒸汽的释放 最大出口气压最大出口气压(Page 73 manual)液氮冷阱液氮冷阱+挡板挡板(Page 78 manual)油扩散泵油扩散泵优点优点 简单简单 相对便宜相对便宜 无活动部件无活动部件（无振动）（无振动）抽速抽速 P 容易抽轻气体容易抽轻气体 可允许颗粒存在

22、可允许颗粒存在缺点缺点 油油蒸汽蒸汽热解热解 加热冷却耗时加热冷却耗时 需要冷却需要冷却 可能过热可能过热 可能污染腔体可能污染腔体4.4.分子泵分子泵Balzers,1992Leybold M2000,1999“Clean,Lean Vacuum Machine”Turbosl气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。条件：（条件：（1）起始工作气压小，平均自由程大。）起始工作气压小，平均自由程大。常压下，空气常

23、压下，空气=0.06m，1.3Pa，=4.4mm要求要求大于叶片间距。大于叶片间距。（2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分）转子叶片线速度与气体分子速度相近分子量大、气体易抽，子量大、气体易抽，H2难抽。难抽。H2最可几速率最可几速率1557m/s，极限真空残余气体，极限真空残余气体中。中。85%为为H2。涡轮分子泵工作原理涡轮分子泵工作原理MoleculeVMoving Wall with Speed VPrinciple of the Turbomolecular Pump涡轮分子泵涡轮分子泵优点优点 清洁清洁 无需加热冷却无需加热冷却 高真空高真空 抽速快抽速快lN2 170 L/sl

24、He 130 L/slH2 110 L/s缺点缺点 昂贵昂贵 不允许颗粒存在不允许颗粒存在 易崩溃易崩溃（更贵）（更贵）抽速因气体不同抽速因气体不同5.5.钛升华泵钛升华泵 加热热丝至足够高温（加热热丝至足够高温（1100），钛直），钛直接升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新接升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新鲜钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与鲜钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结合形成稳定化合物（活性气体结合形成稳定化合物（TiO，TiN），达到抽气的目的：吸附作用，物），达到抽气的目的：吸附作用，物理理+化学（为主）。化学（为主）。极限真空：极限真空：10-10Pa 注意：（注意：（1）控

25、制升华速率，使钛充分反）控制升华速率，使钛充分反应，否则无效；（应，否则无效；（2）吸气面大，抽速高。）吸气面大，抽速高。6.6.溅射离子泵溅射离子泵 阳极为多个不锈钢圆筒阳极为多个不锈钢圆筒或四方格、六方格组成或四方格、六方格组成,阴、阳极之间加有高压，阴、阳极之间加有高压，在阳极小室里产生放电。在阳极小室里产生放电。特点：极限真空特点：极限真空10-10Pa，对油污染敏感对油污染敏感 当真空系统压力降到当真空系统压力降到 10-3 Torr 时时,离子离子泵才开始正式发挥作用。泵才开始正式发挥作用。溅射离子泵溅射离子泵优点优点 清洁清洁 无活动部件无活动部件 可由电流轻易获可由电流轻易获得

26、气压得气压缺点缺点 太讲究太讲究难启动难启动 对水作用有限对水作用有限 低容量低容量 气体并非永久排除气体并非永久排除7.7.冷凝泵冷凝泵 通过低温凝结捕获气体分子。由冷凝器组成，温通过低温凝结捕获气体分子。由冷凝器组成，温度度-193-255。拥有活性炭，用于吸收无法凝结的气体分子。拥有活性炭，用于吸收无法凝结的气体分子。冷凝泵工作原理冷凝泵工作原理气体分子可以与泵内材料反应，生成固体薄膜被吸气体分子可以与泵内材料反应，生成固体薄膜被吸收。也可以被液化冷凝。收。也可以被液化冷凝。低温冷凝低温冷凝低温吸收低温吸收(Page 98 manual)活性炭的摆放活性炭的摆放泵的工作范围泵的工作范围粗

27、真空高真空超高真空VenturiPump旋片机械泵旋转活塞泵吸附泵干机械泵罗茨泵高真空泵超高真空泵10-1010-810-610-410-210010210+4P(Pa)泵的工作范围（续）泵的工作范围（续）10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)粗真空粗真空高真空高真空超高真空超高真空粗真空泵粗真空泵涡轮泵涡轮泵扩散泵扩散泵冷凝泵冷凝泵离子泵离子泵钛升华泵钛升华泵液氮冷凝泵液氮冷凝泵1-4 1-4 真空的测量真空的测量 几种真空计的工作原理与测量范围几种真空计的工作原理与测量范围 U形管压力计形管压力计 利用大气压与真空压差利用大气压与真空压差 测量范围（测

28、量范围（Pa）105102 电阻真空计、热偶真空计电阻真空计、热偶真空计 利用气体分子热传导利用气体分子热传导 测量范围（测量范围（Pa）1041 热阴极电离真空计热阴极电离真空计、B-A型真空计型真空计 利用气体电离与压强的关系利用气体电离与压强的关系 测量范围（测量范围（Pa）10-110-6、10-110-10 潘宁磁控电离计潘宁磁控电离计 利用磁场中电离与压强的关系利用磁场中电离与压强的关系 测量范围（测量范围（Pa）110-5 气体放电管气体放电管 利用气体放电与压强的关系利用气体放电与压强的关系 测量范围（测量范围（Pa）1031 布顿式真空计布顿式真空计 热偶真空规热偶真空规热偶

29、真空计热偶真空计 热电偶测量热线温度的变化，即为热偶真空计。热电偶测量热线温度的变化，即为热偶真空计。测量热丝电阻值的变化，即为热阻真空计。测量热丝电阻值的变化，即为热阻真空计。Q=Q1辐射辐射+Q2传导传导+Q3气体分子带走热量气体分子带走热量 低气压下，气体传低气压下，气体传导的热量与压强成导的热量与压强成正比。正比。热导规对不同气体的灵敏度热导规对不同气体的灵敏度3.电容压力计电容压力计测量范围测量范围：0.1-1000 torr 精确度高精确度高由两个腔体组成，中间由灵敏的柔性隔板隔开。一个腔体连由两个腔体组成，中间由灵敏的柔性隔板隔开。一个腔体连接被测气体，另一个腔体保持恒定气压。接

30、被测气体，另一个腔体保持恒定气压。恒定气压腔体内有两个电容盘。当气压变化时，隔板移动，恒定气压腔体内有两个电容盘。当气压变化时，隔板移动，隔板与电容盘之间电容发生变化。该信号可以转化为气压。隔板与电容盘之间电容发生变化。该信号可以转化为气压。4.电离真空计电离真空计 类似于一真空三极管，灯丝发射电子使气类似于一真空三极管，灯丝发射电子使气体电离，气体分子电离的多少与气体分子体电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，收集极收密度成正比，即与压强成正比，收集极收集离子数的多少，即可知压强集离子数的多少，即可知压强P的大小。的大小。注意：不可在高气压下使用，此时离子电注意：不可

31、在高气压下使用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。流过大，将烧毁真空计。测量范围测量范围：10-8-10-2 torr 由钨丝，金属格，收集极组成，均封装于玻璃管中，与被测气体由钨丝，金属格，收集极组成，均封装于玻璃管中，与被测气体相连。当气压升高，电流增大。相连。当气压升高，电流增大。电离规对不同气体的相对灵敏度电离规对不同气体的相对灵敏度气体气体 对对N2相对灵敏度相对灵敏度Sr气体气体 对对N2相对灵敏度相对灵敏度Sr H2 0.46 He 0.17 Ne 0.25 Ar 1.31 Kr 1.98 Xe 2.71 N2 1.0 O2 0.95 CO 1.11 CO2 1.53干燥空气干燥空

32、气 1.0 H2O 0.9 Hg 3.4扩散泵油气扩散泵油气 9-13 HCl 0.38 CH4 l.26 CCl4 0.705.残余气体分析仪（残余气体分析仪（RGA）QUADRUPOLEHEADCONTROL UNITRGA 工作原理工作原理MASS NUMBER(A.M.U.)RELATIVE INTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,COCO2(A)RGA 谱线谱线MASS NUMBER(A.M.U.)RELATIVE INTENSITYSYSTEM WITHAIR LEAKH2H2ON2CO2(B)O25.温度对压力测试准确性的影温度对压力测试准确性

33、的影响响两连通容器的压力：两连通容器的压力：1.低真空：粘滞流情况，平衡条件是压力相等低真空：粘滞流情况，平衡条件是压力相等 P1=P2，2.高真空：分子层流情况，平衡条件是流导相等高真空：分子层流情况，平衡条件是流导相等2121TTPP142PVnvmKT例：真空室温度例：真空室温度600，规管温度，规管温度25，测量压力只有真实压力的测量压力只有真实压力的58。真空计工作范围真空计工作范围10-1010-810-610-410-210010210+4P(Pa)粗真空高真空超高真空BourdonGauge热偶规冷阴极规电容压力计HotFil.IonGaugeRGA皮拉尼规SpinningRo

34、torGaugeMcLeodGauge1-5 真空部件真空部件Bellows波纹管波纹管真空系统连接件真空系统连接件 提供直线连接的缓冲提供直线连接的缓冲 为安装硬件提供充分的灵活性为安装硬件提供充分的灵活性 减少连接处的应力减少连接处的应力 热循环时提供充分的膨胀热循环时提供充分的膨胀/收缩空间收缩空间Valves真空阀真空阀真空系统隔离阀真空系统隔离阀 气压传动气压传动 316L 不锈钢材质不锈钢材质 弹性变形金属密封弹性变形金属密封最高工作温度最高工作温度 200 波纹管密封波纹管密封Feedthroughs连接件连接件Gasket密封环密封环Rubber or Metal?Mass F

35、low Controller流量计流量计由主管和支管构成。由主管和支管构成。支管支管 中部有加热线圈和温度传感器。中部有加热线圈和温度传感器。测量传感器之间温差。流速越慢，温差越大。测量传感器之间温差。流速越慢，温差越大。针对不同气体进行校正。针对不同气体进行校正。分子筛和沸石阱分子筛和沸石阱Thermocouple热电偶热电偶 由两条不同的金属丝连接构成。由两条不同的金属丝连接构成。测量连接点的温度测量连接点的温度 温度上升时，电压随之升高。温度上升时，电压随之升高。Heating SystemResistance heating 电阻加热电阻加热Electronic bombardment

36、 电子轰击电子轰击Lamp heating 灯丝加热灯丝加热RF heating 射频加热射频加热Contact or NOT?1-6 LEAK DETECTION 检漏检漏漏气的可能漏气的可能OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeationTrapped VolumesVented ScrewDouble O ring sealed shaftsAtmosphere(760 torr)VacuumDifferential PumpingAtmosphere(1013 mbar)VacuumTo Pump1 mbarstand

37、ard cubic centimeter/sec(sccs)密封后的残余气体像真正的泄漏密封后的残余气体像真正的泄漏:1 mm3 1 atm=1000 L 10-6 Torr泄漏速率泄漏速率10-1 sccs 10-3 sccsLeak Rates over Time10-1 STD CC/SEC-1 CC/10 SEC10-3 STD CC/SEC-3 CC/HOUR10-5 STD CC/SEC-1 CC/DAY10-6 STD CC/SEC-1 CC/2 WEEKS10-7 STD CC/SEC-3 CC/YEAR10-9 STD CC/SEC-1 CC/30 YEARSPermeati

38、on Leaks 渗透泄漏渗透泄漏（Permeation leaks）与）与真正的泄漏不同，唯一消除的办法真正的泄漏不同，唯一消除的办法只能是更换为渗漏较少的材料。只能是更换为渗漏较少的材料。为什么用氦气检漏为什么用氦气检漏?1-7 Vacuum Materials机械性能：可以被加工和制作；机械性能：可以被加工和制作；强度；强度；耐温性耐温性热性能：热性能：高温时材料的蒸汽压必须很低；高温时材料的蒸汽压必须很低；相邻材料的热膨胀匹配，特别是接口处。相邻材料的热膨胀匹配，特别是接口处。Gas Loading 不能是多孔的；必须没有裂纹裂缝（会陷不能是多孔的；必须没有裂纹裂缝（会陷入清洁用溶剂，

39、成为虚拟的泄漏源。）入清洁用溶剂，成为虚拟的泄漏源。）极端温度和辐射条件下的表面和整体解吸极端温度和辐射条件下的表面和整体解吸速率不能太高。速率不能太高。Common Materials Austenitic Stainless Steel(奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢)高真空和超高真空最常用的材料，满足所有上述高真空和超高真空最常用的材料，满足所有上述要求。要求。Aluminum and Aluminum Alloys（铝合金）（铝合金）便宜，易加工，锌含量低时放气率很低。缺点是便宜，易加工，锌含量低时放气率很低。缺点是高温下强度较低，焊接时形变严重。高温下强度较低，焊接时形变严重。Cerami

40、cs 完全玻璃化的陶瓷和氧化铝是很好完全玻璃化的陶瓷和氧化铝是很好的绝缘体，放气率低，气体渗透少，可在的绝缘体，放气率低，气体渗透少，可在1500高温下使用。部分陶瓷可机械加工。易碎，使用高温下使用。部分陶瓷可机械加工。易碎，使用时小心轻放。时小心轻放。Borosilicate Glass(硼硅硼硅),Pyrex(耐热玻璃耐热玻璃),经经常用做小系统或观察窗口。易于加工成部件，抗常用做小系统或观察窗口。易于加工成部件，抗腐蚀。腐蚀。Nitrile（腈腈）Rubber.Buna N t.m（丁纳橡丁纳橡胶胶）.经常用来制作橡胶圈经常用来制作橡胶圈 O rings.PTFE 具有自润滑特性，较低的

41、放气率，较好的具有自润滑特性，较低的放气率，较好的电绝缘体。相比于其他塑料，可用于较高温度。电绝缘体。相比于其他塑料，可用于较高温度。过高的渗透率使得过高的渗透率使得PTFE不适合作为真空密封。不适合作为真空密封。Polycarbonates and Polystyrene（聚苯乙烯聚苯乙烯）放气率略低，有吸水特性，较好的电绝缘体。放气率略低，有吸水特性，较好的电绝缘体。Nylon具有自润滑特性，但放气率较高，容易吸具有自润滑特性，但放气率较高，容易吸水。水。Plastics Acrylics（丙烯酸树脂丙烯酸树脂）与尼龙相仿与尼龙相仿.PVC 放气率高，可应用于粗真空系统和检漏系统放气率高，

42、可应用于粗真空系统和检漏系统的临时连接件。的临时连接件。Polyethylene（聚乙烯聚乙烯）也可以用。也可以用。1-8 真空系统真空系统HighVacuumValveMechanicalPumpThermocoupleGauge2RoughingValveForelineValveIonGaugeFinal Diagram in all of its complexityChamberVentValveVarianDiffusionPumpVHS-60184ThermocoupleGauge1CryotrapGaugeControllerTeeASA1.5NW25AdaptorFlange

43、NW25NW40AdaptorFlangeForelineTrap(NW40)ASA6in.8in.(NW150)CFAdaptorFlange6in.Viewporton8in.(NW150)CFFlangeASA6in.FlangesA Bigger ExampleStanford Linear Accelerator Center(Stanford)(50 GeV)1-9 基片的性质基片的性质玻璃玻璃 陶瓷陶瓷单晶单晶金属金属塑料塑料 机械性能机械性能 热学性能热学性能 化学性能化学性能 电学性能电学性能 声学性能声学性能 磁学性能磁学性能 光学性能光学性能 晶体结构晶体结构玻璃玻璃 陶

44、瓷陶瓷单晶单晶金属金属塑料塑料 机械性能机械性能 热学性能热学性能 化学性能化学性能 电学性能电学性能 声学性能声学性能 磁学性能磁学性能 光学性能光学性能 晶体结构晶体结构真空术语真空术语Vacuum GlossaryLeak泄漏泄漏Virtual Leak虚漏虚漏Permeation渗入渗入Outgasing放气放气Throughput抽气量抽气量Conductance流导流导Pumping Speed抽速抽速Turbo Pump涡轮分子泵涡轮分子泵Diffusion Pump扩散泵扩散泵Roughing Pump低真空泵低真空泵Vapor Pressure蒸汽压蒸汽压Condensation凝结凝结Partial Pressure分压分压Average Velocity平均速度平均速度Mean Free Path平均自由程平均自由程Diffusivity扩散率扩散率Vacuum Gage真空计真空计