第一章-真空技术基础课件.ppt
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- 第一章 真空技术 基础 课件
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1、真空技术基础真空技术基础德莫德莫.克利特克利特(约在公元前(约在公元前460-370460-370年,大哲学家)年,大哲学家)认为世界的本源应是由原子和虚无组成,且原子认为世界的本源应是由原子和虚无组成,且原子在虚无中做永恒的运动在虚无中做永恒的运动 亚里士多德亚里士多德(约在公元前(约在公元前384-322384-322年,大哲学家)则认年,大哲学家)则认虚无绝不可能存在,空间必须有物质才虚无绝不可能存在,空间必须有物质才能够相互作用,所以空间决不会虚无到能够相互作用,所以空间决不会虚无到没有任何物质存在没有任何物质存在 托里拆力试验托里拆力试验十七世纪用抽水泵十七世纪用抽水泵它来排除矿井中
2、的它来排除矿井中的积水,无法将水抽积水,无法将水抽到到1010米以上的高度米以上的高度 伽利略(伽利略(1564156416421642)物理學家、數學家、天文物理學家、數學家、天文學家及哲學家學家及哲學家 “真空力真空力”托里拆力托里拆力(1608160816471647)物理学家、数学家物理学家、数学家 水银真空试验水银真空试验辈尔梯辈尔梯数学家、天文学家数学家、天文学家水真空试验水真空试验 (当时未成功)(当时未成功)托里拆力试验托里拆力试验 在在20世纪初,真空技术获得了世纪初,真空技术获得了飞速发展,被广泛应用于军事及民飞速发展,被广泛应用于军事及民用领域。同样,真空技术也是薄膜用领
3、域。同样,真空技术也是薄膜制备的基础。制备的基础。本章将对真空的基本知识、真本章将对真空的基本知识、真空的获得、真空的测量等基础知识空的获得、真空的测量等基础知识进行介绍。进行介绍。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。表表1 1 几种压强单位的换算关系几种压强单位的换算关系单位单位帕(帕
4、(Pa)托(托(torr)毫巴(毫巴(mba)标准大气压(标准大气压(atm)1Pa17.510-3110-29.8710-61torr133.311.3331.31610-31mba1000.7519.8710-41atm1.0131057601.0131031第一节第一节、真空的基本知识、真空的基本知识一、表示真空程度的单位一、表示真空程度的单位Pa25101101Pa12101101Pa61101101Pa6101Pa10101二、真空区域的划分二、真空区域的划分粗真空低真空 高真空超高真空极高真空粘滞流粘滞流粘滞流粘滞流 分子流分子流分子流分子流气体吸附气体吸附:固体表面捕获气体分子的
5、现象固体表面捕获气体分子的现象 物理吸附:没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、物理吸附:没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、一般只在低温下发生一般只在低温下发生化学吸附:在较高温度下发生、不容易脱附,只有气体和固体表面原化学吸附:在较高温度下发生、不容易脱附,只有气体和固体表面原子接触生成化合物才能产生吸附作用。子接触生成化合物才能产生吸附作用。气体脱附:是吸附的逆过程。气体脱附:是吸附的逆过程。影响因素影响因素:气体压强、固体温度、固体表面吸附的气体的密度和气体压强、固体温度、固体表面吸附的气体的密度和固体本身的性质(如表面光滑度、清洁度等)、以及电吸附、化学吸固
6、体本身的性质(如表面光滑度、清洁度等)、以及电吸附、化学吸附作用的影响。附作用的影响。三、固体对气体的吸附及气体的脱附三、固体对气体的吸附及气体的脱附表表1-2 1-2 几种常用真空泵的工作压强范围几种常用真空泵的工作压强范围真空泵工作压强/Pa104102110-210-410-610-810-10气体传输旋片机械泵旋片机械泵复合分子泵复合分子泵扩散泵气体捕获无油泵钛升华泵分子筛吸附泵溅射离子泵低温泵低温泵第二节第二节、真空的获得、真空的获得 说明:由于不同泵种的工作压力范围不同,实际运用中为达一定的真空度,将两种或以上的真空泵组合起来形成真空泵机组。机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸机械
7、泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积,使被抽容器内气体的体积不断气空腔的体积,使被抽容器内气体的体积不断膨胀,从而获得真空的装置。它可以直接在大膨胀,从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作,极限真空度一般为气压下开始工作,极限真空度一般为1110-2Pa,抽气速率与转速及空腔体积抽气速率与转速及空腔体积V V的大小有关,的大小有关,一般在每秒几升到每秒几十升之间一般在每秒几升到每秒几十升之间。一、旋片式机械真空泵一、旋片式机械真空泵 旋片式机械泵通常由旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置
8、上,的圆柱形空腔内切位置上,空腔上连接进气管和出气空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋阀门。转子中镶有两块旋片,旋片间用弹簧连接,片,旋片间用弹簧连接,使旋片紧压在定子空腔的使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由内壁上。转子的转动是由马达带动的,定子置于油马达带动的,定子置于油箱中,油起到密封、润滑箱中,油起到密封、润滑与冷却的作用。与冷却的作用。n工作原理:工作原理:当转子顺时针转动时,空气由被抽容器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。当转相连的区
9、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。动使气体不断地从被抽容器中抽出。n特点与使用:单独使用或用作其他泵的前级泵,低特点与使用:单独使用或用作其他泵的前级泵,低真空系统。真空系统。n缺点:油污染缺点:油污染附:干泵附:干泵涡轮分子泵涡轮分子泵 二、复合分子泵二、复合分子泵多级叶片连续压多级叶
10、片连续压缩保证了高抽速缩保证了高抽速(1000 1000 l/s)/s)牵引分子泵牵引分子泵 结构简单结构简单转速较小转速较小压缩比大压缩比大 复合式分子泵复合式分子泵涡轮分子泵抽气能力高涡轮分子泵抽气能力高牵引分子泵压缩比大牵引分子泵压缩比大极限真空度:极限真空度:10-110-8 Pa三、低温泵三、低温泵工作原理:依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性工作原理:依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质对气体分子的去除,进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度,吸附质对气体分子的去除,进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度,吸附物质的表面积和吸附气体的种
11、类等。物质的表面积和吸附气体的种类等。两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连,工作温蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连,工作温度在度在7080 K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧化碳等,主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏化碳等,主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏蔽板顶端或侧壁装有障板,向着低温板的一面涂蔽板顶端或侧壁装有障板,向着低温板的一面涂(镀)黑,外面镀银抛光,用以降低二级冷头的(镀)黑,外面镀银抛光,用以降低二级冷头的热负荷。主抽气低温板用铟垫片连接到制冷机二热负荷。主抽气低温板
12、用铟垫片连接到制冷机二级冷头上,外表面镀银抛光,内壁粘活性炭。低级冷头上,外表面镀银抛光,内壁粘活性炭。低温板工作温度低于温板工作温度低于20 K(通常为(通常为1415 K),能),能大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体。低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体。极限真空度:极限真空度:10-110-8 Pa附:罗茨泵附:罗茨泵 扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的,它不扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的,它不能直接在大气压下工作,而需要一定的预备真空能直接在大气压下工作,而需要一定的预备真空度(度(1.330
13、.133Pa)。)。一般与旋片机械泵串联使一般与旋片机械泵串联使用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压用。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散,一般能达到和气体分子的反扩散,一般能达到1.3310-5 1.3310-7Pa。抽气速率与结构有关,每秒几升抽气速率与结构有关,每秒几升几百升不等。几百升不等。油扩散泵的结构如示意图油扩散泵的结构如示意图 附:扩散泵附:扩散泵 泵的底部泵的底部是装有真空泵油的蒸发器,真空泵油经电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
14、伞形喷口向下喷出。喷口流管传输到上部,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,气体分子不可能长下飞去并且,在射流的界面内,
15、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。的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。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
16、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。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?思考:思考:加热钛靶蒸发生成钛膜,并与气体发生反应加热钛靶蒸发生成钛膜,并与气体发生反应 工作范围工作范围 10-8-10-11 Torr 价格便宜,可靠价格便宜,可靠附:钛升华泵附:钛升华泵 在阴阳两极之间加高压(5 kV)灯丝产生大量电子 气体分子被电离,并在电场作用下加速飞向阴极.离子在阴极靶(钛)上轰击出钛原子 溅射出来的钛和气体反应捕获气体 10-4 Torr to 10-11 Torr附:溅射离子泵附:
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