第二章真空技术 2.1真空的基本知识 2.2真空的获得 2.3真空的测量 电子神枝大学 1956 University ef Electroaic Science and Technology ef China
第二章 真空技术
2.1真空的基本知识 概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于1个大气压， 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 注意：真空，实际上指的是→一种低压的、稀薄的气体状态 →而不是指“没有任何物质存在” 宇宙真空：宇宙空间内存在的真空 因此，真空可分为 人为真空：利用真空设备获得的容器内真空 现代真空技术的极限：每cm空间内仅有数百个气体分子 →对应气压≈10-11Pa 电子料战女学 UniersityfrScincend fChina
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于1个大气压， 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 注意:真空，实际上指的是→一种低压的、稀薄的气体状态 →而不是指“没有任何物质存在” 因此，真空可分为 宇宙真空：宇宙空间内存在的真空 人为真空：利用真空设备获得的容器内真空 11 10 Pa 对应气压 3 现代真空技术的极限：每cm 空间内仅有数百个气体分子
2.1.1真空度的单位 ◆真空度采用气体压强表征令真空度的单位=气体压强的单位 →注意：真空度和气压的意义相反→令真空度↑意味着气压↓ 国际单位制(MKS制，即SI制)→Pa=lN/m2 厘米克秒制(CGS制)→1bar=106dyne/cm2 →主要单位制 英制(FPS制)→1PSI=11bf/in2 毫米汞柱制(mmHg制)→1torr=1mmHg=l/760atm →换算基础： 1N=105dyne=0.2251bf 1atm=760 mmHg(torr)=1.013X 105 Pa=1.013 bar=15 PSI 1mTorr=0.133 Pa 色子科越女学 UniersityfEcincedTfChina
真空度采用气体压强表征→令真空度的单位＝气体压强的单位 注意：真空度和气压的意义相反→令真空度↑意味着气压↓ 主要单位制 国际单位制（MKS制，即SI制）→Pa=1N/m 2 厘米克秒制（CGS制）→1bar= 106 dyne/cm2 英制（FPS制）→1PSI=1 lbf/in2 毫米汞柱制（mmHg制）→1torr=1mmHg=1/760atm 换算基础： 1N= 105 dyne=0.225lbf 1atm=760 mmHg(torr)=1.013× 105 Pa=1.013 bar=15 PSI 1mTorr= 0.133 Pa 2.1.1 真空度的单位
2.1.2真空区域的划分 真空区域：为了研究真空和实际应用的便利； →划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分： →划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分 相关物理： 1)Knudsen数（克努森数） 一气体分子的平均自由程 Kn D 一流场特征尺寸（如：管径，真空腔尺寸) 物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！ →分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流 粘滞流（层流、Poiseuille流） 粘滞分子流 分子流（自由分子流、Knudsen流） Km>1 色子科越女学 UniersityfrScincend fChina
真空区域：为了研究真空和实际应用的便利； →划分依据：按照各个压强范围内气体运动特征的不同进行划分； →划分准则：理论上，可依据Knudsen数的不同进行划分 相关物理： 1） Knudsen数（克努森数） —气体分子的平均自由程 —流场特征尺寸（如：管径，真空腔尺寸） 物理意义：是描述稀薄气体流动状态的准数！ →分子平均自由程大于流场特征尺寸时的气流称为Knudsen流 K n D 2.1.2 真空区域的划分
2.1.2真空区域的划分 2)理想气体状态方程 n PV= RT 式中： M n一分子密度（个/m3): k一玻尔兹曼常数， 1.38×10-23J/K P一气体压强(Pa); T一气体温度(K); V一气体体积(m3): m一气体质量(kg); M一气体分子量(kg/mol);R一普适气体常数， R=Nk =8.314J /mol.K W4一Avogadro'常数，6.02×1023个/mol n= P→A小ogadro定律： k 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同 色子科枝女学 UniersityfScinend Tf China
2.1.2 真空区域的划分 ,PV m P nkT RT M 式中： n—分子密度（个/m³）； k—玻尔兹曼常数， P—气体压强（Pa）； T—气体温度（K）； V—气体体积（m³）； m—气体质量（kg）； Ｍ—气体分子量（kg/mol）;R—普适气体常数， 8.314 / mol K; R N k J A 23 1.38 10 / J K 23 . mol NA—Avogadro常数，6 02 10 个/ P n Avogadro kT 定律： 一定温度、压力下，各种气体单位体积内含有的分子数相同 2）理想气体状态方程
2.1.2真空区域的划分 f(v) 3)气体分子的速度 最可几速度Vm:f(y)最大时的速度 VmVaUr Vu =1 (cm/s)讨论速度分布时 气体分子的均方根速度U, 3kT RT U,= m M =1.73, (cm/s)计算分子的平均动能时 M 气体分子的速度V 8kT 8RT RT 1.59 (cm/s)讨论分子运动的平均距离时 πm πM M 色子州皮女学 958 UniersityfScinend Tf China
3）气体分子的速度 讨论速度分布时 2 2 1.41 (cm/ s) m kT RT RT V m M M 计算分子的平均动能时 3 3 1.73 (cm/ s) r kT RT RT U m M M 气体分子的均方根速度 r U 讨论分子运动的平均距离时 8 8 1.59 (cm/ s) a kT RT RT V m M M 气体分子的速度 a V 最可几速度V m：f v 最大时的速度 2.1.2 真空区域的划分 P n mUr ) nkT 2 1 ( 3 2 2
2.1.2真空区域的划分 4)气体分子的自由程())：气体分子连续碰撞经历的路程 平均自由程元：气体分子自由程的统计平均值 = 1 kT √2πo2nV2πo2p 式中：o一分子直径(m) 表明： 1)九与P成反比，而与T成正比； 2)在气体种类和温度一定的情况下：入·P=const 电子转枝女学 UniersityfEcincedTfChina
2.1.2 真空区域的划分 4）气体分子的自由程（λ）：气体分子连续碰撞经历的路程 平均自由程 ：气体分子自由程的统计平均值 2 2 1 = 2 2 kT n P 式中：σ—分子直径（m） 表明： l） 与P成反比，而与T成正比； 2）在气体种类和温度一定的情况下： P const
2.1.2真空区域的划分 5) 真空区域的工程划分：空气在室温下满足元·P=6.667×10-3(m·Pa) P(Pa) 105 102 101 10-3 10-6 10-9 2(m) 6.667×10-8 6.667×105 6.667×10-2 6.667 6.667×103 6.667×106 尺度 数十nm 不到1um cm量级 若干米 数km 几千km Kn 1 >>1 气体分子 流动特征 粘滞流 过渡段 分子流 粘滞流 气体分子 大气状态 →分子流 分子数更少 运动特点 热运动剧烈 分子分子 器壁碰撞为主 粒子直线飞行 分子间无碰撞 碰撞频繁 与分子-器壁 器壁碰撞几率也低 碰撞几率相当 真空区域 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高 工程划分 真空 为了获得压力差 溅射或离子镀 蒸镀 分子束外延，表面分析 电子纳枝女学 UniersityfErScincendTfChina
为了获得压力差 溅射或离子镀 蒸镀 分子束外延，表面分析 2.1.2 真空区域的划分
2.1.2真空区域的划分 pressure (Torr) pressure (Pa) Atmospheric pressure 760 101.3kPa Low vacuum 760to25 100 kPa to 3 kPa Medium vacuum 25to1x103 3 kPa to 100 mPa High vacuum 1×10-3t01×109 100 mPa to 100 nPa Ultra high vacuum 1x109t01x1012 100 nPa to 100 pPa Extremely high vacuum <1×1012 <100 pPa Outer space 1x108to<3x10-17100Pat0<3Pa Perfect vacuum 0 0Pa 色子绅发女学 University of Electronic Science and Technology of China
2.1.2真空区域的划分
2.2真空的获得 真空泵的分类及常用工作压强范围 旋片式机械泵(Rotary Pump)） 单级：1051Pa双级：105102Pa 气体输 罗茨泵(Booster Pump/Roots Pump) 103-101Pa 油扩散泵(Diffusion Pump) 1-106Pa 泵 涡轮分子泵(Turbomolecular Pump) 1-108Pa 0 溅射离子泵(Ion Pump) 10-31011Pa 钛升华泵(Titanium Sublimation Pump) 1031011Pa 体捕获泵 低温冷凝泵(Cyro Pump) 1041011Pa 吸附泵(Sorption Pump) 102-103Pa 说明：从大气压强开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从latm到l08Pa的工作范围 →真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 →令实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！ 电子科发女学 UniersityfErScincendTfChina
2.2真空的获得 说明：从大气压强开始抽气，没有一种真空泵可以涵盖从latm到 Pa的工作范围 →真空泵往往需要多种泵组合构成复合抽气系统 →令实现以更高的抽气效率达到所需的高真空！ 8 10