7-0 真空技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

1、1第七單元第七單元真空技術(shù)真空技術(shù)70真空技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)真空技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)“真空”是指氣體分子密度低于一個(gè)大氣壓的分子密度稀薄氣體狀態(tài)。真空的發(fā)現(xiàn)始于1643，那年托利拆利（E.Tricelli）做了有名的大氣壓力實(shí)驗(yàn)，將一端密封的長(zhǎng)管注滿水銀倒放在盛有水銀的槽里時(shí)，發(fā)現(xiàn)了水銀柱頂端產(chǎn)生了真空，確認(rèn)了真空的存在。此后，人們不斷致力于提高真空度，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠獲得低于1010Pa的極高真空。在真空狀態(tài)下，由于氣體稀薄，分子之

2、間或分子與其它質(zhì)點(diǎn)之間的碰撞次數(shù)減小，分子在一定時(shí)間內(nèi)碰撞于表面上的次數(shù)亦相對(duì)減小，這導(dǎo)致其有一系列新的物化特性，諸如熱傳導(dǎo)與對(duì)流減小，氧化作用小，氣體污染小，氣化點(diǎn)降低，高真空的絕緣性能好等等，這些特征使得真空特別是高真空技術(shù)已發(fā)展成為先進(jìn)技術(shù)之一，目前，在高能粒子加速器、大規(guī)模集成電路、表面科學(xué)、薄膜技術(shù)、材料工藝和空間技術(shù)等科學(xué)研究的領(lǐng)域中占有重要地位，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在電子工業(yè)的生產(chǎn)中起著關(guān)鍵的作用。一、真空物理基礎(chǔ)

3、1真空的表征表征真空狀態(tài)下氣體稀薄程度的物理量稱為真空度。單位體積內(nèi)的分子數(shù)越少，氣體壓強(qiáng)越低，真空度越高，習(xí)慣上采用氣體壓強(qiáng)高低來表征真空度。在SI單位制中，壓強(qiáng)單位為牛頓米2（Nm2）：1牛頓米2=1帕斯卡（Pal），（701）帕斯卡簡(jiǎn)稱為帕（Pa），由于歷史原因，物理實(shí)驗(yàn)中常用單位還有托（Tr）。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）=1.0135105(Pa)，1托=1760標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（702）1托=133.3帕斯卡習(xí)慣采用的毫米汞柱（mmHg

4、）壓強(qiáng)單位與托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。各種單位之間的換算關(guān)系見附表712真空的劃分真空度的劃分（不同程度的低氣壓空間的劃分）與真空技術(shù)的發(fā)展歷史密不可分。通?？煞譃椋旱驼婵眨ǎ?、高真空（）、超高真空（）和極高真空Pa10~1013?Pa10~1061??Pa10~10106（低于）。Pa1010?20世紀(jì)70年代進(jìn)一步提高到的寬達(dá)20個(gè)數(shù)量級(jí)的真空度范圍，并隨著某些新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用和開拓，將進(jìn)一步接近

5、理想的真空狀態(tài)。3描述真空物理性質(zhì)的主要物理參數(shù)（1）分子密度：用于表示單位體積內(nèi)的平均分子數(shù)。氣體壓強(qiáng)與密度的關(guān)系為（703）nkTp?其中n為分子密度，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為氣體溫度。（2）氣體分子平均自由程：平均自由程是指氣體分子在連續(xù)兩次碰撞的間隔時(shí)間里所通過的平均距離。對(duì)同一種氣體分子的平均自由程為（704）pkT22????3當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開始處于圖702（a）的位置，由進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子與定子之間部分空腔III的體積不斷

6、擴(kuò)大，而出氣口與轉(zhuǎn)子、定子間的部分空腔I體積不斷縮小，如圖702（b）；空腔I內(nèi)的體積繼續(xù)被壓縮，當(dāng)壓強(qiáng)大到足以推開排氣閥時(shí)，氣體被排出泵外；空腔II繼續(xù)傳送被隔離氣體，空腔III繼續(xù)抽氣。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖702（c）時(shí)，空腔I排氣即將結(jié)束，空腔II即將與排氣口相通，開始?jí)嚎s排氣過程；空腔III繼續(xù)抽氣。轉(zhuǎn)子到圖702（d）的位置時(shí)，又開始重復(fù)上述過程。機(jī)械泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械泵可以從大氣壓開始進(jìn)行工作，不僅可單獨(dú)使用，常用來

7、獲得高真空系統(tǒng)的前級(jí)泵，以獲得更高的真空度。機(jī)械泵一般所能達(dá)到的極限真空約為102Pa但在一般實(shí)驗(yàn)室情況下只能達(dá)到100101Pa。2油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵是常用的獲得高真空的設(shè)備，擴(kuò)散泵不能直接在大氣壓下工作，需要在機(jī)械泵產(chǎn)生的低真空條件下工作，圖703為常用的油擴(kuò)散泵的工作原理圖。泵的上部為進(jìn)氣口，泵的底部為蒸發(fā)器，用來貯存硅樹脂類擴(kuò)散泵油(簡(jiǎn)稱硅油)或其它專用的擴(kuò)散泵油。當(dāng)加熱爐加熱槽中的硅油，油蒸汽流沿管筒上升，從傘形噴嘴（三個(gè)或四個(gè)

8、）向下高速噴出，帶動(dòng)氣體分子，使它自上而下作定向流動(dòng)，氣體被迫向排氣口方向運(yùn)動(dòng)，而被排氣口的機(jī)械泵抽走，擴(kuò)散泵的名稱也由此而來。油蒸汽碰到有冷卻水管冷卻的泵壁上冷凝，油分子被冷凝為液態(tài)，沿著泵壁流回蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)使用，這樣周而復(fù)始，從而達(dá)到連續(xù)抽氣。為了提高擴(kuò)散泵的極限真空，擴(kuò)散泵內(nèi)通常有3至4個(gè)串聯(lián)的噴嘴，如圖703所示的是由鋁合金材料制成的3個(gè)噴嘴的3級(jí)擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)示意圖。一般油擴(kuò)散泵的極限真空為104～105Pa。油擴(kuò)散泵的一個(gè)缺

9、點(diǎn)是泵內(nèi)的油蒸汽的回流容易造成真空系統(tǒng)的污染。由于這個(gè)原因，在材料表面分析儀器和其他超高真空系統(tǒng)中一般不采用油擴(kuò)散泵。使用油擴(kuò)散泵時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)：（1）不能在斷水時(shí)使用。油擴(kuò)散泵工作時(shí)冷卻水的作用很大，若水冷作用不夠，就會(huì)使泵油的循環(huán)作用減弱、油蒸汽壓提高而妨礙其工作。（2）應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募訜峁β省＜訜峁β蔬^低，油蒸汽無法形成，泵不能工作；加熱功率過高，使油蒸汽過熱甚至分解，大大降低其性能。（3）要保證其預(yù)備真空和前級(jí)真空，盡量避免大氣沖入