7-0_真空技術基礎知識

1、1第七單元第七單元真空技術真空技術70真空技術基礎知識真空技術基礎知識“真空”是指氣體分子密度低于一個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驗，將一端密封的長管注滿水銀倒放在盛有水銀的槽里時，發(fā)現(xiàn)了水銀柱頂端產(chǎn)生了真空，確認了真空的存在。此后，人們不斷致力于提高真空度，隨著科學技術的發(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、間或分子與其它質點之間的碰撞次數(shù)減小，分子在一定時間內碰撞于表面上的次數(shù)亦相對減小，這導致其有一系列新的物化特性，諸如熱傳導與對流減小，氧化作用小，氣體污染小，氣化點降低，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已發(fā)展成為先進技術之一，目前，在高能粒子加速器、大規(guī)模集成電路、表面科學、薄膜技術、材料工藝和空間技術等科學研究的領域中占有重要地位，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在電子工業(yè)的生產(chǎn)中起著關鍵的作用。一、真空物理基礎

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。單位體積內的分子數(shù)越少，氣體壓強越低，真空度越高，習慣上采用氣體壓強高低來表征真空度。在SI單位制中，壓強單位為牛頓米2（Nm2）：1牛頓米2=1帕斯卡（Pal），（701）帕斯卡簡稱為帕（Pa），由于歷史原因，物理實驗中常用單位還有托（Tr）。1標準大氣壓（atm）=1.0135105(Pa)，1托=1760標準大氣壓（702）1托=133.3帕斯卡習慣采用的毫米汞柱（mmHg

4、）壓強單位與托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。各種單位之間的換算關系見附表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）與真空技術的發(fā)展歷史密不可分。通常可分為：低真空（）、高真空（）、超高真空（）和極高真空Pa10~1013?Pa10~1061??Pa10~10106（低于）。Pa1010?20世紀70年代進一步提高到的寬達20個數(shù)量級的真空度范圍，并隨著某些新技術、新材料、新工藝的應用和開拓，將進一步接近

5、理想的真空狀態(tài)。3描述真空物理性質的主要物理參數(shù)（1）分子密度：用于表示單位體積內的平均分子數(shù)。氣體壓強與密度的關系為（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)兩次碰撞的間隔時間里所通過的平均距離。對同一種氣體分子的平均自由程為（704）pkT22????3當轉子逆時針轉動時，開始處于圖702（a）的位置，由進氣口進入轉子與定子之間部分空腔III的體積不斷

6、擴大，而出氣口與轉子、定子間的部分空腔I體積不斷縮小，如圖702（b）；空腔I內的體積繼續(xù)被壓縮，當壓強大到足以推開排氣閥時，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。轉子轉到圖702（c）時，空腔I排氣即將結束，空腔II即將與排氣口相通，開始壓縮排氣過程；空腔III繼續(xù)抽氣。轉子到圖702（d）的位置時，又開始重復上述過程。機械泵具有結構簡單，工作可靠的優(yōu)點，機械泵可以從大氣壓開始進行工作，不僅可單獨使用，常用來

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

8、）向下高速噴出，帶動氣體分子，使它自上而下作定向流動，氣體被迫向排氣口方向運動，而被排氣口的機械泵抽走，擴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，這樣周而復始，從而達到連續(xù)抽氣。為了提高擴散泵的極限真空，擴散泵內通常有3至4個串聯(lián)的噴嘴，如圖703所示的是由鋁合金材料制成的3個噴嘴的3級擴散泵的結構示意圖。一般油擴散泵的極限真空為104～105Pa。油擴散泵的一個缺

9、點是泵內的油蒸汽的回流容易造成真空系統(tǒng)的污染。由于這個原因，在材料表面分析儀器和其他超高真空系統(tǒng)中一般不采用油擴散泵。使用油擴散泵時應注意幾點：（1）不能在斷水時使用。油擴散泵工作時冷卻水的作用很大，若水冷作用不夠，就會使泵油的循環(huán)作用減弱、油蒸汽壓提高而妨礙其工作。（2）應選擇適當?shù)募訜峁β?。加熱功率過低，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）要保證其預備真空和前級真空，盡量避免大氣沖入