《真空技术基础》PPT课件.ppt

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1、真空技术基础Fundamental Vacuum Technology Plan:田永,沈烨,陈路 Report:陈路1.1.真空的介绍真空的介绍2.2.真空的获得真空的获得3.3.真空的测量真空的测量“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。自然真空：宇宙空间所自然存在的人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的绝对真空：完全没有气体的空间状态相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空（Vacuum）真空技术的发展历史最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六

2、世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲gu”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以

3、上760毫米时，就不再下降了。1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。盖德发明的机械泵盖德发明的分子泵真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其

4、是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。现代的有扩散泵今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。今天的真空技术：105pa 10-13pa真空技术的应用领域电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、冶金、日常生活等各个领域。（电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、杜瓦绝热）需要真空系统的微加工设备：电子束光刻设备，热CVD，镀膜设备，热处理设

5、备等等真空量度单位l1标准大气压=760mmHg=760Torrl1标准大气压5 Pal1mbar=100PalPSI:磅（力）/平方英寸。1MPa=145PSI760 mm HgVacuumATM11单位单位帕帕/Pa托托/Torr毫巴毫巴/mbar标准大气压标准大气压1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba1000.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1l真空（压强）单位l 真空度和压强压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越

6、低。国际单位：帕斯卡（Pascal）Pa常用单位：托（Torr）毫米汞柱（mmHg）巴（bar）标准大气压（atm）真空度可分为：压力范围和真空泵 气流种类真空状态真空压力特性分析应用范围黏滯流(Viscous flow)初真空：10 Pa105 Pa10 Pa105 Pa气体分子间因黏滯力作用，气体运动有方向性，此方向与抽气方向相同 工业应用（包装）過渡流(Transition flow)中真空：10-2 Pa10 Pa10-2 Pa10 Pa真空度在10-6Torr以内时，水汽占70%-90%CVD沉积技术分子流(Molecular flow)高真空：10-2 Pa10-6 Pa 气体分子

7、跟管壁间碰撞教分子间碰撞多。气体分子间随意运动方向。溅射沉积技术超高真空：10-6Pa10-10Pa原子表面和界面分析极高真空：10-10Pa 10-9 Pa 月球大气压强，10-15Pa 星际空间压强超高真空超高真空为得到超纯的或精确掺杂的镀膜或分子束外延生长晶体创造了必要的条件，这促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表面结构、表面

8、组分及表面能态等基本研方面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了发展。真空的获得l气体传导率串联的气体传导率：1/C=1/C1+1/C2+1/C3+并联的气体传导率：C=C1+C1+C3+气体流动及导率泵1泵2真空室真空室泵1泵2并联可以提高抽速 串联可以提高极限真空度16大气状态大气状态所需真空度所需真空度真空泵：真空泵：具有抽气功能的设备具有抽气功能的设备复合真空泵：复合真空泵：前级泵次级泵前级泵次级泵真空泵的分类真空泵的分类（1 1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵。b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：

9、依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获，并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。真空泵简介旋转叶片真空泵(机械泵)工作原理：依靠放置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片，将气体 隔离，压缩，然后排除泵体之外。极限真空：单级为2010-3 Torr；两级串联能低于110-3 Torr机械泵的抽气原理机械泵的结构 泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体间无需油作密封，转速高，抽速快。罗茨（罗茨（Roots)Roots)真空泵真空泵(无油泵无油泵)工作原理：（a）进气 （b）隔离（c）压缩（d）排气高真空用真空高真空用真空泵高真空泵分为两类（1）转移动量给气

10、态分子而抽吸气体 扩散泵 （vapour pump）分子泵 (turbo pump)（2）俘获气体分子 冷泵 （Cryo Pump）离子泵 （Ion pump）涡轮分子泵涡轮分子泵（Turbo pumb）工作原理：靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以20000-35000转/分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。Turbo Pump 工作原理图冷泵（冷泵（CryopumpCryopump）l工作原理：依靠气体分子在低温条件（100 K）下自发凝结或被其它物质表面吸附的性质实现对

11、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类等。l优点：无振动，抽速快l广泛用于受控核聚变，粒子加速器和现代半导体技术领域l抽气原理分成以下三个机构：（1）低温冷凝（2）低温吸附（3）低温捕获第一级冷凝面第二级冷凝面比较：工作方式类型抽气类型工作原理极限真空优点与使用缺点机械泵螺旋机械叶片泵气体由特定空间内除去并排除至大气气体压缩或膨胀10-3 Pa结构简单，单独使用或者作为前级泵。存在油污染及水蒸气的问题。变容积式泵罗茨(Roots)泵无油真空系统，价格较贵，需要机械泵预抽真空；泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；当气体压力低于10-1 Pa时，

12、气体回流造成抽速降低气体动力式涡轮分子泵分子牵引10-8 Pa 与旋片机械泵串联使用，需要机械泵抽预真空(1Pa)；无油污染。价格昂贵。离子泵冷泵欲除之气体不排除大气，而是通过物理或化学的方式永久或暂时吸附在系统中物理吸收作用10-8 Pa 需要机械泵抽预真空(10-1pa)；无油高真空，无振动，抽速快。价格较贵；高温时，被吸附的气体又释放出来。真空真空计简计简介介定义：真空气压计是测量真空度或气压的仪器简称真空计（Vacuum gauges）又称规。是依据各种物理原理來量测压力或分子数目的多少。在科研和工业生产中广泛使用。真空度依范围区分依种工作原理区分粗略真空760 1Torr液体静态真空

13、计中度空1 10 Torr热传导式真空计皮拉尼(Pirani）高真空10-3 107 Torr电容式真空计超高真空10-7 Torr以下离子化真空计l 真空测量元件常被称为真空规，真空测量技术分为低真空和高真空测量；1、电离真空计2、电容压力计3、热偶真空规4、电离真空规 水银真空计直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)。压缩型真空计测量范围：103 10-3 PaU型计测量范围：105 10 Pa电容真空计l工作原理：通过薄膜在气压力差下产生机械位移，测量电极间电容对气压进行绝对测量，测量结果与气体种类无关。电容真空计原理图如图所示，在不同压力下金属膜片受力不同会有不同尺

14、度的变形，使得金属膜片和电极之间的电容变化，通过测量电容的变化量，即可知道金属膜片上气压的变化。这种规的测量范围一般横跨4个量级，比如可能是至100Pa、至1000Pa等。热偶真空计，皮拉尼(Pirani)真空计l热偶规工作原理：气体的热导率随气体压力变化，通过热电偶测出热丝的温度，也就相应的测出了环境的气体压强。l皮拉尼工作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现对真空度的测量。电离真空规l工作原理：它由阴极，阳极和离子收集极组成，热阴极发射电子飞向阳极过程中，使气体分子电离，并被收集电极收集形成电流，根据离子电流测出气体压强。l特点与使用：属高真空和超高真空测量，通常与热偶规同时使用。种类

15、测量范围特点注意电容真空计10-3103Pa灵敏度高、气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快使用前一般需要预热数小时。必须在高于环境温度的恒温条件下使用。皮拉尼(Pirani)0.1Pa1atm整个线性误差允许范围是正负百分之，其中a-1Pa这一段线性最好，也就是从中真空段到低真空段部分因各种气体的比热及其撞击灯丝时带走的热量不尽相同，所以需要对测量不同的气体进行校正，否则误差甚大。热偶真空计1300Pa精度不高，但是电路简单,价格低廉。电离真空计Ion gauge10-10-10-13Torr应用于高真空至超高真空领域,定量性能优异。通常与热偶规同时使用比较：1.小型化

16、：是电子技术发展的产物,它又是一体化和集成化的基础2.一体化：可以提高测量准确度3.集成化：可以更好地适应在实际真空系统中的应用4.智能化：依赖于计算机技术的迅速发展5.系统化:可满足工业自动化的需求,亦与计算机技术密切相关因此,真空计向小型化、一体化、集成化、系统化和智能化方向的发展,是在迅速发展的电子技术和计算机技术的推动下,为满足应用的需求而产生的结果。真空计的发展趋势低真空系统l系统组成：真空室；机械泵；热偶规l应用 低压化学汽相薄膜沉积；真空包装等真空室机械泵控制与测试电磁阀热偶规高真空系统l系统组成：真空室；分子泵或油扩散泵；机械泵；热偶电离复合规-l应用:溅射沉积和蒸发等镀膜系统.真空室机械泵控制与测试电磁阀复合真空规扩散泵或分子泵超高真空系统n系统组成：真空室；分子泵或油扩散泵；机械泵；离子泵；热偶电离复合真空规n应用 表面，界面及原子操纵 真空室机械泵控制与测试电磁阀复合真空规扩散泵或分子泵离子泵