ch真空技术基础实用.pptx

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1、 用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度。帕斯卡（pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描述真空的独特单位 此外，mmHg、atm、bar等。TheonlyonewhichislegalRelative PressureAbsolute Pressure第1页/共46页4.Pressure unitPressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.86910-67.50110-3Bar10000019.86910-17.501102Atm1013251.013251760Torr133.320.00133

2、31.31610-31第2页/共46页6.真空的划分 粗真空粗真空 105102Pa:目的是获得压差目的是获得压差 vacuumcleaner,vacuum-filter，CVD 低真空低真空 10210-1Pa:气体分子运动特征改变，气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征电场下具有导电特征 vacuum-bottle,vacuum-desiccator,vacuum-impregnation，Sputtering,LPCVD高真空高真空 10-110-6Pa:Evaperation,Ionsource超高真空超高真空 10-6Pa：Surfaceanalysis，ParticlePhysi

3、cs第3页/共46页1-2 稀薄气体的基本性质 低压状态下，可用理想气体的状态方程（波义尔定律、盖吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦玻尔兹曼分布。PVnmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.Ideal gas equation第4页/共46页2.气体分子的速度分布 麦克斯韦速度分布函数 f（v）表示分布在速度v附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率 第5页/共46页vf(T,M)第6页/共46页3.三个重要速度表示最可几速度Vp：f(v)最大时的速度平均速度Va均方根速度Vrms 第7页/共46页

4、4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程 其中:n气体分子密度，标准状态，n3*1019 分子直径,several angstrom第8页/共46页代入理想气体状态方程 得:对于25空气 cmnIspropotionaltoT?第9页/共46页碰撞几率气体分子运动气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。的距离以后，彼此间碰撞的几率。误区：f 与成反比。x=,f63%x=0.1,f9%第10页/共46页5.分子通量与余弦散射律（1）分子通量F F（入射频率n n）：单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数 vaF Fn n3.5131

5、022P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisintorr.2.641020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）WhenPisinpascal.（克努森方程）第11页/共46页（2）气体分子从固体表面的反射几率 A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。第12页/共46页Viscous Flow(momentumtransferbetweenmolecules)Molecular Flow(moleculesmoveindependently)6.气体的流动第13页/共

6、46页SYSTEMPUMPC1C2Series ConductanceRT=R1+R21 =1 +1C1C2CT1 =C1+C2C1 x C2CTCT =C1 x C2C1+C2第14页/共46页气源2.吸附气体：吸附气体：1.空间气体：很容易被抽走物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附 放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、超高真空阶段为主要放气源。超高真空阶段为主要放气源。真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷 除气手段：烘烤、离子轰击除气手段：烘烤、离子轰击3.系统漏气：密封：O形橡胶圈：高真空形橡胶圈：高真空金属密封圈：超高真空

7、金属密封圈：超高真空第15页/共46页1-3 真空的获得 典型的真空系统包括：真空室(Chamber)，真空泵(Vacuum Pump),控制系统(Control system)，真空计(Vacuum Gag)真空系统的两个重要参数：极限真空（本底真空,Base pressure or Ultimate pressure），抽气速率(Pumping speed)第16页/共46页主要的真空泵 油封机械泵、分子泵、罗茨泵 原理：利用机械力压缩 油扩散泵 原理：油蒸汽喷射形成压差 溅射离子泵、钛升华泵 原理：溅射形成吸气、升华形成吸气 冷凝泵 原理：将气体冷凝成液态/冷凝吸附 第17页/共46页1

8、.机械泵（旋片式机械泵）转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作用。旋片转动一周后 经n个循环后 第18页/共46页 Pn不可能趋于零，因为：A.在出气与转子密封点之间存在着“有害空间”。B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。D.水蒸汽凝结，形成悬浊液解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa10-2Pa采用高温泵油气镇阀第19页/共46页2.Roots-罗茨泵两个8字形共轭的转子，转子之间、转子与泵壁之间无油，间隙0.1mm高速转动：可达3000转/分，抽气时无压缩，工

9、作原理：容积泵+分子泵。机械增压泵Pump/BlowerPackages第20页/共46页3.扩散泵 扩散泵油被加热后沿喷嘴向下喷射，速度可达200m/s，由空气动力学原理与进气口形成压力差，使气体向下扩散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。第21页/共46页First stage vapors are separated from others第22页/共46页How the Pump Works第23页/共46页4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbos第24页/共46页l气体随转子作圆周运动，获得离心力，

10、与转子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。条件：（1）起始工作气压小，入大。常压下，空气=0.06m，1.3Pa，=4.4mm要求大于叶片间距。（2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分子量大、气体易抽，H2难抽H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体中。85%为H2。第25页/共46页第26页/共46页Pump OperationMoleculeVMoving Wall with Speed VPrinciple of the Turbomolecular Pump第27页/共46页5.钛升华泵加热热丝至足够高温（1100），钛直接升华，钛沉积在器壁内

11、腔上，形成新鲜钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结合形成稳定化合物（TiO，TiN），达到抽气的目的：吸附作用，物理+化学（为主）。极限真空：10-10Pa 注意：（1）控制升华速率，使钛充分反应，否则无效；（2）吸气面大，抽速高。第28页/共46页6.溅射离子泵 阳极为多个不锈钢圆筒或四方格、六方格组成,阴、阳极之间加有高压，在阳极小室里产生放电。特点：极限真空10-10Pa，对油污染敏感 第29页/共46页7.冷凝泵第30页/共46页1-4 真空的测量 几种真空计的工作原理与测量范围 U形管压力计 利用大气压与真空压差 测量范围（Pa）105102 电阻真空计、热偶真空计 利用气体分

12、子热传导 测量范围（Pa）10410-2 第31页/共46页热阴极电离真空计、B-A型真空计 利用气体电离与压强的关系 测量范围（Pa）10-110-6、10-110-10潘宁磁控电离计 利用磁场中电离与压强的关系 测量范围（Pa）110-5 气体放电管 利用气体放电与压强的关系 测量范围（Pa）1031 第32页/共46页1.Bourdon Gauge第33页/共46页2.Heat Transfer GaugesThermocouple gaugeandPirani Gauge第34页/共46页热偶真空计 在低气压下，气体传导的热量与压强成正比，对一热丝进行加热，在平衡时其温度应恒定，用热电

13、偶测量热线温度的变化，即可知压强的变化，若测量热丝电阻值的变化，即为热阻真空计。Q=Q1辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量 第35页/共46页热导规对不同气体的灵敏度第36页/共46页3.Capacitance Manometer第37页/共46页4.电离真空计 类似于一真空三极管，灯丝发射电子使气体电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，收集极收集离子数的多少，即可知压强P的大小。注意：不可在高气压下使用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。第38页/共46页电离规对不同气体的相对灵敏度气体对N2相对灵敏度Sr气体对N2相对灵敏度SrH20.46He0.17Ne0.25A

14、r1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空气1.0H2O0.9Hg3.4扩散泵油气9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.70第39页/共46页5.温度对压力测试准确性的影响两连通容器的压力：1.低真空：粘滞流情况，平衡条件是压力相等 P1=P2，2.高真空：分子层流情况，平衡条件是流导相等例：真空室温度600，规管温度25，测量压力只有真实压力的58。第40页/共46页1-5 真空部件第41页/共46页Bellows波纹管第42页/共46页1-8 真空系统第43页/共46页1-9 基片的性质玻璃 陶瓷单晶金属塑料机械性能热学性能化学性能电

15、学性能声学性能磁学性能光学性能晶体结构第44页/共46页真空术语VacuumGlossaryLeak泄漏VirtualLeak虚漏Permeation渗入Outgasing放气Throughput抽气量Conductance流导PumpingSpeed抽速TurboPump涡轮分子泵DiffusionPump扩散泵RoughingPump低真空泵VaporPressure蒸汽压Condensation凝结PartialPressure分压AverageVelocity平均速度MeanFreePath平均自由程Diffusivity扩散率VacuumGage真空计第45页/共46页感谢您的欣赏！第46页/共46页