V2薄膜物理与技术第一部分第二章.ppt

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1、第二章真空的获得一一.真空泵的分类真空泵的分类1.按极限真空分按极限真空分粗真空粗真空低真空，高真空，超高真空低真空，高真空，超高真空2.按抽气原理分：按抽气原理分：压缩型：气体进入泵经压缩排列空气中压缩型：气体进入泵经压缩排列空气中吸附型：把气体吸附住，暂时或永久保存在泵吸附型：把气体吸附住，暂时或永久保存在泵内。内。此外，有的泵对样品室有油污染，有的没油污染各种泵基本分类情况各种泵基本分类情况前级泵(低真空泵)次级泵(高真空、超高真空泵)压缩型机械泵、罗茨泵(有油)扩散泵(有油、高真空泵)涡轮分子泵(无油高及超高真空)吸附型吸附泵(无油)升华泵，升华离子泵，溅射离子泵，低温泵（无油及超高真

2、空）二.真空泵的基本参数1.抽速s含义：入口处某气压下，单位时间流入泵内的气体体积or3.流导C(1)定义：单位压强差的流量即用于衡量管道时气体的传输能力大小主要取决于管道几何尺寸和形状(2)长圆管道的流导条件：粘滞性流动时(3)圆孔的流导(分子性流动）4.流动形式判别法:(克努曾判别法)5.极限压强极限压强Pu泵对不漏气容器抽气时，经足够长时间所达到的泵对不漏气容器抽气时，经足够长时间所达到的最低平衡压强最低平衡压强6.最大工作压强最大工作压强泵能工作所允许的最大压强泵能工作所允许的最大压强7.压强的运用范围压强的运用范围泵具有相当抽气能力的压强范围泵具有相当抽气能力的压强范围1.旋片式机械

3、泵1机械泵的机械泵的Pu:5*10-4乇乇机机械械泵泵的的用用途途：抽抽低低真真空空；扩扩散散泵泵、分分子子泵泵的前级真空泵的前级真空泵机机械械泵泵的的结结构构：由由工工作作室室、进进气气管管、排排气气阀阀、油腔、气镇阀、马达构成油腔、气镇阀、马达构成工作室包括：定子、转子、旋片工作室包括：定子、转子、旋片旋旋片片装装于于转转子子上上并并将将定定子子分分成成三三部部分分：吸吸气气空空间；膨胀压缩空间；排气空间。间；膨胀压缩空间；排气空间。2工作原理：（见原理图）工作原理：（见原理图）利利用用转转子子及及其其上上的的旋旋片片的的高高速速旋旋转转使使分分成成三三部部分分的的各各泵泵腔腔容容积积发发

4、生生周周期期变变化化来来完完成成吸吸气气和和排气。排气。3泵的有害空间：泵的有害空间：旋旋片片、定定子子排排气气口口、转转子子与与定定子子接接触触处处三三者者构构成的空间。成的空间。此空间的气体无法被旋片扫出排气口。此空间的气体无法被旋片扫出排气口。4.影响极限真空的因素影响极限真空的因素:有害空间的存在有害空间的存在加工精度加工精度材料放气、漏气材料放气、漏气泵油受热分解泵油受热分解5.提高极限真空的措施提高极限真空的措施:6.气镇阀的作用气镇阀的作用:7.泵油的作用与选择泵油的作用与选择:8.使用的注意事项使用的注意事项:(1).在新场所首次使用前需检查马达转向在新场所首次使用前需检查马达

5、转向(2).停泵时注意避免返油停泵时注意避免返油(3).需需水水冷冷的的泵泵使使用用时时应应先先开开冷冷却却水水;用用油油正正确，油量合适确，油量合适2.罗茨泵3.扩散泵抽速：抽速：几百到几千几百到几千L/secL/sec。极限真空：极限真空：10 10-7-7 TorrTorr。特点：特点：抽速大，寿命长，易维修。抽速大，寿命长，易维修。缺点：缺点：会意外返油，使真空系统造成长久污染。会意外返油，使真空系统造成长久污染。用途：用途：次级泵，非常适合动态真空系统中使用。次级泵，非常适合动态真空系统中使用。工作压强：工作压强：10 10-2 2 Torr Torr以下以下工作机理：工作机理：1）

6、工作液体被加热器加热，产生蒸汽；）工作液体被加热器加热，产生蒸汽；2）蒸汽从喷嘴向下、向外喷出；）蒸汽从喷嘴向下、向外喷出；3）从入口处进来的气体被蒸汽裹入，产生向）从入口处进来的气体被蒸汽裹入，产生向下的动量；下的动量；4）带有气体的蒸汽以超音速喷向泵壁；）带有气体的蒸汽以超音速喷向泵壁；5）蒸汽和气体混合物与水冷的泵壁接触，蒸）蒸汽和气体混合物与水冷的泵壁接触，蒸汽被冷凝，再进入加热器；汽被冷凝，再进入加热器；裹夹的气体分子仍以获得向下的动量运动，在裹夹的气体分子仍以获得向下的动量运动，在底部被前级泵抽走。底部被前级泵抽走。扩散泵的结构与组成扩散泵的结构与组成:l l由由泵泵体体（带带冷冷

7、却却水水管管）、泵泵芯芯、电电炉炉挡挡油油气组成气组成l l迷宫式泵油分馏器迷宫式泵油分馏器必要性必要性:自动分馏原理自动分馏原理:对扩散泵油的要求对扩散泵油的要求:1.室温时饱和蒸气压要低室温时饱和蒸气压要低利于提高利于提高Pu沸沸腾腾时时饱饱和和蒸蒸气气压压要要高高便便于于在在较较高高的的出口压强下工作出口压强下工作2.热稳定性好热稳定性好抗氧化性能好抗氧化性能好化学性质好、无毒化学性质好、无毒3.表面张力强表面张力强4.闪点高、沸点低、汽化热小闪点高、沸点低、汽化热小8.扩散泵的使用注意事项扩散泵的使用注意事项:（1）样样品品室室及及扩扩散散泵泵用用机机械械泵泵抽抽到到10-2乇乇才能加

8、热泵油才能加热泵油（2）加热扩散泵前应先开冷却水）加热扩散泵前应先开冷却水（3）扩扩散散泵泵工工作作时时始始终终必必须须有有冷冷却却水水和和机机械泵械泵（4）要要用用扩扩散散泵泵抽抽样样品品室室前前，样样品品室室真真空空度不低于度不低于10-2乇乇（5）扩散泵下部冷后才能停水、关机械泵）扩散泵下部冷后才能停水、关机械泵（6）泵油量合、水量适、加热功率正确）泵油量合、水量适、加热功率正确4.吸附泵与低温泵（1）极限真空与用途）极限真空与用途:单泵时单泵时:1Pa;双泵联用：双泵联用：10-2Pa；用于配合离子泵抽超高真空用于配合离子泵抽超高真空（2）吸附泵结构）吸附泵结构:（3）抽气原理）抽气原

9、理:利用微孔材料低温下大量吸气的原理利用微孔材料低温下大量吸气的原理（4）分子筛的特点）分子筛的特点:高效吸附；选择吸附；可再生高效吸附；选择吸附；可再生(5）吸附泵的使用）吸附泵的使用:对分子筛加热再生（对分子筛加热再生（300-350度度);当抽气能力明显下降时要当抽气能力明显下降时要550度激活度激活5.升华泵n抽速：抽速：10106L/sec。n极限真空：极限真空：水冷时：水冷时：10-5-10-6Pa液氮冷：液氮冷：10-9Pan优点：优点：对活性气体抽速大（有的可达对活性气体抽速大（有的可达106L/sec）n缺点：缺点：对甲烷和惰性气体抽速很小对甲烷和惰性气体抽速很小；n用途：用

10、途：快速提升真空度时用，作次级泵；为节省钛，快速提升真空度时用，作次级泵；为节省钛，采用间采用间断性运行断性运行钛升华器钛升华器 升华泵升华泵:操作要领：操作要领：1 1）在真空压强小于）在真空压强小于10106 6 TorrTorr时使用；时使用；2 2）使用前对）使用前对TiTi除气除气3 3）不要连续使用时间过长，特别是在压强较）不要连续使用时间过长，特别是在压强较高时，否则会脱附大量过去吸附的气体，污高时，否则会脱附大量过去吸附的气体，污染样品。染样品。各种常见气体在不同的温度下，在Ti材料上的吸附速度数据见图升华泵的使用升华泵的使用注意事项注意事项:l真空度低于真空度低于10-6乇才

11、能启用乇才能启用l l加温加温1200-1500度，不能超过度，不能超过1600度度l l因因Ti储储量量有有限限，不不作作主主泵泵用用，而而与与其其他他泵泵联合使用联合使用l l为省为省Ti，超高真空时采用间断升华超高真空时采用间断升华升华泵的特点：升华泵的特点：活性气体抽速很大活性气体抽速很大107L/S，惰性气体抽速很小，惰性气体抽速很小，寿命取决于灯丝及寿命取决于灯丝及Ti储量。储量。6.升华离子泵（1）Pu=10-12乇乇（2）结结构构：比比升升华华泵泵多多一一套套使使气气体体电电离离定定向向加速分流（电离器）加速分流（电离器）（3）工作原理工作原理:（4）特特点点：抽抽速速比比升升

12、华华泵泵大大；解解决决升升华华泵泵抽抽惰性气体差的问题惰性气体差的问题(5)(5)缺点：高温元件多，易损坏，电源较多缺点：高温元件多，易损坏，电源较多7.溅射离子泵抽速：抽速：1 500 L/sec。极限真空：极限真空：10-11乇乇(Torr)。特点：特点：安静，不将气体排除到真空系统外。安静，不将气体排除到真空系统外。用途：用途：静态真空系统超高真空的获得，次级泵。静态真空系统超高真空的获得，次级泵。工作压强：工作压强：10-5乇乇工作原理：工作原理：1）高压（几千伏）电场使阴阳之间放电，产生电子；高压（几千伏）电场使阴阳之间放电，产生电子；2）在强磁场（几千高斯）下，电子螺旋运动，因而在

13、强磁场（几千高斯）下，电子螺旋运动，因而电子运动路程被大大加长，与气体分子发生碰撞电子运动路程被大大加长，与气体分子发生碰撞并将气体电离的几率大大增加；并将气体电离的几率大大增加；3）产生的气体离子向钛阴极加速；产生的气体离子向钛阴极加速；4）被加速的气体离子把阴极材料原被加速的气体离子把阴极材料原/分子溅射出来分子溅射出来,产生新鲜表面产生新鲜表面,化学吸附离子和气体，或将它们埋化学吸附离子和气体，或将它们埋起来；起来；5）部分钛原部分钛原/分子沉积在阳极表面，此阳极表面也分子沉积在阳极表面，此阳极表面也吸附气体分子。吸附气体分子。8.涡轮分子泵抽速：抽速：35 35 25000 25000

14、 L/secL/sec极限真空极限真空：10-10-10-11 Torr优点：优点：无碳氢化合物污染，启动压强较高，无碳氢化合物污染，启动压强较高，对前级泵要求不苛刻。对前级泵要求不苛刻。缺点：缺点：对氢气抽除不理想，机械加工精密度对氢气抽除不理想，机械加工精密度要求高，维修难。要求高，维修难。用途：用途：静、动态超高真空抽空，次级泵。静、动态超高真空抽空，次级泵。工作原理：工作原理：1 1）快速转动的涡轮叶片（快速转动的涡轮叶片（10000 10000 50000 50000 rpmrpm）将动能（速度）传递给气体分子；将动能（速度）传递给气体分子；2 2）被转子缝隙捕获的分子朝定子缝隙方向飞去；被转子缝隙捕获的分子朝定子缝隙方向飞去；3 3）气体分子不断被加速气体分子不断被加速4 4）在前级处被甩出分子泵，被前级泵抽除。在前级处被甩出分子泵，被前级泵抽除。注意：涡轮分子泵的工作原理并不是将气体抽出系注意：涡轮分子泵的工作原理并不是将气体抽出系统，而是通过动能传递将气体甩出系统。统，而是通过动能传递将气体甩出系统。