真空获得和真空镀膜董宝杰.pptx
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1、1引言引言 真空技术是基本实验技术之一。自从1643年托里拆利(E.Torricelli)做了著名的有关大气压力实验,发现了真空现象以后,真空技术迅速发展。现在,它的基本内容包括:真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展,真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo,其意义是虚无。其实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。真空状态下气体稀薄程度称为真空度,通常用压力值表示。第1页/共49页2一、真
2、空一、真空简介简介1、真空的意义、真空的意义在常温下常压,气体分子的平均速率极高,但气体分子的扩散速率较之分子的平均速率却小得多。由于常温常压下分子数密度极大,气体分子在运动过程中必然与其他分子作频繁的碰撞而在真空中,气体分子密度低,在某些情况下,真空可以近似地看作没有气体“污染”的空间。第2页/共49页3关于真空对于我们的意义,可以用以下两个公式来定量的说明:其中M和T分别为气体分子的分子量(单位:g)和温度(单位:K)其中为分子直径,p为压强,T为气体温度,k为玻耳兹曼常数单位面积上气体分子碰撞频率:气体分子或带电粒子的平均自由程:第3页/共49页4 例如室温下氮分子的平均自由程在压强为1
3、0-9Torr时将长于50km。电子和离子在气体中的平均自由程分别是气体分子平均自由程的 5.66 和 1.41 倍。因此除非在宇宙空间,几乎所有地面上体积有限的超真空系统中,气体分子之间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可以近似忽略。在普通高真空,例如10-6Torr时,对于室温下的氮气,v=4.4*1014分子/c s,如果每次碰撞均被表面吸附,按每平方厘米单分子层可吸附5*1014个分子计算,一个“干净”的表面只要一秒多钟就被覆盖满了一个单分子层的气体分子:而在超高真空10-10Torr或更高时,由同样的估计可知“干净”表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十小时之久。第4页/共49页5 因
4、此,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不明科学研究的蓬勃发展。无论在表面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面,还是在催化、腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。第5页/共49页6 超高真空的这一特点还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。第6页/共49页7l2、真空度的单位与区域划分、真空度的单位与区域划分l真空状态下气体稀薄程度称
5、为真空度,通常用压力值表示。l1958年,第一界国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。l国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。l我国采用SI规定。第7页/共49页8l1标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕)l1Torr1/760atm1mmHgl1Torr133Pa第8页/共49页9l3、真空测量方法、真空测量方法测量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接测量气体的压强,也可以通过与压强有关的物理量来间接地测量压强。前者称为绝对真空计,后者称为相对真空计。按照真空计的不同原理与结构可以分为:静态变形真空计、压缩式真空计、热传导真空计、电
6、离真空计、气体放电真空计、辐射真空计等。第9页/共49页10二、真空获得二、真空获得1、低真空的获得、低真空的获得 获得低真空常采用机械泵,机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积,使被抽容器内气体的体积不断膨胀,从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作,极限真空度一般为1.33-1.3310-2Pa,抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关,一般在每秒几升到每秒几十升之间。第10页/共49页11l旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上,空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片,旋片间用弹簧连接,使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子
7、的转动是由马达带动的,定子置于油箱中,油起到密切、润滑与冷却的作用。第11页/共49页12第12页/共49页13l当转子顺时针转动时,空气由被抽容器通过进气管被吸入,旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大,而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时,另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开,并将气体压缩,直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外,转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。第13页/共49页14l2、高真空的获得、高真空的获得l目前,广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的,它不能直接在大气压下工作,而需要一定的预备真空度(1.33
8、0.133Pa)。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散,一般能达到1.3310-51.3310-7Pa。抽气速率与结构有关,每秒几升几百升不等。第14页/共49页15第15页/共49页16 泵的底部是装有真空泵油的蒸发器,真空泵油经电炉加热沸腾后,产生一定的油蒸汽,蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部,经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强较油蒸汽压低,于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流,使之具有很好的运载气体分子的能力。油分子与气体分子碰撞,由于油分子的分子量大,碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来,而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。并且,在射流的界
9、面内,气体分子不可能长期滞留,因而界面内气体分子浓度较小由于这个浓度差,使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口,并被前级泵抽走慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁,油分子就被冷凝下来,沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。第16页/共49页173、真空度的测量、真空度的测量 真空度的测量可通过复合真空计来进行。复合真空计可分为热电偶真空计和电离真空计两种。第17页/共49页18l(1)热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空,可测范围为13.330.1333Pa。其中有一根细金属丝(铂丝或
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