真空基本知識(shí)課件

1、1,第一章 真空技術(shù),1.1 真空的基本知識(shí),1.2 稀薄氣體性質(zhì),2、真空獲得,3、 真空測(cè)量,2,,1.1 真空知識(shí),真空：“真空”拉丁文Vacuo，其意義是虛無。 低于一個(gè)大氣壓的氣體空間。,自然真空：宇宙空間所自然存在的人為真空：人類利用真空泵抽取所獲得的絕對(duì)真空：完全沒有氣體的空間狀態(tài)相對(duì)真空：氣體稀薄，分子數(shù)較少的狀態(tài),氣體分子數(shù)密度,大氣壓下 P = 105 Pa，,高真

2、空下 P = 10-11 Pa，,,3,,1.1 真空知識(shí),真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。,真空度和壓強(qiáng),4,,真空（壓強(qiáng)）單位,壓強(qiáng)越低，真空度越高；壓強(qiáng)越高，真空度越低。,國際單位：帕斯卡（Pascal） Pa常用單位：托（Torr） 毫米汞柱（mmHg） 巴（bar） 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）,1.1 真空知識(shí),5,,粗真空: 1x105 ～ 1x102 Pa （粘

3、滯流） 真空干燥、真空浸漬低真空: 1x102 ～ 1x10-1 Pa （分子流） 熱處理、低壓化學(xué)氣相沉積 高真空: 1x10-1 ～ 1x10-6 Pa 濺射鍍膜，真空蒸發(fā)鍍膜超高真空 : < 1x10-6 Pa 表面物理，表面分析，MBE,? 真空的劃分,1.1 真空知識(shí),6,,? 稀薄氣體的狀態(tài)方程 在真空

4、技術(shù)中所接觸的是稀薄氣體，這種稀薄氣體在性質(zhì)上與理想氣體的差異很小。因此，在研究稀薄氣體的性質(zhì)時(shí)，可不加修正地直接應(yīng)用理想氣體的狀態(tài)方程。,1.2 稀薄氣體基本性質(zhì),理想氣體狀態(tài)方程：,普適氣體常量: R = 8.31J/mol K,玻耳茲曼常量:k = 1.38×10-23 J/K,7,,? 氣體分子的速率分布?xì)怏w分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為： 氣體的大量分子每時(shí)每刻都處于無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，氣體分子之間以及氣體分

5、子與容器壁之間，發(fā)生著不斷的碰撞過程，這種碰撞過程的結(jié)果之一是使氣體分子的速度服從一定的統(tǒng)計(jì)分布。氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度υ服從麥克斯韋爾-玻耳茲曼（Maxwell-Boltzmann）分布。,1.2 稀薄氣體性質(zhì),8,,? 三種統(tǒng)計(jì)速率,1.2 稀薄氣體性質(zhì),1）最可幾速率,2）平均速率,3）方均根速率,速率與聲速（340m/s）相比擬,9,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),? 平均自由程 氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間的平均路

6、程稱分子的平均自由程。,大氣壓下 P = 105 Pa，,高真空下 P = 10-8 Pa，,估算：常溫下（300 K），空氣分子直徑約0.5 nm,d 為氣體分子的直徑,10,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),? 氣體的入射頻率（入射通量） 入射頻率是真空及鍍膜技術(shù)中常用到的一個(gè)物理量，是氣體分子對(duì)于容器壁單位面積的碰撞頻率，即單位時(shí)間內(nèi)單位表面積受到氣體分子碰撞的次數(shù)。用字母 J 來表示。,赫茲-克努曾（Hertz-Kn

7、udsen）公式,阿伏加得羅常數(shù):NA = 6.02×1023 /mol,11,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),,,,,,,,,,,例：作為赫茲-克努曾公式的一個(gè)應(yīng)用，我們來計(jì)算一下在高真空環(huán)境中，清潔表面被環(huán)境中的雜質(zhì)氣體分子污染所需要的時(shí)間。,求解： 假設(shè)每一個(gè)向清潔表面運(yùn)動(dòng)過來的氣體分子都是雜質(zhì)，并均被表面所俘獲。則可以求出表面完全被一層雜質(zhì)氣體分子覆蓋所需要的時(shí)間,式中，N 為基板表面單位面積上能容納的單分子層內(nèi)的氣體分子

8、數(shù)。,,12,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),,,,,,,,,,作為估算，我們選取,,,估算：?jiǎn)挝幻娣e上單分子層的氣體分子數(shù)目N。氣體分子的尺寸在0.1－1 nm 之間，則一個(gè)分子覆蓋的面積為0.01～1 nm2之間。則：,,,,,,,大氣壓下 P = 105 Pa，,高真空下 P = 10-8 Pa，,13,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),? 余弦定律 碰撞于固體表面的分子它們飛離表面的方向與原入射方向無關(guān)，并按與表面法線方向所

9、成角度的余弦進(jìn)行分布。,一個(gè)分子離開固體表面時(shí)，處于立體角 中的幾率為：,θ為出射方向與法線所成的角度,,,,,,,,,,,,,余弦定律的重要意義：,它揭示了固體表面對(duì)氣體分子作用的另一個(gè)方面，即分子原有的方向性徹底“消除”，均按余弦定律散射。分子在固體表面上要停留一定的時(shí)間，這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換和動(dòng)量交換的先決條件，這一點(diǎn)有重要意義。,14,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),? 真空度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響,平均自由

10、程的影響,薄膜技術(shù)中最常用的真空度為10-4Pa，自由程大約是40米。即使再差，10-3Pa，自由程大約是4米。而一般的膜基距為10 cm 左右，所以不需要考慮飛行中的薄膜原子和殘存氣體碰撞所產(chǎn)生的影響。如果真空度太低，薄膜原子的碰撞增加，難于沉積到襯底上，并且碰撞過程中容易與殘余氣體發(fā)生反應(yīng)，影響薄膜質(zhì)量。,15,,1.2 稀薄氣體性質(zhì),? 真空度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響,殘余氣體混雜的影響,真空度差個(gè)10倍（10－３Pa），雜質(zhì)含量相當(dāng)

11、于10～20％，真空度提高10倍（10－５Pa），雜質(zhì)含量為0.1～0.2％。,P = 10－4Pa時(shí)，如果撞擊過來的殘存氣體分子全部被吸附，那么3 s 時(shí)間就有約一層殘余氣體混入薄膜中，相當(dāng)于1分鐘混入20層雜質(zhì)氣體，約10～20 nm/分鐘。薄膜較常用的生長(zhǎng)速率是1μm/分鐘。因此，假設(shè)氣體分子全部混入薄膜里面的話（實(shí)際上不會(huì)全部），就相當(dāng)于有1～2％的不純物混入在薄膜里面。,真空度越高，所得到的薄膜質(zhì)量越好，純度越高；但真空度越

12、高，抽取真空所需費(fèi)用也越高，設(shè)備越貴！,16,,,真空室泵管路閥門真空測(cè)量,,2、真空獲得,?真空系統(tǒng),17,,2、真空獲得,? 真空泵：具有抽氣功能的設(shè)備,? 復(fù)合真空泵：前級(jí)泵＋次級(jí)泵,? 真空泵的分類（1）輸運(yùn)式真空泵：以壓縮方式將氣體輸送到系統(tǒng)之外。 a、機(jī)械式氣體輸運(yùn)泵：旋片式機(jī)械真空泵、羅茨泵、 渦輪分子泵。 b、氣流式氣體輸運(yùn)泵：油擴(kuò)散

13、泵。（2）捕獲式真空泵：依靠凝結(jié)或吸附氣體分子的方式將氣體捕獲， 并排出系統(tǒng)之外。如低溫吸附泵、濺射離子泵。,18,1.泵—負(fù)責(zé)抽空系統(tǒng)內(nèi)的剩余氣體機(jī)械泵擴(kuò)散泵分子泵離子泵吸附泵－鈦吸附泵和冷凝吸附泵,真空室—安放實(shí)驗(yàn)裝置,真空管路—連接真空系統(tǒng),閥門—控制真空系統(tǒng)的連接情況,真空系統(tǒng)中真空的測(cè)量,不同的真空要求由不同的泵和系統(tǒng)組成,,,2、真空獲得,?真空系統(tǒng),19,真空泵,真空泵是吸入口形成負(fù)壓，排

14、氣口直通大氣，兩端壓力比很大抽出氣體的機(jī)械,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,右圖是運(yùn)用真空泵的典型真空回路,2、真空獲得,20,,2 真空獲得,,? 機(jī)械泵 Rotary Vane Pumps,21,,,工作原理： 依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個(gè)可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。極限真空度： 10-2 －10-1 Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。缺點(diǎn)

15、：油蒸氣回流、引起污染,2、真空獲得,22,,,工作原理： 兩個(gè)8字形的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子始終保持相切合，咬合精度很高，切合處氣體始終不能通過，只能從上、下兩邊被掃出真空系統(tǒng)。用作次級(jí)泵。極限真空度： 10-4 Pa左右(雙級(jí))。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無油氣回流， 抽速很大。缺點(diǎn)： 泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；當(dāng)氣體壓力低于10-1 Pa時(shí)，氣體回流造成抽速降低。,?

16、羅茨泵（Roots Pumps）,2、真空獲得,23,,,工作原理： 將油加熱至高溫蒸發(fā)狀態(tài)(2000C) ，讓油蒸氣呈多級(jí)狀向下定向高速噴出 (200m/s)，時(shí)不斷撞擊氣體分子，并將部分動(dòng)量傳遞給這些氣體分子，使其被迫向排氣口方向運(yùn)動(dòng)，在壓縮作用下排出泵體 。同時(shí)，被泵體冷卻后的油蒸氣又會(huì)凝結(jié)起來返回泵的底部。極限真空度： 10-6 Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，抽速很大。缺點(diǎn)：油蒸氣回流，污染。工作狀態(tài)： 不能

17、與大氣直接相連，使用油擴(kuò)散泵之前，需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)預(yù)抽至1Pa以下。,? 擴(kuò)散泵（Diffusion Pumps）,2、真空獲得,24,,? 渦輪分子泵 Turbo Molecular Pumps,2、真空獲得,25,,,工作原理： 渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以20000～30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片將動(dòng)量傳給氣體分子，同時(shí)，渦輪分子泵中裝有很多級(jí)葉片，上一級(jí)葉片輸送過來的氣體分子又會(huì)

18、受到下一級(jí)葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級(jí)。像油擴(kuò)散泵一樣，也是靠對(duì)氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運(yùn)動(dòng)的原理來工作的。極限真空度： 10-8 Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，油蒸氣的回流可以忽略，壓縮比高，抽速可1000L/s。缺點(diǎn)：價(jià)格較高。工作狀態(tài)：不能與大氣直接相連，在使用中多用旋片式機(jī)械泵作為其前級(jí)泵。,2、真空獲得,26,,,工作原理：依靠氣體分子會(huì)在低溫下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體

19、分子的去除，進(jìn)而獲得高真空。極限真空度： 10-8 Pa左右，取決于所采用的低溫溫度、吸附物質(zhì)的表面積、被吸附氣體的種類等因素。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，可獲得無油高真空；除H2、He、Ne外，對(duì)各種氣體抽速均很大。缺點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。工作狀態(tài)：既可以只配以旋片泵等低真空泵種作為惟一的高真空泵使用，又可以與其他高真空泵種，如渦輪分子泵等聯(lián)合使用，預(yù)真空度應(yīng)達(dá)到10-1 以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并避免在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。

20、,? 低溫吸附泵（Diffusion Pumps）,2、真空獲得,27,,? 離子泵（Ion Pumps）,2、真空獲得,28,,,工作原理： 高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊Ti陰極時(shí)又會(huì)濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因而它將以吸附或化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造成無油的高真空環(huán)境。極限真空度：

21、 10-8 Pa左右，取決于所抽氣體的活性等因素。優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，可獲得無油高真空。缺點(diǎn)：壽命有限。,2、真空獲得,29,,,2、真空獲得,,30,吸盤是直接吸吊物體的元件,通常是由橡膠材料與金屬骨架壓制成型的,真空吸盤,真空吸盤的安裝方式,,螺紋連接（無緩沖能力）,帶緩沖體的連接,吸盤真空口的取出方式,,縱向（ZPT型）,橫向（ZPR型快換接頭和ZPY型帶倒勾式）,,2、真空獲得,31,橡膠材料如長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，將縮短壽

22、命。如橡膠出現(xiàn)脆裂，是橡膠老化的表現(xiàn)，所以應(yīng)保管在冷暗的室內(nèi)，避免受熱或日光照射,材質(zhì)區(qū)別,真空吸盤,,2、真空獲得,32,真空發(fā)生器,基本原理,組成：真空發(fā)生器由先收縮后擴(kuò)張的拉瓦爾噴管、負(fù)壓腔和接收管等組成。有供氣口、排氣口和真空口。 氣體流動(dòng)：當(dāng)供

23、氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流。 形成真空： 由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很低的真空度。在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力便可吸起吸吊物,,2、真空獲得,33,真空發(fā)生器的工作原理,單級(jí)真空發(fā)生器,多級(jí)真空發(fā)生器,噴嘴,,負(fù)壓腔,,,擴(kuò)張接收管,供氣口,,真空口,,排氣口,,當(dāng)供氣口的壓力超過一定值時(shí)，噴管射出超聲速射流，并由于氣體的粘性卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很低的真

24、空壓力，從而在真空口形成真空。,當(dāng)噴嘴與接收管直徑增大時(shí)，真空壓力降低，而吸入流量增加,負(fù)壓腔分成了前后兩個(gè)，前面一個(gè)接收管直徑較小，能夠提供較高的真空壓力，而后一個(gè)直徑較大，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的吸入流量。,,2、真空獲得,34,真空發(fā)生器,分類,按性能分：,按連接方式分：,按外形分：,,盒式（B型） 在排氣口帶消聲器,,管式（D型） 不帶消聲器,,標(biāo)準(zhǔn)型（S型）,大流量型（L型）,,快換接頭式,椎管螺紋連接式,ZU系列,最高真空壓力

25、S：-85KpaL：-48Kpa,噴嘴口徑05：0.5mm07：0.7mm,,05,ZU,,S,,,ZH,,B,,,,07,S,06,06,,,ZH,,D,,,,07,S,01,01,,01,,,,噴嘴口徑,最高真空壓力,供氣口接管口徑,真空口接管口徑,排氣口接管口徑,,,,,,,,,,ZH系列,,2、真空獲得,35,真空壓力開關(guān),概述,真空壓力開關(guān)是用于檢測(cè)真空壓力的開關(guān)。當(dāng)真空壓力未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。當(dāng)真空壓力

26、達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開關(guān)處于接通狀態(tài)，發(fā)出電訊號(hào)指揮真空吸附機(jī)構(gòu)動(dòng)作。,作用,當(dāng)真空系統(tǒng)存在泄漏，吸盤破損或氣源壓力變動(dòng)等原因而影響到真空壓力大小時(shí)，裝上真空壓力開關(guān)便可保證真空系統(tǒng)安全可靠的工作。,真空壓力開關(guān)的分類,,按功能分,按電觸點(diǎn)的形式分,,通用型,小孔口吸著確認(rèn)型,,無觸點(diǎn)式（電子式）,有觸點(diǎn)式（磁性舌簧開關(guān)式）,,2、真空獲得,36,真空壓力開關(guān),應(yīng)根據(jù)工件的大小選擇合適能力的真空壓力開關(guān)。如精密小零件，其使用的吸著口徑很小，所

27、以真空壓力開關(guān)的閉合壓力和開啟壓力之差很小，必須使用像ZSP1系列這種遲滯小，且精度高的吸著確認(rèn)型開關(guān)設(shè)定壓力必須調(diào)到確認(rèn)吸著的最低真空度以上，以避免吸著不穩(wěn)定ZSM1系列真空壓力開關(guān)不要靠近磁場(chǎng)和動(dòng)力線,,,,,,],],],確認(rèn)吸著區(qū),吸著不穩(wěn)定區(qū),不吸著區(qū),供給壓力,設(shè)定壓力,,大氣壓力0,高真空,,,2、真空獲得,37,真空過濾器,,基本概念：真空過濾器是將從大氣中吸入的污染物（主要是塵埃）收集起來，以防止真空系統(tǒng)中的元件受

28、污染而出現(xiàn)故障。,基本要求：濾芯污染程度的確認(rèn)簡(jiǎn)單，清掃污染物容易，結(jié)構(gòu)緊湊，不致使真空到達(dá)時(shí)間增長(zhǎng)。,,兩個(gè)系列,,ZFA系列（箱式結(jié)構(gòu)）,ZFA 100 F 01,,100,,,流量,螺紋,口徑,托架,,,,,,ZFA系列（管式連接）,ZFA 100 04,,100,,流量,,,輸入輸出口管外徑,,2、真空獲得,38,真空過濾器,進(jìn)出口方向不得裝反，配管處不得有泄漏真空過濾器內(nèi)流速不大，

29、空氣中的水分不會(huì)凝結(jié)，故該過濾器無需分水功能不要用AF系列過濾器取代ZF系列過濾器，避免性能變差,,2、真空獲得,39,,3、 真空測(cè)量,? 真空計(jì)（規(guī)管）：測(cè)量真空度的儀器,直接測(cè)量：直接測(cè)量殘余氣體的壓強(qiáng)（當(dāng)氣體壓強(qiáng)很低時(shí)，直接測(cè)量很困難）間接測(cè)量：測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量（實(shí)際的真空計(jì)都是屬于間接測(cè)量）,熱偶真空計(jì)：利用低氣壓下熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成電離真空計(jì)：利用熱電子電離殘余氣體，離子流與壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成,40,,

30、,3、 真空測(cè)量,? 熱偶真空計(jì),工作原理： Q為電源加熱燈絲產(chǎn)生的熱量，Q1為輻射熱量，Q2為燈絲與熱偶絲的傳導(dǎo)熱量，Q3為氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量。熱平衡時(shí)，Q1、Q2為恒量，Q3隨氣體壓強(qiáng)而變化。壓強(qiáng)越小，因碰撞而帶走的熱量越少，溫度越高，溫差電動(dòng)勢(shì)越高；反之亦然！測(cè)量范圍： 0.1～100 Pa,問題：為什么熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測(cè)量，只能用于0.1～100Pa？原因：1、在氣體壓力

31、高于100Pa時(shí)，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體壓力而顯著變化。 此時(shí)，用熱絲溫度測(cè)量氣體壓力方法的靈敏度將迅速下降。 2、當(dāng)氣體壓力低于0.1Pa以后，由氣體分子傳導(dǎo)走的熱量在總的加熱功率 中比例過小，測(cè)量的靈敏度也將呈下降趨勢(shì)。,41,,,3、 真空測(cè)量,? 電離真空計(jì),工作原理： 熱陰極發(fā)射出的電子將在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使后者發(fā)生電離，由離子收集極接收電離的