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1、第二章 薄膜制备技术基础第1页，共66页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 基体的选择与基片的清洗方法基体的选择与基片的清洗方法（一）基体的选择（一）基体的选择v在薄膜制备过程中，基体的选择与其他在薄膜制备过程中，基体的选择与其他制备条件同样重要，有时可能更重要，制备条件同样重要，有时可能更重要，基体选择的原则是：基体选择的原则是：第2页，共66页，编辑于2022年，星期三（1）是否容易成核和生长成薄膜；）是否容易成核和生长成薄膜；（2）根根据据不不同同的的应应用用目目的的，选选择择金金属属 （或或合合金金）、玻玻璃璃、陶陶瓷瓷单单晶晶和和塑塑料料等等 作基体；作基体；（3）薄膜结构与基体
2、材料结构要对应；）薄膜结构与基体材料结构要对应；（4）要要使使薄薄膜膜和和基基体体材材料料的的性性能能相相匹匹配配，从而减少热应力，不使薄膜脱落；从而减少热应力，不使薄膜脱落；（5）要要考考虑虑市市场场供供应应情情况况、价价格格、形形状状、尺寸、表面粗糙度和加工难易程度等。尺寸、表面粗糙度和加工难易程度等。第3页，共66页，编辑于2022年，星期三（二）基片的清洗（二）基片的清洗1 1、概述、概述v由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清洁度都由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清洁度都会对所生长的薄膜有影响。基片表面的任何一点污会对所生长的薄膜有影响。基片表面的任何一点污物都会影响薄膜材料的性
3、能和生长情况。由此可见，物都会影响薄膜材料的性能和生长情况。由此可见，基片的清洗是十分重要的。基片的清洗是十分重要的。v基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜使用基片的清洗方法主要根据薄膜生长方法和薄膜使用目的选定，因为基片表面状态严重影响基片上生长目的选定，因为基片表面状态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。出的薄膜结构和薄膜物理性质。第4页，共66页，编辑于2022年，星期三2 2、基片的清洗方法、基片的清洗方法v一般分为去除基片表面上物理附着的污物的一般分为去除基片表面上物理附着的污物的清洗方法和去除化学附着的污物的清洗方法。清洗方法和去除化学附着的污物的清洗方法。v目前，基
4、片清洗方法有：用化学溶剂溶解污目前，基片清洗方法有：用化学溶剂溶解污物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、物的方法、超声波清洗法、离子轰击清洗法、等离子体清洗法和烘烤清洗法等。等离子体清洗法和烘烤清洗法等。第5页，共66页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 真空技术基础真空技术基础 v真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，因而获得并保空间要有一定的真空度，因而获得并保持真空环境是镀膜的必要条件。持真空环境是镀膜的必要条件。第6页，共66页，编辑于2022年，星期三一
5、、真空的概念一、真空的概念“真空真空”拉丁文拉丁文VacuoVacuo，其意义是虚无其意义是虚无=气气体体较较稀稀薄薄的的空空间间。真真空空是是一一个个相相对对的的概概念念“低低于于一一个个大大气气压压的的气气体体状状态态。”真真空空状状态态是是气气体分子运动的动态结果。体分子运动的动态结果。标准状况下气体的分子密度约为标准状况下气体的分子密度约为 3x1019 3x1019 个个个个/cm/cm/cm/cm3 31/101/104 4大气压下气体的分子密度约大气压下气体的分子密度约为为为为 3x1015 3x1015 3x1015 3x1015 个个/cm/cm/cm/cm3 3 3 3第7
6、页，共66页，编辑于2022年，星期三二、真空度的单位v真真空空状状态态下下气气体体稀稀薄薄程程度度称称为为真真空空度度，通通常常用用压压力力值值表表示示。19581958年年，第第一一界界国国际际技技术术会会议议曾曾建建议议采采用用“托托”(Torr)Torr)作作为为测测量量真真空空度度的的单单位位。国国际际单单位位制制(SI)SI)中中规规定定压压力力的的单单位位为为帕帕(Pa)Pa)。我国采用我国采用SISI规定。规定。v1 1标准大气压标准大气压(1(1atm)1.01310atm)1.013105 5Pa(Pa(帕帕)v1 1Torr1/760atm1mmHgTorr1/760at
7、m1mmHgv1Torr133Pa101Torr133Pa102 2 PaPav100Pa=0.75Torr 1Torr100Pa=0.75Torr 1Torr第8页，共66页，编辑于2022年，星期三三、真空度的划分三、真空度的划分v为为了了研研究究真真空空和和实实际际应应用用方方便便，常常把把真空划分为：真空划分为：v低真空（低真空（11051102Pa）v中真空（中真空（1102110-1Pa）v高真空（高真空（110-1110-6Pa）v超高真空（超高真空（50km。因此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。5、气体分子的平均自由程：A分子碰
8、撞截面，为分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。第15页，共66页，编辑于2022年，星期三6、单位面积上分子与固体表面碰撞的频率：、单位面积上分子与固体表面碰撞的频率：m和T分别为气体分子的质量和温度。对室温下的氮气，在10-6 Torr时，v=4.4 x 1014分子/cm2s假设每次碰撞均被表面吸附，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 10-10 Torr 或 10-11 Torr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。对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积第16页，共66页，编辑于2022年
9、，星期三7、克努曾定律或余弦定律：碰撞于固体表面的分子，飞离表面的方向与原入射方向无关，处于与表面法线成角的空间区域（立体角为的d）的分子的几率为：余弦定律的意义：（1）固体表面使分子入射的方向性消失；（2）分子在固体表面停留，使气体和固体表面发生能量和动量的传递。第17页，共66页，编辑于2022年，星期三8.气体的吸附与脱附气体的吸附与脱附v气体吸附气体吸附：是指固体表面捕获气体分子的现：是指固体表面捕获气体分子的现象。吸附分为物理吸附和化学吸附。象。吸附分为物理吸附和化学吸附。v物理吸附物理吸附：主要靠分子间的相互吸引力，易：主要靠分子间的相互吸引力，易脱附，只在低温下有效。脱附，只在低
10、温下有效。v化学吸附化学吸附：当气体和固体表面原子间生成化：当气体和固体表面原子间生成化合物时，所产生的吸附作用。不易脱附，可合物时，所产生的吸附作用。不易脱附，可发生在高温下。发生在高温下。第18页，共66页，编辑于2022年，星期三9.电子碰撞气体引起的电离电子碰撞气体引起的电离v电子能量较低电子能量较低：不会引起气体原子（分子）的状态发生变化。：不会引起气体原子（分子）的状态发生变化。v能量较高能量较高：引起气体原子（分子）的激发或电离。：引起气体原子（分子）的激发或电离。激发激发：部分价电子跃迁到较高的能级。：部分价电子跃迁到较高的能级。电离电离：一个或多个价电子脱离原子或分子的过程。
11、：一个或多个价电子脱离原子或分子的过程。第19页，共66页，编辑于2022年，星期三10.气体的流动状态气体的流动状态v三种流动状态三种流动状态湍流，层流，分子流湍流，层流，分子流湍流：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏观流速矢量湍流：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏观流速矢量有径向分量气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者有径向分量气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者旁流。旁流。第20页，共66页，编辑于2022年，星期三平流（层流）：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具平流（层流）：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具有不同流
12、动速度的各个流动层组成宏观有不同流动速度的各个流动层组成宏观流速矢量与流速矢量与管轴平管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。平流和湍流都属于行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。平流和湍流都属于粘滞流。粘滞流。分子流：当压强进分子流：当压强进步降低，气体分子的平均自由程增大，分步降低，气体分子的平均自由程增大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。这种流动被称为分子流。第21页，共66页，
13、编辑于2022年，星期三判断粘滞流与分子流的Knudsen number(克努森数):第22页，共66页，编辑于2022年，星期三判断平流与湍流的雷诺数：第23页，共66页，编辑于2022年，星期三11.蒸发和凝结蒸发和凝结（1）蒸发和凝结）蒸发和凝结蒸发：由固相和液相转变为气相的过程。蒸发：由固相和液相转变为气相的过程。凝结：由气相转变为固相和液相的过程。凝结：由气相转变为固相和液相的过程。（2）蒸汽和气体）蒸汽和气体由由P-V线可知：存在临界温度线可知：存在临界温度Tc，工作温度低于工作温度低于Tc，气体加压可变成液体，此时的气体称为可凝，气体加压可变成液体，此时的气体称为可凝性气体（蒸汽
14、）性气体（蒸汽）工作温度高于工作温度高于Tc，气体加压不可变成液体，此时的气体称为永久，气体加压不可变成液体，此时的气体称为永久性气体（简称为气体）性气体（简称为气体）第24页，共66页，编辑于2022年，星期三在本课程中定义的蒸汽和气体在本课程中定义的蒸汽和气体凡临界温度高于室温（凡临界温度高于室温（1525）的气相，称为蒸汽）的气相，称为蒸汽 其特征是在室温下加压可液化。如水蒸气，金属蒸汽其特征是在室温下加压可液化。如水蒸气，金属蒸汽凡临界温度低于于室温（凡临界温度低于于室温（1525）的气相，称为气体）的气相，称为气体 其特征是在室温下加压不可液化。如氢气，氮气其特征是在室温下加压不可液
15、化。如氢气，氮气以上分类的主要原因是以上分类的主要原因是:蒸汽加压液化，液体减压气化会对蒸汽加压液化，液体减压气化会对系统的真空度产生影响。系统的真空度产生影响。第25页，共66页，编辑于2022年，星期三（3）饱和蒸汽和不饱和蒸汽）饱和蒸汽和不饱和蒸汽饱和蒸汽：汽液平衡共存时的蒸汽。饱和蒸汽：汽液平衡共存时的蒸汽。非饱和蒸汽：单一蒸汽存在。非饱和蒸汽：单一蒸汽存在。饱和蒸汽不符合理想气体物态方程，但符合克饱和蒸汽不符合理想气体物态方程，但符合克拉珀龙方程。拉珀龙方程。不饱和蒸汽符合理想气体物态方程。不饱和蒸汽符合理想气体物态方程。第26页，共66页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 真空
16、系统真空系统1.真空系统的结构示意图真空系统的结构示意图v真空室真空室v泵泵v管路管路v阀门阀门v真空测量真空测量机械泵机械泵分子泵分子泵阀阀门门管管路路闸板阀闸板阀真空室真空室真空测量真空测量真空状态真空状态是气体分是气体分子运动的子运动的动态结果动态结果漏气与放气漏气与放气系统中气体的流动处于分子流状态第27页，共66页，编辑于2022年，星期三2.真空系统的组成真空系统的组成1.泵泵负责抽空系统内的剩余气体负责抽空系统内的剩余气体机械泵机械泵扩散泵扩散泵分子泵分子泵离子泵离子泵吸附泵钛吸附泵和冷凝吸附泵吸附泵钛吸附泵和冷凝吸附泵2.真空室真空室安放实验装置安放实验装置3.真空管路真空管路
17、连接真空系统连接真空系统4.阀门阀门控制真空系统的连接情况控制真空系统的连接情况5.真空的测量真空的测量不同的真空要求由不同不同的真空要求由不同的泵和系统组成的泵和系统组成第28页，共66页，编辑于2022年，星期三3.表征真空系统的几个参数表征真空系统的几个参数(1)体积流速体积流速S（体积流率）（体积流率）单位时间流过管道某一特定截面的体积单位时间流过管道某一特定截面的体积(3)流导流导C、流阻、流阻Z 表征气体沿管道流动的动力或阻力表征气体沿管道流动的动力或阻力 Q=C(P2-P1),P1、P2为管道两端的压强为管道两端的压强(2)流量流量Q（体积流率）（体积流率）单位时间流过管道某一特
18、定截面的的气体分子单位时间流过管道某一特定截面的的气体分子的量的量第29页，共66页，编辑于2022年，星期三稳定流动状态下流量守恒稳定流动状态下流量守恒串连：串连：并连：并连：串连时总流导小于任何连接的流导串连时总流导小于任何连接的流导第30页，共66页，编辑于2022年，星期三(4)泵抽速泵抽速S 泵入口处单位时间抽入的气体体积泵入口处单位时间抽入的气体体积 (6)泵的有效抽速（实际抽速）泵的有效抽速（实际抽速）当一个容器由一根管道连接到泵进行抽气时，当一个容器由一根管道连接到泵进行抽气时，在容器出口处的抽速。在容器出口处的抽速。(5)泵抽除量泵抽除量R 表征泵的抽气能力表征泵的抽气能力
19、R=P1S第31页，共66页，编辑于2022年，星期三实际抽速的计算：S=Q/P=截面积*流速系统实际抽速系统实际抽速Q=SpPr=SP=C(P-Pr)第32页，共66页，编辑于2022年，星期三真空计的位置真空计的位置p0,S0p,S实际压强要比测量压强高实际压强要比测量压强高第33页，共66页，编辑于2022年，星期三（7）极限真空度）极限真空度只考虑泵抽气过程总存在气体回流量只考虑泵抽气过程总存在气体回流量Qp净流量：净流量：令令Q=0,求出极限真空度求出极限真空度第34页，共66页，编辑于2022年，星期三分离变量，积分得：分离变量，积分得：其中：其中：Pi为真空室初始真空度（为真空室
20、初始真空度（t=0）P0为真空室极限真空度（为真空室极限真空度（t）Pt为真空室某一时刻真空度为真空室某一时刻真空度第35页，共66页，编辑于2022年，星期三第四节第四节.抽真空和抽真空设备抽真空和抽真空设备一、一、抽真空抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。使该空间的压强低于一个大气压的过程。可有多种方法实现抽真空可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置真空泵：抽真空的装置第36页，共66页，编辑于2022年，星期三3.抽真空和抽真空设备抽真空和抽真空设备二、真空泵二、真空泵 目前常用的真空泵主要有：
21、旋转式机械真空泵、油扩目前常用的真空泵主要有：旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子散泵、复合分子泵、分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵等。前三种属于泵和低温泵等。前三种属于气体传输泵气体传输泵，后四种属于，后四种属于气气体捕获泵体捕获泵。能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为常称为“前级泵前级泵”；另一些却只能从较低压力抽到更低；另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为压力，这些真空泵常称为“次级泵次级泵”。第37页，共66页，编辑于2022年，星期三（1）旋转式机械真空泵v机械泵：
22、凡是利机械泵：凡是利用机械运动以获用机械运动以获得真空的泵，因得真空的泵，因用油来进行密封，用油来进行密封，所以属于有油类所以属于有油类泵。泵。v原理：利用机械原理：利用机械力连续抽气、压力连续抽气、压缩排除气体。缩排除气体。第38页，共66页，编辑于2022年，星期三工作过程：工作过程：1.气体从入口进入转子和定子之间气体从入口进入转子和定子之间2.偏轴转子压缩空气并输送到出口偏轴转子压缩空气并输送到出口3.气体在出口累积到一定压强，喷出气体在出口累积到一定压强，喷出到大气到大气工作范围及特点：工作范围及特点：v大气压大气压10-3 torrv耐用，便宜耐用，便宜v油润滑，污染油润滑，污染第
23、39页，共66页，编辑于2022年，星期三旋片式机械泵工作示意图第40页，共66页，编辑于2022年，星期三理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强：n无限大时，p趋向0；极限真空pmv有害空间v排气空间与吸气空间的间隙v泵油气的循环第41页，共66页，编辑于2022年，星期三第42页，共66页，编辑于2022年，星期三特点:1.体积小、重量轻、结构简单工作可靠、经济耐用。2.设有气镇阀，可抽除少量水蒸气；但降低系统的真空度。3.不适用于抽除对金属有腐蚀的，对泵油起化学反应、含有颗粒尘埃的气体，易燃易爆的气体。4.抽真空的能力不好。5.润滑油的回流和会发会对真空系统造成污染。第43页，共66页，
24、编辑于2022年，星期三 (2)(2)扩散泵扩散泵第44页，共66页，编辑于2022年，星期三（一（一 概述）概述）油扩散真空泵是用来获得高真空和超高真空的主要油扩散真空泵是用来获得高真空和超高真空的主要设备，广泛用于电子工业、化学工业、真空冶炼等高科设备，广泛用于电子工业、化学工业、真空冶炼等高科技领域。技领域。油扩散泵的工作压力范围油扩散泵的工作压力范围1010-1-11010-P P，其极限，其极限压力是压力是1010-8-8PaPa。油扩散泵一定要在压力低于油扩散泵一定要在压力低于40Pa40Pa的时候才能开油扩的时候才能开油扩散泵，分子泵则要低于散泵，分子泵则要低于1Pa1Pa才能启
25、动。才能启动。第45页，共66页，编辑于2022年，星期三（二）油扩散泵工作原（二）油扩散泵工作原理理接机接机械泵械泵 扩散泵油被泵外电炉加热产生油蒸气 油蒸气沿蒸气导管上升到管顶 油蒸气经伞形喷嘴向下喷出产生射流 气体分子与射流中油分子碰撞发生动量交换 气体分子与射流一起向下运动 油蒸汽与水冷的泵壁相遇而冷却回流气体分子则被带到排气口附近被抽走 第46页，共66页，编辑于2022年，星期三扩散泵的压缩比n蒸汽流分子密度,v蒸汽流在喷口处的速度，L射流的有效长度，D0=ND,D气体分子在油蒸汽中的扩散系数,PL前级泵的压强，Pu真空室的压强。讨论：(1)n,v,L,K越大，D越小，抽气效果越好
26、(2)扩散泵的实际压强与PL成正比 第47页，共66页，编辑于2022年，星期三讨论：(1)为了提高压缩比，采用多级喷嘴(2)选择抽真空性能较好的前级泵(3)选择性能良好的扩散泵油(4)减少返流 进气口处安装水冷挡板或液氮冷阱 但降低抽速第48页，共66页，编辑于2022年，星期三（三（三）油油 扩散泵特点扩散泵特点1 获得的极限真空高，为10-5Pa.2 在10-1-10-4Pa压强范围内，有恒定的大抽速，但抽气量不大，正好与旋片泵衔接.3 无运动部分，无磨损，寿命长.4 结构简单，维护方便，制造方便，工作时安静.5 工作介质是油，存在油污染.6.被抽气体不能易燃、易爆、腐蚀性.7 启动慢.
27、第49页，共66页，编辑于2022年，星期三(3)涡轮分子泵第50页，共66页，编辑于2022年，星期三 涡轮分子是靠高速转动的转子携带气体分子获得超高真空的一种机械真空泵。工作压力范围为1Pa10-8Pa。先进的泵可以获得10-9Pa的极限压力。泵的转速为10000r/min50000r/min,这种泵的抽速范围很宽，在九个数量级间具有恒定的抽速。分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，单它不能直接对大气排气，需要配前级真空泵。分子泵对较轻气体抽速很大，对氢的抽速比对空气的抽速大20%。（一）概述第51页，共66页，编辑于2022年，星期三（二）涡轮分子泵工作原理1 1 1 当侧的气体分子与叶片
28、相碰后反射方向在1角内的将又回到回到侧侧；撞击在1 角内再反射的气体分子将进入进入侧侧；反射方向在1角内的气体分子最后将进入到侧或散射回侧。动叶片工作原理图2 2 2 12，12净气体流第52页，共66页，编辑于2022年，星期三1.泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。2.分子量大的气体有高的压缩比。3.涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性,因此要求配有工作压力为110-2帕的前级真空泵。三、性能第53页，共66页，编辑于2022年，星期三 1 1 涡轮分子泵的优点是启动快；
29、涡轮分子泵的优点是启动快；2 2 能抗各种射线的照射；能抗各种射线的照射；3 3 耐大气冲击；耐大气冲击；4 4 无气体存储和解吸效应；无气体存储和解吸效应；5 5 无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。涡轮分子泵的特点第54页，共66页，编辑于2022年，星期三（4）钛升华泵）钛升华泵v加热加热Ti丝使其蒸发到冷壁丝使其蒸发到冷壁.vTi原子与气体反应原子与气体反应.v
30、工作范围工作范围 10-8-10-11 Torrv便宜，可靠，无噪音，无振动，无断便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题电问题v需要再生，很难排除惰性气体和需要再生，很难排除惰性气体和甲烷甲烷第55页，共66页，编辑于2022年，星期三v液氮冷却有很大表面积的分子筛v10-3 Torr-10-10 Torr(可以用两个泵交替工作)v很容易饱和多泵联合工作v200 C 烘烤除去吸附的气体v简单，无振动，便宜，无油污染v极限真空与泵的温度相关。（5）冷凝泵金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面，分子筛，活性碳等第56页，共66页，编辑于2022年，星期三（6）吸附泵可吸附有毒有害气体和易燃易爆气体无油
31、真空泵常和其它干式真空泵联合使用运行成本高第57页，共66页，编辑于2022年，星期三真空泵的比较第58页，共66页，编辑于2022年，星期三为何高真空泵管为何高真空泵管道粗，低真空泵道粗，低真空泵管道细？管道细？第59页，共66页，编辑于2022年，星期三种种 类类原原 理理工作工作压压强强范范围围机机械械泵泵油封机械油封机械泵泵（单级单级）油封机械油封机械泵泵（双（双级级）分子分子泵泵罗罗茨茨泵泵利用机械力利用机械力压缩压缩排除气体排除气体大气大气压压至至1Pa大气大气压压至至10-2Pa10-110-7Pa10310-3Pa蒸蒸气气喷喷射射泵泵水水银扩银扩散散泵泵油油扩扩散散泵泵油油喷喷
32、射射泵泵靠蒸气靠蒸气喷喷射的射的动动量把气体量把气体带带走走110-6Pa干干式式泵泵溅溅射离子射离子泵泵钛钛升升华泵华泵利用利用溅溅射或升射或升华华形成吸气、形成吸气、吸附排除气体吸附排除气体10-210-8Pa吸附吸附泵泵冷凝冷凝泵泵冷凝吸附冷凝吸附泵泵利用低温表面利用低温表面对对气体气体进进行行物理吸附排除气体物理吸附排除气体大气大气压压至至10-2Pa10-310-10Pa10-310-8Pa第60页，共66页，编辑于2022年，星期三 第四节 真空测量一、概述v测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换后确定容器的压强。测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关的某
33、些物理量，再经变换后确定容器的压强。v当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测量的基础。量的基础。v任何具体的物理特性，都是在某一压强范围才最显著。因此，任何方法都有其一定任何具体的物理特性，都是在某一压强范围才最显著。因此，任何方法都有其一定的测量范围，即为该真空计的的测量范围，即为该真空计的“量程量程”。目前，还没有一种真空计能够测量。目前，还没有一种真空计能够测量1大气大气压至压至10-10Pa整个范围的真空度。整个范围的真空度。v真空计分为绝对真空计和相对真空计。根据测量原理的不同，可分为具体的
34、真空计。真空计分为绝对真空计和相对真空计。根据测量原理的不同，可分为具体的真空计。第61页，共66页，编辑于2022年，星期三表表2.4-1 几种真空几种真空计计的工作原理与的工作原理与测测量范量范围围名名 称称工工 作作 原原 理理测测量范量范围围/PaU形管真空形管真空计计利用大气与真空利用大气与真空压压差差10510-2水水银压缩银压缩真空真空计计根据根据Boyle定律定律103-10-4热热阻真空阻真空计计利用气体分子利用气体分子热传导热传导10410-2热热偶真空偶真空计计热热阴极阴极电电离真空离真空计计利用利用热电热电子子电电离残余气体离残余气体10-110-6B-A型真空型真空计
35、计10-110-10潘宁磁控潘宁磁控电电离离计计利用磁利用磁场场中气体中气体电电离与离与压压强强有关的原理有关的原理110-5气体放气体放电电管真空管真空计计利用气体放利用气体放电电与与压压强强有关的有关的原理原理1031第62页，共66页，编辑于2022年，星期三二、真空计的选择vv低真空低真空(atm 10-4 Torr)Torr)热偶，热偶，Pirani Pirani 真空计，膜片式真空计vv高真空高真空电离规电离规 Ion GaugeIon Gauge剩余气体分析剩余气体分析Residual Gas Analyzer（1）压强范围；（2）测量压强的类型，总压还是分压；（3）真空中的残余
36、气体种类；（4）测量精度要求第63页，共66页，编辑于2022年，星期三1.热偶真空计热偶真空计:20 10-3Torr散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关用热偶测量加热丝的温度压强特点:(1)相对真空计(2)与气体分子的热传导有关，有热惯性(3)有一定的测压范围(4)环境温度的变化不影响读数三、几种典型的真空计三、几种典型的真空计第64页，共66页，编辑于2022年，星期三2.热阻真空计（100 10-4Torr）散热与气体压强相关加热丝的温度与气体压强相关加热丝的电阻与温度相关用平衡电桥测量加热丝的电阻压强特点:(1)相对真空计(2)与气体分子的热传导有关(3)有一定的测压范围(4
37、)环境温度的变化影响读数第65页，共66页，编辑于2022年，星期三热丝发射热电子热丝发射热电子热电子加速并电离气体，离子被收集形成热电子加速并电离气体，离子被收集形成电流电流电流与压强成正比电流与压强成正比特点特点:(1)(1)相对真空计相对真空计(2)(2)一般用于测高真空系统的压强一般用于测高真空系统的压强(3)(3)在一定的压强范围内，离子电流和在一定的压强范围内，离子电流和P P成线性关系成线性关系(1010-1-1 PaPa1010-8-8PaPa）(4)(4)反应迅速，可实时连续测量压强变反应迅速，可实时连续测量压强变化化（5 5）测量的物理量与气压成线性）测量的物理量与气压成线性3.电离真空计第66页，共66页，编辑于2022年，星期三