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1、第1章薄膜制备的真空技术基础第1页，本讲稿共81页薄膜材料的性质及典型应用光学性质 电学性质磁学性质化学性质力学性质热学性质1.反射涂层和减反射涂层2.光记录介质3.光波导1.绝缘薄膜2.导电薄膜3.半导体器件1.磁记录介质1.扩散阻挡层2.防氧化或防腐蚀层1.耐磨涂层2.显微机械1.防热涂层第2页，本讲稿共81页课程内容薄膜材料的制备手段薄膜材料的形核与生长理论薄膜材料的表征技术薄膜材料的体系、性能及应用第3页，本讲稿共81页真空技术基本概念与定律第一节 气体分子运动论的基本概念第二节 气体的流动状态和真空抽速第三节 真空泵简介第四节 真空的测量第一章第一章 薄膜制备的真空技术基础薄膜制备的
2、真空技术基础 为为了了使使被被研研究究的的样样品品不不被被周周围围气气氛氛所所污污染染，获获取取“原原子子清清洁洁”的的表表面面，薄薄膜膜制制备备和和衬衬底底表表面面形形成成过过程程往往往往是是在在真真空空或或超超高高真真空空中中进进行行的的。目目前前，人人们们所所广广泛泛使使用用的的薄薄膜膜制制备备系系统统都具有真空系统。都具有真空系统。第4页，本讲稿共81页真空真空(vacuum)：是指在一定空间内低于一个大气压是指在一定空间内低于一个大气压力的气体状态。力的气体状态。真空度：真空度：表示在真空状态下气体的稀薄程度，以压力表示在真空状态下气体的稀薄程度，以压力零点为参考点，用单位面积上所受
3、垂直方向的压力值零点为参考点，用单位面积上所受垂直方向的压力值来表示真空度。气体压力越低，真空度越高；压力越来表示真空度。气体压力越低，真空度越高；压力越高，真空度越低。高，真空度越低。国际单位：帕斯卡国际单位：帕斯卡 1Pa=1N/m2真空技术基本概念与定律真空技术基本概念与定律第5页，本讲稿共81页单位名称符号换算关系备注标准大气压 atm1atm=101325Pa 托 Torr1Torr=133.3Pa 美国常用毫米汞柱mmHg1mmHg=133.3Pa 毫巴 mbar1mbar=102Pa 欧洲常用国际单位：帕斯卡国际单位：帕斯卡 1Pa=1N/m2单单 位位 制制其它常用单位：其它常
4、用单位：第6页，本讲稿共81页 1摩尔任何气体在标准状态下所含的分子数是一个定值NA，即6.0221023，。阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律理想气体的状态方程理想气体的状态方程摩尔质量摩尔质量Kg/mol第7页，本讲稿共81页第8页，本讲稿共81页玻意尔玻意尔-马略特定律马略特定律 一定质量的气体在温度保持不变时，压力和体积的乘积是一个常数，即盖盖-吕萨特定律吕萨特定律 一定质量气体在压力保持不变时，体积随温度成正比变化，即PV=常数查理定律查理定律 一定质量气体在体积保持不变时，压力随温度成正比变化，即VTPT第9页，本讲稿共81页道尔顿分压定律道尔顿分压定律 相互间不起化学作用的混合气体的总
5、压力等于组成它的各种气体成分的分压力之和。P=P1+P2+Pn每种气体成分的分压力每种气体成分的分压力：指在与混合气体的温度和体积相同，并且与混合气体中所含的这种气体的量完全相等的条件下，该种气体单独存在时的压力。第10页，本讲稿共81页第一节第一节 气体分子运动论的基本概念气体分子运动论的基本概念 一、气体分子的运动速度及其分布 二、气体的压力和气体分子的平均自由程 三、气体分子的通量应用实例第11页，本讲稿共81页一、气体分子的运动速度及其分布一、气体分子的运动速度及其分布1 1、经典的气体分子运动论、经典的气体分子运动论（1 1）气体的大量分子每时每刻都处在无规则的热运动之中，其平均）气
6、体的大量分子每时每刻都处在无规则的热运动之中，其平均速度取决于气体具有的温度。速度取决于气体具有的温度。（2 2）在气体分子之间和气体分子与容器器壁之间将发生不断的相互碰撞。）在气体分子之间和气体分子与容器器壁之间将发生不断的相互碰撞。结果：结果：使气体分子的速度服从一定的统计分布。使气体分子的速度服从一定的统计分布。气体本身对外显示出一定的压力。气体本身对外显示出一定的压力。第12页，本讲稿共81页2 2、理想气体、理想气体 气体分子之间除了相互碰撞的瞬间之外，完全不存在相互作用，因此 （1）它们可以被看作是相互独立运动的硬球；（2）硬球的半径远远小于球与球之间的距离。在一般的温度和压力条件
7、下，所有的气体都可以被看作是理想气体。第13页，本讲稿共81页其中其中M为气体分子的相对原子质量，为气体分子的相对原子质量，T为热力学温度，为热力学温度，R为气体常数为气体常数气体分子热运动速度气体分子热运动速度v v的分布可以用麦克斯韦尔的分布可以用麦克斯韦尔-玻耳兹曼玻耳兹曼分布描述为：分布描述为：（1-1）上式表明，气体分子的速度分布只取决于分子的相对上式表明，气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量原子质量M与气体的热力学温度与气体的热力学温度T的比值。的比值。第14页，本讲稿共81页 气体分子运动速度的三个分量气体分子运动速度的三个分量vi i(i=x,y,z)(i=x,y,z)
8、均满足分均满足分布函数：布函数：（1-2）图中是图中是H2和和Al蒸气在不蒸气在不同温度条件下的速度分布同温度条件下的速度分布函数曲线。由图中曲线我函数曲线。由图中曲线我们可以看出，气体分子的们可以看出，气体分子的速度具有很大的分布区间。速度具有很大的分布区间。温度越高，气体分子的相对温度越高，气体分子的相对原子质量越小，分子的平均原子质量越小，分子的平均运动速度越大。运动速度越大。第15页，本讲稿共81页 由气体分子的速度分布函数还可以证明，每摩尔由气体分子的速度分布函数还可以证明，每摩尔气体的动能将只与温度有关，它等于（气体的动能将只与温度有关，它等于（3/23/2）RT。由式由式1-11
9、-1可以求出气体分子的平均速度为可以求出气体分子的平均速度为（1-3）第16页，本讲稿共81页二、气体的压力和气体分子的平均自由程二、气体的压力和气体分子的平均自由程气体的压力气体的压力 气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气气体分子与容器器壁的不断碰撞对外表现为气体具有一定的压力。气体的压力体具有一定的压力。气体的压力p与气体分子的动与气体分子的动能，或者说是与气体的温度成正比能，或者说是与气体的温度成正比 （1-41-4）n为单位体积内的分子数，为单位体积内的分子数，NNA A为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，n/n/NNA A即是单位体积内气体分子的摩尔数。此式被称为理想即是单位体积
10、内气体分子的摩尔数。此式被称为理想气体定律，满足这一公式所描述的性质的气体就属于理气体定律，满足这一公式所描述的性质的气体就属于理想气体。想气体。第17页，本讲稿共81页 在一般情况下（每个分子每秒进行在一般情况下（每个分子每秒进行10102020次碰撞），分子次碰撞），分子运动的轨迹并不是一条直线，而是一条在不断碰撞时改变方运动的轨迹并不是一条直线，而是一条在不断碰撞时改变方向的向的折线折线。因此，尽管分子的运动速度很大，但在单位时间。因此，尽管分子的运动速度很大，但在单位时间内其定向运动的距离却很小。内其定向运动的距离却很小。（常温常压下气体分子的平（常温常压下气体分子的平均自由程均自由程
11、50nm50nm。）。）（1）气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程指的是一个气体分子在两次碰指的是一个气体分子在两次碰撞之间运动的平均距离。假设某种气体分子的有效截面撞之间运动的平均距离。假设某种气体分子的有效截面直径为直径为d d，则该气体分子的平均自由程应该等于，则该气体分子的平均自由程应该等于第18页，本讲稿共81页气体分子无规则热运动认认为为同同种种气气体体分分子子中中每每个个分分子子都都是是直直径径为为d 的的刚刚性性球球，设设想想跟跟踪踪一一个个气气体体分分子子A。假假定定其其它它分分子子不不动动，A 分分子子的的质质心心轨轨迹迹是是一
12、一条条折折线线。凡凡是是其其它它分分子子的的质质心心离离开开此此折折线线的的距距离离小小于于或或等等于于分分子子有有效效直直径径(d)(d)的的，都都将将与与A A 分分子子相相碰碰。以以分分子子有有效效直直径径 d d 为为半半径径作作一一圆圆柱柱体体，质质心心在在该该圆圆柱体内的分子都将与柱体内的分子都将与A A 分子相碰。分子相碰。第19页，本讲稿共81页1.由于单位体积内的气体分子数由于单位体积内的气体分子数n与气体压力与气体压力p成正成正比（比（），因而分子的平均自由程将与气体的压），因而分子的平均自由程将与气体的压力呈反比；即气体分子自由程随着气体压力的下力呈反比；即气体分子自由程
13、随着气体压力的下降而增加降而增加2.在气体压力低于在气体压力低于0.1Pa的情况下，气体分子间的碰的情况下，气体分子间的碰撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容撞几率已很小，气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁间发生的碰撞。器器壁间发生的碰撞。说明：说明：第20页，本讲稿共81页三、气体分子的通量三、气体分子的通量单位面积上气体分子的通量单位面积上气体分子的通量 单位时间内单位时间内,衬底单位表面积上受到气体分子碰撞的衬底单位表面积上受到气体分子碰撞的次数，其数值等于：次数，其数值等于：（1-6）这里这里,va和和n分别是分子的平均速度和气体分子的密度，因子分别是分子的平均速度和气体分子的密
14、度，因子1/4是对气体分子的运动方向和速度进行平均之后得出的一是对气体分子的运动方向和速度进行平均之后得出的一个系数。个系数。注：薄膜的沉积主要是通过气体分子对衬底的碰撞过程来实现的，因此薄膜的沉积速度正比于气体分子的通量。第21页，本讲稿共81页将将代入上式后求出：代入上式后求出：（1-7）即气体分子的通量将与压力呈正比，但与温度和相对原子质即气体分子的通量将与压力呈正比，但与温度和相对原子质量乘积的量乘积的1/21/2次方成反比。这一结果又被称为次方成反比。这一结果又被称为克努森方程克努森方程，它是真空和薄膜沉积技术中最常用的方程之一它是真空和薄膜沉积技术中最常用的方程之一。第22页，本讲
15、稿共81页四、应用实例：四、应用实例：计算在高真空条件下清洁衬底被环境计算在高真空条件下清洁衬底被环境中的杂质气体污染所需的时间中的杂质气体污染所需的时间 其中其中N为衬底单位表面的原子数。上式表明，在大气为衬底单位表面的原子数。上式表明，在大气条件下，污染衬底被污染所需要的时间约为条件下，污染衬底被污染所需要的时间约为3.510-9S，而，而在在1010-8-8PaPa的高真空中，上述时间可延长至的高真空中，上述时间可延长至10h10h左右。左右。（1-8）假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。由式（个分子都
16、被衬底所俘获。由式（1-71-7）可求出衬底完全被一）可求出衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为：层杂质气体分子覆盖所需要的时间为：第23页，本讲稿共81页 真空度可以粗略划分为：真空度可以粗略划分为：低真空低真空 102Pa 中真空中真空 102 10-1Pa 高真空高真空 1 10-110-5Pa 超高真空超高真空 10-5Pa溅射沉积技术和低压化溅射沉积技术和低压化学气相沉积技术学气相沉积技术真空蒸发方法沉积薄膜真空蒸发方法沉积薄膜第24页，本讲稿共81页第二节第二节 气体的流动状态和真空抽速气体的流动状态和真空抽速 一、气体的流动状态 二、气体管路的流导 三、真空泵的抽速第25
17、页，本讲稿共81页一、气体的流动状态一、气体的流动状态影响气体的流动状态的因素：影响气体的流动状态的因素：容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类 气体分子无时无刻不处在无规则的热运动之中，但这种气体分子无时无刻不处在无规则的热运动之中，但这种无规则的运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在无规则的运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在空间空间存在宏观压力差存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。（的定向流动。（例如：风的形成例如：风的形成）气体的宏观流动条件：气体的宏观流动条件：第
18、26页，本讲稿共81页气压较高时气压较高时黏滞流状态黏滞流状态低流速低流速层流状态层流状态高流速高流速紊流状态紊流状态气体流动状态分类气体流动状态分类高真空环境高真空环境分子流状态分子流状态（仅与容器壁碰撞）（仅与容器壁碰撞）第27页，本讲稿共81页分子流状态：分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。这种气体流动状态被称为分子流状态。特点：气体分子的平均自由程超过了气体容器的尺寸或与其相当。黏滞流状态：黏滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞极为频繁。这种气体流动状态称为气体的黏滞流状态。第28页，本讲稿共81
19、页（1-9）气体流动状态间的界线可以借助于气体流动状态间的界线可以借助于克努森准数克努森准数Kn来划分，它来划分，它的定义为：的定义为：其中，D为气体容器的尺寸，为气体分子的平均自由程。(1-10)分子流状态分子流状态 Kn 110气体流动状态可以被粗略地划分为三个不同的状态：第29页，本讲稿共81页层流状态：层流状态：在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与在低流速的情况下，黏滞流处于层流状态，即在与气体流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流气体流动方向垂直的方向上，可以设想存在不同气体流动层的明确的层状流线，且各层气体的流动方向总能保动层的明确的层状流线，且各层气体的流动方向总能
20、保持相互平行。持相互平行。紊流状态：紊流状态：气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间将不再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋间将不再能够保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。这种流动状态被称之为紊流状态。涡状的流动形式。这种流动状态被称之为紊流状态。黏滞流状态分类黏滞流状态分类第30页，本讲稿共81页雷诺准数雷诺准数Re是帮助判断气体流动状态的另一个无量是帮助判断气体流动状态的另一个无量纲参数，其定义为纲参数，其定义为d为容器的特征尺寸；为容器的特征尺寸；分别是分别是 气体的流速、密气体的流速、密度和动力学黏度系数。度和动力学黏度
21、系数。紊流状态紊流状态紊流或层流紊流或层流层流状态层流状态第31页，本讲稿共81页 注意注意:同一真空系统中的不同部分同一真空系统中的不同部分,完全可能同时存在不同的完全可能同时存在不同的气体流动状态。例如在高真空室和其附属的气体输送气体流动状态。例如在高真空室和其附属的气体输送管路中管路中，Kn值和值和Re值以及相应气体的流动状态就可能完值以及相应气体的流动状态就可能完全不同。全不同。第32页，本讲稿共81页二、气体管路的流导二、气体管路的流导 流量：流量：单位时间间隔内通过某一截面的气体量，其单位时间间隔内通过某一截面的气体量，其数值为单位时间内流过的气体体积与其压力的乘积，数值为单位时间
22、内流过的气体体积与其压力的乘积，即即 Q=PV 其中其中p p1 1和和p p2 2为管路两端的气压为管路两端的气压管道中的气流管道中的气流QP2P1流导：流导：第33页，本讲稿共81页（1-11）比例常数比例常数C称称为流流导。式。式(1-11)即是流即是流导的定的定义式式。流导定义式流导定义式表明表明：在：在单位位压力力差下，流差下，流经管路元件气流量的大管路元件气流量的大小被称小被称为流流导。它是衡量它是衡量真空管路中气体的通过能力真空管路中气体的通过能力的。的。单位：单位：在国际单位制中，气流量在国际单位制中，气流量Q的单位是的单位是Pam3s，P1-P2的的单位是单位是Pa，所以，所
23、以流导的单位是流导的单位是m3s。第34页，本讲稿共81页说明：说明：流流导的大小的大小说明在管路元件两端的明在管路元件两端的压强差差P1-P2一定的条一定的条件下流件下流经管路元件的气流量的多少。所以作管路元件的气流量的多少。所以作为真空系真空系统管路元件，管路元件，都希望它的流都希望它的流导值尽可能大一些，尽可能大一些，使气流能使气流能顺利地通利地通过。因此，流。因此，流导是真空系是真空系统管路元件的一个重要参数。管路元件的一个重要参数。第35页，本讲稿共81页并联流导并联流导串联流导串联流导流导的影响因素：流导的影响因素：分子流情况：分子流情况：管路几何尺寸、气体的种类和温度管路几何尺寸
24、、气体的种类和温度黏滞流情况：黏滞流情况：管路几何尺寸、气体的种类和温度、管路几何尺寸、气体的种类和温度、气体的压力气体的压力当不同的流导当不同的流导C1、C2、C3之间相互串联或并联时，形之间相互串联或并联时，形成的总流导成的总流导C可以用下式求出：可以用下式求出：流导串并联情况：流导串并联情况：第36页，本讲稿共81页三、真空泵的抽速三、真空泵的抽速 真空泵的一个基本指标是抽速真空泵的一个基本指标是抽速S S，定义为：，定义为：其中其中p为真空泵入口处的气压，为真空泵入口处的气压，Q仍为单位时间内通过该处的气体仍为单位时间内通过该处的气体流量。流量。量纲：量纲：m3s 流导：描述的是真空部
25、件的气体通过能力，它将使流动着流导：描述的是真空部件的气体通过能力，它将使流动着的气体形成一定程度的压力降低；的气体形成一定程度的压力降低；抽速：特指一个截面上的气体流速。抽速：特指一个截面上的气体流速。第37页，本讲稿共81页根据根据气体连续流原理气体连续流原理，容器出口流量和泵入口，容器出口流量和泵入口处流量与导管任意截面上流量相等，即处流量与导管任意截面上流量相等，即 Q=PS=PpSp=C(P-Pp)真空室真空室QP,SPp,Sp真空泵真空泵流导流导C第38页，本讲稿共81页 泵对容器的实际抽速泵对容器的实际抽速S不仅永远小于泵的理论抽速不仅永远小于泵的理论抽速Sp（SSP）,而且也永
26、远小于管路的流导而且也永远小于管路的流导C(SC)。即。即S是受是受Sp和和C之中较小的一个所限制的。之中较小的一个所限制的。真空系统设计基本原则：真空系统设计基本原则：确保管路流导确保管路流导C大于大于泵的理论抽速泵的理论抽速Sp。真空室出口处实际抽速真空室出口处实际抽速第39页，本讲稿共81页 真空泵的另一个技术指标是它能够提真空泵的另一个技术指标是它能够提供的极限真空度供的极限真空度.对于一个真空系统来说，其能够达到对于一个真空系统来说，其能够达到的极限真空度不仅取决于真空泵，还取决的极限真空度不仅取决于真空泵，还取决于正真空系统，包括系统的气体泄漏程度，于正真空系统，包括系统的气体泄漏
27、程度，系统的容积，以及管路的流导系统的容积，以及管路的流导.第40页，本讲稿共81页第三节第三节 真空泵简介真空泵简介分类标准：分类标准：结构和工作原理结构和工作原理真空泵真空泵 利用机械、物理、化学或物理化学的方法利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器被抽容器进行抽行抽气而气而获得真空的器件或得真空的器件或设备，即，即用各种方法在某一封用各种方法在某一封闭空空间中中产生、改善和生、改善和维持真空的装置持真空的装置。按结构分：按结构分：旋片真空泵、往复旋片真空泵、往复 真空泵、罗茨真空泵、滑阀真空泵、真空泵、罗茨真空泵、滑阀真空泵、液环真空泵、喷射泵等液环真空泵、喷射泵等第41页，本讲
28、稿共81页按按真真空空获获得得方方法法输运式真空泵输运式真空泵捕获式真空泵捕获式真空泵对气体进行压缩的方对气体进行压缩的方式将气体分子输送到式将气体分子输送到真空系统外真空系统外依靠在真空系统内凝结依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式或吸附气体分子的方式将气体分子捕获将气体分子捕获溅射离子泵溅射离子泵低温吸附泵低温吸附泵旋片式机械真空泵旋片式机械真空泵罗茨泵罗茨泵涡轮分子泵涡轮分子泵油扩散泵油扩散泵第42页，本讲稿共81页一、旋片式机械机械泵二、罗茨真空泵三、油扩散泵四、涡轮分子泵五、低温吸附泵六、溅射离子泵第43页，本讲稿共81页一、旋片式机械机械泵一、旋片式机械机械泵旋片式真空泵是目前
29、使用最广，生产系列最全的旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。泵种之一。常见的有：单级旋片泵常见的有：单级旋片泵 、双级旋片泵和高速直联、双级旋片泵和高速直联旋片真空泵旋片真空泵第44页，本讲稿共81页旋片式机械泵图片第45页，本讲稿共81页气体工作原理：工作原理：依靠放置在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片依靠放置在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后排除泵体外的。将泵体内的气体隔离、压缩，然后排除泵体外的。第46页，本讲稿共81页说明：说明：为了提高气体的密封效果，防止气体回流，为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片旋片式机械式机械泵的运动部件
30、之间只有很小的配合间隙，并且在泵泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。起着对这些机械部件进行润滑的作用。主要性能指标：主要性能指标：抽速：抽速：1300l/s极限真空度：极限真空度：单级旋片泵单级旋片泵 1Pa 两级串联两级串联 0.01Pa旋片式机械旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵。真空泵的前级真空泵。第47页，本讲稿共81页磁力驱动罗茨真空泵（无泄漏）系列磁力驱动罗茨真空泵（无泄漏
31、）系列二、罗茨真空泵二、罗茨真空泵1944 年德国人发明，适应在 10 1000Pa 压力范围内工作。第48页，本讲稿共81页第49页，本讲稿共81页工作原理：工作原理：泵体内的两个呈泵体内的两个呈8 8字型的转子以相反的方向字型的转子以相反的方向旋转。转子的咬合精度很高，因而转子与转子之间，转旋转。转子的咬合精度很高，因而转子与转子之间，转子与泵体之间的间隙中不再使用油来作密封介质。子与泵体之间的间隙中不再使用油来作密封介质。第50页，本讲稿共81页技术指标：技术指标：抽速抽速可达可达10l/s极限真空极限真空度可以达到度可以达到102Pa以下以下缺点：缺点：这种泵的抽速不仅在压力低于这种泵
32、的抽速不仅在压力低于0.1Pa时会下降，而且在压力时会下降，而且在压力高于高于2000Pa时也将迅速降低。因此这种泵一般是与旋转式时也将迅速降低。因此这种泵一般是与旋转式机械泵串联后使用。机械泵串联后使用。第51页，本讲稿共81页罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：1)1)较宽的压力范围内有较大的抽速；较宽的压力范围内有较大的抽速；2)2)转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大
33、大降低驱动功率，从而可实现较高转速；功率，从而可实现较高转速；3)3)泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；4)4)结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；5)5)压缩比较低，对氢气抽气效果差；压缩比较低，对氢气抽气效果差；6)6)转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。应用领域：应用领域：冶炼、石油化工、电工、电子等行业冶炼、石油化工、电工、电子等行业第52页，本讲稿共81页三、油扩散泵三、油
34、扩散泵KT系列油扩散真空泵 第53页，本讲稿共81页工作原理：工作原理：将油加热至高温蒸发状态（约将油加热至高温蒸发状态（约200200），让油蒸气呈多级），让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断撞击被抽的气体分子，并将部分动量传状向下定向高速喷出时不断撞击被抽的气体分子，并将部分动量传给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下被排给这些气体分子，使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下被排出泵体。同时，受到泵体冷却的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。出泵体。同时，受到泵体冷却的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。应用：应用：1 1、只能被用在、只能被用在110-6Pa之间分子流状态的真空
35、状态下，而不能之间分子流状态的真空状态下，而不能直接与大气相连。直接与大气相连。2 2、在使用油扩散泵之前需要采用各种形式的机械泵预抽真空至、在使用油扩散泵之前需要采用各种形式的机械泵预抽真空至1Pa1Pa左右。左右。第54页，本讲稿共81页应用领域：应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化工、航空、航天、冶金、材料、真空镀膜、真空炉、电子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物医药、原子能、宇宙探测等高科技领域生物医药、原子能、宇宙探测等高科技领域缺点：缺点：泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的污染。泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的污染。第55页，本讲稿共81页四、涡轮分子泵四、涡轮分子泵第56
36、页，本讲稿共81页第57页，本讲稿共81页1958 年，德国人年，德国人 W Becker 发明了涡轮分子泵。发明了涡轮分子泵。工作原理：工作原理：对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动。对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动。结构：结构：涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成，每个涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成，每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度，动片与定片倾角方向相反，叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度，动片与定片倾角方向相反，主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速
37、旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动，从而实现抽气目的。递给气体分子使其产生定向运动，从而实现抽气目的。对一般气体分子的抽除极为有效。对一般气体分子的抽除极为有效。第58页，本讲稿共81页应用特点：应用特点：（1）工作压力范围宽，在）工作压力范围宽，在 10-1 10-8 pa 范围内具有稳定抽速达到范围内具有稳定抽速达到1000l/s；（2）起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；（3）分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体
38、捕集超高真空泵的前也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境合物的真空环境。第59页，本讲稿共81页五、低温吸附泵五、低温吸附泵工作原理：工作原理：依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面依靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空。吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空。第60页，本讲稿共81页影响因素：影响因素：1 1、低温温度；、低温温度；2 2、吸附物质的表面积；、吸附物质的表
39、面积；3 3、被吸附气体的种类。、被吸附气体的种类。极限真空度：极限真空度：10-110-8Pa之间。之间。经常被用来吸附物质表面的气体；经常被用来吸附物质表面的气体；1 1、金属表面；、金属表面；2 2、高沸点气体分子冷凝覆盖了的低温表面；、高沸点气体分子冷凝覆盖了的低温表面；3 3、具有很大比表面的吸附材料。、具有很大比表面的吸附材料。低温吸附泵的运转成本较高，但它作为获得无低温吸附泵的运转成本较高，但它作为获得无油高真空环境的一种手段，既可以只配以旋片泵等油高真空环境的一种手段，既可以只配以旋片泵等低真空泵种作为唯一的高真空泵使用，又可以与其低真空泵种作为唯一的高真空泵使用，又可以与其他
40、高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用。他高真空泵种，如涡轮分子泵等联合使用。第61页，本讲稿共81页六、溅射离子泵六、溅射离子泵第62页，本讲稿共81页工作原理：工作原理：靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的体分子在高速撞击阴极时又会溅射出大量的TiTi原子。原子。由于由于TiTi原子的活性很好，因而它将以吸附或化学反原子的活性很好，因而它将以吸附或化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体
41、内沉积下来，从而在真空室内实现无油的高真空环境。下来，从而在真空室内实现无油的高真空环境。特点：特点：1、抽速对于不同的气体是不一样的（活性高的气体，、抽速对于不同的气体是不一样的（活性高的气体，抽速大）；抽速大）；2、溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被、溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被 释放出来。释放出来。缺点：缺点：Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的。电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的。第63页，本讲稿共81页优点：优点：溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，它具有清洁、溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，它具有清洁、真空度高
42、、无噪声、无振动、操作方便等优点。离子泵工作是封闭系真空度高、无噪声、无振动、操作方便等优点。离子泵工作是封闭系统，不需要有连续工作的前级真空系统。统，不需要有连续工作的前级真空系统。应用：应用：溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子加速器，溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子加速器，受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的工业设备中谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的工业设备中第64页，本讲稿共81页说明：说明：由于不同的泵种的工作压力范围不同
43、，实际运用中由于不同的泵种的工作压力范围不同，实际运用中为达到一定的真空度，将两种或以上真空泵组合起来形为达到一定的真空度，将两种或以上真空泵组合起来形成真空泵机组。成真空泵机组。第65页，本讲稿共81页第四节第四节 真空的测量真空的测量一、热偶真空规和皮拉尼真空规二、电离真空规三、薄膜真空规第66页，本讲稿共81页 一、热偶真空规和皮拉尼真空规一、热偶真空规和皮拉尼真空规真空规：真空规：真空测量的元件被称为真空规。真空测量的元件被称为真空规。共同点：共同点：热偶真空规和皮拉尼规都是热偶真空规和皮拉尼规都是以气体的热导率随气体以气体的热导率随气体压力的变化为基础压力的变化为基础而设计的，它们是
44、而设计的，它们是低真空里最常用的测低真空里最常用的测量手段量手段。热偶真空规和皮拉尼真空规区别：热偶真空规和皮拉尼真空规区别：热偶真空规：通过测量热偶真空规：通过测量热丝温度热丝温度实现实现皮拉尼真空规：通过测量皮拉尼真空规：通过测量热丝的电阻随温度的热丝的电阻随温度的 变化变化实现实现第67页，本讲稿共81页热偶真空规热偶真空规皮拉尼真空规皮拉尼真空规工作原理：工作原理：在热偶真空规中，将作为热丝的在热偶真空规中，将作为热丝的PtPt丝悬起并在丝悬起并在其中通过其中通过恒定强度的电流恒定强度的电流。在达到热平衡以后，电流提。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射，金属丝热传导以
45、及气供的加热功率与通过空间热辐射，金属丝热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，体分子热传导而损失的功率相等，因而因而热丝的温度将随热丝的温度将随着真空度的不同而呈现有规律的变化着真空度的不同而呈现有规律的变化。第68页，本讲稿共81页缺点：缺点：1 1、在测量区间中指示值呈非线性；、在测量区间中指示值呈非线性；2 2、测量结果与气体种类有关；、测量结果与气体种类有关；3 3、零点漂移严重。、零点漂移严重。优点：优点：结构简单，使用方便。结构简单，使用方便。测量区间：测量区间：0.1-100 Pa.(0.1-100 Pa.(高于高于100Pa,100Pa,气体的热导率不气体的热导率不再随气压
46、的变化而显著变化；低于再随气压的变化而显著变化；低于0.1Pa,0.1Pa,气体分子传导走气体分子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度下降。的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度下降。第69页，本讲稿共81页二、电离真空规二、电离真空规 电离真空规是电离真空规是高真空范围高真空范围最常使用的测量方法最常使用的测量方法。工作原理：工作原理：由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收集极接收电碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收集极接收电离的离子，并根据离子电流离的离子，并根据离子电流I Ii i
47、的大小测量出环境的真空的大小测量出环境的真空度。度。第70页，本讲稿共81页影响因素：影响因素：1 1、阴极发射的电子电流强度、阴极发射的电子电流强度I Ie e；2 2、气体分子的碰撞截面；、气体分子的碰撞截面；3 3、气体分子密度。、气体分子密度。注意：注意：电离真空规的工作上限为1Pa左右，在10-91Pa之间，电离真空规的测量指示值与气体压力呈线性关系。由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因而电离真空规的测量值也与所测气体种类有关。第71页，本讲稿共81页三、薄膜真空规三、薄膜真空规薄膜真空规工作原理：工作原理：依靠薄膜在气体压力差下产生机械位移，从依靠薄膜在气体压力差下产生机械位移，
48、从而可用于气体绝对压力测量。测量结果与气体种类无关。而可用于气体绝对压力测量。测量结果与气体种类无关。第72页，本讲稿共81页结构特点：结构特点：薄膜真空规具有两个被隔开的真空腔，薄膜真空规具有两个被隔开的真空腔，当其中一个腔内的压力已知，另一个腔内的压力当其中一个腔内的压力已知，另一个腔内的压力未知的情况下，薄膜的位移量将与两者的压力差未知的情况下，薄膜的位移量将与两者的压力差值成正比。值成正比。测量范围：测量范围：薄膜真空规具有很好的线性度，其探测下限薄膜真空规具有很好的线性度，其探测下限约为约为1010-3-3PaPa，相当于探测到的薄膜位移只有一个原子尺度，相当于探测到的薄膜位移只有一
49、个原子尺度大小；测量上限取决于薄膜材料本身的破坏强度或薄膜大小；测量上限取决于薄膜材料本身的破坏强度或薄膜的位移极限。的位移极限。第73页，本讲稿共81页说明：说明：不同的测量方法所适用的压力范围不同，将不同方法结合起来不同的测量方法所适用的压力范围不同，将不同方法结合起来才能拓宽压力测量范围。才能拓宽压力测量范围。第74页，本讲稿共81页第75页，本讲稿共81页真空的测量真空的测量 质谱仪真空计质谱仪真空计Quadrupole mass spectrometer-RGA(residual gas analyzer)10-4 to 10-14 torrTotal pressure mode i
50、ntegrates all ion intensitiesPartial pressure mode indicates residual vacuum compositionHighly accurate,preciseComplex,expensive.第76页，本讲稿共81页真空的测量真空的测量第77页，本讲稿共81页第78页，本讲稿共81页第79页，本讲稿共81页与本章有关的英文单词：与本章有关的英文单词：真空系统真空系统 Vacuum System真空泵真空泵 Pump管道管道 Pipe阀门阀门 Valve真空室真空室 Chamber真空规真空规 Gauge第80页，本讲稿共81页本