真空技术基础

真空技术基础FUNDAMENTALVACUUMTECHNOLOGY1真空的介绍2真空的获得3真空的测量目录2“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。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。自然真空：宇宙空间所自然存在的人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的绝对真空：完全没有气体的空间状态相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空（VACUUM）3真空技术的发展历史最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲[gōu]”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。还有更为典型的例子是中医的拔火罐。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。4历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里(Torricelli,Evangelista,1608-1647)做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760毫米时，就不再下降了。51654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验,他用两个直径119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。61905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。盖德发明的机械泵盖德发明的分子泵7真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战。尤其是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。现代的有扩散泵8今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。今天的真空技术：105pa～10-13pa9真空技术的应用领域电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、冶金、日常生活等各个领域。（电子管、电视管、加速器、电子显微镜、镀膜、杜瓦绝热）需要真空系统的微加工设备：电子束光刻设备，热CVD，镀膜设备，热处理设备等等10真空量度单位1标准大气压=760mmHg=760Torr1标准大气压=1.013x105Pa1Torr=133.3Pa1mbar=100Pa760mmHgVacuumATM1112单位帕/Pa托/Torr毫巴/mbar标准大气压1Pa17.5×10-31×10-29.87×10-61Torr133.311.3331.316×10-31mba1000.7519.87×10-41atm1.013×1057601.013×1031真空（压强）单位真空度和压强压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。国际单位：帕斯卡（Pascal）Pa常用单位：托（Torr）毫米汞柱（mmHg）巴（bar）标准大气压（atm）压力范围和真空泵真空度可分为：气流种类真空状态真空压力特性分析应用范围黏滯流(Viscousflow)初真空：10Pa~105Pa10Pa~105Pa气体分子间因黏滯力作用，气体运动有方向性，此方向与抽气方向相同工业应用（包装）過渡流(Transitionflow)中真空：10-2Pa~10Pa10-2Pa~10Pa真空度在10-6Torr以内时，水汽占70%-90%CVD沉积技术分子流(Molecularflow)高真空：10-2Pa~10-6Pa气体分子跟管壁间碰撞教分子间碰撞多。气体分子间随意运动方向。溅射沉积技术超高真空：10-6Pa~10-10Pa原子表面和界面分析极高真空：10-10Pa10-9Pa月球大气压强，10-15Pa星际空间压强13超高真空超高真空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。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表面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方面，还是在催化，腐蚀等应用研究都取得了发展。14气体吸附就是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。物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；化学吸附则发生在较高的温度下，与化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体和固体表面原子接触生成化合物时才能产生吸附作用。固体对气体的吸附及气体的脱附15固体对气体的吸附及气体的脱附气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。一般地，影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素是气体的压强、固体的温度、固体表面吸附的气体密度以及固体本身的性质，如表面光洁程度、清洁度等。当固体表面温度较高时，气体分子容易发生脱附，对真空室的适当烘烤有利于真空的获得就是利用这个道理。16固体对气体的吸附及气体的脱附在一些有电离现象的真空泵和真空计中，都不同程度的存在电吸收作用和化学清除作用，这两个因素也将加速固体对气体的吸附。其中电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、钛等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将与非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。17第二节主要吸附剂1.活性炭种类很多，一般为粉末状或颗粒状。粉末状的活性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，再生困难，一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并使用时的劳动条件较好，操作管理方便。因此在水处理中较多采用颗粒状活性炭。活性炭的比表面积(单位重量的吸附剂所具有的表面积称为比表面积)可达800~2000m2/g，有很强的吸附能力。吸附剂的种类很多，常用的有活性炭和腐殖酸类吸附剂。活性炭孔隙主要的吸附剂2.腐殖酸类吸附剂天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等。将富含腐殖酸的物质用适当的粘合剂制备的腐殖酸系树脂。含有活性基团，有阳离子吸附性能，对阳离子的吸附，包括离子交换、鳌合、表面吸附、凝聚等作用。同时还可以吸附废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。第二节主要吸附剂主要的吸附剂第二节主要吸附剂●沸石：是一网架状铝硅酸盐火山岩矿物。由于含有移动性较大的氧离子和水分子，可进行阳离子交换和吸附性质。（1）可对有机物吸附去除（水中极性分子更易被去除）；（2）通过离子交换去除水中氨氮，并可再生处理；（3）可作为水质软化、去除水中重金属离子，可用食盐水再生。其他吸附剂：沸石、硅藻土、活性氧化铝等。硅藻土●硅藻土：硅藻土是一种硅质岩石，主要分布在中国、美国、丹麦、法国等国。硅藻土由无定形的SiO2组成。硅藻土通常呈浅黄色或浅灰色，质软，多孔而轻，工业上常用来作为保温材料、过滤材料、填料、研磨材料、水玻璃原料、脱色剂及催化剂载体等。性能：多孔性、较低的浓度、较大的比表面积、相对的不可压缩性及化学稳定性，被广泛用于冶金、化工建材、石油、食品、环境保护等工业。用水冲洗既可再生。第二节主要吸附剂主要的吸附剂具有许多毛细孔道，比表面积大，可作为吸附剂、干燥剂及催化剂使用。活性氧化铝除氟类似于阴离子交换树脂，但对氟离子的选择性阴离子树脂大。活性氧化铝吸附脱氟效果好，容量稳定，每立方米活性氧化铝吸氟6400克。活性氧化铝球直径为Φ2～3，Φ3～5，Φ4～6。第二节主要吸附剂●活性氧化铝：主要的吸附剂真空的获得23气体流动及导率气体传导率串联的气体传导率：1/C=1/C1+1/C2+1/C3+…并联的气体传导率：C=C1+C1+C3+…泵1泵2真空室真空室泵1泵2并联可以提高抽速串联可以提高极限真空度2425大气状态所需真空度真空泵：具有抽气功能的设备复合真空泵：前级泵＋次级泵真空泵的分类（1）输运式真空泵：以压缩方式将气体输送到系统之外。a、机械式气体输运泵：旋片式机械真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵。b、气流式气体输运泵：油扩散泵。（2）捕获式真空泵：依靠凝结或吸附气体分子的方式将气体捕获，并排出系统之外。如低温吸附泵、溅射离子泵。真空泵简介旋转叶片真空泵(机械泵)工作原理：凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，就称为机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型的真空泵，既可以单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。由于这种泵是用油来进行密封的，所以又属于有油类型的真空泵。这类机械泵常见的有旋片式、定片式和滑阀式（又称柱塞式）几种，其中以旋片式机械泵最为常见。极限真空：单级为20×10-3Torr；两级串联能低于1×10-3Torr26旋片式真空泵是用油来保持各运动部件之间的密封，并靠机械的办法，使该密封空间的容积周期性地增大，即抽气；缩小，即排气，从而达到连续抽气和排气的目的。右图是单级旋片泵的结构图，泵体主要由定子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。定子两端被密封形成一个密封的泵腔。泵腔内，偏心地装有转子，实际相当于两个内切圆。沿转子的轴线开一个通槽，槽内装有两块旋片，旋片中间用弹簧相连，弹簧使转子旋转时旋片始终沿定子内壁滑动。旋转叶片真空泵(机械泵)27机械泵的抽气原理28机械泵的结构29泵体内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转，转子的咬合精度很高，且转子间，转子与泵体间无需油作密封，转速高，抽速快。罗茨（Roots)真空泵(无油泵)工作原理：（a）进气（b）隔离（c）压缩（d）排气3031高真空用真空泵高真空泵分为两类（1）转移动量给气态分子而抽吸气体扩散泵（vapourpump）分子泵(turbopump)（2）俘获气体分子冷泵（CryoPump）离子泵（Ionpump）32涡轮分子泵（Turbopumb）工作原理：靠机械运动对气体分子施加作用，并使气体分子向特定方向运动的原理来工作的。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，以20000-35000转/分的高速旋转，将动量传给气体分子，多级叶片的连续压缩保证了分子泵的高效快速的工作。33TurboPump工作原理图3435复合分子泵分子泵是旋片式机械真空泵的一大发展。同机械泵一样，分子泵也属于气体传输泵，但是它是一种无油类泵，可以与前级泵构成组合装置，从而获得超高真空。目前，可把分子泵分为牵引泵（阻压泵）、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。其中，牵引泵在结构上更为简单，转速较小，但压缩比大；涡轮式分子泵又可以分成“敞开”叶片型和重叠叶片型。前者转速高，抽速也较大，后者则恰好相反。复合型分子泵将涡轮分子泵抽气能力高的优点和牵引分子泵压缩比大的优点结合在一起，利用高速旋转的转子携带气体分子而获得超高真空。36复合分子泵冷泵（Cryopump）工作原理：依靠气体分子在低温条件（20K）下自发凝结或被其它物质表面吸附的性质实现对气体分子的去除，进而获得高真空的装置。真空度依赖于低温度，吸附物质的表面积和吸附气体的种类等。优点：无振动，抽速快广泛用于受控核聚变，粒子加速器和现代半导体技术领域3738低温泵是利用20K以下的低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵，是目前具有最高极限真空的抽气泵。它主