真空基础培训-简单介绍.

0真空技术基础培训1真空历史知识水水银1std.atm=14.69psia=760Torr=10.3m水柱10.3米30英寸760mm2什么是真空?压强是衡量真空的标准压强是指作用在单位面积上的力p=F/A1mbar=100Pa1Torr=133Pa我们所讲的真空是指压力低于一个大气压的空间气体被抽走后的空间1Pa=1Nm23压力等价1标准大气压=014.729.9760760760,000101,3251.0131013表压力(psig)磅/平方英寸(psia)英寸水银柱毫米水银柱Torr微米水银柱Pabarmbar4物质的四种状态•原子间相对固定•晶格状•运动能力低固体•分子间束缚较弱•分子间没有固定位置•距离仍然较近液体•分子间距离较大•分子间互相碰撞机会较少气体等离子•“离化”气体是指至少一个电子能自由运动不受原子或分子束缚。•具有星云状中性气体外形或放射离子束。5物质状态LIQUIDSOLIDGAS固体液体气体等离子体6真空的应用低分子密度避免大气作用灯熔接烧结包装检漏避免阻塞或干燥驱散气体除气注入减少能量转移隔热绝缘空间模拟条件应用7气体符号体积百分比PPM氮气N278.08780800氧气O220.95209500氩气Ar0.939300二氧化碳CO20.03300氖气Ne0.00181氦气He0.00055氪气Kr0.00011氢气H20.000050.5氙气Xe0.00000870.087总99.992458799924.587残气质谱212141828430324044H2HeCCH2H2ON2andCOO2ArCO2大气成分8大气由各种可凝和不可凝气体组成.组成总压力的各种独立气体的压力成为分压.在大气环境中，我们会发现：1013*(5e-4)%氦气分压!氦气在空气中的浓度为5ppm什么是分压?9真空范围759-1x10-3Torr1013-1x10-3mbar1x105-1.33x10-1Pa1x10-8Torr1x10-8mbar1.33x10-6Pa1x10-3-1x10-8Torr1x10-3mbar-1x10-8mbar1.33x10-1-1.33x10-6Pa粗真空高真空超高真空10真空范围粗真空高真空超高真空11真空范围maxminmaxmin低真空(LV)1013331x1053,3x103中真空(MV)331x10-33,3x1031x10-1高真空(HV)1x10-31x10-61x10-11x10-4非常高真空(VHV)1x10-61x10-91x10-41x10-7超高真空(UHV)1x10-91x10-121x10-71x10-10极高真空(XHV)1x10-121x10-161x10-101x10-14真空范围mbarPa12气流forair流动特征标准汌流真空技术中比较少见发生在真空泵启动瞬间（接近大气压时)粘滞流在气体混合状态下，不同气体互相影响着一起流动。气体在管轴方向流动速率最大分子流在气体混合状态下，各种气体独自流动，不影响其他气体（没有相互作用）对于所有气体对于空气13粘滞流和分子流粘滞流(分子间的动力传输)分子流(分子独立运动)14总气载15气载出气泄漏虚漏真实泄漏反流扩散渗透真空侧大气侧渗透大原子吸附/释放扩散器壁16定义•出气(吸附作用):当系统表面暴露于大气时吸附的气体在工作过程中释放到真空环境中。•扩散:当系统表面暴露于大气或抽气初期进入到器壁内部的气体在工作过程中释放到真空环境.•渗透:在工作过程中气体从大气侧通过原子渗透透过器壁进入到真空环境中。•泄漏:在工作过程中气体通过系统漏孔进入真空环境中。17烘烤出气时间(任意单位)压力(torr)10-210-410-610-810-10加热未烘烤10-12烘烤11010210318材料渗透•渗透是气体通过固体材料的一种能力。•材料对不同的气体种类有不同的渗透率。–例如:钢铁对于高碳量气体有更高的渗透性；铜对所有的气体都有较低的渗透性，铝对于氢气有较低的渗透性。•聚合体对所有气体都有可渗透性。19真空系统的连接:KF法兰KF法兰的组装20真空系统的连接:金属密封向外挤压局部密封完全密封21真空系统连接:ISO法兰22流导术语“流导”被认为是系统的组成部分，它是气流阻值的倒数。流导指单位时间的体积。(l/s)23注意:以上条件是清洁,干燥,抽速稳定.Where:t=时间（秒）V=容积（升）S=抽气速度l/sP1=起始压力mbarP2=最终压力mbart=VS*2.3*logP1P240LITERS3.5L/SEC.例如条件:V=40lS=3.5l/secP1=1000mbarP2=6mbart=403.5*2.3*log10006=59seconds抽气时间的计算24抽气时间的计算(粘滞流）带有氟橡胶圈的钟罩；使用NW16，长100cm管道连接SH-100粗抽泵；转接头KF40-KF16，4cm长；波纹管NW16，100cm长，NW16阀门；法兰口ISO63，15cm长；钟罩25x25cm计算从一个大气压达到最终压力2x10-1mbar所需的时间。25真空泵的相应指标抽气量=Q(mbarl/sortorrl/s)被真空泵从一点传送到另外一点的气体数量.它取决于压力.极限压力=泵所能达到的最低压力。压缩比=K=P0/Pi排气口压力(P0)和进气口压力的比率(Pi).抽气速度=S(l/s)单位时间内的气体容积P0Pi26粗抽泵27油封式旋片泵28油封式旋片泵吸气隔离压缩29瓦里安旋片泵•双级旋片泵的工作原理气镇排气口内部调压阀级间通道入口第一级第二级30涡卷式干泵•干式(真空泵部分无油.)•较高的抽气速度•尺寸紧凑•极限压力低mtorr31涡卷式干泵抽气过程涡片间的密封部分32涡卷技术–双级设计第一级涡卷•通过涡卷形成3个抽气腔–入口有较高抽速–全级都在真空状态中工作第二级涡卷•单腔抽气33涡卷干泵第一级3腔抽气涡卷第二级单腔抽气涡卷34涡卷技术•从大气到约550mbar–旁通阀打开–第二级被旁通，所有气体在第一级被压缩后不经过第二级直接被排出。–允许泵体在高压状态下成为大排量泵，因此泵的工作效率更高。35涡卷技术•从约550mbar到极限–旁通阀关闭–所有气体被压缩后均被传送到第二级继续压缩，然后被排出;36隔膜泵37隔膜泵工作原理38隔膜泵工作原理隔膜泵的基本结构比较简单(图1).弹性隔膜(1)夹具用于压紧泵头(2)和腔体(3)；隔膜从腔体内部隔离出传输腔(7)。隔膜通过隔膜螺栓（6）连接并紧固在连杆（4）上。连杆的摆动驱使隔膜上下运动。当隔膜向下运动时通过入口阀门（8）吸入气体，当隔膜向上运动时通过出口压力阀（9）排出气体。39隔膜泵的工作原理1保护盖2阀门3盖子4隔膜盘5隔膜6隔膜支撑盘7连杆8异性盘40罗茨增压泵进气排气41进气口排气口罗茨增压泵42高真空/超高真空中使用的粗抽泵•从真空室中取出大部分空气。•为高真空泵保持适合的排气口压力和提供合适的进气口启动压力。43粗抽泵注意事项•油泵需要防止返油；•正确的系统设计需要考虑防止粉尘污染；•干泵需要安置VPI阀；TURBOPUMPSCROLLPUMP44低真空高真空超高真空旋片式机械泵泵活塞式机械泵干式机械泵强排式/罗茨泵10-1210-1010-810-610-410-2110+2压力(Torr)粗抽泵的工作范围45粗抽泵对照优点类型缺点低极限压力低成本寿命长旋片泵返油会有污染脏污合成油高容量低成本滑阀泵需要安全阀噪音大震动大清洁低“干燥”极限压力涡卷干泵小气体容易逃逸只能在清洁环境使用安静易维护隔膜泵抽速小极限压力较高需要频繁维护无返油低极限压力爪式干泵价格较贵需要频繁维护需要吹扫保护气体46高真空泵47油扩散泵48油扩散泵气体分子被加速，速度超过750英里/小时扩散泵的基本工作原理–基本设计冷帽多级喷射塔热保护开关加油和排油口油槽（锅炉）进气口柱状水冷泵体排气口挡板前级管道喷嘴电源接口加热器50瓦里安喷射塔•油滴挡板•分馏管•防飞溅挡板喷嘴第一级第二级第四级第三级压力稳定低返油更高前级压力耐受能力更高的排气容量保护:机械泵气流51扩散泵的基本工作原理-分馏塔•小泵通常有3-4级，大泵通常有4-6级；•加热器提供泵油蒸发的能量并维持泵体内压力；(通常1-2Torr)•当泵油蒸发后，整个分馏塔将充满油蒸气；•分馏塔由柱状和锥形状组件构成，形成喷嘴；•第一级喷射环具有最高的抽气速度，最后一级喷射环（喷嘴）具有最大的压缩比；52扩散泵的基本工作原理–分馏塔•这种通道结构可以确保纯度最高，饱和蒸气压最低的那部分泵油进入到分馏塔中心；53扩散泵的基本工作原理–分馏塔•油蒸气在水冷泵壁上冷凝成液体，在重力作用下沿着泵壁重新流回油槽内；•喷射塔下面开有小狭缝，能让冷凝后的泵油返回油槽内；•空气/水冷带走了几乎全部来自油槽中的热量；•冷凝后的泵油再蒸发又将消耗加热器的功率。泵壁外围的水冷管喷射塔壁气体分子扩散泵的基本工作原理–动力传送油蒸气分子扩散泵的基本工作原理–前级管道设计前级挡板•前级挡板可确保泵油能完全冷凝；•前级管道的中间部分能保留足够的热量，可以将仍然残留在冷凝泵油内部的气体在流回油槽前蒸发出来。残留气体56扩散泵的基本工作原理-最大前级耐受压力•当前级压力超过扩散泵的最高前级耐受压力时，抽气功能将失效，将导致泵油返扩散。前级压力过高57冷阱典型的扩散泵系统Chamber高真空阀58涡轮分子泵59瓦里安的分子泵家族60转子拖动级定子轴承散热片拖动级转子定子电机排气口入口涡轮拖动复合分子泵61涡轮分子泵涡轮级的工作原理转子的叶片定子转子的叶片62•分子拖动级的工作原理高速运动器壁涡轮拖动复合分子泵63拖动级原理64冷冻泵冷冻泵压缩机65冷冻泵增强模块第二级冷冻板再生吹起管远控温度传感器第一级罐子压力调节阀第一级前挡板泵体6610-1210-1010-810-610-410-2110+2压力(torr)分子泵扩散泵冷冻泵液氮冷阱粗真空高真空超高真空高真空工作范围67高真空泵对照优点类型缺点对水蒸气抽速大任意位置安装清洁冷泵需要再生受热源影响大有振动扩散泵成本低无运动部件维护成本低返油压力容差小需要冷阱连续抽气清洁耐高压分子泵机械轴承振动成本高68超高真空泵69•钛升华泵-TitaniumSublimationPump70钛升华泵71钛升华泵原理TiN2HeO2H2H2OCH4钛升华泵由钛蒸发源和冷表面组成，升华出的钛原子沉积在表面上形成新鲜的钛膜并捕获空间中的气体分子。72钛源钛球迷你型钛球源加热器钛球源迷你型钛球源3根灯丝钛灯丝73钛升华泵•用于使系统真空达到更高的水平•在很低的压强下对于所有可吸附性气体都具有相当高的抽气速度，尤其是对于UHV系统至关重要的H2•对惰性气体和甲烷的抽速为零•当工作压强高于10-7mbar时寿命有限，因此通常与离子泵配合使用，由离子泵将工作压强抽至很低的状态•配合使用的离子泵通常要求对惰性气体具有较好的抽气效果，因此通常使用Starcell或NobleDiode类型74钛升华泵抽速表面温度H2N2O2COCO2H2O20OC3.14.69.39.37.83.1-196OC10.110.110.810.89.314.0对各种气体的抽气主要发生在升华后的钛表面(升/每平方厘米每秒)75离子泵76离子泵阴极阳极氢离子高能原子掩埋被反射中性粒子阴极内部扩散和分裂表面分裂77离子泵工作原理正交电场与磁场B~1000高斯V~3to7KV潘宁蜂窝主要抽气机理放电发生在正交的电场(E)和磁场(B)内离子轰击阴极(Ti)化学反应薄膜沉积(钛溅射)在阳极上气体被吸附在钛膜上(化学吸收作用)或被埋藏在钛阴极中阳极阴极中性气体分子阳极阴极电子磁铁78离子泵工作机理electronselectronsIonbombardmentSputteredtitaniumBuriedmolecules电子发射源电子电子离子轰击阴极阳极被埋藏分子被溅射钛79工作原理SPUTTERING离子表面相互作用离子注入能量传