真空技术基础和应用.

VacuumTechnology(真空技术）ConceptsandKeyPoints（基本概念和技术要点）张家良大连理工大学三束材料改性国家重点实验室TheState-keyLab.forMaterialModification,DalianUniversityoftechnology1Concepts（基本概念）MeanFreePathofgasmolecules（分子平均自由程）:Viscoseflow（粘滞流）Vs.Molecularflow（分子流）Gasflow（气体流动）:Throughput（流量）,Conductance（流导）,Pumpingspeed（抽气速率）Pumps:Mechanical（机械泵）,Roots（罗茨泵）,Turbo（涡轮分子泵）,Diffusion（油扩散泵）,Dry（干燥泵）,Ion（离子泵）,Cryo（冷凝泵）Gauges（真空规）:Mechanical（机械规）,Thermalconductance（热导规）,Ionization（电离规）,Chambers（真空腔体）:Joints（连接密封件）(metal（金属件）,elastomer),parts（真空部件）Outlines(概述）:Keypoints(技术要点)•Practicalconcerns:(实用技术）1.Surface(表面的真空特性)2.Material(真空材料的采用）:SUS（不锈钢）,Alalloy（铝合金）,ceramic（陶瓷）,plastic（塑料）,•Baking（烘烤技术）•Virtualleak（虚假漏气）•Leaktest（检漏技术）•UHV（超高真空的获得）Outlines(概述）:VacuumTechnology-1（真空技术之一）Concepts（基本概念）什么是真空？•真空：气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空的真空术语本底真空度：全密封真空腔体内抽空时的气压工作真空度：实验或工艺过程所必须的气压力极限真空度：真空泵进气口处测量得到的气压真空规：测量真空中气压的仪表或者传感器真空度单位：气压的单位真空度就是真空中的气压。真空的测量就是气压的测量气压单位间的换算关系大气压•标准大气压：0度时，760mm水银柱产生的压强。•大气压：地球表面上，大气层产生的气压随海拔高度和纬度不同而不同，在海拔3000米以内，每升高12米，降低1torr.•工业大气压：1am=1kg/cm2=735.56torr一个大气压约为1公斤压力真空的分类粗真空：1atm-1Torr中真空:1torr—10-3Torr高真空:10-3Torr---10-7Torr超高真空:10-7Torr---10-12Torr极高真空：10-12Torr•根据：真空应用范围、真空物理特性、真空泵和真空规的使用范围等，划分真空度。真空技术的发展历史•1602年，德国开始，水泵和空气泵获得真空。最好真空度0.25Torr.•1873年，白炽灯泡发明，电子管出现，真空开始应用。•1905年，旋转水银真空泵•1907年，油封旋转真空泵•1913年，分子抽气机•1915年，扩散泵，进入高真空时代真空技术的发展历史•1948年，大量尖端技术出现，需求超高真空。发明了离子泵，可实现超高真空。•1950年前后，吸气材料被应用于真空获得。发明了Ti升华泵。•70年代，分子抽气泵被改进，发展出涡轮分子泵，可以替代扩散泵，获得高真空。目前广泛使用涡轮分子泵获得高真空和超高真空真空技术的发展历史真空规的发展历史•1873年，发明压缩式真空计，•1874年，热辐射真空计（热电阻）。•1906年，热真空计（热电偶的使用）电离真空计•1937年，磁控管真空计•1946年，辐射电离真空计之后，各类真空计的精度逐渐提高，出现了大量改进型，目前常用有：热辐射真空计（低、中真空），热电偶真空计（中、高真空），电离真空计（高、超高真空），磁控管真空计（超高，极高真空）真空技术中的物理基础•基本概念1.平均自由程(l)：热运动的分子相继两次碰撞之间飞越的距离。2.流量，抽气量(Q)：单位时间流过抽气管道的气体分子总量。单位：Torr.L/s3.流导(U)：真空管道流过气体的能力。流过管道的流量与管道两端压差之比.U=Q/(P2-P1),单位：L/s(升/秒)真空技术中的物理基础•基本概念1.分子流：分子在流动过程中自由飞行，互相之间不碰撞。高真空和超高真空下的流动。分子自由程远大于管道直径。2.粘滞流：与分子流相对，分子自由程远小于管道直径，中真空下的流动。3.湍流：粘滞流的一类特殊状态，流速大而粘滞强出现的不规则涡旋流动状态。•基本定律和方程：设计和分析真空系统的特征常用的基本定律1.理想气体状态方程：PV=nRT2.理想气体实验三定律：玻玛定律；盖吕定律和查理定律。是理想气体方程的推论。PV=const(T,n常数）V/T=const(P,n常数)P/T=const(V,n常数）3.阿佛伽德罗定律：阿佛伽德罗常数N0=6.023X1023/molP=nmvs2/3=rvs2/3=nKTm—分子质量；n—单位体积气体的分子数；vs是气体分子平均速率。真空技术中的物理基础•气体分子的速度：气体分子速度是随机的热运动速度。但是其平均速率是确定的：V≈vs=(8KT/pm)0.5=150(T/M)0.5其中，m是分子质量，M是分子量。•分子的平均自由程l=1/pD2n,D是分子直径。真空技术中的物理基础例子：气体分子的平均速率:空气(80%N2+20%O2)at20oCsmmTkv5008pcmtorrP)(1053lMeanFreePath:平均自由程P=760torrl=700Åt=0.14nsP=1torrl=50mmt=100nsP=10-3torrl=5cmt=100msP=10-6torrl=50mt=0.1s直径是3Å的分子并且smv500真空获得技术•真空泵•真空度测量•真空室和部件•设计真空系统•真空维持真空获得技术—真空泵•真空泵的几个术语1.抽气速率：在泵的入口处，压强为P,单位时间内抽出的气体量为Q,抽速Sp=Q/P,单位：L/s2.有效抽气速率：真空泵与真空室之间通常有管道，管道存在压差，减小了泵的抽速。管道流导为U,有效抽速S=SpU/(Sp+U)3.起始压强：真空泵开始工作的允许压强，泵的工作原理决定。有些需要真空下开始工作，因此前级泵是必须的。4.极限真空度：没有漏气和内壁脱气条件下，真空泵所能达到的最低气压，工作介质决定了极限真空。如果平均自由程真空室尺寸⇒分子流分子的运动互相之间是独立的，分子与墙壁表面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。真空度如果平均自由程真空室尺寸⇒粘滞流分子运动互相影响分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学，真空度真空获得技术—真空泵获得真空的方法：使用真空泵或者吸气剂，真空泵是获得真空的最重要工具。真空泵性能指标决定真空度高低。抽气速率的计算:通常情况下,真空泵的抽气量正比于真空室气压P,泵抽速S定义为：tδPVδP1SPStδPVδS单位：升/秒,ℓ/sQ=PS，因此分子数减少速率为：流量为：StPVtNPQddddatT=constPV=NRT,N是分子总数PVNatT=const通常稳态条件下，抽气管道中的流量是守恒的，即：Q=P1S1=P2S2pump25ℓ/spump1500ℓ/sP1P2P2=100P1pump500ℓ/sP1,P2连接管道，流导为：S1S221S1C1S1LD12C3D=直径,incmL=长度,incmC=流导,inℓ/s例子1D=15cmL=20cmC=2025ℓ/sS1=401ℓ/s例子2D=10cmL=20cmC=600ℓ/sS1=273ℓ/s真空泵昂贵.连接管便宜.分子流条件下C有管道的真空泵抽速：管道流导的计算：管道并联的流导21C1C1C1C=C1+C2管道串联的流导LD12C3D=直径,incmL=长度,incmC=流导,inℓ/sPav=管道内平均气压,intorr@分子流条件,D~5cm,Pmtorrav4PLD180C@粘滞流,PmtorrPavC@D~5cm,L=constviscousmolecularmtorrl=5cm@1mtorr管道流导的计算：pump2100ℓ/spump1500ℓ/sChamer1gasinlet,N21x10-3torrℓ/sconnectingtube1cminnerdiameter10cmlengthgasinlet,O21x10-4torrℓ/sChamer2估计:P(N2)inchamber1P(N2)inchamber2P(O2)inchamber1抽空时间计算：SPtPVddSVτePPPVStPt/τ-0dd抽气流量方程例子V=1000ℓS=500ℓ/st=2s每2.3t,气压降低10倍实际上,真空度from10-6torrto10-7torr，却需要比上述估计长得多的时间为什么？器壁表面脱气。因此腔体材料的选择十分重要，特别是高真空系统各类真空泵的抽速•真空泵的分类•抽气式1.旋片式真空泵2.扩散泵3.涡轮分子泵4.分子拖拽泵•吸气式1.冷凝泵2.离子泵3.升华泵常用真空泵的原理:机械泵:油旋片泵,罗茨泵干式叶片泵,辊对泵,隔膜泵扩散泵涡轮分子泵离子和升华泵冷凝泵抽速工作气压压缩比气体选择性旋片式机械泵MechanicalPump第一级:downto10-1torr第二级:downto10-3torrinlet密封,润滑返流⇒分子筛过滤油式干式(无油)密封不好寿命短污染Inletpressure:10-3torr~torr~atmheavyloadathighpressureOutletpressure:1atm~1.1atmlimitedbyoilvapor&airbackleak抽速大PinPout压缩比低~100Q@PPKnetinout净抽速Qnet=PinSfor-PoutSbackIfPoutishigh,Qnetcanbereducedto0此时Pout/Pin达到，因此K=Pout/Pin=Sfor/Sback罗茨泵压缩比定义：to机械泵对辊泵干式寿命短(5000hrs)抗腐蚀性低Inletpressure:10-3torr~torr~atmOutletpressure:1atm~1.1atm隔膜泵•抽速低16升/秒•极限真空低1.成本低2.大气压下工作3.密封简单4.耐腐蚀气体油扩散泵10-3~10-1torr10-4~10-7torr便宜,耐用返油加热慢(~0.5hr)&冷却慢(~2hr)电消耗量大加热器~200oCoiljet原理:油分子（大分子）的动量气体分子的动量，传递动量实现被抽分子的定向运动，而油分子本身几乎不受影响。冷却水管道负载过大，抽速降低油蒸汽压平均自由程~5cmatinlet出口处稍短atoutlet涡轮分子泵•高速叶片(转子)•动量传递•叶片速度~分子速率220005008HforsmairforsmmTkvp有定子组阻挡分子返回(没有显示)分子抽速与入口气压之间的关系：对H2而言，压缩比小，抽速低0Q@PPKnetinout压缩比分子泵的特点：涡轮分子泵的优缺点方便,可靠,体积小可烘烤到125oC对小分子压缩比低：forH2,103~105润滑油脱气磁悬浮轴承不需要维护耐腐蚀离子泵工作原理：1.产生放电；电子碰撞气体分子发生电离2.离子注入进入钛阴极3.钛阴极发生磁控溅射，在阳极上沉积钛膜4.气体分子在钛表面被吸附，然后被掩埋离子泵的饱和效应记忆效应和脱气引起饱和效应优点：1.不需要前级泵2.关闭电源后，仍有抽气作用，用于维持真空3.耐用缺点：1.饱和效应明显，只能用于小负载2.脱气3.对气体有选择性，钛的吸附能力决定离子泵和升华泵的优缺点冷凝泵气体分子在过冷表面凝结，实现抽气20K活性炭吸附H2,Ar,N2,O2,etc80K金属表面吸附H2O,etc1.对于可冷凝气体有