水就是气体。 当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。
2. 气压

P = F / A=nMvrms2/3NA 气压来 源于 气 体分子 对 器壁的不断碰撞。

气体分压
空气是多种气体混合物
PARTIAL PRESSURES OF GASES CORRESPOND TO THEIR RELATIVE VOLUMES
3
4
10-7 Inlet Pressure (Pa)
10--1
10
最大出口气压
(Page 73 manual)
液氮冷阱+挡板
(Page 78 manual)
油扩散泵
优点
• 简单 • 相对便宜 • 无活动部件 （无振动） • 抽速 P • 容易抽轻气体 • 可允许颗粒存在
缺点
• 油 蒸汽 热解 • 加热冷却耗时 • 需要冷却 • 可能过热 • 可能污染腔体
1/t
§1-3 真空的获得
• 典型的真空系统包括：真空室 (Chamber) ，真空泵 (Vacuum Pump), 控 制 系 统 (Control system) ， 真 空 计 (Vacuum Gag) • 真空系统的两个重要参数：极限真空 （ 本 底 真 空 , Base pressure or Ultimate pressure ） ， 抽 气 速 率 (Pumping speed)
Pump/Blower Packages
真空泵工作示意图
单级罗茨真空泵结构图
C (blower + rotary piston) （罗茨泵+旋转活塞泵） D (rotary piston) （旋转活塞泵） A (blower + rotary vane) （罗茨泵+旋片泵） B (rotary vane) （旋片泵）
放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、 超高真空阶段为主要放气源。
真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷
除气手段：烘烤、离子轰击
3. 系统漏气：
密封： O形橡胶圈：高真空 金属密封圈：超高真空
气体负荷
Outgassing Permeation Real
Leaks Diffusion Virtual Backstreaming
气镇阀
解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另 一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa→10-2Pa 采用高温泵油
双级泵工作原理
可获得更低的气压
1. 旋片式机械泵的缺点
振动！ 返油 （无法生成高真空） 容易磨损
对可凝结的气体效果不佳
发热 耗油
返油
油分子的平均自由程 随气压降低逐渐增大
Relative Pressure
Absolute Pressure
用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真 空的程度 帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制 托（ Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描 述真空的独特单位 此外，mmHg、atm、bar等。
5. 为什么需要真空?
碰撞几率
气体分子运动 X 的距离以后，彼此间碰撞的几率。
★误区： f 与λ成反比。 x= λ ,f＝63% x= 0.1λ,f＝9%
5. 分子通量与余弦散射律
（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间 单位面积的器壁上碰撞的气体分子数
（克努森方程） ＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s） P: pascal M: g T: K
泵将气体抽出系统？
No！No！！ No！！！
真空泵 Vacuum pump
Atmosphere
• 要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两
个区域存在压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥 有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。 • 任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫 做泵。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵。
涡轮分子泵工作原理
Molecule
V
Moving Wall with Speed V
Principle of the Turbomolecular Pump
涡轮分子泵
优点
• • • • 清洁 无需加热冷却 高真空 抽速快

缺点
• • • • 昂贵 不允许颗粒存在 易崩溃 （更贵） 抽速因气体不同
1. 需要粒子在较长的距离做直线运动。
5. 为什么需要真空?
2. 提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。 空气气氛 污染严重 (经常是水)
高真空 洁净表面
6. 真空的划分
粗真空 105－102Pa : 目的是获得压差
真空吸尘器，真空过滤器，CVD
Байду номын сангаас
低真空 102－10-1Pa:气体分子运动特征改 变，电场下具有导电特征
3. 扩散泵
扩散泵油被加热后沿喷嘴 向下喷射，速度可达 200m/s ， 由 空 气 动 力 学 原理与进气口形成压力差， 使气体向下扩散而被抽走，
油蒸汽水冷后重新利用。
顶级喷口拥有最纯的油蒸汽
工作原理
抽速变化
1
Pumping Speed (Air)
2
Critical Point 1. Compression Ratio Limit 2. Constant Speed 3. Constant Q (Overload) 4. Mechanical Pump Effect
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 • 平均速度 • 均方根速度 ： 最大时的速度
2
气压<0.2 mbar 时容易发生
单级和双极叶片泵的抽速特征
压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可
凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将气体排出。
2. Roots--罗茨泵
• 两个8字形共轭的转 子，转子之间、转 子与泵壁之间无油， 间隙0.1mm高速转 动：可达3000转/分， 抽气时无压缩，工 作原理：容积泵+分 子泵。 • 机械增压泵
4. 分子泵
“Clean, Lean Vacuum Machine”
Turbo’s
Balzers, 1992
Leybold M2000, 1999

气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转 子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度， 后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。 条件：（1）起始工作气压小，平均自由程大。 常压下，空气λ=0.06μm，1.3Pa，λ=4.4mm 要求λ大于叶片间距。 （2）转子叶片线速度与气体分子速度相近分 子量大、气体易抽，H2难抽。 H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体 中。85%为H2。
分子密度与平均自由程
101325 Pa(atm) # /cm3 MFP 3 x 10 19 (30 million trillion) 2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm
0.1 Pa 4 x 10 13 (40 trillion) 2 inches 5.1 cm
1 x 10-7 Pa 4 x 10 7 (40 million) 31 miles 50 km
4.平均自由程 MEAN FREE PATH 定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运 动的平均路程
其中:n—气体分子密度 ，标准状态 n≈3*1019 d —分子直径, 几个Å
• 代入理想气体状态方程 得:
kT 2 2d P
Is λ propotional to T? cm
对于25℃空气
电学特性
输运特性
真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等 表示
4. 压力单位
Pressure unit Pa Bar Atm Torr Pa 1 100000 101325 133.32 Bar 0.00001 1 1.01325 0.001333 Atm 9.869×10-6 9.869×10-1 1 1.316×10-3 Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
（2）气体分子从固体表面的反射几率
A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射 B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留 在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。
6. 气体的流动
黏滞流 (分子间动量传递)
分子流 (分子独立运动)
流体机制
黏滞流: 分子间距小；分子间碰撞占主导； 通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1 mbar

N2 170 L/s He 130 L/s H2 110 L/s
5. 钛升华泵
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程 低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖· 吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
气体负荷单位: mbar∙L/s
抽气曲线
10+1 10-1
Pressure (mbar) 10-3 10-5 空间气体 Exp(-at)
表面解吸
1/t
10-7 扩散
10-9 10-11 1 10 10 3 10 5 渗透 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 Time (sec)