Chamer 1
pump 1 500 ℓ ℓ/s
Chamer 2
pump 2 100 ℓ/s
connecting tube 1 cm inner diameter 10 cm length
估计:
P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1
Outlines(概述）: (概述）
1 Concepts（基本概念） （基本概念） Mean Free Path of gas molecules（分子平均自由程）: （分子平均自由程） Viscose flow （粘滞流）Vs. Molecular flow（分子流） Gas flow（气体流动）: （气体流动） Throughput（流量）, Conductance（流导）, Pumping speed（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）, Thermal conductance（热导规）, （真空规） Ionization（电离规）, Chambers（真空腔体）: Joints （连接密封件）(metal（金属件）, elastomer), （真空腔体） parts（真空部件）
真空的分类
• 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。
粗真空： 中真空: 高真空: 超高真空: 1atm-1Torr 1torr—10-3Torr 10-3Torr---10-7Torr 10-7Torr ---10-12Torr
极高真空： <10-12Torr
D4 C = 180 Pav L
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s Pav = 管道内平均气压, in torr
viscous
C
molecular
mtorr
Pav
gas inlet, N2 1x10-3 torr ℓ/s
gas inlet, O2 1x10-4 torr ℓ/s
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=(8ΚΤ/πm)0.5=150(T/M)0.5 8ΚΤ/π
其中，m是分子质量，M是分子量。 • 分子的平均自由程 λ=1/πD2n, D是分子直径。
例子：气体分子的平均速率: 空气 (80% N2 + 20% O2) at 20 oC
抽速 工作气压 压缩比
扩散泵 涡轮分子泵 离子和升华泵 冷凝泵
气体选择性
旋片式机械泵
Mechanical Pump 第一级: 第二级: down to 10-1 torr down to 10-3 torr
inlet
油式
密封, 润滑 返流 ⇒ 分子筛过滤 密封不好 寿命短 污染
干式 (无油)
limited by oil vapor & air back leak Inlet pressure: 10-3 torr ~ torr ~ atm heavy load at high pressure Outlet pressure: 1 atm ~ 1.1 atm
真空度
抽气速率的计算:
PV = NRT, N是分子总数
N ∝ PV
at T= const
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：
δ PV 1 δ PV = PS S = δt P δt
流量为：
S 单位：升/秒, ℓ/s
Q = PS，因此分子数减少速率为：
d N d PV ∝ = Q = PS dt dt
3.
4.
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
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
泵是获得真空的最重要工具。 壁表面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。 真空泵性能指标决定真空度 高低。
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， 抽气气流动力学，
λ = 50 µm τ = 100 ns
P = 10-3 torr P = 10-6 torr
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
•
1. 2.
真空泵的几个术语
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/s 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) 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。 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。
真空技术中的物理基础
• 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=nRT 2. 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/mol P=nmvs2/3=ρvs2/3=nKT m—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。
D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in ℓ/s
分子流条件下
P2
pump 500 ℓ/s
S2
例子 1 D = 15 cm L = 20 cm C = 2025 ℓ/s S1= 401 ℓ/s
例子 2 D = 10 cm L = 20 cm C = 600 ℓ/s S1= 273 ℓ/s
• 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. 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。
罗茨泵
抽速大 压缩比低 ~ 10
抽空时间计算： 抽空时间计算：
d PV = −SP dt
抽气流量方程
dP S =− P dt V P = P0 e V τ= S
为什么？ 器壁表面脱气。 为什么？ 器壁表面脱气。
- t/τ
例子 V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s τ=2s 每 2.3 τ, 气压降低10倍
实际上, 实际上 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr，却需要比上述估计长得多的时间 ，
因此腔体材料的选择十分重要， 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
•
1. 2. 3. 4.
抽气式
旋片式真空泵 扩散泵 涡轮分子泵 分子拖拽泵
•
1. 2. 3.
吸气式
冷凝泵 离子泵 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
Vacuum Technology (真空技术） 真空技术）
Concepts and Key Points （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 The State-key Lab.for Material Modification, Dalian University of technology
at T = const
通常稳态条件下，抽气管道中的流量是守恒的， 即：
Q = P1S1 = P2S2 P2 = 100 P1
P1
pump 1 500 ℓ/s
P2
pump 2 5 ℓ/s
有管道的真空泵抽速：
P1, S1
C
1 1 1 = + S1 C S2
D3 连接管道，流导为： C = 12 L
Outlines(概述）: 概述） 概述
Key points (技术要点 技术要点) 技术要点 • Practical concerns :(实用技术） 实用技术） 实用技术 1. Surface (表面的真空特性) 表面的真空特性) 2. Material (真空材料的采用）: 真空材料的采用） 真空材料的采用 SUS（不锈钢）, Al alloy（铝合金）, ceramic（陶瓷）, plastic（塑料）, • Baking（烘烤技术） （烘烤技术） • Virtual leak（虚假漏气） （虚假漏气） • Leak test （检漏技术） 检漏技术） • UHV （超高真空的获得） 超高真空的获得）