在常温常压下，气体分子的平均自由程
50nm，每个空气分子每秒钟内要经历1010次碰 撞。
在气体压力低于10-4Pa的情况下，其平均
自由程 > 50m，每个空气分子每秒钟内只经
历10次碰撞；气体分子间的碰撞几率已很小， 气体分子的碰撞将主要是其与容器器壁之间的 碰撞。
气体流动状态 与气体压力、 真空容器尺寸 的关系
根据Knudsen准数 Kn:
Kn<1: 分子流状态
Kn>110 粘滞流状态
D Kn
粘滞态气流的两种不同的流动状态
根据Reynolds准数Re: Re vD
Re>2200 Re<1200
紊流状态 层流状态
气体分子的通量（Knudsen方程）
气体分子对单位面积表面的碰撞频率，称 单位面积上气体分子的通量
真空泵可以达到的极限真空度
实际的真空系统总存在气体 回流、气体泄露、气体释放等现 象。设其等效的气体流量Qp 0 ， 并忽略管路流阻(流导C为无穷大， p=pp)，则气压随时间的变化曲 线为
S pt
p(t) p0 (pi p0 )e V
则极限真空度:
p0
Qp S
0
P
有限流导情况下真空泵的抽速
溅射离子泵的外形图
溅射离子泵的结构示意图
溅射离子泵的极限真空度可以达到10-9Pa
第二讲 真空技术基础
Fundamentals of vacuum technology
要点
气体分子运动论的基本概念 真空获得的手段 真空度的测量
薄膜材料与真空技术
薄膜材料的制备过程是:
atom by atom
几乎所有的现代薄膜材料都是 在真空或是在较低的气体压力下制 备的，都涉及到气相的产生、输运 以及气相反应的过程。
旋片式机械真空泵的外形图
旋片式机 械真空泵 的结构示
意图
镇气阀：空气可通 过此阀掺入排气室 以降低压缩比，从 而使大部分蒸汽不 致凝结而和掺入的 气体一起被排除泵 外。
旋片式机械真空泵的抽速曲线
极限真空度可达10-1Pa左右，但有油污染问题
罗茨泵的外形图
罗茨泵的结构示意图
罗茨泵不使用油作密封介质，少油污染 其适用的压力范围是在0.1-1000Pa之间
10-8Pa时，
10 小时
这一方面说明了真空环境的重要性。同时, 气体分子通量还决定了薄膜的沉积速率。
真空度的划分
在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略 地划分为:
低真空 >102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 <10-5 Pa
真空系统的导流能力 流导
Maxwell-Boltzmann分布
气体分子的自由程、碰撞频率:
1 nd 2
f
va
H2和Al原子在不同温度下的速度分布
f (v)
4
(
M
3
M v2
) 2 v 2e 2RT
2RT
典型值：在T=300K 时，空气分子的平 均运动速度:
va 460m/s
气体分子的自由程
空气分子的有效截面半径d 0.5nm。
气体压力的单位与换算
大气压: atm, kg/cm2, bar
Pa:
N/m2
Torr: mm·Hg
1atm = 1000mbar
= 0.1MPa
1Torr = 133Pa
薄膜技术领域：从10-7Pa到105Pa，覆盖了12个数量级
分子运动学的基本概念
气体的压力:
理想气体的状态方程
气体分子的速度分布:
NA p
2MRT
气体压力高时，分子频繁碰撞物体表面； 气体压力低时，分子对物体表面的碰撞可
以忽略
气体分子通量的应用: 杂质的污染
假设每个向表面运动来的气体分子都是杂 质，而每个杂质气体分子都会被表面所俘获， 则可估计出不同的真空环境中，清洁表面被杂 质气体分子污染所需要的时间为：
在常温常压下， 3.510-9秒；
不同流导C1、C2、C3间可相互串联或并联 ，构成总流导C
串联流导：
111 1
C C1 C2 C3
并联流导：
C C1 C2 C3
（就象描述气体流动的欧姆定律）
真空泵的抽速
为获得真空环境，需要选用不同 的真空泵，而它们的一个主要指标 是其抽速Sp，其定义为
Sp
Q p
( L/s )
真空泵的抽速Sp与管路的流导C有着 相同的物理量纲，且二者对维持系统 的真空度起着同样重要的作用
当真空管路流导为有限，真 空容器出口与真空泵入口处 的气体压力不相等，但气体 流量相等。泵的实际抽速S 降低为
S Q SPC p SP C
即抽速S永远小于泵的理论 抽速Sp，且永远小于管路 流导C。即S受Sp和C二者 中较小的一个所限制。
真空泵的分类
输运式（排出式） 机械式 气流式
捕获式（内消式） 可逆式 不可逆式
油扩散泵组 成的真空机 组的外形图
由扩散泵组成真 空机组，其极限 真空可达110-5Pa ，但油污染的问 题较为严重
涡轮分子泵的外形图
涡轮分子 泵的结构 示意图
涡轮分子泵运 转速度极高， 因此需要在优 于1Pa的较高真 空度下运转
涡轮分子泵的抽速曲线
涡轮分子泵的极限真空度达10-8Pa，适用的压力 范围在110-8Pa之间
罗茨泵组成的真空机组的外形图
罗茨泵可与旋片式机械泵串联成真空机组使用， 降低每台泵的负荷，扩大可获得的真空度范围
罗茨泵组成的真空机组的抽速曲线
组成机组使其极限真空度提高到10-2Pa
油扩散泵的 外形图
油扩散泵 的结构示
意图
扩散泵油在高温下 会发生氧化，因此 扩散泵需要在优于 10-2Pa的较高真空 度下工作
隔膜真空泵的外形图
隔膜泵的能力较小(1L/s) ，极限真空度较差(100Pa)
，但无油污染问题
干泵系统的外形图
干泵的能力较大(100L/s) ，极限真空度较高(10-2Pa)
，无严重的油污染问题
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的外形图
低温吸附 (液氦冷凝) 泵的结构示意图
低温吸附泵的极限真空度可达10-8Pa。其效能取决于 所用的低温温度、被吸附气体的种类、数量、吸附 表面的面积等
真空系统中，气体的通过能力称之为流导C
Q C
p1 p2
流导C的大小取决于
真空系统(管路)的几何尺寸 气体的种类与温度 气体的流动状态(分子流或粘滞流)
如对分子流, 一个处于两直径很大的管路之
间的通孔的流导为
A
RT
C n A 2M
真空系统的导流能力 流导
不同形状管路的流导已被编制成图表