真空基础知识.pdf

真空基础知识真空基础知识Copyright 2005 FPI inc,all right reserved主要内容主要内容一、概述一、概述二、真空获得二、真空获得三、真空测量三、真空测量四、真空系统的零件四、真空系统的零件五、真空系统的组装与检漏五、真空系统的组装与检漏六、真空系统及真空设备六、真空系统及真空设备七、真空系统计算基础七、真空系统计算基础Copyright 2005 FPI inc,all right reserved一、概述一、概述Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空状态的特点与真空技术的基本内容真空状态的特点与真空技术的基本内容真空是指低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。真空是指低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。气体压强越低，表示真空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。现在，真空技术已经成为一门独立的前沿学科。基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。现在，真空技术已经成为一门独立的前沿学科。基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空区域划分与单位换算真空区域划分与单位换算真空区域国家标准真空区域国家标准(GB 3163-82)的划分是：低真空：的划分是：低真空：105102Pa中真空：中真空：10210-1Pa高真空：高真空：10-110-5Pa超高真空：超高真空：10-5Pa单位换算国际单位：单位换算国际单位：Pa(pascal)1 Pa=1 N/m2换算换算1 atm=760 torr=1.01105Pa=14.7 psiCopyright 2005 FPI inc,all right reserved质谱仪器要求高真空的理由质谱仪器要求高真空的理由离子平均自由程必须大于离子源到收集器的飞行路程离子平均自由程必须大于离子源到收集器的飞行路程氧分压过高影响电子轰击离子源中灯丝的寿命氧分压过高影响电子轰击离子源中灯丝的寿命离子源内高的气压可引起高达数千伏的加速电压放电离子源内高的气压可引起高达数千伏的加速电压放电高的气压产生高的本底会干扰质谱及分析结果高的气压产生高的本底会干扰质谱及分析结果电离盒内的高气压导致离子电离盒内的高气压导致离子分子反应，改变质谱图样分子反应，改变质谱图样电离盒内的高气压会干扰轰击电子束的正常调节电离盒内的高气压会干扰轰击电子束的正常调节以上诸因素中，第四、五两项与气体种类有关，其余各项取决于气体总压。以上诸因素中，第四、五两项与气体种类有关，其余各项取决于气体总压。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved二、真空获得二、真空获得Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空泵的分类真空泵的分类Copyright 2005 FPI inc,all right reserved旋片式机械真空泵旋片式机械真空泵工作压强范围为工作压强范围为1013251.3310-2Pa属于低真空泵属于低真空泵可单独使用，也可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵可单独使用，也可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵Copyright 2005 FPI inc,all right reserved隔膜真空泵隔膜真空泵抽速较小，抽速较小，0.24 L/s，极限真空为几十帕，极限真空为几十帕属于无油泵属于无油泵Copyright 2005 FPI inc,all right reserved涡轮分子泵涡轮分子泵工作压力范围宽，在工作压力范围宽，在 10-110-8Pa 范围内具有稳定抽速范围内具有稳定抽速起动时间短，能抽除各种气体和蒸气起动时间短，能抽除各种气体和蒸气分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved涡轮分子泵涡轮分子泵原理：利用高速旋转的涡轮叶片不断对被抽气体施以定向的动量和压缩作用，将气体排走。原理：利用高速旋转的涡轮叶片不断对被抽气体施以定向的动量和压缩作用，将气体排走。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved钛升华泵钛升华泵蒸发热丝电压控制装置吸气面原理：原理：通电给升华器通电给升华器(或热丝或热丝)，使钛加热到足够高的温度，使钛加热到足够高的温度(1100 oC)直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上，形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中，与活性气体结合成稳定的化合物直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上，形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中，与活性气体结合成稳定的化合物(固相的固相的TiO或或TiN)，将空间的气体分子抽除。需要，将空间的气体分子抽除。需要110-2Pa预备真空，压强过高，蒸发器会氧化，极限真空预备真空，压强过高，蒸发器会氧化，极限真空10-8 PaCopyright 2005 FPI inc,all right reserved溅射离子泵溅射离子泵阳极阴极37 kV 电压，潘宁放电电压，潘宁放电原理：放电产生的离子轰击阴极，引起金属钛的溅射，溅射的钛沉积于阳极筒内壁以及以及阴极上离子轰击较少的部位,形成新鲜活性钛膜吸气。原理：放电产生的离子轰击阴极，引起金属钛的溅射，溅射的钛沉积于阳极筒内壁以及以及阴极上离子轰击较少的部位,形成新鲜活性钛膜吸气。需要需要110-1Pa预备真空，极限真空预备真空，极限真空10-9 PaCopyright 2005 FPI inc,all right reserved非蒸散型吸附泵非蒸散型吸附泵原理：与钛升华泵相同，都是利用吸气材料（原理：与钛升华泵相同，都是利用吸气材料（Zr-Al合金或合金或Zr-V-Fe合金合金)对气体分子的化学吸附作用，但非蒸散型吸气剂不需要蒸发或升华，只需将其在某温度下激活，工作时可以在室温下吸气。对气体分子的化学吸附作用，但非蒸散型吸气剂不需要蒸发或升华，只需将其在某温度下激活，工作时可以在室温下吸气。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved非蒸散型吸附泵非蒸散型吸附泵泵壳泵芯真空规加热器电极热电偶气体分析接头Copyright 2005 FPI inc,all right reserved非蒸散型吸附泵非蒸散型吸附泵不需蒸发升华，除激活外，没有热源，形状灵活多变，清洁无油，无噪音，无震动。不需蒸发升华，除激活外，没有热源，形状灵活多变，清洁无油，无噪音，无震动。10-10Pa极限真空，对惰性气体无抽速，故非蒸散型吸气剂泵只能做辅助泵，最好在压强低于极限真空，对惰性气体无抽速，故非蒸散型吸气剂泵只能做辅助泵，最好在压强低于1 Pa的条件下打开使用的条件下打开使用Copyright 2005 FPI inc,all right reserved各种真空泵的工作范围各种真空泵的工作范围Copyright 2005 FPI inc,all right reserved三、真空测量三、真空测量Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空规测量范围真空规测量范围Copyright 2005 FPI inc,all right reserved热偶真空计热偶真空计原理：原理：利用气体分子的导热性质利用气体分子的导热性质,通过热电偶产生的热电势来测量真空的。使用时，调可变电阻使加热电流保持定值情况下通过热电偶产生的热电势来测量真空的。使用时，调可变电阻使加热电流保持定值情况下，加热丝的平衡温度取决于气体压强，若压强越高，气体分子碰撞热丝机会越多带走的热量越多，因而热丝温度越低，热电偶所产生的电动势也越低；反之，压强越低，热丝温度越高，热电动势越大。加热丝的平衡温度取决于气体压强，若压强越高，气体分子碰撞热丝机会越多带走的热量越多，因而热丝温度越低，热电偶所产生的电动势也越低；反之，压强越低，热丝温度越高，热电动势越大。加热铂丝热电偶管壳毫伏表毫安表恒压电源限流电阻测量范围：测量范围：1 Torr to 10-4Torr Copyright 2005 FPI inc,all right reserved电离真空计电离真空计工作原理：电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度，在一定温度下正比于气体的压力。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。根据气体分子电离方式的不同，电离真空计可可分三种：工作原理：电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度，在一定温度下正比于气体的压力。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。根据气体分子电离方式的不同，电离真空计可可分三种：热阴极电离真空计热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计冷阴极电离真空计和和放射电离真空计放射电离真空计。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved电离真空计电离真空计热阴极电离真空计热阴极电离真空计1 10-4Torr and possibly to 10-10TorrB-A规规Copyright 2005 FPI inc,all right reserved电离真空计电离真空计10-2Torr to 10-5Torr 2 kV冷阴极电离真空计（潘宁规）冷阴极电离真空计（潘宁规）Copyright 2005 FPI inc,all right reserved电容真空计电容真空计原理：一种恒弹性，并耐腐蚀的金属薄膜的一侧为测量侧，另一侧位于一个保持在高真空的参考压力室。该参考压力室的底部为陶瓷板，板上蒸镀了由铂膜构成电极。该电极与膜片之间的电容随膜片位移而变化。检测电容量的变化即可得知压力值的变化。原理：一种恒弹性，并耐腐蚀的金属薄膜的一侧为测量侧，另一侧位于一个保持在高真空的参考压力室。该参考压力室的底部为陶瓷板，板上蒸镀了由铂膜构成电极。该电极与膜片之间的电容随膜片位移而变化。检测电容量的变化即可得知压力值的变化。测量范围可从数十倍大气压力至测量范围可从数十倍大气压力至10-5Pa Copyright 2005 FPI inc,all right reserved四、真空系统的零件四、真空系统的零件Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空阀门真空阀门球阀针阀球阀针阀手柄阀杆阀体弹性体环金属球接口孔口阀座针限位螺母螺母手柄阀杆阀体弹性体环金属球接口孔口阀座针限位螺母螺母Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空阀门真空阀门电磁阀电磁阀电磁线圈电磁线圈铁芯铁芯Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空法兰真空法兰CF法兰法兰Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空法兰真空法兰KF法兰法兰Copyright 2005 FPI inc,all right reserved接头接头Copyright 2005 FPI inc,all right reserved管件管件Copyright 2005 FPI inc,all right reserved穿通密封件穿通密封件功率式穿通密封件同轴信号式穿通密封件热电偶陶瓷隔离件气液穿通密封件传动式穿通密封件光学式穿通密封件Copyright 2005 FPI inc,all right reserved五、真空系统的组装和检漏五、真空系统的组装和检漏Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空系统的组装真空系统的组装真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或者让辐射传输。真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或者让辐射传输。为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。根据连接件的相互关系，密封方法、用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。总起来说，根据被连接件的相互关系，可以将真空密封分为两大类：为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。根据连接件的相互关系，密封方法、用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。总起来说，根据被连接件的相互关系，可以将真空密封分为两大类：不可拆卸的（永久的）连接不可拆卸的（永久的）连接和和可拆卸连接可拆卸连接。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空系统的组装真空系统的组装不可拆卸的（永久的）连接是金属部件之间焊接，玻璃间烧结，玻璃与金属部件间封接。不可拆卸的（永久的）连接是金属部件之间焊接，玻璃间烧结，玻璃与金属部件间封接。可拆卸真空连接最方便的方法是依赖弹性体（如可拆卸真空连接最方便的方法是依赖弹性体（如O型圈）以保证密封，但弹性体不能耐高温，使用的温度范围一般低于型圈）以保证密封，但弹性体不能耐高温，使用的温度范围一般低于200 oC。高温条件下，总是使用铟、铝、金、银等塑性较好的金属作为密封材料。高温条件下，总是使用铟、铝、金、银等塑性较好的金属作为密封材料。用弹性垫圈的可拆卸连接用金属垫圈的可拆卸连接用弹性垫圈的可拆卸连接用金属垫圈的可拆卸连接Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空系统的检漏真空系统的检漏当真空系统达不到正常工作所需要的真空时，首先判断是否漏气造成的。漏气的判断方法是先将系统抽空到一定压强，然后关闭阀，将系统和泵隔断，测量压强的变化。将所测压强对时间作曲线，可能出现四种情况当真空系统达不到正常工作所需要的真空时，首先判断是否漏气造成的。漏气的判断方法是先将系统抽空到一定压强，然后关闭阀，将系统和泵隔断，测量压强的变化。将所测压强对时间作曲线，可能出现四种情况（1）曲线）曲线A：说明该系统既不漏气，也不放气（放气是由于系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。（：说明该系统既不漏气，也不放气（放气是由于系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。（2）曲线）曲线B：在开始时上升较快，而后呈饱和状，表明系统本身不漏气，但内部有放气源。（：在开始时上升较快，而后呈饱和状，表明系统本身不漏气，但内部有放气源。（3）曲线）曲线C：呈直线上升，说明系统漏气。（：呈直线上升，说明系统漏气。（4）曲线）曲线D：表明系统压强开始上升很快，而后变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况都存在。：表明系统压强开始上升很快，而后变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况都存在。判断真空系统确实漏气之后，就开始着手寻找漏孔的位置、测定漏率大小，以便进行修补。检查的方法主要有：压力检漏法、真空检漏法、氦质谱检漏法和其他检漏法等。判断真空系统确实漏气之后，就开始着手寻找漏孔的位置、测定漏率大小，以便进行修补。检查的方法主要有：压力检漏法、真空检漏法、氦质谱检漏法和其他检漏法等。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved六、真空系统及真空设备六、真空系统及真空设备Copyright 2005 FPI inc,all right reserved典型的真空系统典型的真空系统1真空室充气阀；真空室充气阀；2真空测量规管；真空测量规管；3流量调节阀；流量调节阀；4高真空阀；高真空阀；5冷阱；冷阱；6油扩散泵；油扩散泵；7储气罐；储气罐；8热偶规管（测扩散泵前级压力）；热偶规管（测扩散泵前级压力）；9前级阀；前级阀；10真空膜盒继电器；真空膜盒继电器；11预抽阀；预抽阀；12罗茨泵；罗茨泵；13，14机械泵（其中一台可兼维持泵）；机械泵（其中一台可兼维持泵）；15旁通阀旁通阀Copyright 2005 FPI inc,all right reservedINFICON HAPSITE Protable GC/MS真空系统真空系统Copyright 2005 FPI inc,all right reserved中国计量科学学院设计的矩形离子阱质谱仪真空系统中国计量科学学院设计的矩形离子阱质谱仪真空系统传输线与色谱柱连接的地方通过石墨垫盒螺母固定分析化学仪器装置与实验技术，2008，36，413418Copyright 2005 FPI inc,all right reserved典型的真空设备典型的真空设备真空镀膜设备电子显微镜Copyright 2005 FPI inc,all right reserved七、真空系统计算基础七、真空系统计算基础Copyright 2005 FPI inc,all right reserved真空技术基本方程真空技术基本方程12QCpp111epSCS流导的定义是：在单位压差下（入口和出口压力分别为流导的定义是：在单位压差下（入口和出口压力分别为p1和和p2）流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示，即（）流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示，即（Q为流经管路的气流量）如果用为流经管路的气流量）如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用来表示真空系统对容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有式这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有式这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流导和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。Copyright 2005 FPI inc,all right reserved流导的计算流导的计算气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说，管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时，首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态。气体流动状态判别依据：气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说，管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时，首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态。气体流动状态判别依据：/d110-2为粘滞流，为粘滞流，110-2/d1为粘滞为粘滞分子流，分子流，/d1为分子流。其中为分子流。其中为分子的平均自由程长度，为分子的平均自由程长度，d为管道直径为管道直径Copyright 2005 FPI inc,all right reserved流导的计算（流导的计算（20 oC空气）空气）流导公式流导公式 气体流动状态气体流动状态 长管长管(l/d20)孔眼孔眼 短圆管短圆管(l/d20)粘滞流粘滞流 4182dCpl 0.7120.2287711ACrrr411821 3.83 10dCpQ 分子流分子流 312.1dCl 11.6CA 312.1dCKl 粘滞粘滞分子流分子流 312.1(0.9 15)MBdCd pl C流导流导 L/s，d,l管道直径和长度管道直径和长度 cm，A孔面积孔面积 cm2，K克劳辛系数，克劳辛系数，p管道中平均压强管道中平均压强 Torr2215()12()2038()12()llddKlldd The EndThe End