真空技术_67页.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第三章 真空技术,真空的基本特点,气体间的碰撞少，平均自由程长,与器壁或研究对象表面的碰撞少,压力低，改变化学平衡,热导低,化学非活性,平均自由程,Molecular density,incidence rate,mean-free path,and monolayer formation time as a function of pressure,溅射,蒸镀,表面分析,压强（,torr,）,主要气载,Atm,Wet Air,10,-3,Water Vapor,（,75%-85%,）,10,-6,H,2,O,，,CO,10,-9,H,2,O,，,CO,，,H,2,10,-10,CO,，,H,2,10,-11,H,2,不同真空度下气体的主要成分,问题：表面测量要求,1,小时内污染小于,5%,，请问真空度至少要达到多少？请选择合适的真空泵，并画出连接示意图。,体积流量,：单位时间内气体流过抽气系统中任,何截面的,体积,称为体积流量，单位为升,/,秒，,与气体密度无关（真空泵的表示抽速,?,）。,气体流动形态：与压强、温度、气体种类相关,分子流,：压强低时，气体分子的平均自由程增大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。,真空的连接与设计,粘滞流：,压强高时，平流和湍流,平流,：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具有不同流动速度的各个流动层组成宏观,流速矢量与,管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。,湍流,：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，,宏观,流速矢量有径向分量气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者旁流。,流导与气体的流动状态相关,分子流状态下各种导管的流导,(,空气,),孔,长管,短管,两种流动状态下流导的对比,和电路的对照：,压强 电压,流导 电导,流量 电流,可以利用电路的概念来考虑管道的连接,推导出复杂气路的流动状态,p,0,S,0,p,S,粗真空抽气公式：,极限真空：,抽气公式和真空检漏：,抽真空过程中不同漏气方式对真空度的影响,看得见的指纹厚度至少,100,分子层；,表面积,1cm,2,，,则至少有,10,17,分子,;,抽气速率,100 L/S,10,-9,Torr;,10,12,分子,/S,10,17,/10,12,=10,5,秒,28,小时,指纹危害！,剩余气体分析及检漏,灵敏度可达,10,-9,paL/s,是最可靠的检漏技术,真空法检漏：,酒精，丙烷，,Ar,，,CO,2,完整真空系统示意图,Gas inlet,MFC,Vacuum Chamber,Pressure Gauge,Variable Capacitance Valve,Roughing/Backing Pump,Valve,Valve,Oil Filter,Gas Outlet,High Vacuum Pump,旋片式机械泵,工作范围及特点：,大气压,10,-3,torr,耐用，便宜,油润滑,污染,机械振动,工作过程：,气体从入口进入转子和定子之间,偏轴转子压缩空气并输送到出口,气体在出口累积到一定压强，喷出到大气,理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强：,n,无限大时，,p,趋向,0,；极限真空,p,m,有害空间,排气空间与吸气空间的间隙,泵油气的循环,抽速,干式机械泵,液氮冷却有很大表面积的分子筛,200 C,烘烤除去吸附的气体,极限真空与泵的温度相关。,简单，无振动，便宜，无油污染,10,-3,Torr-10,-10,Torr(,可以用两个泵交替工作,),很容易饱和,多泵联合工作,冷凝泵,分子筛，活性碳，金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面等,加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动,需要水冷，前级泵,10,-3,to 10,-7,Torr(to 10,-9,Torr,，液氮冷阱,),优点,耐用,成本低，抽速快,无震动和声音,缺点,油污染,油扩散泵,结构及工作原理,液氮冷阱捕获不同气体的效率,Gas,Approximate Vapor,Pressure(mbar),Water(H,2,O),Argon(A),Carbon Dioxide(CO,2,),Carbon Monoxide(CO),Helium(He),Hydrogen(H,2,),Oxygen(O,2,),Neon(Ne),Nitrogen(N,2,),Solvents,10,-22,500,10,-7,760,760,760,350,760,760,10,-10,涡轮分子泵,原理：,气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动；,多级速度：,30,000-60,000 rpm,；,转子的切向速度与分子运动速率相当；,Atmosphere to 10,-10,Torr,是最常见的,HV/UHV,泵,涡轮分子泵的特点,优点,基本没有油的污染,启动和关闭很快,缺点,噪声大，有振动。,电磁污染。,比较昂贵。,原理：,极板间加高压,(5 kV),电子螺旋运动,(longer path-length).,气体分子被电子离化，向阴极运动,.,离子注入阴极,(Ti,，,Ta),，溅射阴极材料,.,溅射出的阴极材料与气体反应，沉积在角落中或阳极上,.,10,-4,Torr to 10,-11,Torr,溅射离子泵,溅射离子泵,优点,干净，无油污染,无运动部分，无振动，无噪音,低功耗，使用时间长,无断电问题,缺点,对惰性气体效率低,每隔几年需要对阴极材料进行再生,三极型离子泵,提高对惰性气体的抽气效率,加磁场增加电离效率；惰性气体被埋入真空容器壁而被除去。,钛升华泵,原理：,加热,Ti,丝使其蒸发到冷壁,.,Ti,原子与气体反应,.,优点及缺点：,工作范围,10,-8,-10,-11,Torr,便宜，可靠，无噪音，无振动，无断电问题,需要再生，很难排除惰性气体和甲烷,真空泵的比较,真空泵工作范围,10,-12,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,1,10,+2,P(mbar),Rough Vacuum,High Vacuum,Ultra High,Vacuum,Venturi Pump,Rotary Vane Mechanical Pump,Rotary Piston Mechanical Pump,Sorption Pump,Dry Mechanical Pump,Blower/Booster Pump,High Vac.Pumps,Ultra-High Vac.Pumps,热偶真空计,:,20,10,-3,Torr,优点：响应速度快,缺点：需要校正，对于不同的气体，常有不同的测量范围,Pirani Gauge,（,100,10,-4,Torr,）,1 x 10,-3,Torr to 10,-11,Torr,高真空测量：,电离规,(Ion Gauge),真空计的工作范围,10,-12,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,1,10,+2,P(mbar),Rough Vacuum,High Vacuum,Ultra High,Vacuum,Bourdon Gauge,Thermocouple Gauge,Cold Cathode Gauge,Capacitance Manometer,Hot Fil.Ion Gauge,Residual Gas Analyzer,Pirani Gauge,Spinning Rotor Gauge,McLeod Gauge,压强控制器,Air admitted by regulator,真空技术中的特殊要求,清洁,材料,盲孔和焊接,烘烤放气,对材料的要求,:,放气小,不渗漏,玻璃和锌！？,玻璃是很好的真空用材料，但漏氦。,锌的蒸汽压过高，超高真空应避免使用。,快速接头,高真空法兰,电极法兰,针尖阀,真空材料,1.,力学性能：,易加工成型,高温下能保持强度,热淬灭性好,2.,热学性能：,低蒸气压,热膨胀系数匹配,3.,气体负载：,放气小、不能是多孔、渗漏小、表面光滑,一般材料的饱和蒸气压要低于所需真空度两个数量级,常用真空腔体材料,奥氏体不锈钢，比如,321,、,347,、,304,钢（,碳含量越高，渗漏越厉害,）,铝或铝合金，,H,2,渗漏小，,容易加工，放气率低，但强度低，易变形,陶瓷玻璃化的氧化铝，放气率低，不易吸附气体，可耐高温,(1500,摄氏度,),，但陶瓷易碎且不易加工,硼酸盐玻璃，硼硅酸玻璃，石英，用于小系统或作为观察窗,.,易加工耐腐蚀,.,密封圈,腈橡胶或丁钠橡胶通常作为垫圈，比如,O,型圈。不耐高温,氟化橡胶可以耐,200,摄氏度，常用于低压。,聚合物对所有的气体渗漏都很大,焊接,盲孔和焊接,不要造成放气源,外部,内部,焊接位置,Gas inlet,MFC,Vacuum Chamber,Pressure Gauge,Variable Capacitance Valve,Roughing/Backing Pump,Valve,Valve,Oil Filter,Gas Outlet,High Vacuum Pump,讨论：,1,、上述系统的操作过程,2,、在使用上述系统时，正常情况时机械泵运转很有节奏，分子泵高速运转的声音也十分清晰，半小时真空可达到相当好的水平。然而今天打开,系统后发现，机械泵运转十分吃力，始终有很多气排出，但系统真空度很低，不能开启分子泵。,对这样的情况请写出你的处理办法。,作业：设计一个具体的真空系统,