真空技术入门
真空：低于一个大气压的气体状态。
1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。
自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。
人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。
n
真空量度单位
1标准大气压=760mmHg=760(Torr)
1标准大气压=1.013x105 Pa
1Torr=133.3Pa
n
真空区域的划分
目前尚无统一规定，常见的划分为：
粗真空 105-103pa(760-10Torr)
低真空 103-10-1pa(10-10-3Torr)
高真空 10-1-10-6pa(10-3-10-8Torr)
超高真空 10-6-10-10pa(10-8-10-12Torr)
极高真空 <10-10pa(<10-12Torr)
n
真空技术的应用
电子技术、航空航天技术、加速器、表面物理、微电子、材料科学、医学、化工、工农业生产、日常生活等各个领域。
真空获得—真空泵
1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。
原理：当泵工作后，形成压差，p1 >p2，实现了抽气。
n
真空泵的分类
气体传输泵: 是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。
气体捕集泵: 是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。
n
真空泵的主要参数
抽气速率: 定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积
或表示为：
其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。
极限压强：Pn(极限真空)
最高工作压强：Pm
工作压强范围（Pn-Pm）：泵能正常工作的压强范围
几种常用真空泵的工作压强范围：
旋片机械泵105-10-2pa
吸附泵105-10-2pa
扩散泵100-10-5pa
涡轮分子泵101-10-8pa
溅射离子泵100-10-10pa
低温泵10-1-10-11pa
n
几种常用真空泵的工作原理
l
旋片机械泵
工作过程是： 吸气—压缩—排气。
定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。
主要参量是： 抽速和极限压强。
由于极限压强较高， 常用做前级泵(预抽泵)。
旋片式机械泵
l
油扩散泵
工作过程是：油蒸发—喷射—凝结，重复循环
由于射流具有高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300—500)，故能有效地带走气体分子。
扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。
1. 水冷套； 2. 喷油嘴； 3. 导流管；4. 泵壳； 5. 加热器
l
涡轮分子泵
工作过程是：高速旋转叶片(30000转/分)—对气体分子施以定向动量—压缩—排气。
优点：无油，洁净，启动快，制动快，可忍受大气冲击。
缺点：由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小， 价格昂贵。
1. 动叶轮；2. 泵壳；3. 涡轮排；4. 中频电动机；5. 底座；
6. 出气口法兰；7. 润滑油池；8. 静叶轮；9. 电机冷却水管.
真空的测量—真空计
n
绝对真空计
直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)。
压缩型真空计 测量范围：103 ～ 10-3 Pa
U型计 测量范围：105 ～10 Pa
n
相对真空计
直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。
l
热偶真空计(热传导真空计)
测量范围：100-10-1Pa
测量下限：热丝温度较高，气体分子热传导很小，热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。
热电偶规管及其电路原理
l
热阴极电离真空计
原理：电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流：
I+
= kIe p = cp
其中，k称为电离计的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。
测量范围：1.33×10-1 ～1.33×10-5 Pa
测量下限：高速电子打到加速极G → G产生软x射线 →软x射线射向收集极c → 收集极c产生光电发射
→ 产生电子流Ix → Ix与I+方向相反，与压强无关。
电离规管
电离计线路图
理论解释：
当p较高时，kx / p << k，此时
当p很低时，kx / p >> k，此时
I+与压强无关
l
B—A真空计 (超高真空熱阴极电离计)
50年代初，Bayard 和Alpert经过改进电离规，减小光电流，减小受照面积，制成B-A规，收集极面积减小了100—1000倍，测量下限也降低100—1000倍。
Ф0.2mm的钨丝测量下限可达10-8 ~10-9
pa
Ф4 μm 的钨丝测量下限可达10-10 pa
B-A真空规管
1. 离子收集极；2. 加速极（栅极）3. 阴极灯丝；4. 外壳
真空镀膜
n
真空溅射：当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来。
n
真空蒸发：在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表面上。
n
真空蒸发镀膜简介
l
真空系统(DM—300镀膜机)
真空系统(DM—300镀膜机)
l
蒸发系统
蒸发系统
l
蒸发源
蒸发源的形状如下图，大致有螺旋式(a)、篮式(b)、发叉式(c)和浅舟式(d)等。
蒸发源
n
膜厚的计算
在真空中气体分子的平均自由程为：L = 0.65 / p (cm)，其中p的单位是Pa。当p = 1.3×10-3 Pa时，L≈500 cm。L>>基片到蒸发源的距离，分子作直线运动。
设蒸发源为点蒸发源，单位时间内通过任何方向一立体角dω的质量为：
蒸发物质到达任一方向面积元ds质量为：
设蒸发物的密度为ρ，单位时间淀积在ds上的膜厚为t，则：
比较以上两式可得：
对于平行平面ds，φ=θ，则上式为：
由：
可得：
在点源的正上方区域 (δ=0)时：
n
薄膜厚度的测量
l
干涉显微镜法
干涉条纹间距Δ0，条纹移动Δ，台阶高为
测出Δ0和Δ，即可测得膜厚t，其中λ为单色光波长，如用白光，λ取
l
称重法
如果薄膜面积A，密度ρ和质量m可以被精确测定的话，膜厚t就可以计算出来：
l
石英晶体振荡器法
广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。
<完>
