《应用物理学》课程教学资源（PPT课件讲稿）真空技术

真空技术

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引言 真空”这一术语译自拉丁文 Vacuo,其意义 是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。 在指定的空间内,低于一个大气压力的气体状态 统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空 度,通常用压力值表示。 真空技术是基本实验技术之一。自从1643年 托里拆利(E. Torricelli)做了著名的有关大气压力 实验,发现了真空现象以后,真空技术迅速发展。 现在,真空技术已经成为一门独立的前言学科 它的基本内容包括: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

引言 ⚫ “真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义 是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。 在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态 统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空 度，通常用压力值表示。 ⚫ 真空技术是基本实验技术之一。自从1643年 托里拆利(E. Torricelli)做了著名的有关大气压力 实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。 现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。 它的基本内容包括：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

(1)真空的基本特点 在真空中,气体分子密度低,在某些情况 下,真空可以近似地看作没有气体“污染” 的空间。真空中,气体分子或带电粒子的平 均自由程为 kT 2丌op 其中为分子直径,p为压强,7为气体温度, k为玻耳兹曼常数。 合

（1）真空的基本特点 在真空中，气体分子密度低，在某些情况 下，真空可以近似地看作没有气体“污染” 的空间。真空中，气体分子或带电粒子的平 均自由程为： p k T 2 2   = ⚫ 其中为分子直径，p为压强，T为气体温度， k为玻耳兹曼常数

例如室温下氮分子的平均自由程在 压强为107m时将长于50km。电子 和离子在气体中的平均自由程分别时气 体分子平均自由程的566和141倍。 因此除非在宇宙空间,几乎所有地面上 体积有限的超真空系统中,气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都 可以近似忽略

Torr 9 10− ⚫ 例如室温下氮分子的平均自由程在 压强为 时将长于50km。电子 和离子在气体中的平均自由程分别时气 体分子平均自由程的 5.66 和 1.41 倍。 因此除非在宇宙空间，几乎所有地面上 体积有限的超真空系统中，气体分子之 间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都 可以近似忽略

由于上述原因,真空中分子之间碰撞频率 很低,分子与固体表面碰撞的频率极低。单位 面积上气体分子碰撞频率v与压强的关系为 3.5×10 22 MT 式中M和T分别为气体分子的分子量(单位 g)和温度(单位:K)

⚫ 由于上述原因，真空中分子之间碰撞频率 很低，分子与固体表面碰撞的频率极低。单位 面积上气体分子碰撞频率ν与压强p的关系为： p MT 22 3.510  = 式中M和T分别为气体分子的分子量（单位： g）和温度（单位：K）

在普通高真空,例如107m时,对于 室温下的氮气=44x10分子/amn2s, 如果每次碰撞均被表面吸附,按每平方 厘米单分子层可吸附5×10个分子计算, 个“千净”的表面只要一秒多钟就被 覆盖满了一个单分子层的气体分子:而 在超高真P=1007o10-"7m时,由 同样的估计可知“千净”表面吸附单分 子层的时间将达几小时到几十小时之久

⚫ 在普通高真空，例如 时，对于 室温下的氮气， ， 如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方 厘米单分子层可吸附 个分子计算， 一个“干净”的表面只要一秒多钟就被 覆盖满了一个单分子层的气体分子：而 在超高真空 或 时，由 同样的估计可知“干净”表面吸附单分 子层的时间将达几小时到几十小时之久。 Torr 6 10− v =   cm s 14 2 4 4 10 分子/ 14 510 P Torr 10 10− = Torr 11 10−

因此超高真空可以提供一个“原子 清洁”的固体表面,可有足够的时间对 表面进行实验研究。这是一项重大的技 术突破,它导致了近二十年来新兴不明 科学研究的蓬勃发展。无论在表面结构 表面组分及表面能态等基本研究方面, 还是在催化‘腐蚀等应用研究方面都取 得长足的发展

⚫ 因此超高真空可以提供一个“原子 清洁”的固体表面，可有足够的时间对 表面进行实验研究。这是一项重大的技 术突破，它导致了近二十年来新兴不明 科学研究的蓬勃发展。无论在表面结构、 表面组分及表面能态等基本研究方面， 还是在催化‘腐蚀等应用研究方面都取 得长足的发展

超高真空的这一特点还为得到超纯 的或精确掺杂的镀膜或分子束外延生长 晶体创造了必要的条件,这促进了半导 体器件、大规模集成电路和超导材料等 的发展,也为在实验室中制备各种纯净 样品(如电子轰击镀膜、等离子镀膜 真空剖裂等)提供了良好的基本技术

⚫ 超高真空的这一特点还为得到超纯 的或精确掺杂的镀膜或分子束外延生长 晶体创造了必要的条件，这促进了半导 体器件、大规模集成电路和超导材料等 的发展，也为在实验室中制备各种纯净 样品（如电子轰击镀膜、等离子镀膜、 真空剖裂等）提供了良好的基本技术

(2)真空度的单位与区域划分 真空状态下气体稀薄程度称为真空度,通常 用压力值表示。1958年,第一界国际技术会议曾 建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位 国际单位制(SI中规定压力的单位为帕(Pa)。我 国采用SI规定

（2）真空度的单位与区域划分 ⚫ 真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常 用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾 建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。 国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我 国采用SI规定

1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕) 1forr≈1/760am≈1mHg ●1Torr≈133Pa 我国真空区域划分为:粗真空、低真空 高真空、超高真空和极髙真空

⚫1标准大气压(1atm)≈1.013×105Pa(帕) ⚫1Torr≈1/760atm≈1mmHg ⚫1Torr≈133Pa ⚫ 我国真空区域划分为：粗真空、低真空、 高真空、超高真空和极高真空