真空技术基础和应用ppt课件.ppt
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1、Vacuum Technology (真空技术) Concepts and Key Points (基本概念和技术要点),张家良 大连理工大学 三束材料改性国家重点实验室 The State-key Lab.for Material Modification, Dalian University of technology,1 Concepts(基本概念) Mean Free Path of gas molecules(分子平均自由程): Viscose flow (粘滞流)Vs. Molecular flow(分子流) Gas flow(气体流动): Throughput(流量), Cond
2、uctance(流导), Pumping speed(抽气速率) Pumps: Mechanical(机械泵), Roots(罗茨泵), Turbo(涡轮分子泵), Diffusion(油扩散泵), Dry(干燥泵), Ion(离子泵), Cryo(冷凝泵) Gauges(真空规): Mechanical(机械规), Thermal conductance(热导规), Ionization(电离规), Chambers(真空腔体): Joints (连接密封件)(metal(金属件), elastomer), parts(真空部件),Outlines(概述):,Key points (技术要点
3、) Practical concerns :(实用技术) Surface (表面的真空特性) Material (真空材料的采用): SUS(不锈钢), Al alloy(铝合金), ceramic(陶瓷), plastic(塑料), Baking(烘烤技术) Virtual leak(虚假漏气) Leak test (检漏技术) UHV (超高真空的获得),Outlines(概述):,Vacuum Technology-1 (真空技术之一) Concepts (基本概念),什么是真空?,真空:气体分子数量低于大气压状态的空间。但不是完全空的,真空术语,本底真空度:全密封真空腔体内抽空时的气压
4、 工作真空度:实验或工艺过程所必须的气压力 极限真空度:真空泵进气口处测量得到的气压 真空规: 测量真空中气压的仪表或者传感器,真空度单位:气压的单位 真空度就是真空中的气压。真空的测量就是气压的测量,气压单位间的换算关系,大气压,标准大气压: 0度时,760mm 水银柱产生的压强。 大气压: 地球表面上,大气层产生的气压 随海拔高度和纬度不同而不同,在海拔3000米以内,每升高12米,降低1torr. 工业大气压: 1am=1kg/cm2=735.56torr 一个大气压约为1公斤压力,真空的分类,粗真空: 1atm-1Torr 中真空: 1torr10-3Torr 高真空: 10-3Tor
5、r-10-7Torr 超高真空: 10-7Torr -10-12Torr 极高真空: 10-12Torr,根据:真空应用范围、真空物理特性、真空泵和真空规的使用范围等,划分真空度。,真空技术的发展历史,1602年,德国开始,水泵和空气泵获得真空。最好真空度0.25Torr. 1873年,白炽灯泡发明,电子管出现,真空开始应用。 1905年,旋转水银真空泵 1907年,油封旋转真空泵 1913年,分子抽气机 1915年,扩散泵,进入高真空时代,真空技术的发展历史,1948年,大量尖端技术出现,需求超高真空。发明了离子泵,可实现超高真空。 1950年前后,吸气材料被应用于真空获得。发明了Ti升华泵
6、。 70年代,分子抽气泵被改进,发展出涡轮分子泵,可以替代扩散泵,获得高真空。 目前广泛使用涡轮分子泵获得高真空和超高真空,真空技术的发展历史,真空规的发展历史 1873年,发明压缩式真空计, 1874年,热辐射真空计(热电阻)。 1906年,热真空计(热电偶的使用) 电离真空计 1937年,磁控管真空计 1946年,辐射电离真空计 之后,各类真空计的精度逐渐提高,出现了大量改进型,目前常用有:热辐射真空计(低、中真空),热电偶真空计(中、高真空),电离真空计(高、超高真空),磁控管真空计(超高,极高真空),真空技术中的物理基础,基本概念 平均自由程(l):热运动的分子相继两次碰撞之间飞越的距
7、离。 流量,抽气量(Q):单位时间流过抽气管道的气体分子总量。单位:Torr.L/s 流导(U):真空管道流过气体的能力。流过管道的流量与管道两端压差之比. U=Q/(P2-P1), 单位:L/s(升/秒),真空技术中的物理基础,基本概念 分子流:分子在流动过程中自由飞行,互相之间不碰撞。高真空和超高真空下的流动。分子自由程远大于管道直径。 粘滞流:与分子流相对,分子自由程远小于管道直径,中真空下的流动。 湍流:粘滞流的一类特殊状态,流速大而粘滞强出现的不规则涡旋流动状态。,基本定律和方程: 设计和分析真空系统的特征常用的基本定律 理想气体状态方程:PV=nRT 理想气体实验三定律:玻玛定律;
8、盖吕定律和查理定律。是理想气体方程的推论。 PV=const (T,n 常数) V/T=const (P,n 常数) P/T=const (V,n常数) 阿佛伽德罗定律:阿佛伽德罗常数 N0=6.023X1023/mol P=nmvs2/3=rvs2/3=nKT m分子质量;n单位体积气体的分子数;vs是气体分子平均速率。,真空技术中的物理基础,气体分子的速度: 气体分子速度是随机的热运动速度。 但是其平均速率是确定的: Vvs=(8KT/pm)0.5=150(T/M)0.5 其中,m是分子质量,M是分子量。 分子的平均自由程 l=1/pD2n, D是分子直径。,真空技术中的物理基础,例子:气
9、体分子的平均速率: 空气 (80% N2 + 20% O2) at 20 oC,Mean Free Path: 平均自由程,P = 760 torr l = 700 t = 0.14 ns P = 1 torr l = 50 mm t = 100 ns P = 10-3 torr l = 5 cm t = 100 ms P = 10-6 torr l = 50 m t = 0.1 s,直径是 3 的分子 并且,真空获得技术,真空泵 真空度测量 真空室和部件 设计真空系统 真空维持,真空获得技术真空泵,真空泵的几个术语 抽气速率:在泵的入口处,压强为P, 单位时间内抽出的气体量为Q, 抽速Sp
10、=Q/P, 单位:L/s 有效抽气速率:真空泵与真空室之间通常有管道,管道存在压差,减小了泵的抽速。 管道流导为U, 有效抽速 S=SpU/(Sp+U) 起始压强:真空泵开始工作的允许压强,泵的工作原理决定。 有些需要真空下开始工作,因此前级泵是必须的。 极限真空度:没有漏气和内壁脱气条件下,真空泵所能达到的最低气压,工作介质决定了极限真空。,如果平均自由程 真空室尺寸 分子流 分子的运动互相之间是独立的,分子与墙壁表面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度。 真空度,如果平均自由程 真空室尺寸 粘滞流 分子运动互相影响 分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学, 真空度,真空获得技术真空泵,获得真空的方法
11、:使用真空泵或者吸气剂,真空泵是获得真空的最重要工具。真空泵性能指标决定真空度高低。,抽气速率的计算:,通常情况下, 真空泵的抽气量 正比于真空室气压 P, 泵抽速 S 定义为:,S 单位:升/秒, /s,Q = PS,因此分子数减少速率为:,流量为:,at T = const,PV = NRT, N是分子总数,at T= const,通常稳态条件下,抽气管道中的流量是守恒的, 即:,Q = P1S1 = P2S2,pump 2 5 /s,pump 1 500 /s,P1,P2,P2 = 100 P1,pump 500 /s,P1,P2,连接管道,流导为:,S1,S2,D = 直径, in c
12、m L = 长度, in cm C = 流导, in /s,例子 1 D = 15 cm L = 20 cm C = 2025 /s S1= 401 /s,例子 2 D = 10 cm L = 20 cm C = 600 /s S1= 273 /s,真空泵昂贵. 连接管便宜.,分子流条件下,C,有管道的真空泵抽速:,管道流导的计算:,管道并联的流导,C = C1 + C2,管道串联的流导,D = 直径, in cm L = 长度, in cm C = 流导, in /s Pav = 管道内平均气压, in torr, 分子流条件, D 5 cm, P mtorr, 粘滞流, P mtorr,P
13、av,C, D 5 cm, L = const,viscous,molecular,mtorr,l = 5 cm 1 mtorr,管道流导的计算:,估计: P(N2) in chamber 1 P(N2) in chamber 2 P(O2) in chamber 1,抽空时间计算:,抽气流量方程,例子 V = 1000 S = 500 /s t = 2 s 每 2.3 t, 气压降低10倍,实际上, 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr,却需要比上述估计长得多的时间,为什么? 器壁表面脱气。 因此腔体材料的选择十分重要,特别是高真空系统,各类真空泵的抽速,真空泵的分
14、类,抽气式 旋片式真空泵 扩散泵 涡轮分子泵 分子拖拽泵 吸气式 冷凝泵 离子泵 升华泵,常用真空泵的原理:,机械泵: 油旋片泵, 罗茨泵 干式叶片泵, 辊对泵, 隔膜泵,扩散泵 涡轮分子泵 离子和升华泵 冷凝泵,抽速 工作气压 压缩比 气体选择性,旋片式机械泵 Mechanical Pump,第一级: down to 10-1 torr 第二级: down to 10-3 torr,inlet,密封, 润滑 返流 分子筛过滤,油式,干式 (无油),密封不好 寿命短 污染,Inlet pressure: 10-3 torr torr atm,heavy load at high pressur
15、e,Outlet pressure: 1 atm 1.1 atm,limited by oil vapor & air back leak,抽速大,Pin,Pout,压缩比低 10,净抽速 Qnet = Pin Sfor - PoutSback If Pout is high, Qnet can be reduced to 0 此时 Pout/Pin 达到,因此 K = Pout/Pin = Sfor/Sback,罗茨泵,压缩比定义:,to 机械泵,对辊泵,干式 寿命短 (5000 hrs) 抗腐蚀性低,Inlet pressure: 10-3 torr torr atm,Outlet pre
16、ssure: 1 atm 1.1 atm,隔膜泵,抽速低16升/秒 极限真空低 成本低 大气压下工作 密封简单 耐腐蚀气体,油扩散泵,便宜, 耐用 返油 加热慢 (0.5 hr) & 冷却慢 (2 hr) 电消耗量大,加热器 200 oC,oil jet,原理: 油分子(大分子)的动量 气体分子的动量, 传递动量实现被抽分子的定向运动, 而油分子本身几乎不受影响。,冷却水管道,负载过大,抽速降低,油蒸汽压,平均自由程 5 cm at inlet 出口处稍短 at outlet,涡轮分子泵,高速叶片 (转子) 动量传递 叶片速度 分子速率,有定子组阻挡分子返回 (没有显示),分子抽速与入口气压之
17、间的关系:,对 H2而言, 压缩比小,抽速低,压缩比,分子泵的特点:,涡轮分子泵的优缺点,方便, 可靠, 体积小,可烘烤到 125 oC,对小分子压缩比低: for H2, 103 105,润滑油脱气,磁悬浮轴承 不需要维护,耐腐蚀,离子泵,工作原理: 产生放电;电子碰撞气体分子发生电离 2.离子注入进入钛阴极 3.钛阴极发生磁控溅射,在阳极上沉积钛膜 4.气体分子在钛表面被吸附,然后被掩埋,离子泵的饱和效应,记忆效应和脱气引起饱和效应,优点: 不需要前级泵 关闭电源后,仍有抽气作用, 用于维持真空 耐用,缺点: 饱和效应明显,只能用于小负载 脱气 对气体有选择性,钛的吸附能力决定,离子泵和升
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