薄膜真空技術

第三章真空技術

真空的基本特點

氣體間的碰撞少，平均自由程長與器壁或研究對象表面的碰撞少壓力低，改變化學平衡熱導低化學非活性平均自由程Moleculardensity,incidencerate,mean-freepath,andmonolayerformationtimeasafunctionofpressure濺射蒸鍍表面分析壓強（torr）主要氣載AtmWetAir10-3WaterVapor（75%-85%）10-6H2O，CO10-9H2O，CO，H210-10CO，H210-11H2不同真空度下氣體的主要成分問題：表面測量要求－1小時內污染小于5%，請問真空度至少要達到多少？請選擇合適的真空泵，并畫出連接示意圖。體積流量：單位時間內氣體流過抽氣系統中任何截面的體積稱為體積流量，單位為升/秒，與氣體密度無關（真空泵的表示抽速?）。氣體流動形態：與壓強、溫度、氣體種類相關分子流：壓強低時，氣體分子的平均自由程增大，分子間的相互碰撞減少，分子與管壁的碰撞占主要地位，分于間的內摩擦消失，氣體分子以熱運動而自由地獨立地直線前進，這種流動被稱為分子流。真空的連接與設計粘滯流：壓強高時，平流和湍流平流：隨氣體壓強和流速的逐漸降低，流動由具有不同流動速度的各個流動層組成．宏觀流速矢量與管軸平行，流動與氣體的粘滯性有關，稱為平流。湍流：當氣體壓強和流速都比較高時，流動呈現不穩定狀態，宏觀流速矢量有徑向分量．氣體流動受到較大的阻力，通常稱這種流動狀態為湍流或者旁流。流導與氣體的流動狀態相關分子流狀態下各種導管的流導(空氣)孔長管短管兩種流動狀態下流導的對比和電路的對照：壓強電壓流導電導流量電流可以利用電路的概念來考慮管道的連接,推導出復雜氣路的流動狀態p0,S0p,S粗真空抽氣公式：極限真空：抽氣公式和真空檢漏：抽真空過程中不同漏氣方式對真空度的影響看得見的指紋厚度至少100分子層；表面積1cm2，則至少有1017分子;抽氣速率100L/S,10-9Torr;1012分子/S1017/1012=105秒28小時指紋危害！烘烤過程檢漏及剩余氣體分析靈敏度可達10-9pa·L/s是最可靠的檢漏技術真空法檢漏：酒精，丙烷，Ar，CO2沒達到預期極限真空：1.泵的抽速與氣載是否匹配？2.是否已抽氣足夠時間？3.RGA質譜？4.烘烤過程是否有效？真空系統的問題檢查：真空漏氣檢測：1.rate-of-rise檢測2.He質譜漏氣檢測3.He氣+真空計檢測4.RGA檢測常見的真實泄漏：檢漏儀與系統的連接處；過去經常出問題的元器件；經常沿著密封表面運動的密封件；閥門的動密封旋轉部件的動密封艙門的密封；波紋管軸的密封真空官道上的柔性連接；螺紋連接處；靜密封，如觀察窗，引線端;焊點（特別是釬焊的焊點）;完整真空系統示意圖GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariableCapacitanceValveRoughing/BackingPumpValveValveOilFilterGasOutletHighVacuumPump粗真空泵：旋片式機械泵工作范圍及特點：大氣壓10-3torr耐用，便宜油潤滑污染機械振動工作過程：氣體從入口進入轉子和定子之間偏軸轉子壓縮空氣并輸送到出口氣體在出口累積到一定壓強，噴出到大氣理想情況下，旋片轉動半周后，腔體內壓強：n無限大時，p趨向0；極限真空pm有害空間排氣空間與吸氣空間的間隙泵油氣的循環抽速真空泵抽速與腔體壓強的關系渦旋泵：低噪音、低振動、易維護、重量輕，經常與分子泵或離子泵組成干式泵體系干式機械泵液氮冷卻有很大表面積的分子篩>200°C烘烤除去吸附的氣體極限真空與泵的溫度相關。簡單，無振動，便宜，無油污染10-3Torr->10-10Torr(可以用兩個泵交替工作)很容易飽和多泵聯合工作高真空泵：冷凝泵(低溫泵)分子篩，活性碳，金屬表面，高沸點氣體覆蓋的低溫表面等加熱油從噴嘴噴出，氣體分子與油分子碰撞，向出氣口運動需要水冷，前級泵10-3to10-7Torr(to10-9Torr，液氮冷阱)優點耐用成本低，抽速快無震動和聲音缺點油污染高真空泵：油擴散泵結構及工作原理液氮冷阱捕獲不同氣體的效率GasApproximateVaporPressure(mbar)Water(H2O)Argon(A)CarbonDioxide(CO2)CarbonMonoxide(CO)Helium(He)Hydrogen(H2)Oxygen(O2)Neon(Ne)Nitrogen(N2)Solvents10-2250010-7>760>760>760350>760760<10-10擴散泵抽速擴散泵用油的一些參數高真空泵：渦輪分子泵原理：氣體分子被高速轉動的渦輪片撞擊，向出口運動；多級速度：30,000-60,000rpm；轉子的切向速度與分子運動速率相當；Atmosphereto10-10Torr是最常見的HV/UHV泵只有當分子泵轉子葉片邊緣的切向速度與被抽氣體平均熱運動速度大致在同一個數量級時，分子泵才能對該氣體有有效抽氣氣體分子質量平均熱運動速率（RT）H221761He41245H2O18587Ne20557N228471O232440Ar40394CO244375渦輪分子泵的特點優點基本沒有油的污染啟動和關閉很快缺點噪聲大，有振動。電磁污染。比較昂貴。怕粉塵低噪音設計ComparisonHighVacuumPumpsAdvantagesTypeDisadvantagesLowCostNoMovingPartsLowMaintenanceVaporJet(Diffusion)BackstreamsNoPressureToleranceMayrequirecoldtrapContinuousPumpingCleanHighpressureTurboMechanicalbearingVibrationCostHighH2OpumpingspeedMountsanypositionCleanCryoRegenerationrequiredAffectedbyheatSomvibration原理：極板間加高壓(~5kV)電子螺旋運動(longerpath-length).氣體分子被電子離化，向陰極運動.離子注入陰極(Ti，Ta)，濺射陰極材料.濺射出的陰極材料與氣體反應，沉積在角落中或陽極上.10-4Torrto10-11Torr濺射離子泵超高真空泵：濺射離子泵優點干凈，無油污染無運動部分，無振動，無噪音低功耗，使用時間長無斷電問題缺點對惰性氣體效率低每隔幾年需要對陰極材料進行再生三極型離子泵提高對惰性氣體的抽氣效率加磁場增加電離效率；惰性氣體被埋入真空容器壁而被除去。超高真空泵：鈦升華泵原理：加熱Ti絲使其蒸發到冷壁.Ti原子與氣體反應.抽氣速率與鈦膜面積有關優點及缺點：工作范圍10-8-10-11Torr便宜，可靠，無噪音，無振動，無斷電問題需要再生，很難排除惰性氣體和甲烷真空泵的比較真空泵工作范圍10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumVenturiPumpRotaryVaneMechanicalPumpRotaryPistonMechanicalPumpSorptionPumpDryMechanicalPumpBlower/BoosterPumpHighVac.PumpsUltra-HighVac.Pumps熱偶真空計:20～10-3Torr優點：響應速度快缺點：需要校正，對于不同的氣體，常有不同的測量范圍PiraniGauge

（100～10-4Torr）電容規1x10-3Torrto10-11Torr高真空測量：電離規(IonGauge)GaugeSensitivityGasRelativeSensitivityA1.2CO1.0-1.1H20.4-0.55He0.16H2O0.9-1.0N21.00Ne0.25O20.8-0.9真空計的工作范圍10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(mbar)RoughVacuumHighVacuumUltraHighVacuumBourdonGaugeThermocoupleGaugeColdCathodeGaugeCapacitanceManometerHotFil.IonGaugeResidualGasAnalyzerPiraniGaugeSpinningRotorGaugeMcLeodGauge壓強控制器Airadmittedbyregulator真空技術中的特殊要求清潔材料盲孔和焊接烘烤放氣對材料的要求:放氣小不滲漏玻璃和鋅！？玻璃是很好的真空用材料，但漏氦。鋅的蒸汽壓過高，超高真空應避免使用。快速接頭高真空法蘭電極法蘭針尖閥真空材料1.力學性能：易加工成型高溫下能保持強度熱淬滅性好2.熱學性能：低蒸氣壓熱膨脹系數匹配3.氣體負載：放氣小、不能是多孔、滲漏小、表面光滑一般材料的飽和蒸氣壓要低于所需真空度兩個數量級常用真空腔體材料奧氏體不銹鋼，比如321、347、304鋼（碳含量越高，滲漏越厲害）鋁或鋁合金，H2滲漏小，容易加工，放氣率低，但強度低，易變形陶瓷－玻璃化的氧化鋁，放氣率低，不易吸附氣體，可耐高溫(1500攝氏度)，但陶瓷易碎且不易加工硼酸鹽玻璃，硼硅酸玻璃，石英，用于小系統或作為觀察窗.易加工耐腐蝕.密封圈腈橡膠或丁鈉橡膠通常作為墊圈，比如O型圈。不耐高溫氟化橡膠可以耐200攝氏度，常用于低壓。聚合物對所有的氣體滲漏都很大焊接盲孔和焊接－不要造成放氣源外部內部焊接位置GasinletMFCVacuumChamberPressureGaugeVariable