真空技術(shù)--真空獲得和真空鍍膜

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1、真空技術(shù)真空獲得和真空鍍膜引言“真空”這一術(shù)語(yǔ)譯自拉丁文Vacuo，其意義是虛無(wú)。其實(shí)真空應(yīng)理解為氣體較稀薄的空間。在指定的空間內(nèi)，低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)統(tǒng)稱為真空。真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。真空技術(shù)是基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。自從1643年托里拆利(E.Torricelli)做了著名的有關(guān)大氣壓力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了真空現(xiàn)象以后，真空技術(shù)迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，真空技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的前言學(xué)科。它的基本內(nèi)容包括：真空物理、真空的獲得、真空的測(cè)量和檢漏、真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算等。隨著表面科學(xué)

2、、空間科學(xué)高能粒子加速器、微電子學(xué)、薄膜技術(shù)、冶金工業(yè)以及材料學(xué)等尖端科技的發(fā)展，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)中的地位越來(lái)越重要。（1）真空的基本特點(diǎn)在真空中，氣體分子密度低，在某些情況下，真空可以近似地看作沒(méi)有氣體“污染”的空間。真空中，氣體分子或帶電粒子的平均自由程為：其中為分子直徑，p為壓強(qiáng)，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。例如室溫下氮分子的平均自由程在壓強(qiáng)為時(shí)將長(zhǎng)于50km。電子和離子在氣體中的平均自由程分別時(shí)氣體分子平均自由程的5.66和1.41倍。因此除非在宇宙空間，幾乎所有地面上體積有限

3、的超真空系統(tǒng)中，氣體分子之間或氣體分子與帶電粒子之間的碰撞都可以近似忽略。由于上述原因，真空中分子之間碰撞頻率很低，分子與固體表面碰撞的頻率極低。單位面積上氣體分子碰撞頻率ν與壓強(qiáng)p的關(guān)系為：式中M和T分別為氣體分子的分子量（單位：g）和溫度（單位：K）。在普通高真空，例如時(shí)，對(duì)于室溫下的氮?dú)?，，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米單分子層可吸附個(gè)分子計(jì)算，一個(gè)“干凈”的表面只要一秒多鐘就被覆蓋滿了一個(gè)單分子層的氣體分子：而在超高真空或時(shí)，由同樣的估計(jì)可知“干凈”表面吸附單分子層的時(shí)間將達(dá)幾小時(shí)到

4、幾十小時(shí)之久。因此超高真空可以提供一個(gè)“原子清潔”的固體表面，可有足夠的時(shí)間對(duì)表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，它導(dǎo)致了近二十年來(lái)新興不明科學(xué)研究的蓬勃發(fā)展。無(wú)論在表面結(jié)構(gòu)、表面組分及表面能態(tài)等基本研究方面，還是在催化‘腐蝕等應(yīng)用研究方面都取得長(zhǎng)足的發(fā)展。超高真空的這一特點(diǎn)還為得到超純的或精確摻雜的鍍膜或分子束外延生長(zhǎng)晶體創(chuàng)造了必要的條件，這促進(jìn)了半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路和超導(dǎo)材料等的發(fā)展，也為在實(shí)驗(yàn)室中制備各種純凈樣品（如電子轟擊鍍膜、等離子鍍膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技術(shù)。（2）

5、真空度的單位與區(qū)域劃分真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國(guó)際技術(shù)會(huì)議曾建議采用“托”(Torr)作為測(cè)量真空度的單位。國(guó)際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國(guó)采用SI規(guī)定。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa我國(guó)真空區(qū)域劃分為：粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空。粗真空低真空高真空超高真空極高真空（3）真空測(cè)量方法測(cè)量低于大氣壓的氣體壓強(qiáng)的工具稱為真空計(jì)。真空計(jì)可以

6、直接測(cè)量氣體的壓強(qiáng)，也可以通過(guò)與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量來(lái)間接地測(cè)量壓強(qiáng)。前者稱為絕對(duì)真空計(jì)，后者稱為相對(duì)真空計(jì)。按照真空計(jì)的不同原理與結(jié)構(gòu)可以分為：靜態(tài)變形真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)、熱傳導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)、氣體放電真空計(jì)、輻射真空計(jì)等。十九世紀(jì)初，利用低真空產(chǎn)生壓力差的原理發(fā)明了真空提升、真空輸送、吸塵、過(guò)濾、成形等技術(shù)。1879年愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈，抽出燈泡中化學(xué)成份活潑的氣體(氧、水蒸汽等)，防止燈絲在高溫下氧化．同年，克魯克斯發(fā)明陰極射線管，第一次利用真空下氣體分子平均自由程增大的物理特性．后來(lái)，在電子

7、管、電視管、加速器、電子顯微鏡、鍍膜、蒸餾等方面也都應(yīng)用了這一特性．1893年發(fā)明杜瓦瓶，這是真空絕熱的首次應(yīng)用．（4）真空技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用真空技術(shù)在二十世紀(jì)得到迅速發(fā)展，并有廣泛的應(yīng)用。二十世紀(jì)初，在真空獲得和測(cè)量的設(shè)備方面取得進(jìn)展，如旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵，皮氏真空計(jì)，擴(kuò)散泵，熱陰極電離真空計(jì)的發(fā)明，為工業(yè)上應(yīng)用高真空技術(shù)創(chuàng)造了條件．接著，油擴(kuò)散泵，冷陰極電離真空計(jì)的出現(xiàn)使高真空的獲得及測(cè)量取得一大進(jìn)展．五十年代，真空技術(shù)進(jìn)入超高真空時(shí)代，發(fā)明了B-A規(guī)，離子泵，渦輪分子泵．近二十年來(lái)，高能加速器，受控?zé)?/p>

8、核反應(yīng)裝置、空間技術(shù)，表面物理，超導(dǎo)技術(shù)筍，對(duì)真空技術(shù)提出了更新，更高的要求，使真空技術(shù)在超高真空甚至極高真空方面迅速發(fā)展．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握真空獲得和測(cè)量的方法．（2）掌握真空鍍膜的方法。實(shí)驗(yàn)原理1.低真空的獲得獲得低真空常采用機(jī)械泵，機(jī)械泵是運(yùn)用機(jī)械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開(kāi)始工作，極限真空度一般為1.33~1.33×10-2Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升