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第三章 真空技术

第三章 真空技术. 溅射. 蒸镀. 表面分析. Molecular density, incidence rate, mean-free path, and monolayer formation time as a function of pressure. 不同真空度下气体的主要成分. 问题：表面测量要求－ 1 小时内污染小于 5% ，请问真空度至少要达到多少？请选择合适的真空泵，并画出连接示意图。. 真空的连接与设计. 体积流量 ：单位时间内气体流过抽气系统中任 何截面的 体积 称为体积流量，单位为升 / 秒， 与气体密度无关（真空泵的表示抽速 ? ）。

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第三章 真空技术

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Presentation Transcript

  1. 第三章 真空技术

  2. 溅射 蒸镀 表面分析 Molecular density, incidence rate, mean-free path, and monolayer formation time as a function of pressure

  3. 不同真空度下气体的主要成分

  4. 问题：表面测量要求－1小时内污染小于5%，请问真空度至少要达到多少？请选择合适的真空泵，并画出连接示意图。问题：表面测量要求－1小时内污染小于5%，请问真空度至少要达到多少？请选择合适的真空泵，并画出连接示意图。

  5. 真空的连接与设计 体积流量：单位时间内气体流过抽气系统中任 何截面的体积称为体积流量，单位为升/秒， 与气体密度无关（真空泵的表示抽速?）。 气体流动形态：与压强、温度、气体种类相关 分子流：压强低时，气体分子的平均自由程增大，分子间的相互碰撞减少，分子与管壁的碰撞占主要地位，分于间的内摩擦消失，气体分子以热运动而自由地独立地直线前进，这种流动被称为分子流。

  6. 粘滞流：压强高时，平流和湍流 平流：随气体压强和流速的逐渐降低，流动由具有不同流动速度的各个流动层组成．宏观流速矢量与管轴平行，流动与气体的粘滞性有关，称为平流。 湍流：当气体压强和流速都比较高时，流动呈现不稳定状态，宏观流速矢量有径向分量．气体流动受到较大的阻力，通常称这种流动状态为湍流或者旁流。

  7. 孔 分子流状态下各种导管的流导(空气) 长管 短管 流导与气体的流动状态相关

  8. 两种流动状态下流导的对比

  9. 和电路的对照： 压强 电压 流导 电导 流量 电流 可以利用电路的概念来考虑管道的连接, 推导出复杂气路的流动状态

  10. p, S p0, S0

  11. 抽气公式和真空检漏： 抽真空过程中不同漏气方式对真空度的影响

  12. 指纹危害！ 看得见的指纹厚度至少100分子层； 表面积1cm2，则至少有1017分子; 抽气速率100 L/S, 10-9Torr;  1012分子/S  1017/1012=105秒28小时

  13. 烘烤过程

  14. 检漏及剩余气体分析

  15. 灵敏度可达10-9 pa·L/s 是最可靠的检漏技术 真空法检漏： 酒精，丙烷，Ar，CO2

  16. 真空系统的问题检查： 没达到预期极限真空： 1. 泵的抽速与气载是否匹配？ 2. 是否已抽气足够时间？ 3. RGA 质谱？ 4. 烘烤过程是否有效？ 真空漏气检测： 1. rate-of-rise 检测 2. He质谱漏气检测 3. He气+真空计检测 4. RGA检测

  17. 常见的真实泄漏： • 检漏仪与系统的连接处； • 过去经常出问题的元器件； • 经常沿着密封表面运动的密封件； • 阀门的动密封 • 旋转部件的动密封 • 舱门的密封； • 波纹管轴的密封 • 真空官道上的柔性连接； • 螺纹连接处； • 静密封，如观察窗，引线端; • 焊点（特别是钎焊的焊点）;

  18. 完整真空系统示意图 Pressure Gauge Gas inlet MFC Vacuum Chamber Valve Gas Outlet Variable Capacitance Valve Valve Oil Filter High Vacuum Pump Roughing/Backing Pump

  19. 粗真空泵：旋片式机械泵 工作过程： 气体从入口进入转子和定子之间 偏轴转子压缩空气并输送到出口 气体在出口累积到一定压强，喷出到大气 工作范围及特点： • 大气压10-3 torr • 耐用，便宜 • 油润滑  污染 • 机械振动

  20. 理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强： 抽速 n无限大时，p趋向0；极限真空pm • 有害空间 • 排气空间与吸气空间的间隙 • 泵油气的循环

  21. 真空泵抽速与腔体压强的关系

  22. 涡旋泵：低噪音、低振动、易维护、重量轻，经常与分子泵或离子泵组成干式泵体系涡旋泵：低噪音、低振动、易维护、重量轻，经常与分子泵或离子泵组成干式泵体系

  23. 干式机械泵

  24. 高真空泵：冷凝泵(低温泵) • 液氮冷却有很大表面积的分子筛 • >200 °C 烘烤除去吸附的气体 • 极限真空与泵的温度相关。 • 简单，无振动，便宜，无油污染 • 10-3 Torr-> 10-10 Torr (可以用两个泵交替工作) • 很容易饱和多泵联合工作 分子筛，活性碳，金属表面，高沸点气体覆盖的低温表面等

  25. 高真空泵：油扩散泵 • 加热油从喷嘴喷出，气体分子与油分子碰撞，向出气口运动 • 需要水冷，前级泵 • 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr，液氮冷阱) • 优点 • 耐用 • 成本低，抽速快 • 无震动和声音 • 缺点 • 油污染

  26. 液氮冷阱捕获不同气体的效率 Approximate Vapor Pressure (mbar) Gas Water (H2O) Argon (A) Carbon Dioxide (CO2) Carbon Monoxide (CO) Helium (He) Hydrogen (H2) Oxygen (O2) Neon (Ne) Nitrogen (N2) Solvents 10-22 500 10 -7 >760 >760 >760 350 >760 760 <10 -10

  27. 扩散泵抽速

  28. 扩散泵用油的一些参数

  29. 原理： • 气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动； • 多级速度：30,000-60,000 rpm； • 转子的切向速度与分子运动速率相当； • Atmosphere to 10-10 Torr 高真空泵：涡轮分子泵 是最常见的 HV/UHV泵

  30. 只有当分子泵转子叶片边缘的切向速度与被抽气体平均热运动速度大致在同一个数量级时，分子泵才能对该气体有有效抽气只有当分子泵转子叶片边缘的切向速度与被抽气体平均热运动速度大致在同一个数量级时，分子泵才能对该气体有有效抽气

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