1、第一章 真空技術(shù),1Pa=1N/m2 舊的壓力單位Torr: 1Torr=1mmHg 1大氣壓=760Torr 1Torr=133.3Pa 1mbar=1.33Torr,SI單位Pa很少用 經(jīng)常使用的單位是Torr,1.1 真空基本概念,真空單位,真空度的分類： 低真空 1-10-3 Torr 中度真空 10-3-10-5 Torr 超高真空 低于10-9 Torr,有理由有 2 點(diǎn): 使試樣在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間范內(nèi)保持清潔。 (2)使電子束或離子束不受到氣體分子散射的干擾。 下面我們將看各種參數(shù)隨氣壓的變化,為什么研究需要真空？,1、 氣體密度 氣體密度可以從理想氣體定律估計(jì),分子/m3,2、氣相中

2、分子的平均自由程,平均自由程 P氣壓，k玻爾茲曼常數(shù)，T溫度（K） 碰撞橫切面積（M2）,2：碰撞截面積 ：分子直徑,入射通量是在單位時(shí)間入射到單位面積表面上的分子數(shù)量。 在決定一個(gè)表面能得保持清潔多久的關(guān)鍵因素之一是氣相分子在單位時(shí)間撞擊單位面積表面的次數(shù)。 在給定條件下（P、T等）用統(tǒng)計(jì)物理、理想氣體方程和MB速度分布可以計(jì)算入射通量。,3、 在表面上的入射分子流,第一步 入射通量 F 與表面上氣體密度有關(guān),n氣體密度，C分子的平均速度,第二步 分子密度由理想氣體方程決定,第三步 分子的平均速度可用MB速成分布計(jì)算,第四步 從上面三個(gè)方程， 可得到,Herts-Knuden 公式,m分子質(zhì)

3、量, k玻茲曼常數(shù), T溫度（K）,(分子/m2s),氣體暴露量=表面上方的壓力X暴露的時(shí)間 氣體暴露量的單位是 Langmuir (L) 在 10-6 Torr 壓力下，暴露1秒鐘。,4、 氣體暴露量（gas exposure）,5、粘附系數(shù)(sticking)和表面覆蓋度(surface coverage) 粘附系數(shù)s是一個(gè)入射分子到達(dá)表面吸附在表面上的概率，s決取于表面復(fù)蓋度，溫度，晶體表面。 S=f(surface coverage, temperature, crystal face),一個(gè)吸附物種的表面覆蓋度可以有幾個(gè)定義： 定義1：在單位面積上吸附物種的數(shù)量（分子/cm2） 定義

4、2：=實(shí)際的表面覆蓋度/飽和表面覆蓋度， = 0 - 1 定義3：與表面原子密度有關(guān) =單位面積吸附的分子數(shù)量/單位面積表面原子數(shù)量 注意：(1)不論用那一種定義，表面覆蓋度用希臘子母表示；(2)一個(gè)單層的吸附物（1ML）對(duì)應(yīng)最大表面吸附類濃度。,If we assume a typical interatomic distance for a solid surface of 3.1 , then,單位面積表面原子數(shù)量,一個(gè)清潔表面需多久被氣體分子完全復(fù)蓋？ 我們可以做一個(gè)估計(jì)。假設(shè)粘附系數(shù)是1（s=1）和單層復(fù)蓋（1ML）通常在1015/cm2 (1019/m2),那么 time/ML =

5、 1019/F (s),小結(jié),因此我們能做出下面結(jié)論： Collision-free condition: P10-4 Torr Maintenance of a clean surface: P10-9 Torr,1.2 真空測(cè)量,低壓下之壓力測(cè)量工具稱為真空計(jì)，真空計(jì)依其操作原理不同，可區(qū)分為直接真空計(jì)及間接真空計(jì)等二類。 直接真空計(jì)為採用壁面受壓力移動(dòng)的方式偵測(cè)壓力值，所測(cè)量壓力值為真實(shí)壓力值與氣體種類無關(guān)。 間接真空計(jì)量測(cè)氣體性質(zhì)，再換算成壓力值，顯示的壓力值與氣體種類或真空計(jì)幾何形狀有關(guān)。 真空計(jì)分類見下圖。,各種真空計(jì)的正常運(yùn)作壓力範(fàn)圍,電容真空計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)是量測(cè)真實(shí)絕對(duì)的壓力值，

6、藉著隔膜的彎曲或偏移(圖十一)造成電容的不平衡，此不平衡量可轉(zhuǎn)換為一與壓力成正比的電壓訊號(hào)。 典型電容真空計(jì)的壓力量測(cè)範(fàn)圍為1 torr到10-4torr。,電容真空計(jì),熱偶真空計(jì)(thermocouple gauge),(iii) 燈絲中心之熱電偶量測(cè)燈絲溫度，而連接熱電偶之微伏特計(jì)刻度已校對(duì)為壓力單位。 熱偶真空計(jì)量測(cè)之壓力值與氣體的熱傳導(dǎo)能力有關(guān)，因此壓力量測(cè)值與氣體種類有關(guān)， 熱偶真空計(jì)之壓力量測(cè)範(fàn)圍為10-3到10 torr,圖為典型熱偶真空計(jì)的壓力量測(cè)頭，其操作原理為： (i) 定電流流過熱燈絲，以加熱燈絲。(ii) 燈絲熱量藉真空中氣體傳導(dǎo)出去，而使燈絲冷卻。 (註：壓力越高，熱

7、傳越好)。,熱電偶,Bayard-Alpert 離子真空計(jì),(i) 燈絲放出電子。 (ii) 電子受柵極正電位吸引，加 速運(yùn)動(dòng)到螺旋線圈中。(iii) 電子撞擊氣體分子，使其電離。(iv) 離子收集端收集離子。,Measure current between anode and collector; 10-3 (filament burnout, multiple ions per electron) to 10-11 (low current) torr ip = S p ie ie = electron emission current S = gauge sensitivity,Mass

8、 Spectrometers,Quadrupole mass spectrometer - RGA (residual gas analyzer) 10-4 to 10-14 torr Total pressure mode integrates all ion intensities Partial pressure mode indicates residual vacuum composition Highly accurate, precise Complex, expensive, gas dependant,1.3 怎樣獲得超高真空？,密封 真空泵 獲得超高真空,橡皮O形環(huán)密封 特

9、點(diǎn)：可重復(fù)使用，費(fèi)用低 1 atm 10-7 Torr ( due to permeation ); 150oC,1、密封,金屬刀口密封( Metal knife-edage seals) 特點(diǎn): 持久，費(fèi)用高，只能使用一次的銅(銀、金)墊圈， 刀口容易損壞。,橡皮O形環(huán)密封,金屬刀口密封,2、 真空泵,真空泵浦為一有除去氣體機(jī)能的裝置。依其排除氣體的原理，可進(jìn)一步區(qū)分為三大類： (i)氣體輸送係經(jīng)由一階或多階的壓縮，例機(jī)械泵浦， (ii)氣體經(jīng)由動(dòng)量移轉(zhuǎn)而被侷限引導(dǎo)並輸送，例擴(kuò)散泵浦，渦輪分子泵浦等及 (iii)氣體被束縛在大的低溫表面上，隨後並可經(jīng)由加熱而釋出，例吸附泵浦等。,真空泵浦依其

10、正常操作的壓力範(fàn)圍又可區(qū)分為 (i)低真空泵浦(fore pumps，roughing pumps)，運(yùn)作於黏滯流範(fàn)圍。 (ii)高真空泵浦(high vaccum pumps)，運(yùn)作於分子流範(fàn)圍。,（1）氣壓范圍 A. 粘性流動(dòng) 氣壓10-4 Torr；平均自由程短；分子分子碰撞較分子壁碰撞的機(jī)會(huì)高，氣體動(dòng)量轉(zhuǎn)移，凈壓力梯度；層狀流動(dòng)。 B、分子流動(dòng) 氣壓10-4 Torr；平均自由程高；分子壁碰撞機(jī)會(huì)較分子分子碰撞機(jī)會(huì)多；沒有氣體的動(dòng)量轉(zhuǎn)移；幾乎沒有壓力梯度；,Kn=/a Knudsen number = 平均自由程；a = 管子直徑 Kn1分子流動(dòng),肯德深數(shù)(Knudsens numbe

11、r),(2) 機(jī)械泵 1 atm - 10-3 Torr 費(fèi)用低; 皮帶驅(qū)動(dòng)或直接由馬達(dá)驅(qū)動(dòng),旋轉(zhuǎn)翼型是最常用的泵浦，由轉(zhuǎn)子(rotor)與兩滑動(dòng)翼組成，滑動(dòng)翼被彈簧壓著於外殼，排氣過程見圖十七，可單獨(dú)從大氣壓排氣到10-2或10-3 torr。旋轉(zhuǎn)泵浦之理論排氣速度為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所能排除的幾何學(xué)容積乘單位時(shí)間的旋轉(zhuǎn)數(shù)。,10-1 Torr 10-10 Torr；昂貴的；當(dāng)抽質(zhì)量輕的氣體分子時(shí)，效果不好； 渦輪分子泵浦構(gòu)造頗似渦輪機(jī)(見圖二十八)，轉(zhuǎn)子上裝著刻有斜槽(葉片)的金屬圓盤，氣體分子衝撞高速旋轉(zhuǎn)的圓盤時(shí)，在某一定向獲得動(dòng)量(見圖二十九)，而發(fā)生氣體流。此泵浦圓盤轉(zhuǎn)速很高，約24,0006

12、0,000rpm，運(yùn)作於分子流領(lǐng)域，因此在入口部圓盤斜槽較疏而在出口部圓盤斜槽較密，如圖三十所示,(3) 分子泵 (Turbomolecular pump),擴(kuò)散泵浦是一種蒸氣噴流泵浦(見圖二十四)，藉著氣體與蒸氣流碰撞的動(dòng)量移轉(zhuǎn)來輸送氣體(見圖二十五)。這是高真空泵浦中最廣為使用的一種泵浦。 擴(kuò)散泵浦係以高分子量的液體如水銀（汞）或矽油(Silicone oil)等在低壓力下加熱沸騰，其蒸氣呈分子流狀態(tài)，以超音速衝過噴嘴，並與氣體分子碰撞，使氣體分子得到一向下的動(dòng)量分量而向下運(yùn)動(dòng)至前段手臂(fore arm)，蒸氣最終碰撞水冷卻之幫浦壁，並於幫浦壁上凝結(jié)而掉落至下方油槽，再經(jīng)加熱器加熱沸騰而

13、展開再一次的循迴。,(4)擴(kuò)散泵浦(diffusion pump),圖二十五單階擴(kuò)散泵浦之示意圖?？杖Γ赫魵鈬娏鞣肿?，實(shí)圈：氣體分子。,圖顯示了一個(gè)沒有烘烤的真空系統(tǒng)內(nèi)氣壓與時(shí)間的關(guān)系。速率控制的過程決定最終可達(dá)到的真空度。在抽真空時(shí)，開始?jí)毫ρ杆俚叵陆?，然后下降速度變慢?在表面脫附區(qū)域氣相的主要分量可能是水；在低壓區(qū)域可能是氫。,3. 獲得超高真空,可由上式估計(jì)真空腔排氣初期之壓力變化值。當(dāng)壓力低於10-4到10-5 torr時(shí)，影響系統(tǒng)排氣率的是釋氣率，而非泵浦的排氣速率。,在排氣初期，,(1) removal of gas volume,(2) 釋氣(out-gassing),真空腔內(nèi)

14、可能釋氣的來源有多種，如圖五十七所示，依釋氣機(jī)構(gòu)分類，可分為四類：,(a)蒸發(fā)(vaporization) 固相的原子或分子會(huì)因熱激發(fā)而成為氣相，材料蒸氣壓是選擇真空腔內(nèi)使用材料的最基本考慮因素，一般選擇蒸氣壓小的物質(zhì)作為真空腔使用材料，例金屬、玻璃、陶瓷等。 (b) 熱脫附(thermal desorption) (1/t) 熱脫附是指吸附於真空腔內(nèi)部壁上的氣體或蒸氣因熱刺激而釋放(thermally-stimulated release)的現(xiàn)象。此現(xiàn)象是一般真空排氣至高真空及超高真空時(shí)，最主要造成真空腔內(nèi)部壓力的氣體的來源。真空腔排氣時(shí)，最麻煩的氣體就是束縛能約為1eV的氣體，因?yàn)榇藭r(shí)氣體的停留時(shí)間與排氣及鍍膜所需花費(fèi)的時(shí)間相仿。水氣的束縛能約為1eV，因此成為真空排氣及鍍膜時(shí)，最麻煩的氣體。,(c) 擴(kuò)散(1/t1/2) 被材料捕捉於其內(nèi)的分子，擴(kuò)散到材料表面，並藉著退附的動(dòng)作而釋出，但因擴(kuò)散過程較退附過程緩慢，因此成為限制速率的過程(rate-limiting process)，並稱此種釋出氣體的動(dòng)作為擴(kuò)散