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1、第四章 真真空合成基本概念基本概念“真空真空”这一术语译自拉丁文这一术语译自拉丁文VacuoVacuo，其意义是虚无。其意义是虚无。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。其实真空应理解为气体较稀薄的空间。真空的概念：真空的概念：物理学上是指没有或者不计气体分子和原子存在的物理物理学上是指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间。空间，仅存在各种能量粒子的场空间。真空：是指在指定的空间内，低于一个大气压力的稀薄真空：是指在指定的空间内，低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。气体的空间状态。真空度的划分：真空度的划分：l真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真
2、空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1标准大气压标准大气压(1atm)1.013105Pa(帕帕)1Torr1/760atm1mmHg1Torr133Pa粗真空粗真空 1.0131.01310105 5 1.331.3310103 3 Pa Pa 低真空低真空 1.331.3310103 3 1.331.331010-1-1 Pa Pa 高真空高真空 1.331.331010-1-1 1.331.331010-6-6 Pa Pa超高真空超高真空 1.331.331010-6-6 1.331.331010-12-12 Pa Pa 极高真空极高真空 低于低于1.331.331010-
3、12-12 PaPa 真空的特点真空的特点:高真空气体的行为与常压下有区别：高真空气体的行为与常压下有区别：（1 1）在真真空中，气气体分子密度低，在某些情况况下，真真空可以近似地看作 没没有气气体“污污染”的空间间。（2）真真空中，气气体分子或带电带电粒子的平均自由程为为：（3 3）真真空中分子之间碰间碰撞频频率很低，有些情况下分子间的碰撞可以忽略。有些情况下分子间的碰撞可以忽略。同时时，分子与与固体表面碰碰撞的频频率也极极低。pkT22pMT22105.3 因此，通过真空可以得到：因此，通过真空可以得到：1)1)“原子清洁原子清洁”的固体表面的固体表面表面结构、表面组分及表面表面结构、表面
4、组分及表面能态等基本研究。能态等基本研究。2)2)纯净的制备环境纯净的制备环境超纯样品、精确掺杂、镀膜技术。超纯样品、精确掺杂、镀膜技术。3 3）模拟空间环境）模拟空间环境真空技术：真空技术已经成为一门独立的学科。真空技术已经成为一门独立的学科。它的基本内容包括：它的基本内容包括：1）真空物理）真空物理2）真空的获得）真空的获得3）真空的测量和检漏）真空的测量和检漏4)真空系统的设计和计算等。真空系统的设计和计算等。随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科冶金工业
5、以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。学技术中的地位越来越重要。真空在湿法冶金方面的应用真空在湿法冶金方面的应用 1 1 真空干燥与真空冷冻干燥真空干燥与真空冷冻干燥 2 2 真空过滤真空过滤 3 3 真空冷却真空冷却 4 4 真空蒸发结晶真空蒸发结晶（溶液中过饱和析晶）（溶液中过饱和析晶）真空系统真空系统 真空系统：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。真空系统：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：1 1抽气设备：抽气设备：2 2真空阀门；真空阀门；3 3连接管道
6、；连接管道；4 4真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；5 5其它元件：例如捕集器、除尘器、储气罐等。其它元件：例如捕集器、除尘器、储气罐等。6.6.真空捡漏设备真空捡漏设备第一节节 抽气设备气设备真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多
7、种，其抽速从随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空极限真空)从从粗真空到粗真空到1010-12-12PaPa以上的超高真空范围。以上的超高真空范围。1 1、真空泵的分类、真空泵的分类按其工作原理分：按其工作原理分：气气体体传传输输泵泵容容积积泵泵利用泵腔容积的周期性变化来利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气、压缩和排气的装置完成吸气、压缩和排气的装置动动量量传传输输泵泵利用高速旋转的叶片或高速射利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体或流，把动量传输给被抽气体或气体分子，
8、使气体连续不断地气体分子，使气体连续不断地从入口传输到出口真空泵从入口传输到出口真空泵气气体体捕捕集集将被抽气体吸附或将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上除去凝结在泵内表面上除去往返式真空泵往返式真空泵旋转式真空泵旋转式真空泵分子泵分子泵喷射真空泵喷射真空泵扩散泵扩散泵吸附泵吸附泵低温泵低温泵各种真空泵的适用压强范围：各种真空泵的适用压强范围：2 2、真空泵的基本参量、真空泵的基本参量1 1）起始压强：真空泵开始工作的压强）起始压强：真空泵开始工作的压强2 2）临界反压强：保持真空泵正常工作排气口外侧允许的最大压强，当超）临界反压强：保持真空泵正常工作排气口外侧允许的最大压强，当超过此压强，泵即停
9、止工作。过此压强，泵即停止工作。3 3）极限压强：在系统不漏气和不放气的条件下，长时间抽气后，给定的）极限压强：在系统不漏气和不放气的条件下，长时间抽气后，给定的真空所能达到的最小压强。真空所能达到的最小压强。4 4）抽气速率：在一定的温度和压强下，单位时间内泵从容器中抽除气体）抽气速率：在一定的温度和压强下，单位时间内泵从容器中抽除气体的体积。的体积。以上几个参量是真空泵工作特性的表征以上几个参量是真空泵工作特性的表征!要合理选择真空泵！要合理选择真空泵！机械泵机械泵扩散泵扩散泵极限压强极限压强0.1 Pa0.1 Pa5 51010-8-8 PaPa起始压强起始压强1.0131.013101
10、02 2 PaPa10 Pa10 Pa临界反压强临界反压强1.0131.01310105 5 PaPa1.331.3310 Pa10 Pa初级泵初级泵次级泵次级泵最常用：机最常用：机械泵、扩散械泵、扩散泵泵3 3、粗真空机械泵、粗真空机械泵 它与旋片式真空泵相比较，它能被制成大抽速的泵；与水环式真空它与旋片式真空泵相比较，它能被制成大抽速的泵；与水环式真空泵相比，效率稍高。这类泵的主要缺点是结构复杂，体积较大，运泵相比，效率稍高。这类泵的主要缺点是结构复杂，体积较大，运转时振动较大等。其在很多场合可由液环式真空泵所代。转时振动较大等。其在很多场合可由液环式真空泵所代。往返式机械泵往返式机械泵（
11、活塞式）（活塞式）水环式真空泵（水环泵、液环式）水环式真空泵（水环泵、液环式）水环真空泵水环真空泵(简称水环泵简称水环泵)是是一种粗真空泵，它所能获得一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为的极限真空为200020004000Pa 4000Pa。在工业生产的许多工艺过程在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、中，如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气浓缩、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。等，水环泵得到广泛的应用。旋片式机械泵（油泵）旋片式机械泵（油泵）原理：利用机械转子使工作室体原理：利用机械转子使工作室体积周期性的扩大
12、和缩小来实现抽积周期性的扩大和缩小来实现抽气的。气的。l工作过程是：工作过程是：l吸气吸气压缩压缩排气。排气。P P1 1=P=P0 0V/V/（V+V+V)V)；P Pn n=P=P0 0V/V/（V+V+V)V)n n n n增大，增大，P Pn n不断趋于不断趋于0 0不可能达到极限真空不可能达到极限真空0Pa0Pa的原因：的原因：1 1）由于结构存在有害空间，气体排出使被旋片压进到进气口一边；）由于结构存在有害空间，气体排出使被旋片压进到进气口一边；2 2）排气空间和吸气空间存在一定压强差，气体会通过间隙流返到吸）排气空间和吸气空间存在一定压强差，气体会通过间隙流返到吸气空间；气空间；
13、3 3）泵油中溶解了部分气体，在吸气空间由于低压而被释放出来。）泵油中溶解了部分气体，在吸气空间由于低压而被释放出来。机械泵使用注意事项机械泵使用注意事项1 1）运转方向符合转子规定方向，否则会将油压入真空系统；）运转方向符合转子规定方向，否则会将油压入真空系统；2 2）有）有大量水和有机物大量水和有机物存在时，在泵和抽气系统之间加干燥、捕集装置，存在时，在泵和抽气系统之间加干燥、捕集装置，或使用气镇；或使用气镇；3 3）停止工作前，先将泵与真空系统的阀门关闭，再将泵中放入空气，）停止工作前，先将泵与真空系统的阀门关闭，再将泵中放入空气，以免泵油被抽入真空系统；以免泵油被抽入真空系统；4 4）
14、泵油必须充满至刻度，泵油要保持洁净，定期更换泵油。）泵油必须充满至刻度，泵油要保持洁净，定期更换泵油。在排气空间一经压缩液化便混入油中；在排气空间一经压缩液化便混入油中；而循环至吸空间，低压下又变成蒸汽而循环至吸空间，低压下又变成蒸汽4 4、高真空泵、高真空泵原理：基于被抽原理：基于被抽气体分子向定向气体分子向定向蒸汽流中扩散并蒸汽流中扩散并被蒸汽压缩到前被蒸汽压缩到前置空间，而被前置空间，而被前级机械泵抽走。级机械泵抽走。范围：范围：10101010-5-5PaPa扩散泵：扩散泵：按泵的工作介质可分为按泵的工作介质可分为汞扩散泵和油扩散泵汞扩散泵和油扩散泵.油蒸法油蒸法油蒸汽流油蒸汽流加热加
15、热压缩压缩喷出喷出气体分子气体分子动能传递动能传递碰撞碰撞定向运动定向运动排出排出 两个有害的反向扩散两个有害的反向扩散:(1)(1)由于泵底部与上部气体分子密度差由于泵底部与上部气体分子密度差,引起向上部扩散引起向上部扩散.(2)(2)喷嘴处油蒸汽分子与被抽系统的密度差喷嘴处油蒸汽分子与被抽系统的密度差.引起引起油油反扩散反扩散.改善改善喷喷嘴嘴设计设计进气进气端端设设置液置液氮氮冷却冷却提高提高泵泵油油质质量量扩散泵使用注意事项扩散泵使用注意事项1 1）扩散泵一般只能作为次级泵使用。配备的前级泵必须与扩散泵相匹）扩散泵一般只能作为次级泵使用。配备的前级泵必须与扩散泵相匹配，即前级泵的抽速在
16、预真空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；配，即前级泵的抽速在预真空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；2 2）在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，停机时应先停止加热，在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，停机时应先停止加热，后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏。后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏。3 3）必须做好清洁工作，烘干，否则会大大影响极限真空；）必须做好清洁工作，烘干，否则会大大影响极限真空；4 4）工作时，切勿漏入大气，否则扩散泵油将严重氧化裂解）工作时，切勿漏入大气，否则扩散泵油将严重氧化裂解.5 5）工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高真空度。工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用汞有毒，最好不用。5 5、吸附泵、吸附泵物理吸附泵物理吸附泵利用分子筛对气体物理吸利用分子筛对气体物理吸附的可逆性，即低温下吸附的可逆性，即低温下吸附气体，升温后解吸的功附气体，升温后解吸的功能实现抽气。能实现抽气。能在大气压下进行工作，能在大气压下进行工作，常作为前级泵。常作为前级泵。升华泵和离子泵升华泵和离子
