经典真空技术与设备.doc

一、经典真空技术与设备 第一章 真空及其应用 张振厚 李云奇 1.1 真空科学发展史的回顾及其分支学科的划分 人们通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现。其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了“风箱鼓风法”，这是利用真空进行吸气原理有记载的描述。公元218~316年我国晋朝医生葛洪又创造了“拔火罐”医疗法。这是真空技术在医学上应用的具体例证。可见葛利克抽气机的发明与我国的风箱鼓风抽气相比较，在时间上至少要晚几百年。因此在我们回顾真空科学发展的历程时，是不应忘记我们的祖先，对人类在早期发展真空技术中所做出的贡献。 但是，真空科学与技术作为独立的科学体系还是从20世纪初开始的。这时由于电子器件，原子能，航天技术对真空环境的需求，极为迫切，从而大大的推动了这一技术的发展。除了作为获得，检测，真空系统及其元件等产品的自身发展借以配合许多科学创新的条件和手段外，由于现代科学技术的相互交叉与渗透，因此又极大的丰富了真空科学与技术的内涵。尤其是“超高真空”，“超清洁表面”的出现，揭示了自然界中许多新颖的现象和规律，其中纳米技术的发展就是很好的例证。目前“真空科学与技术”包括了诸多的学科分支，表1-1给出了“国际真空科学技术与应用协会（IUVSTA）的划分方法及其分支学科的内容。” 表1-1 真空科学与技术的分支学科 分支学科 分支学科的内容 经典真空技术 真空获得，测量，检漏，真空系统及元件。 真空冶金 真空熔炼铸造，真空脱气铸造，真空热处理，真空焊接，真空还原蒸留炭化，单晶体制备，表面处理。 等离子体科学与技术 等离子体在磁控溅射，离子镀等设备的应用。等离子体化学气相沉积，高纯度单晶薄膜制备，等离子体显示器件。 薄膜科学与技术 真空蒸发镀，真空溅射镀，真空离子镀，化学气相沉积。 电子材料和加工工艺 真空电子器件，半导体材料，光电材料，敏感材料，薄膜电子材料，薄膜材料，智能材料，沉积加工工艺，外延生长技术，掩膜和刻蚀等。 表面科学 固体表面电子结构，原子结构的研究，超高真空扫描隧道显微镜，表面性能测试。 应用表面科学 紫外光电子能谱分析离子中和谱、X光电子能谱等表面分析仪器。 纳米科学与技术 纳米材料的制备，纳米生物学，纳米机械与纳米动力学，纳米电子学，纳米医疗。 1.2 大气与真空 1.2.1 大气的性质 大气虽然是一种看不到、摸不着，既无色，也无味的气体，但是，它确占有一定的空间和具有一定的重量。把一个没有打气的篮球用比较精密的天平称一下，然后打足气再称一次。结果，第二次称得的篮球重量比第一次增加了。实验证明，每一升大气大约有1克多重。 大家知道，在我们周围所有的东西，不论大小都被地球引力所吸引，当然大气也不例外。不过，在这里我们应当补充一点，这就是大气不但有重量，而且它还是可以压缩的。因此，当上一层大气压在下一层大气的上面时，下一层大气就会被压得比上一层大气更密实些。表明大气轻重程度的物理量是气体的密度，它的单位是克/厘米3。在真空技术中，还通常用气体的分子密度来说明大气的稀薄程度。用气体单位体积内所含有的气体分子数来表示。其单位是 个/厘米3。 因为处于地球表面上下层大气所受到的压缩最大，因此这一层大气的密度也就最大，相反，离开地球表面越高，大气的密度也就越小。这就是地球周围大气层上疏下密的原因。 表1-2给出了标准大气的温度压力、密度与大气层高度的关系。 表1-2 标准大气的温度、压力、密度与大气层高度的关系 高度（公里） 温度（℃） 压力（托） 密度（克/厘米3） 0 15 760 1.23×10-8 1 8.5 674.1 1.11×10-8 2 2.0 596.3 1.01×10-8 3 -4.5 526.0 9.09×10-4 4 -11 462.5 8.19×10-4 5 -17.5 405.4 7.36×10-4 6 -24.5 354.2 6.60×10-4 7 -30.5 308.3 5.90?10-4 8 -36.9 267.4 5.26?10-4 9 43.4 231.0 4.67?10-4 10 -49.9 198.8 4.14?10-4 15 -56.5 90.8 1.95?10-4 20 56.5 48.5 8.89?10-5 30 -46.6 8.98 1.84?10-5 40 -22.8 2.15 4.00?10-6 50 -2.5 0.589 1.03?10-