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真空获得技术—真空泵
•真空泵的几个术语
1. 抽气速率:在泵的入口处,压强为P, 单位时间内抽出的
气体量为Q, 抽速Sp =Q/P, 单位:L/s
2. 有效抽气速率:真空泵与真空室之间通常有管道,管道
存在压差,减小了泵的抽速。
管道流导为U,
有效抽速 S=SpU/(Sp+U)
3. 起始压强:真空泵开始工作的允许压强,泵的工作原理
决定。
有些需要真空下开始工作,因此前级泵是必须的。
4. 极限真空度:没有漏气和内壁脱气条件下,真空泵所能
达到的最低气压,工作介质决定了极限真空。
真空获得技术—真空泵
获得真空的方法:使如果平均自由程> 真空室尺寸⇒分子流
用真空泵或者吸气剂,真空分子的运动互相之间是独立的,分子与墙
泵是获得真空的最重要工具。壁表面的碰撞速率决定真空泵的抽气速度
真空泵性能指标决定真空度真空度
高低。
如果平均自由程<真空室尺寸⇒粘滞流
分子运动互相影响
分子与分子的碰撞决定抽气气流动力学,
真空度
抽气速率的计算:
PV = NRT, N是分子总数∝ PVN at T= const
通常情况下, 真空泵的抽气量正比于真空室气压 P, 泵抽
速 S 定义为:
δPV 1 δPV
SPS ==
δt P δt S 单位:升/秒, ℓ/s
流量为:
Q = PS,因此分子数减少速率为:
d N dPV
==∝ PQ S
d t d t
at T = const
通常稳态条件下,抽气管道中的流量是守恒的, 即:
Q = P1S1 = P2S2
P2 = 100 P1
P1
pump 1 P
500 ℓ/s 2
pump 2
5 ℓ/s
有管道的真空泵抽速:
1 1 1
+= D = 直径,in cm
S1 C S2 L = 长度,in cm
P1, S1 C = 流导,in ℓ/s
D3
C 连接管道,流导为: = 12C 分子流条件下
L
例子例子
P2 S2 1 2
pump D = 15 cm D = 10 cm
500 ℓ/s L = 20 cm L = 20 cm
C = 2025 ℓ/s C = 600 ℓ/s
S1= 401 ℓ/s S1= 273 ℓ/s
真空泵昂贵. 连接管便宜.
管道流导的计算:
管道串联的流导
1 1 1
+=
C C C21
管道并联的流导
C = C1 + C2
管道流导的计算:
D3
= 12C @ 分子流条件, D ~ 5 cm, P < mtorr
L
λ= 5 cm @ 1 mtorr
D4
= 180C P @ 粘滞流,P> mtorr
L av
@ D ~5 cm, L = const
viscous
D = 直径,in cm C
L = 长度,in cm
C = 流导,in ℓ/s molecular
Pav = 管道内平均气压,in torr
Pav
mtorr
gas inlet, N gas inlet, O2
2 -4
1x10-3 torr ℓ/s 1x10 torr ℓ/s
Chamer 1 Chamer 2
pump 1 pump 2
500 ℓ/s 100 ℓ/s
connecting tube 估计:
1 cm inner diameter
P(N ) in chamber 1
10 cm length 2
P(N2) in chamber 2
P(O2) in chamber 1
抽空时间计算:
d PV
−= SP 抽气流量方程
d t
d P S
−= P
d t V 例子
-t/τ V = 1000 ℓ
= PP 0 e S = 500 ℓ/s
V τ= 2 s
τ= 每 τ, 气压降低10倍
S
实际上, 真空度 from 10-6 torr to 10-7 torr,却需要比上述估计长得多的时间
为什么? 器壁表面脱气。
因此腔体材料的选择十分重要,特别是高真空系统
各类真空泵的抽速
•真空泵的分类
•抽气式
1. 旋片式真空泵
2. 扩散泵
3. 涡轮分子泵
4. 分子拖拽泵
•吸气式
1. 冷凝泵
2. 离子泵
3. 升华泵