真空及真空的获得33页课件.ppt

真空及真空的获得真空及真空的获得产品整理车间真空概论 •真空 ：vacuum（英）•定义：•一种说法是：当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力•另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空真空有程度上的区别:当容器内没有压力即绝对压力等于零时,叫做完全真空;其余叫做不完全真空•在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态真空度的概念•处于真空状态下的气体稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”来表示真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思•从真空表所读得的数值称真空度真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值，即：•　　真空度=(大气压强—绝对压强)/pg •       其中：p为液体密度，g为重力加速度•真空度是真空泵、微型真空泵、微型气泵、微型抽气泵、微型抽气打气泵等抽真空设备的一个主要参数 真空度的标识•对于真空度的标识通常有两种方法：•一、用“绝对压力”、“绝对真空度”（即比“理论真空”高多少压力)标识　　•在实际情况中，真空泵的绝对压力值介于0～101.325KPa之间。

绝对压力值需要用绝对压力仪表测量，在20℃、海拔高度＝0的地方，用于测量真空度的仪表(绝对真空表)的初始值为101.325KPa(即一个标准大气压)•二、用“相对压力”、“相对真空度”(即比“大气压”低多少压力)来标识　“相对真空度”是指被测对象的压力与测量地点大气压的差值用普通真空表测量在没有真空的状态下(即常压时)，表的初始值为0当测量真空时，它的值介于0到－101.325KPa（一般用负数表示）之间•比如，有一款微型真空泵测量值为－75KPa，则表示泵可以抽到比测量地点的大气压低75KPa的真空状态相对真空度和绝对真空度•国际真空行业通用的“真空度”，也是最科学的是用绝对压力标识；指得是“极限真空、绝对真空度、绝对压力”，但“相对真空度”(相对压力、真空表表压、负压)由于测量的方法简便、测量仪器非常普遍、容易买到且价格便宜，因此也有广泛应用理论上二者是可以相互换算的,两者换算方法如下：•　　相对真空度=绝对真空度(绝对压力)-测量地点的气压•　　例如：一款微型真空泵的绝对压力为80KPa，则它的相对真空度约为80-100＝-20Kpa，(测量地点的气压假设为100KPa)在普通真空表上就该显示为-0.02MPa。

常用的真空度单位•常用的真空度单位有Pa、Torr、Kpa、Mpa、大气压、公斤(Kgf/cm2)、mmHg、mbar、bar、PSI等近似换算关系如下：•       帕（pa）1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡)•       托（torr）1托=133.3223684帕=1mmHg •　　1MPa=1000KPa•　　1KPa=1000Pa•       1大气压=101.325KPa≈0.1MPa•　　1大气压=1.0332公斤(Kgf/cm2)=760mmHg•　　1大气压=14.5PSI（PSI=pounds per square inch 磅/平方英寸                                            换算关系为：1psi=6.895kPa ）•       1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛顿/平方厘米=0.1MPa 真空的获得和测量•在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的•目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、低温泵等。

•真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展各种真空测量设备与微型计算机相结合，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能真空的获得•为了使体系形成真空就必须将其中的气体排出，或者使气体分子不能在体系内自由活动因此，形成真空的方法有两类：•①应用机械的装置将体系中的气体抽出；•②利用吸气剂、捕集器等将体系中气体吸附•后者如吸气剂常用于真空电子设备中，我们工业上常用的是前者，所用的抽气装置常称之为抽气机、真空泵 工业真空•工业上的真空指的是气压比一标准大气压小的气体空间，是指稀薄的气体状态，又可分为高真空、中真空和低真空工业应用的真空环境一般是通过真空泵来实现的•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 适用于不同需求的真空泵及测量仪器不同真空状态的绝对真空度真空区域（torr）压强范围（pa）低真空760~10  101325~1333 中真空10~10-3 1333~1.33×10-1高真空10-3~10-8 1.33×10-1~10-6 超高真空10-8~10-12 10-6~10-10 极高真空＜10-12 ＜10-10 真空系统•各种真空系统的组建，是根据不同的工作需求来决定的。

最简单的真空系统结构只需机械泵加上测量仪器即可获得粗真空到低真空的工作氛围如果所做的工作需要在高真空下进行，除了用机械泵外，还必须在机械泵后加扩散泵•真空系统有金属和玻璃两类根据需要选用合适的真空材料、真空泵、真空计和阀门来组成真空系统 •真空系统结构材料是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力这类材料主要是各种金属和非金属材料，包括可拆卸连接处的密封垫圈材料•如我们直拉炉的真空系统中，金属材料包括炉体生长室、副室和管道应用的各种不锈钢材料，非金属材料包括熔炉的塑胶O形环密封圈，籽晶和坩埚上升旋转的磁流体密封材料，隔离阀轴的四边形旋转塑胶密封圈等旋片式机械真空泵•旋片式机械泵结构图 /剖面图结构及工作原理•它由转子、定子、旋片（或称刮板）、活门和油槽等构成泵的定子装在油槽中，定子的空腔时圆柱形转子是圆柱形轮子，它偏心地装成与定子空腔内切的位置转子可绕自己的旋转对称轴转动，转子是由马达带动的转子中镶有两块刮板，刮板之间用弹簧相连，使刮板紧贴在定子空腔内壁上当转子转动时，被抽容器中的气体经过进气口到定子与转子之间的空间，由活门及进气口排出定子浸在油中，油是起密封、润滑与冷却作用的，进油槽是为了让油进入空腔。

进空腔的油除了上述作用外，还起着协助打开活门的作用，因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开活门，而不可压缩的油，将强迫活门打开，活门的作用是让气体从泵中排出，而不让大气进入泵中 •旋片式机械泵的工作原理如下图：•(a)表示两刮板转动时上刮板A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间•(b)、(c)表示进入泵中的气体被刮板B与被抽容器隔开并被压缩到活门•当转子转动到图(d)的位置时，被压缩的气体的压强大于大气压强，这时活门被打开，气体排出泵外两个刮板不停地重复以上过程，实现了对容器连续抽气的目的旋片式机械泵的局限•单级旋片泵一般极限压力只能达到1.3Pa(个别可达0.1Pa)，为什么极限压力不能再低呢？主要由于：•    (1)泵的结构上存在有害空间(见图)，该空间中的气体是无法排除的当旋片转过排气口后，这一部分气体又被压缩，经过转子与泵腔间的缝隙又回到吸气空间，所以每次总有些气体排不尽•    (2)由于在泵工作时，泵腔的吸气空间与排气空间存在着一定的压力差当排气空间的气体被压缩得很小时，它的压力很高，会通过各种可能的途径突破到吸气空间去，使泵真空度下降。

•    (3)泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高•所以当我们需要达到更高真空度要求时，需要选择其他真空泵与机械泵串联使用罗茨泵（Roots Vacuum Pump ）•罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要将罗茨泵和前级泵串联使用它的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空•罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高当转子继续转动时，气体排出泵外罗茨泵在泵腔内有二个转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行 两个旋转方向相反的转子既有双叶的，也有三叶和多叶的，形状种类很多罗茨泵的工作原理•下图是双叶罗茨泵和三叶罗茨泵的工作状态展示罗茨泵的特点•罗茨泵的最大优点是在较低入口压力时具有较高的抽气速率，可达到70-1200L/S，真空度可达到0.1-0.05PA。

另外罗茨泵属于干泵，不用加油，维护较为方便•但它不能单独使用，必须有一台前级真空泵串联，待被抽系统中的压力被前级真空泵抽到罗茨真空泵允许人口压力时，罗茨真空泵才能开始工作，并且在一般情况下，罗茨真空泵不允许高压差时工作，否则将会过载和过热而损坏，因此使用罗茨泵时必须合理地选用前级真空泵，安装必要的保护设备油扩散泵（oil diffusion pump）•尽管罗茨泵可以实现1×10-1   Pa，甚至更高的真空度，但是仍然不能满足我们石墨煅烧炉冷态6.67×10-3Pa，热态6.67×10-2Pa的真空要求，因而我们仍然需要抽速更高的主泵来获得系统真空，能满足这一要求的就是扩散泵概述•油扩散泵的工作原理是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵这种泵的极限真空为10-4～10-5帕，工作压力范围为10-1～10-4帕，抽速范围为几万至十几万升/秒油扩散泵是获得高真空的主要设备，广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中 扩散泵的结构• 油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成（见图）扩散泵的工作原理•当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕时，油锅可开始加热。

沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流，热运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的油蒸气分子碰撞气体分子因此而获得动量，产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动到前级，油蒸气被冷凝，释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的由于射流具有高流速（约200m/s），高的蒸气密度，且扩散泵油分子量大（300～500），故能有效地带走气体分子，气体分子被带往出口处再由机械泵抽走 扩散泵油的净化•泵油的蒸气压直接影响泵的真空性能但油扩散泵所使用的任何泵油，都是蒸气压不同的多组分的混合物因此，要提高油扩散泵的抽气和真空性能，泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴（高真空端的喷嘴）；净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵所抽除，使油逐渐趋于纯净泵油的分馏和净化，对提高泵的极限真空有重要作用 简单介绍：扩散泵的返油•扩散泵的油蒸汽并不完全是放射性地沿泵腔向下运动，由于随机的散射或带方向性的放射，从喷嘴喷出的蒸汽有部分分子也向真空泵泵口方向移动，这样就形成了返流油蒸汽的返流是扩散泵系统的主要污染！•为了减少返流，在喷嘴和被抽系统之间通常加上合适的捕集装置；例如：加上水冷的捕集器，可以使返流降低50%，而同时泵的抽速也只是降低10%左右。

但捕集返流的效率越高，对泵抽速的影响就会越大例如：一个用水或液氮冷却的几乎可以完全捕集返流的装置，可能会使抽速降低30% ！ •为了克服以上问题，新型油扩散泵在泵口法兰不变和不过分增大泵的外形尺寸条件下，在法兰下部突出地扩大泵腔的断面，其抽气速率可增大20～40％如在此装设一个大直径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等泵可有通常泵（指没有扩大泵腔断面的泵）的抽气速率，并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空  扩散泵机组•扩散泵也不能单独使用，它必须在一定的真空基础上才能启动，通常是用机械泵和扩散泵串联组成机组 扩散泵串联真空系统的特点•1、 扩散泵串联机械泵的真空系统一般用在工作时放气量较小的应用设备上系统结构简单，工作可靠，成本低 •2、它的缺点是系统启动慢，预抽气时间长，费水、电，需要工作人员监控开关机 •3、由于扩散泵油返流在泵开始工作和停止加热阶段特别厉害，因此在开泵前和停泵前将扩散泵入口阀门关闭，可以防止泵油返流到真空室•4、扩散泵串联机械泵的真空系统,缺点是扩散泵油蒸汽容易返流到真空室中去.特别是发生停水 停电时,立即使加热器断电,关闭入口阀门,防止泵油因温度过高而恶化.会给机器带来系统污染,造成返油.如果操作人员没有马上采取措施,后果很严重.导致系统要整体清洗以及镀件失败我们目前所涉及到的真空应用•一、直拉炉的真空要求•一般国内单晶硅炉负压拉晶要求环境是（2.7~5.3）×103Pa（约10~20torr），即为     -97.3KPa～-94.7KPa     显示在压力表上为-0.0973MPa~-0.0947MPa。

          以上是负压拉晶的生长操作环境要求，而拉晶前抽气则需要生长室内达到5pa以下方能通入氩气•在我们原有的红外光学用锗单晶生产时，通保护气氛前真空度仅需达到5000Pa即可TDR-120单晶炉•二、直拉炉所配置的相应的真空设备     •     根据外方资料可知，目前我们直拉炉采用的真空设备将主要有： •     1、两个不同量程的电压力计（0-1torr和1-100torr）来测试隔离阀下面的炉室压力      •     2、一个0-1000torr的压力计连接到水平调节器来测试隔离阀关闭时隔离阀上面的炉室压力 •     3、生长室和副室的各种减压阀、节流阀、隔离阀，炉室各操作、测量开孔所用的密封组件等    •     4、氩气系统的各种管道组件、控制系统•     5、质量流量控制器•     6、主真空泵和辅助真空泵    以上设备由于尚未使用，具体性能参数和使用方法还有待安装时进一步了解车间内使用的其他真空设备不久前安装的石墨煅烧炉采用的真空设备有：1、机械真空泵                                                                                             ↑       2、罗茨泵       3、油扩散泵→。