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真空知识解析 制作： 鲍云峰 真空的基本概念 什么是真空呢？ 一句话，就是当容器里的气压低于标准大气压时，即为真空现象。其标准的定义为： 在标准温度和压力下，当一升容积的容器里的气体分子数少于2.7×1022个时，就产生了真空现象。 Mean Free Path 平均自由程是指两次碰撞之间一个分子平均所走的距离。 平均自由程的大小取决于气体的温度、压力及分子的尺寸。 气体流动的种类 气体的流动条件会随着压力的减小而改变，气体的流动种类分为三种：湍流、层流和分子流。 气体流动图示 常用真空单位：Torr, bar, Pa, atm（kgf/cm2）， psi(磅/平方英寸)一个大气压 = 766 Torr = 1bar = 14.5psi = 105Pa 实现真空的方法 —— 真空泵 依据可以实现真空的能力分为： 机械泵 分子泵 冷泵 各类泵的抽真空能力 机械泵（ Roughing Pump） 机械泵工作原理图 罗茨鼓风机（roots blower） 为了减少抽气时间、增加抽气速率，通常会在机械泵的基础上再加装一台罗茨鼓风机，加装罗茨鼓风机后的泵组，可以将抽气速率提升20%左右。 罗茨鼓风机工作原理图 分子泵 （turbomolecular pump） 分子泵工作原理图 冷泵 (cryopump) 冷泵构造图 压缩机构造 冷泵工作原理 以氦气作为制冷剂，即热量载体。压缩机将氦气压缩至200psi的高压，高压的氦气在冷泵冷头处膨胀吸热，实现冷头的降温，冷头的温度最终降到10K（-263 ° C）左右来实现对气体的吸附。吸热膨胀后氦气回到压缩机中重新被压缩，体积压缩过程中释放的热量被冷却循环水带走。 冷泵的吸附可以分为三级来完成： 80 K array：一级冷凝面由镀镍铜制成，主要吸附水蒸汽、碳氢化合物。 15 K array(快速再生):二级冷凝面也是由镀镍铜制成，主要吸附N2, O2, Ar, CO2, and CO 。 最底层的活性炭主要吸附H2, He, and Ne 。 冷泵的再生 冷泵的冷头经过长时间的气体吸附，吸附能力也会逐渐下降。 这个时候就需要对冷泵进行再生。 再生的方式是用加热的氮气对冷泵内部进行90分钟的吹扫。冷头上吸附的气体在这个过程中会释放从而被氮气带走，经过充分的吹扫，冷头恢复洁净状态。 再经过压缩的氦气对冷头的降温，冷泵实现再生。 真空规的分类： Capacitance manomenter Convectron gauge TC gauge Ion gauge Capacitance manomenter 测量范围：0.5mT-100mT。 靠隔膜和计数电极之间电容的变化来反应压力的变化。 0–10 VDC corresponds to 0.5–100 mTorr, 102.3mT表示满量程。 ? Convectron gauge 测量范围： 1mT-766T。压力值的变化，分子活性变化，sensor filament的温度就会随之变化，灯丝阻值随之变化，惠斯通电桥就会电压失衡，输入电压随之调节，电桥的电压变化来反应压力值的变化。The analog voltage range is 0–10 VDC which corresponds to 1 mTorr -1000 Torr. At 760 Torr, the output voltage is about 8.79 VDC. TC gauge 测量范围： 1mT-1000T。 压力值的变化，分子运动活性会随之变化，进而导致灯丝的温度的变化，热偶的阻值也随之变化，用TC阻值的变化来实现压力测量。 Ion gauge 测量范围： 10-3--10-9T.灯丝将环境中的气体分子电离，被电离的离子由搜集器收集，形成电流，电流的大小反应压力值的大小。 THANK YOU!