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第二讲:真空物理基础  

2010-12-30 07:07:08|  分类: 真空技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    对于任何一种真空产品或一项真空工艺,都有着专门的物理知识作为其工作原理的基础。但本次讲座所要介绍的,仅仅是那些在真空行业的各个领域中都会经常遇到的最基本的物理知识。主要包括气体及蒸汽的性质及其内部各种动力过程的规律(空间过程)、气体与固体间的作用规律(器壁过程)以及气体流动的规律。限于篇幅,每个方面只能作简单的介绍。

一、理想气体定律

    首先应该说明,本节及以后几节中所介绍的定律和公式,是针对平衡状态下的理想气体得出的。不过,常温(与室温相比)低压(相对大气压而言)下的各种气体都可以看作是近似程度相当好地理想气体,因此,我们可以放心地把这些定律和公式应用于真空工程的绝大部分计算之中。这其中包括通常所涉及到的各种气体,甚至于接近饱和的蒸汽(如水蒸汽);也包括各类气体状态过程,甚至于明显的非平衡状态(如气体的流动过程)。
    气体的压力p(Pa)、体积V(m3)、温度T(K)和质量m(kg)等状态参量间的关系,服从下述气体实验定律:
    1、波义耳~马略特定律:一定质量的气体,若其温度维持不变,气体的压力和体积的乘积为常数
            pV = 常数 (1)
    2、盖·吕萨克定律:一定质量的气体,若其压力维持不变,气体的体积与其绝对温度成正比
            V/T = 常数 (2)
    3、查理定律:一定质量的气体,若其体积维持不变,气体的压力与其绝对温度成正比。
            p/T = 常数 (3)
    上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态,已知3个参数而求第4个参数。例如:初始压力和体积为P1、V1,的气体,经等温膨胀后体积变为V2,则由波义耳--马略特定律,可求得膨胀后的气体压力为P2 = P1V1/V2。这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
    4、道尔顿定律:相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和。
            P = P1 + P2+····+ Pn (4)
    这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力,是指这种气体单独存在时所能产生的压力。

    道尔顿定律表明了个组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。
    5.阿佛加德罗定律:等体积的任何种类气体,在同温度同压力下均有相同的分子数;或者说,在温度同压力下,相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积。1mol任何气体的分子数目叫做阿佛加德罗数,NA = 6.022×1023mol-1。在标准状态下(po = 1.01325×105Pa,To = 0oC),1mol任何气体的体积称为标准摩尔体积,Vo = 2.24×10-2m3mol-1。
    根据上述气体定律,可得到反映气体状态参量p、V、T、m之间定量关系的理想气体状态方程:
        pV = m/M(RT)        (5)
    式中的M为气体的摩尔质量(kg/mol),R为普适气体常数,R=8.31J/(mol·K)。在已知p、V、T、m四参量中的任意三个量时,可由此式求出另外一个值。例如气体的质量m = pVM/(RT)
    一定质量的气体,由一个状态(参量值为p1、V1、T1)经过任意一个热力学过程(不必是恒值过程)变成另一状态(参量值为p2、V2、T2),根据状态方程,可得到关系式:p1V1/T1 = p2V2/T2        (6)
    对(5)变换,还可计算单位体积空间内的气体分子数目和气体质量,即气体分子数密度n(m-3)和气体密度p(kg/m3)
        n = mNA/MV = pNA/RT = p/kT         (7)
        p = m/V = pM/RT         (8)
    系数k = R/NA = 1.38×1023J/K 称为波尔兹曼常数。


二、气体分子运动论基础

    1. 处于平衡状态的理想气体分子,其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律。气体分子热运动率介于v~v+dv之间的几率为
    dN/N = F(v)dv = 4π(mo/2πkT)3/2·exp·(-mov2/2kT)·v2dv         (9)
    式中F(v)是速率v(m/s)的连续函数,称为速率分布函数。mo = M/NA ,为一个气体分子的质量(kg)。
    利用速率分布函数,可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。最可几速率vm 是在气体分子所具有的各种不同热运动速度中出现几率最大的速度,即与F(v)最大值相对应的v值;所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度v;把所有气体分子的速度的平方加起来,然后被分子总数除,再开方就得到均方根速度vs。它们的计算公式如下:


    2.理想气体的压力基本公式,将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起来:
    P = 1/3(nmovs2 = 1/3(pvs2)         (11)
     3.气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为自由程,自由程有长有短,差异很大,但大量自由程的统计平均值却是一定的,称为平均自由程页λ(m)。单一种类气体分子的平均自由程为(12-见下文)
     如果是含有k种成份的混合气体,则(13)
    式中σ是气体分子的有效直径(m),下标l、j分别代表第1、j种气体成份的参数。
    还可定义电子和离子在气体中运动的平均自由程λe和λi(m)。需要强调说明的是,这里所说电子或离子的自由程,是指电子或离子在气体中运动时与气体分子连续二次碰撞间所走过的路程,而没有考虑电子或离子本身之间的碰撞,所以电子和离子平均自由程计算式中出现的都是气体分子的参数,而与电子或离子的空间密度无关。(14)(15)
    4.气体分子的某一次自由程取值完全是随机的,但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律。气体分子自由程大于一给定长度χ的几率为(16)
    类似地可得出,电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度χ的几率为(17)(18)
    利用这种分布规律,结合平均自由程计算公式(12)~(15),可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率,或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度。
    例如:一台离子束真空设备中,高能离子流由离子源射向25cm处的靶,若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5%,那么温度为27oC的残余气体压力应为多少?
    根据题意,可知当χ=O.25m时,要求 Pi(λi>χ)≥1%~5%,由(18)式,解出 exp(-0.25/λi)≥0.95,则 λi≥0.25/(-ln0.95),即 λi≥4.87m。再将此结果代入(15)式得 kT/πσ2p≥4.87m;取空气的分子有效直径 σ=3.72 × 10-10m,则要求残余气体压力 p≤1.38 × 10-23 × 300/(π×3.722×10-20×4.87),即p≤1.95 × 10-3Pa。
    5.关于气体分子对所接触固体表面(如容器壁)的碰撞问题,可以从入射方向和入射数量二方面加以讨论。若一立体角dw与面积元ds的法线间的夹角为θ,则单位时间内由dw方向飞来碰撞到ds上的气体分子数目dNθ与cosθ成正比,这就是通常所说的余弦定律:(19)
    单位时间内碰撞在固体表面单位面积上的气体分子数目称为气体分子对表面的入射率ν(m-2s-1),其计算式为:(20)
    根据平衡状态的假设,气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入射相一致,因此仍可按式(19)、(20)计算。克努曾余弦反射定律还说明,不论气体分子的入射方向怎样
其反射都服从(19)式的余弦规律。
    6.如果两个相连通的真空容器温度不同,那么内部气体达到状态平衡时的参数也会有差异。在低真空条件下,即粘滞流态时,二容器的平衡条件是压力相等,二容器内气体压力、温度及分子数密度间关系为:
p1 = p2 和 n1/n2 = T2/T1 (21)
    在高真空条件下,即分子流态时,二容器内气体达到动力平衡的条件是在连通处的入射率γ相等,从而有关系:(22)
    这种由于温度不同而引起气体流动,平衡时产生压力梯度的现象,称为热流逸现象。它会给真空测量带来误差。例如某真空电阻炉热场区温度为1800K,通过细管连接的真空规管工作在300K温度下,若规管测得压强为2×10-4Pa,则可由(22)式算得炉内的真实气体压力为(22-1)

 


 

三、蒸汽


    所谓蒸汽(又称可凝性气体),是相对于永久气体(或称非可凝性气体)而言的。对于任何一种气体,都存在有一个临界温度,在临界温度以上的气体,不能通过等温压缩发生液化,称为永久气体;而在临界温度以下的气体,靠单纯增加压力即能使其液化,便是蒸汽。
    空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫做凝结。蒸汽的凝结率W[kg/(m2·s)],即单位时间内在单位面积液面上凝结的蒸汽质量,可借助(20)式计算(23)
    式中α为凝结系数,pv为蒸汽的分压力。
    凝结的逆过程,即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象,叫蒸发。单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率Gv[kg/(m2·s)]在汽、液共存的条件下,蒸发和凝结现象同时存在,若蒸发率大于凝结率,则宏观上表现为液体的蒸发;若蒸发率小于凝结率,则宏观上
    表现为蒸汽的凝结;二者相等时,则处于饱和状态,此时空间蒸汽的压力称为对应平衡温度下的饱和蒸汽压ps。物质的饱和蒸汽压随着温度的升高而增大。液体的蒸发率与对应温度下的饱和蒸汽压间的关系为 (24)
    此式常用于蒸发镀膜中金属蒸发量的计算。
    一种蒸汽的实际压力pv与其对应温度下的饱和蒸汽压ps之比,称为蒸汽当时的饱和度。作为最常用的一项指标参数,常把空气中水蒸汽的饱和度定义为空气的相对温度,相对温度(%) = pvH20/psH20 × 100% (25)
    例如:工程中定义标准环境条件为温度20oC,相对湿度65%,大气压力101325Pa。已知水蒸汽在20oC时的饱和蒸汽压为2333Pa(17.5托),则可计算出标准环境条件下大气中水的分压力为0.65 × 2333 = 1516Pa(11.375托)。
    饱和蒸汽压的存在,是蒸汽有别于理想气体模型的根本之处,也是我们要将蒸汽的性质单独作为一节讨论的原因。在真空工程中,在蒸汽没有达到饱和之前,即饱和度<1时,我们可以使用前面介绍的理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质;而蒸汽一旦达到饱和,情况却大不相同,如果我们对饱和蒸汽继续作等温压缩,蒸汽压力将不再升高而是维持饱和蒸汽压的值不变,即不再服从波义耳--马略特定律,为多余部分的蒸汽将凝聚为液态或固态;反之,在饱和蒸汽与其凝聚相(液态或固态)平衡共存的情况下,对蒸汽作等温膨胀,蒸汽的压力也不会降低,而是其凝聚相不断蒸发或升华来补充蒸汽,直至全部变成蒸汽为止。饱和蒸汽与其凝聚相间的这种等温相变,尤其是水蒸汽的存在,在真空工程中有着不容忽视的影响。
    从上面的分析可知;在相联通的真空系统中,如果某一处存在有挥发性较强的固体或液体,那么此处就相当于系统中的一个放气源,使该物质在系统中的分压力始终为对应温度下的饱和蒸汽压,这常常会限制系统极限真空度的提高;如果相联通的真空系统各部分温度不同,那么整个系统中蒸汽的分压力都将与最低温度所对应的饱和蒸汽压相等,多余的蒸汽物质最后都将凝聚在具有最低温度的表面上,这正是低温冷阱可以提高系统真空度的原理。
    饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难,最突出的就是水蒸汽的抽除问题。以最常见的旋片泵为例:一个抽气周期包括进气腔膨胀吸气、隔离和排气腔压缩排气三步骤。如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大,在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前,水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压,那么继续压缩的过程中,就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中,无法排出泵外,并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽,增大吸气侧的水蒸汽比例和压力,导致泵的抽气能力和极限真空的下降。若要保证水蒸汽能够全部排出泵外而不发生液化,那么吸入的水蒸汽分压力pv、永久气体分压力pp、对应泵温下的水蒸汽饱和蒸汽压A和泵的排气压力Pe间应满足如下关系:
pv / pv+pp<ps / pe 或 pv / pp < ps / pe-ps     (26)
    例如:取泵的排气压强pe =1.1×lO5Pa,泵温70oC时水的饱和蒸汽压声,ps=3.125×104Pa,则水蒸汽占吸入气体的比例必须小于ps / pe=28.3%。在抽气后期,尤其是空气湿度较大时,这一条件很难达到。因为此时被抽容器内的永久气体成份已经很少,但容器内表面凝结的水蒸汽却不断放出,所占比例就变得很大。解决这一问题的一个传统方法是加气镇,即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例,使其在达到饱和前便被排出。
    水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计(麦氏计)的精确使用。测量读数时,如果测量管内经过压缩的气体中,水蒸汽的分压力尚低于当时饱和蒸汽压,那么读数表示的是水蒸汽和永久气体的全压力;若水蒸汽已经达到饱和发生液化,那么读数会比永久气体的分压力高一些,但无法得到准确的数据。为消除水蒸汽对测量的干扰,常在麦氏计前安一低温冷讲,这样测得的就只是永久气体的分压力。
    液体(或固体)在真空中蒸发(或升华)变成蒸汽时需要吸收热量,称为汽化热。物质的汽化热随着汽化温度的升高而略有降低。比如lmol水,在50oC汽化,汽化热为42780J,而在100oC汽化,汽化热为40680J。蔬菜真空保鲜工艺中,让蔬菜的一部分水份在真空中蒸发抽除,这些水蒸发时要从蔬菜体内吸取汽化热,从而使蔬菜在脱水同时降温,正是利用了水蒸发吸热的原理;这种现象有时也会给真空操作带来问题,比如在大型真空装置中积存一些水,抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除,而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰,余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发,从而延长抽真空的时间。

四、气体吸附


     气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在表面上,形成单层或多层气体分子层的现象叫做吸附。能捕集气体的固体叫吸附剂,而被吸附的气体成份叫吸附质。发生吸附作用的原因是由于在吸附剂表面存在着力场。
    根据吸附力的不同,气体吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是气体分子受范德瓦尔斯力的吸引作用而附着在吸附剂表面之上,与气体的液化过程相类似,其特点是吸附较弱,吸附热较小,吸附不稳定,较易脱附,但对吸附的气体一般无选择性,温度越低吸附量越大,能形成多层吸附,分子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。化学吸附是靠固体表面原子与气体分子间形成吸附化学键实现的,与发生化学反应相类似,同物理吸附相比,化学吸附的特点是吸附强,吸附热大,稳定不易脱附,吸附有选择性,温度较高时发生化学吸附的气体分子增多,只能紧贴表面形成单层吸附(在化学吸附的分子上面还能形成物理吸附),溅射离子泵和电子管中吸气剂的吸气作用就包括化学吸附。
    气体吸附的逆过程,即被吸附的气体或蒸汽从表面释放出来重新回到空间的过程,称为脱附或解吸。解吸现象可以是自然发生的,也可以是人为加速的。自然解吸有两种情况,一是从宏观平均地看,每个吸附气体分子在表面停留一段时间后,都要发生脱附飞回空间,这时也会有其它气体分子发生新的吸附,在气体温度、压力一定的条件下,吸附速率与脱附速率相等,表面上的气体吸附量维持恒定;另一种情况是在抽真空的过程中,空间气体压力不断降低,表面上脱附速率大干吸附速率,气体吸附量逐渐减少,气体从表面上缓缓放出,这种现象在真空中叫做材料的放气或出气。工程中最关心的问题是表面上的气体吸附总量和抽空时的放气速率,但至今还没有很准确通用的计算方法,只能从实践经验中总结出:在低真空阶段,表面吸附及表面放气与空问气体相比,数量很小,其影响可以忽略不计;在中真空阶段,表面放气量已接近空间气体量,对二者应同样重视;进入高真空乃至超高真空阶段,表面放气(不计系统漏气时)已成为主要气体负荷,放气的快慢直接影响着抽空时间。
    通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生,在真空技术中叫做去气或除气。人工去气可以缩短系统达到极限真空的时间;可以获得没有气体分子遮盖的清洁表面。加热烘烤去气方法通过提高吸气表面的温度,增加分子热运动能量来促进解吸,边加热边排气,常用于超高真空系统容器内表面及内部构件的去气和真空电子器件内灯丝等内部金属元件的去气;离子轰击去气方法一般是在空间形成气体放电,产生离子体区,使高能离子轰击待清洗的固体表面,产生气体溅射,使吸附气体发生脱附,这是一种相当有效、简捷迅速的除气手段,在薄膜技术、表面科学等有气体放电条件或有离子源的设备中广泛采用。

    五、气体流动


    当真空管道两端存在有压力差时,气体就会自动地从高压处向低压处扩散,便形成了气体流动。任何真空系统都是由气源(待抽容器)、系统构件(管道阀门等)及抽气装置(真空泵)组成的,气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断地流动,是动态真空系统的普遍特点。
    真空技术中,气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式:从大气压力下开始抽真空的初期,管道中气体压力和流速较高,气体的惯性力在流动中起主要作用,流动呈不稳定状态,流线无规则,并不时有旋涡出现,这种流动状态称为湍流(涡流,紊流);随着流速和气压的降低,在低真空区域内,气流由湍流变成规则的层流流动,各部分具有不同速度的流动层,流线平行于管轴,气体的粘滞力在流动中起主导作用,此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d,这种流态叫做粘滞流;当气体流动进入高真空范围,分子平均自由程λ远远大于管道最小尺寸d时,气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位,分子靠热运动自由地直线进行,只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道,气体流动由各个分子的独立运动叠加而成,这种流动称作分子流;发生在中真空区域内,介于粘滞与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。
    在不同的流动状态下,管道中的气体流量和导气能力计算方法不同,因此在气体流动计算时,首先要进行流态判别。由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短,常常不加以单独考虑,而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数λ/d 或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据:

    粘滞流            λ/d<1/100             pd>1Pa·m
    中间流            1/100<λ/d<1/3       0.03Pa·m<pd<1Pa·m   (27)
    分子流            λ/d<1/3             pd<0.03Pa·m

为了考察管道中流过的气体数量的多少,可以使用气体的质量流率qm(kg/s)和摩尔流率qv(mol/s),即单位时间内通过管道某一截面的气体质量和气体摩尔数。不过这两种流率不便实际测量,因此工程中广泛使用的是单位时间内流过管道指定截面的气体体积,即体积流率qv(m3/s)。在气体压力为p的截面上,qv与qm、qγ的关系为
            qm = pM/RT·qv 和 qv = p/RT·qv (28)
    在真空泵入口处的气体体积流率又称为泵的抽气速率(简称抽速),是真空泵的重要性能指标之一。由于在不同压力下,相同的体积流率对应有不同的质量流率,所以在计算体积流率量值时,必须指明所对应的气体压力。
    为了更方便地计算流过气体的多少,工程中还定义气体的压力与其体积的乘积为气体量G(Pa·m3=J),即G=pV;单位时间内流过指定横截面的气体量为流量qG=dG/dt(Pa·m3/s=J/s);在任一指定截面上,气体流量、压力和抽速间的关系为
            qG = p·qv         (29)
    在稳定流动状态下,即管道各截面处的气体压力不随时间变化时,根据质量守恒原理,真空系统任一截面上的气体质量流率qm相等,若整个系统中各处温度相同,则化为流量连续方程,即各截面上的气体流量相等。
            qG = p1qv1 =p2qv2 =piqvi         (30)
    如果气体流动过程中温度有变化,例如流过冷却器后温度由T1降至T2,则对应的流量qG1/T1=qG2/T2
    实验说明,气体流过一段真空管道的流量qG与管道两端的压力差p1-p2成正比,即有
            qG=C·(p1-p2)         (31)
式中的比例系数C具有体积流率的量纲(m3/s),它所反映的是管道允许流过气体能力的大小,定义为该段管道的流导。 
    流导是各种真空系统元件(管道、阀们、冷阱、孔口等)的主要技术指标之一,直接反映该元件对气体流动的阻碍程度,是真空系统计算中需要首先计算的参数。元件的流导与所流过气体的流动状态有关,气体流动为粘滞流时,流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关;为分子流时,流导仅与几何结构尺寸有关。
    根据组成真空系统的需要,有时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分别联接在一起,称为元件的并联,并联后元件的总流导等于各分支流导之和
                C=C1+C2+…+Cn    (32)
有时将几个元件首尾顺序联接,称为元件的串联,串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和
                1/C = 1/C1+1/C2+…+1/Cn    (33)
    把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口,用总流导为C的真空管路联接起来,若真空泵在其入口处的抽速为S,则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速为S,则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速Se为
                Se = (S·C)/(S+C)    (34)
    此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出,在被抽容器出口产生的有效抽速Se,比泵口抽速S和管路流导C都要小;若要获得较大的Se,应该合理地搭配S和C,单独增大其中的一个,不能获得理想的结果。

 

 

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