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Q1:什么是真空:

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,是一种物理现象。在“虚空”中,声音因为没有介质而无法传递,但电磁波的传递却不受真空的影响。事实上,在真空技术里,真空系针对大气而言,一特定空间内部之部份物质被排出,使其压力小于一个标准大气压,则我们通称此空间为真空或真空状态。真空常用帕斯卡(Pascal)或托尔(Torr)毫巴(mbar)做为压力的单位。按照压力等级划分,可以将真空分成粗真空(105—103 Pa),低真空(103—101 Pa),中真空(101—10-1 Pa),高真空(10-1—10-5 Pa),超高真空(10-6—10-10 Pa)和极高真空(10-10 Pa)

Q2:为什么要获得真空:

       对于许多纳米级精细实验而言,获得一个好的真空对实验是非常必要的。这是因为清洁的样品在超高真空以下的环境中,会在很短的时间内吸附各种气体和杂质。下表是室温下,不同真空度对应的分子密度n、平均自由程λ与平均吸附时间tML。由表可见,即使在高真空(10-6Torr)的环境下,清洁样品的表面只需要2秒钟就会被气体分子完全覆盖,这对于表面物理的研究是无法容忍的,所以整个样品的制备和表征过程都要求在超高真空环境下完成。

真空度

P(Torr)

n(m−3)

λ(m)

tML(s)

大气

760

2×1025

7×10-8

3×10-9

低真空

1

3×1022

5×10-5

2×10-6

中真空

10-3

3×1019

7×10-2

2×10-3

高真空

10-6

3×1016

50

2

超高真空

10-10

3×1012

5×105

2×104

Q3:如何获得超高真空:

       真空系统主要由腔体和真空泵组成,这也是构成真空系统必备的两个部分。腔体的漏率和真空泵的抽速共同决定了整个系统的真空度。

·超高真空腔体:

产生漏率的情况包括两种:一种是由于内外气压差导致大气下的气体渗透腔壁进入真空;一种是腔壁内侧材料(或真空腔内部材料)的放气过程。为了让系统达到超高真空,以下图为例,腔体一般采用3mm以上厚度的304不锈钢,且内部表面需要经过诸如电解抛光等一系列超高真空腔体标准处理流程,真空内部材料需要采用洁净且放气少的金属、陶瓷、玻璃或者特制橡胶。

·超高真空泵组:

       为了获得超高真空,全套的真空泵组也是必不可少的。真空泵,主要分为3种:机械泵、分子泵和离子泵。


机械泵可以分成油泵和干泵,其原理都是离心转子的转动,起到单向排出气体的作用。相比而言,干泵的优点是干净无油、维护简单,缺点是抽速较慢;而油泵的优点是抽速快,极限真空更高,但是因为有了油的介入,需要额外配备电磁阀才能使用,以防开关泵时油气倒灌污染真空。

分子泵的原理是利用多层微倾叶片的超高速转动(1000Hz左右),单向排出气体分子。优点是操作简单,极限真空高(10-4 –10-10 Torr),缺点是震动噪音大,对于样品的精细表征有很大的影响,所以不能和STM等噪声要求高的仪器共用。

离子泵,的原理是在两块钛板之间加上高压(~7000V左右),气体在强大的电场下发生电离,然后在电场的作用下飞向两侧的钛板,同时利用钛板强大的吸附能力,把气体分子固定在钛板上,从而起到提高真空的作用。离子泵的优点是安静无震动,低功耗,长寿命,在超高真空的维持方面是不可或缺的;缺点是对启动时的真空要求高,需要分子泵作为前级。这三种泵是逐层递进的,分子泵启动需要在机械泵全速运行(中真空)的前提下,离子泵启动需要在分子泵全速运行(高真空)的前提下。除了这三种主要的真空泵之外,还有几种辅助泵,其中最常见的就是钛升华泵,其原理是通过给2mm直径的灯丝(90%钛和10%钼合金)加上电流(45A),加热灯丝使其升华产生钛分子,弥漫到真空腔内,利用钛的强吸附能力,达到吸附剩余气体的作用。钛升华泵一般配合离子泵使用,一天只需要开3-5次,可以提高抽真空的效率,特别适合去除真空中残留的水组分。

Q4:如何监测真空度:

       获得真空以后,我们要如何知道真空的好坏呢?这时候就要用到各类真空规,常用的真空规有prani规、冷阴极规、热阴极规、全量程规等

·Prani规:

电阻真空计也称皮拉尼(Pirani)真空计,它是凭借被气体分子夺取的热量来计算压力的,测量范围为10410-1 Pa。其工作原理是:不同的真空度对应了不同单位体积内的空气分子数,对于正在发热的电阻丝带走热量的能力(散热能力)就不同,电阻丝温度就不同,因为电阻丝的电阻率是温度的函数,所以不同的真空度就引起了电阻率的不同,则电阻就不同,电流在电阻丝上的压降就不同,根据电压的变化就能换算出空气压强,也就是测量真空度。

·冷阴极规:

冷阴极规管是一种自持放电型规管。自持放电是在气体中置有二个电极并加上直流高压时,在一定低压强范围内出现的一种放电现象。自持气体放电电流值取决于外加电压、气体的成分和压强。很显然,在阳极电压和磁场都保持常数的条件下,对于一定的气体成分,放电电流即为真空压强的一个测量值。

·热阴极规(离子规):

离子规的原理是加热灯丝(钨丝)使其发射热电子,在灯丝和收集端加上高压,在电场作用下,热电子电离真空中的剩余气体,加速到收集端,产生电流,从而得出当前的真空度。真空规在超高真空操作过程中属于易损物,因为灯丝很脆弱,一旦真空度急剧变差或者开启真空规时的真空太差(低于10-3torr),灯丝就可能被烧断。

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