真空技术中几个重要的概念

[db:作者]

　　一个大气压下，空气的分子密度n=2.7×1019个/cm3。
　　空气是混合气体，其相对分子质量由构成的气体分子按比例计算。氮气的相对分子质量28.016，体积比78.1%;氧气的相对分子质量32，体积比20.93%;氩气的相对分子质量39.944，体积比0.933%。
  B+ m( S; E7 p" W相对分子质量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96
; ]4 d7 f% ?4 Z3 K　　由气体分子运动论，压强的计算式为
! I2 `) a- X8 I8 s( Bp=nkT
6 w; Q6 K* k  X* |8 b　　采用国际标准单位时(压强Pa，体积 m3)，玻尔兹曼常数k为1.38×10-23 J/K。
8 {2 a; Z$ {2 j$ k　　气体分子的密度为
# @) I+ h, G) W; ?. n% |2 gn=p/(kT) (1-4)
　　压强为1Pa，温度为27℃时，气体分子的密度n为
n=1/(1.38×10-23×(273+27))=2.4×1020个/m3
　　因此，即使真空度达到10-9 Pa的极高真空状态，每立方米的空间内仍有1011个气体分子存在。
2 g6 B* e% P3 o" ~# Z  I1、气体分子的平均自由程
& U, p' w7 |! u. s3 V& z% w+ A$ X4 \9 U8 [　　气体是由大量的分子构成的，0℃一个大气压的情况下，22.4L的空间里有1摩尔(6.02×1023个)分子。这些分子在室温下以500～1500m/s的速度运动和其他分子碰撞后，改变运动方向和速度，之后再和另外的分子碰撞。两次碰撞之间的飞行距离，称之为平均自由程。
　　平均自由程λ[m]、压强p[Pa]、温度T[K]以及分子的直径D[m]之间的关系为
0 b  h! X7 W5 H$ p  [6 bλ=3.11×10-24 T/pD2(1-5)
  x  O5 m0 A$ E) O$ i% N8 I　　因此，气体分子的平均自由程与压强成反比例、与温度成正比例、与分子直径的2次方成反比例关系。
) X$ Y# ?/ b) B/ ]. e. I- C　　温度为25℃的空气，压强和分子平均自由程的实际数据，1Pa为7mm、10-1 Pa为7cm、10-2 Pa为70cm、10-3 Pa为7m、10-4 Pa为70m。记住这些数字，对真空度的感觉能更直观一些。
+ A* J2 J! `" d; c, `+ ]+ M) U2、气体分子的入射频率
4 T- w1 |& V1 j4 n! c2 E　　气体分子在单位时间和单位面积内碰撞固体表面的数量称之为入射频率。入射频率r和压强p[Pa]、气体相对分子质量Mr、温度T[K]之间的关系表示为
r=2.6×10-24 p/(MrT)1/2[个/(m2·s)] (1-6)
1 a+ U5 H2 E' y0 I# O　　即入射频率和压强成正比例、和气体相对分子质量平方根及温度的平方根成反比例关系。
, g; Z0 _$ e& x　　在真空度为10-4 Pa的情况下，25℃氧分子的入射频率是2.72×1018 个/(m2·s)。排列于固体表面的原子数大约是1019 个/m2，只要几秒钟的时间，表面所有的原子都会受到氧分子的碰撞。
  d" s4 e/ f+ }* B/ i% T+ z　　如果气体分子的平均自由程和容器的尺寸相同或更长，则气体分子和容器壁碰撞的次数要比气体分子之间的碰撞次数要多，这种状态被称为分子流(图1.3(a))。如果平均自由程比较短，气体分子之间的碰撞次数比气体分子和容器壁的碰撞次数多，这种状态被称为黏性流(图1.3(b))。黏性流的气体分子在管路中被排出时，中心轴的流速最大，靠近管壁的流速逐渐减小。
& D5 H: m/ K+ F( s# W　　针对分子流或黏性流，获得真空时要选择不同类型的真空泵，这在以后真空泵一节中将会详细介绍。
  i- {# x& ^5 _7 ^: x
图1.3　分子流和黏性流的示意图
3、真空中的热传导
" |  S5 A" F& d6 j  E! {　　空间中两个位置如果存在温度差，则会发生热传导。气体分子为黏性流的情况，压强变化后，传递热量的分子密度和分子的平均自由程也发生变化。由于分子的平均自由程和分子密度对热传导的影响起着相反的作用，因此，对黏性流来讲，气体对热传导的贡献和压强的关系可忽略不计。
% Q) h  n6 _8 ]　　气体分子为分子流的情况，如果气体分子的平均自由程比真空两侧间距还长，获得热能的气体分子将直接穿过真空而运动到另一侧。因此，通过气体分子传递的热量和气体的分子密度有关。气体的分子密度和压强成正比例，所以气体分子传递的热量和压强成正比例。但是，处于分子流的分子密度非常低，实际的热传导也可忽略。
0 w& g# A; B2 l( G　　对真空环境来说，分子流状态的热传导主要是辐射。在真空容器中进行薄膜生长时，为了提高薄膜质量，通常要对衬底进行加热，加热主要就是利用热辐射来实现。