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    真空技术中几个重要的概念

    2018-10-11 09:57:52  来源:

    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%。

    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

    由气体分子运动论,压强的计算式为

    p=nkT

    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。

    气体分子的密度为

    n=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。

    1、气体分子的平均自由程

    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

    λ=3.11×10-24 T/pD2(1-5)

    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。

    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、10-2Pa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。

    2、真空中的热传导

    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。

    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。

    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。


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