真空技术基础(iii)

《真空技术基础(iii)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、FundamentalsofVacuumTechniques（III）真空技术基础（三）MainContent1、AdsorptionofGas气体吸附现象2、GasDischargeunderLowTemperature低压下气体放电现象AdsorptionofGas(吸附)1、InteractionofSolidandGas吸附(Adsorption)：固体表面聚集一层或者多层气体的现象；吸收(Adsorption)：气体扩散渗入固体内部并被溶解的现象；解吸（Desorption）：被材料吸附的气体或者蒸汽的释放现象；

2、2、BasalPrincipleofAdsorption吸附是真空技术中非常重要的问题，只要涉及的是气体与固体表面的相互作用。被吸附的气体分子叫做吸附质，吸附气体分子的固体叫吸附剂。吸附是固体物质的通性，但是有些物质的吸附能力特别强，如活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛、金属钛、金属锆和金属钡等。吸附现象在真空技术中要辨证地看待。吸附产生的机理大致说就是由于固体表面附件的力场存在，它对于与其碰撞的气体分子而言扮演着一个势阱（Potentialtrap）的角色。吸附剂与吸附质中间作用力分类两种：范德瓦尔斯力和化学键力。范德瓦尔

3、斯力源于电偶极子，强度随距离6次方衰减；化学键力源于吸附剂与吸附质之间的电子交换，有离子键和共价键的区分；吸附的过程：分子以能量与固体表面碰撞，以一定的几率落入范德瓦尔斯势阱，放出一部分热量（吸附热）。被捕获的分子以一定几率穿越势垒（化学吸附活化能）落入更深的势阱，放出较大的能量（化学吸附热）。物理吸附与温度负相关，化学吸附与温度正相关。3、EquilibriumofAdsorption吸附出于平衡状态时，吸附量是温度与环境气体压力的函数：温度一定时，吸附量仅仅是压力的函数，叫做吸附等温线。大量的实验表明吸附等温线有5中类

4、型，其中类型I为单分子层吸附。根据热力学理论，很多研究者对吸附现象进行了研究，得到很多吸附等温线的理论结果，其中真空技术中常用的有6种。需要注意的是下面这些公式都是有特定的使用范围的，这从一个侧面反映出吸附现象的复杂性，它不仅与吸附剂的物质种类和表面状况有关，也与吸附质的物质种类、携带的能量等有关。朗缪尔等温式：此外还有弗利德利胥等温式、捷姆金等温式、BET等温式、杜平宁等温式和亨利定律等。这些方程都是在普遍的热力学规律基础上，结合特定的假设得到的，所以适用性是有局限的。《真空设计手册》P80～844、Non-equili

5、briumofAdsorption在吸附未达到平衡或者外界因素使得吸附质脱附时，吸附现象进入非平衡状态。通常对非平衡态我们关注的是吸附或者解析速率。ChemicalAdsorptionSpeed其中γ是吸附成功率、Fc(θ)是没有被化学吸附占据的吸附位碰撞的概率、Ea是吸附活化能、Γn是单位时间碰撞到单位面积衬底上的分子数目。为了简单起见，通常定义粘附概率αc,得到化学吸附速率的表达式为：下面给出一些实际测量的结果。通常结论是和各种因素相关的。PhysicalAdsorptionSpeed物理吸附速率up是：定义凝聚速率得

6、到物理吸附速率表达式为：FirstLevelDesorptionspeed分别为单位面积吸附分子数、一级解吸速率常数、气体普适常数、解吸活化能、热力学温度和吸附分子垂直于表面方向的振动周期。常见气体的吸附常数和吸附热有表可查。TwoLevelDesorptionSpeed在超高真空系统中许多化学活泼的双原子气体在金属表面上化学吸附时分级为原子态。其解吸速率称为二阶解吸速率。分别是单位面积上吸附的分子数、单位面积上吸附的原子数、解吸活化能、二级解吸速率常数、普适气体常数和热力学温标。GasDischargeunderLowT

7、emperature1、IonizationofGas假设分子具有球对称势能，当运动的电子只有在距离分子re之内时，其轨道才有显著的变化。称此时的球对称势能截面为有效截面（EffectCross-Section）。有效截面是微观截面。单位体积内所有分子的有效截面之和叫做总截面。它在物理意义上相当于一个电子在气体中经过单位路程和气体分子碰撞的概率。电子平均自由程总截面CollisionNumberDistributionofElectroninAcceleratingElectricFieldbetweenTwoPole电子

8、从阴极飞跃到阳极的过程中，不断与气体分子碰撞，损失能量和改变运动方向。期间遭受i次碰撞的概率P{i}为：d为极间距如果在电极间有N0个电子，它们与气体发生碰撞的总次数Z满足：ElectronCollisionLeadingtoIonization电子与气体分子碰撞导致有如下可能：a、不发生能量转移b、激