真空技术介绍

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发表时间:2017-12-20 23:08


真空的定义

压力的定义是垂直作用于表面上且均匀分布的力与单位面积 之比。


p=FA


p压力[Pa]
F受力[N]; 1 N = 1 kg m s-2
A面积[m2]

公式 1-3: 压力定义

在封闭的容器中,气体颗粒进行热运动。在其与容器壁的相 互作用中,原子和分子经受大量的的碰撞。每次碰撞都会给 容器壁施加力。如果封闭气体不受外界影响,无论在什么地 方什么方向进行测量,发生的无数碰撞导致容器内任何一点 的压力都是相同的。

总压力的定义

图 1.2: 总压力的定义

实际上,只有一种气体的情况非常少见。不同气体的混合物 更为常见。这些气体的每个单一成分都会施加具体的压力, 该压力可进行单独测量,而与其他成分无关。由各种成分施 加的该压力被称为分压。在理想气体中,各种成分的分压加 起来等于总压力,且互不干扰。所有分压之和等于总压力。

分压的定义

图 1.3: 分压的定义

我们的环境空气就是一个气体混合物的例子:其分压组成如 Table 1.1 [3] 所示。

气体类型化学分子式体积 %分压 [hPa]
N278.09780.9
O220.95209.5
水蒸气H2O< 2.3< 23.3
Ar9.3·10 -19.3
二氧化碳CO23.0·10-23.0·10-1
Ne1.8·10 -31.8·10-2
H2< 1·10-3< 1·10-2
He5.0·10 -45.0·10-3
甲烷CH42.0·10-42.0·10-3
Kr1.1·10 -41.1·10-3
一氧化碳CO< 1.6·10-5< 1.6·10-4
Xe9.0·10 -69.0 . 10-5
一氧化二氮N2O5.0·10 -65.0·10-5
NH32.6·10-62.6·10-5
臭氧O32.0·10-62.0·10-5
过氧化氢H2O 24.0·10-84.0·10-7
I23.5·10-93.5·10-8
Rn7.0·10 -187.0·10-17

图 1.1: 大气的组成。所示分压是指 在大气压下的压力即1,000 hPa。 注意:水蒸气所表示的值是在 293 K (20°C) 时的炮和状态。二氧化碳和一氧化 碳值的波动取决于时间和地点。所示的一氧化碳是大城市的峰值。其他来源是 指自然的氢浓度为 5 · 10-5% 且分压为 5 · 10-4 hPa。

在宇宙空间中,根据邻近星系的程度, 10-18 hPa 以下的压力 占主导地位。在地球上,已经报道技术上产生的压力低于 10-16 hPa。低至 10-16 hPa 的气压范围涵盖 10 的负 19 次幂。 根据不同真空获得设备和测量设备所能达到的真空度,我们 又把真空范围根据真空度进行了分类,如Table 1.2 所示。

压力范围压力 hPa压力 Pa数密度/cm3M平均自由程 [m]
气压1,013.25101,3252.7·10196.8·10-8
低真空 (LV)300…130,000…1001019…101610-8…10-4
中真空 (MV)1…10-3100…10-11016 …101310-4…10-1
高真空 (HV)10-3…10-710-1…10-51013…10910-1…103
超高真空 (UHV)10-7…10-1210-5…10-10109…104103…108
极高真空 (XHV)<10-12<10-10<104>108

图 1.2: 真空技术中的压力范围

计量压力的单位是帕斯卡。该单位是以法国数学家、物理学 家、作家兼哲学家布莱兹·帕斯卡(1623 – 1662 年)的名字 命名。根据公式 1-3,SI 单位帕斯卡是由 Pa = N m-2 组成。 单位 mabr、torr 以及表 1.3 中所示的单位是实际使用中常见 的。

PabarhPaµbarTorrmicronatmatmm WSpsipsf
Pa11·10-51·10-2107.5·10-37.59.87·10-61.02·10-50.1021.45·10-42.09·10-2
bar1·10511·1031·1067507.5·1050.9871.021.02·10414.52.09·103
hPa1001·10-311,0000.757509.87·10-41.02·10-310.21.45·10-22.09
µbar0.11·10-61·10-317.5·10-40.759.87·10-71.02·10-61.02·10-21.45·10-52.09·10-3
Torr1.33·1021.33·10-31.331,33011,0001.32·10-31.36·10-313.61.93·10-22.78
micron0.1331.33·10-61.33·10-31.331·10-311.32·10-61.36·10-61.36·10-21.93·10-52.78·10-3
atm1.01·1051.0131,0131.01·1067607.6·10511.031.03·10414.72.12·103
at9.81·1040.9819819.81·105735.67.36·1050.96811·10-414.22.04·103
mm WS9.819.81·10-59.81·10-298.17.36·10-273.69.68·10-51·10-411.42·10-30.204
psi6.89·1036.89·10-268.96.89·10451.715.17·1046.8·10-27.02·10-27021144
psf47.84.78·10-40.4784780.3593594.72·10-44.87·10-44.876.94·10-31

图 1.3: 压力单位换算表


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