《真空技術(shù)基礎(chǔ)III》PPT課件

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1、FundamentalsofVacuumTechniques（III）真空技術(shù)基礎(chǔ)（三）MainContent1、AdsorptionofGas氣體吸附現(xiàn)象2、GasDischargeunderLowTemperature低壓下氣體放電現(xiàn)象AdsorptionofGas(吸附)1、InteractionofSolidandGas吸附(Adsorption)：固體表面聚集一層或者多層氣體的現(xiàn)象；吸收(Adsorption)：氣體擴(kuò)散滲入固體內(nèi)部并被溶解的現(xiàn)象；解吸（Desorption）：被材料吸附的氣體或者蒸汽的釋放現(xiàn)象；2、BasalPrincipleofAdsorpti

2、on吸附是真空技術(shù)中非常重要的問(wèn)題，只要涉及的是氣體與固體表面的相互作用。被吸附的氣體分子叫做吸附質(zhì)，吸附氣體分子的固體叫吸附劑。吸附是固體物質(zhì)的通性，但是有些物質(zhì)的吸附能力特別強(qiáng)，如活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩、金屬鈦、金屬鋯和金屬鋇等。吸附現(xiàn)象在真空技術(shù)中要辨證地看待。吸附產(chǎn)生的機(jī)理大致說(shuō)就是由于固體表面附件的力場(chǎng)存在，它對(duì)于與其碰撞的氣體分子而言扮演著一個(gè)勢(shì)阱（Potentialtrap）的角色。吸附劑與吸附質(zhì)中間作用力分類兩種：范德瓦爾斯力和化學(xué)鍵力。范德瓦爾斯力源于電偶極子，強(qiáng)度隨距離6次方衰減；化學(xué)鍵力源于吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子交換，有離子鍵和共價(jià)鍵的區(qū)分

3、；吸附的過(guò)程：分子以能量與固體表面碰撞，以一定的幾率落入范德瓦爾斯勢(shì)阱，放出一部分熱量（吸附熱）。被捕獲的分子以一定幾率穿越勢(shì)壘（化學(xué)吸附活化能）落入更深的勢(shì)阱，放出較大的能量（化學(xué)吸附熱）。物理吸附與溫度負(fù)相關(guān)，化學(xué)吸附與溫度正相關(guān)。3、EquilibriumofAdsorption吸附出于平衡狀態(tài)時(shí)，吸附量是溫度與環(huán)境氣體壓力的函數(shù)：溫度一定時(shí)，吸附量?jī)H僅是壓力的函數(shù)，叫做吸附等溫線。大量的實(shí)驗(yàn)表明吸附等溫線有5中類型，其中類型I為單分子層吸附。根據(jù)熱力學(xué)理論，很多研究者對(duì)吸附現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得到很多吸附等溫線的理論結(jié)果，其中真空技術(shù)中常用的有6種。需要注意的是下面這些

4、公式都是有特定的使用范圍的，這從一個(gè)側(cè)面反映出吸附現(xiàn)象的復(fù)雜性，它不僅與吸附劑的物質(zhì)種類和表面狀況有關(guān)，也與吸附質(zhì)的物質(zhì)種類、攜帶的能量等有關(guān)。朗繆爾等溫式：此外還有弗利德利胥等溫式、捷姆金等溫式、BET等溫式、杜平寧等溫式和亨利定律等。這些方程都是在普遍的熱力學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的假設(shè)得到的，所以適用性是有局限的?！墩婵赵O(shè)計(jì)手冊(cè)》P80～844、Non-equilibriumofAdsorption在吸附未達(dá)到平衡或者外界因素使得吸附質(zhì)脫附時(shí)，吸附現(xiàn)象進(jìn)入非平衡狀態(tài)。通常對(duì)非平衡態(tài)我們關(guān)注的是吸附或者解析速率。ChemicalAdsorptionSpeed其中γ是吸附成

5、功率、Fc(θ)是沒有被化學(xué)吸附占據(jù)的吸附位碰撞的概率、Ea是吸附活化能、Γn是單位時(shí)間碰撞到單位面積襯底上的分子數(shù)目。為了簡(jiǎn)單起見，通常定義粘附概率αc,得到化學(xué)吸附速率的表達(dá)式為：下面給出一些實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。通常結(jié)論是和各種因素相關(guān)的。PhysicalAdsorptionSpeed物理吸附速率up是：定義凝聚速率得到物理吸附速率表達(dá)式為：FirstLevelDesorptionspeed分別為單位面積吸附分子數(shù)、一級(jí)解吸速率常數(shù)、氣體普適常數(shù)、解吸活化能、熱力學(xué)溫度和吸附分子垂直于表面方向的振動(dòng)周期。常見氣體的吸附常數(shù)和吸附熱有表可查。TwoLevelDesorptio

6、nSpeed在超高真空系統(tǒng)中許多化學(xué)活潑的雙原子氣體在金屬表面上化學(xué)吸附時(shí)分級(jí)為原子態(tài)。其解吸速率稱為二階解吸速率。分別是單位面積上吸附的分子數(shù)、單位面積上吸附的原子數(shù)、解吸活化能、二級(jí)解吸速率常數(shù)、普適氣體常數(shù)和熱力學(xué)溫標(biāo)。GasDischargeunderLowTemperature1、IonizationofGas假設(shè)分子具有球?qū)ΨQ勢(shì)能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的電子只有在距離分子re之內(nèi)時(shí)，其軌道才有顯著的變化。稱此時(shí)的球?qū)ΨQ勢(shì)能截面為有效截面（EffectCross-Section）。有效截面是微觀截面。單位體積內(nèi)所有分子的有效截面之和叫做總截面。它在物理意義上相當(dāng)于一個(gè)電子在氣體

7、中經(jīng)過(guò)單位路程和氣體分子碰撞的概率。電子平均自由程總截面CollisionNumberDistributionofElectroninAcceleratingElectricFieldbetweenTwoPole電子從陰極飛躍到陽(yáng)極的過(guò)程中，不斷與氣體分子碰撞，損失能量和改變運(yùn)動(dòng)方向。期間遭受i次碰撞的概率P{i}為：d為極間距如果在電極間有N0個(gè)電子，它們與氣體發(fā)生碰撞的總次數(shù)Z滿足：ElectronCollisionLeadingtoIonization電子與氣體分子碰撞導(dǎo)致有如下可能：a、不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移b、激