真空技術(shù)中幾個(gè)重要的概念
一個(gè)大氣壓下，空氣的分子密度n=2.7×1019個(gè)/cm3。
空氣是混合氣體，其相對分子質(zhì)量由構成的氣體分子按比例計算。氮氣的相對分子質(zhì)量28.016，體積比78.1%;氧氣的相對分子質(zhì)量32，體積比20.93%;氬氣的相對分子質(zhì)量39.944，體積比0.933%。
相對分子質(zhì)量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96
由氣體分子運動(dòng)論，壓強的計算式為
p=nkT
采用國際標準單位時(shí)(壓強Pa，體積 m3)，玻爾茲曼常數k為1.38×10-23 J/K。
氣體分子的密度為
n=p/(kT) (1-4)
壓強為1Pa，溫度為27℃時(shí)，氣體分子的密度n為
n=1/(1.38×10-23×(273+27))=2.4×1020個(gè)/m3
因此，即使真空度達到10-9 Pa的極高真空狀態(tài)，每立方米的空間內仍有1011個(gè)氣體分子存在。
1、氣體分子的平均自由程
氣體是由大量的分子構成的，0℃一個(gè)大氣壓的情況下，22.4L的空間里有1摩爾(6.02×1023個(gè))分子。這些分子在室溫下以500～1500m/s的速度運動(dòng)和其他分子碰撞后，改變運動(dòng)方向和速度，之后再和另外的分子碰撞。兩次碰撞之間的飛行距離，稱(chēng)之為平均自由程。
平均自由程λ[m]、壓強p[Pa]、溫度T[K]以及分子的直徑D[m]之間的關(guān)系為
λ=3.11×10-24 T/pD2(1-5)
因此，氣體分子的平均自由程與壓強成反比例、與溫度成正比例、與分子直徑的2次方成反比例關(guān)系。
溫度為25℃的空氣，壓強和分子平均自由程的實(shí)際數據，1Pa為7mm、10-1 Pa為7cm、10-2 Pa為70cm、10-3 Pa為7m、10-4 Pa為70m。記住這些數字，對真空度的感覺(jué)能更直觀(guān)一些。
2、氣體分子的入射頻率
氣體分子在單位時(shí)間和單位面積內碰撞固體表面的數量稱(chēng)之為入射頻率。入射頻率r和壓強p[Pa]、氣體相對分子質(zhì)量Mr、溫度T[K]之間的關(guān)系表示為
r=2.6×10-24 p/(MrT)1/2[個(gè)/(m2·s)] (1-6)
即入射頻率和壓強成正比例、和氣體相對分子質(zhì)量平方根及溫度的平方根成反比例關(guān)系。
在真空度為10-4 Pa的情況下，25℃氧分子的入射頻率是2.72×1018 個(gè)/(m2·s)。排列于固體表面的原子數大約是1019 個(gè)/m2，只要幾秒鐘的時(shí)間，表面所有的原子都會(huì )受到氧分子的碰撞。
如果氣體分子的平均自由程和容器的尺寸相同或更長(cháng)，則氣體分子和容器壁碰撞的次數要比氣體分子之間的碰撞次數要多，這種狀態(tài)被稱(chēng)為分子流(圖1.3(a))。如果平均自由程比較短，氣體分子之間的碰撞次數比氣體分子和容器壁的碰撞次數多，這種狀態(tài)被稱(chēng)為黏性流(圖1.3(b))。黏性流的氣體分子在管路中被排出時(shí)，中心軸的流速最大，靠近管壁的流速逐漸減小。
針對分子流或黏性流，獲得真空時(shí)要選擇不同類(lèi)型的真空泵，這在以后真空泵一節中將會(huì )詳細介紹。
圖1.3 分子流和黏性流的示意圖
3、真空中的熱傳導
空間中兩個(gè)位置如果存在溫度差，則會(huì )發(fā)生熱傳導。氣體分子為黏性流的情況，壓強變化后，傳遞熱量的分子密度和分子的平均自由程也發(fā)生變化。由于分子的平均自由程和分子密度對熱傳導的影響起著(zhù)相反的作用，因此，對黏性流來(lái)講，氣體對熱傳導的貢獻和壓強的關(guān)系可忽略不計。
氣體分子為分子流的情況，如果氣體分子的平均自由程比真空兩側間距還長(cháng)，獲得熱能的氣體分子將直接穿過(guò)真空而運動(dòng)到另一側。因此，通過(guò)氣體分子傳遞的熱量和氣體的分子密度有關(guān)。氣體的分子密度和壓強成正比例，所以氣體分子傳遞的熱量和壓強成正比例。但是，處于分子流的分子密度非常低，實(shí)際的熱傳導也可忽略。
對真空環(huán)境來(lái)說(shuō)，分子流狀態(tài)的熱傳導主要是輻射。在真空容器中進(jìn)行薄膜生長(cháng)時(shí)，為了提高薄膜質(zhì)量，通常要對襯底進(jìn)行加熱，加熱主要就是利用熱輻射來(lái)實(shí)現。
