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了解压力和测量的关系以便在实践中得到应用

作者:发表时间:2018-09-14

    压力是Q = SP基本真空关系的重要组成部分,但它在实践和应用中意味着更多。


    压力是构成控制所有真空系统行为的基本关系的三个主要量之一。该关系用公式Q(气体负荷)= S(泵送速度)×P(压力)表示。在许多情况下,实现一定的压力被视为真空技术的主要目的。在这些条件下,配方中的P可以仅仅成为真空从业者心中的数字。然而,有许多方法可以看待压力的概念,你如何看待它将取决于你想要做什么。


    压力定义为每单位面积的力。


    在这种情况下,通过气体分子与其冲击能量传递的表面的冲击来施加力。影响越大,力越大,压力越大。由于所有分子在任何给定温度下都具有相同的能量,因此气体的含义无关紧要。对于任何纯净的气体或气体混合物,例如空气,都是如此。较轻的分子,例如氦(He)将比诸如氩(Ar)的较重气体移动得更快,并且在撞击时的能量传递将是相同的。当托里切利在1644年发现空气压力将支撑封闭端管中的一列汞(Hg)时,气压所施加的力的概念打开了真空技术的大门。今天,标准大气被定义为汞柱通过Hg压力计测量的760毫米(760托)。


    真空技术的一个重要部分取决于使用力的概念。真空室的设计者必须考虑到这一点。当气体分子从容器中泵出时,与容器内部的分子碰撞将更少,而容器外的空气仍将提供更高且固定的碰撞次数。这种差异导致压差,该压差也是容器壁上的力差。


    这可以解释偶尔听到的咕噜声和呻吟声,砰砰声和砰砰声,或者当真空室被疏散时,油可以发出大的平坦区域的声音。这种效果最初是由von Guericke于1650年证明的,当时他将两个半球连接在一起,并在所得到的球体中抽出一些空气。两队马匹无法将它们分开,但是当球体空气释放时它们就会分崩离析。随着越来越多的分子从容器中移除,压力和力差异增加。这一直持续到容器内的压力降低到几托。在较低压力下,差动力太小而不具有任何实际效果或关注。


    压差施加的物理力可以具有大量的实际应用。用于传输材料,真空吸盘或压紧装置的气动管,甚至是古老的吸盘都是最好的例子。实际上,第一辆美国地铁在纽约使用这种技术在1870年将汽车移动到一个区块。这些力也可用于操作真空/钱柜娱乐网站手机版。当腔室被抽空时,减小的压力将在薄壁隔膜或封闭端波登管上施加较小的力差,这将导致与腔室和环境大气之间的压差成比例的运动。该运动可以通过机械连杆耦合到表盘,以产生腔室内压力的读数。


    通常,这些仪表仅响应几托的压力,因为压力差将在这些压力以下产生很小的力差,但是有一些这种类型的钱柜娱乐网站手机版达到较低的压力。使用细微传感技术测量微小差异的电容钱柜娱乐网站手机版是一个值得注意的例子。


   图:气体影响/表面积


    机械仪表的使用导致了一种可能令人困惑的情况,这种情况常常困扰着规范和参考文献的交流。我们有绝对的压力和表压来应对。绝对压力使用完美的真空为零,而表压使用大气压力为零。这意味着通常以英制单位校准的机械钱柜娱乐网站手机版可能具有从零到30英寸真空的表盘读数。他们在这里的含义对于许多真空从业者来说是相当混乱的,除非它通常在精神上转化为绝对压力等价物。例如,29.5英寸真空的仪表读数实际上是绝对压力的11托。


    表压的使用通常局限于某些特定应用领域,但仍然存在一些混淆。例如,真空从业者可能对隔膜泵感兴趣,隔膜泵只能产生几托的真空水平,然后找到制造商的规格,以真空英寸为单位。实际上,这些制造商中的许多制造商倾向于将低于几托的任何东西称为“深度真空”,这显然不是在较低压力下操作的从业者深刻理解的术语。


    在低于几托的压力下操作的真空从业者将倾向于以对数意义上的绝对压力来考虑,使用torr,millibar(mbar)或Pascal(Pa)的单位。Pascal扩大了Torricelli的工作,以证明Hg柱随高度而变化,为此,他应该得到自己的单位。所有这三个单元系统的数量都在减少,这意味着当腔室被抽空时,腔室内的分子数量会减少。


   图:室强外力


    虽然压力低至几托的机械考虑不需要考虑实际的气体种类,但对于许多需要在回填之前将腔室抽空到足够低的压力以去除大气气体的应用来说,情况并非如此。室内有特定气体到一些较高的压力。在这些情况下,实际的气体或气体混合物是极其重要的。


    然而,另一方面,仅需要抽气的过程倾向于忽略在大多数机械钱柜娱乐网站手机版降至最低的几个托平面以上的压力下的气体组成。这里引入了一个值得欢迎的变化,即引入了具有对流增强功能的导热系数仪,可以从大气压或略高于几毫的读数一直读数。这允许在整个抽空和处理循环中使用相同的对数单位。尽管我们一直在考虑总压力,但实际气体组成的差异仍在发挥作用。


    对于真空从业者,总压力是构成真空环境的各种气体的分压之和。试图仅在总压力下工作会导致一些问题。一个很好的例子是使用导热钱柜娱乐网站手机版,其中使用或遇到的各种气体可能具有广泛不同的热导率。如果您尝试使用在氮气(N 2)中用Ar 校准的钱柜娱乐网站手机版将腔室回填到大气压力,则钱柜娱乐网站手机版读数会很低,以至于在达到大气压力读数之前,您可能会超压腔室。这可能导致非常危险且昂贵的拆卸真空系统的方法。也许更重要的是,腔室内的分压会对过程产生重要影响。


    以氮气当量校准的总钱柜娱乐网站手机版可具有差异很大的残余气体分压,同时仍表示相同的总压力。由于水蒸气通常是压力低于10 -3托的腔室中的主要气体种类,因此许多工艺规范在工艺开始之前需要特定的总压力读数,但这通常会假设水蒸气始终是主要成分。小的空气泄漏可以改变这种构成,但是在热阴极或冷阴极离子计上读取的总压力可能显示相同的读数。这可以杀死一个进程。


    由于每种气体对离子计具有不同的灵敏度,因此总压力测量总是会产生误导。残余气体分析仪(RGA)可以解决这个问题。它们测量并显示位于其特定压力范围内的所有残余气体的分压。通常,1至50原子质量单位(AMU)的范围是足够的,除非预期有重烃污染。使用RGA不会避免真空或工艺问题,但在发生工艺问题之前,它肯定会有助于将它们关闭。


    就分子影响所施加的力而言,压力的概念变化实际上考虑了影响的影响。例如,生长的活性金属薄膜将与每单位时间的冲击次数成比例地与冲击的活性气体分子反应,这与压力成比例。您使用的实际单位并不重要,只要它们一致。Torr可以说是美国最常用的,但mbar通常用于欧洲,而Pa在日本很常见。


    对于粗糙的工作,可以交替使用torr和mbar,但是对于精细的工作,你只需将mbar乘以0.75得到torr并将torr乘以1.33得到mbar。Pa有点棘手,这可能解释了在许多情况下它的使用阻力,即使是最常见的真空书之一,John O'Hanlon的真空技术用户指南。在整个文本中使用Pa。虽然转换并不是那么困难; 将torr乘以1.33或mbar乘以10 2得到Pa。


    压力的概念在真空技术中具有明显的重要性,但始终需要考虑该术语对您的工艺或应用的真正含义。总是需要牢记总压力和局部压力之间的差异,这对于真空从业者之间的交叉沟通尤为重要。保持一致的单位同样重要。并且,永远记住,真正经验丰富的真空民众总是用“ten'a'minus”来指代特定的指数数字。