气体在真空系统中的运动特性及参数表征

1.有关设定

薄膜太阳电池都是气相沉积而成的，了解气体的性质、运动特性是非常重要的。大气压强为1atm（1大气压，即1.013×10⁵Pa）时，22.4L体积内有6×10²³个气体分子，有关设定如下：

1）分子：光滑的具有完全弹性的刚性球体（球体指分子在各方向具有相同的性质）。

2）器壁：光滑的完全弹性体。

气体分子的运动是符合动量守恒和能量守恒法则的，分子向任意方向以不同的速度飞行，它们如同弹性良好的皮球一样，一面互相碰撞，一面到处飞溅，它们的速率从0～⑪，平均在音速以上。

这种设定已能满足理论计算的需求，并为实际证实是可以的。

2.气体的性质

表3-9为气体的性质。

表3-9 气体的性质

3.气体参数的计算方法（1）平均速率V_a

式中R——气体常数；

T——气体温度（K）；

M——分子量。

（2）分子直径δ从气体黏性系数的测量可以得出气体的分子直径。

（3）平均自由程L按麦克斯韦速率分布理论有

式中n——气体分子密度，以分子数计算，在0℃，一个大气压的22.4L的空间中，气体

的分子数为6×10²³个，即1cm³中大约有8000个。

（4）碰撞频率Z（个／（s·m²））

式中p——压强（Pa）；

T——温度（K）。

表3-10为1.3×10^－4Pa时与薄膜相关联的气体参数。

表3-10 气体参数(www.xing528.com)

4.气体运动特性

气体在真空系统中是流动的，其特性可由如下参数表征：

1）黏滞流：与气体分子碰撞为主的流动，如图3-19a所示。

2）分子流：与容器碰撞为主的流动，如图3-19b所示。

3）流量Q：气体流动的量，单位为Pa·L／s。

4）流导C：气体的流动能力，与电工学中的欧姆定律相似。黏滞流因是与气体分子碰撞为主的流动，气体的压力能有效地发挥作用，使气体比较容易流动，流导比较大；在分子流范畴，气体间的碰撞已经忽略不计，因此流导比较小。在真空里，压力非常低，基本上只有分子流，流导小。流导（m³／s）的计算公式为

C=Q／p由各种流导组成系统时，合成流导的计算与电工学中相同：

串联时为

并联时为图3-20为流导合成。

图3-19 气体的流动

图3-20 流导合成

表3-11为分子流的流导。

表3-11 分子流的流导

注：V_a为气体的平均速率；A₀为孔的面积（cm²）；T为气体的热力学温度（K）；M为分子量；A为管的截面积

（cm²）；a为管的半径（cm）；L为管的长度（cm）。

5）蒸发速率m₀：

式中A——阿伏伽德罗常数，A=6.023×10²³mol^－1；

p——蒸气压（Pa）；

m₀——入射原子质量。

式（3-13）是假定在平衡状态下，蒸发的量与凝固的量相等，蒸发速率计算公式为碰撞频率和入射原子的质量相乘。