真空的获得与测量

真空
摘要：真空技术真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。

真空技术
主要包括真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用四个方面。

在真空技术发展中，这四个方面的技术是相互促进的。

真空技术
是近代物理学的基础技术之一。

开设本实验的目的是了解真空技
术的基本知识，掌握高真空的获得和测量的基本原理和方法，为
将来科学技术的研究或创造性地解决生产实际中的问题，进行必
要的基本功训练。

关键词：真空度理想抽速机械泵油扩散泵
发展史：远在1643年，意大利物理学家托里拆利发现，真空和自然空间有大气和大气压力存在。

他将一根一端封闭的长玻璃管灌满汞，并倒立
于汞槽中时，发现管中汞面下降，直至与管外的汞面相差76厘米时
为止。

托里拆利认为，玻璃管汞面上的空间是真空，76厘米高的汞
柱是因为存在大气压力的缘故。

1650年，德国的盖利克制成
活塞真空泵。

1654年，他在马德堡进行了著名的马德堡半球试验：
用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸(35.5厘米)的铜半球抽
成真空，然后用两组各八匹马以相反方向拉拽铜球，始终未能将两
半球分开。

这个著名的试验又一次证明，空间有大气存在，且大气
有巨大的压力。

为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献，以
往习用的真空压力单位就是用他的名字命名的。

19世纪中后
期，英国工业革命的成功，促进了生产力和科学实验发展，同时也
推动了真空技术的发展。

1850年和1865年，先后发明了汞柱真空
泵和汞滴真空泵，从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、
杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。

压缩式真空计的应用首次使低
压力的测量成为可能。

20世纪初，真空电子管出现，促使真
空技术向高真空发展。

1935～1937年发明了气镇真空泵、油扩散泵
和冷阴极电离计。

这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为
大多数真空系统所常用。

1940年以后，真空应用扩大到核研
究(回旋加速器和同位素分离等)、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥
等方面，真空技术开始成为一个独立的学科。

第二次世界大战期间，
原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要，又进一步
促进了真空技术的发展。

应用：随着真空获得技术的发展，真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。

真空应用是指利用稀薄气体的物理环境完成某些
特定任务。

有些是利用这种环境制造产品或设备，如灯泡、电子
管和加速器等。

这些产品在使用期间始终保持真空；而另一些
则仅把真空当作生产中的一个步骤，最后产品在大气环境下使
用，如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。

真空的应用范围极广，主要分为低真空、中真空、高真空和超高
真空应用。

低真空是利用低(粗)真空获得的压力差来夹持、提升
和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘。

中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的气体或水分、制造灯
泡、真空冶金和用作热绝缘。

如真空浓缩生产炼乳，不需加热就
能蒸发乳品中的水分。

真空冶金可以保护活性金属，使其在熔化、浇铸和烧结等过程中
不致氧化，如活性难熔金属钨、钼、钽、铌、钛和锆等的真空熔
炼；真空炼钢可以避免加入的一些少量元素在高温中烧掉和有害
气体杂质等的渗入，可以提高钢的质量。

高真空可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。

高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电
子管、光电管、阴极射线管、X 射线管、加速器、质谱仪和电子
显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。

这个特
性还可应用于真空镀膜，以供光学、电学或镀制装饰品等方面
使用。

外层空间的能量传输与超高真空中的能量传输相似，故超高真可
用作空间模拟。

在超高真空条件下，单分子层形成的时间长(以
小时计)，这就可以在一个表面尚未被气体污染前，利用这段
充分长的时间来研究其表面特性，如摩擦、粘附和发射等。

引言：“真空”泛指低于一个大气压的气体状态，真空技术始于1634年。

但是真空技术作为一门独立的学科，并得到长足发展却始于二十世
纪初。

目前，真空技术在近代尖端科学，如高能粒子加速器、大规
模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等工作中
都占有关键的地位。

真空技术是近代物理学的基础技术之一。

实验方案
实验原理
1、高真空的获得
获得真空用真空泵。

真空泵按工作条件的不同分为两类：能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵（如机器泵），用来产生预备真空，需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵（如扩散泵），次级泵用来进一步提高真空度，获得高真空。

（1）机器泵
一般采用油封转片式机器泵，其结构如图1
所示，在圆柱形气缸（定子）内有偏心圆柱作为
转子，当转子绕轴转动时，其最上部与气缸内表
面紧密接触，沿转子的直径装有两个滑动片（简
称滑片），其间装有弹簧，使滑动片在转子转动时
与气缸内表面紧密接触，当转子沿箭头所指方向转动时，就可以把被抽容器内的气体由进气管吸入而经过排气孔，排气阀排出机械泵。

为了减少转动摩擦和防止漏气，排气阀及其下部的机械泵内部的空腔部分用密封油密封。

机械泵用的密封油是一种矿物油，要求在机械泵的工作温度下有小的饱和蒸汽压和适当的粘度，机器泵的极限真
空度一般在10－2～10－4mmHg，抽气速率一般图 1
为每分钟数十升到数百升。

（2）扩散泵
一般多采用油扩散泵，其结构如图2所示，扩散泵
是高真空泵，当机器泵的极限真空度不能满足要求时，
通常加扩散泵来获得高真空。

这种泵不能从通常气压下
开始工作，只能在低于1Pa气压下才能工作。

因此，必
须与初级泵串联使用。

油扩散泵使用的工作液体有许多
种，目前广泛使用的是274号硅油（20℃时饱和汽压为
1.3×10－7 Pa）和275号硅油（20℃时饱和汽压为1.3×10
－8 Pa）。

在扩散泵开始工作之前，必须先开动机器泵抽
气，等达到预备真空时（约1.3 Pa），便可以使用电炉对
蒸发器中的硅油进行加热。

当硅油加热至沸腾时，便产
生大量油蒸汽，蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出，此
时，由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散，便
被带到下方，而油蒸汽被冷凝水套凝结，沿着管壁经过
回油管流回蒸发器被带到下方的气体则由机器泵抽走。

图 2
2、真空的测量
真空计是测量真空系统中气体压强的仪器，种类很多，这里介绍的复合真空计是常见的一种，复合真空计是由温差电偶真空计与热阴极电离真空计组合而成。

（1）温差电偶真空计的原理
温差电偶真空规管由玻璃制成，通过小管8和真空系统相接，如图
3所示，在规管内的两根引线上装有热丝3，另外两根引线上焊着一对
温差电偶4，温差电偶的另一端与热丝在A点焊接。

由于在低压下，气
体的热传导系数与压强成正比，所以在通过热丝的电流一定的条件下，
热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高，温差电偶电动势也就随之
而增大。

因此，通过测量温差电偶电动势，就可确定出被测系统的真空
度，温差电偶真空计就是根据这个原理制成的。

温差电偶真空计的电离
真空计的测量范围为：13—0.13 Pa。

（2）热阴极电离真空计的原理图 3
最简单的热阴极电离真空规管就是一只三极管，如图Array 4所示，通过B管与真空系统相接，使用时，在灯丝电路
中通以电流，灯丝受热后便发射电子，由于栅极加上正电
压，便吸引电子使电子加速，中途与气体分子相碰，气体
的密度越大，碰撞机会越大，产生的正离子也越多。

另外，
由于板极电压为负，便吸引正离子在板极电路中形成板极
电流Ip，气体分子密度越大（即压强越大），板极电流也
越大。

所以，通过测量板极电流便可以确定气体的压强，
热阴极电离真空计就是根据这个原理制成的。

热阴极电离
真空计是测量极高真空的仪器，测量范围为0.1—1×10－5 Pa。

实验过程
1把充气阀关闭，不然是不可能抽到真空的，同时这样还会给机械泵带来很大的负荷。

2将三通阀推到底，打开电源，打开机械泵，将电偶真空计打开拔到V1档对储气桶进行抽气，当其内部气压低于6.7Pa时可以将三通阀往外拉，对真空室进行抽气，同时将真空计拔到V2.这样交替的进行多次可以可少抽高真空的时间。

3在进行上一步的同时可以打开扩散泵的电源进行加热，随即通入冷却水。

在加热40分钟左右时可可以抽高真空。

但是这一步的前题是已完成粗真空的抽气。

4此时进行高真空的抽气，打开高真空蝶阀，在真空度达到高于0.1Pa时可以打开电离真空计。

当真空度达到0.005Pa也就可以说实验完成。

5先关闭电离真空计，再关闭高真空蝶阀，关闭电偶真空计，关闭油扩散泵电源，等到
油扩散泵降到室温时关闭冷却水，最后一个关闭机械泵。

由以上数据做出lg p ～t 图线，分析其变化规律。

注意事项
要点有三，高真空计，高真蝶阀，冷却水的开关。

高真空计的打开与关闭要求都要在真空度在0.1Pa以上不满足则会烧毁，高真空蝶阀的开关是在真空度大于6.7Pa，一定要记住预测可能抢。