低真空的获得与测量

实验报告
PB09210089 谯志
实验题目：低真空的获得和测量；
实验目的：了解最基本得真空系统的结构，尤其是低真空系统的结构，了解低真空的获得设备——机械机械泵以及热传导真空计、U型真空计、高频火花正空测定仪的原理及使用。

实验原理：
1、真空的获得：
1)机械泵：真空获得中最常用的设备，不仅可以直接获得低真空，还常用作为获得高真空的前级泵；
2)扩散泵：靠油的蒸发->扩散->喷射->凝结重复循环来实现抽气，能有效地带走气体分子，气体分子被带往出口处再由机械泵抽走；
2、真空的测量：
1)水银U型管压力计：无需校准，可以在气压不太低时使用；
2)热偶真空计：利用在低气压下气体热导率与压强之间依赖关系，测量范围100-10-1Pa之间；
3)高频电火花真空测定仪：粗略测量玻璃真空系统的仪器，从放电辉光颜色可以粗略估计真空的气压；
3、真空系统：
最简单的系统结构只需机械泵加上测量仪器即可获得粗真空到低真空的工作氛围。

4、机械泵抽速的测定：
e v p dt Vdp ⋅⋅=-
(ln )
e dp d p v V
V
pdt dt
=-=- 实验步骤：
1、学习开动机械泵获得低真空；
2、利用U 形管，热偶计测量真空度;
3、观察不同真空度时放电现象，与U 形管热偶计比较，对照;
4、求得本次实验之最高真空度;
5、测量P －t 关系曲线并求粗真空下的机械泵的抽速。

实验现象与实验数据
一.真空管的放电现象以及火花仪的放电颜色与气压的关系如下所
示:
现象分析：
1.放电管的放电现象是由于放电管产生高压使气体电离发光而产生的。

管内气体比较多时，由于气压过度，放电管放电产生的带电粒子还不足以使气体电离和激发发光，因而观察不到现象。

2.管内气压达到1×10Pa数量级时，放电辉光颜色为紫色和粉红色，是因为在此气压下氧氮受激发产生的。

3.系统内气压不同放电辉光的颜色也不同。

因为气压不同，放电管放电电离激发的气体分子也不同，从而产生不同颜色的光，气压过低时，带电粒子与气体分子碰撞太少，发光微弱。

4.放电现象和火花现象不完全相同，是因为相同气压下两者在管内产生的电压不同，从而电离的气体成分也不同，发光颜色自然有差异。

二、做P－t关系曲线并求粗真空下的机械泵的抽速
(1) U型管压强计所测得的数据列表如下:(压强为进行曲对数运算后的数据)
1cmHg=1.333×103Pa
2
468101214161820222426283032343638
T/s
得到的lnP-t 曲线如下图所示
时间T 与 压强P 的关系图
-20
20
40
60
80
100
120
140
160
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
lnP
T/s
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------ A 3.68267 0.02745 B -0.01453 3.11812E-4
------------------------------------------------------------ R SD N P
------------------------------------------------------------ -0.99679 0.0575 16 <0.0001
------------------------------------------------------------
综上可得，dt
P d )
(ln =-0.01453
(ln )
d P S V
dt
=-=-2×（-0.01453）≈0.029(L/s) （2）热偶计所读得的数据列表如下：1Torr=133Pa
时间T 与 ln P 的关系图
得到的P-t 曲线如下图所示：
0.04
0.060.080.100.120.140.160.180.200.22P /T o r r
T/s
2.0
2.22.42.62.8
3.03.23.4
l n P
T/s
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
时间T 与 汞柱高度变化 的关系图
时间T 与 ln P 的关系图
A 3.15063 0.09239
B -0.01239 0.00153
------------------------------------------------------------ R SD N P
------------------------------------------------------------ -0.97072 0.11314 6 0.00127
------------------------------------------------------------
(ln )d P S V
dt =-
lnp —t 曲线的斜率为
01239.0ln -=dt
P
d 所以,机械泵的抽速：s L dt
P
d V S /025.0)01239.0(2ln =-⨯-=-=
分析：
根据实验数据，S 1大于S 2，原因是低真空下机械泵的抽速不再为常数，随时间不断减小至接近0. 三.最高真空度
Torr P 2100.4max -⨯=
误差分析：
本实验误差非常大，有来自两个人配合上产生的误差，在纸带上标记的误差，读刻度尺时候由于汞柱处于不断运动状态所以不可避免产生误差等，但本实验的重点是观察总体效应和规律，这些误差很难改进并且对实验结果不会产生很大的影响。

思考题：
1.放大气入系统时,放气要缓慢,为什么?怎样操作活塞?
答:为了避免大气一下子把水银压向玻璃管顶，而把玻璃管压破.而且开关C2开得太大（即放气较快），在机械泵抽气的时候，无法保证在U 型管测量的过程中,可以获得足够的测量点.也无法充分观察
辉光放电现象随压强的变化。

操作时要一只手托住开关固定处，另一只手缓慢地旋转活塞。

2.机械泵停泵后，必须注意什么事项,为什么？
答:机械泵停泵之后, 必须放大气入机械泵，即打开活塞C1,使得机械泵抽气口与大气相通。

这是因为如果泵的进气口和排气口气压不平横，可能会造成返油事故。

如果不这样做，交界段与大气的压强差会使得机械泵中的油出现渗出，造成仪器损坏。

3.为什么在气压较低时（真空度较高）,要适当控制放电管,火花仪的使用次数及每次观察时间？
答: 在气压较低时，放电对真空度及热偶计示数有显著影响，如长时间放电，系统真空度会立即变大，长时间用火花仪，系统真空度也会变大。

火花仪是考高压工作的，每次观察时间过长会严重影响火花仪的寿命。

实验总结:
本实验是一个比较精确的实验，引起误差的主要因素有如下述：仪器方面，仪器显示的真空度与实际压强有所偏差，而且真空度越高，真空度及热偶计示数更易受到影响；读数方面，本试验为2人合作，一人计时，一人读数，读数的标准不同也会影响结果；
从本次实验的结果来看，一方面，两条直线的相关系数分别为-0.99679和-0.97072，线性较好；而且第一张图（粗真空）线性好过第二张图（低真空），这是因为真空较高以后，机械泵抽不动了，抽速可能就不是一个恒定的数值，而是随真空度增加而减小。

而且真
空度及热偶计示数都十分敏感，容易受到环境影响；另一方面，低真空部分误差较大，仪器方面和读数方面的影响都可能是造成偏差的原因，低真空作图P轴数据都靠得较紧（0.01torr），尤其到后来一个P值对应几个t值，读数的误差对结果影响较大；
总的来说，实验结果基本让人满意，在现有实验条件下，实验比较准确。