高真空的获得与测量

实验步骤提示：
1） 仪器状态的检查：高阀关闭；低阀拉出；复合真空计面板上电离计开关关闭；电离 计在 10 Pa 量程档；总电源关闭。 2） 开总电源，即电源开关尖端朝上；开机械泵，对钟罩进行抽气。 3） 打开复合真空计电源，接通热偶计，测量钟罩内的真空度（ “V1 测量”位置） 。 4） 当钟罩内气压低于 10 Pa 之后，再推进低阀，待储气罐内气压也低于 10Pa 后，接通扩 散泵冷却水（缓慢打开对应编号的自来水龙头转到 45°左右） ；之后开扩散泵（把开关 打到“机械泵/扩散泵”一档）至少 40 分钟。 5） 当 V1 和 V2 读数都小于 10 Pa 后，打开高阀，此时扩散泵开始对钟罩进行抽气；待钟 罩内真空度超过 0.1Pa 时（即“V1 测量”下指针显示满偏） ，把低真空转至储气罐测量 （ “V2 测量”位置） ；之后再开电离计。 6） 抽至电离计指针基本不动时（一般在 510 Pa）左右，可短时间对电离规管除气，具体
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5） 油扩散泵，作为二级抽气系统用于获得高真空，本实验采用的扩散泵极限真空度约为 10 Pa，具体工作原理见图 2.6.3。其底部是用于对泵油加热的电炉。 6） 高阀，本实验采用的是一个高真空碟阀，处在扩散泵和高真空部分中间。它一方面可在 高真空部分突然破裂时保护扩散泵油不被氧化，同时还便于分段检漏。必须满足用具有 蒸汽压低于 10 Pa（在室温下情况下）的高真空脂；能维持 10 Pa 与 1 个大气压的压差； 具有较大的流导（即对气流具有较大的通导能力）等要求。 7） 热偶真空规，本实验采用的热偶规配用复合真空计中的低真空测量部分，测量范围 10 ~10 Pa（10
p t
p 的直线。这说明系统只有漏气，系统的漏率为 t
（2）
式中 V 是被检容器的体积。 4）曲线 D 开始上升较快，而后渐渐减慢，最后变成直线，这说明系统既有放气也有漏 气，曲线 D 是 B 和 C 的叠加。 一个真空系统（或容器）要做到绝对不漏气是不现实的，只要漏孔的漏率足够小，使 得平衡压强低于真空系统工作所需要的压强， 这些漏孔就是允许的。 真空系统正常工作所能 允许的最大漏气量，称为最大允许漏率，简称允许漏率。
图 2.6.5 DM-300 型镀膜机结构示意图 图中各部件的名称及功用如下： 1） 前级机械泵用以产生扩散泵的预备真空。要求机械泵的极限压强和抽气速率能满足扩散 泵的正常工作条件和尽可能短的抽气时间。 2） 低真空管道所用的是真空橡皮管，是一种用于真空器件之间联结的专用橡皮管，具有较 厚的管壁而且能耐一个大气压强的压力，具有低于 0.1Pa 的动态蒸汽压，它只适用于低 真空部分。 3） 低阀是用于控制机械泵抽钟罩或者抽系统的阀门，在位置 2（即低阀拉出来）是抽钟罩 的状态（即机械泵直接对真空腔进行抽气） ，在位置 1（即低阀推进去）是抽系统的状态 （即机械泵对储气罐进行抽气） 。 4） 储气罐，它装在机械泵和扩散泵之间，扩散泵的前级真空由储气罐实现。
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操作方法为先关电离计灯丝，再开除气，等 5 分钟；之后关除气，再重新开电离计灯丝。 7） 除气结束后把开关转至“烘烤” ，烘烤电压已经调好，烘烤 10 分钟，烘烤完毕， “烘烤” 转至关。烘烤刚开始时气压会上升，要特别注意电离计指针情况，及时调整量程。 8） 继续抽至极限真空度后 （电离计指针基本不动， 此时真空度应该优于烘烤前的真空度） ， 在仪器使用情况上登记本次实验的真空度情况，记录电离计读数（极限真空度）和 V2
2．高真空的测量--电离真空规
具有足够能量的电子与气体分子碰撞会引起分子的电离， 产生正离子和电子， 电子与分 子的碰撞次数正比于分子数密度 n，即正比于总压强 p，故产生的正离子数 N 正比于压强 p。 电离真空规管的结构如图 2.6.3-l 所示,它主要由发射电子的热阴极（灯丝 F） 、加速并收集 电子的加速极 G 和收集离子的收集极 C 等三部分组成。 其接线图如图 2.6.3－2 所示,规管中 ；离子收集极接 心热阴极 F 接零电位,UK 为热阴极加热电压；加速极 G 接正电位 UG（几百伏） 负电位 UC（几十伏）,其作用是使由阴极 F 发射的电子,在加速电位 UG 的作用下,飞向 G 极使 电子能量增加,大部分电子通过加速极 G 飞向圆筒型收集极 C,电子轨迹如图 2.6.3－3 所示, 在 G、C 之间拒斥场的作用下电子减速，在速度减到零时，电子返转飞向 G，在电子飞向 G、 C 空间时,电子又在拒斥场作用下减速,直到速度为零又返向 G 极，向 G、C 方向飞行。电子 在这种返往运动中与气体分子不断发生碰撞，把能量传给气体分子，使其电离，而电子最终 被加速极所收集；在 G、C 间产生的正离子被收集极 C 接收形成离子流，此离子流被外电路 中的微安计测得。
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对于一定结构的规管，当各电极电位一定时，对某种气体，在规管中电离所形成的正离 子流 I 正比于发射电子电流 Ie 和气体的压强 p，即 I =KIep
+Leabharlann +（1）其中比例常数 K 称为电离计的灵敏度， 其意义是在单位电子电流、 单位压强下所得到的离子 流，其单位为 1／Pa，K 值多通过实验测得。在实际测量中,规定发射电流 Ie 等于常数。对 于不同气体,K 值也不同，通常所指的灵敏度是对于干燥空气或氮气而言。 普通型热阴极电离规的测量范围为 1.3310 ~1.3310 Pa，超出此范围，离子流与压
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高真空的获得、测量和检漏（2015-03-11）
在真空技术中，检漏技术已成为一项很重要的内容。从 17 世纪获得真空以来，这 300 多年可以说是真空工作者向漏气作斗争的历史。 漏气是真空的大敌， 由于漏气而产生的问题 是十分严重的，它引起真空变差，使真空处理物质变坏、原子能放射逸出、锅炉出现事故、 电工电子产品性能降低或报废、制冷设备制冷效果变差或根本不制冷…… 总之，检漏技术与 很多领域息息相关，在半导体、电力、制冷、航空航天、原子能、真空、医疗、汽车等行业 已经得到了成功的应用。
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~10 Torr） 。整套仪器有两根热偶真空规分别测量钟罩内（V1）和储气
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罐内（V2）的真空度。 8） 电离真空规，本实验采用的电离真空规配用复合真空计中的高真空测量部分，测量范围 。 10 ~10 Pa（10 ~10 Torr）
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9） 磁力充气阀，是放气阀，作为放大气入钟罩的进气口之用。该阀与高阀是有关联的，即 当高阀打开时，该阀是无法打开的；当高阀关闭时，该阀才可以打开。
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思考题：
1） 简述机械泵和油扩散泵的工作原理。 2） 为什么测量完放气曲线后要立即关闭电离计？ 3） 用热偶计测高真空、用电离计测低真空行不行？为什么？ 4）为什么关高阀，关扩散泵后不能立即关闭机械泵？
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附录 1.
一、仪器的用途及使用范围：
FZH-2B 型复合真空计采用比较成熟的集成电路线路，由电离真空计和热偶真空计复合而 成， 它适用于实验室、 生产车间测量低真空和高真空压强， 仪器使用环境条件： 温度 0－40℃ 相对湿度 气压 80%以下 1×10 Pa±4×10 Pa
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二 技术性能和规范：
1 测量范围：热偶计：1×10 ~1×10 Pa 电离计：1×10 ~1×10 Pa 2 电源： ~220V 50HZ
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3 热偶规管加热电流调节范围不窄于 95~150mA 4 电源供电电压 220V 变化±10%及 220V 一小时后，加热电流变化不超过±1％ 5 当压强由 1.3×10~l×10 Pa 时变化时加热电流变化（供电维持 220V）不超过±1% 6 电源供电电压 220V±10%及 220V 一小时后，电离规管发射电流 5mA 变化不超过±1% 7 当压强由 l×10 ~1.3×10 Pa 时，发射电流 5mA 变化（供电维持 220V）不超过土 1% 8 电源供电电压 220V 变化±10％及 220V 一小时后， 直流放大器零点漂移不超过±0.5% 9 离子流放大器本底电流（压力最低档满度值）不大于±0.5% 10 仪器外形尺寸 400×380×140mm 11 仪器重量 7.5kg
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的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器，即靠油的蒸发、喷射、 凝结重复循环来实现抽气。 由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸汽流中便获得向下运动
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的动量向下飞去。由于射流具有高流速（约 200m/s） ，高的蒸汽密度，且扩散泵油分子量大 （300~500） ，故能有效的带走气体分子。气体分子被大王出气口处再由机械泵抽走。其结构 示意图如图 2.6.3 所示。
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的读数。 9） 把电离计量程设成 10 Pa 档，关“高阀” ，测放气曲线（P-t 关系） ，要求每隔 5s 记一 个点，当指针满偏（约为 0.1Pa）停止。测量结束后必须立刻关电离计。 10）测量完毕后确保高阀和电离计是关闭的，热偶计打到“V1 测量”档，之后关扩散泵（把 开关打到“机械泵”一档） 11）待扩散泵冷却至不烫手（大约需要 40 分钟） ，将低阀拉出，关机械泵。 12）关总电源，切断冷却水，结束。
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强便不再是线性关系而不能进行测量。而且当气压较高超过 0.1Pa 时，正离子流 I 会较大， 容易把微安计烧坏，因此电离真空计必须在小于 0.1Pa 的压强条件下工作。
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3．真空检漏
一个高真空系统，如果经过长时间抽气，仍达不到预期的真空度，在排除泵的因素后， 可能的原因有： 蒸气源：水蒸气、机械泵油和扩散泵油的蒸气、高真空的密封油脂和封蜡的蒸气及系 统内其他污染物，形成蒸气源。 表面放气：系统的器壁、系统内金属元件表面吸附着大量气体分子，在低压下向系统内 释放。 真漏：真空系统连接部位安装不良，焊接处有漏孔或漏隙及阀门处密封不严所造成。 对于蒸气源和表面放气， 首先在设计系统时要选择合适的材料和结构。 尽量选择蒸气压 低的真空泵油， 其次是搞好真空清洁， 使系统表面清洁、 干燥， 然后在真空条件下烘烤去气， 但材料吸附的气体不可能完全去除，在压强较低时，表面放气还是存在。实验中的主要问题 是真漏，这正是检漏所要解决的问题。检漏的首要问题是要判断系统是否漏气，其次是确定 漏气率的大小，以便确定它是否在允许范围，最后是用合适的仪器找出漏孔的确切位置，用 合适的密封材料堵漏。 （l）静态升压法 在高真空系统， 漏孔或漏隙用肉眼一般是看不出来的我们通常采用静态升压法， 即把系 统抽到一定压强后，关闭阀门，将被检部分与泵隔开，由于漏气和表面放气，被检部分的压 强将随时间而上升，用电离真空计或复合真空计和秒表，测出 P-T 关系曲线，由曲线形状， 我们可以判断系统是否漏气，如图 2.6.4 听示。