低真空的获得和测量 (12)

低真空的获得和测量
19系04级姓名刘畅畅日期2006年5月26日学号PB04204051
实验目的：
本实验的目的是掌握低真空获得和测量的方法。

实验原理：
一．旋片式机械泵
1. 结构及原理
旋片式机械泵的结构如图一所示。

它由转子6、定子7、旋片4（或称刮板）、活门和油
槽等所构成。

泵的定子装在油槽中，定子的空腔是圆柱形。

转子是圆柱形轮子，它偏心地装
成与定子空腔内切位置。

转子可绕自己旋转对称轴转动，方向如图所示。

转子转动是由马达
带动的。

转子中镶有两块刮板，刮板之间用弹簧相连，使刮板紧贴在定子空腔内壁上，当转
子转动时，被抽容器中的气体经过进气口到定子与转子之间的空间，由活门及出气口排出。

定子浸在油中，油是起密封、润滑与冷却作用的.进油槽是为了让油进人空腔，进空腔的油
除了上述作用外，还起着协助打开活门的作用.因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开
活门，而不可压缩的油将强迫活门被打开。

一般油面在活门上一定距离。

活门的作用是让气
体从泵中排出，而不让大气进入泵中。

活门的结构为一金属片或金属球构成。

工作原理如图
二所示。

图中(a)表示两刮板转动。

上刮板A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器
内气体从进气口进入这部分空间。

图（b）、(c)表示进入泵中的气体被刮板B与被抽容器隔
开并被压缩到活门。

当转子转动到图(d)位置时，被压缩的气体的压强大于大气压，这时活
门被打开，气体排出泵外。

这个过程反复不断被抽容器内的气体就不断被抽出泵外。

图一旋片式机械泵剖面图
图二旋片式机械泵原理图
2. 泵的极限压强和抽速
机械泵的主要指标（或参量）是极限压强和抽气速率。

常用机械泵进气口的最低压强可达l~10-1Pa,（10-2~10-3T orr）真空度，即机械泵的极限真空度。

目前常用的机械泵多为两个或两个以上的泵芯串联起来形成的二级泵或多级泵，其极限真空度可达10-2Pa或更高。

图三是旋片式机械泵的抽速特性曲线。

由图可见，在压强较高的一段范围内，抽速随压强的变化不大。

当压强快到极限压强时，抽速迅速下降，最后在极限真空度时抽速为零。

这是因为压强很高时由泵返回被抽容器内的气体仅占次要地位，可被忽略。

当容器内压强不
断降低时，返回容器内的气体与被排出气体相比，就越来越不可忽略，因此抽速下降。

最后，从容器中排出气体量等于返回容器内的气体量时，容器中的气体就不再减少了，这时泵的抽速就为零。

图三旋片泵抽速特性曲线
3.注意事项
机械泵工作时由电动机动力维持者抽气口和排气口的压强差，一旦停止工作，排气口的大气压将把真空泵油压到定子腔中，造成返油事故。

因此，机械泵停止工作后必须使抽气口与大气相通，使泵的进气口和排气口气压平横。

二．粗真空、低真空的测量
1. U形管压强计这是最简单的绝对压强计分为开管、闭管两种。

本实验中采用的是闭管式。

测量时，将U形管开口端与待测系统相接，U形管两侧的水银液面高度差值，便是待测的真空度。

显然它是粗真空量具。

2. 热偶真空计的原理是利用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系。

因此，如果把一段金属丝封入导管中，接入真空系统，并通过一定的电流使丝加热，则丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系。

当输入功率一定时，丝温与气体的热导率有关。

只要用某种方法测出丝温变化，即可经校准而读出压强。

利用热电偶测量丝温是很方便的，因此在一真空测量规管中封一加热丝ff及一热电偶
T+T-，并使二者保持热接触。

加一恒定电流加热ff，而在T+T-两端用毫伏计测量热电动势，就可做成热偶真空计，经核准即可由热电动势读出真空度。

一般热偶计的测量范围是130~0lPa。

本实验用的是Rzh－2型热偶真空计。

3.放电管，高频火花真空检漏仪
低压气体在高压电场中被电离而导电，井发生辉光放电现象，辉光的颜色、形状，亮度将随着气压的不同而改变。

将一封有金属电极的玻璃放电管接入真空系统中，加上高压后就可以通过放电现象来粗略地估计真空度。

放电管中放电现象与真空度的关系见表一。

由于放电现象与剩余气体的压强，成分等多种因素有关，所以观测需要凭经验，只能估计出真空度的数量级。

高频火花真空检漏仪除用作真空检漏外，也可用来估计系统内真空度的数量级。

见表二。

表一
表二
三．定容法测机械泵的抽速
设被抽空间的容积为V，气体压强为P，则所抽气体量可用PV PV表示（注意气体的
克分子数
PV
n
RT
=）。

令机械泵的有效抽速为S，则单位时间内抽出的气体量Q PS
=，此
为抽气口的气体流量，同时此流量等于气体总量的减少率，即：
()
d PV
dt
θ=-
由于V是被抽容积，为恒量，故有：
dP
PS V
dt
=-
对上式积分，得：
0S V
P P e
-
=
式中0P 是0t =时刻容器内气体的压强。

被抽空间的压强P 随时间t 的变化关系为：（注意
0(ln )0d P =）
(ln )
d P S V
dt
=- 此式给出抽速的定义，对于一个容积为V 的容器，只要先求得ln P 和t 的关系曲线，由曲线的斜率
(ln )
d P dt
乘以V ，即可得出抽速S 值。

由于这种方法实际上是测定一个规定容器内的压强P 随时间t 的变化，因此称为定容法。

定容法测机械泵有效抽速的优点是，操作简单，只要求一个真空规，一个秒表和一个适当大小的容器即可。

缺点是在抽速过大时，P t -关系难测准。

此外，使用的容器过小，将招致测量上的困难和实验结果的误差。

而V 过大，则放气严重，在某一瞬间容器内的压强很不均匀，因此测量得到的数据往往误差较大。

实验内容：
1. 实验装置
图四给出实验用的真空系统，包括真空获得设备及测量仪器.在真空系统中用活塞将 机械泵和各种真空计连接起来。

2. 实验内容
(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； (6)研究放电对真空度及热偶计的影响（选做）。

3. 实验步骤提示
（1）实验用的真空系统原已保持一定真空真，开动机械泵（接通马达电源）前，应缓慢地将大气放入系统。

（2）开动机械泵后，气压（由大气压降至几百帕变化很快，要抓紧时间用U 形管和放电管作对比观测。

图四低真空系统
(3)应预先按实验中说明将热偶真空计调整好。

以免巳经抽气需要测量时才发现尚未调整而浪费时间。

在测量过程中要注意使加热电流保持恒定。

(4)在气压较低时，放电对真空度及热偶计示数有显著影响，因此要适当控制放电管，火花检漏仪的使用次数及每次观察时间。

(5)实验结束时，真空系统内应保持真空。

同时机械泵抽气口要与大气相通。

4. 注意事项
(1)操作玻璃真空系统时，必须谨慎.未设计好实验方案并经教员同意之前，切忌乱动。

实验进行时，转动活塞要缓慢。

(2)观察放电现象时，不得触摸高压电源及有关部分，以免触电。

(3)机械泵停止工作后，必须放大气入机械泵。

实验现象与实验数据：
1.观察不同真空度时的放电现象：
压强（Torr）两极放电现象放电管现象
1
10无明显现象无明显现象
10两端略紫色两端呈紫色
2.实验数据
根据以上数据作出P t-图像：
⑴U形管所测数据的图像：
5
10
15
20
25
30
-5000
05000
1000015000200002500030000
35000
40000Y A x i s T i t l e
X Axis Title
⑵ 热偶真空计所测数据的图像：
50
100
150
200
250
5
10
15
20
25
30
Y A x i s T i t l e
X Axis Title
3. 粗真空时的机械泵抽速：
(ln )d P S V
dt =-
下图为ln P t -图像：
Y A x i s T i t l e
X Axis Title
[2006-5-11 21:02 "/Graph3" (2453866)] Linear Regression for Data1_I: Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------ A 10.48777 0.22513 B -0.17658 0.01249
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------ -0.98773 0.3304 7 <0.0001 可知：lnp —t 曲线的斜率为 17658.0ln -==dt
P
d n S = 2L = 0.0023
m
利用公式得到机械泵的抽速：=-=-=n V dt
P
d V
S *ln -0.002*（-0.17658）=3.53E-4W 4. 本次实验的最高真空度为m in P = 132.89474 Pa
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：为了观察放电现象，所以要调节控制抽气泵使其的抽速降低，所以在放进气体时要缓慢，使C1开口很细，这样抽气时抽速会降低，便于观察放电现象。

2）机械泵停泵后，必须注意什么事项,为什么？
答：机械泵工作时由电动机动力维持者抽气口和排气口的压强差，一旦停止工作，排气口的大气压将把真空泵油压到定子腔中，造成返油事故.因此，机械泵停止工作后必须使抽气口与大气相通，使泵的进气口和排气口气压平横.
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，因此要适当控制放电管,火花检漏仪的使用次数及每次观察时间.。