g真空的获得与测量讲解

真空的获得与测量

【真空技术简介】

真空技术在工业生产，科学研究各个领域有着广泛的应用。其中一个重要的方面就是电真空工业。电真空器件，即内部为“真空”环境的电子器件(各种电子管、放大管、显象管等)，因工作原理基于利用电，磁场来控制电子流在空间的运动，以达到放大，振荡，显示图象等目的，如器件内达不到必要的真空度，电子流与气体的碰撞必然使电子流运动规律受到影响，另外电真空器件内的热阴极，光电阴极等都是化学性活泼的表面，极易受到气体的“毒化”而失败。可见，电真空工业是离不开真空技术的。

在尖端科学飞跃发展的近几十年来，在原子能、半导体、计算机基本粒子研究，空间科学、微电子学，表面物理，真空冶金等方面，真空技术不仅做为基本工艺，基本设备起了关键性的作用，而且常涉及到一系列真空物理现象的研究，因此，现代科学技术尖端的迅速发展已促使真空技术发展成为一门具有理论与技术特点的独立的新兴科学，其基本内容有真空物理(包括稀薄气体物理及表面物理)真空获得，真空测量、检漏、真空系统设计，计算等。

1．真空的基本概念

压强小于一个大气压的气态空间通常叫“真空”，在真空技术中，气体的稀薄程度叫真空度。它常用压强的大小来表示，压强越小，真空度越高，反之，压强越大，真空度越低。真空度的高低用压强的单位“帕”来量度。 1标准大气压=1．01×105帕

为了讨论和应用的方便，真空度分为几个区域：

粗真空：压强在1．01×105帕-103帕

低真空：压强在103帕-10-1帕

高真空：压强在10-1帕-10-6帕

超高真空：压强在10-6帕-10-8帕

极高直倥：压强在10-8帕以下

这样划分的根据是压强在1000帕以上的空气、性质与常压下相似；1000帕左右放电现象开始显现；10-1帕是一般机械泵可达到的真空度，10-6帕是扩散泵可达到的极限真空度；10-6帕以下的超高真空靠分子泵，溅射离子泵，，冷凝泵等达到。

绝对的“真空”即完全没有任何物质的空间是达不到的，所谓“真空”内仍然存在眷大量气体分子，只是比大气中少得多而己，现在能获得最低压强比一标准大气压低十九个数量级。随着真空技术在排气和测量技术方面的改进，真空度的下限正在不断降低。用现代排气方法获得的最低压强下，每立方厘米抽成真空的空间里仍然有好几百个分子。

当压强为一个大气压，温度为273K 时，一立方厘米任何气体的分子数N o =2.69×10-19个(洛喜米脱数)。

当压强为P(以帕表示)，温度T(绝对温度)，一立方厘米任何气体的分子数表示为：

T

P N 16103.7⨯= 例：室温20 时(即293K)各种真空度下，每立方厘米气体分子数： ．

P=10-4帕时， N>2．4×1010个／厘米 3

P=10-6帕时， N>2．4×108个／厘米3

P=10-8帕时， N>2．4×106个／厘米3

也就是说在“P=10-8帕超高真空”时每立方厘米仍有240万个以上的气体分子1“真空”只是相对而盲的．

2．不同真空范围的主要应用：

(1)低真空：

保温瓶夹层中，1帕一10-1帕，这种条件下气体分子的热传导，对流作用大大减弱，热量不易散失，起到了保温的作用。各种灯泡中，真空度为10帕—10-1帕，这种条件下氧分子显著减少，足能防止钨丝在高温时被氧化而烧毁，在低真空条件下贮存食物，和易与大气成分发生反应的材料以防变质．

由于在真空条件下汽化点变低，因此，在食品、化工、医药等工业中广泛用来脱水，干燥、蒸镏，如制造干血浆、细菌保存、浓缩鱼肝油等方面。

(2)高真空：

气体分子平均自由程λ与气体压强成反比，真空度越高，平均自由程入越长，单位时间内分子相互碰撞的次数也减少，如空气在P＝10-2帕时，λ＝0．5米，但在P＝10-4时，λ＝50米，各种电子管示波器，显象管都要抽成真空，是为了使电子在运动过程中，不致因受气体分子碰撞而影响运动规律，电子显徽镜、高能粒子加速器，则要求保证粒子在更长的距离内不受气体分子的碰撞，需要10-4一10-6帕的真空度，提钝金屑及熔炼超钝合金的过程中，也离不开真空条件，如半导体锗或硅中只要有百万分之一，或千万分之一的杂质，就可以破坏它们的特性，因此必须在10-4一10-5高真空条件下制备．

(3)超高真空：

表面物理的研究工作都必须在超高真空中进行，因超高真空能保护清洁处理过的表面，在较长时间内不受气体分子的污染。如在超高真空条件下，在经过清洁处理的表面形成单分子层的气体层至少需要经过几小时甚至几月之久，这将有利于对表面物理特性的研究，以及对金属逸出功，热电发射，光电发射等的研究，近年来在大型加速器、热核反应、宇宙航行及空间科学研究中，超高真空都有着极为重要的作用。

【真空的获得】

“真空”的获得，要依靠各种抽气设备。这些抽气设备，简称为“真空泵”。由于真空范围很广，不可能用一种真空泵所能达到，人们利用不同原理设计了各种结构的真空泵。可根据需要选择，常用真空泵有两种：机械泵和扩散泵。分别详细介绍。

1．机械泵

机械泵有好几种，性能较好的是旋片式真空泵，结构如图一a。主体部分是由圆筒形定子1和圆柱形转子2组成。转子在定子腔壁正上方，与定子紧密接触；转子由电动机带动，绕自己的转轴转动，两个旋片3，横嵌在圆柱形转子的直径上，两旋片之间有弹簧4，使两旋片是紧贴在定子腔壁下，旋片将定子分成两个室，当旋片跟着转子转动时，靠近进气口这一室的容积逐渐增大，气体由被抽容器中吸入，同时旋片将另一室内的气体逐渐压缩，气体推开排气阀门6由排气口7排出，转子往返不断地工作，以上过程不断地进行，就达到了抽气的目的，为润滑机器，避免漏气和散热，泵体全部浸没在真空油8内也称为严油封式机械

泵”。

油窗9可看到液面的位置。图一b为机械泵工作原理图。

被抽气体中若有可凝性蒸气，将会凝为液体，还会使泵壁生锈，蒸发到真空中会影响真空度，严重降低了泵的抽气本领。

近代油封式机械泵绝大部分装有气镇装置，成功地解决了机械泵不能抽除可凝性蒸汽的缺点。汽镇装置就是在靠近出气口定子上开一个小孔，并附有螺旋可调节孔的大小，通过小孔可连续不断地把一定量的空气掺入压缩空间可凝性气体中，以提高混合气体的压强，致使蒸汽压强尚未达到它的饱和蒸汽压时，混和气体的压强就足以推开排气阀门，将混合气体排出泵外。

机械泵正常维护很重要，根据机械泵的特点，使用时应注意以下几点：

①工作前要检查油位，油不足时及时添加。

②工作中检查泵温是否高，声音是否异常。

③机械泵转动方向必须是顺时针方向，不能反向转动，否则有油被压入真空系统的危险。