真空的获得与测量实验报告

真空的获得与测量
【摘要】：
在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。

目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、低温泵等。

真空测量仪器主要有U 型真空计、热传导真空计、电离真空计等。

随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。

真空技术已应用于电子技术、航空航天技术、加速器、微电子、工农生产、日常生活等各个领域。

本实验主要是了解最基本的真空系统的结构，尤其是低真空系统的结构，了解低真空的获得设备－机械泵以及热传导真空计、U 型真空。

【关键词】：真空泵，真空获得，测量，真空计 【前言】：
“真空”泛指一个大气压的气体状态。

随着各门科学技术的迅速发展和相互渗透，真空作为一门单独的学科已显得尤为重要，它与电真空工业、原子能、宇宙航行及空间科学研究、表面物理研究、微电子学及真空冶金等有着密切联系并有着广泛地应用。

真空技术的主要环节和基础是真空的获得、真空的测量及真空检漏等。

【正文】：
真空环境的获得往往需要不同种类的真空泵联合使用。

真空泵的基本原理：当泵工作后，形成压差，p 1 > p 2，实现了抽气。

按获得真空方法的原理不同，可将真空泵分为两大类，即输运式真空泵和捕获式真空泵。

输运式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输运至真空系统之外，而捕获式真空泵则依靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，而提高真空系统的真空度。

输运式真空泵又分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵。

真空泵的主要参数： A)抽气效率S=
1P P t
V =∆∆定义为泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体
体积。

或表示为S=
P
Q ，其中Q 为单位时间内流入泵的气体量。

泵的抽气效率S 并不是常数，
随P 变化。

B)极限压强 Pu （极限真空）
C)最高工作压强Pm
D)工作压强范围（Pu —Pm ）：泵能正常工作的压强范围 （一）真空的获得
1、机械泵
机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空的泵。

机械泵的种类很多，目前常用的是旋片式机械泵。

它由一个定子、一个偏心转子、旋片、弹簧组成。

定子为一圆柱形空腔，空腔上装着进气管和出气阀门，转子顶端保持与空腔壁相接触，转子上开有槽，槽内安放了由弹簧连接的两个刮板．当转子旋转时，两刮板的顶端始终沿着空腔的内壁滑动．为了保证机械泵的良好密封和润滑，排气阀浸在密封油里以防止大气流入泵中，但同时也会形成油的蒸汽压，限制了机械泵的极限真空度，并有可能污染真空系统。

为了防止油污染，应特别防止气体倒流，例如，当系统工作一段时间后需要停机，应先关断进气管上的阀门，保持抽气状态，然后给进气管放气，最后才能给机械泵断电。

油通过泵体上的缝隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。

同时，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。

工作时，转子沿着箭头所示方向旋转时，进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口方面容积将已吸入气体压缩从排气口排出。

机械泵的极限压强一般为10-1Pa，主要是由机械泵油的饱和蒸汽压和泵的机械加工精度决定的。

当达到极限真空度时，抽气和漏气速度相等，真空度不再发生变化，如果将两个机械泵结合起来，可以将真空度提高一个数量级。

机械泵的抽气速率主要取决于泵的工作体积，在抽气过程中，随着机械泵进气口处压强的降低，抽气速率也逐渐减小，当抽到系统的极限压强时，系统的漏放气与抽出气体达到动态平衡，此时抽率为零。

目前生产的机械泵多是两个泵腔串联起来的，称为双级旋片机械泵，它比单级泵具有极限真空度高和在低气压下具有较大的抽气速率等优点。

机械泵能否在大气压下启动正常工作，其极限真空度是否理想，它取决于：①定子空间中两空腔间的密封性，因为其中一空间为大气压，另一空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；②排气口附近有一“死角”空间，在旋片移动时它不可能趋于无限小，因此不能有足够的压力去顶开排气阀门；③泵腔内密封油有一定的蒸汽压（室温时约为10-1Pa）。

2、油扩散泵
油扩散泵比机械泵能获得更高的真空度，工作压强范围：10-5～10-7Pa，起始压强正好是机械泵的极限压强，因此，油扩散泵通常利用机械泵作为前级泵，将真空度抽到10-1Pa
后才能开扩散泵。

油扩散泵是利用气体的扩散性质制作的，主要由泵体、冷阱、喷嘴、导管、蒸气流冷却水套和加热器等组成。

扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的。

它的工作原理是通过电炉加热处于泵体下部的专用油，沸腾的油蒸汽沿着伞形喷口高速向上喷射，在喷嘴出口处蒸汽流造成低压，因而使进气口附近被抽气体的压强高于蒸汽流中该气体的压强，所以被抽气体分子就沿蒸汽流束的方向
高速运动，即不断向泵体下部运动,经三级喷嘴连续作用将被抽气体压缩到低真空端由机械泵抽走。

而油蒸汽通过冷却水降温，运动到下部与冷的泵壁接触，又凝结为液体，循环蒸发。

扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。

因为在这一压强下，可以保证绝大部分气体分子以定向扩散形式进入高速蒸汽流。

此外若扩散泵在较高空气压强下加热，会导致具有大分子结构的扩散泵油分子的氧化或裂解．油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸气压和反扩散两部分。

在使用扩散泵时要注意的是：开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵本身抽至几Pa 数量级的预备真空。

再通冷却水，后通电加热泵油。

停机时，应先断开扩散泵加热电源，冷却20分钟后，再断开冷却水源，然后关上通往机械泵的阀门，最后停止机械泵的工作。

这样操作可防止泵油氧化变质，提高真空的清洁程度，延长使用寿命，保证系统的极限真空。

通常的真空系统不是只有一种真空泵在工作，而是由至少两级真空泵组成的。

本实验中真空系统由两级构成，前级泵是旋片式机械泵构成，二级泵是油扩散泵。

（二）、真空的测量
一般实验室常用由热耦真空计和电离真空计合在一起的复合真空计。

它是由热耦规管、电离规管和电测系统而构成的。

①、热偶真空计
也叫热偶规，通常用来测量低真空，可测范围为10～10-1Pa。

它是利用热电偶的电势与加热元件的温度有关，元件的温度又与气
体的热传导有关，而低压下气体的热传导与压强成正比的原理测量
真空的。

它由热偶规管和电测系统构成。

如图，它由一根钨或铂制
成的电热丝，另由AB、AB′两根不同金属组成的一对热电偶。

热电
偶一端（热端）与热丝在A点焊接，另两头B、B′分别焊于芯柱引
线，再接到毫伏表上。

在铂丝上加一定的电流，铂丝温度升高，热电偶出现温差电动势，
它的大小可以通过毫伏计测量。

如果加热电流是一定的，那么铂丝
的平衡温度在一定的气压范围内取决于气体的压强，所以温差电动
势也就取决于气体的压强。

热电动势与压强的关系很难通过计算得
出，需要绝对真空计校准。

然后通过校准曲线对热偶真空计进行定
标。

经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动势来指示真空
度了。

热偶规热丝由于长期处于较高的温度，受到环境气体的作用，故容易老化，所以存在显著的零点漂移和灵敏度变化，需要经常校准。

本设备中热偶规有两个V1和V2，其中V1置于两级真空泵中间，它用来测量的是油扩散泵排气口气压，V2置于真空室下部，用来测量真空室压力。

②、电离真空计
也叫电离规，它由电离真空规管和测量电路两部分组成。

电离真空规管直接联于被测系统或容器。

它由发射电子的阴极，加速并收集电子
的螺旋状的栅极，以及收集正离子的圆筒状的板
极组成。

其结构类似于三极管。

热阴极灯丝加热后发射热电子，栅状阳极具有较高的正电压。

热电子在栅状阳极作用下加速并被阳极吸收。

由于栅状阳极的特殊形状，除了一部分电子被吸收外，其他的电子流向带有负电的板状收集极，再返回阳极。

也就是说部分电子要来回往返几次才能最终
被阳极吸收。

可以想象，在电子运动的过程中，一定会与气体分子碰撞并电离，电离的阳离子被收集极吸收并形成电流。

电子电流I e 、阳离子电流I +与气体压强之间满足如下关系：
KP
I I e =+
式中的K 为称为电离计的灵敏度。

通常将电子电流I e 保持一定值，然后用绝对真空计杰校准。

绘出I +—P 关系曲线，就可确定出K 来。

由上述公式可以确定出气压。

对于很高真空度的情况，气体分子很稀薄，所以被电离的气体分子数目很小，因此需要配置微电流放大装置和灯丝稳流装置。

电离规的线性指示区域是10－3
～10－7
Torr 。

电离规是中高真空范围应用最广的真空计。

低真空范围内，电离规的灯丝和阳极很容易被烧掉，所以一定要避免在低真空情况下使用电离规。

二、实验仪器
真空 真空泵 真空计 三、实验过程与内容
1.熟悉实验仪器与实验流程；
2.关闭仪器所有的阀门；
3.将三通阀推至死点，打开电源，打开机械泵电源，进行抽气，数分钟后，当压强达到6.7帕以下时，将三通阀拉至死点，进行抽气，当压强也小于6.7帕时，再次将三通阀推至死点；
4.接通冷却水，打开碟阀开关，再打开油泵电源，对真空室抽气；
5.观察压强的变化，当其示数小于0.1帕时，打开电离真空计，调至10-1
档，观测示数的变化，并在相同间隔时间内记录数据；
6.当示数的值小于1时，调至10-2
档，再进行观测和记录数据，依次进行调低； 7.数据部发生明显变化时，可适当延长记录的间隔时间，以便得到更准确的数据。

8.实验结束后，应先关电离真空计，再关碟阀，再关闭机械泵以及电源。

再这个过程中，一直保持冷却水流通，直至大约二十分钟后流出的水达到常温为止。

四、实验数据
低真空最低压强P=0.3pa 高真空最低压强P=3.4×10-3
pa
1、机械泵获得低真空度（使用热偶真空计）： 真空腔体气压P 最初气压至0.3pa,用时 T=15min
时间与压强变化如下表所示：(表一) P(1×10-2pa) 3.8 3.4
3.2 3.0 2.6 T(s)
20 30 54 68 78 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 96 107 118 133 157 177 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 206 217 250 272 313 360 0.7 0.6 / / / / 412 491 2、油扩散泵获得较高真空度（使用电离真空计）：（表二）：
P （1×10-3
pa ）
5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 T(s) 512 531 553 570 600 4.8
4.6 4.4 4.2 3.6 / 630
664
703
745
892
表一
表二
五、实验注意事项：
（1）开关电离真空计时要注意，打开时要保证真空室内的压强小于0.1帕才能打开电离真空计的加热开关；使用过程中，保证其压强一直保持小于0.1帕，如果压强将要接近0.1帕时，要抢先关掉电离真空计；关掉电离真空计也要在压强小于0.1帕时关掉。

（2）开关高真空蝶阀是要注意，在油扩散泵处于高温时，打开高真空蝶阀前是要保证真空室的压强小于6.7帕；在工作过程中，保证其压强一直保持小于6.7帕，如果压强将要接近6.7帕时，要抢先关掉高真空蝶阀；关闭高真空蝶阀是也要在压强小于6.7帕时关掉。

（3）开关冷却水时要注意，在开始加热油扩散泵前打开，开始通冷却水时要慢慢增加，并注意冷却水是否畅通；工作过程中，保证其通畅，要随时关注水温，水温过高，加大水量，水温低，则可以适当关小；关闭冷却水要在关掉油扩散泵的加热后，等油冷却后再关，一般情况是冷却二十分钟。