最新7-1真空获得与测量实验1汇总

7-1真空获得与测量

实验1

7-1 真空的获得与测量实验

引言

真空技术已成为先进的科学技术之一，被广泛应用于工业生产、科学研究的各个领域。它与电子管真空工业、原子能、宇宙航行及空间科学研究、表面物理研究、微电子学等有着紧密地联系。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，通过本实验我们将对这些实验的方法和手段进行初步的学习和了解。

实验预习

1．学习旋片式机械真空泵、油扩散泵的工作原理；

2．了解真空的获得与测量实验系统及实验注意事项。

实验目的

1．通过低真空的获得，学习使用旋片式机械真空泵和测量低真空的热偶计。掌握测量容器的体积比。

2．通过高真空的获得，学习使用油扩散真空泵和测量高真空的电离真空计。3．了解玻璃管和金属在高真空中的放气现象和去气方法。

4．通过制作放电管，掌握对放电管充气方法，观察放电管放电现象，并计算最佳放电时放电管内的气压差。

4．测量氦（或氖）放电管光谱，并进行光谱分析（选做）。

实验原理

一、真空的获得

1．真空泵

真空的获得主要是利用气体分子的运动特性，借助真空泵把封闭在真空系统中运动的气体分子排出泵外或者吸收（气体分子永远或暂时留在泵内），同时，阻止外部的气体分子通过真空泵进入真空系统。真空系统内部由于泵口分子被排出导致系统内部的气体浓度不均匀，气体分子会持续不断的向泵口运动，从而形成了“抽”气过程，使得真空系统内部压强低于外部空间，即获得了

真空。对于前一种将气体分子排出泵外的系统，称为开放式抽真空系统，利用真空泵吸收气体分子的系统称为封闭式抽真空系统。

真空系统所能达到的真空程度与真空系统的封闭性，真空泵的工作机理和结构，被抽气体的种类以及真空泵与被抽系统的连接方式有很大的关系。

不同的真空泵适用于不同的真空范围，在实验中开放式系统常用的真空泵有：旋片式机械泵、油扩散泵、罗茨泵、涡轮分子泵等。封闭式系统常用的真空有：吸附泵、锆铝（钛）泵、离子泵和钛升华泵等。

开放式系统常用的真空泵的工作原理和使用方法可参见“真空技术基本知识部分”。

2．玻璃及金属的表面加热去气

玻璃及金属的表面往往会吸附大量的气体，当玻璃及金属在大气中时，这些气体和周围气体达到平衡，但当周围成为真空时，平衡被破坏，吸附在表面的气体会逐渐释放出来，当被抽的容器内压强达到10-3Pa时，这种现象变得愈加明显。一般表现为真空度长时间难以提高，或一旦停止抽气被抽系统的真空度会慢慢降低，这种现象很像系统漏气。

因此，为了获得高真空，或在停止抽气后仍能维持原真空系统的真空度，就需要设法除去吸附在容器表面的气体。实验中常用的方法是在抽到高真空的同时，加热整个金属或玻璃，以提高气体分子的热运动速度，使吸附的气体更快地从表面和体内释放出来，以达到提高系统的真空度。温度越高去气过程越快，但温度不能高于被加热材料的熔点，如玻璃一般限于350C0，加热的方法可以用加热电炉、高频加热法或火焰。高频加热法即把金属部件至于高频电磁场中，利用金属的感应电流（涡流）将金属加热至高温来达到去气目的。

在去气过程，如加热太快，真空度很可能会严重下降，而且容易在高温下损坏玻璃或金属器件，应控制加热并随时用电离真空计观察真空度变化，使其不低于10-2Pa ，随着放气量的减少，逐步提高温度以加速去气。

二、真空的测量

与真空获得密切相关的是真空的测量技术。根据真空度或气体压力范围的不同，其测量方法也大不相同。真空计是测量系统真空度的器件，其基本原理是通过测量与气体压强或密度有某种已知确定规律的物理量来表征所测量的气体压强。真空计的种类很多，不同的真空计测量范围不同，只有通过把多种真空计组合起来使用，即可完成大范围的测量。

1．复合真空计

复合真空计一般是由1～2个热偶真空计和一个电离规管真空计组合起来的真空测量设备。有关热偶真空计和电离规管真空计的工作原理，可参见“真空技术基础知识”部分。

2．扩散硅压阻式差压传感器

差压传感器是压力传感器的一种。压力传感器是利用半导体材料（如单晶硅）的压阻效

应制成的器件。半导体材料因受力而产生应变时，由于载流子的浓度和迁移率

«Skip Record If...»

«Skip Record If...» 通大气口

传感硅片

固定片

测量口

正压力腔 参考压力腔 通大气口 差压测量口

（被测压缺口 内部密封传感硅片 （a ）外形结构 （b ）内部剖面示意 （c ）电路接线示

的变化而导致电阻率发生变化的现象称为压阻效应。差压传感器的原理结构示意图和外形图如图7-1-1所示。

当在差压传感器的2、4两端加上一恒定电压U s后，在其1、3两端会输出一与压差∆P成线性关系的电压U p：

«Skip Record If...»（7-1-1）

U0为压差为零时的输出电压，系数k P一般为一常数。差压传感器在使用时要先通过

定标确定U0和k P的数值，再利用上述公式进行测量。

本实验中使用的24PCC型差压传感器压力范围为15P si

（1Psi=6.895⨯103Pa），其工作电源采用2mA恒流源，电压量程为225mV，灵敏度为15mV/Psi，线性度为±1.0%。一只24PCC用于放电管内气压测量，另一只24PCC用于低真空实验测量。

三、辉光放电及放电管光谱

1．辉光放电现象

气体的辉光放电意味部分气体分子开始分解为可以导电的离子与电子，即形成了等离子体。在如图7-1-2所示的与待抽真空容器相通的玻璃管内封入两个金属电极，就构成了气体放电管，在放电管的两电极上加上数千伏特的直流高电压时，电子就会从阴极逸出并在电场中加速，运动的电子与管中气体原子发生非弹性碰撞时，气体原子就会电离，也会从基态跃迁到激发态，气体原子从激发态返回基态时就有光辐射产生。当真空度为102Pa左右时，气体或蒸气在电压较高(2000V左右)、电流较小(约几毫安)的条件下，放电管中出现的瑰丽的发光现象称为辉光放电。由于电子从阴极向阳极运动过程中，与气体原子非弹