本科畢業(yè)論文_高真空系統(tǒng)的維修與檢測(cè).doc

本科畢業(yè)論文_高真空系統(tǒng)的維修與檢測(cè) 本科畢業(yè)論文 論文題目： 高真空系統(tǒng)的維修與檢測(cè) 院 系： 物理學(xué) 專(zhuān) 業(yè)： 物理學(xué) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職 稱(chēng)： 高級(jí)講師 2009 年 6 月 9 日學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)專(zhuān) 業(yè)物理學(xué)指導(dǎo)教師姓名職 稱(chēng)高級(jí)講師部 門(mén)物理學(xué)系論文題目高真空系統(tǒng)的維修與檢測(cè)論文摘要:真空技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用非常廣泛，真空科學(xué)是一門(mén)重要的學(xué)科方向。懂得如何操作和檢測(cè)真空系統(tǒng)，甚至學(xué)會(huì)如何維護(hù)一個(gè)真空系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)技能。本文的主要工作是修復(fù)一套多年未維護(hù)且有故障的用于制作弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管的高真空系統(tǒng)，并以此為例，講述了高真空的獲得、檢測(cè)和維護(hù)的相關(guān)知識(shí)。最后對(duì)修復(fù)后的系統(tǒng)進(jìn)行了抽速、器壁放氣等測(cè)試，比較了兩種不同的粗真空計(jì)的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞:高真空技術(shù) 真空系統(tǒng)的維修 真空檢測(cè)AbstractVacuum technique is widely used in modern research and daily practice. Vacuum science is a very important subject.The main purpose of this work is to repair a high-vacuum system, which was used for the fabrication of Frank-Hertz tube. The system has not been operated for several years. Based on this, this thesis introduced systematically related topics on operation, measurement and maintenance of a high-vacuum system. At last, pumping speed and out-gassing of the chamber were investigated on the repaired system. As well, measuring results from two different kinds of gauge for coarse vacuum were compared. Related topics were further discussed.Key wordsHigh-vacuum technology, repair a high-vacuum system, vacuum testing摘要真空技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用非常廣泛，真空科學(xué)是一門(mén)重要的學(xué)科方向。懂得如何操作和檢測(cè)真空系統(tǒng)，甚至學(xué)會(huì)如何維護(hù)一個(gè)真空系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)技能。本文的主要工作是修復(fù)一套多年未維護(hù)且有故障的用于制作弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管的高真空系統(tǒng)，并以此為例，講述了高真空的獲得、檢測(cè)和維護(hù)的相關(guān)知識(shí)。最后對(duì)修復(fù)后的系統(tǒng)進(jìn)行了抽速、器壁放氣等測(cè)試，比較了兩種不同的粗真空計(jì)的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞高真空技術(shù) 真空系統(tǒng)的維修 真空檢測(cè)AbstractVacuum technique is widely used in modern research and daily practice. Vacuum science is a very important subject.The main purpose of this work is to repair a high-vacuum system, which was used for the fabrication of Frank-Hertz tube. The system has not been operated for several years. Based on this, this thesis introduced systematically related topics on operation, measurement and maintenance of a high-vacuum system. At last, pumping speed and out-gassing of the chamber were investigated on the repaired system. As well, measuring results from two different kinds of gauge for coarse vacuum were compared. Related topics were further discussed.Key wordsHigh-vacuum technology, repair a high-vacuum system, vacuum testing目錄導(dǎo)言2第一章：真空技術(shù)概述21.1真空物理概念2空2分類(lèi)應(yīng)用2氣體動(dòng)力學(xué)模型3統(tǒng)的基本組成51.2真空密封技術(shù)5：永久密封5：可拆密封57真空閥門(mén)81.3真空抽氣技術(shù)9空泵9真空泵11集式真空泵121.4真空計(jì)量技術(shù)13空計(jì)13空計(jì)13的“量程”15第二章：JK-100高真空抽氣系統(tǒng)的維修162.1 JK-100高真空抽氣系統(tǒng)概述162.2 系統(tǒng)的拆卸、清洗、更換171717.更換18.完成182.3組裝過(guò)程中的問(wèn)題與解決18第三章：真空系統(tǒng)特性測(cè)定193.1真空系統(tǒng)抽氣時(shí)間研究193.2真空系統(tǒng)漏氣研究223.3電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)的關(guān)聯(lián)曲線(xiàn)233.4真空材料的除氣研究25結(jié)語(yǔ)29參考文獻(xiàn)30致謝31導(dǎo)言真空技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)組成部分，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與生產(chǎn)等各個(gè)部門(mén)。本文從一臺(tái)機(jī)械-擴(kuò)散機(jī)組入手，對(duì)真空技術(shù)各方面進(jìn)行介紹。本章介紹真空的基本原理、真空系統(tǒng)的組成、真空密封、真空抽氣、真空計(jì)量。真空，是指給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程度稱(chēng)真空度，大小以系統(tǒng)壓強(qiáng)表示。氣體密度越小，大氣壓強(qiáng)越低，真空度越高。隨著氣態(tài)空間中氣體分子密度的減小，氣體的物理性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，基于氣體性質(zhì)的這一變化，在不同的真空狀態(tài)下，應(yīng)用各種不同的真空工藝（如表1）。表1. 不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況真空狀態(tài)氣體性質(zhì)應(yīng)用原理應(yīng)用概況粗真空105 103P76010Torr氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無(wú)氣體分子空間特性的變化分子相互間碰撞頻繁利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力及感差力均勻的原理實(shí)現(xiàn)真空的力學(xué)應(yīng)用1.真空吸引和輸運(yùn)固體、液體、膠體和微粒；2.真空吸盤(pán)起重、真空醫(yī)療器械；3.真空成型，復(fù)制浮雕；4.真空過(guò)濾；5.真空浸漬。低真空103 10-1Pa1010-3Torr氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下，氣體分子密度較小利用氣體分子密度降低可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化加熱利用氣壓降低時(shí)氣體的熱傳導(dǎo)及對(duì)流逐漸消失的原理實(shí)現(xiàn)真空隔熱和絕緣；利用壓強(qiáng)降低液體沸點(diǎn)也降低的原理實(shí)現(xiàn)真空冷凍真空干燥1.黑色金屬的真空熔煉 ， 脫氣 、 澆鑄和熱處理；2.真空熱軋、真空表面滲鉻；3.真空絕緣和真空隔熱；4.真空蒸餾藥物、油類(lèi)及高分子化合物；5.真空冷凍、真空干燥；高真空10-1 10-6Pa10-310-8Torr分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁；氣體分子密度小利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學(xué)作用徽弱的特點(diǎn)進(jìn)行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產(chǎn)1.稀有金屬、超純金屬和合金、半導(dǎo)體材料的真空熔煉和精制；2.半導(dǎo)體材料的真空提純和晶體制備；3.高溫金相顯微鏡及高溫材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制造；4.真空鍍膜，膜一刻蝕等表面改性；5.電真空工業(yè)電光管、離子管、電子源管、電子衍射儀，電子顯微鏡，各種粒了加速器、能譜儀，氣體激光器的制造；超高真空10-1 10-6Pa10-110-8Torr氣體分子密度攝低與器壁磋撞的次敵極少致使表面形成單分子層的時(shí)間增長(zhǎng)；氣態(tài)空間中只有固體本身的原子幾乎沒(méi)有其他原子或分子的存在。利用氣體分子密度極低與表面碰撞極少，表面形成單一分子層時(shí)間很長(zhǎng)的原理實(shí)現(xiàn)表面物理與表面化學(xué)的研究1.可控?zé)岷司圩兊难芯浚?.時(shí)間基準(zhǔn)氫分子鏡的制作；3.表面物理表面化學(xué)的研究；4.宇宙空間環(huán)境的模擬；5.大型同步質(zhì)子加速器的運(yùn)轉(zhuǎn)；6.電磁懸浮式高精度陀螺儀的制作。真空環(huán)境是一種低氣壓狀態(tài)，因而必須服從氣體實(shí)驗(yàn)定律，氣體狀態(tài)方程：PV NkT （1.1）式中，P是氣體壓強(qiáng)；V是氣體容積；T是氣體絕對(duì)溫度；N是氣體分子總數(shù)；k是Boltzman常量，k 1.3810-23Pa?m2?K-4。通常用氣體動(dòng)力學(xué)理論能解釋真空性質(zhì)與壓強(qiáng)之間的關(guān)系。該理論假定氣體分子可以用不停地自由運(yùn)動(dòng)的硬球表示；分子間以及分子與器壁見(jiàn)只發(fā)生彈性碰撞。從這些假定出發(fā)，可演繹出許多關(guān)系和準(zhǔn)則，解釋氣體的性質(zhì)。對(duì)于高真空、超高真空，常用以下概念描述：1.P 1/3 mnvs2 （1.2）2.vv+dv之間的幾率為： （1.3）面的分子數(shù)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)轟擊到真空中單位面積上的分子數(shù) 1/4 nvm （1.5） （1.6）表2列出了不同壓強(qiáng)下氮?dú)獾钠骄杂沙虜?shù)值、入射到單位面積上的分子束和單分子層形成時(shí)間：壓強(qiáng)Pa10510-410-610-810-10n2.710192.710102.71082.71062.71042.810232.810142.810122.810102.8108610-66103610561076109310-19s3s5min8.5h35天n 分子數(shù)/cm3,在0時(shí) 入射分子數(shù)/cm2,在0、s-1時(shí)。 平均自由程，單位cm。 單分子層形成時(shí)間，粘附幾率為1。通常真空系統(tǒng)由以下幾部分組成：1抽氣設(shè)備：各種真空泵2真空閥門(mén)；3連接管道；4真空測(cè)量裝置：真空壓力表、各種規(guī)管；5其它元件：例如捕集器、除塵器、儲(chǔ)氣罐等再之后幾節(jié)中將分別詳細(xì)介紹這些組成。真空系統(tǒng)是由真空泵、閥門(mén)、撲集器、導(dǎo)管等各種元件通過(guò)不同的連接形式組成的，就是真空室也是由多個(gè)部件，多種不同材料的組件組建而成的。這些各式各樣的零件要用不同的密封方法連接在一起，這些密封方法既要保證零件的可靠連接又要防止通過(guò)接頭發(fā)生漏氣，保證真空系統(tǒng)的密封質(zhì)量，把真空系統(tǒng)的漏氣率控制在一定范圍內(nèi)，所以真空密封是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝配過(guò)程中的重要問(wèn)題。有些真空密封除了要求不漏氣之外，還要求能夠允許電流傳輸、運(yùn)動(dòng)的傳輸、材料的遞送或者讓輻射傳輸。為了適應(yīng)各種不同要求，采用了很多種不同結(jié)構(gòu)形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。根據(jù)連接件的相互關(guān)系，密封方法、用途和材料的不同，可以對(duì)真空技術(shù)中所使用的密封方法進(jìn)行分類(lèi)?？偲饋?lái)說(shuō)，根據(jù)被連接件的相互關(guān)系，可以將真空密封分為兩大類(lèi)：靜密封連接和動(dòng)密封連接。這些密封連接方法分別適用于不同的工作條件。永久密封連接用于不需經(jīng)常拆卸的密封連接處，用這種方法可以保證最好的密封和機(jī)械強(qiáng)度。常見(jiàn)的永久密封有：金屬與金屬的焊接、金屬與玻璃或玻璃與玻璃的封接等。在真空系統(tǒng)需要經(jīng)常拆卸的地方，應(yīng)用可拆密封連接，這種連接在密封性能和機(jī)械強(qiáng)度上雖然不如永久連接，但是真空系統(tǒng)某些地方是需要經(jīng)常拆卸的，因此這種連接用得較多。其結(jié)構(gòu)有如下幾種。用于靜連接的彈性體密封墊圈由于彈性體具有彈性好、受壓時(shí)體積不變，可堵塞漏氣路徑等一系列特點(diǎn)，因此把氯丁橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠、聚四氯乙烯等彈性體制成圓形截面或矩形截面的環(huán)，然后將其夾在兩個(gè)連接件之間并壓縮，即可實(shí)現(xiàn)真空靜連接密封的目的。圖1.1丁腈橡膠O型圈圖1.2墊圈連接的形式圖1.3墊圈鏈接實(shí)物圖這種彈性體墊圈的密封性能主要取決于彈性體和被連接件之間接觸面的粗糙度及彈性體本身的透氣性、放氣率和蒸氣壓等因素。2. 用于靜連接的金屬密封墊圈為了適應(yīng)超高真空系統(tǒng)進(jìn)行高溫烘烤的需要，在超高真空管道連接處應(yīng)采用金屬密封墊圈，其材料大都是具有延展性好、蒸氣壓低的一些金屬及合金（如銦、鋁、銅、銀、金、蒙耐爾合金等）。圖1.4 金屬密封墊圈實(shí)物圖圖1.5 矩形截面金屬密封圈截面圖 金屬密封墊圈與彈性體墊圈金屬密封墊圈與彈性體墊圈相比較雖然具有放氣量小、滲透率低、能耐高溫烘烤等優(yōu)點(diǎn)，但是密封時(shí)需要有較大的壓緊力和較嚴(yán)格的調(diào)整技術(shù)，而且重復(fù)使用次數(shù)也較少。.真空規(guī)管的密封連接真空規(guī)管靠擰緊螺母或壓帽壓縮膠圈來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。圖1.6 真空規(guī)管密封圖圖1.7 真空規(guī)管密封實(shí)物圖把運(yùn)動(dòng)傳遞到真空容器中所需要的密封連接稱(chēng)為動(dòng)密封連接。各種真空設(shè)備中的的動(dòng)密封連接實(shí)例很多，如各種真空閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉；真空熔煉爐、真空熱處理爐的送料、拉錠、澆注等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)；真空鍍膜設(shè)備工件架的轉(zhuǎn)動(dòng)等。 真空動(dòng)密封連接結(jié)構(gòu)與工作在常壓下的密封結(jié)構(gòu)有所不同。這種密封除了要求其結(jié)構(gòu)本身有足夠的強(qiáng)度、壽命和合理的外形尺寸等外，針對(duì)真空特點(diǎn)，它還必須保證密封的可靠性。即動(dòng)密封連接在長(zhǎng)期工作中必須保證外界環(huán)境不向真空容器內(nèi)漏氣或使漏氣維持在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。就真空容器所要求的傳動(dòng)性質(zhì)來(lái)看，動(dòng)密封所傳遞的運(yùn)動(dòng)主要有往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和包括這三種運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)等四種情況。為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)真空特點(diǎn)、動(dòng)密封連接在很大程度上決定于密封部分所采用的方法。真空動(dòng)密封常采用金屬波紋管密封實(shí)現(xiàn)向真空中傳遞直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。金屬波紋管是用金屬制成的薄壁摺皺軟管，富有彈性、易于彎曲與伸縮。應(yīng)當(dāng)注意的是波紋管只能作伸縮和彎曲變形，不能承受扭轉(zhuǎn)。由于金屬波紋管能夠同高真空裝置的其它元件一起進(jìn)行高溫去氣，所以可以用于真空度為lO-8Pa的真空容器中傳遞運(yùn)動(dòng)。圖1.8 金屬波紋管圖1.9 波紋管實(shí)現(xiàn)真空中運(yùn)動(dòng)的傳遞圖1.9左邊是金屬波紋管用在低真空閥門(mén)中傳遞直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)密封的例子。圖中波紋管的一端焊在閥板上，另一端焊在法蘭上，通過(guò)軸桿與閥板的螺紋連接將軸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)殚y板的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。中圖和右圖是金屬波紋管傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的密封型式。在工作當(dāng)中，金屬波紋管隨桿件的動(dòng)動(dòng)而作搖動(dòng)，其上并不承受扭矩的作用。在真空系統(tǒng)中，用來(lái)改變氣流方向，調(diào)節(jié)氣流量大小，切斷或接通管路的真空系統(tǒng)元件稱(chēng)為真空閥門(mén)。真空閥門(mén)在真空系統(tǒng)中的作用是：開(kāi)關(guān)氣路、控制氣流大小、定量充氣等。常見(jiàn)的真空閥門(mén)如蝶閥，閥板的邊緣上嵌有O形密封圈，閥板靠螺栓固定在傳動(dòng)軸閥桿上，使閥桿帶動(dòng)閥板轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)閥板上的密封圈與閥體緊密接觸時(shí)即實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)的關(guān)閉，從關(guān)閉位置、閥板再轉(zhuǎn)動(dòng)90O時(shí)，閥門(mén)即完全打開(kāi)，該種閥門(mén)的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖1.10 真空蝶閥零部件全圖又如插板閥，彈性體密封圈是嵌在閥體上。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄即可打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，能通過(guò)氣體、液體、固體、下料和取樣等。圖1.11插板閥結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖另一種常見(jiàn)的閥門(mén)是針閥。針閥是一種微調(diào)閥，其閥塞為針形，主要用作調(diào)節(jié)氣流量。微調(diào)閥要求閥口開(kāi)啟逐漸變大，從關(guān)閉到開(kāi)啟最大能連續(xù)細(xì)微地調(diào)節(jié)。針形閥塞即能實(shí)現(xiàn)這種功能。針形閥塞一般用經(jīng)過(guò)淬火的鋼制長(zhǎng)針，而閥座是用錫、銅等軟質(zhì)材料制成。閥針與閥座問(wèn)的密封是依靠其錐面緊密配合達(dá)到的。圖1.12 針閥結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖真空泵是用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對(duì)被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。真空泵的極限真空或稱(chēng)極限壓強(qiáng)是指經(jīng)過(guò)充分抽氣后所能達(dá)到的壓強(qiáng)最低的穩(wěn)定的真空度。隨著真空應(yīng)用的發(fā)展，真空泵的種類(lèi)已發(fā)展了很多種，其抽速?gòu)拿棵肓泓c(diǎn)幾升到每秒幾十萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)升。極限壓力 極限真空 從粗真空到10-12Pa以上的超高真空范圍。工作壓強(qiáng)范圍是泵能正常工作的壓強(qiáng)范圍，由于真空應(yīng)用部門(mén)所涉及的工作壓力的范圍很寬，因此任何一種類(lèi)型的真空泵都不可能完全適用于所有的工作壓力范圍，只能根據(jù)不同的工作壓力范圍和不同的工作要求，使用不同類(lèi)型的真空泵。為了使用方便和各種真空工藝過(guò)程的需要，有時(shí)將各種真空泵按其性能要求組合起來(lái)，以機(jī)組型式應(yīng)用，依抽氣范圍由低至高分稱(chēng)前級(jí)泵以及主泵。真空泵依照其抽氣原理，可分為機(jī)械真空泵、蒸汽流真空泵和氣體捕集式真空泵三種。凡是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng) 以獲得真空的泵，稱(chēng)為機(jī)械真空泵。分為變?nèi)菔胶蛣?dòng)量傳輸式兩種。1. 變?nèi)菡婵毡茫核抢帽们蝗莘e的周期變化來(lái)完成吸氣和排氣以達(dá)到抽氣目的的真空泵。氣體在排出泵腔前被壓縮。例如JK-100機(jī)組的前級(jí)泵旋片真空泵，渦輪分子泵等。（1）旋片真空泵旋片真空泵主要由定子、旋片、轉(zhuǎn)子組成。在泵腔內(nèi)偏心地裝有轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子槽中裝有兩塊旋片，由于彈簧彈力作用而緊貼于缸壁 轉(zhuǎn)動(dòng)后還有旋片離心力 。轉(zhuǎn)子和旋片將定子腔分成吸氣和排氣兩部分。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)周期性地將進(jìn)氣口方面容積逐漸擴(kuò)大而吸入氣體，同時(shí)逐漸縮小排氣口一側(cè)的容積將已吸入的氣體壓縮并從排氣閥排出。工作范圍大氣壓至110-2Pa。圖1.13旋片真空泵結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖圖1.14旋片真空泵工作原理圖（2）渦輪分子泵（常見(jiàn)簡(jiǎn)稱(chēng)：分子泵）渦輪分子泵是由一系列的動(dòng)、靜相間的葉輪相互配合組成。每個(gè)葉輪上的葉片與葉輪水平面傾斜成一定角度。動(dòng)片與定片傾角方向相反。主軸帶動(dòng)葉輪在靜止的定葉片之問(wèn)高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將動(dòng)量傳遞給氣體分子使其產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抽氣目的。工作范圍110-1110-8Pa。圖1.15渦輪分子泵結(jié)構(gòu)圖分子泵的轉(zhuǎn)速越高，對(duì)提高分子泵的抽速越有利。實(shí)踐表明，對(duì)不同分子量的氣體分子其速度越大，泵抽除越困難。例：H2 在空氣中含量很小，但由于H2分子具有很大的運(yùn)動(dòng)速度 最可幾速度為1557m/s ，所以分子泵對(duì)H2的抽吸困難。通過(guò)對(duì)極限真空中殘余氣體的分析，可發(fā)現(xiàn)氫氣比重可達(dá) 85，而分子量較大，而運(yùn)動(dòng)速度慢的油分子所占的比重幾乎為零。這就是分子泵對(duì)油蒸氣等高分子量的氣體的壓縮比很高，抽吸效果好的原因?？扛咚僬羝淞鲾y帶氣體進(jìn)行抽氣的是蒸汽流真空泵。主要有：水蒸汽噴射泵、油擴(kuò)散泵等。例如JK-100機(jī)組的主泵油擴(kuò)散泵。當(dāng)油蒸汽從傘形噴嘴高速?lài)姵龊?，其速度逐漸增大，壓力及密度逐漸降低，射流上邊的被抽氣體因密度差要向蒸汽射流中擴(kuò)散并被射流攜帶到水冷的泵壁處，在此處，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油鍋中循環(huán)使用，而被抽氣體在此堆積、壓縮，最后被下級(jí)射流攜帶走，以達(dá)到逐級(jí)壓縮，最后被前級(jí)泵抽走。油擴(kuò)散泵不能單獨(dú)使用，一般采用機(jī)械泵為前級(jí)泵，以滿(mǎn)足出口壓強(qiáng) 最大40Pa ，如果出口壓強(qiáng)高于規(guī)定值，抽氣作用就會(huì)停止。工作范圍110-1210-4Pa。圖1.16 油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖部分未在器壁處冷凝的油蒸汽，則在水冷擋板出冷凝回流。圖1.17水冷擋板實(shí)物圖氣體捕集式真空泵是一種使氣體分子被吸附或凝結(jié)在泵內(nèi)表面上的真空泵。常見(jiàn)的如濺射離子泵、鈦升華泵，這兩者都是使被電離的氣體通過(guò)電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用吸附在吸氣材料的表面上，以達(dá)到抽氣目的的。1.濺射離子泵靠Penning放電維持抽氣的一種無(wú)油清潔超高真空泵。是目前抽惰性氣體較好的真空獲得設(shè)備。主要由陽(yáng)極、陰極、磁場(chǎng)和電源四大部分組成，極間電壓幾千伏特，軸向磁場(chǎng)幾千高斯。電場(chǎng)迫使電離或離子轟擊陰極產(chǎn)生的電子在陰極間震蕩，磁場(chǎng)不讓電子直接到達(dá)陽(yáng)極而是沿螺旋路徑運(yùn)動(dòng)，以增大電離幾率。濺射離子泵的工作范圍是10-210-8Pa。圖1.18濺射離子泵結(jié)構(gòu)圖圖1.19 鈦升華泵結(jié)構(gòu)圖2.鈦升華泵利用加熱的方法升華鈦并使其沉積在一個(gè)冷卻的表面上，對(duì)氣體進(jìn)行薄膜吸附的抽氣裝置。鈦升華泵的工作過(guò)程是由控制器通電給升華器 或熱絲 ，使鈦加熱到足夠高的溫度 1100 直接升華。升華出來(lái)的鈦沉積在用水或液氮冷卻的表面上，形成新鮮的鈦膜層。鈦在升化和沉積的過(guò)程中，與活性氣體結(jié)合成穩(wěn)定的化合物 固相的TiO或TiN ，結(jié)果將空間的氣體分子抽除了。吸附機(jī)理是比較復(fù)雜的通常認(rèn)為是物理吸附和化學(xué)吸附綜合作用的結(jié)果，以化學(xué)吸附為主。工作范圍是10-110-8Pa。真空計(jì)又稱(chēng)真空規(guī)，是測(cè)量真空度的儀器，可分為絕對(duì)真空計(jì)和相對(duì)真空計(jì)兩種。直接讀取氣體壓力，其壓力響應(yīng) 刻度 可通過(guò)自身幾何尺寸計(jì)算出來(lái)或由測(cè)力確定。絕對(duì)真空計(jì)對(duì)所有氣體都是準(zhǔn)確的且與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)，屬于絕對(duì)真空計(jì)的有U型壓力計(jì)、壓縮式真空計(jì)和熱輻射真空計(jì)等。圖1.20 U型計(jì)結(jié)構(gòu)圖絕對(duì)真空計(jì)的缺點(diǎn)是不能連續(xù)測(cè)量，由于每測(cè)量一次需升降水銀一次，不能連續(xù)讀數(shù)，只能測(cè)粗真空、低真空，操作費(fèi)時(shí)。由一些氣體壓力有函數(shù)關(guān)系的量來(lái)確定壓力，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)刻度，必須進(jìn)行校準(zhǔn)才能刻度。相對(duì)真空計(jì)的種類(lèi)很多，如熱傳導(dǎo)真空計(jì)和電離真空計(jì)等。1.熱傳導(dǎo)真空計(jì)利用低壓下氣體熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)這一原理制成。常用的有電阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)。原理是在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周?chē)鷼怏w和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導(dǎo)，因而也就決定于氣體壓力。如果預(yù)先進(jìn)行了校準(zhǔn)則可用熱絲的溫度或其相關(guān)量來(lái)指示氣體的壓力。其中，利用熱電偶直接測(cè)量熱絲的溫度變化的熱傳導(dǎo)真空計(jì)叫熱偶真空計(jì)，測(cè)量范圍10010-1 Pa；利用熱絲電阻隨溫度變化的性質(zhì)，由測(cè)得的電阻值推導(dǎo)熱絲溫度變化的熱傳導(dǎo)真空計(jì)叫電阻真空計(jì)，測(cè)量范圍：大氣壓至110-1Pa。圖1.21熱偶真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖1.22電阻真空計(jì)實(shí)物圖2.電離真空計(jì)電離真空計(jì)的工作原理是：電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級(jí)電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù)，正比于氣體密度n,在一定溫度下正比于氣體的壓力p。因此，可根據(jù)離子電流的大小指示真空度。常見(jiàn)的是熱陰極電離真空計(jì)。熱陰極電離真空計(jì)由測(cè)量規(guī)管 或規(guī)頭 和電氣測(cè)量電路 真空計(jì)控制單元和指示單元 組成。規(guī)管功能是把非電量的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電量即離子電流。熱陰極電離真空計(jì)規(guī)管的基本結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)電極（如圖1.23）： 1 提供一定數(shù)量電子流Ie的燈絲作陰極； 2 產(chǎn)生電子加速場(chǎng)并收集電子流的陽(yáng)極即電子加速極； 3 收集離子流Ii的收集極 相對(duì)陰極為負(fù)電位 。圖1.23熱陰極電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖離子流Ii與壓力p可用下式表示：Ii KIep 式中K是規(guī)管系數(shù)，單位為Pa-1。在一定壓力范圍內(nèi)K為一常數(shù)，若保持發(fā)射電子流I，為一恒量時(shí)，則離子流Ii與壓力p呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)壓力高到某一值時(shí)，K值會(huì)隨壓力p而變化，這就達(dá)到了壓力線(xiàn)性測(cè)量上限p，它由電極的幾何結(jié)構(gòu)、電極間電位分布以及發(fā)射電流大小所決定。規(guī)管系數(shù)K在氣體壓力p很低時(shí)仍可保持為常數(shù)，但離子流Ii隨壓力p降低而減小到一定限度后，將會(huì)埋沒(méi)在電離計(jì)工作中不可避免地存在著的其它與壓力p無(wú)關(guān)的本底電流之中，因而達(dá)到其壓力測(cè)量下限pmin。這種本底電流包括X射線(xiàn)光電流等。因此，熱陰極電離真空計(jì)存在一個(gè)測(cè)量范圍pmin p p，通常在10-110-5Pa，是最常用的高真空測(cè)量規(guī)。壓力測(cè)量中，除極少數(shù)直接測(cè)量外，絕大多數(shù)是間接測(cè)量。就是先在被測(cè)氣體中引起一定的物理現(xiàn)象，然后再測(cè)量這一過(guò)程中與壓力有關(guān)的物理量，進(jìn)而設(shè)法確定壓力值。然而，任何具體物理現(xiàn)象與壓力的關(guān)系，都是在某一壓力范圍內(nèi)才最顯著，超出這個(gè)范圍，關(guān)系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍，這個(gè)范圍就是真空計(jì)的“量程”。盡可能擴(kuò)展每一種方法的量程，是真空科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。近代真空技術(shù)所涉及到的壓力范圍寬達(dá)19個(gè)數(shù)級(jí) 10510-14pa ，沒(méi)有任何一種真空計(jì)能測(cè)量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計(jì)分別管轄一定的區(qū)域。例如在JK-100機(jī)組中，同真空腔體上安裝了測(cè)低真空的電阻真空計(jì)和測(cè)高真空的電離真空計(jì)。實(shí)驗(yàn)所用JK-100高真空抽氣機(jī)組由上海曙光機(jī)械制造廠(chǎng)于1999.6出產(chǎn)。是最典型的機(jī)械-油擴(kuò)散抽氣系統(tǒng)。所用機(jī)械泵為2XZ-2型旋片真空泵，油擴(kuò)散泵為水冷式，銘牌標(biāo)示極限真空2.710-4Pa。全系統(tǒng)共安裝3個(gè)真空計(jì)，分別為電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)以及電離真空計(jì)。后兩者連接在SG-3II復(fù)合真空計(jì)上讀數(shù)，以Pa為單位，量程在2010-5Pa；電阻真空計(jì)連接ZDZ-1真空計(jì)讀數(shù)，以Torr為單位，量程在2010-3Torr（約合10310-1Pa）。全系統(tǒng)共計(jì)有蝶閥3個(gè)（原為4個(gè)，重裝后一通氣口封死），擋板閥1個(gè)，針閥1個(gè)。圖2.1 JK-100高真空抽氣機(jī)組結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)初始時(shí)機(jī)械泵可抽至0.7Pa，電離規(guī)不能正常開(kāi)始工作。拆卸后，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散泵內(nèi)硅油已部分氧化變黑，很多接口處丁腈橡膠O型圈損壞變形。圖2.2 泵芯與變黑的硅油卸由于機(jī)械泵不能達(dá)到極限壓強(qiáng)、以及懷疑擴(kuò)散泵內(nèi)油已氧化等原因，將全系統(tǒng)拆卸重裝。圖2.3 儀器拆卸后部分零部件圖2.清洗真空零部件的表面清洗處理是很必要的，因?yàn)橛晌廴疚锼斐傻臍怏w、蒸氣源會(huì)使真空系統(tǒng)不能獲得所要求的真空度。此外，由于污染物的存在，還會(huì)影響真空部件連接處的強(qiáng)度和密封性能。對(duì)于被已氧化的硅油污染的擴(kuò)散泵內(nèi)部，及拆卸后暴露于大氣的各管道、閥門(mén)處進(jìn)行了清洗。步驟是：清除泵油、用紗布蘸煤油擦洗泵壁。用細(xì)砂步打磨泵內(nèi)部，清除積垢。依次用丙酮、苯、無(wú)水乙醇清洗內(nèi)部，最后用紗布擦干。將泵芯至烘箱烘干，時(shí)間1小時(shí)，溫度120。圖2.4 系統(tǒng)清洗用器材圖3.更換重裝時(shí)，更換了所有拆下的部件上的丁腈橡膠O型圈。更換了硅油，依廠(chǎng)家標(biāo)準(zhǔn)共用去120ml。對(duì)一條管道進(jìn)行了密封，以此閑置一個(gè)蝶閥。4.完成完成后系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能達(dá)到的最高穩(wěn)定真空度約為6.210-4Pa（與銘牌示數(shù)在同一量級(jí)）。法蘭盤(pán)的平行安裝如圖所示是一個(gè)蝶閥的安裝處，箭頭所指的是氣流方向。注意到這個(gè)蝶閥與管道兩端相連，分稱(chēng)為A、B，每個(gè)端口各有一個(gè)O型圈密封。A、B共用4跟長(zhǎng)螺絲固定。此處的問(wèn)題是，初次安裝時(shí)將螺絲擰得過(guò)緊，導(dǎo)致B外逆氣流方向的法蘭盤(pán)形變，系統(tǒng)漏氣，又由于A處密封良好，因而產(chǎn)生：開(kāi)蝶閥漏氣，關(guān)蝶閥抽氣良好的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用一同型號(hào)蒙版緊緊固定形變的法蘭盤(pán)一段時(shí)間，使金屬法蘭盤(pán)恢復(fù)，重裝時(shí)小心擰住4個(gè)螺絲，并微調(diào)使4個(gè)同型螺絲擰入尺寸相當(dāng)、法蘭盤(pán)嚴(yán)格平行于蝶閥平面。重裝后開(kāi)閥漏氣現(xiàn)象消失。圖2.5 碟閥安裝處2.O型圈的非標(biāo)配置O型圈的尺寸通常用外徑線(xiàn)徑衡量，存在通用的標(biāo)準(zhǔn)配置。JK-100所用的O型圈，只有少數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。由于一處113mm4mm的O圈無(wú)法購(gòu)得，選擇購(gòu)買(mǎi)較小的110mm4mm的代用，在重裝過(guò)程中，較小的O圈脫離凹槽，被壓在接口處，擰緊螺絲后斷裂。由于此處原橡膠圈形變較小，暫用原密封圈。下次購(gòu)買(mǎi)應(yīng)選擇稍大的115mm4mm型號(hào)。另其他一些O圈雖然不能與原O圈規(guī)格完全一致，但接口處密封良好，不存在漏氣問(wèn)題，實(shí)際操作中，非標(biāo)準(zhǔn)O圈換標(biāo)準(zhǔn)建議選擇外徑較大（2mm）的型號(hào)。3真空系統(tǒng)簡(jiǎn)單檢漏方法當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)組裝完畢，打開(kāi)機(jī)械泵發(fā)現(xiàn)無(wú)法抽至極限壓強(qiáng)時(shí)，可以用蓋蒙板分段抽測(cè)的方法檢漏。蒙板通常是一塊有一定厚度的金屬板，蒙板與被蒙蓋住的部分不能直接相連，中間必須墊有軟密封橡膠墊圈。1.實(shí)驗(yàn)原理流導(dǎo)，即在恒溫下，當(dāng)存在壓強(qiáng)差是氣體會(huì)經(jīng)管道流動(dòng)。在自由分子流情況下，經(jīng)管道的氣流量Q正比于壓差，即：Q C（p1-p2） 3.1 比例常數(shù)C即流導(dǎo)，大小與管道直徑有關(guān)。若進(jìn)入泵的氣流量恒定，則在泵入口會(huì)建立具有恒定壓強(qiáng)p的穩(wěn)態(tài)，定義抽速S0：S0 3.2 真空系統(tǒng)內(nèi)氣相的氣體質(zhì)量變化率等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入和離開(kāi)氣相的氣體質(zhì)量之差。溫度不變，氣體種類(lèi)恒定時(shí)，質(zhì)量變化率正比于氣流量， 3.3 又知 ，則對(duì)于定體積系統(tǒng) 3.4 假定是常數(shù)，上式積分得 設(shè)初始?jí)簭?qiáng)為p0 ： 3.5 由此可知，容器內(nèi)壓強(qiáng)將以時(shí)間常數(shù)V/S指數(shù)地下降，并在t 時(shí)達(dá)到極限壓強(qiáng) 3.6 2.實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)第一次由大氣壓開(kāi)始抽氣，自然漏氣至系統(tǒng)為20Pa以上后立即開(kāi)始第二次抽氣，記錄系統(tǒng)壓強(qiáng)（熱偶規(guī)讀數(shù)）與抽氣時(shí)間的關(guān)系，作圖：第一次抽氣：擬合結(jié)果：第二次抽氣：擬合結(jié)果：3.實(shí)驗(yàn)分析由式（3.5），知第一次抽氣與第二次抽氣的初始?jí)簭?qiáng)p0（t 0時(shí)的系統(tǒng)壓強(qiáng)）相近，分別為p01 19.82和p02 18.86，但兩次抽氣時(shí)間相差甚遠(yuǎn)。兩次連續(xù)抽氣抽速S可看作恒量，銘牌示S 90L/s,時(shí)間t的系數(shù)（單位m3/s）： 133.6 4.57;因此V1 12.02m3,V2 0.41m3,第二次實(shí)際抽氣只有第一次的3.42%，因此時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一次。1.實(shí)驗(yàn)原理真空器壁上如有小孔，大氣就會(huì)漏入容器內(nèi)。大多數(shù)固體材料在沒(méi)有缺陷時(shí)是不會(huì)漏氣的，漏孔往往出現(xiàn)在密封處。由于壓差、振動(dòng)和熱循環(huán)等原因在接頭內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，都可能造成街頭損壞。關(guān)閉抽氣泵，系統(tǒng)開(kāi)始漏氣，由式（3.3）得： （3.7）由式（3.1） ，則 （3.8）由此可知，容器內(nèi)壓強(qiáng)將以時(shí)間常數(shù)C/V指數(shù)地上升，并在t 時(shí)達(dá)到大氣壓強(qiáng)。2.實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)用機(jī)械泵抽真空至0.1Pa，關(guān)閉機(jī)械泵，記錄系統(tǒng)壓強(qiáng)p與時(shí)間變化關(guān)系，作圖。：3.實(shí)驗(yàn)分析由于實(shí)驗(yàn)中放氣至20Pa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大氣壓105Pa，放氣時(shí)間幾百秒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到大氣壓所需時(shí)間，因此擬合未得到大氣壓值。要用上述放氣公式擬合得到大氣壓，應(yīng)在系統(tǒng)中添加一個(gè)能測(cè)粗真空的真空規(guī)，測(cè)量104102Pa量級(jí)上的放氣時(shí)間。.實(shí)驗(yàn)原理如第一章所述，電阻真空計(jì)與熱偶真空計(jì)同屬熱傳導(dǎo)型真空計(jì)，作用原理相同。2實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)同一次抽氣，記錄電阻真空計(jì)與熱偶真空計(jì)的數(shù)值，作關(guān)聯(lián)曲線(xiàn)如圖。擬合：驗(yàn)分析兩真空計(jì)測(cè)量的是同一個(gè)真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)，但示數(shù)卻存在線(xiàn)性關(guān)系，這是主要是JK-100真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定的。在這一真空系統(tǒng)上，兩真空計(jì)所處的位置不同。雖然真空系統(tǒng)連通，但由上文知流導(dǎo)C與管道直徑有關(guān)，電阻真空計(jì)所處的管道（如圖）大于熱偶真空計(jì)所處的管道，因此兩個(gè)位置的流導(dǎo)不同（分別設(shè)為C1，C2）。通過(guò)連通體系各處的氣流量Q相同，設(shè)p1、p2分別為電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)所測(cè)壓強(qiáng)，p0為兩管道接口處壓強(qiáng)（為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮碟閥的影響并將兩管道近似地看作是串聯(lián)的），由式（3.1）得：Q C1（p1-p0） C2（p2-p0）， （3.9）p2 1- C1/C2 p0+ C1/C2 p1 （3.10） 由擬合結(jié)果得C1/C2 0.86，管道截面面積越大，流導(dǎo)越大。1.實(shí)驗(yàn)原理（1）金屬的出氣大真空系統(tǒng)大多數(shù)采用軟鋼或類(lèi)似的金屬制成全金屬結(jié)構(gòu)。各種金屬有不同的出氣率。金屬材料在熔煉與加工過(guò)程中會(huì)溶解和吸收一定量的氣體。當(dāng)金屬處于真空中時(shí)，這些氣體就會(huì)不斷放出，其放氣速率取決于氣體與金屬結(jié)合能、烘烤加熱溫度 或粒子轟擊能量 及金屬含氣量。金屬的出氣主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：表面脫附得氣體和表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。圖3.2 金屬表面吸附示意圖金屬表面的氣體包括物理吸附和化學(xué)吸附的氣體。物理吸附的吸附熱一般小于42千焦克分子，相當(dāng)于氣體分子在表面的凝聚?；瘜W(xué)吸附的作用力是化學(xué)鍵力，比物理吸附力強(qiáng)得多，氣體分子與固體表面原子間發(fā)生化合作用，或分子離解成離子被化學(xué)鍵吸附在表面上。（2）烘烤除氣一般情況下，真空系統(tǒng)中的金屬件及真空室殼體可以用真空烘烤方法除氣。真空中的“烘烤”系指在抽氣循環(huán)的某一階段中，將真空系統(tǒng)升溫，隨后又使之降到環(huán)境溫度的過(guò)程。烘烤的注意目的是使吸附的氣體從被加熱的