真空的獲得與測(cè)量盛晨

1、真空的獲得與測(cè)量預(yù)習(xí)報(bào)告盛晨 浙江師范大學(xué)初陽學(xué)院綜合理科072班摘要：在此次實(shí)驗(yàn)中，我們首先要使用真空泵來制造一個(gè)真空環(huán)境，然后再使用真空計(jì)來測(cè)量此真空的級(jí)別（真空度）。關(guān)鍵詞：真空獲得 、真空度、 真空計(jì) 、壓強(qiáng)。引言：1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利(E.Torricelli)首創(chuàng)著名的大氣壓實(shí)驗(yàn)，獲得真空。1654年，德國(guó)物理學(xué)家葛利克發(fā)明了抽氣泵，做了著名的馬德堡半球試驗(yàn)。真空技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中廣泛的應(yīng)用。真空技術(shù)主要包括真空的獲得、測(cè)量和檢查漏氣等方面的內(nèi)容。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們需主要做到以下兩點(diǎn)：1掌握真空技術(shù)的基本知識(shí)，熟悉簡(jiǎn)單的高真空系統(tǒng)。2掌握低、高真空的獲得和測(cè)量

2、的基本原理及方法。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們所需的儀器可能有：高真空裝置，機(jī)器泵，擴(kuò)散泵，復(fù)合真空計(jì)，檢漏儀。本次實(shí)驗(yàn)的原理主要為各種儀器的工作原理或制作原理。一.旋片機(jī)械泵工作過程是： 吸氣壓縮排氣。定子浸在油中起潤(rùn)滑，密封和堵塞縫隙的作用。主要參量是： 抽速和極限壓強(qiáng)。由于極限壓強(qiáng)較高， 常用做前級(jí)泵(預(yù)抽泵)。旋片式真空泵（簡(jiǎn)稱旋片泵）是一種油封式機(jī)械真空泵。其工作壓強(qiáng)范圍為1013251.33×10-2（Pa）屬于低真空泵。它可以單獨(dú)使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級(jí)泵。旋片泵可以抽除密封容器中的干燥氣體，若附有氣鎮(zhèn)裝置，還可以抽除一定量的可凝性氣體。但它不適于抽除含氧過

3、高的，對(duì)金屬有腐蝕性的、對(duì)泵油會(huì)起化學(xué)反應(yīng)以及含有顆粒塵埃的氣體。旋片泵是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設(shè)備之一。旋片泵多為中小型泵。旋片泵有單級(jí)和雙級(jí)兩種。所謂雙級(jí)，就是在結(jié)構(gòu)上將兩個(gè)單級(jí)泵串聯(lián)起來。一般多做成雙級(jí)的，以獲得較高的真空度。 旋片泵的抽速與入口壓強(qiáng)的關(guān)系規(guī)定如下：在入口壓強(qiáng)為1333Pa、1.33Pa和1.33×10-1（Pa）下，其抽速值分別不得低于泵的名義抽速的95%、50%和20%。如上圖為旋片泵的工作原理示意圖。旋片泵主要由泵體、轉(zhuǎn)子、旋片、端蓋、彈簧等組成。在旋片泵的腔內(nèi)偏心地安裝一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外圓與泵腔內(nèi)表面相切（二者有很小的間隙），轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有帶彈簧的二個(gè)旋

4、片。旋轉(zhuǎn)時(shí)，靠離心力和彈簧的張力使旋片頂端與泵腔的內(nèi)壁保持接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋片沿泵腔內(nèi)壁滑動(dòng)。兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、泵腔和兩個(gè)端蓋所圍成的月牙形空間分隔成A、B、C三部分，如圖所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與吸氣口相通的空間A 的容積是逐漸增大的，正處于吸氣過程。而與排氣口相通的空間C的容積是逐漸縮小的，正處于排氣過程。居中的空間B的容積也是逐漸減小的，正處于壓縮過程。由于空間A的容積是逐漸增大（即膨脹），氣體壓強(qiáng)降低，泵的入口處外部氣體壓強(qiáng)大于空間A內(nèi)的壓強(qiáng)，因此將氣體吸入。當(dāng)空間A與吸氣口隔絕時(shí)，即轉(zhuǎn)至空間B的位置，氣體開始被壓縮，容積逐漸縮小，最后與排氣口相通。當(dāng)被壓縮氣體超過排氣壓強(qiáng)時(shí)，排

5、氣閥被壓縮氣體推開，氣體穿過油箱內(nèi)的油層排至大氣中。由泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。如果排出的氣體通過氣道而轉(zhuǎn)入另一級(jí)（低真空級(jí)），由低真空級(jí)抽走，再經(jīng)低真空級(jí)壓縮后排至大氣中，即組成了雙級(jí)泵。這時(shí)總的壓縮比由兩級(jí)來負(fù)擔(dān)，因而提高了極限真空度。圖2 旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)圖 （a） （b）（c） （d）圖3 旋片式機(jī)械泵工作過程示意圖旋片式機(jī)械泵使用時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)： （1）啟動(dòng)前先檢查油槽中的油液面是否達(dá)到規(guī)定的要求，機(jī)械泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與泵的規(guī)定方向是否符合（否則會(huì)把泵油壓入真空系統(tǒng)）（2）機(jī)械泵停止工作時(shí)要立即讓進(jìn)氣口與大氣相通，以清除泵內(nèi)外的壓差，防止大氣通過縫隙把泵內(nèi)的油緩緩地從進(jìn)氣口

6、倒壓進(jìn)被抽容器（“回油”現(xiàn)象）這一操作一般都由與機(jī)械泵進(jìn)氣口上的電磁閥來完成，當(dāng)泵停止工作時(shí)，電磁閥自動(dòng)使泵的抽氣口與真空系統(tǒng)隔絕，并使泵的抽氣口接通大氣（3）泵不宜長(zhǎng)時(shí)間抽大氣，否則因長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷工作會(huì)使泵體和電動(dòng)機(jī)受損圖 4 1. 水冷套； 2. 噴油嘴； 3. 導(dǎo)流管；4. 泵殼； 5. 加熱器二、油擴(kuò)散泵工作過程是：油蒸發(fā)噴射凝結(jié)，重復(fù)循環(huán)由于射流具有高流速(約200米/秒)、高密度、高分子量(300500)，故能有效地帶走氣體分子。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。擴(kuò)散泵是利用氣體擴(kuò)散現(xiàn)象來抽氣的，最

7、早用來獲得高真空的泵就是擴(kuò)散泵，目前依然廣泛使用圖4是一個(gè)具有三級(jí)噴嘴的擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)示意圖，底部為儲(chǔ)油罐，當(dāng)擴(kuò)散泵油被加熱后油蒸氣可以沿蒸汽導(dǎo)流管上噴，然后被噴口帽阻擋后折反向下噴射，高速定向噴射的油分子在噴嘴出口處的蒸汽流中形成一低壓，將擴(kuò)散進(jìn)入蒸汽流的氣體分子帶至泵口被前級(jí)泵抽走，而油蒸汽在到達(dá)泵壁后被冷卻水套冷卻后凝聚，返回泵底再被利用擴(kuò)散泵的啟動(dòng)壓強(qiáng)應(yīng)小于1 Pa(小于10-2torr)，因?yàn)樵谶@一壓強(qiáng)下，氣體處于分子流狀態(tài)，可以保證絕大部分氣體分子以定向擴(kuò)散形式進(jìn)入高速蒸汽流此外若擴(kuò)散泵在較高空氣壓強(qiáng)下加熱，會(huì)導(dǎo)致具有大分子結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散泵油分子的氧化或裂解油擴(kuò)散泵的極限真空度主要取決于油

8、蒸氣壓和反擴(kuò)散兩部分，目前一般能達(dá)到10-510-7 Pa三、渦輪分子泵工作過程是：高速旋轉(zhuǎn)葉片(24000轉(zhuǎn)/分)對(duì)氣體分子施以定向動(dòng)量壓縮排氣。優(yōu)點(diǎn)：無油，潔凈，啟動(dòng)快，制動(dòng)快，可忍受大氣沖擊。缺點(diǎn)：由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場(chǎng)中使用，否則會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪發(fā)熱、變形等嚴(yán)重后果，對(duì)氫氣等輕質(zhì)氣體抽速較小， 價(jià)格昂貴。圖 5 1. 動(dòng)葉輪；2. 泵殼；3. 渦輪排；4. 中頻電動(dòng)機(jī)；5. 底座；6. 出氣口法蘭；7. 潤(rùn)滑油池；8. 靜葉輪；9. 電機(jī)冷卻水管. 四、絕對(duì)真空計(jì)直接測(cè)量真空度的量具，如U型計(jì)、壓縮真空計(jì)(麥克勞真空計(jì))。圖6 壓縮型真空計(jì) 測(cè)量范圍：103 10-3 Pa圖7

9、U型計(jì) 測(cè)量范圍：105 10 Pa五、相對(duì)真空計(jì)直接測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，再與絕對(duì)真空計(jì)相比較進(jìn)行標(biāo)定的真空計(jì)。圖8 熱電偶規(guī)管及其電路原理CD鉑絲 AB熱電偶絲O熱電偶熱鬧點(diǎn)MV毫伏表MA毫安表1、 熱偶真空計(jì)(熱傳導(dǎo)真空計(jì))通常用來測(cè)量低真空，可測(cè)范圍為1010-1 Pa，它是利用低壓下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)成正比的特點(diǎn)制成的測(cè)量下限：熱絲溫度較高，氣體分子熱傳導(dǎo)很小，熱絲引線本身的熱傳導(dǎo)和熱輻射引起的熱量減小占主導(dǎo)地位，這兩部分與壓強(qiáng)無關(guān)。熱電偶規(guī)管如圖，使用時(shí)，通一定電流于鉑絲，鉑絲溫度增高，熱電偶出現(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì)，它的大小由毫伏表讀出。在加熱電流一定時(shí)，鉑絲的平衡溫度在一定的氣壓范圍內(nèi)取

10、決于氣體壓強(qiáng)，因此熱電動(dòng)勢(shì)的大小亦取決于氣體壓強(qiáng)。2、熱陰極電離真空計(jì)通常用來測(cè)量高真空，測(cè)量范圍：1.33×10-1 1.33×10-5 Pa測(cè)量下限：高速電子打到加速極G G產(chǎn)生軟x射線 軟x射線射向收集極c 收集極c產(chǎn)生光電發(fā)射 產(chǎn)生電子流Ix Ix與I+方向相反，與壓強(qiáng)無關(guān)。F-熱陰極燈絲 G柵狀陽極C極狀收集極 圖9 電離規(guī)管及電離計(jì)線路圖熱陰極燈絲A通電加熱后發(fā)射熱電子，柵狀陽極B帶有較高的正電壓。熱電子被陽極B電壓加速，并為陽極收集。因?yàn)殛枠O為柵狀，所以將有一些電子穿過陽極，這些電子在帶有負(fù)電子的板狀收集極C的作用下又返回陽極，并在空間來回振蕩，最后為陽極的正

11、離子被收集極C所收集，形成一定的離子流Ii。對(duì)于一定的電子流Ie，離子流Ii和氣體的壓強(qiáng)成正比，即：式子中：Ki稱為電離規(guī)管的靈敏度，是單位電子電流、單位壓強(qiáng)下的離子流。由于在低真空下，電離真空計(jì)規(guī)管的燈絲和陽極都很容易燒毀，故切忌在低真空下使用。在電離規(guī)工作時(shí)，不允許將大氣放入真空室以免燒壞規(guī)管。把熱偶真空計(jì)和電離真空計(jì)組合成復(fù)合真空計(jì)。復(fù)合真空計(jì)的總量程為103105Pa。熱電偶測(cè)量范圍：103101Pa。電離計(jì)測(cè)量范圍：103105Pa。六、主要實(shí)驗(yàn)流程如下：1. 開機(jī)械泵2. 將三通閥向里推至死點(diǎn)3. 開啟真空計(jì)測(cè)量前級(jí)低真空，開機(jī)預(yù)熱一定的時(shí)間后，將“加熱測(cè)量”開關(guān)置于“測(cè)量”位置（

12、有兩個(gè)測(cè)量檔，先置于其中任意一檔）。再對(duì)對(duì)儲(chǔ)氣瓶進(jìn)行抽氣，觀察熱偶真空計(jì)的讀數(shù)，若真空度增加，表明當(dāng)前測(cè)量檔測(cè)量的是儲(chǔ)氣瓶的真空度。若真空度變化不大，表明當(dāng)前測(cè)量的是真空室的真空度。通過這個(gè)步驟，可以確定熱偶計(jì)的兩個(gè)“測(cè)量”檔分別對(duì)應(yīng)哪個(gè)區(qū)域的真空；4. 接通冷卻水及油擴(kuò)散泵加熱器，當(dāng)油擴(kuò)散泵預(yù)熱40分鐘后即可正常工作5. 當(dāng)儲(chǔ)氣瓶的真空度達(dá)到6.7帕以上時(shí)，將三通閥向外拉到底，開始對(duì)真 空室預(yù)抽。真空計(jì)換擋測(cè)量真空室中的真空度，使其壓力小于6.7帕。6. 加熱完畢后，打開高真空蝶閥，同時(shí)將三通閥推至里面死點(diǎn)。此時(shí)油擴(kuò)散泵與機(jī)械泵同時(shí)處于工作狀態(tài)，觀察熱偶計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)?shù)驼婵諟y(cè)量等于或小于0.1

13、3帕?xí)r，轉(zhuǎn)至高真空測(cè)量，直至機(jī)組達(dá)到極限真空度(0.1)帕為止。7. 打開燈絲，電離計(jì)接通，開始進(jìn)行高真空度測(cè)量。一開始，每隔15秒記錄一次數(shù)據(jù)；隨著時(shí)間的增加，真空度變化越來越慢，可以適當(dāng)延長(zhǎng)兩次數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔。8. 當(dāng)真空度不再變化，停止高真空測(cè)量。先關(guān)閉燈絲，再關(guān)閉高真空蝶閥，停止對(duì)油擴(kuò)散泵加熱。9. 等到油擴(kuò)散泵冷卻至室溫后，關(guān)閉機(jī)械泵和冷卻水，切斷電源。10. 整理好物品，離開實(shí)驗(yàn)室。七、在上述操作過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一、 電離規(guī)管: (什么時(shí)候開？)高真空測(cè)量時(shí)，注意電離規(guī)管的使用范圍：10-1帕以上的真空度(或10-1帕以下的壓強(qiáng))，因此要使真空度高于10-1帕； (開著

14、的時(shí)候怎么做？)實(shí)驗(yàn)過程中要留意，預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件有沒有可能將會(huì)不滿足預(yù)計(jì)使用條件； (什么時(shí)候關(guān)？)關(guān)機(jī)時(shí)，先關(guān)電離規(guī)管，后關(guān)高真空蝶閥。二、 油擴(kuò)散泵： 將真空度預(yù)抽至6.7帕以上； 使用過程中時(shí)刻關(guān)注油擴(kuò)散泵是否處于工作要求的條件； 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，先關(guān)閉電離真空計(jì)，在充氣前關(guān)閉油擴(kuò)散泵。三、 冷卻水： 在油擴(kuò)散泵加熱時(shí)，同時(shí)通冷卻水； 時(shí)刻關(guān)注冷卻水是否暢通，水溫、流量是否正常； 油擴(kuò)散泵冷卻至室溫后，先關(guān)閉機(jī)械泵，最后再關(guān)閉冷卻水；八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：讀數(shù)時(shí)間10秒20秒27秒35秒55秒壓強(qiáng)（Pa）1510543讀數(shù)時(shí)間1分42秒1分42秒2分12秒2分42秒3分23秒壓強(qiáng)（Pa）7.8×6.8×6.4×6.0×5.2×讀數(shù)時(shí)間4分42秒5分38秒6分25秒7分13秒8分05秒壓強(qiáng)（Pa）4.0×2.0×6.4×6.0×5.6×讀數(shù)時(shí)間9分10秒10分08秒11分25秒12分42秒13分55秒壓強(qiáng)（Pa