真空技術(shù)解析課件

1、1章節(jié)目錄第一節(jié) 真空技術(shù)概述第二節(jié) 真空的獲得第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)第1頁(yè)/共56頁(yè) 真空技術(shù)在科學(xué)研究和生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空在冶金生產(chǎn)和科研中的應(yīng)用迅速推廣，形成了一個(gè)專門(mén)的領(lǐng)域真空冶金。第一節(jié) 概述第2頁(yè)/共56頁(yè)3真空技術(shù)發(fā)展歷史-基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)真空技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的前言學(xué)科?；緝?nèi)容包括：真空物理真空獲得真空測(cè)量、檢漏真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算等。隨著表面科學(xué)、空間科學(xué)高能粒子加速器、微電子學(xué)、薄膜技術(shù)、冶金工業(yè)以及材料學(xué)等尖端科技的發(fā)展，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)中的地位越來(lái)越重要。1643年托里拆利(E. Torricelli) 大氣壓力實(shí)驗(yàn)第3頁(yè)/共

2、56頁(yè) 一、概述 壓力和溫度一樣是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，與許多物化性質(zhì)相關(guān)。物化實(shí)驗(yàn)中，會(huì)涉及到高壓、常壓和真空系統(tǒng)。不同壓力系統(tǒng)有著不同的測(cè)量方法和技術(shù)。 第4頁(yè)/共56頁(yè)5假定P0為大氣壓(1)絕對(duì)壓力 P (2)相對(duì)壓力 p = P Po(3)正壓力 P Po(4)負(fù)壓力 P Po (5)差壓力 P1- P2 2.習(xí)慣表示：第5頁(yè)/共56頁(yè)1研究意義冶金新工藝：由于采用真空技術(shù)，發(fā)展了一系列冶金新工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提供了優(yōu)質(zhì)的新材料。真空冶金物理化學(xué)：由于采用真空技術(shù)，改變了冶金過(guò)程物理化學(xué)條件，出現(xiàn)了許多真空冶金物理化學(xué)問(wèn)題期待人們?nèi)ソ鉀Q。在近代冶金和材料科學(xué)的研究和分析中也離不開(kāi)真空技

3、術(shù)。第一節(jié) 概述第6頁(yè)/共56頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)要求：在高溫下，為防止試樣氧化，就需要將測(cè)試系統(tǒng)抽成真空或再通入保護(hù)氣體。金屬中的氣體分析，一些近代的測(cè)試儀器如電子 探針、離子探針、電子顯微鏡等，也都是在高真空下才得以實(shí)現(xiàn)的。新材料制備：表面物理化學(xué)研究，超純材料制備，半導(dǎo)體集成電路制造，低溫能源技術(shù)等，都需要超高真空技術(shù)第一節(jié) 概述第7頁(yè)/共56頁(yè)2、幾個(gè)概念 真空凡是低于大氣壓的氣體所存在的空間狀態(tài)，稱之為真空 粗真空 100,0001000Pa 低真空1000一0.1 Pa 高真空 0.110-6 Pa 超高真空 低于10-6 Pa 完全沒(méi)有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對(duì)真空。 第一節(jié) 概述第8頁(yè)/共5

4、6頁(yè)第一節(jié) 概述真空度 真空度是表示真空程度的習(xí)慣用語(yǔ)，它不用量度單位表示。 最好也不要采用“好”“壞”或”“高”、“低”這種詞匯來(lái)表示，因?yàn)檫@些詞匯不能確切地表達(dá)真空度的概念。 第9頁(yè)/共56頁(yè)1 重要概念抽真空：獲得真空的過(guò)程真空泵：用來(lái)獲得真空的器械稱為真空泵。泵的起始工作壓力：真空泵開(kāi)始工作時(shí)，被抽容器或真空泵的入氣端應(yīng)達(dá)到的氣體壓力前級(jí)泵（粗抽泵）：一些泵可直接從大氣壓下開(kāi)始工作，如機(jī)械泵、吸附泵第二節(jié) 真空的獲得第10頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得次級(jí)泵：另一些泵只能從較低的氣壓抽到更低的氣壓，它們必須在前級(jí)泵產(chǎn)生的預(yù)備真空(前級(jí)真空)下才能工作，如擴(kuò)散泵、離子泵等顯然，預(yù)備真空內(nèi)

5、的氣壓必須低于次級(jí)泵的起始工作壓力，次級(jí)泵才能開(kāi)始抽氣。抽氣速率，簡(jiǎn)稱抽速：在規(guī)定的氣壓下單位時(shí)間內(nèi)抽出的氣體體積第11頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得平均自由程 平均自由程，系指粒子(分子、電子、離子、中子)和同類粒子或異類粒子兩次碰撞時(shí)所飛越的平均距離。流量或抽氣量 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)真空泵或管道中某截面的氣體量、稱為流量或抽氣量。在真空技術(shù)中該量用某截面上的壓強(qiáng)乘以單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的氣體體積來(lái)表示有時(shí)簡(jiǎn)稱為Q值。符號(hào)為Q。單位為P a。第12頁(yè)/共56頁(yè)可直接獲得0.1Pa以下的真空度，可作為其他真空設(shè)備的前級(jí)泵使用特點(diǎn)：由鋼鐵制造，屬于精密設(shè)備主要工作部件浸在真空泵油中，因此不適合抽取對(duì)真空泵

6、油起化學(xué)作用 或?qū)︿撹F有腐蝕作用的氣體第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機(jī)械真空泵第13頁(yè)/共56頁(yè)工作原理整個(gè)泵體浸沒(méi)在真空泵油中，轉(zhuǎn)子緊貼在定子圓柱形空腔的上部，并和空腔不同軸。轉(zhuǎn)子由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)在空腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于彈簧的作用，轉(zhuǎn)子上的翼片總是緊貼在空腔壁上。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與進(jìn)氣管2相通的空腔逐漸增大并吸入氣體，與排氣閥相通的空腔則逐漸縮小，將氣體壓縮，直至沖開(kāi)閥門(mén)，通過(guò)油層排入排氣管進(jìn)入大氣。第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機(jī)械真空泵第14頁(yè)/共56頁(yè)該抽氣機(jī)制對(duì)于抽取永久性氣體（即常溫下壓縮不會(huì)液化的氣體，比如空氣）很有效，對(duì)于象水蒸氣那樣的可凝結(jié)性氣體，在壓縮過(guò)程中就可能液化混入真空泵油中只

7、能按照規(guī)定方向旋轉(zhuǎn)，否則油會(huì)壓入真空系統(tǒng)停止工作時(shí)，先將泵與連接真空系統(tǒng)的閥門(mén)關(guān)閉，再向泵中放干燥空氣，否則泵油會(huì)進(jìn)入被抽系統(tǒng)小注第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機(jī)械真空泵第15頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機(jī)械真空泵金屬屑、玻璃渣之類抽水分過(guò)多（串連：干燥劑氯化鈣或五氧化二磷；吸收劑固體氫氧化鈉；冷阱用致冷劑）抽揮發(fā)性氣體如乙醚或腐蝕性氣體如氯化氫使用注意事項(xiàng)第16頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)如圖所示，工作時(shí)，先用前級(jí)泵即將擴(kuò)散泵及系統(tǒng)抽成預(yù)備真空0.1Pa，由電爐加熱，擴(kuò)散泵油在真空下?lián)]發(fā)成蒸氣，沿著導(dǎo)管上升，由噴嘴噴出，可以設(shè)一二三四級(jí)不等，高速噴出的油蒸氣在水冷壁上又凝

8、結(jié)成液體經(jīng)過(guò)導(dǎo)管流回泵底，再重新加熱氣化，不斷循環(huán)。第17頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-擴(kuò)散泵 擴(kuò)散泵是獲得高真空的抽氣設(shè)備 10-310-8 Torr 的高真空)，按泵的工作介質(zhì)可分為汞擴(kuò)散泵和油擴(kuò)散泵。常見(jiàn)的是硅油擴(kuò)散泵，以油泵作為其前級(jí)泵。第18頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-擴(kuò)散泵被抽系統(tǒng)的氣體分子由于熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入下面空間中，在大量高速定向運(yùn)動(dòng)的油分子（一般是硅油）碰撞下被帶到泵的下部，經(jīng)過(guò)排氣口經(jīng)過(guò)前級(jí)泵抽走。第19頁(yè)/共56頁(yè)20 工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸氣壓低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用 。擴(kuò)散泵使用注意事項(xiàng)： 由于擴(kuò)散泵的有效工作范圍在 10-1

9、10-8 Torr，所以在使用擴(kuò)散泵時(shí)，必須要用前級(jí)泵，將壓力降到 10-1 Torr 以下，并且前級(jí)泵的抽氣速度必須大于擴(kuò)散泵。 泵的冷卻和加熱器加熱對(duì)泵的工作效率也很重要，防止泵油返流現(xiàn)象。加熱、冷卻必須緩慢進(jìn)行，防止擴(kuò)散泵爆裂。第20頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-擴(kuò)散泵該過(guò)程存在兩個(gè)有害的反向擴(kuò)散： 一是被抽氣體分子被壓倒泵底，上下存在密度差，氣體分子回向上部反向運(yùn)動(dòng)二是定向運(yùn)動(dòng)的油分子與被抽氣體碰撞后，有一部分會(huì)改變方向進(jìn)入被抽系統(tǒng)；另外噴嘴處的油蒸氣分子密度大于被抽系統(tǒng)的油蒸氣密度，油分子會(huì)反向進(jìn)入被抽系統(tǒng) 第21頁(yè)/共56頁(yè)第二節(jié) 真空的獲得-擴(kuò)散泵使用注意事項(xiàng)：普通油擴(kuò)散泵的極

10、限真空度為10-5Pa，超高真空油擴(kuò)散泵達(dá)到510-8Pa預(yù)真空下開(kāi)始工作冷卻水套必須充滿冷水，未通水不得開(kāi)啟加熱擴(kuò)散泵油停機(jī)時(shí)，先停止加熱，待油冷卻后再停止冷卻水第22頁(yè)/共56頁(yè)每一種真空規(guī)都有一定的量程范圍。在不同的壓力范圍內(nèi)選擇不同的真空規(guī)。真空規(guī)為兩大類： 一類是麥克勞(McLeod H D)真空規(guī)，直接測(cè)量壓力的另一類相對(duì)真空規(guī)，利用測(cè)量與壓力有關(guān)的物理量的變化來(lái)間接測(cè)量壓力，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速測(cè)量，但準(zhǔn)確度不夠。測(cè)量真空度的儀器稱為真空計(jì)或真空規(guī)。第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)第23頁(yè)/共56頁(yè)按測(cè)量方法的原理來(lái)分可以分為：基于力的作用原理：U形管，波登管式，波紋管式，膜片式；基于壓縮

11、作用原理：麥?zhǔn)险婵沼?jì)*；基于導(dǎo)熱作用原理：電阻真空計(jì)，熱電偶真空計(jì)*；基于電離作用原理：熱陰極式*，冷陰極式，放射性真空計(jì)。第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)第24頁(yè)/共56頁(yè)隨著系統(tǒng)中真空度的升高，U形管真空側(cè)的液面在大氣作用下隨之上升。依據(jù)兩管中校面的高度差，就可以測(cè)得真空系統(tǒng)中的真空度，即p=pa-h，其中p為系統(tǒng)中真空度，pa為大氣壓值，h為兩液面之差。選第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（1）U形管真空計(jì)水銀或油大氣第25頁(yè)/共56頁(yè)玻義耳-馬略特定律 它反映氣體的體積隨壓強(qiáng)改變而改變的規(guī)律。對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)和體積成反比；或者說(shuō)，其壓強(qiáng)P與它的體積V的乘積為一常量，即

12、PV=C（常數(shù)）（T不變時(shí)）或P1V1P2V2=PnVn實(shí)際氣體只是在壓強(qiáng)不太高、溫度不太低的條件下才服從這一定律。第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計(jì)復(fù)習(xí)第26頁(yè)/共56頁(yè)麥?zhǔn)嫌?jì)是一種絕對(duì)真空計(jì)，測(cè)量范圍為1.3xl031.3108帕，精度較高，可作為其它真空計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它是于1874年由麥克勞研制的，故命名為麥克勞真空計(jì)，簡(jiǎn)稱麥?zhǔn)嫌?jì)。毛細(xì)管第27頁(yè)/共56頁(yè)1 毛細(xì)管(接真空系統(tǒng)) 2、3 毛細(xì)管 4-玻璃泡 5 毛細(xì)管 6 活塞(接空氣泵) 7 汞容器 8 底座工作原理： 它首先是讓被測(cè)真空系統(tǒng)的殘留氣體進(jìn)入規(guī)內(nèi)，然后加以壓縮，比較壓縮前后的體積和壓力的變化，就可算出其真空度。第三

13、節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計(jì)第28頁(yè)/共56頁(yè)毛細(xì)管A、玻璃泡及下面一段管子(到a-a面為止)的體積為V1。測(cè)量前需用油封機(jī)械泵將水銀瓶抽真空，使水銀面處于a-a位置。這時(shí)，玻璃泡與真空系統(tǒng)相通，其壓強(qiáng)與真空系統(tǒng)相同，均為p。轉(zhuǎn)動(dòng)切換閥門(mén)，切斷油封機(jī)械泵，使水銀瓶與干燥空氣相通。此時(shí)，水銀瓶中水銀在干燥空氣壓力作用下，沿導(dǎo)液管上升，充滿玻璃泡然后沿毛細(xì)管A上升，使玻璃泡和毛細(xì)管A中氣體被壓縮到毛細(xì)管A的頂部，其體積為V2。因管A中壓強(qiáng)高于管B中壓強(qiáng)，使兩個(gè)毛細(xì)管產(chǎn)生高度差h，這時(shí)，根據(jù)物理學(xué)中波義耳定律就可計(jì)算出真空系統(tǒng)中的壓強(qiáng)，即 pV1=(p+h)V2其中p為真空系統(tǒng)中壓強(qiáng)。了

14、解第29頁(yè)/共56頁(yè)特點(diǎn)：由于這種真空規(guī)操作較慢；不能連續(xù)讀數(shù)；且要用有毒的汞作工作液，因此人們不愿意直接 用它；是直接測(cè)量氣體壓力的真空規(guī)，可用于校正其他真空規(guī)第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計(jì)第30頁(yè)/共56頁(yè)原理：低壓下（低真空）氣體熱導(dǎo)率與其壓力之間關(guān)系測(cè)量 即： K = b P b：比例常數(shù)第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)氣體導(dǎo)熱系數(shù)氣體壓力第31頁(yè)/共56頁(yè)假設(shè)燈絲由導(dǎo)熱損失的熱量與加熱電流I所產(chǎn)生的熱量平衡時(shí)，燈絲溫度不變。其平衡方程為其中R為燈絲電阻；E1為氣體分子遷移熱量；E2為輻射遷移熱量；E3為引出導(dǎo)線的遷移熱量。若由于壓力減小而使E1減小，則當(dāng)I不

15、變時(shí)，平衡方程將失去平衡，使燈絲溫度變化。第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)第32頁(yè)/共56頁(yè) 根據(jù)燈絲溫度來(lái)衡量壓力的變化。 熱導(dǎo)真空計(jì)是通過(guò)測(cè)量燈絲溫度來(lái)決定壓力大小的。根據(jù)測(cè)定氣體熱傳導(dǎo)方法的不同，熱導(dǎo)式真空計(jì)可分為：電阻真空計(jì)熱電偶真空計(jì) 第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)第33頁(yè)/共56頁(yè)第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)-熱電阻真空計(jì)(1)電阻真空計(jì) （又稱皮喇尼真空計(jì)）在較低的壓力(小于13.3Pa)時(shí)，熱電阻絲的電阻值取決于周圍氣體的壓強(qiáng)。電阻式硅管測(cè)量電路鎢絲或鉑絲第34頁(yè)/共56頁(yè)資料1成都國(guó)光電氣股份有限公司規(guī)格電阻真空規(guī)管外形圖第35頁(yè)/共

16、56頁(yè)型號(hào)ZJ-52ZJ-52AZJ-52BZJ-52CZJ-52DZJ-52EZJ-52FZJ-52T(G)ZJ-52T(M)測(cè)量范圍Pa31030.11050.1燈絲阻值10012.510012.510012.5100902902連接直徑mm連接法蘭18-18-DN16KF-DN16KF-DN16CF-DN16CFZ3/8-15.50.5-15.50.5DN10KF電阻真空規(guī)管型號(hào)系列表 資料2成都國(guó)光電氣股份有限公司第36頁(yè)/共56頁(yè)熱偶絲的熱電勢(shì)由加熱絲的溫度決定維持加熱絲電流恒定，熱偶絲的熱電勢(shì)將由其周圍的氣體壓強(qiáng)決定。當(dāng)壓強(qiáng)低于某一定值時(shí)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)成正比，從而可找出熱電勢(shì)

17、與壓強(qiáng)的關(guān)系，直接用表頭指示真空度第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)-熱電偶真空計(jì)玻璃殼鉑絲熱電偶鉑絲的作用：用于加熱熱電偶，通以恒定電流，其溫度為100-200。第37頁(yè)/共56頁(yè)第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)-熱電偶真空計(jì)第38頁(yè)/共56頁(yè) 熱偶真空規(guī)管外形圖資料3成都國(guó)光電氣股份有限公司第39頁(yè)/共56頁(yè)型號(hào)ZJ-51M007BM007CM007DM007EM007FZJ-56ZJ-53BZJ-54D測(cè)量范圍Pa100.11000.1燈絲電流mA90-13090-13090-13090-13090-13090-13090-130283902熱絲冷阻71717171

18、7171719.519.51連接直徑mm連接法蘭15.50.5-15-DN25KF15.50.5-200.1-6-15.50.5-15.50.5-測(cè)量最大真空小于0.1 Pa電偶真空規(guī)管型號(hào)系列表資料4成都國(guó)光電氣股份有限公司第40頁(yè)/共56頁(yè)熱導(dǎo)真空計(jì)使用特點(diǎn)：特點(diǎn)1：通常它們是和絕對(duì)真空計(jì)平行測(cè)量而作出其刻度曲線的。它們的讀數(shù)與氣體種類有關(guān)，用空氣作的刻度曲線不能用于其他氣體。特點(diǎn)2：此兩種真空規(guī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便可遠(yuǎn)距離測(cè)量。第三節(jié) 真空的測(cè)定-真空規(guī)（3）熱導(dǎo)式真空計(jì)第41頁(yè)/共56頁(yè)第三節(jié) 真空的測(cè)定-（4）電 離 真 空 計(jì)-重要第42頁(yè)/共56頁(yè)43 3. 冷陰極電離真空規(guī)管外形

19、圖資料5成都國(guó)光電氣股份有限公司第43頁(yè)/共56頁(yè)（量程范圍為：110-3510-10托） 電離真空計(jì)誕生于1916年，由巴克利首先研制成功。以后不斷地改進(jìn)，使其測(cè)量范圍達(dá)到1.31021.3105帕，變成了高真空區(qū)域廣泛使用的真空計(jì)。電 離 真 空 計(jì)第44頁(yè)/共56頁(yè)電 離 真 空 計(jì) 這種真空計(jì)可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄及控制，由于有熾熱的燈絲，不適于測(cè)高氧含量氣體。第45頁(yè)/共56頁(yè)電離真空計(jì)有三種形式：熱陰極電離真空計(jì)冷陰極電離真空計(jì)放射性電離真空計(jì)。電 離 真 空 計(jì)種類第46頁(yè)/共56頁(yè)不同氣體稀薄狀況不同，引起氣體電離的情況有差異利用離子電流測(cè)量壓力。在氣體中如果有動(dòng)能足

20、夠大的電子與氣體分子相碰撞，它可以從氣體分子中擊出一個(gè)或幾個(gè)電子使氣體分子成為正離子。把這種正離子收集到一個(gè)電極上使其產(chǎn)生離子電流，在稀薄氣體中，它與氣體壓力有關(guān)。電 離 真 空 計(jì)原理e氣體分子e2e2正離子電流（與氣體壓力有關(guān)）e2e2e第47頁(yè)/共56頁(yè)陰極(燈絲)：發(fā)射電子，被帶正電的加速極作用，以加速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子的動(dòng)能足夠大，在飛向加速極的路途中與管內(nèi)低壓氣體分子碰撞，使氣體分子電離，產(chǎn)生電子和正離子，之后螺旋形柵極(加速極)：電子形成電流Ie圓筒形收集極（帶負(fù)電位）：形成離子電流Ii 。第48頁(yè)/共56頁(yè)陰極用以通電加熱發(fā)射電子；2009-3-3柵極帶正電勢(shì)，用以加速和捕獲電子；板極帶負(fù)電勢(shì)，用以排斥電子和捕獲正離子。電 離 真 空 計(jì)部件作用第49頁(yè)/共56頁(yè)式中，k為規(guī)管的靈敏度。由于用電離真空計(jì)測(cè)量壓力時(shí)，電子電流保持不變，故當(dāng)壓力足夠低(低于10-1P