真空技術(shù)基礎(chǔ)知識1

真空技術(shù)基礎(chǔ)知識真空技術(shù)發(fā)展到今天已廣泛的滲透到各項科學技術(shù)和生產(chǎn)領(lǐng)域，它日益成為許多尖端科學、經(jīng)濟建設(shè)和人民生活等方面不可缺少的技術(shù)基礎(chǔ).作為現(xiàn)代科學技術(shù)主要標志的電子技術(shù)、核技術(shù)、航天技術(shù)的發(fā)展都離不開真空，反過來它們飛躍前進正在推動真空技術(shù)的迅速發(fā)展，成為真空科學技術(shù)發(fā)展史上的三個飛躍階段,從而使真空技術(shù)由原來主要應用領(lǐng)域電真空工業(yè)，擴展到低溫超導技術(shù)、薄膜技術(shù)、表面科學、微電子學、航海工程和空間科學等近代尖端科學技術(shù)中來.全于在一般工業(yè)中應用實在種類繁多,不勝枚舉.它涉及冶金、化工、.醫(yī)藥、制鹽、制糖、食品等工業(yè)都廣泛使用真空技術(shù).例如有機物的真空蒸餾，某些溶液的濃縮、析品、真空脫水、真空干燥等.人們還利用真空中的各種特點,研制生產(chǎn)出真空吊車、電子管、顯像管、中子管就連人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臒艄?、暖水瓶、真空除塵器等都離不開真空技術(shù).真空與真空區(qū)域的劃分“真空”是指在給定的空間內(nèi)，氣體分子密度低于該地區(qū)大氣壓下的氣體分子密度的稀薄氣體狀態(tài)。不同的真空狀態(tài)有不同的氣體分子密度。在標準狀態(tài)下，每立方厘米的分子數(shù)為2.6870x1019個，而在真空度為10-4帕時，每立方厘米的分子數(shù)為3.24x1010個，即使用最現(xiàn)代的抽氣方法獲得的最高真空度10-13帕時，每立方厘米中仍有3.24x10個分子。所以真空是一相對概念，絕對真空是不存在的。表1真空區(qū)域的劃分、特點與應用真空區(qū)域物理特點主要應用分子密度為（個/厘米3）平均自由程/（厘米）單分子層形成時間（秒）粗真空105?103帕1019?101610-6?10-3，（d為容器的線性R度,下同）粘滯流，氣體分子間碰撞為主10-9?10-6真空包裝、真空濃縮和脫色、真空成形、真空輸運等。低真空103?10-1帕1016?101310-3?5丸~d過渡流10-6?10-3真空蒸餾、真空干燥和冷凍，真空浸漬、真空絕熱、真空焊接等。高真空10-1?10-6帕1013?1095?104丸>d分子流氣體分子與器壁碰撞為主。10-3?20真空冶金、半導體材料區(qū)域熔煉、電真空器件、真空鍍膜、加速器等。超高真空10-6?10-12帕<109>104刀》d氣體分子在固體表面上吸附停留為主。>20超高真空鍍膜、薄膜和表面物理、表面化學、熱核反應和等離子物理、超導技術(shù)、宇宙航行等。真空狀態(tài)的主要特點是：真空容器所承受的大氣壓力由容器內(nèi)外壓力差所決定；與大氣相比，氣體分子密度小、分子之間相互碰撞不那么頻繁，單位時間內(nèi)碰撞容器壁的分子數(shù)減少，從而使真空狀態(tài)下熱傳導與對流小，絕熱性能強，可降低物質(zhì)的沸點和汽化點等。真空的這些特點被廣泛應用到生活、生產(chǎn)和科研的各個領(lǐng)域中。真空度是對氣體稀薄程度的一種客觀量度。它本應用單位體積中的分子數(shù)來量度，但由于歷史的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“氣體壓強”來表示。氣體壓強越低，表示真空度越高；反之，壓強越高，真空度就越低。在真空技術(shù)領(lǐng)域中，過去常用的壓強單位為托（torr），它與目前國際單位制中壓強單位帕斯卡的換算關(guān)系為：1帕=1牛頓/米2=1千克/米.秒2=7.50062x10-3（托）1托=1/760（標準大氣壓）=101325.0/760（帕）=133.3224（帕）為使用方便，人們根據(jù)真空技術(shù)的應用特點、真空物理特性和真空機械泵、真空計的有效使用范圍，將真空劃分為不同區(qū)域及對應的物理特點和主要應用領(lǐng)域，如表1所示。真空獲得用來獲得真空的器械簡稱為真空機械泵。由于真空技術(shù)發(fā)展到今天所涉及的壓強范圍從105?10-12帕，寬達17個數(shù)量級，所以現(xiàn)在還不能用任何一種真空機械泵來實現(xiàn)。表2列出常用各種真空機械泵的運用范圍與抽速。表2常用真空機械泵運用范圍與抽速泵壓強（帕）抽速1000010010.110-210-310-410-610-710-810-10（升/秒）1水環(huán)泵+—2旋片機械泵++++—1~1003吸附泵++++—15~400001~10004羅茨泵—++++—5噴射泵—+++—200~400005~1000006油增壓泵—+++—5?50007油擴散泵—++++—~1000008渦輪分子泵—+++++—~50009鈦升華泵—++++—300~500010離子泵—+++++—11低溫泵—+++++真空機械泵按其抽氣機理可分為兩大類：一是壓縮型真空機械泵，它是將氣體由一方壓縮到另一方，如機械泵、擴散泵、分子泵等。二是吸附型真空機械泵，它是利用各種吸氣作用將氣體吸掉，如鈦泵、離子泵、低溫泵等。按起始工作狀態(tài)可分為前級泵（可直接從大氣壓下開始抽氣，如機械泵、吸附泵等）和次級泵（只能從比大氣壓低的某一定壓強下開始抽氣，使系統(tǒng)達到更高極限真空度，如擴散泵、鈦泵等）。次級泵工作時，必須輔以一定的前級泵，提供其正常工作所需要的真空度。用以比較各種真空機械泵性能的主要基本參數(shù)是：1）最大工作壓強；泵能夠正常工作的最高壓強，如果工作壓強超過這一數(shù)值，泵將失去工作能力。機械泵最大工作壓強為1個大氣壓，擴散泵為1帕。2）極限壓強：在被抽容器中漏氣和放氣可以忽略情況下，經(jīng)長時間的抽氣之后，泵所能達到的最低平衡壓強為該泵的極限壓強。3）抽氣速率：在泵的入氣口處，在任一給定壓強P1下，單位時間內(nèi)流入泵的氣體體積數(shù)為泵Av.的抽氣速率，簡稱為抽速，常用S表示，則：S=^"一"［升/秒］式中△▼為泵進氣口處At時間內(nèi)流入泵的氣體體積［升］，P1為在測定該氣體體積時的進氣口壓強［帕］。抽速在泵抽氣過程中因P1是變的，所以S一般都不是常數(shù)。4）運用范圍：指泵具有相當抽氣能力時的壓強范圍。對超高真空范圍內(nèi)的泵，需附加二個主要參數(shù)是：抽氣的選擇性和殘余氣體的組成。一般實驗室常用機械泵和擴散泵在1.5小時內(nèi)可獲得10-4?10-5帕真空度。2.1旋片式機械真空機械泵旋片式機械泵主要有定子、轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧等組成，如圖1所示。

油汽節(jié)圄毫敗他閥圖1旋片式機械真空機械泵油汽節(jié)圄毫敗他閥在定子缸內(nèi)偏心的裝有圓柱形轉(zhuǎn)子，與定子在A點相切，轉(zhuǎn)子槽中裝有中間帶彈簧的兩塊旋片，旋轉(zhuǎn)時靠離心力和彈簧的張力使旋片的頂端與定子內(nèi)壁始終緊密接觸。定子上的進、排氣口被轉(zhuǎn)子和旋片分為兩部分。當轉(zhuǎn)子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動時，進氣口方面容積逐漸擴大而吸入氣體，同時逐漸縮小排氣口方面容積將以吸入氣體壓縮從排氣孔排出。機械泵的抽氣速率主要取決于泵的工作體積^v，在抽氣過程中隨著進氣口壓強的降低，抽氣速率逐漸減小。當抽到系統(tǒng)極限壓強時，系統(tǒng)的漏氣與抽出氣體達到的動態(tài)平衡，此時抽速不變,見圖2。目前生產(chǎn)的機械泵多是兩個泵腔串聯(lián)起來的，如圖3稱為雙級泵，它比單級泵具有極限真空度高（10-1?10-2帕）和在低氣壓下具有較大抽速等優(yōu)點。為保證機械泵的良好密封和潤滑，排氣閥浸在密封油里以防大氣流入泵中。油通過泵體上的縫隙、油孔及排氣閥進入泵腔，使泵腔內(nèi)所有的運動表面被油膜覆蓋，形成了吸氣腔與排氣腔之間的密封。同時，油還充滿了泵腔內(nèi)的一切有害空間，以消除它們對極限真空度的影響。使用時應注意：因被抽氣體在泵腔內(nèi)被壓縮，所以不宜用來抽蒸汽；停機后要立刻打開充氣閥，防止機械泵油返至真空系統(tǒng)內(nèi)。圖2對容器V的抽氣曲線圖3二級旋片式機械泵結(jié)構(gòu)

機械真空泵通常選用國產(chǎn)1號真空泵油，不同種類和牌號的真空泵油不得混合使用。圖2對容器V的抽氣曲線圖3二級旋片式機械泵結(jié)構(gòu)2.2油擴散泵油擴散泵是用來獲得高真空的常用設(shè)備，其工作壓強范圍為10-】?10-6帕。玻璃油擴散泵的結(jié)構(gòu)如圖4。圖5擴散泵工作原理圖4玻璃油擴散泵結(jié)構(gòu)圖擴散泵油在真空中加熱到沸騰溫度（約200。。）產(chǎn)生大量的油蒸汽，油蒸汽經(jīng)導流管由各級噴嘴定向高速噴出，在噴嘴出口處蒸汽流中造成低壓。如圖5所示被抽氣體分子就不斷地擴散到油蒸汽流中，使被抽氣體分子沿蒸汽流速的方向高速運動。經(jīng)幾級噴嘴連續(xù)作用將被抽氣體壓縮到出氣口由機械泵抽出。而油蒸汽在冷卻的泵壁上被冷凝后又返回到泵底重新被加熱，如此循環(huán)工作，就達到連續(xù)抽氣的目的。圖5擴散泵工作原理圖4玻璃油擴散泵結(jié)構(gòu)圖在使用擴散泵時要注意的是：開擴散泵前必須先用機械泵將系統(tǒng)包括擴散泵本身抽至5帕的預備真空，然后先通水后通電加熱泵油。工作過程中必須保證冷卻水暢通。停機時，先斷開擴散泵加熱電源，大約30分鐘泵油降至室溫時，再斷冷卻水，最后斷開機械泵電源。這樣操作可防止或減小泵油氧化變質(zhì)，提高真空的清潔程度，延長使用壽命，保證系統(tǒng)的極限真空度。目前國內(nèi)擴散泵大都使用礦物油中的2號油、3號油；硅油中的274油、275油。獲得高真空可用3號油，超高真空必須采用硅油！真空測量測量真空度的儀器稱為“真空計”。真空計分為絕對真空計和相對真空計兩大類。能從本身所測得的物理量直接求出系統(tǒng)中真空度的為絕對真空計，如U型管壓力計，麥克勞真空計等；而相對真空計是輸出信號與其壓強之間的關(guān)系要用真空測量標準系統(tǒng)或絕對真空計校準標定后，才能測定真空度。一般實驗室常用的熱偶和電離真空計都是標定好的相對真空計。3.1熱電偶真空計熱電偶真空計由熱電偶規(guī)管和電測線路構(gòu)成，如圖6。規(guī)管內(nèi)有一根鎢或鉑制成的加熱絲（2），另由AB、AB/兩根導熱系數(shù)不同金屬絲組成一對熱電偶（3），熱電偶一端（熱端）與熱絲在A點焊住，另兩端B、B、/分別焊于芯柱引線上，再接到毫伏表上。熱偶真空計的工作原理是利用氣體分子的導熱性質(zhì),通過熱電偶產(chǎn)生的熱電勢來測量真空的。使用時，調(diào)可變電阻（4）使加熱電流保持定值情況下，加熱絲的平衡溫度取決于氣體壓強，若壓強越高，氣體分子碰撞熱絲機會越多帶走的熱量越多，因而熱絲溫度越低，熱電偶所產(chǎn)生的電

動勢也越低。反之，壓強越低，熱絲溫度越高，熱電動勢越大。熱電偶真空計的測量范圍是102?10-1帕。圖7熱陰極電離規(guī)管結(jié)構(gòu)圖6熱電偶規(guī)管結(jié)構(gòu)3.2熱陰極電離真空計熱陰極電離真空計由電離規(guī)管和測量電路兩部分組成。規(guī)管結(jié)構(gòu)類似一只電子三極管，如圖7,測量電路原理如圖8。電離真空規(guī)管是利用氣體分子被快速電子碰撞而電離的現(xiàn)象工作的。圖7熱陰極電離規(guī)管結(jié)構(gòu)當陰極F通電加熱后發(fā)射熱電子，這些電子被處于正電位（相對陰極為正100?150V）的螺旋柵極G加速后，電子具有一定能量與氣體分子做電離碰撞，使氣體電離為正離子和電子。所產(chǎn)生的正離子被外圍圓筒形處于負電位（相對陰極為負10?60V）的板極A吸引，在板極電路中形成正離子流I*。工作中當陰極發(fā)射的電子流I0一定時，正離子流I*，正比于氣體壓強，則有I+=I0KP（1）式中K是比例系數(shù)稱為電離計的靈敏度，通常將發(fā)射電流I0保持一定值，然后用絕對真空計或標準校準系統(tǒng)來校準，給出I*?P的關(guān)系曲線，就可確定出K來。從（1）式可見，只要K已知，就可通過I*和I0而知壓強P。圖8電離真空計外控接法電路原理圖電離真空計測量范圍是10-2?10-5帕，可連續(xù)測量。他的缺點是陰極開始工作時有放氣現(xiàn)象，影響測量精確度。由于陰極處于高溫下發(fā)射電子，容易蒸發(fā)，低真空下陰極又易氧化，因而規(guī)管使用壽命不長。故使用時被抽容器中真空度高于1X10-1帕時才能開電離真空計測量。圖8電離真空計外控接法電路原理圖熱電偶真空計和電離真空計的使用方法，請看儀器使用說明書。真空系統(tǒng)與檢漏技術(shù)真空系統(tǒng)是由真空機械泵、真空計、被抽容器及其它元件如閥門、冷阱等，借助真空管道，按一定要求組合而成，并具有所需抽氣功能的抽氣裝置。它的職能是在指定時間、空間內(nèi)獲得真空，保持真空；確保系統(tǒng)內(nèi)某項工藝過程或物理過程的實施。真空系統(tǒng)根據(jù)實驗要求可設(shè)計成金屬真空系統(tǒng)、玻璃真空系統(tǒng)、金屬和玻璃混合真空系統(tǒng)。檢漏技術(shù)是真空技術(shù)的重要組成部分。對金屬真空系統(tǒng)的所有部件在裝配前必須做密封性能檢驗，部件接合處最易產(chǎn)生漏氣，須經(jīng)周密的檢漏才能達到預定的真空度。檢漏一般采用分段密封法作p?t曲線，從而可判斷該段是否漏氣，如有漏氣常用加壓法、試驗氣體指示法等確定漏孔位置。在檢查漏氣率為10-6?10-1。帕.升/秒這樣微小的漏孔時，就要用氦質(zhì)譜檢漏儀、四極場濾質(zhì)器等檢漏儀器。對玻璃系統(tǒng)的檢漏可用高頻火花檢漏器。火花檢漏器實際是一小功率高頻高壓設(shè)備，它的高電壓輸出端伸出一金屬釋放電彈簧尖頭，能擊穿附近空氣。當它的高壓放電尖端移到玻璃系統(tǒng)上的漏孔處時，因玻璃是絕緣體不能跳火，而漏孔處因空氣不斷流入，在高頻高壓作用下而行成導電區(qū)，在火花檢漏器尖端與漏孔之間形成一強烈火花線，并在漏孔處有一白亮點，從而可以找到漏孔位置。使用火花檢漏器時，不要在玻璃一點上停留過久，以免玻璃局部過熱而打出小孔來。對檢出的漏孔可選用飽和蒸汽壓低，具有足夠的熱穩(wěn)定性和一定的機械和物理性質(zhì)的真空密封物質(zhì)密封。作暫時的或半永久的密封可選用真空泥、真空封臘、真空漆等；要作永久性密封，可用環(huán)氧樹脂封膠和氯化銀封接，對玻璃系統(tǒng)可以重新燒接。真空機械泵常見問題與解決方法5.1真空機械泵泵油的問題5.1.1真空機械泵泵油顏色變深或渾濁是什么原因？1）泵油在骯臟工藝過程中受到污染一一更換泵油或清洗；2）泵油不合適——清洗后用規(guī)定的泵油；3）油不足加注足量泵油；4）真空漏率過大-修理泄漏處，或更換泵油；5）惰性保護氣體不足一一工藝過程中含有腐蝕性、危險性或放射性氣體時必須加足量保護氣體。5.1.2泵油消耗過多怎么辦？1）出油口密封圈磨損——更換密封圈；2）油封損壞或安裝錯誤一一更換新油封，檢查進油管線；3）油套損壞或腐蝕一一更換油套；4）進油口或出油口泄漏一一更換新O型圈；5）泵體與油封間墊片泄漏一一更換墊片。5.2真空機械泵工作時出現(xiàn)異常的噪音真空機械泵工作時出現(xiàn)異常噪音，應先按照以下步驟一一檢查：首先，先檢查連接件是否損壞；是否缺油；然后查看油泵是否磨損或損壞，若是，修理或更換油泵即可；再查看油泵葉片是否損壞——拆下油泵，更換葉片；如果都沒有問題，那可能就是排氣閥板上無濾網(wǎng)或者電機軸承出現(xiàn)問題，加濾網(wǎng)較為容易解決，如是電機軸承出現(xiàn)問題，則需請專業(yè)人士進行修理。5.3真空機械泵真空管路或系統(tǒng)內(nèi)返油真空機械泵真空管路或系統(tǒng)內(nèi)返油的原因多半是截流閥、抽氣管路以及密封部件的問題。1）油蒸汽返流至真空管路或系統(tǒng)中、油蒸汽壓不對——清洗泵后換符合要求的油；2）停泵時，油返流——檢查并更換截流閥；3）截流閥板上的密封件損壞一一更換截流閥板；4）抽氣管路底部密封件腐蝕或損壞一一更換抽氣管路，修理密封件。5.4真空機械泵系統(tǒng)工作時溫度過高怎么辦？導致真空機械泵系統(tǒng)工作時溫度過高的原因及其解決方法。缺油——加夠油即可。抽氣口與排氣口錯誤連接。供油管線堵塞一一先斷開泵連接，清洗并更換符合要求的油。油泵出現(xiàn)問題——修理或更換油泵。環(huán)境溫度達到或超過油蒸汽壓一一降低環(huán)境溫度并注意空氣流通。油蒸汽壓低于指標一一更換符合要求的泵油。工作氣體溫度過高——改工藝或加冷卻系統(tǒng)。擴散泵抽氣系統(tǒng)常見的故障及其排除措施擴散泵抽氣系統(tǒng)常見的故障及其排除措施如下(同時參見表3)：如果擴散泵抽氣系統(tǒng)不漏氣，而系統(tǒng)的極限壓力卻一直達不到預想的結(jié)果，則可能是系統(tǒng)設(shè)計不合理，有效抽速低；或真空規(guī)電極放氣和真空規(guī)本身受光電流的限制，測不出低壓力。如果在長時間使用后，擴散泵或機組的抽氣性能逐漸變壞，即極限真空度和抽速降低，而其它情況正常，則主要是擴散泵油逐漸氧化，質(zhì)量變壞。這時，應更換新擴散泵油。換油步驟為：先把擴散泵卸下，取出泵芯，按要求將泵芯清洗烘干后正確裝配并加新油。由于特殊原因，如真空規(guī)管炸裂，誤開真空容器放氣閥或未關(guān)閉高真空閥等，使擴散泵內(nèi)突然漏進大氣時，應立即關(guān)閉高真空閥門，停止擴散泵加熱并強迫油鍋冷卻。消除故障后，應作抽氣試驗，并根據(jù)其結(jié)果判斷是否需要更換擴散泵油。擴散泵經(jīng)拆裝接入系統(tǒng)后，如果系統(tǒng)一切均嚴格按前述操作程序進行抽氣的話，則應該能達到泵原極限壓力；如果仔細反復調(diào)整各噴口間隙，真空度還應有所提高。如果真空度抽不上去，則首先檢查該泵所在系統(tǒng)的漏氣率是否超過允許值；同時檢查擴散泵的加熱器是否燒斷、供電電壓是否正常、泵的冷卻是否正常。如果上述方面一切均正常，則可認為是泵芯裝配方面的問題，如裝歪、噴嘴間隙不對、泵芯在裝配前未清洗干凈、有機溶劑未烘干、泵油不夠或裝入了質(zhì)量不好的泵油及加熱功率調(diào)整不正確等。如果擴散泵的工作一直正常，而且也不是動了系統(tǒng)而使某處漏氣，而使機組的抽氣性能突然變壞，則可能是擴散泵電爐絲斷了或保險絲斷了，應及時檢查更換。如果前級泵工作不正?；虺闅馊萘坎粔?，也會使擴散泵工作不正常。(7)環(huán)境溫度、濕度、冷卻水溫度等使用條件對擴散泵的抽氣性能影響也較大。例如，當環(huán)境溫度過高(超過35°C)時，擴散泵性能即開始降低。擴散泵加熱功率調(diào)整得不正確，也可使擴散泵的工作狀態(tài)不正常。調(diào)加熱功率時，最好能找到返油率最低點的合適溫度。油蒸氣返流污染系統(tǒng)，也可使系統(tǒng)得極限壓力達不到預期結(jié)果，可參照真空技術(shù)網(wǎng)前文采取措施加以改進。表3油擴散泵抽氣系統(tǒng)常見故障及排除方法故障原因排除方法擴散泵不起作用1.系統(tǒng)或擴散泵泵體漏氣關(guān)閉泵入口高真空閥門、進行檢漏并修復2.加熱器不工作檢查電爐電源是否接觸良好和電爐絲是否燒斷3.油溫不足，沒有形成有效射流檢查加熱電壓和功率是否符合規(guī)定4.泵出口壓力過高檢查前級管道有無漏氣，前級泵抽速是否符合要求，工作是否正常5.泵本身漏氣查前級管道與泵體焊接(熔接)處、泵底與泵體焊接處是否漏氣，應對此二處細加檢漏6.泵底燒穿更換7.擴散泵油量不夠加油到規(guī)定量

系統(tǒng)極限真空度降低1.系統(tǒng)