真空技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)1

真空技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)真空技術(shù)發(fā)展到今天已廣泛的滲透到各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)領(lǐng)域,,,成為真空科,,擴(kuò)展到低溫超導(dǎo)技術(shù)、薄膜技術(shù)、表面科學(xué)、微電子學(xué)、航海工程和空間科學(xué)等近代尖端科學(xué)技術(shù)中來.至于在一般工業(yè)中應(yīng)用實(shí)在種類繁多,不勝枚舉..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(jī)物的真空蒸餾,.人們還利用真空中的各種特點(diǎn),.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”,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2.6870×101910-43.24×101010-133.24×10真空是不存在的。物理特點(diǎn)表1 真空區(qū)域的劃分、特點(diǎn)與應(yīng)用物理特點(diǎn)真空區(qū)域分子密度為（個(gè)/厘米3）平均自由程（厘米）單分子層形（秒主要應(yīng)用粗真空105～103帕1019～101610-6～10-3，(d為容器的線R度,下同)粘滯流10-9～10-6真空包裝、真空輸運(yùn)等。低真空103～10-1帕1016～101310-3～5≈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>d分子流氣體分子與器壁碰撞10-3～20加速器等。為主。超高真空10-6～10-12帕<109>104氣體分子在固體表面上吸附停留為主。>20行等。真空狀態(tài)的主要特點(diǎn)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(shí)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(dǎo)與對流小，絕熱性能強(qiáng)，可降低物質(zhì)的沸點(diǎn)和汽化點(diǎn)等。真空的這些特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到生活、生產(chǎn)和科研的各個(gè)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(yīng)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(qiáng)”來表示。氣體壓強(qiáng)越低，表示真空度越高；反之，壓強(qiáng)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(qiáng)單位為托（torr），它與目前國際單位制中壓強(qiáng)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=7.50062×10-3（托）1托=1/760（標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用特點(diǎn)、真空物理特性和真空機(jī)械泵、真空計(jì)的有效使用范圍，將真空劃分為不同區(qū)域及對應(yīng)的物理特點(diǎn)和主要應(yīng)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(jī)械泵。由于真空技術(shù)發(fā)展到今天所涉及的壓強(qiáng)范圍從105~10-12172各種真空機(jī)械泵的運(yùn)用范圍與抽速。抽速（升/秒）1~10015~40000抽速（升/秒）1~10015~400001~1000200~400005~1000005~5000~100000~5000泵壓強(qiáng)（帕）1000010010.110-210-310-410-610-710-810-101水環(huán)泵+→2旋片機(jī)械泵++++→3吸附泵++++→4羅茨泵←++++→5噴射泵←+++→油增壓泵油擴(kuò)散泵←+←++++→++→8渦輪分子泵←+++++→9鈦升華泵←++++→10離子泵←+++++→11低溫泵←+++++真空機(jī)械泵按其抽氣機(jī)理可分為兩大類：一是壓縮型真空機(jī)械泵，它是將氣體由一方壓縮到另一方，如機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、分子泵等。二是吸附型真空機(jī)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(jī)械泵、吸附泵等）和次級泵（只能從比大氣壓低的某一定壓強(qiáng)下開始抽氣，使系統(tǒng)達(dá)到更高極限真空度，如擴(kuò)散泵、鈦泵等）。次級泵工作時(shí)，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(jī)械泵性能的主要基本參數(shù)是：1）力。機(jī)械泵最大工作壓強(qiáng)為１個(gè)大氣壓，擴(kuò)散泵為１帕。2）最低平衡壓強(qiáng)為該泵的極限壓強(qiáng)。3）抽氣速率：在泵的入氣口處，在任一給定壓強(qiáng)Ｐ1下，單位時(shí)間內(nèi)流入泵的氣體體積數(shù)為泵的抽氣速率，簡稱為抽速，常用Ｓ表示，則：Ｓ＝ [升／秒]式中△v為泵進(jìn)氣口處△t時(shí)間內(nèi)流入泵的氣體體積［升］，Ｐ１口壓強(qiáng)［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(yùn)用范圍：指泵具有相當(dāng)抽氣能力時(shí)的壓強(qiáng)范圍。對超高真空范圍內(nèi)的泵，需附加二個(gè)主要參數(shù)是：抽氣的選擇性和殘余氣體的組成。一般實(shí)驗(yàn)室常用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵在１.５小時(shí)內(nèi)可獲得１０-４～１０-５帕真空度。旋片式機(jī)械真空機(jī)械泵旋片式機(jī)械泵主要有定子、轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧等組成，如圖１所示。圖１旋片式機(jī)械真空機(jī)械泵旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jìn)、排氣口被轉(zhuǎn)子和旋片分為兩部分。當(dāng)轉(zhuǎn)子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣口方面容積逐漸擴(kuò)大而吸入氣體，同時(shí)逐漸縮小排氣口方面容積將以吸入氣體壓縮從排氣孔排出。機(jī)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(jìn)氣口壓強(qiáng)的降低，抽氣速率逐漸減小。當(dāng)抽到系統(tǒng)極限壓強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)的漏氣與抽出氣體達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)抽速不變,見圖２。目前生產(chǎn)的機(jī)械泵多是兩個(gè)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(diǎn)。為保證機(jī)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(jìn)入泵腔，使泵腔內(nèi)所有的運(yùn)動(dòng)表面被油膜覆蓋，形成了吸氣腔與排氣腔之間的密封。同時(shí)，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(shí)應(yīng)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(jī)后要立刻打開充氣閥，防止機(jī)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(jī)械泵結(jié)構(gòu)機(jī)械真空泵通常選用國產(chǎn)1號(hào)真空泵油，不同種類和牌號(hào)的真空泵油不得混合使用。油擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵是用來獲得高真空的常用設(shè)備，其工作壓強(qiáng)范圍為１０-１～１０-６帕。玻璃油擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)如圖４。圖4玻璃油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)圖 圖5擴(kuò)散泵工作原理擴(kuò)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(dǎo)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?cái)U(kuò)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(yùn)動(dòng)。經(jīng)幾級噴嘴連續(xù)作用將被抽氣體壓縮到出氣口由機(jī)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(dá)到連續(xù)抽氣的目的。在使用擴(kuò)散泵時(shí)要注意的是：開擴(kuò)散泵前必須先用機(jī)械泵將系統(tǒng)包括擴(kuò)散泵本身抽至５帕的預(yù)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(jī)時(shí)，先斷開擴(kuò)散泵加熱電源，大約３０分鐘泵油降至室溫時(shí)，再斷冷卻水，最后斷開機(jī)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(kuò)散泵232742753真空測量U才能測定真空度。一般實(shí)驗(yàn)室常用的熱偶和電離真空計(jì)都是標(biāo)定好的相對真空計(jì)。熱電偶真空計(jì)熱電偶真空計(jì)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AB、AB/兩根導(dǎo)熱系數(shù)不同金屬絲組成一對熱電偶（3），熱電偶一端（熱端）AB、B、/分別焊于芯柱引線上,再接到毫伏表上。強(qiáng)越高，氣體分子碰撞熱絲機(jī)會(huì)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10-1帕。圖6熱電偶規(guī)管結(jié)構(gòu) 圖7熱陰極電離規(guī)管結(jié)構(gòu)熱陰極電離真空計(jì)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。F通電加熱后發(fā)射熱電子，這些電子被處于正電位（100～150V）G生的正離子被外圍圓筒形處于負(fù)電位（10～60V）AII

，正比于氣體壓強(qiáng)，則有＋ 0 ＋I(xiàn)+=I0KP （1）式中K是比例系數(shù)稱為電離計(jì)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(jì)或標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)來校準(zhǔn)，給出I ~P的關(guān)系曲線，就可確定出K來。從式可見，只要K已知，就可通過

和I0而知壓＋ ＋強(qiáng)P。10-2～10-5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1×10-1帕?xí)r才能開電離真空計(jì)測量。圖8電離真空計(jì)外控接法電路原理圖熱電偶真空計(jì)和電離真空計(jì)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(jī)械泵、真空計(jì)、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(shí)間、空間內(nèi)獲得真空，保持真空；確保系統(tǒng)內(nèi)某項(xiàng)工藝過程或物理過程的實(shí)施。真空系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可設(shè)計(jì)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(yàn)，部件接合處最易產(chǎn)生漏氣，須經(jīng)周密的檢漏才能達(dá)到預(yù)定的真空度。檢漏一般采用分段密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(yàn)氣體指示法等確定漏10-6～10-10帕.升/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?；鸹z漏器實(shí)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(dāng)它的高壓放電尖端移到玻璃系統(tǒng)上的漏孔處時(shí)，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(dǎo)電區(qū)，在火花檢漏器尖端與漏孔之間形成一強(qiáng)烈火花線，并在漏孔處有一白亮點(diǎn)，從而可以找到漏孔位置。使用火花檢漏器時(shí)，不要在玻璃一點(diǎn)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(jī)械和物理性質(zhì)的真空密封物質(zhì)密封。作暫時(shí)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(jī)械泵常見問題與解決方法真空機(jī)械泵泵油的問題真空機(jī)械泵泵油顏色變深或渾濁是什么原因？泵油在骯臟工藝過程中受到污染——更換泵油或清洗；泵油不合適——清洗后用規(guī)定的泵油；油不足——加注足量泵油；真空漏率過大-修理泄漏處，或更換泵油；護(hù)氣體。泵油消耗過多怎么辦？出油口密封圈磨損——更換密封圈；油封損壞或安裝錯(cuò)誤——更換新油封，檢查進(jìn)油管線；油套損壞或腐蝕——更換油套；O泵體與油封間墊片泄漏——更換墊片。真空機(jī)械泵工作時(shí)出現(xiàn)異常的噪音真空機(jī)械泵工作時(shí)出現(xiàn)異常噪音，應(yīng)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，那可能則需請專業(yè)人士進(jìn)行修理。真空機(jī)械泵真空管路或系統(tǒng)內(nèi)返油真空機(jī)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。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；停泵時(shí)，油返流——檢查并更換截流閥；截流閥板上的密封件損壞——更換截流閥板；抽氣管路底部密封件腐蝕或損壞——更換抽氣管路，修理密封件。真空機(jī)械泵系統(tǒng)工作時(shí)溫度過高怎么辦？導(dǎo)致真空機(jī)械泵系統(tǒng)工作時(shí)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(cuò)誤連接。供油管線堵塞——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(dá)到或超過油蒸汽壓——降低環(huán)境溫度并注意空氣流通。油蒸汽壓低于指標(biāo)——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(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)常見的故障及其排除措施擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)常見的故障及其排除措施如下（同時(shí)參見表3）：如果擴(kuò)散泵抽氣系統(tǒng)不漏氣，而系統(tǒng)的極限壓力卻一直達(dá)不到預(yù)想的結(jié)果，則可能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，有效抽速低；或真空規(guī)力。如果在長時(shí)間使用后，擴(kuò)散泵而其它情況正常，則主要是擴(kuò)散泵油逐漸氧化，質(zhì)量變壞。這時(shí)，應(yīng)更換新擴(kuò)散泵油。換油步驟為：先把擴(kuò)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。真空容器內(nèi)突然漏進(jìn)大氣時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉高真空閥門，停止擴(kuò)散泵加熱并強(qiáng)迫油鍋冷卻。消除故障后，應(yīng)作抽氣試驗(yàn)，并根據(jù)其結(jié)果判斷是否需要更換擴(kuò)散泵油。擴(kuò)散泵經(jīng)拆裝接入系統(tǒng)后，如果系統(tǒng)一切均嚴(yán)格按前述操作程序進(jìn)行抽氣的話，則應(yīng)該能達(dá)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(shí)檢查擴(kuò)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(rèn)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(jī)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。突然變壞，則可能是擴(kuò)散泵電爐絲斷了或保險(xiǎn)絲斷了，應(yīng)及時(shí)檢查更換。如果前級泵工作不正?；虺闅馊萘坎粔颍矔?huì)使擴(kuò)散泵工作不正常。境溫度過高（35℃）時(shí)，擴(kuò)散泵性能即開始降低。能找到返油率最低點(diǎn)的合適溫度。采取措施加以改進(jìn)。用原因系統(tǒng)或擴(kuò)散泵泵體漏氣加熱器不工作油溫不足，沒有形成有效射流泵出口壓力過高泵本身漏氣泵底燒穿擴(kuò)散泵油量不夠排除方法關(guān)閉泵入口高真空閥門、進(jìn)行檢漏并修復(fù)檢查電爐電源是否接觸良好和電爐絲是否燒斷檢查加熱電壓和功率是否符