真空的獲得和測(cè)量課件

真空的獲得和測(cè)量2011-6-23何謂真空環(huán)境？為什么需要獲得真空環(huán)境？如何劃分真空的級(jí)別？如何獲得真空？如何測(cè)量真空度？目錄何謂真空環(huán)境？本指沒(méi)有任何實(shí)物粒子存在的空間，但什么都沒(méi)有的空間是不存在的。而假設(shè)你把一個(gè)空間的氣體都趕跑，會(huì)發(fā)現(xiàn)還是不時(shí)有基本粒子在真空中出現(xiàn)又消失，無(wú)中生有。物理上的真空實(shí)際上是一片不停波動(dòng)的能量之海。當(dāng)能量達(dá)到波峰，能量轉(zhuǎn)化為一對(duì)對(duì)正反基本粒子，當(dāng)能量達(dá)到波谷，一對(duì)對(duì)正反基本粒子又相互湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。工業(yè)上的真空指的是氣壓比一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，

真空環(huán)境可粗略地分為：低真空>102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空<10-5Pa如何劃分真空的級(jí)別？如何獲得真空？人們通常把能夠從密閉容器中排出氣體或使容器中的氣體分子數(shù)目不斷減少的設(shè)備稱(chēng)為真空獲得設(shè)備或真空泵目前在真空技術(shù)中，采用各種不同的方法，已經(jīng)能夠獲得和測(cè)量從大氣壓力105Pa到10-13Pa，寬達(dá)18個(gè)數(shù)量級(jí)的壓力范圍在真空獲得技術(shù)中，目前用以獲得真空的技術(shù)方法有兩種通過(guò)某此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)把氣體直接從密閉容器中排出通過(guò)物理、化學(xué)等方法將氣體分子吸附或冷凝在低溫表面上。利用這兩種方法所制造的各種真空泵種類(lèi)較多，分類(lèi)方法各異，但是，最常用的方法還是按泵的工作原理或其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加以分類(lèi)變?nèi)菡婵毡檬抢帽们蝗莘e的周期性變化來(lái)完成吸氣和排氣過(guò)程的一種真空泵。氣體在排出前被壓縮動(dòng)量傳輸泵這種泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動(dòng)量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續(xù)不斷地從泵的入口傳輸?shù)匠隹跉怏w傳輸泵的分類(lèi)

氣體捕集泵的分類(lèi)：吸氣劑離子泵：它是使被電離的氣體通過(guò)電磁場(chǎng)或電場(chǎng)的作用吸附在有吸氣材料的表面上，以達(dá)到抽氣的目的低溫泵：利用低溫表面捕集氣體的真空泵吸附泵：它主要依靠具有大表面的吸附劑（如多孔物質(zhì)）的物理吸附作用來(lái)抽氣的一種捕集式真空泵吸氣劑泵：它是一種利用吸氣劑以化學(xué)結(jié)合方式捕獲氣體的真空泵。吸氣劑通常是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式存在的金屬或合金實(shí)際應(yīng)用中常用到的真空泵有哪幾種？旋片式機(jī)械真空泵羅茨真空泵油擴(kuò)散泵渦輪分子泵低溫吸附泵濺射離子泵氣體輸運(yùn)泵氣體捕集泵旋片式機(jī)械真空泵特點(diǎn)：其工作壓強(qiáng)范圍為101325-1.33×10-2（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。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠由于它以油作為密封物質(zhì)，因此它會(huì)造成油蒸氣的回流和對(duì)真空系統(tǒng)造成油的污染。羅茨真空泵工作原理：在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對(duì)平行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

油擴(kuò)散泵工作原理：在前級(jí)真空泵所造成的低真空條件下，加熱泵內(nèi)硅油，使受熱沸騰蒸發(fā)，生成蒸氣，以極高速度通過(guò)該泵的各級(jí)噴口的縫隙噴出，使容器內(nèi)部的氣體分子擴(kuò)散到蒸汽中被帶到前級(jí)真空泵所能作用的位置，由前級(jí)真空泵迅速抽出，使系統(tǒng)達(dá)到高真空的要求。由于泵內(nèi)油蒸氣的回流會(huì)直接造成真空系統(tǒng)的油污染，因此在材料表面分析儀器和其他超高真空系統(tǒng)中一般不采用油擴(kuò)散泵。其工作壓力范圍為1-10-6（Pa）不能直接與大氣相連，在使用油擴(kuò)散泵之前需要采用各種形式的機(jī)械泵將系統(tǒng)預(yù)抽到1Pa左右。油擴(kuò)散泵的特點(diǎn)：渦輪分子泵工作原理：靠對(duì)氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運(yùn)用的原理來(lái)工作。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以20000-30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片將動(dòng)量傳給氣體分子。渦輪分子泵裝有很多級(jí)葉片，上一級(jí)葉片輸送過(guò)來(lái)的氣體分子又會(huì)受到下一級(jí)葉片的作用而被進(jìn)一步壓縮至更下一級(jí)。

渦輪分子泵的特點(diǎn)：其對(duì)一般氣體分子的抽除極為有效。（例如對(duì)于氮?dú)?，其壓縮比（即泵出口的壓力與入口的壓力之比）可以達(dá)到109。但是對(duì)于抽取原子序數(shù)氣體的能力較差，例如氫氣，其壓縮比僅為103左右。工作壓力范圍寬，在10-1

～10-8pa范圍內(nèi)具有穩(wěn)定抽速起動(dòng)時(shí)間短，能抽除各種氣體和蒸氣分子泵適用于在要求清潔的高真空和超高真空的儀器及設(shè)備上使用。也可用來(lái)作為離子泵、升華泵、低溫泵等氣體捕集超高真空泵的前級(jí)預(yù)抽真空泵使用，這將獲得更低的極限壓力或更清潔的無(wú)碳?xì)浠衔锏恼婵盏蜏匚奖霉ぷ髟恚阂揽繗怏w分子會(huì)在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣體分子的去除，進(jìn)而獲得高真空的裝備低溫吸附泵的特點(diǎn)：其極限真空度一般處于10-1-10-8Pa之間低溫吸附泵工作所需要的預(yù)真空應(yīng)達(dá)到10-1Pa以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并在泵體內(nèi)積聚過(guò)厚的氣體凝聚產(chǎn)物。在低溫時(shí)平衡蒸氣壓較高的氣體不容易用低溫吸附泵來(lái)去除（例如H2，He和Ne）除了上述幾種氣體外，低溫吸附泵對(duì)各種氣體的抽速均很大運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高濺射離子泵的特點(diǎn)：其極限真空度可以到10-8Pa左右濺射離子泵的抽速對(duì)于不同的氣體是不同的。對(duì)于活性較大的氣體種類(lèi)，濺射離子泵具有較大的抽速。比如，濺射離子泵對(duì)于H2的抽速是其對(duì)O2、H2O蒸汽或N2的抽速的數(shù)倍，而它對(duì)于后面幾種氣體的抽速又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對(duì)Ar的抽速。濺射離子泵所抽除的氣體分子不會(huì)在高溫下再釋放出來(lái)。如何測(cè)量真空度？需要首先指出一點(diǎn)，即由儀器測(cè)量出的真空度與真空室的實(shí)際真空度之間可能會(huì)由于溫度不同而存在誤差。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)處溫度較高時(shí)，相應(yīng)測(cè)出的氣體壓力也將偏高。相反，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)溫度偏低時(shí)，測(cè)量出的氣體壓力也將偏低。在氣體壓力較高，氣體的流動(dòng)狀態(tài)接近或達(dá)到黏滯流狀態(tài)的情況下，上述溫度差別造成的測(cè)量誤差將趨近于零。這時(shí)，任何氣體壓力差都將由于氣體的迅速擴(kuò)散和流動(dòng)而趨于消失。熱偶真空規(guī)工作原理：在熱偶真空規(guī)中，在作為熱絲的Pt絲中通過(guò)恒定強(qiáng)度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電流提供的加熱功率與通過(guò)空間熱輻射、金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。在0.1-100Pa的壓力范圍內(nèi)，氣體的熱導(dǎo)率將隨著氣體壓力的增加而上升，因而熱絲的溫度會(huì)隨著氣體壓力的上升而降低。這時(shí)，用熱電偶的方法測(cè)出熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測(cè)出的環(huán)境的壓力。熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測(cè)量。在氣體壓力高于100Pa的情況下，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體壓力而顯著變化。這時(shí)，用熱絲溫度測(cè)量氣體壓力方法的靈敏程度將迅速下降。當(dāng)氣體壓力低于0.1Pa以后，由于氣體分子傳導(dǎo)走的熱量的總加熱功率中的比例過(guò)小，測(cè)量的靈敏度也將呈下降趨勢(shì)。皮拉尼規(guī)有稱(chēng)為熱阻式真空規(guī)，其工作原理與熱偶真空規(guī)相似，皮拉尼規(guī)以電橋的方式，通過(guò)測(cè)量熱絲的電阻隨溫度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度的測(cè)量。經(jīng)常與熱偶真空規(guī)結(jié)合使用的高真空規(guī)稱(chēng)為電離真空規(guī)，它是在高真空范圍內(nèi)最常使用的測(cè)量工具。皮拉尼規(guī)由熱陰極發(fā)射出的電子將在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中碰撞氣體分子，并使后者發(fā)生電離。由離子收集極接收電離的離子，并根據(jù)離子電流強(qiáng)度的大小就可以測(cè)量出環(huán)境的真空度。由于離子電流強(qiáng)度的大小將取決于陰極發(fā)射的電子電流強(qiáng)度、氣體分子的碰撞截面以及氣體分子的密度等三個(gè)因素，因而在固定陰極發(fā)射電流和固定氣體種類(lèi)的情況下，離子電流強(qiáng)度將直接取決于電離氣體的壓力。電離真空規(guī)電離真空規(guī)可檢測(cè)的壓力下限受陰極發(fā)射的高能光子在離子收集極上產(chǎn)生的光電效應(yīng)所限制。這種效應(yīng)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于10-7Pa的真空度下的離子電流。薄膜式真空規(guī)是一種依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下產(chǎn)生機(jī)械位移，從而可用于氣體絕對(duì)壓力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)的真空規(guī)。薄