真空科学与技术及其在荧光灯中的应用(浓缩版).doc

真空科学与技术及其在荧光灯中的应用钱永生（上海市真空学会）引言 真空，就其哲学或理论物理的意义来说，是没有任何物质的空间。然而在工业术语中，压强低于个标准大气压（1.013105Pa）的空间都可以叫做“真空”。白炽灯的研制爱迪生（Edison）1879是早期发明的排气系统所产生的结果，白炽灯表明了低分子密度的用途（除去活性大气组分）。真空技术是一门具有科学概念的并用这些原理来获得实际的低压强环境的系统学科。在转入正题前，我们有必要重温一下学过的某些真空概念。 第一章 真空的一般概念： 1. 1 真空度量单位： 真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。作为这种量度，最直接的物理量应该是每单位体积中的气体分子数。根据气体分子运动论，压强可以用分子密度n（个/cm3）和温度（K）表示为：nKT（.）（）式中，是玻尔兹曼（Boltzmann）常数1.3810-16尔格/K。但是，由于历史上的原因，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。历史上气体的压强是指气体作用于单位面积器壁上的压力，在单位制中， 压 强单位 ： 1达因21；在MKS单位制中，压强单位是牛顿米2。 1牛顿21。在不同国家和用于不同的学科，压强单位的种类较繁杂，1945年时已有15种。过去，在真空技术中最常用的压强单位有：“毫米汞柱（mmHg）”和“托（Torr）”。后来发现Hg有种同位素，所得纯汞也根本没有确定的密度，同一高度纯汞表现出来的压强并不是唯一的，要看其同位素组成比例而定。于是以汞柱规定的标准大气压并不“标准” 。1969年，国际计量委员会建议（1971年批准），推广一种制合理压强单位叫“帕斯卡”（Pascal），简称“帕”（Pa）。,1Pa1N21Kg2.7.5006-3Torr-2bar标准大气压（ATM）101325Pa.1Mpa托（Torr）133.322Pa1.3102Pa1.3mbar。使用这种单位以后，计算、换算等就很方便了。例如，气流量（包括漏气率、放气率）单位，目前，惯用“托升秒”，如用“帕”作压强单位，则流量单位就是“瓦特”，与功率单位一致了，这样就消除了一个量多种单位的现象。因此，GB/T 316393真空技术术语中参照IS035291981真空技术名词术语规定Pa为压力单位。1985年颁布的计量法中也规定我国采用国际单位制（SI），Pa成了压强的法定计量单位。除真空计外，我们常用的气压表（减压器）也由“kgfcm2”或“atm”改为“MPa”刻度了。目前国际单位制“帕”的应用仍处在过渡阶段，由欧洲进口的真空计常用“mbar”；日本等国进口的真空计仍有用“Torr”。 近年来，我国出产的真空计大都采用“Pa”了，也有些仪器为了照顾习惯，采用“Pa”、“Torr”、“mbar”多单位制。不过，为贯彻计量法今后应逐步统一用“Pa”作压强单位。标准大气压（1.013105Pa760托760mmHg）是在北纬45、海平面上测得的。标准大气压对应的分子密度n2.451019个/cm3。；1. 2 气体分子的平均自由程（）： 一个气体分子与其它气体分子相继二次碰撞内所走过的路程称为自由程。自由程有长有短，它们的差异很大。然而，相当多的自由程的平均值却是一定的，这个平均值便称为平均自由程（）。单一气体分子的平均自由程（）：厘米2.331厘米（）由式（）可见，且当一定时，与的乘积为一常数，即常数（） 对于的任一气体：厘米（） 对于20的空气： 厘米（5） 式中，气体分子密度个厘米3 气体分子直径厘米 气体的温度k 玻尔兹曼常数，为1.3810-6尔格 气体压强托 由式（2）（5）中可知，气体分子的平均自由程随真空度升高而增大。在大气压下，6.710-6cm；当P1Pa时，0.67cm；当P.310-4Pa时，长达51m！ 由式（3）可见，气体种类不同，值不同，在.相同的情况下， 也不一样。1. 3 气体沿管道的流动状态： 由于各种真空度下的不同，使各真空区域的气流状态亦不同。一般可分为四种：湍流、粘滞流、过渡流、分子流。在高压强、高速度下，既分不清层次，又没有规则的气流称为“湍流”。在起始抽气阶段，从大气压至几十托间，在节流的管道中会遇到短时间的“湍流”。至今，人们对湍流的理论计算尚不成熟，一来是出现的时间很短暂；二来是难有规律可循。当气流速度和表面的不规则性小到足以能用平稳围绕障碍物流动的层状流线来表示时，就开始进入“粘滞流”了。对于圆管而言，湍流和粘滞流之间的界限可用雷诺（Reynolds）数Re来判别。而其它三种气流状态则可根据和管径直径（d）之比来判别（由表“1”可见，d不同，气流界限也有变化）： 表1 判别式真空范 管道内径围 d(cm) (托)气流状态d2.5 cmd1.0 cm为“粘滞流”粘滞流n101210-1n101510-1为“分子流”分子流P610-3P1.510-2为“粘滞分子流”（又称“过渡流”）过渡流210-1610-3510-11.510-2“粘滞流”是呈流线型的规则气流，此时远小于管道内径，气体的粘滞性是以分子间互相作用的内摩擦形式表现出来的，气体分子间碰撞是主要的，分子与器壁间碰撞是次要的。因而气体主要存在于空间，真空泵主要抽走空间的气体分子，容易抽走，需要抽气的时间也短。在“分子流”情况下，d，气体分子的内摩擦已不存在，分子间的碰撞可忽略，而气体分子与器壁间碰撞频繁。此时，真空泵主要抽走器壁解吸分子，抽走这些分子要比抽空间分子难一些。因而，高真空需要的抽气时间长，超高真空就更长。1. 4 真空区域的划分： 为了方便起见（实际上还特别为了便于确定所需真空设备的型式），通常把整个真空区间按照压强的大小划分为几个区域。至今，世界各国对划分方法尚无一致的见解。这里，按照华中一教授的建议，采取如下划分可能比较合适： 托 粗真空（或3） -3 托 低真空（或3-1） -3-8 托 高真空（或-1-6） -8-14 托 超高真空（或-6-12）-14 托 极高真空（或-12这些真空区域的分界根据下面的理由： 表压强值（托）物理现象获得设备的特性*10气体放电开始出现水抽气机的极限10-3分子平均自由程（）为厘米级机械泵的极限10-8布满清洁表面一单一分子层的时间（z）为分级扩散泵的极限10-14每立方厘米气体分子数（n）为100级必须使用低温泵*指一般设备的性能，不包括特殊处理的泵 第二章、从三道“真空方程”说起：影响一台真空设备（如排气车）或一根灯管极限（或工作）真空度的要素有两个方面：（1）抽气手段：如真空泵、吸气剂；（）气体来源：如放气、渗透、蒸发、分解、漏气等等。不同的情况可以用不同的真空方程来描述。21 动态真空系统方程： 动态真空系统（如：长排车、园排车等），在时间为时的动态平衡压强可由下式表达：u（12） 式中Pu-抽气机组的极限真空度（托） 一总气源（托升秒），QT=O；其中O为材料放气率；为系统漏气率；为渗透率。 Se -有效抽速（升秒）。 Se（13） 式中Sp-真空机组（或泵）的抽气速率（升秒）；C总-管道的总流导（升/秒），在分子流状态下，它是由管道几何尺寸（内径和长度）决定的（本文后面将作介绍）。就一套排气台而言，管道的总流导是一定的。当泵的性能（指u和p）正常时，所能达到的真空度t主要受QT的限制。其中，“漏气率”L是常数，应彻底排除或将其限制在允许的范围内（10-9托升秒以下）；“渗透率”p，虽随温度的升高而增加，但因其数值相对较小，在动态真空系统中往往可忽略；“放气率”O包括构成真空系统管道的材料（如：不锈钢、玻璃等）的放气率以及密封材料（如：橡胶、无氧铜、真空脂等）的放气率，还包括暴露在系统内的污染物的放气率。因此，合理的选用构成材料和密封材料，认真的清洁处理均是必要的。O在真空中一般随时间的延长而衰减，也随工艺条件（如烘烤温度等）而变化。通常，人们在设计时，Pt选择在高于Pu半个到一个数量级。22 静态真空系统方程：当一只灯泡（真空泡）由排气台上封离下来后，就成了一个封闭的“静态真空系统”。封离后经过时间，其管内压强t为：PtPO（14） 式中：QT-封离后真空泡内的总气源（托升秒）；PO-封离真空度（托）； t-封离后经过的时间（秒）； -管内容积（升）。这时，Pt为时间的函数，随着各种气源的气体进入静态空间（灯泡内）而压强Pt不断上升，直到气源与灯泡内环境气氛达到平衡，使不再增加为止。如果不存在漏气且渗透极其微小的话，材料放气将是起主导作用的。假设一只80h320mm由康宁7740派勒克司玻璃制成的真空泡，没经烘烤除气，在长排车上“冷抽”小时后封离下来，虽封离真空度 PO210托， 经计算，该泡的容积V=1.6升， 内表面积=905厘米2 查表得该种玻璃“冷抽”1后的放气速率为7.3510-9托升秒厘米2，则T6.6510-6托升秒，封离后5min泡内真空度将降至Pt1.25103托！若灯泡点燃后温度升高时真空度将急剧下降。此例说明排气时采用各种方式对管内另件彻底除气的重要性。23 准静态真空系统方程：通常，彩显管内均装置有吸气剂，它相当于一台“物理一化学泵”，这样，封闭的彩显管内真空度便不是“静态”的了，这种系统称为“准静态”。它封离后经过时间，其管内压强P”可用下式计算： P”=PO十（15）式中，。-吸气剂及电极材料的化学清除和电清除速率（升秒）；dpd-压强变化率（托秒）；PO-封离真空度（托）。这里，彩显管封离真空度决定了管内真空的本底水平。管内气源QT越高，管内压强越高。而吸气剂是作为一个“泵”在其中工作的，其吸气速率O越高、可维持在高水平O下的“持久力”越高，管内工作真空度维持在较高水平下的时间越长。如果O足够大，不仅可以吸去管内气源的放气，达到维持真空的目的，而且，还可以将剩余的吸气能力用来提高管内真空度。因此，我们又可以从物理意义上理解：式（15）右边第一项（PO）是封离真空度；第二项（QTO）是“维持”管内压强的条件；第三项是“提高”管内真空度的表达式。当然，这里O并不完全是吸气剂的吸气速率，往往还包括电清除、自吸附等多种吸气方式，不过，其中吸气剂的作用占主要罢了。其实，放气速率是随管子工作状态而变化的，吸气剂的吸速O也是随着吸气量的增加而衰减的，因此Pt”管内压强是随时间以及管子工作状态变更而变化的函数，所以称为“准静态”。由于吸气剂毕竟吸气容量有限、大生产中考虑到生产效率，封离真空度又不可能很高，为了保持管内良好的真空气氛，必须着重研究气源，以便采取有效的降低和控制措施。其实，吸气剂在荧光灯中也曾有过应用。在国际上最大的吸气剂生产厂家（意大利SEAS公司）大力推动下，1980年1995年间，国内外众多的荧光灯厂家都曾使用过释汞吸气剂。（当时生产的灯管多为T12、T10）这种带状的释汞吸气剂是在敷镍铁带两面分别压制上Zr Al16和HgTi3粉末，其中，HgTi3是释汞合金， Zr Al16是非蒸散型吸气剂，封口前，将一定长度的释汞吸气剂带做成一只环，用边杆焊在灯丝周围（T12灯中用8 c m长的释汞吸气剂带）。 鈦汞合金在500度以下不会分解出汞，因而，排气时彻底消除了汞污染；封离排气管后在传送带旁加一台高频炉和一组走廊式高频线圈（高频炉的频率选在350kHz左右，灯管烤高频时不会产生放电），利用高频加热的方式使释汞吸气剂升至850度约30秒鈡后，使释汞合金分解出单质的汞；另一方面高频加热使锆铝吸气剂 “激活”， 从而有了吸气能力。 锆 铝吸气剂是一种选择性吸气剂，只吸收活性气体（特别是对灯最有害的氢气、氧气，它俗称“氢海绵”），氩气、氪气等惰性气体它均不吸收；单位长度的释汞带的含汞量是一定的 （3mg/cm），通过控制灯内所使用的剂带长度和释汞工艺可控制灯内的汞量。释汞吸气剂的使用带来了十分明显的好处：由于吸气剂的作用，提高了灯内真空度（降低了杂质气体含量）；改善了启动性能、提高了光通量及其维持率、减少了早期“黄黑”、延长了灯管寿命。同时，基本消除了汞污染，改善了生产环境。由于使用释汞吸气剂后，增加了生产设备与工艺、提高了生产成本。隋着激烈的市场竞争，一些厂家纷纷停用了释汞吸气剂。但在某些特殊的场合（如客户要求生产高质量的灯管时）常常还在使用它。几年前，我看到飞利浦公司在试制T5灯时，就又使用了一种小型的环状释汞吸气剂。第三章 理想气体的状态方程及有关的几条基本定律：3. 1 波义耳一马略特定律：当一定质量的气体的温度不变时，它的压强跟它的体积成反比。它又可以表达为：一定质量的气体在温度不变时，它的体积跟压强的乘积是一个常数。 这个定律可用公式表示如下： T=常数 ； P1V1 = P2V2= PnVn=C1m=Q C1=RTM3. 2 查理定律：一定质量的任何气体的体积不变时，则它的压强随温度升高而增加，每升高1时，它的压强增加的量等于它在0时压强的1273。体积不变，一定量的气体所增加的压强跟温度的升高成正比。在升高同样温度的情况下，气体压强的增加跟它在0时的压强成正比。这个定律可用公式表示如下：V=常数（PT一P0）T= P0273又可写成： PT= P01（T273）举例 ： 设25下测得的灯内填充气体的压强为2.5托，求160下充气时灯内压强为P160？解： PT= P01（T273）P0=2.5托1（25273）=2.29托 P160=2.291（160273）=3.632托修正系数： k =3.632/2.5=1.4533. 3 理想气体状态方程：分子间毫无相互作用的物理态的气体称为理想气体。这是一个理论概念，它相当于这样的假设：（a）分子都是微小的球体；（b）它们的体积与气体实际所占的空间比非常小；（c）分子间无相互作用力； （d） 它们 完全无规则地沿直线运动；（e） 分子间的碰撞是完全弹性的。某些实际气体，如：氢、氮、氧、氩、氦、氖、氪、氙在大气压下很接近于对理想气体所假设的行为。在较低压强（真空）下，更多的气体接近理想气体。理想气体状态方程：PV =m.R.TM以上公式中：P气体的压强； m气体的质量；Vm克气体的体积； T气体的绝对温度；M气体的克分子量克克分子；R气体常数，其值为62.362托.升K.克分子；N0阿佛伽德罗常数，N0=6.02253e23个；n0劳喜密特常数，n0=2.6870e19个Cm3；P1Pn混合气体中各气体的分压强。注：上述定律和状态方程除道尔顿定律外，仅适用于温度不太低、压强不太高的实际气体，气体密度越小，应用这些定律越正确。对于蒸汽，只要在常温下没有达到饱和状态，上述定律和状态方程均能适用。第四章 真空系统设计中常用的计算方法 4. 1. 管道流导的计算：在计算管路流导前，必须判别管道中的气流状态，以便选用相应的公式计算流导。 a）管道中气流状态的判别条件（指：空气、20） d0.5（托cm）粘滞流； d0.015（托cm）分子流； 式中，管道内的平均压强（托）；一管道直径（）（注：该“判别条件”可由本文式（）代入“表”中的公式推导出）在圆形管道中，湍流和粘滞流的判别通常用“雷诺数”Re，对于20下的空气，可简化为：Q200d为湍流；Q100d为粘滞流（其中，Q为气体流量，d为排气管内径）。b）粘滞流区域内圆形长管道（管道长度L20d）的流导： n（升秒）（7）c）粘滞流区域内圆形小孔的流导：（P2/P10.1）n（升秒）（8）式中，一小孔的面积（2）。d）过渡流（又称“粘滞分子流”）区域内圆形长管道的流导：C n f=12.1J（29）式中，J与d、之积有关的系数，J= e）分子流区域内圆形长管道的流导：12.1（升秒）（3 f）分子流区域内圆形小孔的流导： M11.6或CM9.1d2（升秒）（31） g）总流导与各串联的管道（或真空元件）流导间的关系： （32） h）总流导与各并联的管道（或真空元件）流导间的关系：总Ci（33） 4. 2 有效抽速的计算： S（13）式中：Sp-真空机组（或泵）的抽气速率（升秒）；C总-管道的总流导（升/秒），在分子流状态下，它是由管道几何尺寸（内径和长度）决定的。4. 3 讨论：）从式（27）（30）可知，粘滞流下圆长管的流导与管内压强有关，在高压强下同一尺寸管道所呈现的流导随压强的降低而减小，进入分子流后就呈现一固定的流导，其值仅与几何尺寸有关。）在串联的管道中，某一最小流导的值往往决定了总流导值，在泵的抽速PC总时，C总。图87C）以21寸彩色显像管为例，其排气管内径d=0.39cm，长度L=5cm，按前述的气流判别公式可计算出各气流状态所对应的压强范围：气流状态湍流粘滞流过渡流分子流压强范围（托）76020201.31.33.810-2P3.810-2它所呈现的流导与压强的关系可大致用图87中曲线表示。 4. 4 粗抽时间的计算： 将荧光灯（含管道）从大气抽至-2托时，可认为主要是抽除容器空间的空气（忽略材料放气），考虑到机械泵的有效抽速随真空度升高而下降的情况（修正系数Kq）和暂不考虑流导的影响（因在大多数情况下，抽气管道较粗，粘滞流下的流导较大），计算粗抽时间有以下公式：2.3q（秒）（35） 式中，一粗抽时间（）；P一泵的标称抽速（s）； V一被抽容器的容积（）； Pi一开始抽气时压强（7托）： 一经时间抽气后的压强（托）； q一修正系数，与设备抽气终止时压强有关（查表得K4）。设某设备管道容积1.5升，接有五只钠灯，每只钠灯空间容积1.6升，总9.5升，4.58升秒 ， 若从大气抽至1-2托需耗时：2.3（）秒 然而，对于排气管流导很小的电真空器件而言，上述公式并不准确，因为此时Se。下面列出适用于荧光灯计算粗抽时间的公式：（1） 分子流状态下的抽空时间： t（36） 式中，M排气管分子态流导（s）； 起始抽气压强（）； ”终止抽气压强（）；由于在分子态下材料放气开始影响抽气时间，这个公式既不很准确，也不常用。（2） 过渡态下的抽空时间：t（秒）（37）式中，7.8，荧光灯排气时常处于这种气流状态下。 （）粘滞流状态下的抽空时间：t（秒）（38）式中，a0.281，粘滞态对荧光灯排气管而言，出现在高于1托（133Pa）的压强范围内，粗抽时也是经历这一状态的。（本文列出的21时彩显管经过333.4秒后抽至3.810-2Torr的计算结果就是利用式（37）、（38）求出的）。47 利用填充气体冲洗法降低杂气分压强：一些电光源器件为加速排气过程往往采取冲洗法来降低杂气分压强。前文己提过，对于细而长的排气管，其中气压越高，它的流导越大。若用表示冲洗前灯内本底压强， 充入纯净气体后的压强用2”表示， 把纯净气体排出后的压强用2表示，经n次冲洗后，灯内的杂气分压强（）可用下式表示：（48）可见，冲洗次数起着极重要的作用。例如，直管型荧光灯用圆排车排气时采用冲洗三次，冲洗前灯内本底压强：PO-1托 ，冲洗 用 压力 2”托，把纯净气体排出后的压强 ： 25-1托， 按上式便可求出理论上的灯内杂气分压强值： 1-6托。然而，式（48）忽略了一个关键因素：排气系统的静态漏气和放气的影响。因为，在充气过程中泵被隔离，静态真空系统中的接头、中心盘等处的漏气和系统润滑油、真空橡皮管的放气远非可以忽略。因此，设系统漏、放气造成的杂气分压强为H的话，那么，经次冲洗后，实际的杂气分压强应为： 第二次冲洗后，实际的杂气分压应为： 经n次冲洗后，实际的杂气分压应为：（49）图104第五章 各种真空获得手段的简介至今，还没研制出一种能把一个容器从大气抽至高真空或超高真空范围的泵。虽然所有的真空泵都是用来减少气相分子数，但是用来获得低压强的各类泵却涉及了几种不同的原理。真空抽气则是以下述一个或几个原理为根据的。 （1）气体的压缩和膨胀，运用于活塞泵、液柱泵或液环泵、旋转式机械泵、罗茨泵。 （）由粘滞效应产生的曳力，运用于蒸汽喷射泵中。 （）由扩散效应产生的曳力，运用于蒸汽扩散泵中。 （）分子曳力，运用于分子泵中。（）电离效应，运用于离子泵中。（6）物理或化学吸着，运用于吸附泵、低温泵及吸气剂泵中。抽气原理的选择或所用真空泵的选择受特定参数的限制。这些参数主要是：极限压强、压强范围、抽速、排气压强。在超高真空范围内，还要加上另外两个参数：泵的抽气选择性及残余气体的成分。1、极限压强 一个泵在其入口处所能达到的最低压强取决于泵本身的漏气，或泵所用液体的蒸汽压强。这个最低压强决定了能有效地使用各种抽气方式的压强范围的低压端（图2）。2、压强范围一个单一泵的压强范围是指在这个范围内该泵的抽速可认为是有效的。“图2”表示出了几种泵在其压强范围内的实际抽速与最大抽速之比的相对变化曲线。3、泵的抽速从“图2”可知，泵的抽速不是恒定的，它是压强的函数。有些泵（如旋转式机械泵）的抽速压强曲线是随压强的降低而下降；有些泵（如扩散泵、罗茨泵）则是先随压强降低而上升，达到一个最高点，然后随压强降低而下降。 4、 排气压强排气压强是泵在这一压强下可以进行排气的压强。根据这个观点，真空泵可大致分为三类：（1） 往大气中排气的泵。如旋转式机械泵和喷射泵，这种泵一般称为“粗抽泵”或“前级泵”。（2） 只往低于大气压的环境中排气的泵。这种泵需要一个前级泵（串联）向大气中排气。扩散泵、罗茨泵及分子泵均属于这种类型。它们都需要一个前级泵。（3）可束缚住系统中的气体和蒸汽的泵。这种泵不需要出气口，是根据电离或吸着原理制成的。其中，吸附泵是从大气压下工作的泵，不需要“前级泵”；各种类型的离子泵、低温泵和吸气剂泵则工作于高真空乃至超高真空，它们需要有“前级泵”先把容器抽至真空，但它们工作时前级泵必须用阀门隔离，因此，它们与“前级泵”是并联使用的。由于真空泵的种类繁多，有些泵在电光源领域内无用武之地；再考虑到各位已经从各种专业书藉中了解到真空泵的一般知识，受篇幅所限，这里仅准备有选择地简介与电光源有关的真空泵的特殊知识（考虑到叙述的系统性难免也涉及到它们的一般知识）。51机械真空泵利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵统称为机械真空泵。其中，常用于电光源的有：油封式旋转机械真空泵、罗茨泵。511油封式旋转机械真空泵（简称“机械泵”）它是用油来保持密封的机械真空泵。可分为定片式、旋片式、滑阀式等。其中，定片式机械泵虽结构简单、使用寿命较长和便于检修，但由于抽速较小，目前，国内外已少有厂家生产。滑阀式机械泵由于采用严密油封，可靠耐用，且传动部分采取了强制润滑，可以制成大抽速的泵，在电光源行业中有人用来作荧光灯圆排车的粗抽泵（俗称“头道泵”）。旋片式机械泵是电光源行业中使用最广泛的机械泵。a， 气体和蒸汽： 通常，我们把物质的临界温度作为判断气态物质是“气体”还是“蒸汽”的标准。“气体”：在临界温度以上的气体，即单纯增加压力不能使其液化的气体称作“气体”（“非可凝性气体”或称“永久性气体”），室温远远超过了He（267.91）、H2（239.91）、N2（147.13）、O2（118.82）、Ar（122.44）、Kr（62.6）等物质的临界温度，故称它们为“永久气体”。“蒸汽”：在临界温度以下的气体，即单纯增加压力就能使其液化的气体，被称作“蒸汽”。如H2O（374）和真空技术中常遇到的一些油蒸汽，它们的临界温度远超过室温，故称它们为“蒸汽”。b，机械泵不能大量抽除水蒸汽。这是因为在20下，水的饱和蒸汽压P饱和=17.5托。当它被压缩至压强等于泵温（60）时的P饱和=149托时，就能在恒定的压强下凝结成水滴，这时的泵内总压强还达不到能打开“出气阀”所需的760托。在普通机械泵内，数百比1的压缩比下，水蒸汽并不能以气态的形式排出阀门，而只能呈液态颗粒混入油中，破坏泵油固有的密封和润滑功能，会使泵内壁生锈、油“皂化”。为克服这一弊病，在很多泵中加入了“气镇阀”。当泵中水蒸汽含量较多时，便可以打开“气镇阀”（由小孔向泵腔内充入少量空气），这时泵内初始压强提高了，这种空气水蒸汽的混合物在泵腔内压缩时就会在较小压缩比下总压强超过760托，“出气阀”被顶开，这时，水蒸汽还没被压缩成液体（水）前就随着由气镇阀充入的空气被排出泵外。 “气镇”打开后，机械泵的极限真空度要下降，泵温将会上升，通常是在检修或试车时可采取打开“气镇”阀，使泵运转几分钟的办法，从而达到排除泵内的和混入泵油中水蒸汽的目的，达到自净化效果。c，有些机械泵标有极限真空（分压力）和（全压力）两项指标。这是因为常用的热偶真空计和电阻真空计测得的是系统内气体和蒸汽的全压力，往往极限真空达不到标称值。而以往机械泵的（分压力）极限真空指标是用压缩式真空计（麦克劳计）测得的。测量时有一个气体压缩过程，被测空间内存在的蒸汽（水、油等）就可能变成液态，因此它只能测出仍处于气态的那些永久性气体的分压力。不过，这些年来一些生产厂家也纷纷用加冷阱的电阻真空计测机械泵的极限真空，这时，水蒸汽和油蒸汽便会凝结在冷阱内，电阻真空计测得的便是永久气体分压力了。图7 定片式泵的结构1.进气管 2.弹簧 3.排气管 4.杠杆 5.排气阀 6.油标 7.定片 8.转子 9.泵腔 10.泵壳 11.放油塞图9-a 旋片式泵的结构1.进气管 2.滤网 3.加油螺塞 4.油标 5.放油螺塞 6.旋片 7.弹簧 8.转子 9.气镇阀 10.泵体 11.排气阀 12,排气管图8 滑阀泵的结构1.泵体 2.泵轴 3.偏心轮 4.滑阀环 5.滑阀杆 6.排气管 7.滑阀导轨 8.进气管图9-b 旋片泵抽气过程图9-c图9-d图10图11从“图11”中可见：（1）由于双级泵克服了单级泵的弊病，极限真空度得到提高；（2）为抽除可凝性蒸汽（如水蒸汽），在打开气镇阀后，极限真空度将会下降；（3）泵的抽速在高压强时较大，随着压强降低而减小，达到极限真空时，抽速为零。“部标”规定2泵以10托、10-2托、10-3托三点处的抽速不得低于泵名义抽速的95、50和20，称之为“抽降系数”。而德Leybold公司泵的“抽降系数”分别为90、57和40，说明该公司的泵在10-210-3托间抽速下降比国产泵小，性能优越；d，泵上所标极是指对永久性气体分压而言的，一般在10-4托量级，是用旋转麦氏计测得的；而在实用中由于水蒸气和油蒸气的影响，若用Pirani计或热偶计测量，测得的残气全压强则只有10-210-3托。这就是我们用一般热传导式真空计往往测不到泵上标称的极限真空度的原因。目前，国外旋片泵均为“直联泵”，从而降低了噪声和振动，减轻了重量和体积，也加装了停泵时自动防止油返流的装置。国产的P15L/S旋片泵也有“直联泵”产品，其中，北京仪器厂的直联泵性能最好。近年来，德“Leybold”公司和日“ULVAC”公司已分别在天津、宁波建立合资厂生产直联泵，“成都南光机器厂”则全套引进瑞士“Balzers”公司技术，生产电动机也封闭在油箱内的新型直联式旋片泵。5. 2 罗 茨（Roots）泵：又称“机械增压泵”。它是利用两个字形转子在泵腔中旋转而产生吸气和排气作用的。其原理和罗茨鼓风机相似。它需要串联前级泵。由于它在低压强（10托）范围内工作，较大，气体漏过微小缝隙的阻力很大，因而能获得较高的压缩比，可做为增压真空泵使用。罗茨泵的特点是： （1）转子与泵腔、转子与转子间有一定的间隙（0.10.15mm），互不接触，因而不需要用油润滑，泵的振动也小。（2）转子具有良好的几何对称性，可以提高转速（3000r/min），从而能够制成结构紧凑的大抽速泵来。再被前级泵排走。（3）在泵腔内并不发生象旋片式机械泵那样的压缩现象，因此，它不需要排气阀，也正因如此，可抽除可凝性蒸气（如水蒸气）。（4）启动快，能在短时间内达到极限真空（一般Pu110-4托，较好的Pu可达10-6托量级），功率小（P150L/S的罗茨泵，电动机仅配3KW；而H150滑阀泵，要配17KW）、运转维护费用低。（5）在1010-2托压强范围内有很大的抽速（见图5）能迅速排出突然放出的气体，正好弥补了机械泵和扩散泵在这段压强范围内抽速都很小的缺陷，很适合用在某些电光源的圆排车上（一台泵抽几个工位）。上管二厂由日“NEC”引进的T10荧光灯圆排车和广州灯泡厂由英国引进的T12荧光灯圆排车中都使用了几台罗茨泵。近些年来，国产直管型荧光灯圆排车上也有不少用上了罗茨泵。 第六章 真空测量仪器的简介在较高的压强（76010-1托）情况下，作用于单位表面上的力可以直接测出，因而困难不大，精确度也可以较高；但在低压情况下，压强是如此微小以致根本不能使用机械方法来直接测定，这样就要求用另外一些办法主要是低压下气体的某些特性来作相应的测定，而在测定的过程中不可避免地要在外界引入能量（热能、电能、机械能等），这样就同时造成了误差的来源，因而，真空规比之于其他物理量的测定仪器，其准确度显然要低得多（除了基准量具以外， 一般真空规的精确度不要求在10以内），只不过是这样的误差基本上能满足工程上的需要罢了。同样的原因决定了各种真空规的不同量程、不同性能和不同的优缺点，于是就出现了对于不同的真空系统要选择合适的真空规的问题。真空规是测量低于大气压的气体全压的仪器，一般包括规管和控制线路（即仪表）两部分。真空规分两大类：（1）绝对真空规：指的是从所测出的物理量就能直接计算出气体压力的真空规它们包括：形真空规和压缩式真空规（又称“麦克劳真空规”）； （2）相对真空规：是输出信号与气体压力之间的关系要用真空测量标准标定后才能确定的真空规。其余的真空规均属于相对真空规。在这些相对真空规中，有三种规的测量值与被测气体的种类无关。它们是：）指针式真空压力表；）电容薄膜真空规；c）压阻式真空规。它们都是利用弹性元件在压差作用下产生的弹性形变来测量真空系统内压力的。其余的相对真空规又可按工作原理分为四大类：（1） 利用气体的阻尼作用测量真空度的，有：振膜式真空规和磁悬浮转子真空规；（2） 利用气体在低压强下的放电现象来估计真空度的是：放电管真空规；（3） 利用气体的热传导作用来测量真空度的：电阻真空计（Pirani计）和热偶真空计；（4） 利用气体分子在低压强下的电离现象测量真空度的有：普通热阴极真空规、中真空规、放射线真空规、冷阴极电离规（Penning规）、冷阴极磁控电离规、规及其一系列的改进型规管（抑制规、分离规、弯注规等）。受篇幅限制，本文仅就目前电光源行业（包括实验室内）常用的真空规作些介绍。61 U形压力计：U形压力计采用汞或低蒸汽压油（如275硅油）作为工作液体，从这种压力计的两个支管的液面高度差可计算出两个支管液面上的压力差（）： 1一2h（9） 式中。工作液体的密度；重力加速度。图37图38图39图40图41（19）式表明，形压力计是一种绝对真空规。对油形压力计来说，因275硅油的密度（1.092）约为汞密度（13.55）的，所以它的灵敏度要比水银形压力计高12.4倍。在真空测量中，通常所用的形压力计有如下几种形式：“图37”为开管式形压力计，它是一种以大气压作为参考压力的形压力计。“图38”为闭管式形压力计，其封闭支管事先抽成真空，其中的气体压力与被测气体压力相比，可以忽略。“图39”是采用电学方法测量液面差的水银形压力计，它的两个支管中装有电阻丝（钨丝或铂丝），随着水银液面的上升或下降，丝的电阻值随之减小或增大，以此来测出两液面差。“图40”是倾斜式形压力计。它是根据所测出的由sin来计算出液面差的。此种结构形式可提高灵敏度10倍。“图41”是一种参考端支管可在测量前抽真空的油形压力计。“图37”和“图41”所示的两种形压力计在电光源器件的长排车中常用。除通常工业上使用的U形压力计外，特殊设计的精密形压力计（液面差由专用的光学高度计测量）可作为76010-3托压强范围的真空测量标准。它的历史悠久，经受了长期实践的考验，被公认为是真空测量标准中最成熟、可靠性最高的标准。精密U形压力计是真空测量标准的基础，而另外三种主要真空测量标准都可以说是它的发展。压缩式真空规可认为是“具有放大系数的U形压力计”；膨胀式校准系统的前级标准是精密U形压力计；动态流量法校准系统的上游标准是压缩式真空规或精密U形压力计。62 薄膜真空规和压阻式真空规：用金属弹性薄膜把规分隔成两个小室，一侧接被测系统，另一侧作为“参考压力室”该室应长期维持在10-5托，可以做成是准静态真空室（内装非蒸散型吸气剂），也可以是动态真空，测量时由高真空系统抽气。当压力变化时薄膜随之变形，其变形量被转换成电容量的变化用电学方法来测量的称为电容薄膜规（图42）。而压阻规的传感器结构与薄膜规大同小异，压阻规用“硅环膜片”代替薄膜规中的金属弹性薄膜。它是利用集成电路的扩散工艺将四个等值电阻做在一块硅片薄膜上，连接为平衡电桥。硅膜片利用机械加工和化学腐蚀方法制成硅环，然后用金硅共熔工艺或用其他特殊工艺将硅环与衬片烧结在一起。“硅环膜片”内侧为标准压力（10-5托），外侧为被测压力（图43）。当硅膜片外侧的压力变化时，由于硅的压阻效应使电桥四个臂的阻值发生变化，电桥失去平衡，得到对应于被测压力的电压信号。此信号经过放大器、控制单元、显示单元等，显示出相应的压力数值。这两种规的共同特点是灵敏度与被测气体种类无关，线性测量精度高，量程自动转换。高级的（实验室级）电容薄膜规还可以作为粗低真空的副标准和传递标准。这两种规均有对环境温度敏感的特点，因此，在有些电容薄膜规上加有“温包”，使规管维持在固定温度下，以不受环境温度变化的影响。6. 3 热偶式真空规和电阻真空规：这两种真空规都是利用气体的热传导作用来测量真空度的。“图44”示出了热偶规的结构，是加热丝（铂丝），是热偶（康铜一镍铬丝）。多数热偶规是按定流型的方式工作的，即加热电流为常数。因加热丝的温度是随压强而变化的，所以可用热偶来测量热丝温度，此时输出信号为热电势E。“图45”是热偶规的校准曲线。国产型热偶规的加热电流约在95150之间，量程为10-3托。由于它是非线性的，所以指针式热偶计的电表刻度也是不均匀的；数显式热偶计经过数据处理和转换后，可显示较精确的读数。热偶规的缺点是量程窄，热惯性大、反应时间长，稳定性差，精度不高。但它结构简单，使用方便，因此，还有一定市场。电阻式真空计是Pirani在1906年发明的，故又称皮拉尼规。这种规的热丝温度是随压力而变化的，由于温度的改变导致热丝电阻的变化来测量真空度。此规要求热丝具有大的电阻温度系数，以提高灵敏度；还要求热丝具有良好的化学稳定性，以减少零点漂移。随着技术的进步，目前电阻式真空规的压强测量范围已拓宽至760110-3托。由“图48”可知，它同热偶规一样，校准曲线也是非线性的，现用数显式仪表后，读数亦方便了。由“图49”可知，该计的测量值与被测气体的种类有关，尤其是在托以后更为明显。这种情况在热偶式真空规中同样存在。电阻式真空规的优点是量程宽、反应时间快。因而，在电光源行业普遍采用。图49图50图48图49图50图42图43图44图45图46图473.第七章. 真空计量与校准：（从略）内容包括：81绝对真空规比对校准系统；82 膨胀式校准系统； 83动态流量法校准系统；当然，对于工业生产线上用的相对真空规有时也用副标准真空规对比校准。附：ISODIS3567-2005 Vacuum gaugesCalibration by direct comparisonWith a reference gauge （中国计量科学研究院 于红燕翻译） ISO DIS35682005 真空计与标准真空计直接比对的校准 第八章 . 真空系统在安装、调试中的注意事项：8. 1 清洁处理：要装配到高真空中去的零件，必须事先非常小心地进行清洁处理。原因是：第一， 各种污染将成为大量气体和蒸气的来源；第二， 污染可以使元件本身变质（如：阴极毒化、电极漏电、某些部分产生不必要的次级发射等）。在各种清洁处理的方法中，一般以化学处理为主（常用汽油、丙酮去油，再用无水酒精脱水，最后要烘干或吹干）。在清洁处理中用作冲洗的水，最后一道一定要蒸馏水或去离子水。因为水质如不干净，则杂质还会沾污材料。这里介绍对真空橡皮的清洗方法二则：）未处理的新橡胶放气量很大，为降低放气率，必须先用的（）溶液清洗，随之用蒸馏水清洗，然后用洁净空气吹干。）用于与水银接触的橡胶， 必须在下， 用的O溶液处理至少小时，这样，橡胶再与水银接触，也不会被污染了。8. 2 试抽与部件检漏：对外购的或重新整修过的真空泵应试抽（有条件的话，最好测试u和p），检测它们的性能是否达标。 在总装前，必须对阀门、冷阱和管道等真空部件也应逐个检漏，阀门应分别在开、关状态下检漏。最好用氦质谱仪检漏，如遇被检件形状特殊或条件不允许时，也应寻找检漏灵敏度相对高的方法检漏。 8. 3 总装后，再进行整套系统检漏（用氦质谱仪或电离计法检漏）在确认无漏气后，可采用加热烘烤、氮气冲洗及辉光放电等方法除气，以使设备达到设计要求。第九章 构成真空系统的材料、真空密封和其他真空元件 91 . 真空系统的材料：包括真空规管、真空泵、真空管道和真空应用设备（如排气车、真空炉等）的壳体，以及各种固定、活动、可拆连接机构、各类真空获得手段的工作物质，等等。在上述应用中，除了对材料的物理、化学、机械、电气、热学等性能有各种不同的要求之外，还对材料真空性能有特殊的要求，如：气密性和低的渗气性能，溶解气体量少和较低的放气速率、低蒸气压和低分解压力等等。（1）壳体材料：主要是金属和玻璃。金属的优点是：机械强度好；容易实现高精度加工