g真空的获得与测量

1、真空的获得与测量【真空技术简介】真空技术在工业生产，科学研究各个领域有着广泛的应用。其中一个重要的方面就是电真空工业。电真空器件，即内部为“真空”环境的电子器件(各种电子管、放大管、显象管等)，因工作原理基于利用电，磁场来控制电子流在空间的运动，以达到放大，振荡，显示图象等目的，如器件内达不到必要的真空度，电子流与气体的碰撞必然使电子流运动规律受到影响，另外电真空器件内的热阴极，光电阴极等都是化学性活泼的表面，极易受到气体的“毒化”而失败。可见，电真空工业是离不开真空技术的。在尖端科学飞跃发展的近几十年来，在原子能、半导体、计算机基本粒子研究，空间科学、微电子学，表面物理，真空冶金等方面，真空

2、技术不仅做为基本工艺，基本设备起了关键性的作用，而且常涉及到一系列真空物理现象的研究，因此，现代科学技术尖端的迅速发展已促使真空技术发展成为一门具有理论与技术特点的独立的新兴科学，其基本内容有真空物理(包括稀薄气体物理及表面物理)真空获得，真空测量、检漏、真空系统设计，计算等。1真空的基本概念压强小于一个大气压的气态空间通常叫“真空”，在真空技术中，气体的稀薄程度叫真空度。它常用压强的大小来表示，压强越小，真空度越高，反之，压强越大，真空度越低。真空度的高低用压强的单位“帕”来量度。 1标准大气压=101×105帕为了讨论和应用的方便，真空度分为几个区域：粗真空：压强在101

3、5;105帕-103帕低真空：压强在103帕-10-1帕高真空：压强在10-1帕-10-6帕超高真空：压强在10-6帕-10-8帕极高直倥：压强在10-8帕以下这样划分的根据是压强在1000帕以上的空气、性质与常压下相似；1000帕左右放电现象开始显现；10-1帕是一般机械泵可达到的真空度，10-6帕是扩散泵可达到的极限真空度；10-6帕以下的超高真空靠分子泵，溅射离子泵，冷凝泵等达到。绝对的“真空”即完全没有任何物质的空间是达不到的，所谓“真空”内仍然存在眷大量气体分子，只是比大气中少得多而己，现在能获得最低压强比一标准大气压低十九个数量级。随着真空技术在排气和测量技术方面的改进，真空度的下

4、限正在不断降低。用现代排气方法获得的最低压强下，每立方厘米抽成真空的空间里仍然有好几百个分子。当压强为一个大气压，温度为273K时，一立方厘米任何气体的分子数No=2.69×10-19个(洛喜米脱数)。当压强为P(以帕表示)，温度T(绝对温度)，一立方厘米任何气体的分子数表示为：例：室温20时(即293K)各种真空度下，每立方厘米气体分子数： P=10-4帕时， N>24×1010个厘米3 P=10-6帕时， N>24×108个厘米3P=10-8帕时， N>24×106个厘米3也就是说在“P=10-8帕超高真空”时每立方厘米仍有240万

5、个以上的气体分子1“真空”只是相对而盲的2不同真空范围的主要应用：(1)低真空：保温瓶夹层中，1帕一10-1帕，这种条件下气体分子的热传导，对流作用大大减弱，热量不易散失，起到了保温的作用。各种灯泡中，真空度为10帕10-1帕，这种条件下氧分子显著减少，足能防止钨丝在高温时被氧化而烧毁，在低真空条件下贮存食物，和易与大气成分发生反应的材料以防变质由于在真空条件下汽化点变低，因此，在食品、化工、医药等工业中广泛用来脱水，干燥、蒸镏，如制造干血浆、细菌保存、浓缩鱼肝油等方面。(2)高真空：气体分子平均自由程与气体压强成反比，真空度越高，平均自由程入越长，单位时间内分子相互碰撞的次数也减少，如空气在

6、P10-2帕时，05米，但在P10-4时，50米，各种电子管示波器，显象管都要抽成真空，是为了使电子在运动过程中，不致因受气体分子碰撞而影响运动规律，电子显徽镜、高能粒子加速器，则要求保证粒子在更长的距离内不受气体分子的碰撞，需要10-4一10-6帕的真空度，提钝金屑及熔炼超钝合金的过程中，也离不开真空条件，如半导体锗或硅中只要有百万分之一，或千万分之一的杂质，就可以破坏它们的特性，因此必须在10-4一10-5高真空条件下制备(3)超高真空：表面物理的研究工作都必须在超高真空中进行，因超高真空能保护清洁处理过的表面，在较长时间内不受气体分子的污染。如在超高真空条件下，在经过清洁处理的表面形成单

7、分子层的气体层至少需要经过几小时甚至几月之久，这将有利于对表面物理特性的研究，以及对金属逸出功，热电发射，光电发射等的研究，近年来在大型加速器、热核反应、宇宙航行及空间科学研究中，超高真空都有着极为重要的作用。【真空的获得】“真空”的获得，要依靠各种抽气设备。这些抽气设备，简称为“真空泵”。由于真空范围很广，不可能用一种真空泵所能达到，人们利用不同原理设计了各种结构的真空泵。可根据需要选择，常用真空泵有两种：机械泵和扩散泵。分别详细介绍。1机械泵机械泵有好几种，性能较好的是旋片式真空泵，结构如图一a。主体部分是由圆筒形定子1和圆柱形转子2组成。转子在定子腔壁正上方，与定子紧密接触；转子由电动机

8、带动，绕自己的转轴转动，两个旋片3，横嵌在圆柱形转子的直径上，两旋片之间有弹簧4，使两旋片是紧贴在定子腔壁下，旋片将定子分成两个室，当旋片跟着转子转动时，靠近进气口这一室的容积逐渐增大，气体由被抽容器中吸入，同时旋片将另一室内的气体逐渐压缩，气体推开排气阀门6由排气口7排出，转子往返不断地工作，以上过程不断地进行，就达到了抽气的目的，为润滑机器，避免漏气和散热，泵体全部浸没在真空油8内也称为严油封式机械泵”。 油窗9可看到液面的位置。图一b为机械泵工作原理图。被抽气体中若有可凝性蒸气，将会凝为液体，还会使泵壁生锈，蒸发到真空中会影响真空度，严重降低了泵的抽气本领。近代油封式机械泵绝大部分装有气

9、镇装置，成功地解决了机械泵不能抽除可凝性蒸汽的缺点。汽镇装置就是在靠近出气口定子上开一个小孔，并附有螺旋可调节孔的大小，通过小孔可连续不断地把一定量的空气掺入压缩空间可凝性气体中，以提高混合气体的压强，致使蒸汽压强尚未达到它的饱和蒸汽压时，混和气体的压强就足以推开排气阀门，将混合气体排出泵外。机械泵正常维护很重要，根据机械泵的特点，使用时应注意以下几点：工作前要检查油位，油不足时及时添加。工作中检查泵温是否高，声音是否异常。机械泵转动方向必须是顺时针方向，不能反向转动，否则有油被压入真空系统的危险。当泵停止时，被抽容器处于真空状态，泵出气端是大气压，大气压就会将油通过泵体压回真空系统里去，污染

10、真空系统，造成回油现象，所以泵在停止时要首先关闭被抽容器，在关闭电源后立即将泵的进气口处通大气，目前普遍使用电磁阀，它能在停泵时立即自动切断管路和使泵体灌人大气。破坏泵体内的真空。机械泵的主要性能参数是抽气速率和极限真空度。 抽气速率S：它的定义是在泵的进气口处。在任一给定的压强下，单位时间内流入泵的气体体积数。即 式中V泵进口处，t间内流入泵的气体体积数(升)，P1在测定该气体体积时的进口压强(帕)。注意：抽气速率是随压强减小而变小的；一般名牌标出的都是核泵的最大抽气速率值。极限真空度：是指被抽容器中的漏气及容器壁放气可以忽略的情况下，经过相当长时间，机械泵所达到的最高真空度，这一般取决于转

11、子与定子的密封程度及泵油的饱和蒸气压。机械泵的极限真空度一般为10-1帕，它是一种低真空泵，可在抽低真空时独立使用，也可做为高真空泵的前级泵。2扩散泵当真空度要求较高，单用机械泵不能满足时，要把扩散泵和机械泵联合使用，以获得较高的真空度，扩散泵有水银散泵(略)和油扩散泵，主要介绍油扩散泵，油扩散泵可用玻璃或金属制成，我们介绍金属油扩散泵，结构如图二所示，泵底为油槽，内装有高真空硅油，用电炉加热，使油沸腾变成蒸气，蒸气由各级喷嘴定向射出高速气流，速度达200-300米秒。又因硅油分子量大，所以油蒸汽分子动能非常大，当被抽容器的气体分子扩散到泵内的油蒸汽中，被高速的油蒸汽分子碰撞，驱逐而集结到泵下

12、端排气管口，由机械泵将这些气体抽出，油蒸汽碰到泵壁，被冷却凝结为油(泵壁有冷却水套)油沿泵壁流回油槽，再被加热循环使用，喷嘴附近气体分子被带走后，被抽容器内气体分子继续向喷嘴处扩散，不断被油蒸气带走循环往复，使被抽容器内气体越来越稀薄，产生抽气作用。扩散泵的主要性能参数是抽气速率，极限真空度和最大反压强，抽气速率和极限真空度定义同于机械泵，多级喷嘴油扩散泵极限真空度为10-4一10-6，采取特殊的防油措施，如冷阱，各式捕集器，加水冷挡板等真空度还可进一步提高最大反压强是扩散泵的一个重要参量，扩散泵是一种次级泵，一般都以机械泵为前级泵，扩散泵必须在前级产生压强小于1帕的予真空条件下才能正常工作，

13、扩散泵出气口处前级压强所允许的最大值称为最大反压强，一般最大反压强为1帕，这个要求一方面由于在1帕时可降低泵油的汽化点，使油容易沸腾并有足够的喷射速度，更重要的是防止泵油氧化变质，降低抽气能力，影响系统的极限真空度和抽气速率，见图二。根据扩散泵的特点，使用时注意两点：扩散泵必须在压强小于1帕的予真空条件下，方可加热进行工作。扩散泵加热前，必先接通冷却水，提前对泵壁冷却，否则除泵油过热会损坏外，还会因油蒸汽不能冷却凝结而串入被抽系统，造成污染的恶果。图二 扩散泵结构图3超高真空需用分子泵、吸气剂泵、低温吸附泵等来实现，共同特点是没有“油”的污染问题，分别简述如下。分子泵：在泵体内有一组高速旋转的

14、叶片，进入泵体的气体分子在与叶片连续碰撞的过程中获得定向动量，最后被排除泵外，它通常可获得10-8帕的超高真空，是机械方法中产生超高真空的唯一方法。吸气剂泵(钛泵)：吸气剂是一些化学性较强的金属，如钛、锆、钡、钼及它们的一些合金，在真空中连续加热吸气剂使其蒸发，沉积在泵壳的内表面上，构成吸气薄膜，各种化学性质活泼的气体分子(N2O4等)落在薄膜上就被牢固地吸附，不再释出，这种泵多采用钛作吸气剂，又称钛泵，可获得极高真空。低温吸附泵(冷凝泵)如果固体表面的温度足够低，则落在该表面上的气体分子被凝聚或捕获，如采用多孔材料的分子筛作为吸附剂，当它冷却到液氮温度(77K时)就可大量吸附气体，利用不锈钢

15、表面或玻璃表面在液氦温度(4.2K)下工作，则除了氦气或氢气之外的气体原则上都可降到极高真空，这种泵也称为冷凝泵，极限真空为10-10帕，在尖端科学中有重大作用。4JK系列真空机组系统它一般作为电真空排气系统，真空镀膜用，是机械泵为前级泵，金属油扩散泵为次级泵所组成的真空机组，它是一个排气系统(图三)图三磁力阀2是一个截止阀又是机械泵放气阀，机械泵开车时阀门打开，停车时阀门关闭，并向机械内放气，防止返油。三通阀5用于改变真空管道的通路，可使机械泵与扩散泵接通，对扩散泵牙抽，或使机械泵与被抽容器接通。充气伐7用于向被抽容器充入大气或其它惰性气体。高真空蝶阀用于接通或断开被抽容器与扩散泵的通路。储

16、气瓶3的作用是当机械泵停车时，储气瓶内保持着扩散泵所需的前级真空，使扩散泵仍能正常工作一段时间。热偶规管6和电离规管8是测量真空度用的，下面在真空度的测量中介绍。挡油器10防止扩散泵内硅油蒸气进入被抽系统。冷却水套可使硅油蒸汽冷却凝结，流回油槽。【真空度的测量】测量真空度的量具有绝对真空计和相对真空计，绝对真空计通过测量的物理量直接求出大气压(如麦克劳真空计，在分子物理课所用教材中均有，不再重复。在现代测量中不用，它主要用于校正相对真空计)。相对真空计必经过绝对真空计校正，才能测定气压，如常用的电阻真空计，热偶真空计，电离真空计等，现在更为普遍的是由热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计。1热

17、偶真空计它利用低气压下气体的导热率与压强有关的原理制成。图四，汽热偶真空计原理图。热偶规管DL一3中有一对热电阻AB和AC，冷端为BC，热端为A，热端由加热器3通以恒定电流加热，让加热器电流保持恒定，当热偶规管内压强降低时，气体的导热率减小，加热器温度就会升高，热电偶的热电动势随着增加，如果已知热电动势与压强的关系，就可籍测得热电动势，直接指出真空度。压强为1010-1帕范围内，使用热偶真空计测量。图四 DL一3热偶规管2. 电离真空计利用三极管中加热阴极发射出电子流引起管内气体电离现象。图五为电离真空计原理图。图5 电离真空计原理图电离规管DL一2实际是一只三极管。加热阴极发射出电子流。电子

18、流被栅级加速。加速的电子流使管内气体电离，离子被收集极收集形成离子流，正离子产生的多少与气体分子的数目有关的，即与气体压强有关，故对离子流的测量可反映为气体的压强，让发射电流保持恒定，则离子流与气体的压强成正比，籍测得离子流大小，可直接指出真空度。压强为10-1一10-5帕范围内，使用电离真空计测量，压强高于10-1时不宜用电离真空计，否则，会缩短电离规管的寿命。3FZK一2型复合真空计目前常用的是将热偶真空计和电离真空计组装成的FZh一2型复合真空计，用电偶真空计部分测量10帕至10-1帕范围内的低真空，用电离真空计部分测量10-1至10-5范围内的高真空，FZh一2型复合真空计板面如(图六

19、)。真空计后面用电缆分别联结封装在JK系列真空机组不同位置上的两个热偶规管，及用五蕊电缆联结封装在JK系列真空机组上的一千电离规管，如图中所示的位置。使用方法如下：A电源打开以前，板面上开关位置应该是：加热测量开关放在(断)位置发射零点测量开关放在(发射)位置去气测量开关放在(测量)位置规管灯丝开关放在(断)位置校准10-2、10-3、10-4、10-5开关放在(校椎)位置。接通电源开关，预热，十分钟之后，即可用热偶真空计或电离真空计进行测量。B用热偶真空计测量低真空度加热测量开关放在(加热位置，两个热偶规管可分别测量两个不同位置的压强值，选定位置1或位置2，调节电流调节使加热器电流达到规定值

20、(每个热偶规管的加热电流是在封管情况下测定好的)，看电表的第三行刻度70一150毫安。图六 复合真空计面板加热测量开关放在(测量)位置，由电表第二行刻度读出压强值C. 用电离真空计测量高真空度(切记；必须真空度在10-1帕以下方可使用。使用电离真空计时，要将热偶真空计旋放在“断”的位置) 发射零点测量开关放在(发射)位置，去气测量开关放在(测量)位置，接通规管灯丝开关，调节发射调节旋钮，使发射电流值为5毫安。发射零点测量开关放在(零点)位置，调节零点调节旋钮，使电表指零。把量程倍加器开关放在(校准)位置，发射零点测量开关放在(测量)位置，调节(校准调节)旋钮，使电表指满刻度10处。把量程倍加器开关移到10-4、10-5即可以测量系统真空度，暂且不用时，只需断开规管灯丝开关即可。电离规管需要去气时，可在步骤调节发射电流为5毫安之后，把去气测量开关放在(去气)位置，此时，发射零点测量开关放在(零点)位置即可，必须在压强值<10-3帕才能去气，去气时间不宜过长，约1015分钟，去气时电离管栅极红热。【实验内容】目的：学习操作真空镀膜机，获得低真空和高真空。学习使用复