真空的获得与测量实验报告

真空的获得与测量实验报告摘要本实验利用机械泵和扩散泵来获得高真空状态，由复合真空计测量被抽容器所能达到的真空度。通过本实验我们了解了真空的获得与测量以及相关仪器的工作原理，掌握了初级真空、高真空的获得与测量的基本方法。本实验重点就是注意事项，通过本次实验不仅仅掌握了本实验仪器的注意事项，并且了解了对于实验仪器的注意事项分析方法。关键词机械泵，扩散泵，真空计，高真空正文1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。真空技术在工业生产和科学研究中广泛的应用。真空技术主要包括真空的获得、测量和检查漏气等方面的内容。目前，真空技术在近代尖端科学技术，如高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等工作中都占有关键的地位，在一般工业生产中的应用则种类繁多，包括化学工业、医学工业、制盐制糖工业、食品工业、电子工业等。一、原理简析及仪器设备简介真空状态下气体的稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空度越高，气体压强越低，气体分子越稀少。根据压强值的不同，大致可分为五个区域：粗真空760〜10托，低真空10〜10-3托，高真空10-3〜10-8托，超高真空10-8〜10-12托，极高真空小于10-12托。(一)真空的获得实验中利用机械泵和扩散泵来获得高真空状态。下面对它们进行一下简单的介绍。机械泵机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空的泵。机械泵目前常用的是旋片式机械泵。使用机械泵时应注意：①应经常保持油位在油标线附近，以保持其良好的密封性。②开启机械泵时，应保证电源之三相均有良好的电接触，应使转子转动方向与箭头方向一致（顺时针），不得反转。③保持泵内清洁，防止异物落入。④泵运转过程中，操作者不得离开，一旦电源发生故障应及时处理。⑤机械泵停止工作时，必须保持其进气口与大气相通，防止返油事故的发生。扩散泵油扩散泵是用来获得高真空的主要设备。工作压强范围：10-5〜10-7Pa。主要由泵体、冷阱、喷嘴、导管、蒸气流冷却水套和加热器等组成。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的。扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强。所以，一般规定扩散泵的前置真空条件为5〜7Pa。使用扩散泵时应注意：①由流体连续性原理可知，其前置机械泵的抽速必须保证能够及时排走扩散泵所排出的气体。若扩散泵及机械泵入口压强分别为p及p，抽速分别为S及S，则应满足ps=ps。②扩散泵工作时，冷却水必须畅通（流量约0.2〜0.?m3.hr-1），以确保泵壁的冷凝效果。③启动前，必须满足扩散泵的预真空条件：p<7Pa。④扩散泵的加热功率应适当，否则，将影响其抽速及极限真空。本实验所用扩散泵分别为1.5kW或2kW。⑤扩散泵运转过程，如遇到漏气、停电等，应及时妥善处理，顺序为：关闭电离规管灯丝，关断高真空阀F，切断加热电源，移开加热电炉及强迫风冷等。⑥扩散泵停止工作时，必须待油冷却（<60C）约0.5hr〜1hr后方可关掉前级泵及冷却水，但仍需保持一定的真空状态。（二）真空的测量本实验测量真空用复合真空计，它是测量真空系统中气体压强的仪器。真空计的性能一般可用测量范围、灵敏度、寿命及响应时间等指标来衡量。复合真空计是由热偶真空计和热阴极电离真空计组合而成。可测量103Pa〜10-5Pa的真空。热电偶真空计热电偶真空计由其探测规管及测量电路两部分组成。热电偶真空计的测量范围被限制在103Pa〜10-1Pa之间。热阴极电离真空计电离真空计也由电离规管和测量电路两部分组成。其压强测量上限被限制在10-1Pa，压强测量下限又被限制在10-5Pa。热阴极电离真空计的测量范围为：10-1~10-5Pa。热阴极电离真空计规管的灵敏度为0.2Pa-1，额定发射电流I=5mA。二、实验内容熟悉实验仪器与实验流程；首先检查仪器，关闭仪器所有的阀门；将三通阀推至死点，打开电源，打开机械泵电源，对储气瓶进行抽气，数分钟后，当压强达到6.7帕以下时，再将三通阀拉至死点，对真空室进行抽气，当压强也小于6.7帕时，再次将三通阀推至死点；打开油扩散泵电源同时接通冷却水，预热约四十分钟，打开碟阀开关，对真空室抽气；观察压强的变化，当其示数小于0.1帕时，打开电离真空计，调至10-1档，观测示数的变化，并在相同间隔时间内记录数据；测量时当示数小于1时，调至10-2档，再进行观测和记录数据，依次进行调低；数据发生明显变化时，可适当延长记录的间隔时间，以便得到更准确的数据。当高真空度达到5*10-3帕时即可停止测量；实验结束后，应先关电离真空计，再关碟阀，再关闭油扩散电源。再这个过程中，一直保持冷却水流通，直至大约二十分钟后流出的水达到常温为止。最后关闭机械泵。三、实验过程与数据处理初级真空状态用机械泵抽气至初级真空状态时压强随时间的变化如下所示：表1：初级真空状态压强随时间的变化数据表时间（s）051015202530压强（Pa）201714.513.612.411.210.8时间（s）35404550556065压强（Pa）9.99.498.58.27.97.6时间（s）7075808590压强（Pa）7.47.16.96.86.7根据以上数据作初级真空状态下压强随时间的变化图如下所示:初级真罕状态压强随时间的变化时间⑴n:：ijIjn?■'J由上图可以看出，机械泵刚开始对真空室开始工作时，压强下降的比较快速，后来会愈来愈慢。当压强降到6帕时，压强已经变化的很慢了，说明机械泵已经达到了工作极限。这时还不能马上进行下一步的实验，因为除了要保证真空室的压强降低到6.7帕以下，储气瓶里的压强也要低于6.7帕以下。所以这个时候要反复的将三通伐进行抽拉，因为实际操作时仪器不可能保证精密，难免会有漏气的现象，这个时候就需要我们考虑实际中的问题了。高真空状态当压强低于0.1帕即真空度超过0.1帕后，可以将碟阀打开进行下一步的高真空状态的实验。高真空状态时压强随时间的变化如下所示：表二：高真空状态压强随时间的变化数据表时间/s压强/10-4Pa时间/s压强/10-4Pa时间/s压强/10-4Pa时间/s压强/10-4Pa03801207624049.672020.653501257326048.374020.2103201307028044.876020152901356830042.278019.8202651406632040.780019.3252401456434038.982019302151506236036.984018.5351951556138034.986018.140180160604003388018451681655942031.9100017.85015317057.544030.8112016546029.3124015.1601301805648028.4136014.2651221855550027.8148014701141905452026.7160013.67510919553.654025.8172013.28010420053.556024.3184012.7859920553.358024208012909521052.360023.6232011959121551.862023252010.5100872205164022.328009.81058522550.36602230009.41108223050.168021.8115792355070021当压强低于0.1帕时，油扩散泵工作，电离真空计对真空室的压强随时间变

化的测量，在将近一个小时的时间里我们可以看到压强越来越低，几乎到了稳定的状态。根据上述实验数据作高真空状态下压强随时间的变化曲线如下:高真垸:状态压强随时间的变化400..400..压强(ioV>350300250200150100(t)O500100015002000250030003500350300250200150100(t)O50010001500200025003000由图可知，油扩散泵对真空室工作的压强随时间变化和机械泵的相近，都是开始时候压强下降比较快，后来愈来愈慢，压强与时间成反比的函数曲线相接近。当压强到达10-3帕，变化的很缓慢，油扩散泵的极限是10-6。实验误差是不可避免的，分析误差原因有：1、人的反应时间是误差存在的最大因素，在刚开始的时候，当热偶计变化的比较快的时候，误差就比较大。2、实验仪器本身存在的问题也会引起误差，因为可能会存在操作不当的步骤，会给实验带来损伤。四、注意事项冷凝水的使用（1）开关冷却水时要注意，在开始加热油扩散泵时打开，开始通冷却水时要慢慢增加，并注意冷却水是否畅通；（2）工作过程中，保证其通畅，要随时关注水温，水温过高，加大水量，水温低，则可以适当关小；（3）关闭冷却水要在关掉油扩散泵的加热后，等油冷却后再关，一般情况是冷却二十分钟。高真空蝶阀的使用（1）开关高真空蝶阀是要注意，在油扩散泵处于高温时，打开高真空蝶阀前是要保证真空室的压强小于6.7帕；（2）在工作过程中，保证其压强一直保持小于6.7帕，如果压强将要接近6.7帕时，要抢先关掉高真空蝶阀；（3）关闭高真空蝶阀是也要在压强小于6.7帕时关掉。电离真空计的使用（1）打开电离真空计时，要保证真空室内的压强小于0.1帕即真空度高于0.1帕时才能打开电离真空计的加热开关；（2）使用过程中，保证其压强一直保持小于0.1帕，如果预计压强将要接近0.1帕时，要抢先关掉电离真空计；（3）关闭电离真空计也要在压强小于0.1帕的状态下关掉。五、实验总结在实验过程中，经粗略的判断真空室内的压强随着时间的推移而降低。即真空度随着时间的推移而增加且速度变的越来越慢，最后趋于一个稳定的值，不再改变，而压强下降速率也随着压强的降低而降低。随着真空度的上升，真空室中的气体分子减少，油分子能捕获气体分子的几率也减少，所以压强值的下降速度也减缓下来。本实验利用机械泵和扩散泵来获得高真空