真空的获得测量与校准

真空的获得测量与校准

一、目的

1、熟悉一般真空技术的基本知识

２、用膨胀法校准热偶式真空计

二、引言

真空技术初创于17世纪,当时，托里拆利（Torｒicelｌi）将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空.所谓真空是指给定空间内低于一个大气压强的气体状态.在真空状态下,由于气体稀薄,分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，汽化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，被广泛应用在工业生产、科学研究的各个领域中,尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用.

表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。单位体积内的分子数越少，气体压强越低,真空度越高。习惯上采用气体压强高低来表征真空度．在MＫS单位制中,压强单位为牛顿/米2(N／ｍ2)，1牛顿/米2=1帕斯卡（Pａscａl）,简称为帕（Pa)。由于习惯问题，历史上用毫米汞柱作压强单位来对真空度进行测量。后经第十届国际计量大会决定,用“帕”×105（Pa），标准大气压的1／76０称为１托(Tｏrｒ)。以“帕”规定的标准大气压是严格的，在数值上与以汞柱规定的“标准大气压"几乎相等，故1ｍmHｇ=1。000０0014托.目前，ＭKS单位制的应用处在推广和过渡阶段，考虑到习惯,有些真空测量仪器仍用Tｏrｒ作单位来表征真空度。

真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。自从１7世纪托里拆利获得托氏真空,到１9世纪爱迪生（Ｅdｉson）发明电灯泡的200多年间，真空技术经历了一个漫长的发展过程，此期间,人们只能获得１0５~103Pa范围的粗真空及1０3～10-1Pa范围的低真空.到了本世纪初，随着电子管的研究与生产的发展，逐步能够获得并测量范围在10—1～１0—6Ｐa内的高真空；大约到5０年代,在表面物理和原子能科学等尖端技术的推动下，发展了范围在10—6～10—10Pａ内的超高真空;70年代进一步提高到低于1０—１0Pa的极高真空。当今的真空技术已能获得和测量从大气到1０－１5Pa的宽达2０个数量级的真空度范围,并随着某些新技术、新材料、新工艺的应用和开拓，将进一步接近理想的真空状态。

三、实验仪器：

旋片式机械泵 扩散泵 W2Ｒ－1型热偶规管 ＦＺＨ—１型复合真空计 U型真空计

四、真空的获得

1、真空泵的主要参数

产生真空的过程称为抽气，抽气所应用到的装置总称为真空泵，或简称为泵,其主要参数如下:

A、 极限压强（极限真空） 在被抽容器内的漏气与放气可以忽略的情况下，一个真空泵在其进气口出所能达到的最低压强成为极限压强或极限真空度Pn。无论真空泵根据什么样的工作原理,除了获得抽气因素外，不可避免的同时存在着相反的消极因素-—甭内本身的漏气或放气.当真空泵有效的工作时，抽气因素总是大于消极因素，只有抽气过程经过了“无限长"的时间后，在泵内这两种因素时，才达到最低的平衡压强—-极限压强。

极限压强 极限压强定义为,当不存在被袖气体负荷时,真空泵的泵口处所能达到的最低压强。它由真空泵本身的抽气机理和由于结构设计方面的缺陷所造成的一种本底等效气源Q泵的大小决定。例如由于抽气作用不完善，使部分气体分子逆向通过泵身；泵内部表面放气，材料释出蒸气(如真空油脂蒸气）;以及泵内吸附气体脱附等均对极限压强有影响。极限压强uP与抽气速率Ｓ之间的关系为：uQPS泵＝（７—5）

B、抽气速率（抽速) 抽气速率S定义为,在给定的被抽气体压强P下,单位时间内抽走的气体体积Ｖ，设时间为t，则

PdvSdt （1）

然而在实际抽气中，容器内的气体体积是不变的,抽气过程中仅反映压强发生变化，我们利用玻义耳定律有下列的关系。

VdPSPdt （2)

dPSPdtV (3）

考虑到任何真空泵都存在极限真空度的这个事实,对Ｐ向作出修正，成为（P—PU),则

()USdPSPPPdtVV实 （4)

(1)UPSSP实

（5）

S实表示由于极限压强而实际得到的抽速。当压强UPP时，0S实,如果UPP时，SS实。必须指出，真空泵的产品说明书上往往只给出泵的抽速的最大值。

抽气速率 抽气速率定义为单位时间被排除(或吸收)气体的体积：dVSdt(７-1)理论上,如果所有进入泵口的气体分子都被排走，则抽气速率应为：SAn理＝（７-2)式中可理解为通过单位面的分子入射率, n为气体密度，A为泵口截面，S理为理想袖速.对于空温下的牢气，S理约为１1。６A１/s。真空泵的实际抽速为:SSH理标＝（7—３) 上式中H为何氏系数，其数值小于１(一般只有0．1—0。５),它取决于泵的工作原理和结构设计。个别的真空泵对某种气体的抽速可接近于S理 （即H1，如低温泵抽水汽)。上式中S标被称为“uP，这时抽速已降为零,可以推出实际的抽速S实应为：uPSS1P标实＝（－）（７—4)在工作压强PuP时，SS标实；uPP时，S实0.

C、最大的反压强 这是指真空泵的排气口出处所允许的最大压强，当超过这最大压强时，泵便失去抽气的能力.这压强又称为临界压强。很明显，最大反压强也是真空泵工作前所必需的预备压强,如果这压强比较大气压强小,则又称为预备真空。可以看出,真空泵所能工作的范围介于最大反压强于极限压强之间。对于由于被真空要求的泵，则必须配备所需要的预备压强,这种为获得预备压强的泵称为前级泵，而需要预备真空的泵则成为后级泵。

D、抽气的选择性 由于各种气体分子有不同的分子量,电离几率和化学活性等物理化学特性,不同的真空泵将有不同的抽气效果，在超高真空区域内尤其显著，所以对选择性这个参数的选择原来越重要。

抽气选择 由于各种气体分子有不同的分子量、平均运动速率、电离概率和化学活性等物理、化学特征,对于以某种特定抽气机理工作的真空泵，气体分子相应的特征就特产生不问的抽气效果(不同的抽气速率或极限分压强）。这也造成在抽气过程中以及达到极限压强时，气体的成分组成发生变化.

2、机械泵

由于真空技术所涉及的压强范围很大,包括十几个数量级，在这样宽广的压强范围内是不可能只用一种真空能达到的，而常常需要几个真空泵一起工作以取得更低的压强.真空泵按其机理可分为两大类：

(1）压缩型真空泵 这类泵的原理是将气体由一方压缩到另一方.例如：

利用膨胀－压缩作用的旋转式机械真空泵；

利用气体粘滞牵引作用的蒸汽流喷射泵;

利用分子牵引作用的分子泵等；

（2）吸附型真空泵 这类泵的原理是利用各种吸气作用将气体吸掉,但是这类泵中气体分子并不排出泵外,而是被永久贮存或暂时贮存于泵内，例如:

利用电离吸气作用的离子泵；

利用物理或化学吸附作用的吸附泵、低温泵和吸气剂泵等。

本实验用到的旋片式机械真空泵和扩散泵都是属于压缩型真空泵。

机械泵是利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装置。这类泵是周期性地增大或减少泵内空腔的体积，膨胀时与进气口相通,压缩是又正好与排气口相接,使被抽气体不断地流经泵内并排出泵外。如右图图１所示为旋片式机械泵,泵内有一圆柱形空腔，空腔上装着进气口管道和出气阀门，空腔内有一偏心安装的圆柱形转子，转子的顶端保持与空腔壁相接触,转子上开有两个槽，槽内安装二旋片,旋片间有一弹簧，于是当转子旋转式,两旋片的顶端始终沿着空腔的内壁滑动。图2是机械泵工作过程的原理图。在旋转过程中，旋片始终将由空腔和转子间构成的弯月形体积划分为二部分(有时是三部分，如（d）),一部分是连通出口阀门的排气空腔;一部分是连通出口阀门的排气空腔;一部分是连通进气管的吸气空腔。图二中，(a）表示正在吸气,同时把上一工作周期内吸入的气体逐步压缩;（ｂ）表示吸气截止(此时吸气空腔最大），将开始压缩；（c）表示吸气空腔另一次吸气，排气空腔继续压缩；(d）表示排气空腔内的气体已被压缩到大于一个大气压，因此它能将排气阀门推开而逸出到大气中去,吸气空腔开始不断吸气．这种机械泵的理想抽速是：max2SfV。

其中f为转子的转速，maxV为泵的最大容积。这类泵的抽气能力在1０-1~1０-3托之间，一般用作扩散泵的前级泵使用。

利用机械方法来获得真空的装置称为机械真空泵.机械真空泵的工作基本原理是在由青铜或钢制的圆筒形定子中装有一钢制实心转子,定子与转子全部浸于蒸汽压很低的纯净的真空泵油中，通过转子的连续转动将真空体系中的气体抽出、压缩和排出．机械真空泵有单级旋片式、双级串联旋片式、气镇式等．下面仅介绍旋片式真空泵。

图１是旋片式机械真空泵示意图。这种泵的转子上嵌有两个旋片，该旋片有弹簧装置保证转子转动到任何位置时都能与定子内壁紧贴。这样,泵的进、排气口和定子与转子之间的空间就被两旋片分隔为两部分：与进气口连接的进气部分和与出气口连接的排气部分。当转子按顺时针方向旋转时此两部分的体积周期性地扩大和压缩。进气部分膨胀时压力降低，使真空体系内之气体抽出；排气部分体积缩小时压力升高可将气体排出。转子连续转动不断地抽气、压缩、排气,从而使真空体系达到真空。

为了更好的密封，整个泵体是浸在一种专用油中的,这种有的最主要特点是，其饱和蒸汽压小。

这种旋片泵的理想抽速为

max2SfV理 （6）

f为转子的转速，实际抽速当然要用公式（5）修正。对气体种类无选择性.

α来表示漏气的程度，0

当UPP时,0Q，可求得

minmaxudVPPV

（7）

由此看到,要取得较高的极限真空度，首先尽可能提高机械加工精度降低α值，其次尽可能使压缩最小容积更小以增大压缩比。

普通旋片式机械真空泵用于抽除可凝性蒸汽（如水蒸气等)有一定困难。原因是在泵体内压缩部分产生的很大压缩比可使可凝性气体液化而混入真空泵油中,在压力降低时它们又可能部分气化.这样就使得真空度破坏，并降低真空泵油的其他性能。而气镇式真空泵可免除此弊病,这类泵是在普通旋片式真空泵的定子上的适当位置开一个小孔，使在某一瞬间大气经小孔进入压缩空间改变空气和蒸汽的压缩比,大部分蒸汽不致液化而被排出．

机械泵可以从大气压开始进行工作,常用来获得高真空泵的前级真空和高真空系统的预备真空。上述单级泵一般所能达到的极限真空约为１0-2Torr。其抽速一般在每秒零点几升到几十升之间。转子转速愈快,则抽速愈大，但在高的转速下保证密封极为困难。为了保证不漏气，通常采用蒸汽压较低的机械泵油作密封填隙，并起润滑作用.

为使机械真空泵有良好的抽真空能力和延长其使用寿命，使用机械真空泵应注意：1、保持泵内真空泵油的洁净，并经常检查油面是否在要求的高度2、在真空泵停止工作前应先切断与真空体系的联系并使泵的进气口与大气接通，以免停转时真空泵油倒吸入真空体系中。