真空技术基础知识1

1、真空技术基础知识真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技术和生产领域，它日益成为许多尖端科学、经 济建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础.作为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、 航天技术的发展都离不开真空，反过来它们飞跃前进正在推动真空技术的迅速发展，成为真空科 学技术发展史上的三个飞跃阶段,从而使真空技术由原来主要应用领域电真空工业，扩展到低温 超导技术、薄膜技术、表面科学、微电子学、航海工程和空间科学等近代尖端科学技术中来.全 于在一般工业中应用实在种类繁多,不胜枚举.它涉及冶金、化工、.医药、制盐、制糖、食品等工 业都广泛使用真空技术.例如有机物的真空蒸馏，某些溶液的浓缩、析品、真空脱水、真空干燥等. 人们还利用真空中的各种特点,研制生产出真空吊车、电子管、显像管、中子管就连人们日常生 活中使用的灯管、暖水瓶、真空除尘器等都离不开真空技术.1, 真空与真空区域的划分“真空”是指在给定的空间内，气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状 态。不同的真空状态有不同的气体分子密度。在标准状态下，每立方厘米的分子数为2.6870x1019 个，而在真空度为10-4

2、帕时，每立方厘米的分子数为3.24x1010个，即使用最现代的抽气方法获 得的最高真空度10-13帕时，每立方厘米中仍有3.24x10个分子。所以真空是一相对概念，绝对 真空是不存在的。表1真空区域的划分、特点与应用真空区域物理特点主要应用分子密度为（个/厘米3）平均自由程/ （厘米）单分子层形成时间（秒）粗真空105103帕1019 101610-6 10-3，（d为容器的线 性R度,下同）粘滞流， 气体分子间碰撞为主10-9 10-6真空包装、真空浓缩和脱色、真空成形、 真空输运等。低真空103 10-1 帕1016 101310-3 5丸d过渡流10-6 10-3真空蒸馏、真空干燥和冷冻， 真空浸渍、真空绝热、真空焊 接等。高真空10-1 10-6帕1013 1095 104丸d分子流气体分子与器壁碰撞为主。10-3 20真空冶金、半导体材料区域熔 炼、电真空器件、真空镀膜、 加速器等。超高真空10-6 10-12帕104刀d气体分子在固体表面 上吸附停留为主。20超高真空镀膜、薄膜和表面物 理、表面化学、热核反应和等 离子物理、超导技术、宇宙航 行等。真空状态的主要特点是：真空

3、容器所承受的大气压力由容器内外压力差所决定；与大气相比， 气体分子密度小、分子之间相互碰撞不那么频繁，单位时间内碰撞容器壁的分子数减少，从而 使真空状态下热传导与对流小，绝热性能强，可降低物质的沸点和汽化点等。真空的这些特点 被广泛应用到生活、生产和科研的各个领域中。真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。它本应用单位体积中的分子数来量度，但由于历史 的原因，真空度的高低仍通常用各向同性的物理量“气体压强”来表示。气体压强越低，表示真 空度越高；反之，压强越高，真空度就越低。在真空技术领域中，过去常用的压强单位为托（torr），它与目前国际单位制中压强单位帕斯卡的换算关系为：1帕=1牛顿/米2=1千克/米.秒2=7.50062x10-3 （托）1 托=1/760 （标准大气压）=101325.0/760 （帕）=133.3224 （帕）为使用方便，人们根据真空技术的应用特点、真空物理特性和真空机械泵、真空计的有效使用范围，将真空划分为不同区域及对应的物理特点和主要应用领域，如表1所示。2. 真空获得用来获得真空的器械简称为真空机械泵。由于真空技术发展到今天所涉及的压强范围从10510-1

4、2帕，宽达17个数量级，所以现在还不能用任何一种真空机械泵来实现。表2列出常用 各种真空机械泵的运用范围与抽速。表2常用真空机械泵运用范围与抽速泵压强（帕）抽速1000010010.110-210-310-410-610-710-810-10（升/秒）1水环泵+2旋片机械泵+11003吸附泵+1540000110004罗茨泵+5喷射泵+2004000051000006油增压泵+550007油扩散泵+1000008涡轮分子泵+50009钛升华泵+300500010离子泵+11低温泵+真空机械泵按其抽气机理可分为两大类：一是压缩型真空机械泵，它是将气体由一方压缩到另 一方，如机械泵、扩散泵、分子泵等。二是吸附型真空机械泵，它是利用各种吸气作用将气体 吸掉，如钛泵、离子泵、低温泵等。按起始工作状态可分为前级泵（可直接从大气压下开始抽 气，如机械泵、吸附泵等）和次级泵（只能从比大气压低的某一定压强下开始抽气，使系统达 到更高极限真空度，如扩散泵、钛泵等）。次级泵工作时，必须辅以一定的前级泵，提供其正 常工作所需要的真空度。用以比较各种真空机械泵性能的主要基本参数是：1）最大工作压强；泵能够正常

5、工作的最高压强，如果工作压强超过这一数值，泵将失去工作能 力。机械泵最大工作压强为1个大气压，扩散泵为1帕。2）极限压强：在被抽容器中漏气和放气可以忽略情况下，经长时间的抽气之后，泵所能达到的 最低平衡压强为该泵的极限压强。3）抽气速率：在泵的入气口处，在任一给定压强P1下，单位时间内流入泵的气体体积数为泵Av.的抽气速率，简称为抽速，常用S表示，则：S=一升/秒式中为泵进气口处At时间内流入泵的气体体积升，P1为在测定该气体体积时的进气 口压强帕。抽速在泵抽气过程中因P1是变的，所以S一般都不是常数。4）运用范围：指泵具有相当抽气能力时的压强范围。对超高真空范围内的泵，需附加二个主要参数是：抽气的选择性和残余气体的组成。一般实验 室常用机械泵和扩散泵在1.5小时内可获得1 0-410-5帕真空度。2.1旋片式机械真空机械泵旋片式机械泵主要有定子、转子、旋片、弹簧等组成，如图1所示。油汽节圄毫败他阀图1旋片式机械真空机械泵在定子缸内偏心的装有圆柱形转子，与定子在A点相切，转子槽中装有中间带弹簧的两块旋片， 旋转时靠离心力和弹簧的张力使旋片的顶端与定子内壁始终紧密接触。定子上的进、排气口

6、被 转子和旋片分为两部分。当转子沿箭头方向转动时，进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同 时逐渐缩小排气口方面容积将以吸入气体压缩从排气孔排出。机械泵的抽气速率主要取决于泵的工作体积v，在抽气过程中随着进气口压强的降低，抽气速 率逐渐减小。当抽到系统极限压强时，系统的漏气与抽出气体达到的动态平衡，此时抽速不变, 见图2。目前生产的机械泵多是两个泵腔串联起来的，如图3称为双级泵，它比单级泵具有极 限真空度高（10-110-2帕）和在低气压下具有较大抽速等优点。为保证机械泵的良好密封和润滑，排气阀浸在密封油里以防大气流入泵中。油通过泵体上的缝 隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油膜覆盖，形成了吸气腔与排气腔之 间的密封。同时，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真空度的影响。使用时应注意：因被抽气体在泵腔内被压缩，所以不宜用来抽蒸汽；停机后要立刻打开充气阀， 防止机械泵油返至真空系统内。图2对容器V的抽气曲线图3二级旋片式机械泵结构机械真空泵通常选用国产1号真空泵油，不同种类和牌号的真空泵油不得混合使用。2.2油扩散泵油扩散泵是用来获得高真空的常用设备，其工作压强

7、范围为10-】10-6帕。玻璃油扩散泵的 结构如图4。图5扩散泵工作原理图4玻璃油扩散泵结构图扩散泵油在真空中加热到沸腾温度（约2 0 0。）产生大量的油蒸汽，油蒸汽经导流管由各级 喷嘴定向高速喷出，在喷嘴出口处蒸汽流中造成低压。如图5所示被抽气体分子就不断地扩散 到油蒸汽流中，使被抽气体分子沿蒸汽流速的方向高速运动。经几级喷嘴连续作用将被抽气体 压缩到出气口由机械泵抽出。而油蒸汽在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到泵底重新被加热，如 此循环工作，就达到连续抽气的目的。在使用扩散泵时要注意的是：开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵本身抽至5帕的预 备真空，然后先通水后通电加热泵油。工作过程中必须保证冷却水畅通。停机时，先断开扩散 泵加热电源，大约30分钟泵油降至室温时，再断冷却水，最后断开机械泵电源。这样操作可 防止或减小泵油氧化变质，提高真空的清洁程度，延长使用寿命，保证系统的极限真空度。目前国内扩散泵大都使用矿物油中的2号油、3号油；硅油中的274油、275油。获得高真空可 用3号油，超高真空必须采用硅油！3. 真空测量测量真空度的仪器称为“真空计”。真空计分为绝对真空计和相对真空计

8、两大类。能从本身所 测得的物理量直接求出系统中真空度的为绝对真空计，如U型管压力计，麦克劳真空计等；而 相对真空计是输出信号与其压强之间的关系要用真空测量标准系统或绝对真空计校准标定后， 才能测定真空度。一般实验室常用的热偶和电离真空计都是标定好的相对真空计。3.1热电偶真空计热电偶真空计由热电偶规管和电测线路构成，如图6。规管内有一根钨或铂制成的加热丝（2）， 另由AB、AB/两根导热系数不同金属丝组成一对热电偶（3），热电偶一端（热端）与热丝在A 点焊住，另两端B、B、/分别焊于芯柱引线上，再接到毫伏表上。热偶真空计的工作原理是利用气体分子的导热性质,通过热电偶产生的热电势来测量真空的。使 用时，调可变电阻（4）使加热电流保持定值情况下，加热丝的平衡温度取决于气体压强，若压 强越高，气体分子碰撞热丝机会越多带走的热量越多，因而热丝温度越低，热电偶所产生的电动势也越低。反之，压强越低，热丝温度越高，热电动势越大。热电偶真空计的测量范围是102 10-1 帕。图7热阴极电离规管结构图6热电偶规管结构3.2热阴极电离真空计热阴极电离真空计由电离规管和测量电路两部分组成。规管结构类似一只电子三极管，如图7, 测量电路原理如图8。电离真空规管是利用气体分子被快速电子碰撞而电离的现象工作的。当阴极F通电加热后发射热电子，这些电子被处于正电位（相对阴极为正100150V）的螺旋 栅极G加速后，电子具有一定能量与气体分子做电离碰撞，使气体电离为正离子和电子。所产 生的正离子被外围圆筒形处于负电位（相对阴极为负1060V）的板极A吸引，在板极电路中 形成正离子流I*。工作中当阴极发射的电子流I0一定时，正离子流I*，正比于气体压强，则有 I+=I0KP（1）式中K是比例系数称为电离计的灵敏度，通常将发射电流I0保持一定值，然后用绝对真空计或标准校准系统 来校准，给出I*P的关系曲线，就可确定出K来。从（1）式可见，只要K已知，就可通过I*和I0而知压 强P。图8电离真空计外控接法电

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