1、真空常识介绍 2 真空状态的定义真空状态的获得真空的应用 3 一 真空的定义 什么是大气压强定义 大气对大气中的物体所产生的压强叫做大气压强 简称大气压或气压地球周围被厚厚的大气层包围着 大气就象固体 液体一样也受到重力的作用 因而大气也能够产生压强 而且大气可以流动 象液体一样 大气内部向各个方向都有压强 4 一个标准大气压为了确保标准大气压是一个定值 1954年第十届国际计量大会决议声明 规定标准大气压值为1标准大气压 101325Pa 牛顿 米2 1标准大气压 760mmHg 760 Torr 1 013x105Pa 105Pa由于温度和海拔高度的影响 地球上不同纬度 不同季节的大气压是
2、不一样的 通常我们日常生活的大气状态是一个比较接近1标准大气压的环境离地表越远的高度 空气越稀薄气压也就越低 5 马德堡半球实验为了证明大气压力的存在 1654年葛利克在德国的马德堡用两个直径为60厘米空心的铜半球紧紧地压在一起 然后用抽气机抽掉球内的空气 再各用八匹骏马朝两个相反的方向拉这两个半球 但是无论这16匹马如何努力 也未能将相互密合的两个半球分开这就是举世闻名的马德堡半球实验 而这两个半球密合起来的空间区域就是处于一个真空状态 6 什么是真空状态真空是指压力低于一个标准大气压的任何气态空间真空是相对于大气而存在的一种空间状态 即 将某容器内的空气用一些方法除去 使之变成空气相对稀薄
3、的状态 通常所说的真空并非是任何物质都不存在的 绝对真空 理想意义上的真空 是完全不存在任何东西的空间 7 真空状态的划分一般使用真空度来表征真空 真空度的高低又用压强的大小 Pa Torr mmHg 来做表示的为了表明空间气体稀薄程度的不同 通常将真空状态按照真空度划分为以下几个段 1 粗真空 105 103Pa2 低真空 103 10 1Pa3 高真空 10 1 10 6Pa4 超高真空 10 6 10 10Pa5 极高真空 10 10Pa 8 二 真空的获得 自然真空 气压随海拔高度增加而减小 存在于宇宙空间人为真空 用真空泵抽掉容器中的气体1654年 德国物理学家葛利克发明了真空泵 从
4、此 随着各种各样真空泵的不断发明 人类就可以依靠它们来抽走密闭空间内的气体 来获得不同真空度要求的人为真空 真空泵成为获得人为真空的关键设备 9 真空泵抽气原理及工作范围真空泵的主要参数抽气速率 单位时间内泵的抽气能力极限真空 泵所能获得的最低压强工作范围 泵能正常工作的压强范围S抽速Sm最大抽速 10 上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围 目前没有任何一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的 为此 必须将几种泵联合使用 如机械泵 油扩散泵联合的有油系统和吸附泵 溅射离子泵 钛升华泵联合的无油系统 11 1 旋片机械泵常见的机械泵有旋片式 定片式和滑阀式等 旋片式的噪声小 运行速度高
5、 被广泛应用在真空镀膜机上 主要结构如右图所示机械泵的工作原理是基于玻意耳 马略特定律的基础上的PV K 1 1 式其中K是与温度有关的常数 12 右图表示机械泵转子在连续旋转过程中的四个典型位置 随着转子的旋转 不断进行吸气 压缩和排气的过程 假设被抽容积为V 初始压强为P0 泵内空腔体积为 V 旋片转过半周后 根据 1 1 式则压强P1为P1 V V P0V即N个循环后 13 机械泵的定子和转子间存在影响抽真空的有害空间 泵的抽速随着压强降低而减小 为了减少有害空间的影响通常采用双级泵 双级泵右两个转子串连而成 其中一个转子的出气口为另一个转子的进气口 这样可以将极限真空的单极泵的1Pa提
6、高到10 2Pa机械泵油的作用非常重要 它起着很好的密封和润滑作用 泵油基本要求是低的饱和蒸气压 一定的粘度和较高的稳定性 但是普通机械泵对于抽走水蒸气等可凝气体有很大困难 当蒸气在腔内压缩 压强达到饱和蒸气压时 水蒸气就开始凝结成水 并与泵油形成一种悬浊液 不仅影响泵油的密封和润滑 还会造成泵壁生锈 为此在气体尚未被压缩前 通过气镇阀渗入一定量的气体来帮助打开排气阀片 减少水气的凝结 气镇阀在抽气的起始阶段使用不会影响极限真空 但是到了一定程度后继续使用就会降低泵可以达到的极限真空 14 左转子由0 转到180 的抽气过程 在0 位置时 图a 左转子从泵入口封入v0体积的气体 当转到45 位
7、置时 图b 该腔与排气口相通 由于排气侧压强较高 引起一部分气体返冲过来 当转到90 位置时 图c 左转子封入的气体 连同返冲的气体一起排向泵外 这时 右转子也从泵入口封入v0体积的气体 当转子继续转到135 时 图d 右转子封入的气体与排气口相通 重复上述过程 转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体 2 罗茨泵 15 罗茨泵的转子之间 转子与泵壳内壁之间 保持有一定的间隙 可以实现高转速运行且没有卡住的危险 由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵 通常压缩比很低 故工作时需要前级泵在1Pa左右的压强范围内其有相当大的抽气速率 在这范围内机械泵的抽速很小 扩散泵还只刚刚开始工作 罗茨泵可以弥补上述
8、两种真空泵抽气速率的脱节 罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外 还取决于前级泵的极限真空由于以上特点罗茨泵时常被串连使用 16 3 油扩散泵 工作原理是 油蒸发 喷射 凝结由于射流具有工作过程高流速 约200米 秒 高密度 高分子量 300 500 故能有效地带走气体分子图中左边部分表示出高速定向的油蒸气流 右边部分表示了气体分析扩散压缩的过程 17 扩散泵必须和机械泵联合工作 才能构成高真空抽气系统 单独的扩散泵时没有抽气作用的理论上 扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压 而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质 即使时常温下 长期接触大气也
9、会因为吸收水分而降低性能 因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态扩散泵油易挥发 因此在进气口都有挡油的冷阱 18 真空的量测1 热真空计测定因温度变化而引起灯丝电阻变化的真空计 称为皮拉尼 Pirani 真空计用热电偶测定温度变化引起电动势变化的真空计 称为热电偶真空计测量范围 102 10 1Pa2 电离真空计常用的热阴极电离真空计 通过发射热电子使气体电离后 测出离子流 而离子流仅与压强成正比由此来测出真空度测量范围 10 1 10 6Pa3 放电管如果在真空室的一个部位接右下图示的放电管 当用氖变压器外加6千伏电压时 就会产生激烈的放电 不同的真空度放电颜色不同 这种廉价方便的真空计 但是
10、只能粗略估计真空度 19 三 真空的应用 真空技术被广泛的应用在日常生活和工业生产中 不同真空状态有着不同的应用 1 粗真空 105 102Pa 气体性质与常压相比较 只有分子数目较少了 没有气体分子空间特性的变化 分子间的碰撞依然频繁 因此这种真空状态下 多是利用真空与大气的压力差产生的力以及压力差均匀的原理来实现真空力学的应用 主要应用 真空吸引和输送固体 液体等真空吸盘起重 真空医疗器材真空成形 真空过渡等 20 2 低真空 102 10 1Pa 气体分子间 分子与器壁间的相互碰撞不相上下 气体分子密度变得比较小 此时利用气体分子密度降低可以实现无氧化加热 利用气压降低时其导热对流逐渐消
11、失的原理来隔热 绝缘 利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻和干燥主要应用 真空绝缘和真空隔热真空蒸馏药物 油类和高分子化合物真空冷冻 真空干燥真空包装 储存 21 3 高真空 10 1 10 5Pa 分子间相互碰撞极少 分子与器壁间碰撞频繁 分子密度很小 此时 利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用微弱的特点进行真空冶炼 真空镀膜和真空器件生产 主要应用 真空镀膜稀有金属 超纯金属 合金和半导体材料的真空熔炼纯金属的真空蒸馏精炼 放射性同位素蒸发难熔金属的真空烧结 半导体材料的提纯和晶体制备光电管 离子管 电子显微镜 激光器等设备的制造电子束除气 焊接 区域熔炼 加工等 22 谢谢
