1、低真空获得和测量（定容法测抽速）简介1. 真空技术入门真空：低于一个大气压的气体状态。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。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。真空量度单位：1 标准大气压=760mmHg=760(Torr)1 标准大气压=1.013x10 5 Pa1Torr=133.3Pa真空区域的划分目前尚无统一规定，常见的划分为：粗真空 105103 Pa低真空 10310-1 Pa高真空 10-110-6 Pa超高真空 10-610-10 Pa极高真空 p2，实现了抽气。真空泵
2、的分类气体传输泵是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。气体捕集泵是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。真空泵的主要参数a) S（抽气速率）：定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积或表示为：其中，Q 为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率 S 并不是常数，随 P 而变。b) 极限压强 Pu (极限真空)c) 最高工作压强 Pmd) 工作压强范围（Pu-Pm ）：泵能正常工作的压强范围几种常用真空泵的工作压强范围旋片机械泵 10510-2
3、Pa吸附泵 10510-2 Pa扩散泵 10010-5 Pa涡轮分子泵 10110-8Pa溅射离子泵 10010-10Pa低温泵 10-110-11Pa几种常用真空泵的工作原理a) 旋片机械泵工作过程是：吸气压缩排气。定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。主要参量是：抽速和极限压强。由于极限压强较高，常用做前级泵( 预抽泵)。b) 油扩散泵工作原理是：油蒸发喷射凝结，重复循环由于射流具有工作过程高流速(约 200 米/ 秒) 、高密度、高分子量(300500) ，故能有效地带走气体分子。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(最大 40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽
4、气作用就会停止。实验目的3. 学会用机械泵获得低真空以及观测不同真空度时辉光放电现象。4. 用 U 型计和热偶计测量真空以及用定容法测量机械泵的有效抽速。实验原理1. 辉光放电随着真空度的提高，容器内的剩余气体分子逐渐减少, 由于机械泵对各种气体的抽气速率不同，残余气体中各种气体成分的比例随着气压的降低而变化。当对玻璃容器加一高压时，容器中的游离电子（宇宙射线产生）被加速与气体分子碰撞，当电子的能量足够大时，使气体分子电离，电离产生的次级电子再被电场加速与气体分子碰撞，再使气体分子电离，正负离子复合过程会有光子释放，即产生辉光放电，辉光放电是气体电离的基本形式之一，它反映了容器内气体的电离和复
5、合过程。由于各种气体的电离电位不同，在复合过程中释出的光子频率不同，即辉光放电的颜色也不同，根据颜色变化可大致判断真空度的量级。2. 定容法测机械泵的有效抽速设被抽容器的容积为 v, 气体压强为 p, 容器内的气体总量为 pv。令机械泵的有效抽速 s, 则单位时间抽出的气体量等于气体总量的减少，即,式中 V 是衡量，故有由 s 的表达式可看出，随着气压 p 的降低，有效抽速 s 也越来越小，达到极限压强时，即 p 不再变化时，有效抽速 s 为 0。由实验可知，气压 p 在 105103Pa 之间，s 是常量。3. 热偶真空计(热传导真空计)气压下降，管内气体分子减少，热丝温度升高，由热电偶产生
6、的热电势增加，输出电压增加。测量范围：100 10 -1Pa测量下限：热丝温度较高，气体分子热传导很小，热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。热电偶规管及其电路原理本实验重点1. 真空的定义，真空的单位，真空的区域划分，真空与气压的关系。2. 玻璃真空系统的操作规程及注意事项。3. 机械泵、热偶计、高频电火花真空测定仪、放电管的原理及使用。本实验难点1. 真空系统排气的操作程序要搞清楚，顺序不可颠倒，关机械泵后立即放大气入泵。2. 机械泵的有效抽速和铭牌标称抽速的区别。有效抽速是指在特定气压下机械泵单位时间从容器排出的气体量，它与阀门口开的大小、泵与容器连接
7、管道口径的大小有关。而铭牌标称抽速可以说是理论抽速，它是在进气口气压为一个大气压时的抽速。3. 为什么高频电火花真空测定仪只能对玻璃真空系统进行捡漏？高频电火花真空测定仪的探头产生一簇杂散的火花，当玻璃上有漏孔时，漏孔处的气体密度较大，电导率大，杂散的火花在此处变成一束，并在漏孔处产生一亮点。金属是导电的，火花打在任何一处都产生亮点。4. 对不同真空度下产生不同颜色的辉光放电的解释。 （见实验原理）思考题1. 高频电火花真空测定仪可检测的真空度范围是（a）10 310-1Pa （b）任何真空度 （c）10 210-2Pa答案：(a)2. 热偶真空计的测量下限为 10-1Pa，原因是（a）热电偶
8、的性能 （b）热丝电流饱和 （c）热丝引线的热传导和热辐射占主导地位。答案：(c)3. 关机械泵后一定要将大气放入（a）真空系统 （b）机械泵内腔 （c）U 型计答案：(b)4. 使用高频电火花真空测定仪或放电管会引起（a）系统真空度提高 （b）系统真空度减小 （c）系统损坏答案：(b)5. 研究放电对真空度和热偶计的影响。实验仪器RZH2 型热偶真空计761 型高频火花测定仪及探头真空系统2XZ0.5 型真空泵霓虹灯变压器放电管实验数据处理令有效抽速为 S，容积 V，气体压强为 P：（1）（2）若想测得 S，只要先求 lnP 和 t 的关系曲线P（Torr）540 496 460 418 3
9、80 346 314 286 258t（S） 0 10 20 30 40 50 60 70 80P（Torr）234 214 190 174 156 142 128 116 106t（S） 90 100 110 120 130 140 150 160 170P（Torr）210-1 110-1 810-2 610-2 410-2 2.510-2 2.010-2 1.510-2t（S） 0 18 29 41 79 95 162 252图 1 lnP 和 t 的关系从图 1 中可得：（3）（4）当 P1 时，机械泵有效抽速为 1.9410-2 L/S根据图上，每一点切线斜率为 K，V=2L参考资料1. 赵宝生 真空技术 北京 科学出版社 19982. 骆定怍 实用真空技术 长沙 湖南科学技术出版社 1993
