三级大物实验报告-高真空的测量与检漏

对于一定结构的规管，当各电极电位一定时，对某种气体，在规管中电离所形成的正离子流I+正比于发射电子电流Ie和气体的压强p，即
I+=KIep
其中比例常数K称为电离计的灵敏度，其意义是在单位电子电流、单位压强下所得到的离子流，其单位为1／Pa，K值多通过实验测得.在实际测量中,规定发射电流Ie等于常数.对于不同气体,K值也不同,通常所指的灵敏度是对于干燥空气或氮气而言.
l）直线a平行于t轴，说明压强是恒量,它不随时间而变化,表明系统既无放气也无漏气.
2）曲线b开始上升较快 而后渐渐变成平行于t轴的直线.这说明系统只有放气而无漏气,气压较低时放气速率较大,达到某一气压值时,放气速率和吸气速率相等，达到平衡,曲线即趋于水平直线.
3)直线c是一斜率为 的直线.这说明系统只有漏气,系统的漏率为
Q漏=V
式中V是被检容器的体积.
4）曲线d开始上升较快,而后渐渐减慢,最后变成直线.这说明系统既有放气也有漏气.曲线d是b和c的叠加.
一个真空系统（或容器）要做到绝对不漏气是不现实的.只要漏孔的漏率足够小,使得平衡压强低于真空系统工作所需要的压强，这些漏孔就是允许的.真空系统正常工作所能允许的最大漏气量，称为最大允许漏率，简称允许漏率.
A0.003160.00114
B0.001212.11395E-5
--------------------------------------
图象的大致走向与图2.6.3-4中c曲线一致,曲线走向说明有漏气而放气现象不明显.由最小二乘法得数据拟合直线的斜率为
k=(0.00121±2E-5)Pa/s
则漏气率
思考题：
1.为什么测完放气曲线后立即关闭电离计?
答:测量完放气曲线后,容器内部压强较高,接近电离计工作范围的上限,若不立即关闭立即关闭电离计.
2.为什么扩散泵和机械泵之间要加储气罐?
答:起冷凝和缓冲的作用,防止气体反冲进入扩散泵;
3.为什么关高阀和扩散泵后不能立即关闭机械泵?
答:由于实验后,油扩散泵内温度很高,若此时马上关闭机械泵，就会有氧气进入,把油氧化，容易发生事故.
t/s
0
5
10
15
20
25
30
35
P/pa
0.004
0.010
0.017
0.021
0.028
0.034
0.040
0.046
40
45
50
55
60
65
70
75
80
0.051
0.057
0.063
0.068
0.074
0.080
0.086
0.092
0.100
85
90
0.105
0.120
数据处理：
1：除气烘烤前极限真空度为3.00 10－3pa，除气烘烤后的极限真空度为1.76 10－3pa，下降了
正离子流（由小电流直流放大器测定）被收集极收集,在测量范围内离子流与压强呈线性关系．
I+/Ie=SP 式中：I+—一离子流（A）
Ie—一阴极发射电流（A）
S—一规管灵敏度（1／Pa）
P—一压强（Pa）
(3). 使用方法和规则
1.工作准备
(1)仪器正常工作的检查．
电离计工作的检查可用仪器测量未开封开的电离规管的真空度进行检查．
2.使用方法
（1）热偶计的使用：
1将热偶规管开封并与系统封接.
2将四芯缆线一端与仪器联接.
3接通电源,开机预热10分钟,再将“加热一测量”波段开关（S5）放在“加热”位置，调节“电流调节”使加热电流达到标定值，再将“加热一测量”开关放在“测量”位置，从电表第二行刻度读取压强值．
4热偶规管的转换，依靠“加热一测量”开关，V1位置对应热偶规管V1；，V2位置对应热偶规管V2．
实验题目：高真空的测量与检漏
实验目的：学习用机械泵、扩散泵机组获得高真空，用静态升压法和氦质谱法检漏，并对比两种方法的特点.
实验原理：
(1). 高真空的测量——电离真空规
具有足够能量的电子与气体分子碰撞会引起分子的电离.产生正离子和电子，电子与分子的碰撞次数正比于分子数密度n,即正比于总压强p，故产生的正离子数N＋正比于压强p.规管的结构如图2.6.3-l所示,它主要由发射电子的热阴极（灯丝）、加速并收集电子的加速极和收集离子的收集极等三部分组成.其接线图如图2.6.3－2所示,规管中心热阴极F接零电位,为UK为热阴极加
静态升压法
在高真空系统，漏孔或漏隙用肉眼一般是看不出来的我们通常采用静态升压法,即把系统抽到一定压强后,关闭阀门，将被检部分与泵隔开，由于漏气和表面放气,被检部分的压强将随时间而上升，用电离真空计或复合真空计和秒表,测出p－t关系曲线,由曲线形状,我们可以判断系统是否漏气，如图2.6.3－4听示.
图2.6.3-4 压强随时间的变化
（3.00 10－3－1.76 10－3）/3.00 10－3＝41.3％，
说明器壁附着有大量的气体分子；经过烘烤，压强得以大大降低；
2.对实验数据进行描点和线性拟合（红线为线性拟合线）
ParameterValueError
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（2）电离计的使用方法
①将“规管灯丝”开关S2关断，电离规管用五芯缆线与仪器相联，带鳄鱼夹子的电离规管收集极相联．有香蕉插头一端与仪器背面接线柱联接
②把量程开关S4移到10-1，打开灯丝开关S2预热十分钟后，即可从10-1、10-2、……依次测量系统的真空度．
③在电离规管需要除气时，先将量程开关S4放到10-1档，关闭灯丝，打开除气开关S3即可．除气完毕关闭除气开关，打开灯丝开关S2，从10-1依次测量．当真空度低于10-2Pa时，不可进行除气．一般除气时间约1－2分钟，不宜过长，在除气时电离规管栅极较红.
普通型热阴极电离规的测量范围为1.33X10－1~1.33X10-5Pa,超出此范围,离子流与压强便不再是线性关系而不能进行测量.
(2). 真空检漏
一个高真空系统，如果经过长时间抽气，仍达不到预期的真空度，在排除泵的因素后，可能的原因有： 蒸气源：水蒸气、机械泵油和扩散泵油的蒸气、高真空的密封油脂和封蜡的蒸气及系统内其他污染物,形成蒸气源.
Q=Vk=0.00121V(V为容器体积)
误差分析
1．由于在记录T~P关系时，一个人确定时间，一个人记录数据，两人的反应时间总计应在半秒左右，不可忽略，对实验结果影响较大。
2．由于纪录P值时时间很短，纪录者读数的误差会比静态读数更大。
3．实验测得的数据不是太多，作出的曲线不太光滑。
4.由于实验仪器性能限制，极限真空度不可能到达0，故曲线起点不在零点。
表面放气:系统的器壁、系统内金属元件表面吸附着大量气体分子，在低压下向系统内释放.
真漏：真空系统连接部位安装不良,焊接处有漏孔或漏隙及阀门处密封不严所造成.
对于蒸气源和表面放气,首先在设计系统时要选择合适的材料和结构.尽量选择蒸气压低的真空泵油，其次是搞好真空清洁,使系统表面清洁、干燥,然后在真空条件下烘烤去气,但材料吸附的气体不可能完全去除,在压强较低时,表面放气还是存在.实验中的主要问题是真漏,这正是检漏所要解决的问题.检漏的首要问题是要判断系统是否漏气,其次是确定漏气率的大小,以便确定它是否在允许范围,最后是用合适的仪器找出漏孔的确切位置，用合适的密封材料堵漏.
热电压；加速极G接正电位UG（几百伏）;离子收集极接负电位UC（几十伏）,其作用是使由阴极F发射的电子,在加速电位UG的作用下,飞向G极使电子能量增加,大部分电子通过加速极G飞向圆筒型收集极C,电子轨迹如图2.6.3－3所示,在G、C之间拒斥场的作用下电子减速，在速度减到零时，电子返转飞向G，在电子飞向G、C空间时,电子又在拒斥场作用下减速,直到速度为零又返向G极，向G、C方向飞行.电子在这种返往运动中与气体分子不断发生碰撞，把能量传给气体分子，使其电离,而电子最终被加速极所收集；在G、C间产生的正离子被收集极C接收形成离子流，此离子流被外电路中的微安计测得。
6、抽至电离计指针基本不动，除气
7、烘烤8分钟，关闭
8、抽至极限真空度后，关高阀，测P-t曲线
9、测量完毕关闭电离计，关扩散泵
10、待扩散泵冷却至室温，将低阀拉出，关机械泵
11、关总电源，切断冷却水
12、数据处理
数据处理：(原始数据纸质提交）
未进行除气烘烤前的极限真空度是：3.00 10－3pa；
除气烘烤后测量的极限真空度是：1.76 10－3pa；
④当真空度低于10-1Pa时,不能接通电离计．电离规管暂时不用时只需断开“规管灯丝”开关即可.
真空系统图
实验步骤：
1、开总电源
2、低阀拉出，开机械泵，抽钟罩
3、打开复合真空计电源，接通热偶计，对钟罩抽至1.3pa（V1位置）
4、接通扩散泵冷却水，低阀推进抽系统，开扩散泵加热，40分钟后开高阀
5、待真空度超过0.13pa时，开电离计，低真空转至扩散泵前级测量
(2)热偶规管加热电流的标定：
热偶规管在未开封前已抽至真空度为10-2－10-3Pa，将热偶规管与仪器联结,使管座垂直向上（口向下），接通电源开关（S1）将转换开关（S5）放在“测量”位置，调节“电流调节”，使电表满们，持续3分钟，将开关（S5）放在“加热”位置上，从电表第三行刻度中读取加热电流值，反复测定三次，比电流值即为热偶规管工作时的加热电流值，标在管座上.
(3)将热偶规管、电离规管开封，严密地封接在准备测量压强的系统上，当压强为
1.3×101~10-1Pa，使用热电偶进行测量；当压强低于1×10-1Pa时，用电离计测量．否则会使电离计规管的寿命缩短．使用前必须认清电缆和规管，如插错则烧毁规定管．
热偶规管与电离规管的玻壳采用硬玻璃制成,因此最好与同种玻璃的真空系统封接，在其它情况下可通过间接的方法进行连接，热偶规管应保持垂直向上．