真空技术基础(电阻规 电离规)

S=
dV dt
如果测出容器内不同时刻的压强值，并作压强随时间变化的抽气曲线，由此可计算抽速。 定容法测量抽速的实验装置如图 3-4 所示， 一般用体积足够大的被抽容器， 各连接导管 尽量短而粗，所用控制阀的孔径要大，则流阻可忽略不计，且容器内压强近似处处相等， 当抽气 dt 后，被抽出气体体积为 Sdt。因为容器容积未变，故容器内压强降低了 dP。在此 引入 PV 这一气体量，则 dt 时间内被抽出的气体量为 PSdt，容器内因抽气而减少的气体量 为 VdP。显然，这两者应是相等的，故有：
超高真空机组 分子泵 吸附泵，低温泵
超高真空电离计
超高真空
能实现气体放电 能实现气体放电
1019 ~ 1016 10-6 ~ 10-3
1016 ~ 1013 10 -3 ~ 5
1013 ~ 109 5 ~ 104
< 109 > 104
l << d
l »d
l >d
l >> d
同前
14 ~ 30
30 ~ 90
标准大气压 1 标准大气压 (atm) 1 托(Torr) (1 毫米汞柱） 1 帕(pa) （1 牛顿/米 2） 1 工程大气压 9.6784×10
-1
托 760
帕 1.0133×10
5
工程大气压 1.0332
-3
1
1.3158× 10
-3
1
7.5008×10
-3
133.32
1.3595×10
9.8692×10
[
]
即认为在一小段时间 t1 - t 2 间隔内抽速近似不 变，由(3-1)式得
Sò
t t
2 1
dt = -V ò
p
2
p1
dP P
S ( t 2 - t1 ) = -V ( nP2 - nP1 )
S =V n P1 P2 t 2 - t1
(3-4)
2 的抽气时间代入(3-4)式即可求出平均抽速。例如，用停表测出 只要测出压强从 1 压强从 10～1 帕所需抽气时间 t。 即可求出该机械泵当压强从 10～1 帕区间的平均抽速为
7
根据(3-2)或(3-3)式，只要测出一系列压强、时 图 3-5 三级高真空油扩散泵 间值。可在半对数坐标纸上作出抽气曲线。求出抽 1. 进气口 6. 回油管 d ( gP) / dt 代入(3-3)式， 2. 冷凝阱 7. 扩散泵油 即可 气曲线某点的斜率 3. 冷却水套 8. 喷射喷口 求出该压强下的抽气速率。 4. 第一级喷口 9. 出气口 如只需粗略估计抽速，可求其平均抽速。 5. 第二级喷口
S=
DV Dt
升/秒
（或升/分）
根据旋片式真空泵的结构， 它的抽速可以用两旋片转动一周所扫过的体积 DV 以及转子 的转速 n 来求出。即：
S = nDV
68
这一抽速是当进气口处于大气压强时的抽速。是抽气机的最大抽速。抽气机铭牌上给出的 抽速一般指的是最大抽速。 (2) 极限真空度 极限真空度是指被抽容器不漏气，经机械泵充分抽气后所能达到的最高真空度。由抽 气曲线图 3-3 可见， 当抽气一段时间后曲线渐趋平直， 表示压强不再降低， 即到达极限真空。 一般机械泵的极限真空度为 0.1 帕。机械泵的极限真空度取决于以下因素： (a) 出口处装有单向阀，只有当泵体内气体压强大于阀门外压强时，才能冲开单向阀向 外排气，到与外压强相等时单向阀关闭。此时由于存在无效空间（即定子和转子接触点 B 与出气口之间的一小块空间），气体不可能全部排出，它们将通过 B 处的微小间隙返回进 气口。抽气一段时间后，真空度到达一定值时，气体虽经压缩，但压强仍不够大，冲不开 单向阀，就排不出去，形成极限真空。 (b) 机械泵油有一定的饱和蒸气压，在常压下泵油中溶解有气体，当周围气压降低或温 度升高时又会放气。
70
油蒸汽一起向下运动。油蒸汽被冷却水套冷却，结成油滴回到泵底循环使用，空气分子此 时向喷口下方集结。如此三级喷口逐级起作用，将进气口空气分子集结到出气口，再由机 械泵将积聚起来的气体抽走，可见扩散泵和机械泵必须串接使用才形成抽气过程获得高真 空。 一般三级油扩散泵的极限真空度为 10 帕。影响极限真空度的主要因素是油蒸汽压和 气体分子的反扩散。若加低温冷凝阱（放入干冰或液氮等），阻截油蒸汽分子进入系统， 或采用低蒸汽压扩散泵油，可使极限真空度提高 1-2 个数量级。 玻璃扩散泵的抽速一般为几十升/秒，金属扩散泵可达几百升/秒以上。 扩散泵使用注意事项： (1) 扩散泵不能单独工作，一定要用机械泵作前级泵，并使系统抽到 10 帕量级时才能 启动扩散泵； (2) 泵体要竖直，按规定量加油和选用加热电炉功率; (3) 牢记先通冷却水，后加热。结束时则应先停止加热，冷却一段时间后才能关闭。 4. 其它几种真空泵 (1) 分子泵 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子而获得高真空、超高真空的一种机械真空泵。 -8 工作压强范围为 1 ~ 10 帕。泵的转速为10000 转/分到 50000 转/分，这种泵的抽速范围很宽， 但不能直接对大气排气，需要配置前级泵。分子泵抽速与被抽气体的种类有关，如对氢的 抽速比对空气的抽速大 20% 。 分子泵适用于真空作业，如真空冶炼，半导体提纯，大型电子管排气、原子能工业、 空间模拟等。 (2) 吸附泵 许多化学性活泼的金属元素，如钛、钨、钼、锆、钡等都具有很强的吸气能力。其中 钛有强烈的吸气能力，在室温下性质稳定，易于加工，所以广泛用于真空技术，发展成为 一种超高真空泵¾¾钛泵。 钛泵的抽气机理是气体分子碰撞在新鲜的钛膜上，形成稳定的化合物，随后又被不断 蒸发而形成的新钛膜所复盖。新钛膜又继续吸附气体分子，如此形成稳定的抽气。钛泵对 被抽气体有明显的选择性，对活性气体抽速很大，对惰性气体抽速很小。因而往往需要扩 -6 -10 散泵等作为辅助泵。钛泵的极限真空度为 10 ~ 10 帕。 钛泵可应用于热核反应装置，加速器，空间模拟，半导体元件的镀膜技术和要求无油 污染的真空设备。 (3) 低温吸附泵 用低温介质将抽气面冷却到 20K 以下，抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度 高的气体，产生很大的抽气作用。这种用低温表面将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低 温泵，或称冷凝泵。
8
(3) 机械泵停机后要防止发生“回油”现 象（为什么会发生回油？）。为此停机后须将进气口与大气接通，也可在机械泵进气口接 上电磁阀，停机时，电磁阀断电靠弹簧作用转向接主要参数为： (1) 抽气速率（抽速 S） 抽气速率是指当抽气机的进口处在一定压强时，单位时间内流人抽气机的气体体积。 即 机械泵工作原理
69
PSdt = -VdP Sdt = -V dp P
(3-1) 式中负号是 dp 为负值而引入的。由(3-1) 式可 以得到： 2
1
Sdt = -Vd (nP ) d (nP ) S = -V dt
(3-2)
é d (gP) ù S = 2.3V êdt ú ë û
9
3 4 5 6
或
8 (3-3)
p -p
S＝2.30(V/t)。
3. 油扩散泵 图 3-5 为三级高真空油扩散泵结构示意图。扩散泵油选用分子量大，饱和蒸汽压低，较 粘稠的油，泵油用规定功率的电炉加热后，产生大量高压蒸汽从各级喷口高速（速度可达 200～300 米/秒）喷出，使喷口周围压强降低，附近气体即向喷口区扩散，从而被吸入并随
真空技术基础
一个标准大气压为 1.0133×105 帕。“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在 真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、 气体分子与其它粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被应用于科研、生产的许多部 门中。例如：加速器，电子器件，大规模集成电路，热核反应，空间环境模拟，真空冶炼 等。在高真空中，由于材料中易挥发物的损失，表面吸附层的变化，物体表面特性也随之 改变。七十年代以来，表面科学的研究一直十分活跃，它不仅有很强的理论性，还有重大 的应用价值。随着科研、生产的发展，获得并保持真空已形成一门相应的技术¾¾真空技 术。它包括：真空的获得、真空测量、检漏、真空系统的设计等。 依据真空概念，低于一个大气压的气体状态称为真空。真空度愈高，压强愈低，故用 气体压强表示真空度。我国采用国际单位¾¾帕(Pascal)，以前曾长期使用另一真空度单位 托。压强换算关系见表 3-1。 表 3-1 压强单位换算表
105 ~ 103 760 ~ 10
真空区域划分及其特点和应用 低真空 高真空
10 -1 ~ 10 -6 10 -3 ~ 10 -8
超高真空
103 ~ 10 -1 10 ~ 10-3
10-6 ~ 10 -12 10-8 ~ 10 -14
66
扩散泵 抽气系统 机械抽气机 机械抽气机 分子泵 吸附泵 U 形管压差计 测量仪器 压力真空表 麦克劳压强计 电阻真空计 热偶真空计 真空区域 物理现象 分子密度 n(1/cm3) 平均自由程 l (cm) d 为容器的 线性尺度 分子流 分子运动状态 粘滞流， 分子间碰撞为主 离地面高度(km) 粘滞流 分子流 分子与器壁 碰撞为主 粗真空 低真空 麦克劳压强计 电离真空计 潘宁规 高真空
压强(帕) 10 4 10 3 10 2 1 0 1 01 0.1 0.01
5
接 阀门 机 械 泵
0
5
2 1 1 0 5 0 图3-3 抽气曲线
2 5
热 偶 规
时间(分)
图 3-4
定容法抽速测量装置
2. 定容法测量抽速实验 在真空系统中，对一定容积的被抽容器，随着气体逐渐被抽出，容器内压强包括抽气机进 口处的压强不断降低，因而每次抽出的气体在不断减少，抽速就不断变化。这样，抽气机 的抽速应是在某一瞬时压强下被抽气体体积对时间的导数。即：
90 ~ 440
440 ~ 20000
主要应用举例
真空成形、 真空输 真空蒸馏、干燥、 真空冶金，真空 表面物理、 热核反 运、真空浓缩。 冷冻，真空绝热， 镀膜，电真空器 应、等离子体、物 真空焊接。 理、超导技术，宇 件， 粒子加速器。 航技术。