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1、真空的获得与测量摘要 真空技术在近代尖端科学技术中占有关键的地位，本实验要学习高真空的获得与测量方法，熟悉真空获得的相关设备和仪器，并掌握其使用方法，同时测量真空度随时间的变化。关键词 高真空 机械泵 油扩散泵引言 真空技术始于 1634 年，由托里拆利将一端密封的长玻璃管注满汞并倒置于盛有汞的槽里，发现汞柱顶端产生真空。自 20 世纪初起，随着电子管的研究和产生，逐步建立起了能够获得与测量压强低于 Torr 的高真空设备与技术；到 20 世纪 50 年代，随着表面710物理，原子能物理，以及半导体、电子计算机、航空技术的迅速发展，发展了超高真空技术；到 20 世纪 70 年代，又进一步提高到
2、压强低于 Torr 的极高真空。目前，真空技术10在近代尖端科学技术中占有关键的地位。实验原理真空技术主要包括真空的获得、测量和检查漏气等方面的内容。1高真空的获得获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类：能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵（如机器泵） ，用来产生预备真空，需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵（如扩散泵） ，次级泵用来进一步提高真空度，获得高真空。(1)机器泵一般采用油封转片式机器泵，其结构如图1 所示，在圆柱形气缸（定子）内有偏心圆柱作为转子，当转子绕轴转动时，其最上部与气缸内表面紧密接触，沿转子的直径装有两个滑动片（简称滑片） ，其间装有弹簧，使滑动片在转子
3、转动时与气缸内表面紧密接触，当转子沿箭头所指方向转动时，就可以把被抽容器内的气体由进气管吸入而经过排气孔，排气阀排出机械泵。为了减少转动摩擦和防止漏气，排气阀及其下部的机械泵内部的空腔部分用密封油密封。机械泵用的密封油是一种矿物油，要求在机械泵的工作温度下有小的饱和蒸汽压和适当的粘度，机器泵的极限真空度一般在 Pa。10(2)扩散泵一般多采用油扩散泵，其结构如图2 所示，扩散泵是高真空泵，当机器泵的极限真空度不能满足要求时，通常加扩散泵来获得高真空。这种泵不能从通常气压下开始工作，只能在低于6.0Pa气压下才能工作。因此，必须与初级泵串联使用。在扩散泵开始工作之前，必须先开动机器泵抽气，等达到
4、预备真空时，便可以使用电炉对蒸发器中的油进行加热。当油加热至沸腾时，便产生大量油蒸汽，蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出，此时，由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散，便被带到下方，而油蒸汽被冷凝水套凝结，沿着管壁经过回油管流回蒸发器，被带到下方的气体则由机器泵抽走。使用扩散泵的时候必须注意：1）与扩散泵配合的机械泵，它的抽气速率必须保证及时排走扩散泵内部所排出的气体。2）扩散泵工作时冷却水必须畅通，否则会使冷凝水套中的水温过高，油蒸汽不能很好的凝结，以致部分蒸汽要冲向被抽容器，影响泵的抽气速率和极限真空度。3）加热电炉的功率大小也是影响泵的抽气速率，所以应选择适合的电炉。2真空的测量真空计是测
5、量真空系统中气体压强的仪器，种类很多。各种真空计都有一个测量范围，将有范围覆盖的各种真空计组合起来，完成大范围的真空度测量。（1）温差电偶真空计的原理温差电偶真空规管由玻璃制成，通过小管 8 和真空系统相接，如图3 所示，在规管内的两根引线上装有热丝3，另外两根引线上焊着一对温差电偶4，温差电偶的另一端与热丝在A 点焊接。由于在低压下，气体的热传导系数与压强成正比，所以在通过热丝的电流一定的条件下，热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高，温差电偶电动势也就随之而增大。因此，通过测量温差电偶电动势，就可确定出被测系统的真空度，温差电偶真空计就是根据这个原理制成的。温差电偶真空计的电离真空计的测量
6、范围为： Pa。10 （2）热阴极电离真空计的原理最简单的热阴极电离真空规管就是一只三极管，如图4 所示，通过B 管与真空系统相接，使用时，在灯丝电路中通以电流，灯丝受热后便发射电子，由于栅极加上正电压，便吸引电子使电子加速，中途与气体分子相碰，气体的密度越大，碰撞机会越大，产生的正离子也越多。另外，由于板极电压为负，便吸引正离子在板极电路中形成板极电流Ip，气体分子密度越大（即压强越大） ，板极电流也越大。所以，通过测量板极电流便可以确定气体的压强，热阴极电离真空计就是根据这个原理制成的。热阴极电离真空计是测量极高真空的仪器，测量范围为 Pa。6103真空检漏在真空系统初步装置完成以后，就要
7、检查是否漏气，漏气可能发生在接口部位处，也可能发生在管道或者真空泵本身。一般讲，系统在较长时间内达不到预定的真空度的时候，就要进行检漏。玻璃真空系统的检漏，常用高频火花检漏器来检查，其结构如图5所示。T1 为电源的升压变压器，输出300V 高压，使电容器C 1、C2 充电，当电容器两端电压升到足够高时，就通过火花间隙G 放电，在C 1L1C2G 回路中产生高频高压使附近空气电离，而激起很强的放电现象。在检查漏气时，先接通电源，让检漏端接在玻璃壁附近（离开约0.51cm）来回移动，当检漏端接近不漏气的部位时，检漏端产生的火花束在玻璃表面上不规则的跳动，如图6（a）所示，当检漏端接近漏气部位时，则
8、分散的火花立即变为一束很细很亮的火花，对准漏气处向系统里钻。如图6（b）所示的情况，在检漏的时候应该注意不要把检漏端在一个地点停留过久，否则容易造成新漏洞。有时也可用涂擦酒精、汽油的方法检查漏气部位，当涂抹酒精、汽油的部位漏气时，电离计的指针会立即偏转，此时若用高频火花检漏计检查，系统内会出现淡蓝色的辉光。当知道漏气的部位后，有火焰封接或用真空封蜡封闭即可。实验步骤：首先检查各活栓都在“关”的位置，复合真空计的开关在起始位置，机械泵的油面在规定标线处。1低真空的获得与测量（1）打开低真空阀门，开动机械泵。（2）接通复合真空计的总电源，接通并预热温差电偶真空计，用温差电偶真空计测量系统的真空度，
9、同时记录数值。2高真空的获得与测量（1）当真空系统的压强到6.0Pa 以下时，关闭低真空阀门。接通油扩散泵的冷却水，接通加热电源，预热油扩散泵40分钟。打开高真空阀门，对真空室进行抽气。（2）当温差电偶真空计显示的系统的压强达到 Pa 时，打开电离真空计电源，使用电10离真空计继续进行测量。（3）结束实验时，首先断开电离真空计和复合真空计的总电源开关，然后断开扩散泵的加热电源，关闭机械泵，待冷却一段时间后，关闭冷却水。数据处理：压强 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1 0.08时间 6.98 18.75 34.52 48.57 84.55 99.98压强 0.06 0.05 0.04 0.
10、035 0.03 0.025时间 125.97 146.58 174.76 195.18 223.59 263.34压强 0.024 0.022 0.02 0.018 0.017 0.016时间 278.78 303.49 331.78 371.73 388.34 416.73压强 0.015 0.014 0.013 0.012 0.011 0.01时间 443.73 480.01 536.73 597.63 688.18 747.41压强 0.009 0.008时间 790.32 881.36实验总结：由上图可知，压强的变化率随时间的变化而减小。当机械泵对真空室抽气后，真气室内空气逐渐稀薄，机械泵对空气抽取的量减少，是压强的减小率减小。当使用油扩散泵后，由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散，便被带到下方，而油蒸汽被冷凝水套凝结，沿着管壁经过回油管流回蒸发器，被带到下方的气体则由机器泵抽走，真空室内的压强进一步降低。真空室内气体更加稀薄时，压强的变化率变得更加小。
