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1、高低真空的获得和测量,2012-02-18,教学内容,真空基本知识和技能介绍：真空概述、真空单位、不同真空区域的划分以及他们对应的物理现象等、真空的获得、机械泵油扩散泵工作原理、真空的测量、热偶真空计和电离真空计工作原理、几种不同的真空检漏的方法等。低气压下高电压放电、定容法和静态升压法的原理介绍。仪器结构的介绍：DM300型镀膜机的结构和各主要部分的功能、低真空设备的结构和各部分的功能。实验内容和注意事项（操作步骤）的介绍。低真空示范下操作观察放电现象,真空概述,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。他在
2、一端封闭的玻璃管内装满水银，然后把它倒立在水银槽内，管子顶端出现了一段空出，从此确立了真空的概念并首次测得大气压强的数值为760mm汞柱。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。,真空单位,(1)帕斯卡(帕)：Pa；1Pa=1Nm-2(2)标准大气压：atm；1atm=101.325 KPa(3)毫米汞柱(乇)：mmHg(Torr)；1mmHg=1 Torr=1.33310 2Pa(4)巴：bar(B)1B=105Pa；1mB=0.1KPa(5)毫米水柱：1mmH2O=9.806 Pa(4oC),真空的获得机械泵,机械泵是运用机械方法不断地改变泵
3、内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀压缩从而获得真空的泵，机械泵的种类很多，目前常用的是旋片式机械泵。机械泵可在大气压下启动正常工作，其极限真空度可达0.1Pa，它取决于：定子空间中两空腔间的密封性，因为其中一空间为大气压，另一空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；排气口附近有一“死角”空间，在旋片移动时它不可能趋于无限小，因此不能有足够的压气去顶开排气阀门；泵腔内密封油有一定的蒸汽压（室温时约为0.1Pa）。,油扩散泵,扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，最早用来获得高真空的泵就是扩散泵，目前依然广泛使用。当扩散泵油被加热后油蒸汽可以沿蒸汽导流管上喷，然后被喷口帽阻挡后折反向
4、下喷射，高速定向喷射的油分子在喷嘴出口处的蒸汽流中形成一低压，将扩散进入蒸汽流的气体分子带至泵口被前级泵抽走，而油蒸汽在到达泵壁后被冷却水套冷却后凝聚，返回泵底再被利用。扩散泵的启动压强应小于10Pa，因为在这一压强下，可以保证绝大部分气体分子以定向扩散形式进入高速蒸汽流。此外若扩散泵在较高空气压强下加热，会导致具有大分子结构的扩散泵油分子的氧化或裂解。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸气压和反扩散两部分，目前一般能达到10-310-5Pa。目前油扩散泵比较理想的是硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用。,真空的测量热偶计,测量真空度的装置称为真空计。真空计的种类很多
5、，根据气体产生的压强、气体的粘滞性、动量转换率、热导率、电离等原理可制成各种真空计。由于被测量的真空度范围很广，一般采用不同类型的真空计分别进行相应范围内真空度的测量。常用的有U型真空计、热偶真空计和电离真空计。热偶真空计也叫热偶规，热偶规管由加热丝和电偶丝组成，热偶丝的热电势由加热丝的温度决定。当热偶规与真空系统相联时，如果维持加热丝电流恒定，则热偶丝的热电势将由其周围的气体压强决定，当压强低于某一定值时，气体导热系数与压强成正比，从而可找出热电势与压强的关系，直接用表头指示真空度，可测范围为1000.1Pa。,电离真空计,电离真空计也叫电离规，电离规为一只特殊的三极真空管，收集极的电极相对
6、于阴极为-30 V，而栅极上正电位为+200 V，若使阴极发射的电子流和栅极的电位稳定，则阴极发射的电子在栅极作用下高速运动并与气体分子相碰，使气体分子电离成离子。正离子将被负电位的收集极吸收而形成离子流，经放大器放大后由微电流计指示，形成的离子流与电离规中的气体的压力成正比，因此可从离子电流的大小，即可直接读出真空度，测量范围为10-110-6Pa。使用时特别注意，当压强高于0.1Pa时，电离真空计中的灯丝会因高温很快被氧化烧毁，因此必须在真空度达到0.1Pa以上时，才能开始使用电离真空计。,为了使用方便，通常把热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计。目前真空计正朝着宽量程、数字化、电脑型发
7、展。,真空检漏,真空度的好坏，除了泵的性能之外，还和被抽容器或系统的清洁程度、密封性能密切相关。在选择真空系统材料时，通常选用气密性好，出气率低的材料，如碳钢、不锈钢、硬质玻璃等，而且事先必须经过清洁处理。这些条件都具备后，如果一个系统抽了很长时间，还不能达到设计要求，可断定此系统存在漏气。判断系统是否漏气比较容易，但要检查出漏气发生在哪一个部位就比较困难，只有查出漏气点才能修复、堵漏。对于玻璃系统，在真空度低于0.1Pa时，可用高频电火花真空测定仪，打开电源后，探头出现杂散的紫色火花，如遇漏孔，杂散火花变成一束明亮的光柱，并在漏孔处出现亮点。对于金属系统或真空度高于0.1Pa的玻璃系统，不能
8、使用高频电火花真空测定仪来检漏。这时可用酒精、丙酮、甲醇等挥发性液体涂在怀疑有漏孔处，遇上漏孔时，挥发气体进入系统，系统的真空度会突然下降，这是漏孔相对较大时的方法。对特别微小的漏隙，如在高真空系统，能达到高真空但达不到设计要求，这时可采用静态升压法，但此法也只能判断是否漏气，不能确定漏气的部位。检漏还有许多方法，最快捷、灵敏的是氦质谱检漏。把示踪气体（一般用氦气）喷在真空容器外面，用仪器去检测容器内是否含有示踪气体。这种方法不仅灵敏度高，而且可以确定漏气部位。,放电原理和现象,低压气体在高压电场中被电离而导电，并发生辉光放电现象，辉光的颜色、形状，亮度将随着气压的不同而改变。将一封有金属电极
9、的玻璃放电管接入真空系统中，加上高压后就可以通过放电现象来粗略地估计真空度。,定容法测抽速,其中S为抽速，V为容器体积，根据lnPt曲线可以算得d(lnP)/dt。这个抽速分粗真空和低真空独立测量,低真空的获得和测量实验内容,（1）学习开动机械泵获得低真空；（2）利用U形管，热偶计测量真空度；（3）观察不同真空度时放电管和高频火花真空检漏仪的放电现象，与U形管、热偶计比较，对照；（4）测得本次实验之最高真空度；（5）测量Pt和lnP-t关系曲线并求粗真空下的机械泵的抽速；（6）根据低真空下得P-t和lnP-t关系曲线分析低真空下的抽气速率；（7）研究放电对真空度及热偶计的影响（选做）低真空实验
10、示范下放电现象的观察。操作步骤和注意事项见讲义,静态升压法判断漏气来源,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，如图所示。,1）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。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。,高真空的获得和测量实验内容,利用机械泵和扩散泵的二级抽气系统获得高真空；利用热偶真空计和电离真空计测量系统的真空度，并记录极限真空；用静态升压法测量封闭系统压强随时间的变化并分析系统是哪种情况的漏气。操作步骤和注意事项见讲义,
