真空的获得与测量实验报告.docx

真空的获得与测量一、实验目的.结合理论课程所学知识，理解真空的概念。1 .结合实验室提供的真空泵实物，大致掌握机械泵的结构，原理与适用范围。2 . 了解多种类真空计的原理与适用范围，学会真空计的使用。二、实验仪器机械泵工作原理:依靠放置在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩， 然后排除泵体外优点:结构简单、工作可靠。缺点:油蒸气回流、引起污染旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵。极限真空度为: 10XT)1(T(-2)Pa,它主要由机械泵油的饱和蒸汽压和泵的机械加工精度决定的。当达到极 限真空度时，抽气和漏气的速度相等，真空度不再变化。旋片式机械泵泵中存在死空间导致 漏气。在排气口处的转子与圆柱形空腔接触处，有一小空间。此空间内的气体不能被旋片扫 出泵腔，故称死空间。油扩散泵工作原理:将油加热至高温蒸发状态(约200c ),让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时 (200m/s)不断撞击被抽的气体分子，并将部分动量传给这些气体分子，使其被迫向排气口方 向运动，在压缩作用下被排出泵体同时，受到泵体冷却的油蒸气又会凝结起来返回泵的底 部。优点:极限真空度高，抽速很大。缺点:油蒸气回流，污染。油扩散泵比机械泵能获得更高的真空度，它的工作压力范围是l(r(-1)l(r(-6)Pa,起始 压强正好是机械泵的极限压强，因此，油扩散泵通常要利用机械泵作为前级泵，将真空度抽 到l(T(-l)Pa后才能开扩散泵。油蒸汽向进气口反扩散，造成污染，解决办法是在进气口采用水冷挡板或液氮冷阱。热偶真空计这种真空计是利用气体分子的热传导性质，通过热电偶产生的电动势来测量真空的。热电偶 真空计的原理见图4-1-3, 一端开口的玻璃壳的开口端与真空室相接，玻璃壳内的真空度与 真空室内的真空度相同，外电路给加热丝通电，热电偶的一个结点与加热丝焊接或压接在A 点，结点的温度与加热丝的温度相同。在恒定的电流下，加热丝的温度高低取决于玻璃壳内 的气体压强，压强越大，气体传导热量越多，加热丝的温度越低，毫伏表测量出的热电动势 越小；相反，压强越小，气体越稀薄，气体传导热量越少，加热丝的温度升得越高，毫伏表 测量出的热电动势越大。但是，气体的压强与毫伏表的读数之间的关系是很复杂的，不能直 接计算，只能用绝对压强计校准，校准曲线用图4-1-4表示。热电偶真空计的测量范围是 100- 107-l)Pao这种真空计是利用气体分子的热传导性质，通过热电偶产生的电动势来测量真空的。热电偶 真空计的原理见图4-1-3, 一端开口的玻璃壳的开口端与真空室相接，玻璃壳内的真空度与 真空室内的真空度相同，外电路给加热丝通电，热电偶的一个结点与加热丝焊接或压接在A 点，结点的温度与加热丝的温度相同。在恒定的电流下，加热丝的温度高低取决于玻璃壳内的气体压强，压强越大，气体传导热量越多，加热丝的温度越低，毫伏表测量出的热电动势 越小；相反，压强越小，气体越稀薄，气体传导热量越少，加热丝的温度升得越高，毫伏表 测量出的热电动势越大。但是，气体的压强与毫伏表的读数之间的关系是很复杂的，不能直 接计算，只能用绝对压强计校准，校准曲线用图4-1-4表示。热电偶真空计的测量范围是 100- 107-DPao图热电偶真空讨的工作原理压强(Pa)电力真空计工作原理：热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者发生电离，由离子收集 极接收电离的离子，并根据离子电流强度的大小就可以测量出环境的真空度，板极电流的大 小取决于电子在阴极和栅极之间碰撞分子使其电离的数目，该数目正比于气体的浓度即气体 的压强，所以，板流与气体的压强成正比，通过校准比例系数，就可以用板流指示真空度。 普通电离真空计的测量范围是107-D - 107-6) Pao栅极G | |阴极(灯丝)K栅极G | |阴极(灯丝)K图37电离真空计的工作原理图36电离规管的结构三、实验原理真空：是指在给定空间内压强低于一个大气压的气体状态，描述真空中气体稀薄程度的物理 量被称为真空度，一般用压强表示。气体压强越低，真空度越高;压强越高，真空度越低。低真空：l(T5l(T2Pa :分子数目减少，分子相互间碰撞频繁利用真空与大气之间的压力差实现力学应用，如，真空吸引、真空浸渍中真空：10-210n(-1狂。：气体分子密度较小利用气体分子密度降低，可实现无氧加热、真 空隔热，冷冻、干燥高真空：107-1)10(-6)Pa:分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞颊繁利用气体分子与物质相互作用弱的特点，可进行真空冶金、真空镀膜超高真空：10(-6)Pa :气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少利用表面形成单一分子层 时间很长的原理，实现表面物理与表面化学的研究。单位帕/Pa托/Ton*毫巴/mbar标准大气压IPa17.5*101lx HP9.87x IO.ITorr133.311.3331.316 xl0 »Imba1000.7519.87x 10*latm1.013 x 105760 1.013 TO，1真空（压强）单位国际单位：帕斯卡lPa=lN/m2常用单位：托（Torr）毫米汞柱（mmHg ）巴（bar ）标准大气压（atm）根据定义，1帕斯卡=1牛顿/平方米（IN/nf）巴不属于国际单位制或厘米-克-秒制同一种气体分子的平均自由程为：入二kT/J2兀。-2P式中。为分子直径，P为压强，T为气体温度，k为波尔兹曼常数。氮气在压强为10X-9） Torr室温的平均自由程为50km,电子和离子的平均自由程分别是 气体分子的平均自由程的42和2倍。因此除非在宇宙空间，几乎所有地面上体积有限的 超高真空系统中，气体分子之间或气体分子与带电粒子之间的碰撞都可近视忽略。这就为电 真空器件、粒子加速器、原子能科学的发展提供了良好的条件。气体分子与固体表面碰撞的频率极低。单位表面积上气体分子碰撞的频率与压强（单位:Torr） 的关系为：7=3.5X10722）/VMTP式中M和T分别为气体分子的分子量（单位：g）和温度（单位：K）。在普通高真空，例如 P=10 （-6）Torr时，对于室温下的氮气，丫=4. 5X10分子/cnT2S,如果每次碰撞均被表 面吸附，按每平方厘米单分子层可吸附5X10个分子计算，一个“干净”的表面被一个单 分子层的气体分子完全覆盖只要一秒多钟；而在超高真空，P=107-10） Torr或P=10 7-1DTorr时,按同样的估算可知“干净”的表面吸附单分子层的时间将达几小时到几十 个小时之久；因此超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够的时间进行实 验研究。这是一项重要的技术突破，它导致了表面科学的蓬勃发展。无论在表面结构、表面 组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化、腐蚀等应用研究方面都取得了长足进展。 涡轮分子泵原理与油扩散泵相同，依靠对分子施加作用力，并且使气体分子定向运动，从而使气体排 出。分子泵的叶片具有特定的形状，在他以高速旋转时，叶片将动量传给气体分子。同时 它存在多级叶片，上一级叶片送过来的气体分子可以受到下一级的作用，从而被压缩到更 下一级。分子泵对一般气体抽取有效，但对低原子序数的气体抽取能力差。分子泵通常需要机械泵做前级泵。极限真空度可以达到10*-8pa四、实验步骤L熟悉实验仪器与实验流程；2 .关闭仪器所有的阀门；3,将三通阀推至死点，打开电源，打开机械泵电源，进行抽气，数分钟后，当压强 达到1 .7帕以下时，将三通阀拉至死点，进行抽气，当压强也小于6.7帕时，再次将三通 阀推至死点：4,接通冷却水，打开碟阀开关，再打开油泵电源，对真空室抽气：5 .观察压强的变化，当其示数小于0.1帕时、打开电离真空计，调至10。档，观测示 数的变化，并在相同间隔时间内记录数据：6 .当示数的值小于1时，调至10.2档，再进行观测和记录数据，依次进行调低：7 .数据部发生明显变化时，可适当延长记录的间隔时间，以便得到更准确的数据。8 .实验结束后，应先关电离真空计，再关碟阀，再关闭机械泵以及电源。再这个过 程中，直保持冷却水流通，直至大约二十分钟后流出的水达到常温为止。五、实验结果与注意事项受实验设备限制，压强仅能达到6. 6*10-3帕斯卡。实验注意事项：1,三通的推至死点和拉至死点的时间，以及在整个实验过程中应该处于的状态；2,碟阀的打开时间以及打开的顺序：3,冷却水的打开时间，关闭时间，以及水的流畅性，并且保证水的流量大小，使其能达到 充分的降温效果；4,因为电离真空计较精贵，所以在实验过程中要注意格外注意，如果发生意外，要预断开 电离真空计，以免损坏。5、对于电离真空计，要做到只能在压强小于O.lPa时才能使用，并且在使用时时刻关注是 否满足其使用条件，并在实验结束后最先关闭；6、对于油扩散泵，只有在真空室压强小于6.7Pa后，才能开启工作，并且在工作之前需要 先预热，在实验结束后，要在关闭电离真空计后立刻关闭高真空阀与油扩散泵：7、对于冷却水，要先通冷却水，再开始油扩散泵预热，并在实验结束后，等油扩散泵完全 冷却后才能停止，在实验中，要保证水循环畅通。（二）、误差分析：刚开始的阶段，数据变化较快，为了得到较准确的变化曲线，所以必须在较短的时间间隔读 取数据，但这样造成的后果是反应时间太短而数据变化太快，在读取数据时必然会造成一定 的误差；如果延长时间间隔，得到的数据可能会较准确，但不能得到理相的数据