真空的获得与测量(盛晨)(8页).doc

-真空的获得与测量(盛晨)-第 8 页真空的获得与测量预习报告盛晨 浙江师范大学初阳学院综合理科072班摘要：在此次实验中，我们首先要使用真空泵来制造一个真空环境，然后再使用真空计来测量此真空的级别（真空度）。关键词：真空获得 、真空度、 真空计 、压强。引言：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。1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。真空技术在工业生产和科学研究中广泛的应用。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。在本次实验中，我们需主要做到以下两点：1掌握真空技术的基本知识，熟悉简单的高真空系统。2掌握低、高真空的获得和测量的基本原理及方法。在本次实验中，我们所需的仪器可能有：高真空装置，机器泵，扩散泵，复合真空计，检漏仪。本次实验的原理主要为各种仪器的工作原理或制作原理。一.旋片机械泵工作过程是： 吸气压缩排气。定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。主要参量是： 抽速和极限压强。由于极限压强较高， 常用做前级泵(预抽泵)。旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为1013×10-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。×10-1（Pa）下，其抽速值分别不得低于泵的名义抽速的95%、50%和20%。如上图为旋片泵的工作原理示意图。旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分，如图所示。当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽气的目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担，因而提高了极限真空度。图2 旋片式机械泵结构图 （a） （b）（c） （d）图3 旋片式机械泵工作过程示意图旋片式机械泵使用时必须注意以下几点： （1）启动前先检查油槽中的油液面是否达到规定的要求，机械泵转子转动方向与泵的规定方向是否符合（否则会把泵油压入真空系统）（2）机械泵停止工作时要立即让进气口与大气相通，以清除泵内外的压差，防止大气通过缝隙把泵内的油缓缓地从进气口倒压进被抽容器（“回油”现象）这一操作一般都由与机械泵进气口上的电磁阀来完成，当泵停止工作时，电磁阀自动使泵的抽气口与真空系统隔绝，并使泵的抽气口接通大气（3）泵不宜长时间抽大气，否则因长时间大负荷工作会使泵体和电动机受损图 4 1. 水冷套； 2. 喷油嘴； 3. 导流管；4. 泵壳； 5. 加热器二、油扩散泵工作过程是：油蒸发喷射凝结，重复循环由于射流具有高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300500)，故能有效地带走气体分子。扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。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，目前依然广泛使用图4是一个具有三级喷嘴的扩散泵结构示意图，底部为储油罐，当扩散泵油被加热后油蒸气可以沿蒸汽导流管上喷，然后被喷口帽阻挡后折反向下喷射，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1 Pa(小于10-2torr)，因为在这一压强下，气体处于分子流状态，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10-510-7 Pa三、涡轮分子泵工作过程是：高速旋转叶片(24000转/分)对气体分子施以定向动量压缩排气。优点：无油，洁净，启动快，制动快，可忍受大气冲击。缺点：由于高速旋转，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果，对氢气等轻质气体抽速较小， 价格昂贵。图 5 1. 动叶轮；2. 泵壳；3. 涡轮排；4. 中频电动机；5. 底座；6. 出气口法兰；7. 润滑油池；8. 静叶轮；9. 电机冷却水管. 四、绝对真空计直接测量真空度的量具，如U型计、压缩真空计(麦克劳真空计)。图6 压缩型真空计 测量范围：103 10-3 Pa图7 U型计 测量范围：105 10 Pa五、相对真空计直接测量与压强有关的物理量，再与绝对真空计相比较进行标定的真空计。图8 热电偶规管及其电路原理CD铂丝 AB热电偶丝O热电偶热闹点MV毫伏表MA毫安表1、 热偶真空计(热传导真空计)通常用来测量低真空，可测范围为1010-1 Pa，它是利用低压下气体的热传导与压强成正比的特点制成的测量下限：热丝温度较高，气体分子热传导很小，热丝引线本身的热传导和热辐射引起的热量减小占主导地位，这两部分与压强无关。热电偶规管如图，使用时，通一定电流于铂丝，铂丝温度增高，热电偶出现热电动势，它的大小由毫伏表读出。在加热电流一定时，铂丝的平衡温度在一定的气压范围内取决于气体压强，因此热电动势的大小亦取决于气体压强。2、热阴极电离真空计通常用来测量高真空，测量范围：×10-1 ×10-5 Pa测量下限：高速电子打到加速极G G产生软x射线 软x射线射向收集极c 收集极c产生光电发射 产生电子流Ix Ix与I+方向相反，与压强无关。F-热阴极灯丝 G栅状阳极C极状收集极 图9 电离规管及电离计线路图热阴极灯丝A通电加热后发射热电子，栅状阳极B带有较高的正电压。热电子被阳极B电压加速，并为阳极收集。因为阳极为栅状，所以将有一些电子穿过阳极，这些电子在带有负电子的板状收集极C的作用下又返回阳极，并在空间来回振荡，最后为阳极的正离子被收集极C所收集，形成一定的离子流Ii。对于一定的电子流Ie，离子流Ii和气体的压强成正比，即：式子中：Ki称为电离规管的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。由于在低真空下，电离真空计规管的灯丝和阳极都很容易烧毁，故切忌在低真空下使用。在电离规工作时，不允许将大气放入真空室以免烧坏规管。把热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计。复合真空计的总量程为103105Pa。热电偶测量范围：103101Pa。电离计测量范围：103105Pa。六、主要实验流程如下：1. 开机械泵2. 将三通阀向里推至死点3. 开启真空计测量前级低真空，开机预热一定的时间后，将“加热测量”开关置于“测量”位置（有两个测量档，先置于其中任意一档）。再对对储气瓶进行抽气，观察热偶真空计的读数，若真空度增加，表明当前测量档测量的是储气瓶的真空度。若真空度变化不大，表明当前测量的是真空室的真空度。通过这个步骤，可以确定热偶计的两个“测量”档分别对应哪个区域的真空；4. 接通冷却水及油扩散泵加热器，当油扩散泵预热40分钟后即可正常工作5. 当储气瓶的真空度达到6.7帕以上时，将三通阀向外拉到底，开始对真 空室预抽。真空计换挡测量真空室中的真空度，使其压力小于6.7帕。6. 加热完毕后，打开高真空蝶阀，同时将三通阀推至里面死点。此时油扩散泵与机械泵同时处于工作状态，观察热偶计的读数。当低真空测量等于或小于0.13帕时，转至高真空测量，直至机组达到极限真空度(0.1)帕为止。7. 打开灯丝，电离计接通，开始进行高真空度测量。一开始，每隔15秒记录一次数据；随着时间的增加，真空度变化越来越慢，可以适当延长两次数据记录的时间间隔。8. 当真空度不再变化，停止高真空测量。先关闭灯丝，再关闭高真空蝶阀，停止对油扩散泵加热。9. 等到油扩散泵冷却至室温后，关闭机械泵和冷却水，切断电源。10. 整理好物品，离开实验室。七、在上述操作过程中，应注意以下几点：一、 电离规管: (什么时候开？)高真空测量时，注意电离规管的使用范围：10-1帕以上的真空度(或10-1帕以下的压强)，因此要使真空度高于10-1帕； (开着的时候怎么做？)实验过程中要留意，预计实验条件有没有可能将会不满足预计使用条件； (什么时候关？)关机时，先关电离规管，后关高真空蝶阀。二、 油扩散泵： 将真空度预抽至6.7帕以上； 使用过程中时刻关注油扩散泵是否处于工作要求的条件； 实验结束，先关闭电离真空计，在充气前关闭油扩散泵。三、 冷却水： 在油扩散泵加热时，同时通冷却水； 时刻关注冷却水是否畅通，水温、流量是否正常； 油扩散泵冷却至室温后，先关闭机械泵，最后再关闭冷却水；八、实验数据：读数时间10秒20秒27秒35秒55秒压强（Pa）1510543读数时间1分42秒1分42秒2分12秒2分42秒3分23秒压强（Pa）×××××读数时间4分42秒5分38秒6分25秒7分13秒8分05秒压强（Pa）×××××读数时间9分10秒10分08秒11分25秒12分42秒13分55秒压强（Pa）×××××读数时间15分02秒16分22秒18分21秒19分42秒20分52秒压强（Pa）×××××九、实验总结通过本次实验，我们学习到了在实验中使用仪器要遵循三个原则：一是人身安全;二是保护仪器；三是数据可靠。其中前两项最重要。针对本次实验，结论是压强越小，抽气的难度越大，即压强不易继续降低。