1、高真空度的获得与测量高真空度的获得与测量一、实验目的一、实验目的 1. 掌握一种高真空的获得与测量方法。掌握一种高真空的获得与测量方法。 2. 了解高真空系统的结构及各部件的作用。了解高真空系统的结构及各部件的作用。 3. 熟悉火花检漏器的使用及对真空度的估熟悉火花检漏器的使用及对真空度的估计方法。计方法。二二、实验原理、实验原理压强在压强在0.10.00001 Pa内的系统称高真空系内的系统称高真空系统。统。一般的高真空系统由一般的高真空系统由被抽容器被抽容器、油封旋片式油封旋片式机械真空泵机械真空泵、油扩散泵油扩散泵、真空阀门真空阀门和和连通管连通管道道串联组成。以串联组成。以电阻真空计电
2、阻真空计，电离真空计电离真空计和和火花检漏器火花检漏器组成测量仪器组成测量仪器。下面对下面对抽气系统抽气系统和和实验测量仪器实验测量仪器作简要介绍作简要介绍1. 抽气系统抽气系统本实验由油封旋片式机械泵和油扩散泵组成本实验由油封旋片式机械泵和油扩散泵组成机械泵机械泵油扩散泵油扩散泵系统以获得高真空。系统以获得高真空。 油封旋片式机械真空泵油封旋片式机械真空泵 极限压强一般为极限压强一般为0.1帕帕，主要用来获得低真，主要用来获得低真空，为油扩散泵提供一个前置真空。空，为油扩散泵提供一个前置真空。 工作原理工作原理：利用机械的方法，使转子在腔利用机械的方法，使转子在腔体内转动，周期性地改变泵内吸
3、气空腔的体内转动，周期性地改变泵内吸气空腔的容积，使被抽容器中的气体不断膨胀从而容积，使被抽容器中的气体不断膨胀从而被抽走的。被抽走的。 常见故障常见故障：油被有机蒸汽或水汽严重沾污：油被有机蒸汽或水汽严重沾污，机械转动部件的磨损，转动轴漏油，密封机械转动部件的磨损，转动轴漏油，密封油逐渐减少等，会使极限真空降低。油逐渐减少等，会使极限真空降低。 油扩散泵油扩散泵 主要用来获得高真空主要用来获得高真空，它是本系统的主泵。，它是本系统的主泵。油扩散泵工作时要求一定的油扩散泵工作时要求一定的前置真空一般前置真空一般为为0.1帕量级帕量级，本实验由机械泵提供，其次，本实验由机械泵提供，其次是要有适当
4、的加热温度，以保证足够的工是要有适当的加热温度，以保证足够的工作蒸汽密度和流速，否则将不能有效地抽作蒸汽密度和流速，否则将不能有效地抽气。但是，也不能太高，加热太高会引起气。但是，也不能太高，加热太高会引起油的分裂，影响极限真空度及抽速油的分裂，影响极限真空度及抽速。 常见故障常见故障：油的质量不高，油长期使用被：油的质量不高，油长期使用被沾污，冷却水流量太小，加热电炉沾污，冷却水流量太小，加热电炉 断路等。断路等。2. 实验测量仪器实验测量仪器本实验用测量仪器有：本实验用测量仪器有：火花检漏器火花检漏器，电阻真电阻真空计空计和和电离真空计电离真空计。火花检漏器和电阻真空火花检漏器和电阻真空计
5、计用于测量低真空（极限压强在用于测量低真空（极限压强在0.1帕以上）帕以上）电离真空计用于测量高真空。电离真空计用于测量高真空。下面对测量仪器作分别介绍下面对测量仪器作分别介绍 火花检漏器火花检漏器 是一种在是一种在玻璃系统玻璃系统中初级的广泛应用的估中初级的广泛应用的估计真空度的简单方便的工具，火花检漏器计真空度的简单方便的工具，火花检漏器是一种小功率的高频火花振荡器。当其接是一种小功率的高频火花振荡器。当其接通电源后，将在输出电极附近形成强烈的通电源后，将在输出电极附近形成强烈的高频电场，在空气中产生火花放电。高频电场，在空气中产生火花放电。 当此电极移近玻动真空系统时，将引起真当此电极移
6、近玻动真空系统时，将引起真空系统内的残余气体产生高频放电空系统内的残余气体产生高频放电。可以可以根据以上的放电颜色和形状，粗略地估计根据以上的放电颜色和形状，粗略地估计真空系统中真空度的数量级。真空系统中真空度的数量级。放电的颜色和形状以及压强的关系放电的颜色和形状以及压强的关系 P（压强、量级）（压强、量级） 放电颜色放电颜色 大气压大气压 无色无色 104103帕帕 紫色紫色 线状线状 103102帕帕 紫红色紫红色 线状线状 102102帕帕 深红色深红色 分散分散 101帕帕 粉红色粉红色 分散分散 1 帕帕 淡兰色淡兰色 分散分散 0.1帕帕 极淡兰色极淡兰色 分散分散 0.02帕帕
7、 颜色消失颜色消失 玻壁上有萤光玻壁上有萤光 注意事项：注意事项： 火花不要长期停留于玻璃壁的某一点，特火花不要长期停留于玻璃壁的某一点，特别是在那些烧接的地方，以免打穿玻璃壁；别是在那些烧接的地方，以免打穿玻璃壁； 不要用手触及其电极，以免烧伤；不要用手触及其电极，以免烧伤； 不要将火花靠近易燃物品；不要将火花靠近易燃物品； 不得连续放电不得连续放电5秒以上，间歇时间不得少秒以上，间歇时间不得少于于5秒钟，连续使用不得超过秒钟，连续使用不得超过10分在发热时分在发热时应停止工作。应停止工作。 电阻真空计电阻真空计 工作原理工作原理：在低压强时，电阻规利用气体分子的热传在低压强时，电阻规利用气
8、体分子的热传导，在高压强时利用气体分子的对流传导特导，在高压强时利用气体分子的对流传导特性，使得电阻规的电阻随所测系统的压强变性，使得电阻规的电阻随所测系统的压强变化而变化。电阻与压强的变化是一种非线性化而变化。电阻与压强的变化是一种非线性关系，再经微机处理关系，再经微机处理A/D转换，非线性运算，转换，非线性运算，最后送显示器显示。最后送显示器显示。注意事项：注意事项： 零点校准：当真空度高于零点校准：当真空度高于 帕时（可由电离帕时（可由电离规监测）调节规监测）调节“ZERO”零点电位器，使其零点电位器，使其显示显示1.0E1 满度校准：大气状态时，调整满度校准：大气状态时，调整“FS”满
9、度满度电位器，使其显示电位器，使其显示1.0E5 电阻规故障判断电阻规故障判断 电离真空计电离真空计 工作原理工作原理：当电离规管灯丝加热发射电子，电子经加速当电离规管灯丝加热发射电子，电子经加速后与气体分子碰撞而使气体电离，正离子被后与气体分子碰撞而使气体电离，正离子被收集极吸收，离子流与压强的关系为收集极吸收，离子流与压强的关系为 Ii =K P Ie 式中：式中：K规管灵敏度规管灵敏度Ii离子电流离子电流Ie电子电流电子电流P压强压强注意事项：注意事项：系统真空度高于系统真空度高于1帕，电离计自动进入工作状态，帕，电离计自动进入工作状态，并显示真空度并显示真空度 发射电流检测：按下发射电
10、流检测：按下“电离电离”按钮，此时显按钮，此时显示发射值示发射值真空度低于真空度低于 0.1帕，发射电流为帕，发射电流为100A 真空度高于真空度高于 0.1帕，发射电流为帕，发射电流为1mA 规管去气：当真空度高于规管去气：当真空度高于 0.1帕时，可对规管帕时，可对规管去气，按下去气，按下“去气去气”按钮，规管开始去气，并按钮，规管开始去气，并显示去气时间。若需中止去气，则按下显示去气时间。若需中止去气，则按下“电离电离”按钮，此时重新进入测量状态。按钮，此时重新进入测量状态。三三、实验系统及使用方法、实验系统及使用方法 本实验是在一个多用实验系统上进行，系统的本实验是在一个多用实验系统上
11、进行，系统的结构示意图如图所示，扩散泵结构示意图如图所示，扩散泵机械泵组用机械泵组用来获得高真空。来获得高真空。M1和和M2分别为电阻真空规管分别为电阻真空规管和电离真空规管，用来进行真空测量。凡尔和电离真空规管，用来进行真空测量。凡尔（Valve）V1作为扩散泵与机械泵的接通或分作为扩散泵与机械泵的接通或分离用，离用，V5是用来对系统放气，是用来对系统放气，V2通向粗管导，通向粗管导，U1为被抽容器。为被抽容器。V3V7在本实验中不用。在本实验中不用。 实验系统为全玻璃系统，实验过程中必须注意实验系统为全玻璃系统，实验过程中必须注意不能碰撞系统，转动各个凡尔时要转而慢、防不能碰撞系统，转动各
12、个凡尔时要转而慢、防止炸裂。止炸裂。多用真空系统示意图多用真空系统示意图四四、实验步骤、实验步骤1. 详细观察真空系统的结构，了解每一部件的作用及气流的通路；详细观察真空系统的结构，了解每一部件的作用及气流的通路；2. 接通水源、关闭凡尔接通水源、关闭凡尔V2，将，将V5打通，放大气入系统后关闭打通，放大气入系统后关闭V5，将将V2转向与粗导连通，打开真空计电源，然后将转向与粗导连通，打开真空计电源，然后将V1旋向扩散泉方旋向扩散泉方向，启动机械泵将系统由大气开始抽气，在抽气过程中，不时利向，启动机械泵将系统由大气开始抽气，在抽气过程中，不时利用火花检漏器激起放电，观察放电颜色和形状以及与之对
13、应的真用火花检漏器激起放电，观察放电颜色和形状以及与之对应的真空计所测压强的关系；空计所测压强的关系；3. 系统达到扩散泵所需前置真空后，即可开始加热油扩散泵；系统达到扩散泵所需前置真空后，即可开始加热油扩散泵；4. 当观察到油扩散泵油开始沸腾，仪器自动，打开电离真空计部当观察到油扩散泵油开始沸腾，仪器自动，打开电离真空计部分的电源，用电离真空计测量系统的真空度；当系统真空度高于分的电源，用电离真空计测量系统的真空度；当系统真空度高于 0.01帕后，对规管进行除气帕后，对规管进行除气。5.去气完毕后，实验即告结束，结束的步骤与启动时的相反，即去气完毕后，实验即告结束，结束的步骤与启动时的相反，
14、即首先关闭真空计电源，关闭首先关闭真空计电源，关闭V2，停止扩散泵加热，当油扩散泵油，停止扩散泵加热，当油扩散泵油冷却后，关闭低真空部分凡尔冷却后，关闭低真空部分凡尔V1，停止机械泵工作，最后关掉冷，停止机械泵工作，最后关掉冷却水。却水。五五、实验报告的基本内容、实验报告的基本内容1. 实验名称、目的和任务；实验名称、目的和任务；2. 绘出与本实验有关的真空系统部分；绘出与本实验有关的真空系统部分；3. 实验中机械泵、扩散泵所达到的极限压强各为多少；实验中机械泵、扩散泵所达到的极限压强各为多少；4. 写出实验中观察到的火花检漏器激起的各种放电颜写出实验中观察到的火花检漏器激起的各种放电颜色和形状，以及与之对应的热的热偶真空计所测得色和形状，以及与之对应的热的热偶真空计所测得的压强；的压强；5. 思考题思考题 实验中所用的油扩散泵有几级？为什么要那么多级？实验中所用的油扩散泵有几级？为什么要那么多级？ 为了在被检容器内获得低真空和高真空分别需要哪为了在被检容器内获得低真空和高真空分别需要哪些基本元件？些基本元件？ 扩散泵在加热过程中，真空度有无变化？为什么？扩散泵在加热过程中，真空度有无变化？为什么？
