真空技術解析課件

1、1章節(jié)目錄第一節(jié) 真空技術概述第二節(jié) 真空的獲得第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)第1頁/共56頁 真空技術在科學研究和生產中已得到廣泛應用。20世紀50年代以來，真空在冶金生產和科研中的應用迅速推廣，形成了一個專門的領域真空冶金。第一節(jié) 概述第2頁/共56頁3真空技術發(fā)展歷史-基本實驗技術真空技術已經成為一門獨立的前言學科?；緝热莅ǎ赫婵瘴锢碚婵斋@得真空測量、檢漏真空系統的設計和計算等。隨著表面科學、空間科學高能粒子加速器、微電子學、薄膜技術、冶金工業(yè)以及材料學等尖端科技的發(fā)展，真空技術在近代尖端科學技術中的地位越來越重要。1643年托里拆利(E. Torricelli) 大氣壓力實驗第3頁/共

2、56頁 一、概述 壓力和溫度一樣是系統的狀態(tài)參數，與許多物化性質相關。物化實驗中，會涉及到高壓、常壓和真空系統。不同壓力系統有著不同的測量方法和技術。 第4頁/共56頁5假定P0為大氣壓(1)絕對壓力 P (2)相對壓力 p = P Po(3)正壓力 P Po(4)負壓力 P Po (5)差壓力 P1- P2 2.習慣表示：第5頁/共56頁1研究意義冶金新工藝：由于采用真空技術，發(fā)展了一系列冶金新工藝，提高了產品質量，提供了優(yōu)質的新材料。真空冶金物理化學：由于采用真空技術，改變了冶金過程物理化學條件，出現了許多真空冶金物理化學問題期待人們去解決。在近代冶金和材料科學的研究和分析中也離不開真空技

3、術。第一節(jié) 概述第6頁/共56頁測試系統要求：在高溫下，為防止試樣氧化，就需要將測試系統抽成真空或再通入保護氣體。金屬中的氣體分析，一些近代的測試儀器如電子 探針、離子探針、電子顯微鏡等，也都是在高真空下才得以實現的。新材料制備：表面物理化學研究，超純材料制備，半導體集成電路制造，低溫能源技術等，都需要超高真空技術第一節(jié) 概述第7頁/共56頁2、幾個概念 真空凡是低于大氣壓的氣體所存在的空間狀態(tài)，稱之為真空 粗真空 100,0001000Pa 低真空1000一0.1 Pa 高真空 0.110-6 Pa 超高真空 低于10-6 Pa 完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空。 第一節(jié) 概述第8頁/共5

4、6頁第一節(jié) 概述真空度 真空度是表示真空程度的習慣用語，它不用量度單位表示。 最好也不要采用“好”“壞”或”“高”、“低”這種詞匯來表示，因為這些詞匯不能確切地表達真空度的概念。 第9頁/共56頁1 重要概念抽真空：獲得真空的過程真空泵：用來獲得真空的器械稱為真空泵。泵的起始工作壓力：真空泵開始工作時，被抽容器或真空泵的入氣端應達到的氣體壓力前級泵（粗抽泵）：一些泵可直接從大氣壓下開始工作，如機械泵、吸附泵第二節(jié) 真空的獲得第10頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得次級泵：另一些泵只能從較低的氣壓抽到更低的氣壓，它們必須在前級泵產生的預備真空(前級真空)下才能工作，如擴散泵、離子泵等顯然，預備真空內

5、的氣壓必須低于次級泵的起始工作壓力，次級泵才能開始抽氣。抽氣速率，簡稱抽速：在規(guī)定的氣壓下單位時間內抽出的氣體體積第11頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得平均自由程 平均自由程，系指粒子(分子、電子、離子、中子)和同類粒子或異類粒子兩次碰撞時所飛越的平均距離。流量或抽氣量 單位時間內流過真空泵或管道中某截面的氣體量、稱為流量或抽氣量。在真空技術中該量用某截面上的壓強乘以單位時間內流過的氣體體積來表示有時簡稱為Q值。符號為Q。單位為P a。第12頁/共56頁可直接獲得0.1Pa以下的真空度，可作為其他真空設備的前級泵使用特點：由鋼鐵制造，屬于精密設備主要工作部件浸在真空泵油中，因此不適合抽取對真空泵

6、油起化學作用 或對鋼鐵有腐蝕作用的氣體第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機械真空泵第13頁/共56頁工作原理整個泵體浸沒在真空泵油中，轉子緊貼在定子圓柱形空腔的上部，并和空腔不同軸。轉子由電動機帶動在空腔內旋轉，由于彈簧的作用，轉子上的翼片總是緊貼在空腔壁上。當轉子順時針方向轉動時，與進氣管2相通的空腔逐漸增大并吸入氣體，與排氣閥相通的空腔則逐漸縮小，將氣體壓縮，直至沖開閥門，通過油層排入排氣管進入大氣。第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機械真空泵第14頁/共56頁該抽氣機制對于抽取永久性氣體（即常溫下壓縮不會液化的氣體，比如空氣）很有效，對于象水蒸氣那樣的可凝結性氣體，在壓縮過程中就可能液化混入真空泵油中只

7、能按照規(guī)定方向旋轉，否則油會壓入真空系統停止工作時，先將泵與連接真空系統的閥門關閉，再向泵中放干燥空氣，否則泵油會進入被抽系統小注第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機械真空泵第15頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-旋片式機械真空泵金屬屑、玻璃渣之類抽水分過多（串連：干燥劑氯化鈣或五氧化二磷；吸收劑固體氫氧化鈉；冷阱用致冷劑）抽揮發(fā)性氣體如乙醚或腐蝕性氣體如氯化氫使用注意事項第16頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-擴散泵結構如圖所示，工作時，先用前級泵即將擴散泵及系統抽成預備真空0.1Pa，由電爐加熱，擴散泵油在真空下揮發(fā)成蒸氣，沿著導管上升，由噴嘴噴出，可以設一二三四級不等，高速噴出的油蒸氣在水冷壁上又凝

8、結成液體經過導管流回泵底，再重新加熱氣化，不斷循環(huán)。第17頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-擴散泵 擴散泵是獲得高真空的抽氣設備 10-310-8 Torr 的高真空)，按泵的工作介質可分為汞擴散泵和油擴散泵。常見的是硅油擴散泵，以油泵作為其前級泵。第18頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-擴散泵被抽系統的氣體分子由于熱運動擴散經過進氣口進入下面空間中，在大量高速定向運動的油分子（一般是硅油）碰撞下被帶到泵的下部，經過排氣口經過前級泵抽走。第19頁/共56頁20 工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸氣壓低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用 。擴散泵使用注意事項： 由于擴散泵的有效工作范圍在 10-1

9、10-8 Torr，所以在使用擴散泵時，必須要用前級泵，將壓力降到 10-1 Torr 以下，并且前級泵的抽氣速度必須大于擴散泵。 泵的冷卻和加熱器加熱對泵的工作效率也很重要，防止泵油返流現象。加熱、冷卻必須緩慢進行，防止擴散泵爆裂。第20頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-擴散泵該過程存在兩個有害的反向擴散： 一是被抽氣體分子被壓倒泵底，上下存在密度差，氣體分子回向上部反向運動二是定向運動的油分子與被抽氣體碰撞后，有一部分會改變方向進入被抽系統；另外噴嘴處的油蒸氣分子密度大于被抽系統的油蒸氣密度，油分子會反向進入被抽系統 第21頁/共56頁第二節(jié) 真空的獲得-擴散泵使用注意事項：普通油擴散泵的極

10、限真空度為10-5Pa，超高真空油擴散泵達到510-8Pa預真空下開始工作冷卻水套必須充滿冷水，未通水不得開啟加熱擴散泵油停機時，先停止加熱，待油冷卻后再停止冷卻水第22頁/共56頁每一種真空規(guī)都有一定的量程范圍。在不同的壓力范圍內選擇不同的真空規(guī)。真空規(guī)為兩大類： 一類是麥克勞(McLeod H D)真空規(guī)，直接測量壓力的另一類相對真空規(guī)，利用測量與壓力有關的物理量的變化來間接測量壓力，可以實現連續(xù)快速測量，但準確度不夠。測量真空度的儀器稱為真空計或真空規(guī)。第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)第23頁/共56頁按測量方法的原理來分可以分為：基于力的作用原理：U形管，波登管式，波紋管式，膜片式；基于壓縮

11、作用原理：麥氏真空計*；基于導熱作用原理：電阻真空計，熱電偶真空計*；基于電離作用原理：熱陰極式*，冷陰極式，放射性真空計。第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)第24頁/共56頁隨著系統中真空度的升高，U形管真空側的液面在大氣作用下隨之上升。依據兩管中校面的高度差，就可以測得真空系統中的真空度，即p=pa-h，其中p為系統中真空度，pa為大氣壓值，h為兩液面之差。選第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（1）U形管真空計水銀或油大氣第25頁/共56頁玻義耳-馬略特定律 它反映氣體的體積隨壓強改變而改變的規(guī)律。對于一定質量的氣體，在其溫度保持不變時，它的壓強和體積成反比；或者說，其壓強P與它的體積V的乘積為一常量，即

12、PV=C（常數）（T不變時）或P1V1P2V2=PnVn實際氣體只是在壓強不太高、溫度不太低的條件下才服從這一定律。第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計復習第26頁/共56頁麥氏計是一種絕對真空計，測量范圍為1.3xl031.3108帕，精度較高，可作為其它真空計的標準。它是于1874年由麥克勞研制的，故命名為麥克勞真空計，簡稱麥氏計。毛細管第27頁/共56頁1 毛細管(接真空系統) 2、3 毛細管 4-玻璃泡 5 毛細管 6 活塞(接空氣泵) 7 汞容器 8 底座工作原理： 它首先是讓被測真空系統的殘留氣體進入規(guī)內，然后加以壓縮，比較壓縮前后的體積和壓力的變化，就可算出其真空度。第三

13、節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計第28頁/共56頁毛細管A、玻璃泡及下面一段管子(到a-a面為止)的體積為V1。測量前需用油封機械泵將水銀瓶抽真空，使水銀面處于a-a位置。這時，玻璃泡與真空系統相通，其壓強與真空系統相同，均為p。轉動切換閥門，切斷油封機械泵，使水銀瓶與干燥空氣相通。此時，水銀瓶中水銀在干燥空氣壓力作用下，沿導液管上升，充滿玻璃泡然后沿毛細管A上升，使玻璃泡和毛細管A中氣體被壓縮到毛細管A的頂部，其體積為V2。因管A中壓強高于管B中壓強，使兩個毛細管產生高度差h，這時，根據物理學中波義耳定律就可計算出真空系統中的壓強，即 pV1=(p+h)V2其中p為真空系統中壓強。了

14、解第29頁/共56頁特點：由于這種真空規(guī)操作較慢；不能連續(xù)讀數；且要用有毒的汞作工作液，因此人們不愿意直接 用它；是直接測量氣體壓力的真空規(guī)，可用于校正其他真空規(guī)第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（2）麥克勞真空計第30頁/共56頁原理：低壓下（低真空）氣體熱導率與其壓力之間關系測量 即： K = b P b：比例常數第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計氣體導熱系數氣體壓力第31頁/共56頁假設燈絲由導熱損失的熱量與加熱電流I所產生的熱量平衡時，燈絲溫度不變。其平衡方程為其中R為燈絲電阻；E1為氣體分子遷移熱量；E2為輻射遷移熱量；E3為引出導線的遷移熱量。若由于壓力減小而使E1減小，則當I不

15、變時，平衡方程將失去平衡，使燈絲溫度變化。第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計第32頁/共56頁 根據燈絲溫度來衡量壓力的變化。 熱導真空計是通過測量燈絲溫度來決定壓力大小的。根據測定氣體熱傳導方法的不同，熱導式真空計可分為：電阻真空計熱電偶真空計 第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計第33頁/共56頁第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計-熱電阻真空計(1)電阻真空計 （又稱皮喇尼真空計）在較低的壓力(小于13.3Pa)時，熱電阻絲的電阻值取決于周圍氣體的壓強。電阻式硅管測量電路鎢絲或鉑絲第34頁/共56頁資料1成都國光電氣股份有限公司規(guī)格電阻真空規(guī)管外形圖第35頁/共

16、56頁型號ZJ-52ZJ-52AZJ-52BZJ-52CZJ-52DZJ-52EZJ-52FZJ-52T(G)ZJ-52T(M)測量范圍Pa31030.11050.1燈絲阻值10012.510012.510012.5100902902連接直徑mm連接法蘭18-18-DN16KF-DN16KF-DN16CF-DN16CFZ3/8-15.50.5-15.50.5DN10KF電阻真空規(guī)管型號系列表 資料2成都國光電氣股份有限公司第36頁/共56頁熱偶絲的熱電勢由加熱絲的溫度決定維持加熱絲電流恒定，熱偶絲的熱電勢將由其周圍的氣體壓強決定。當壓強低于某一定值時，氣體導熱系數與壓強成正比，從而可找出熱電勢

17、與壓強的關系，直接用表頭指示真空度第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計-熱電偶真空計玻璃殼鉑絲熱電偶鉑絲的作用：用于加熱熱電偶，通以恒定電流，其溫度為100-200。第37頁/共56頁第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計-熱電偶真空計第38頁/共56頁 熱偶真空規(guī)管外形圖資料3成都國光電氣股份有限公司第39頁/共56頁型號ZJ-51M007BM007CM007DM007EM007FZJ-56ZJ-53BZJ-54D測量范圍Pa100.11000.1燈絲電流mA90-13090-13090-13090-13090-13090-13090-130283902熱絲冷阻71717171

18、7171719.519.51連接直徑mm連接法蘭15.50.5-15-DN25KF15.50.5-200.1-6-15.50.5-15.50.5-測量最大真空小于0.1 Pa電偶真空規(guī)管型號系列表資料4成都國光電氣股份有限公司第40頁/共56頁熱導真空計使用特點：特點1：通常它們是和絕對真空計平行測量而作出其刻度曲線的。它們的讀數與氣體種類有關，用空氣作的刻度曲線不能用于其他氣體。特點2：此兩種真空規(guī)結構簡單，使用方便可遠距離測量。第三節(jié) 真空的測定-真空規(guī)（3）熱導式真空計第41頁/共56頁第三節(jié) 真空的測定-（4）電 離 真 空 計-重要第42頁/共56頁43 3. 冷陰極電離真空規(guī)管外形

19、圖資料5成都國光電氣股份有限公司第43頁/共56頁（量程范圍為：110-3510-10托） 電離真空計誕生于1916年，由巴克利首先研制成功。以后不斷地改進，使其測量范圍達到1.31021.3105帕，變成了高真空區(qū)域廣泛使用的真空計。電 離 真 空 計第44頁/共56頁電 離 真 空 計 這種真空計可以遠距離測量，易于實現自動記錄及控制，由于有熾熱的燈絲，不適于測高氧含量氣體。第45頁/共56頁電離真空計有三種形式：熱陰極電離真空計冷陰極電離真空計放射性電離真空計。電 離 真 空 計種類第46頁/共56頁不同氣體稀薄狀況不同，引起氣體電離的情況有差異利用離子電流測量壓力。在氣體中如果有動能足

20、夠大的電子與氣體分子相碰撞，它可以從氣體分子中擊出一個或幾個電子使氣體分子成為正離子。把這種正離子收集到一個電極上使其產生離子電流，在稀薄氣體中，它與氣體壓力有關。電 離 真 空 計原理e氣體分子e2e2正離子電流（與氣體壓力有關）e2e2e第47頁/共56頁陰極(燈絲)：發(fā)射電子，被帶正電的加速極作用，以加速度運動，當電子的動能足夠大，在飛向加速極的路途中與管內低壓氣體分子碰撞，使氣體分子電離，產生電子和正離子，之后螺旋形柵極(加速極)：電子形成電流Ie圓筒形收集極（帶負電位）：形成離子電流Ii 。第48頁/共56頁陰極用以通電加熱發(fā)射電子；2009-3-3柵極帶正電勢，用以加速和捕獲電子；板極帶負電勢，用以排斥電子和捕獲正離子。電 離 真 空 計部件作用第49頁/共56頁式中，k為規(guī)管的靈敏度。由于用電離真空計測量壓力時，電子電流保持不變，故當壓力足夠低(低于10-1P