真空的獲得和測量

關(guān)于真空的獲得和測量第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月何謂真空環(huán)境？為什么需要獲得真空環(huán)境？如何劃分真空的級別？如何獲得真空？如何測量真空度？目錄第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月何謂真空環(huán)境？本指沒有任何實物粒子存在的空間，但什么都沒有的空間是不存在的。而假設(shè)你把一個空間的氣體都趕跑，會發(fā)現(xiàn)還是不時有基本粒子在真空中出現(xiàn)又消失，無中生有。物理上的真空實際上是一片不停波動的能量之海。當(dāng)能量達(dá)到波峰，能量轉(zhuǎn)化為一對對正反基本粒子，當(dāng)能量達(dá)到波谷，一對對正反基本粒子又相互湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。工業(yè)上的真空指的是氣壓比一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，

第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么需要獲得真空環(huán)境？生活中（食品的保存----防腐）（保溫瓶---隔熱）科研領(lǐng)域（樣品制備；性能測試------防氧化）第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月真空環(huán)境可粗略地分為：低真空>102Pa

中真空102~10-1Pa

高真空10-1~10-5Pa

超高真空<10-5Pa如何劃分真空的級別？第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月如何獲得真空？人們通常把能夠從密閉容器中排出氣體或使容器中的氣體分子數(shù)目不斷減少的設(shè)備稱為真空獲得設(shè)備或真空泵目前在真空技術(shù)中，采用各種不同的方法，已經(jīng)能夠獲得和測量從大氣壓力105Pa到10-13Pa，寬達(dá)18個數(shù)量級的壓力范圍第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月在真空獲得技術(shù)中，目前用以獲得真空的技術(shù)方法有兩種通過某此機構(gòu)的運動把氣體直接從密閉容器中排出通過物理、化學(xué)等方法將氣體分子吸附或冷凝在低溫表面上。利用這兩種方法所制造的各種真空泵種類較多，分類方法各異，但是，最常用的方法還是按泵的工作原理或其結(jié)構(gòu)特點加以分類第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體傳輸泵：氣體傳輸泵是一種能使氣體不斷的吸入和排出，借以達(dá)到抽氣目的的真空泵氣體捕集泵：這種泵是一種使氣體分子被吸附或凝結(jié)在泵的內(nèi)表面上，從而減小了容器內(nèi)的氣體分子數(shù)目而達(dá)到抽氣目的的真空泵真空泵的分類第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月變?nèi)菡婵毡檬抢帽们蝗莘e的周期性變化來完成吸氣和排氣過程的一種真空泵。氣體在排出前被壓縮動量傳輸泵這種泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續(xù)不斷地從泵的入口傳輸?shù)匠隹跉怏w傳輸泵的分類第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣體捕集泵的分類：吸氣劑離子泵：它是使被電離的氣體通過電磁場或電場的作用吸附在有吸氣材料的表面上，以達(dá)到抽氣的目的低溫泵：利用低溫表面捕集氣體的真空泵吸附泵：它主要依靠具有大表面的吸附劑（如多孔物質(zhì)）的物理吸附作用來抽氣的一種捕集式真空泵吸氣劑泵：它是一種利用吸氣劑以化學(xué)結(jié)合方式捕獲氣體的真空泵。吸氣劑通常是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式存在的金屬或合金第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月實際應(yīng)用中常用到的真空泵有哪幾種？旋片式機械真空泵羅茨真空泵油擴散泵渦輪分子泵低溫吸附泵濺射離子泵氣體輸運泵氣體捕集泵第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月旋片式機械真空泵工作原理：旋片泵主要由泵體、轉(zhuǎn)子、旋片、端蓋、彈簧等組成。在旋片泵的腔內(nèi)偏心地安裝一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外圓與泵腔內(nèi)表面相切（二者有很小的間隙），轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有帶彈簧的二個旋片。旋轉(zhuǎn)時，靠離心力和彈簧的張力使旋片頂端與泵腔的內(nèi)壁保持接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動旋片沿泵腔內(nèi)壁滑動。

第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月旋片式機械真空泵特點：其工作壓強范圍為101325-1.33×10-2（Pa）屬于低真空泵。它可以單獨使用，也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級泵。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠由于它以油作為密封物質(zhì)，因此它會造成油蒸氣的回流和對真空系統(tǒng)造成油的污染。第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月羅茨真空泵工作原理：在泵腔內(nèi)，有二個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行。

第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月羅茨泵的特點：在較寬的壓強范圍內(nèi)有較大的抽速；起動快，能立即工作；對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動小，轉(zhuǎn)子動平衡條件較好，沒有排氣閥；驅(qū)動功率小，機械摩擦損失小；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。贿\轉(zhuǎn)維護費用低壓力范圍為：0.1-1000Pa其極限真空度可以達(dá)到10-2Pa第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月油擴散泵工作原理：在前級真空泵所造成的低真空條件下，加熱泵內(nèi)硅油，使受熱沸騰蒸發(fā)，生成蒸氣，以極高速度通過該泵的各級噴口的縫隙噴出，使容器內(nèi)部的氣體分子擴散到蒸汽中被帶到前級真空泵所能作用的位置，由前級真空泵迅速抽出，使系統(tǒng)達(dá)到高真空的要求。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由于泵內(nèi)油蒸氣的回流會直接造成真空系統(tǒng)的油污染，因此在材料表面分析儀器和其他超高真空系統(tǒng)中一般不采用油擴散泵。其工作壓力范圍為1-10-6（Pa）不能直接與大氣相連，在使用油擴散泵之前需要采用各種形式的機械泵將系統(tǒng)預(yù)抽到1Pa左右。油擴散泵的特點：第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月渦輪分子泵工作原理：靠對氣體分子施加作用力，并使氣體分子向特定的方向運用的原理來工作。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片具有特定的形狀，在它以20000-30000r/min的高速旋轉(zhuǎn)時，葉片將動量傳給氣體分子。渦輪分子泵裝有很多級葉片，上一級葉片輸送過來的氣體分子又會受到下一級葉片的作用而被進一步壓縮至更下一級。

第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月分子泵輸送氣體應(yīng)滿足二個必要條件：

1).渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)下工作。因為當(dāng)將一定容積的容器中所含氣體的壓力降低時，其中氣體分子的平均自由程則隨之增加。在常壓下空氣分子的平均自由程只有0.06μm，即平均看一個氣體分子只要在空間運動0.06μm，就可能與第二個氣體分子相碰。而在1.3Pa時，分子間平均自由程可達(dá)4.4mm。若平均自由程增加到大于容器壁間的距離時，氣體分子與器壁的碰撞機會將大于氣體分子之間的碰撞機會。在分子流范圍內(nèi)，氣體分子的平均自由程長度遠(yuǎn)大于分子泵葉片之間的間距。當(dāng)器壁由不動的定子葉片與運動著的轉(zhuǎn)子葉片組成時，氣體分子就會較多地射向轉(zhuǎn)子和定子葉片，為形成氣體分子的定向運動打下基礎(chǔ)。

2).分子泵的轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動葉片相碰撞后改變隨機散射的特性而作定向運動。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月渦輪分子泵的特點：其對一般氣體分子的抽除極為有效。（例如對于氮氣，其壓縮比（即泵出口的壓力與入口的壓力之比）可以達(dá)到109。但是對于抽取原子序數(shù)氣體的能力較差，例如氫氣，其壓縮比僅為103左右。工作壓力范圍寬，在10-1

～10-8pa范圍內(nèi)具有穩(wěn)定抽速起動時間短，能抽除各種氣體和蒸氣分子泵適用于在要求清潔的高真空和超高真空的儀器及設(shè)備上使用。也可用來作為離子泵、升華泵、低溫泵等氣體捕集超高真空泵的前級預(yù)抽真空泵使用，這將獲得更低的極限壓力或更清潔的無碳?xì)浠衔锏恼婵盏?1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月低溫吸附泵工作原理：依靠氣體分子會在低溫條件下自發(fā)凝結(jié)或被其他物質(zhì)表面吸附的物理現(xiàn)象實現(xiàn)對于氣體分子的去除，進而獲得高真空的裝備第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月低溫吸附泵的特點：其極限真空度一般處于10-1-10-8Pa之間低溫吸附泵工作所需要的預(yù)真空應(yīng)達(dá)到10-1Pa以下，以減少吸附泵的負(fù)荷并在泵體內(nèi)積聚過厚的氣體凝聚產(chǎn)物。在低溫時平衡蒸氣壓較高的氣體不容易用低溫吸附泵來去除（例如H2，He和Ne）除了上述幾種氣體外，低溫吸附泵對各種氣體的抽速均很大運轉(zhuǎn)成本較高第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月濺射離子泵工作原理：靠高壓陰極發(fā)射出的高速電子與殘余氣體分子相互碰撞后引起氣體電離放電，而電離后的氣體分子在高速撞擊Ti陰極時又會濺射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因此它將以吸附和化學(xué)反應(yīng)的形式捕獲大量的氣體分子并使其在泵體內(nèi)沉積下來，從而在真空室內(nèi)造成無油的高真空環(huán)境。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月濺射離子泵的特點：其極限真空度可以到10-8Pa左右濺射離子泵的抽速對于不同的氣體是不同的。對于活性較大的氣體種類，濺射離子泵具有較大的抽速。比如，濺射離子泵對于H2的抽速是其對O2、H2O蒸汽或N2的抽速的數(shù)倍，而它對于后面幾種氣體的抽速又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對Ar的抽速。濺射離子泵所抽除的氣體分子不會在高溫下再釋放出來。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月如何測量真空度？需要首先指出一點，即由儀器測量出的真空度與真空室的實際真空度之間可能會由于溫度不同而存在誤差。當(dāng)測量點處溫度較高時，相應(yīng)測出的氣體壓力也將偏高。相反，當(dāng)測量點溫度偏低時，測量出的氣體壓力也將偏低。在氣體壓力較高，氣體的流動狀態(tài)接近或達(dá)到黏滯流狀態(tài)的情況下，上述溫度差別造成的測量誤差將趨近于零。這時，任何氣體壓力差都將由于氣體的迅速擴散和流動而趨于消失。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月真空測量用的元件常被稱為真空規(guī)熱偶真空規(guī)皮拉尼真空規(guī)電離真空規(guī)薄膜真空規(guī)熱偶規(guī)和皮拉尼規(guī)都是以氣體的熱導(dǎo)率隨氣體壓力的變化為基礎(chǔ)而設(shè)計的，它們是低真空時最常用的測量手段。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月熱偶真空規(guī)工作原理：在熱偶真空規(guī)中，在作為熱絲的Pt絲中通過恒定強度的電流。在達(dá)到熱平衡以后，電流提供的加熱功率與通過空間熱輻射、金屬絲熱傳導(dǎo)以及氣體分子熱傳導(dǎo)而損失的功率相等，因而熱絲的溫度將隨著真空度的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月在0.1-100Pa的壓力范圍內(nèi)，氣體的熱導(dǎo)率將隨著氣體壓力的增加而上升，因而熱絲的溫度會隨著氣體壓力的上升而降低。這時，用熱電偶的方法測出熱絲本身的溫度，也就相應(yīng)測出的環(huán)境的壓力。熱偶真空規(guī)不能用于較低或較高真空度的測量。在氣體壓力高于100Pa的情況下，氣體的熱導(dǎo)率將不再隨氣體壓力而顯著變化。這時，用熱絲溫度測量氣體壓力方法的靈敏程度將迅速下降。當(dāng)氣體壓力低于0.1Pa以后，由于氣體分子傳導(dǎo)走的熱量的總加熱功率中的比例過小，測量的靈敏度也將呈下降趨勢。第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月皮拉尼規(guī)有稱為熱阻式真空規(guī)，其工作原理與熱偶真空規(guī)相似，皮拉尼規(guī)以電橋的方式，通過測量熱絲的電阻隨溫度的變化來實現(xiàn)對真空度的測量。經(jīng)常與熱偶真空規(guī)結(jié)合使用的高真空規(guī)稱為電離真空規(guī)，它是在高真空范圍內(nèi)最常使用的測量工具。皮拉尼規(guī)第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由熱陰極發(fā)射出的電子將在飛向陽極的過程中碰撞氣體分子，并使后者發(fā)生電離。由離子收集極接收電離的離子，并根據(jù)離子電流強度的大小就可以測量出環(huán)境的真空度。由于離子電流強度的大小將取決于陰極發(fā)射的電子電流強度、氣體分子的碰撞截面以及氣體分子的密度等三個因素，因而在固定陰極發(fā)射電流和固定氣體種類的情況下，離子電流強度將直接取決于電離氣體的壓力。電離真空規(guī)第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月電離真空規(guī)可檢測的壓力下限受陰極發(fā)射的高能光子在離子收集極上產(chǎn)生的光電效應(yīng)所限制。這種效應(yīng)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于10-7Pa的真空度下的離子電流。第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜式真空規(guī)是一種依靠金屬薄膜在氣體壓力差作用下產(chǎn)生機械位移，從而可用于氣體絕對