引言
真空技术已成为先进的科学技术之一，被广泛应用于工业生产、科学研究的各个领域。它与电子管真空工业、原子能、宇宙航行及空间科学研究、表面物理研究、微电子学等有着紧密地联系。真空技术的主要环节和基础是真空的获得，真空的测量及真空检漏等，通过本实验我们将对这些实验的方法和手段进行初步的学习和了解。
实验预习
1． 学习旋片式机械真空泵、油扩散泵的工作原理；
2． 了解真空的获得与测量实验系统及实验注意事项。 实验目的
1．通过低真空的获得，学习使用旋片式机械真空泵和测量低真空的热偶计。掌握测量容器的体积比。
2．通过高真空的获得，学习使用油扩散真空泵和测量高真空的电离真空计。
3．了解玻璃管和金属在高真空中的放气现象和去气方法。
4．通过制作放电管，掌握对放电管充气方法，观察放电管放电现象，并计算最佳放电时放电管内的气压差。 4．测量氦（或氖）放电管光谱，并进行光谱分析（选做）。
实验装置
一、真空系统
该实验装置由被抽真空的容器，旋片式机械真空泵和油扩散真空泵，测量真空度的热电偶真空计、电离真空计，不锈波纹钢管道和真空阀门所连成的一个整体系统称为真空系统。系统结构如图7-1-1所示。
TG1、芥川龙之介河童TG2——热偶真空规管，学知网 IG——电离真空规管；
钱德勒A、B、C——真空容器；
——油扩散泵蝶阀，、、、、、、、——角阀，——针形阀，
——电磁真空压差阀，——三通阀，、——两级压力调节器；
H——加热炉，——加热炉温度计
1．低真空系统。
该部分实验利用理想气体波义耳定律测量容器A和容器B的容积比。低真空通过旋片机械泵获取，连接在机械泵上的电磁阀在接通电源时将抽气口与被抽系统接通，停泵时，割断泵与被抽系统的连接，而与大气相通，防止机械泵返油。复合真空计的热电偶计TG1，用于监测系统真空状态，利用差压传感器I(24PCC)测量容器A、B充气后的压强，三通阀V12可以使差压传感器的C口通大气，也可以通容器B，分别用于传感器定标和测量系统压强。 2．高真空系统
高真空系统是利用前级的旋片式机械泵和后级的油扩散泵来获得容器C和放电管HeDT的高真空状态，然后对放电管充入Ne或He气，制造Ne或He放电管，并利用WDS光栅光谱仪测量放电管的光谱。
公共前级的旋片真空泵起前置抽低真空作用，可以用机械泵先把油扩散泵和系统抽到低真空。油扩散泵通过蝶阀V1与系统相通，机械泵则通过角阀V3连接到扩散泵，充当其前级泵。
该扩散泵使用水冷。
复合真空计的热电偶计TG2和电离计IG用于监测高真空系统的真空度。加热炉H可以对放电管加热去气。充气系统的气瓶中储存高纯Ne或He，V13为气瓶总阀，利用减压阀V14PL2303可以控制充到储气管中的气体压强和容量，再通过微调针阀V5的控制把气体充入到放电管中。充气后放电管中的气压可以通过传感器II(24PCC)测量。
用计算机自动控制的WDS光栅光谱仪可以测量放电管的光谱。
3．真空阀门
真空阀门在真空系统中起着改变气流方向或气体流量大小的作用。在实验中采用的是金属不锈钢真空阀门，主要有手动角阀、手动针阀、蝶阀和三通阀几种（如图7-1-2所示）
4．扩散硅压阻式差压传感器
差压传感器是压力传感器的一种。压力传感器是利用半导体材料（如单晶硅）的压阻效
应制成的器件。半导体材料因受力而产生应变时，由于载流子的浓度和迁移率的变化而导致电阻率发生变化的现象称为压阻效应。差压传感器的原理结构示意图和外形图如图7-1-3所示。
当在差压传感器的2、4两端加上一恒定电压Us后，在其1、3两端会输出一与压差中医治股骨头坏死P成线性关系的电压Up：
（7-1-1）
U0为压差为零时的输出电压，系数kP一般为一常数。差压传感器在使用时要先通过
定标确定U0和kP的数值，再利用上述公式进行测量。
本实验中使用的24PCC型差压传感器压力范围为15Psi（1Psi=6.895103Pa），其工作电源采用2mA恒流源，电压量程为225mV，灵敏度为15mV/Psi，线性度为1.0%。一只24PCC用于放电管内气压测量，另一只24PCC用于低真空实验测量。
5．辉光放电及放电管光谱
（1）辉光放电现象
气体的辉光放电意味部分气体分子开始分解为可以导电的离子与电子，即形成了等离子体。在如图7-1-4所示的与待抽真空容器相通的玻璃管内封入两个金属电极，就构成了气体
放电管，在放电管的两电极上加上数千伏特的直流高电压时，电子就会从阴极逸出并在电场中加速，运动的电子与管中气体原子发生非弹性碰撞时，气体原子就会电离，也会从基态跃迁到激发态，气体原子从激发态返回基态时就有光辐射产生。当真空度为102Pa左右时，气体或蒸气在电压较高(2000V左右)、电流较小(约几毫安)的条件下，放电管中出现的瑰丽的发光现象称为辉光放电。由于电子从阴极向阳极运动过程中，与气体原子非弹性碰撞失去能量后，要经过一段距离加速，才能发生下一次非弹性碰撞，因此，辉光放电的特征是在放电管中交替地出现亮区和暗区，如图7-1-4中所示，从阴极到阳极依次出现：①阿斯顿暗区、②阴极辉光区、③阴极暗区(克鲁克斯暗区)、④负辉光区、⑤法拉第暗区、⑥正辉光区、⑦阳极暗区、⑧阳极辉光区等八个发光强度不同的区域。不同区域内辉光的波长、亮度除了与电极材料、放电管的长度、放电电流强度、气体的种类有关外，还与真空度有关，真空度太低时，例如1个大气压时，电子的平均自由程很短而达不到阳极，就看不到辉光现象，真空度约为103Pa时，辉光开始出现。随着真空度的提高，辉光带越来越宽，达到102Pa左右时，正辉光区范围最大，负辉区最亮。当真空度达到10Pa左右时，正辉光区范围缩短，颜也发生变化，当真空度达1Pa左右时，辉光只见于两极，管壁由于电子轰击而出现与玻璃材料有关的荧光。当真空度超过0.1Pa时，放电和辉光都消失。因
此，通过对辉光放电现象的观察可以粗略地估计真空度。
（2）放电管光谱测量
放电管两端加上电压后，在电场的作用下，管中气体的原子、分子受到加速电子的碰撞发生激发和电离，气体原子获得能量由基态跃迁到高能的激发态，而处于高能激发态的原子一般是不稳定的，将发生自发辐射或受激辐射由高能激发态跃迁到低能态，能量以光子的形式放出，形成放电。
原子由高能态En向低能态Em跃迁时，辐射光的频率为：
（7-1-2）
其中，h为普朗克常数。
原子的能级跃迁满足一定的规律，即跃迁的选择定则，因此，原子发光的频率是一定的，即原子光谱是线状光谱。对于分子发光，由于分子内的电子跃迁时，分子振动及转动能也发生变化，频率展宽，形成带状光谱。此外气体放电辐射中，还会出现连续光谱。
气体的电导率为：
（7-1-3）
其中，n路政信息为电子密度，为气体分子热运动速率，为气体分子平均自由程。一定温度下，e2、me和为常数。可以看到，当外界条件发生变化时，明显会影响到n的变化，同时，当外加电压不同时，场强发生变化，载流子运动状态发生变化时，由于产生次级电子的条件变化，电导率数值也要发生变化，此外，由于气体压强的变化，会使得气体分子平均自由程也要跟着发生变化。因此，气体的放电与外界条件，如放电管管径，所加电压，气体压强都有密切关系。
图7-1-5 光栅光谱仪
光谱测量有多种方法，比较常用的是使用光栅光谱仪。目前，比较常用的是平面反射光栅，是在金属板或镀金属膜的玻璃上刻画齿状槽面（图7-1-4），当光入射到光栅平面上时，由于光的衍射原理，不同波长的光的主极强将出现在不同方位，光栅公式为：
（7-1-5）
长波衍射角大，短波衍射角小，含不同波长的复合光照射到光栅表面，除0级外，其他主极强的位置均不相同，这些主极强亮线就是谱线。各种波长的同一级谱线构成一套光谱。光栅光谱仪的显著特点是有许多级，每一级为一套光谱。
实验内容
一、低真空实验
1．检查真空实验装置，关闭所有阀门。打开冷却循环水，启动机械泵。
2．差压传感器定标：
自己设计定标方法和步骤，利用低真空系统定标差压传感器的和。
3． 测量容器A和容器B的容积比。
自己设计实验方法和步骤。根据理想气体波义耳定律计算出容器A、B的容积比（请自己推算出计算公式）。注意，近似取处于低真空状态时气压为0。重复测量3次。
4． 实验完毕，关闭角阀V8，停机械泵，打开充大气阀V7，让机械泵与大气接通。打开V9、V10、V11，三通阀V12阀杆向里推到终点，使差压传感器24PCC的C口与V12的F口相通。
二、高真空实验
1. 系统预抽低真空
打开冷却循环水，启动机械泵，打开角阀V3，先对油扩散泵抽低真空，打开真空计，当热偶计TG1测得前级真空度达到10Pa以下，扩散泵加热（注意已通水）。半小时后，关V3，开V2（预抽阀），开V4，V6；预抽容器C和放电管系统低真空（注：在扩散泵升温启动过程，V1是关闭的）。
2. 系统抽高真空
用热偶计TG2监测系统真空度。当真空度低于10Pa时，关闭预抽阀V2，打开前级阀V3，打开高真空蝶阀V1。整个真空系统抽高真空。当电离规管IG测得系统真空度优于5×10－3Pa后，再进行下面操作。
3. 系统去气及金属放气和吸气现象观察
当系统真空度低于1×10-3Pa时，将放电管加热，观察玻璃内壁和金属电极的放气现象，同时注意真空度的变化，即气体解吸（放气）现象。
（注：为了更加明显地观察解吸与吸附，还可借助一个电热吹风机，加热其他高真空表面来观察。注意烘烤结束后，不要马上将加热炉推开，以免玻璃放电管急冷而开裂。待达到极限真空后再推开）。
4. 观察放电管辉光放电现象及计算最佳放电时的压差
当系统真空度达到要求，可向放电管内充入工作气体（实验中一般用氦气He），注意充气时，必须关闭角阀V4、V6，气瓶总阀V13、减压阀V14及微调针阀V5不能同时开启。微调
针阀V5要逐渐开启，向放电管充He气。当见到放电管闪亮后又灭了，这是由于开通V5时，进入放电管的He气太多，处于过饱和，以致超过放电气压电离范围。为此需要打开V4，将放电管内He气抽走一些。见到放电管最佳放电状态时，马上迅速关闭V4（此过程可反复进行几次）。
当观察到放电管最佳辉光放电时，记录此时24PCA差压传感器II输出电压Up，根据公式（7-1-1）计算最佳放电时放电管内的气压差（一般为4～5mm汞柱）。
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