摘要 真空技术在近代尖端科学技术中占有关键的地位,本实验要学习高真空的获得与测量方法,熟悉真空获得的相关设备和仪器,并掌握其使用方法,同时测量真空度随时间的变化。
引言 真空技术始于1634年,由托里拆利将一端密封的长玻璃管注满汞并倒置于盛有汞的槽里,发现汞柱顶端产生真空。自20世纪初起,随着电子管的研究和产生,逐步建立起了能够获得与测量压强低于Torr的高真空设备与技术;到20世纪50年代,随着表面物理,原子能物理,以及半导体、电子计算机、航空技术的迅速发展,发展了超高真空技术;到20世纪70年代,又进一步提高到压强低于Torr的极高真空。目前,真空技术在近代尖端科学技术中占有关键的地位。
里德海司实验原理
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。 1.高真空的获得
获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类:能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵(如机器泵),用来产生预备真空,需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵(如扩散泵),次级泵用来进一步提高真空度,获得高真空。
(1)机器泵一般采用油封转片式机器泵,其结构如图1 所示,在圆柱形气缸(定子)内有偏心圆柱作为转子,当转子绕轴转动时,其最上部与气缸内表面紧密接触,沿转子的直径装有两个滑动片(简称滑片),其间装有弹簧,使滑动片在转子转动时与气缸内表面紧密接触,当转子沿箭头所指方向转动时,就可以把被抽容器内的气体由进气管吸入而经过排气孔,排气阀排出机械泵。为了减少转动摩擦和防止漏气,排气阀及其下部的机械泵内部的空腔部分用密封油密封。机械泵用的密封油是一种矿物油,要求在机械泵的工作温度下有小的饱和蒸汽压和适当的粘度,机器泵的极限真空度一般在Pa。 (2)扩散泵一般多采用油扩散泵,其结构如图2 所示,扩散泵是高真空泵,当机器泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于6.0Pa气压下才能工作。因此,必须与初级泵串联使用。
在扩散泵开始工作之前,必须先开动机器泵抽气,等达到预备真空时,便可以使用电炉对蒸发器中的油进行加热。当油加热至沸腾时,便产生大量油蒸汽,蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出,此时,由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散,便被带到下方,而油蒸汽被冷凝水套凝结,沿着管壁经过回油管流回蒸发器,被带到下方的气体则由机器泵抽走。
使用扩散泵的时候必须注意:
1)与扩散泵配合的机械泵,它的抽气速率必须保证及时排走扩散泵内部所排出的气体。
2)扩散泵工作时冷却水必须畅通,否则会使冷凝水套中的水温过高,油蒸汽不能很好的凝结,以致部分蒸汽要冲向被抽容器,影响泵的抽气速率和极限真空度。
3)加热电炉的功率大小也是影响泵的抽气速率,所以应选择适合的电炉。
2.真空的测量
真空计是测量真空系统中气体压强的仪器,种类很多。各种真空计都有一个测量范围,将有范围覆盖的各种真空计组合起来,完成大范围的真空度测量。 (1)温差电偶真空计的原理
温差电偶真空规管由玻璃制成,通过小管 8 和真空系统相接,如图3 所示,在规管内的两根引线上装有热丝3,另外两根引线上焊着一对温差电偶4,温差电偶的另一端与热丝在A 点焊接。由于在低压下,气体的热传导系数与压强成正比,所以在通过热丝的电流一定的条件下,热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高,温差电偶电动势也就随之而增大。因此,通过测量温差电偶电动势,就可确定出被测系统的真空度,温差电偶真空计就是根据这个原理制成的。温差电偶真空计的电离真空计的测量范围为: Pa。
(2)热阴极电离真空计的原理
最简单的热阴极电离真空规管就是一只三极管,如图4 所示,通过B 管与真空系统相接,使用时,在灯丝电路中通以电流,灯丝受热后便发射电子,由于栅极加上正电压,便吸引电子使电子加速,中途与气体分子相碰,气体的密度越大,碰撞机会越大,产生的正离子也越多。另外,由于板极电压为负,便吸引正离子在板极电路中形成板极电流Ip,气体分子密度越大(即压强越大),板极电流也越大。所以,通过测量板极电流便可以确定气体的压强,热阴极电离真空计就是根据这个原理制成的。热阴极电离真空计是测量极高真空的仪器,测量范围为Pa。
3.真空检漏
在真空系统初步装置完成以后,就要检查是否漏气,漏气可能发生在接口部位处,也可能发生在管道或者真空泵本身。一般讲,系统在较长时间内达不到预定的真空度的时候,就要进行检漏。玻璃真空系统的检漏,常用高频火花检漏器来检查,其结构如图5所示。T1 为电源的升压变压器,输出300V 高压,使电容器C1、C2 充电,当电容器两端电压升到足够高时,就通过火花间隙G 放电,在C1L1C2G 回路中产生高频高压使附近空气电离,而
激起很强的放电现象。
在检查漏气时,先接通电源,让检漏端接在玻璃壁附近(离开约0.5—1cm)来回移动,当检漏端接近不漏气的部位时,检漏端产生的火花束在玻璃表面上不规则的跳动,如图6(越南京族a)所示,当检漏端接近漏气部位时,则分散的火花立即变为一束很细很亮的火花,对准漏气处向系统里钻。如图6(b)所示的情况,在检漏的时候应该注意不要把检漏端在一个地点停留过久,否则容易造成新漏洞。
有时也可用涂擦酒精、汽油的方法检查漏气部位,当涂抹酒精、汽油的部位漏气时,电离计的指针会立即偏转,此时若用高频火花检漏计检查,系统内会出现淡蓝的辉光。当知道漏气的部位后,有火焰封接或用真空封蜡封闭即可。
实验步骤:
首先检查各活栓都在“关”的位置,复合真空计的开关在起始位置,机械泵的油面在规定标线处。
1.低真空的获得与测量
(1)打开低真空阀门,开动机械泵。
(2)接通复合真空计的总电源,接通并预热温差电偶真空计,用温差电偶真空计测量系统的真空度,同时记录数值。
2.高真空的获得与测量
(1)当真空系统的压强到6.0Pa 以下时,关闭低真空阀门。接通油扩散泵的冷却水,接通加热电源,预热油扩散泵40分钟。打开高真空阀门,对真空室进行抽气。
(2)当温差电偶真空计显示的系统的压强达到Pa 时,打开电离真空计电源,使用电离真空计继续进行测量。
sdf(3)结束实验时,首先断开电离真空计和复合真空计的总电源开关,然后断开扩散泵的加热电源,关闭机械泵,待冷却一段时间后,关闭冷却水。
数据处理:
压强 | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.08 |
时间 | 6.98 | 18.75 | 34.52 | 48.57 | 84.55 | 99.98 |
压强厦门槟榔小学 | 0.06 | 0.05 | 0.04 | 0.035 | 0.03 | 0.025 |
时间 | 125.97 | 146.58 | 174.76 | 195.18 | 223.59 | 263.34 |
压强 | 0.024 | 0.022 浙江同志网 | 0.02 | 0.018 | 0.017 | 0.016 |
时间 | 278.78 | 303.49 | 331.78 | 371.73 | 388.34 | 416.73 |
甘胆酸 压强 | 0.015 | 0.014 | 0.013 | 0.012 | 0.011 | 0.01 |
时间 | 443.73 | 480.01 | 536.73 | 597.63 | 688.18 | 747.41 |
压强 | 0.009 | 0.008 | | | | |
时间 | 790.32 | 881.36 | | | | |
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实验总结:
由上图可知,压强的变化率随时间的变化而减小。当机械泵对真空室抽气后,真气室内空气逐渐稀薄,机械泵对空气抽取的量减少,是压强的减小率减小。当使用油扩散泵后,由
于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散,便被带到下方,而油蒸汽被冷凝水套凝结,沿着管壁经过回油管流回蒸发器,被带到下方的气体则由机器泵抽走,真空室内的压强进一步降低。真空室内气体更加稀薄时,压强的变化率变得更加小。