真空技術(shù)及真空計量基本知識

1、北京金晶智慧太陽能材料有限公司 工程玻璃事業(yè)部 第二章 真空計量基本知識第二章 真空計量基本知識一、真空1.1 真空、理想氣體狀態(tài)方程、氣體分子的熱運動地球的周圍有一層厚厚的空氣，稱為大氣，人類就生活在這些大氣中?？諝庥幸欢ǖ馁|(zhì)量，在通常狀況下，大約為1.29g/l，可以說是很輕的。但地球周圍的空氣非常密，在幾十公里以上的高空還有空氣存在，這么厚的一層空氣受地球引力作用，就會對地面上的一切物體產(chǎn)生壓力，這就是大氣壓。早在17世紀，托里拆利就通過實驗證實了大氣壓強的大小。通常一個標準大氣壓約等于0.1MPa，相當于760mm左右的汞柱所產(chǎn)生的壓強。真空是指低于一個大氣壓的氣體空間，但不可理解為什

2、么都沒有。真空是同正常的大氣相比，是比較稀薄的氣體狀態(tài)。按照阿佛加德羅定律1mol任何氣體在標準狀況下，有6.022×1023個分子，占據(jù)22.4L的體積。由此我們得到標準狀態(tài)下氣體分子的密度為。在非標準狀況下，當氣體處于平衡時，滿足描述理想氣體的狀態(tài)方程。式中的N為氣體的摩爾數(shù)，P為壓力（Pa）,T熱力學溫度，為波爾茲曼常數(shù)，=1.38×10-23J/K。因此在非標準狀況下，氣體分子數(shù)密度與壓力和溫度有關(guān)。每立方厘米中的氣體分子數(shù)可以表示為：式中n為氣體分子數(shù)密度（cm-3），由此可見，即便在這樣很高的真空度時，T=293K時，每立方厘米的空間中仍有數(shù)百個氣體分子。因此所

3、謂真空是相對的，絕對的真空是不存在的。同時我們也可知，氣體分子數(shù)密度在溫度不變時，與壓力成正比。因此，真空度可用壓力來表示也是以此為理論依據(jù)。在真空抽氣過程中，一般可認為是等溫的，我們說容器中的壓力降低了或氣體分子數(shù)密度減少了都是正確的。1.2 氣體分子的熱運動從微觀的角度看，氣體是由分子組成的，所有分子都處在不斷的、無規(guī)則的運動狀態(tài)。分子的這種運動與溫度有關(guān)，因此我們稱之為熱運動。做無規(guī)則運動的氣體速度不都具有相同的值，而是形成一個各種速度的速度分布，具有最大速度和最小速度的分子數(shù)都比較少，而具有“中等”速度的分子數(shù)比較多，速度的分布是有規(guī)律的。容器中的氣體，施于器壁或測量元件的壓力，是大量

4、氣體分子不斷對他們進行碰撞的結(jié)果。我們知道，所有氣體分子都在以各種可能的速度和方向無規(guī)則的運動著，隨時都有一部分分子碰撞到器壁或測量元件上，并把它們的動量傳遞給被碰撞的物體，對于一個分子來講，它每次碰撞在什么地方，有多大的動量都是偶然的，不確定的。但對于容器中的大量分子而言，每時每刻都有許多分子碰撞到器壁和測量元件上，按照統(tǒng)計規(guī)律，這種碰撞是恒定的、持續(xù)的、確定的，從宏觀上表現(xiàn)出來的，就是壓力。因此從分子運動的觀點看，氣體壓力是由于大量氣體分子做無規(guī)則的熱運動，對物體表面施加碰撞的統(tǒng)計平均結(jié)果。1.3 真空的特點在低于大氣壓力的稀薄氣體中，氣體所顯示的第一個特點是氣體分子數(shù)目的減少,即單位體積

5、內(nèi)所具有的分子數(shù)目的減小.低壓氣態(tài)空間所顯示的第二個特點是隨著分子數(shù)目的減少,分子間、分子與器壁之間相互的碰撞次數(shù)也逐漸的減少下來。隨大氣壓力降低，每秒種內(nèi)碰撞到每平方厘米表面積上去的分子數(shù)是在不斷減少的。低氣壓狀態(tài)中，氣體的第三個特點是氣體分子熱運動自由程的增大。所謂自由程，是指一個氣體分子在其熱運動過程中，彼此之間不斷發(fā)生碰撞，一個分子與其它分子每連續(xù)兩次碰撞之間所走的路程。由于分子運動速度不同，運動情況不同，單獨討論某一個分子的自由程是無意義的，因此通常采用平均自由程的概念，它定義為相當多的不同自由程的平均值。平均自由程也只有統(tǒng)計的概念。理論和實驗表明，氣體分子的平均自由程可以用下式表示

6、其中為分子直徑，p為壓強，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。二、真空的度量根據(jù)上面的討論，我們可以看出，在真空中氣體分子數(shù)目、氣體分子間相互碰撞次數(shù)及氣體分子碰撞到空間任何物體表面上去的次數(shù)都有著明顯的減少。隨著氣態(tài)空間分子數(shù)的減少，即出現(xiàn)了真空度不斷提高的過程。所謂真空度，就是空間中氣態(tài)物質(zhì)的稀薄程度。氣體的壓力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低壓力與高真空或高壓力與低真空，在含義上是完全相同的。在真空技術(shù)中由于真空度和壓強有關(guān)，所以真空度的度量單位是用壓強來表示。壓強所采用的法定計量單位是帕斯卡（Pascal），簡稱帕，是目前國際上推薦使用的國際單位制。我國采用國際單位制。19

7、58年，第一屆國際技術(shù)會議曾建議采用“托”(Torr)作為測量真空度的單位。托（Torr）是最初獲得真空時被采用的真空技術(shù)中的獨特單位，實際上也是1mmHg柱所產(chǎn)生的壓強。兩者的關(guān)系為1Torr=133.322Pa=1mmHg。還有一種壓強的計量單位是巴(bar), 1 bar =105 Pa ，它的常用單位是毫巴(mbar)，1mbar=10-3bar=100Pa，這也是我們鍍膜線控制界面所用的壓強單位。三、真空的劃分有了度量真空度的單位，就可以定量表示真空度的高低了。但在習慣上，人們只需要指出真空狀態(tài)的大致情況時，采用劃分真空區(qū)域的方法是比較方便的。根據(jù)我國制定的國標，真空區(qū)域大致劃分如下

8、：低真空區(qū)域 105-102Pa （760-1托）中真空區(qū)域 102-10-1Pa （1-10-3托）高真空區(qū)域 10-1-10-5Pa （10-3-10-7托）超高真空區(qū)域 10-5Pa （10-7托）3.1 低真空區(qū)域在低真空情況下，氣體分子的平均自由程小于10-4cm，分子數(shù)密度還很高，在容器壁上經(jīng)常保留著一個被吸附的氣體層，容器內(nèi)部氣體分子由于不斷與其它分子發(fā)生碰撞，所以運動軌跡是一個平均自由程遠小于容器尺寸的空間折線。如圖1示。圖1 低真空下氣體分子的運動軌跡<<d 圖2 低真空下蒸汽分子的運動軌跡此時如果容器內(nèi)部存在一個蒸發(fā)源，例如用電熱杯加熱一小杯水，由于氣體分子數(shù)密

9、度高，在水蒸氣分子不斷離開水面又會不斷被碰撞返回水面，所以蒸發(fā)速度慢。另一方面，離開水面的蒸汽分子由于與其他氣體分子碰撞，完全破壞了剛離開水面時的方向，而是通過雜亂無章的空間折線做隨機運動，如圖2示。任何蒸汽分子都可能凝結(jié)在容器壁或屏的任何一面，不會由于屏的存在而在容器上部壁上出現(xiàn)“分子陰影”。因此真空鍍膜不能工作在粗真空范圍，否則，就會在真空鍍膜機腔內(nèi)及被鍍件的所有表面上出現(xiàn)膜層。在低真空情況下，氣體傳導熱量的能力與壓力無關(guān)。低真空情況下氣體傳導熱的過程主要是靠氣體分子間的相互碰撞，動能高的氣體分子通過碰撞把熱能傳遞給動能低的分子以完成熱量的傳遞。若壓力高，分子數(shù)密度大，分子平均自由程小，反

10、之，壓力低，分子數(shù)密度小，平均自由程增加，二者相互關(guān)聯(lián)，使得在粗真空范圍內(nèi)氣體的熱傳導能力并不隨著壓力的降低而提高。在低真空條件下，分子自由程小，氣體可視為連續(xù)介質(zhì)，氣流通過管道時，流層間存在摩擦阻力，因此流速沿半徑方向會均勻減小，中間最大，而貼近管壁處由于壁對氣體的粘著作用，使流速為零。從分子運動的觀點看，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是氣體分子具有傳遞動量的能力。氣體隨氣流做定向運動時具有一定的動量，由于分子數(shù)密度很高，這些分子同時還要在各個方向上做無規(guī)則熱運動，碰撞與之相鄰的氣體分子，把它們的一部分動量傳遞給這些分子，這樣互相碰撞傳遞動量的結(jié)果，形成如上所述的速度分布。氣體的這種傳遞動量或內(nèi)部各層之

11、間交換動量的現(xiàn)象稱為氣體的粘滯性和內(nèi)摩擦。上述氣體分子的平均自由程小于管道最小截面尺寸的流動狀態(tài)就稱為粘滯流。低真空下氣體的流動主要表現(xiàn)為粘滯流。3.2 中真空區(qū)域在中真空區(qū)域內(nèi)，隨真空度由低到高，分子的平均自由程從10-4cm到10cm，變得可與容器尺寸相比擬。所以中真空情況下，容器壁上吸附的氣體層比低真空容易脫離器壁。中真空環(huán)境中液體的蒸發(fā)也要比低真空快很多。在中真空狀態(tài)下，隨著氣壓的降低，平均自由程的增加就開始不足以補償分子數(shù)減少造成的影響，出現(xiàn)了熱傳導能力與壓力有關(guān)的現(xiàn)象，在一定范圍內(nèi)，熱傳導能力與氣體壓力成正比。根據(jù)這一特點，制成了熱傳導式真空計。在中真空下，分子的平均自由程可以與容

12、器的尺寸相比擬，但分子之間還存在較多碰撞，氣體的流動既不是粘滯流，也不是分子流，而是介于粘滯流和分子之間的一種中間流狀態(tài)。3.3 高真空區(qū)域在高真空情況下，氣體分子的平均自由程一般在10cm以上，這就是說，在一個容器內(nèi)部，做熱運動的氣體分子之間已幾乎不發(fā)生碰撞。它們只與容器壁發(fā)生碰撞，在容器壁間作折線運動。如圖3示。圖3高真空時氣體分子的熱運動路徑 圖4高真空時蒸汽分子的直線軌跡>>d在高真空情況下，由于離開器壁的分子不能與其它分子碰撞返回器壁表面，所以器壁上，至少是大部分器壁上已不能保留布滿氣體分子的吸附層。在高真空情況下，如果真空容器的內(nèi)部存在一個蒸發(fā)源，例如真空鍍膜的蒸鍍物質(zhì)

13、，由于蒸發(fā)的原子不可能因與其它分子碰撞而返回蒸發(fā)源，所以蒸發(fā)速度可以達到該溫度下的最大值。另外，從蒸發(fā)源飛離的蒸發(fā)原子，將不改變方向，一直碰到器壁或屏上，并凝結(jié)在那里。冷凝的蒸鍍層只在屏朝向蒸發(fā)源的那一面和器壁不被遮擋的部分出現(xiàn)，如圖4所示。如同蒸發(fā)源是一個點光源一樣。這就是真空鍍膜的基礎(chǔ)。在高真空情況下，氣體的熱傳導能力與壓力有關(guān)，壓力越低，熱傳導能力越差。絕熱性能越高。這是因為壓力越低，載熱分子數(shù)越少的緣故。像杜瓦斯、保溫瓶等都是利用了這一原理。四、蒸汽所謂蒸汽（又稱可凝性氣體），是相對于永久氣體（或稱非可凝性氣體）而言的。對于任何一種氣體，都存在著一個臨界溫度，在臨界溫度以上的氣體，不能

14、通過等溫壓縮發(fā)生液化，稱為永久氣體；而在臨界溫度以下的氣體，靠單純增加壓力即能使其液化，便是蒸汽?？臻g中的蒸汽分子返回到液體內(nèi)去的過程叫凝結(jié)。凝結(jié)的逆過程，即液體分子飛到空間變成蒸汽的現(xiàn)象，叫蒸發(fā)。單位時間通過單位面積液面蒸發(fā)的質(zhì)量叫蒸發(fā)率，單位是kg/(m2·s)。在汽、液共存的條件下，蒸發(fā)和凝結(jié)現(xiàn)象同時存在，若蒸發(fā)率大于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為液體的蒸發(fā)；若蒸發(fā)率小于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為蒸汽的凝結(jié)；二者相等時，則處于飽和狀態(tài)，此時空間蒸汽的壓力稱為對應溫度下的飽和蒸汽壓PS。物質(zhì)的飽和蒸汽壓PS隨著溫度升高而增大。在真空工程中，在蒸汽沒有達到飽和之前可以使用理想氣體定律和公式來描

15、述蒸汽的性質(zhì)；而蒸汽一旦達到飽和，理想氣體定律不再適用，氣體的飽和蒸汽壓PS只與溫度有關(guān)，在特定溫度下是一個定值。只要保持溫度恒定，飽和蒸汽壓就不會改變，容積減小，將有一部分蒸汽分子凝結(jié)成液體；反之增大容積，又會有一部分液體變?yōu)闅怏w。飽和蒸汽受壓縮時發(fā)生液化這一性質(zhì)常給變?nèi)菔秸婵毡玫某闅鈳砝щy，最突出的就是水蒸汽的抽除問題。以最常見的旋片泵為例，如果吸入的氣體中水蒸汽的比例較大，在水蒸汽和永久氣體被壓縮達到排氣壓力之前，水蒸汽的分壓力已經(jīng)達到飽和蒸汽壓，那么繼續(xù)壓縮的過程中，就會有一部分水蒸汽發(fā)生液化而混入泵油中，無法排出泵外，并且回到膨脹腔后還會在低壓下重新汽化成蒸汽，增大吸氣側(cè)的水蒸汽比

16、例和壓力，導致泵的抽氣能力和極限真空的下降。解決這一問題的一個傳統(tǒng)方法是加氣鎮(zhèn)，即向壓縮腔內(nèi)充入永久氣體成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在達到飽和前便被排出。水蒸汽的存在也會影響到壓縮式真空計的精確使用。測量讀數(shù)時，如果測量管內(nèi)經(jīng)過壓縮的氣體中，水蒸汽的分壓力低于當時飽和蒸汽壓，那么讀數(shù)顯示的是水蒸汽和永久氣體的壓力；若水蒸汽已經(jīng)達到飽和發(fā)生液化，那么讀數(shù)會比永久氣體的分壓力高一些，無法得到準確的數(shù)據(jù)。為消除水蒸汽對測量的干擾，常在麥氏計上安裝一個低溫冷阱，這樣測得的就只是永久氣體的分壓力。 液體（或固體）在真空中蒸發(fā)（或升華）變成蒸汽時需要吸收熱量，稱為汽化熱。這種現(xiàn)象有時也會給真空操作帶來

17、問題，比如在大型真空裝置中積存一些水，抽真空后一部分水蒸發(fā)成蒸汽排除，而這部分水吸收汽化熱使其余的水降溫直至結(jié)冰，余下的水就只能以升華的方式緩慢蒸發(fā)，從而會延長抽真空的時間。五、氣體吸附氣體或蒸汽被固體表面浮獲而附著在表面上,形成單層或多層氣體分子層的現(xiàn)象叫做吸附。發(fā)生吸附作用的原因是由于固體表面存在著力場。根據(jù)吸附力的不同,氣體吸附可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是氣體分子受范德瓦爾斯力的吸引作用而附著在吸附劑表面之上,其特點是吸附較弱,吸附熱較小,吸附不穩(wěn)定,較易脫附,但對吸附的氣體一般無選擇性,溫度越低吸附量越大,能形成多層吸附,分子篩吸附泵和低溫泵的吸氣作用就屬于物理吸附?；瘜W吸附是

18、靠固體表面原子與氣體分子間形成吸附化學鍵來實現(xiàn)的,與發(fā)生化學反應相類似,同物理吸附相比,化學吸附的特點是吸附強,吸附熱大,穩(wěn)定不易脫附,吸附有選擇性,溫度較高時發(fā)生化學吸附的氣體分子增多,只能緊貼表面形成單層吸附(在化學吸附的分子上面還能形成物理吸附),濺射離子泵和電子管中吸氣劑的吸氣作用就包括化學吸附。氣體吸附的逆過程,即被吸附的氣體或蒸汽從表面釋放出來重新回到空間的過程,稱為脫附或解吸。解吸現(xiàn)象可以是自然發(fā)生的,也可以是人為加速的。自然解吸有兩種情況,一是從宏觀平均地看,每個吸附氣體分子在表面停留一段時間后,都要發(fā)生脫附飛回空間,這時也會有其它氣體分子發(fā)生新的吸附,在氣體溫度壓力一定的條件

19、下,吸附速率與脫附速率相等,表面上的氣體吸附量維持恒定;另一種情況是在抽真空的過程中,空間氣體壓力不斷降低,表面上脫附速率大于吸附速率,氣體吸附量逐漸減少,氣體從表面上緩緩放出,這種現(xiàn)象在真空中叫做材料的放氣或出氣。工程中最關(guān)心的問題是表面上的氣體吸附總量和抽真空時表面的放氣速率,但至今還沒有很準確通用的計算方法,只能從實驗經(jīng)驗中總結(jié)出:在低真空階段,表面吸附及表面放氣與空間氣體相比,數(shù)量很小,其影響可以忽略不計;在中真空階段,表面放氣量已接近空間氣體量,對二者應同樣重視;進入高真空乃至超高真空階段,表面放氣(不計系統(tǒng)漏氣時)已成為主要氣體負荷,放氣的快慢直接影響著抽空時間。通過人為的手段有意

20、識地促進氣體解吸現(xiàn)象的發(fā)生,在真空技術(shù)中叫做去氣或除氣.人工去氣可以縮短系統(tǒng)達到極限真空的時間;可以獲得沒有氣體分子遮蓋的清潔表面。加熱烘烤去氣方法通過提高吸氣表面的溫度,增加分子熱運動能量來促進解吸,邊加熱邊排氣,常用于超高真空系統(tǒng)容器內(nèi)表面及內(nèi)部構(gòu)件的去氣和真空電子器件內(nèi)燈絲等內(nèi)部金屬元件的去氣；離子轟擊去氣方法一般是在空間形成氣體放電,產(chǎn)生離子體區(qū),高能離子轟擊待清洗的固體表面,產(chǎn)生氣體濺射,使吸附氣體發(fā)生脫附,這是一種相當有效、簡捷迅速的除氣手段,在薄膜技術(shù)、表面科學等有氣體放電條件或有離子源的設(shè)備中廣泛采用。六、真空的獲得真空技術(shù)在不同領(lǐng)域中應用，對真空度的要求各不相同，在實踐中，人

21、們根據(jù)不同需要研制了各式各樣的真空泵或抽氣方法，它們形狀不同，原理各異。目前用以獲得真空的技術(shù)方法有兩種：一種是通過某些機械的運動把氣體直接從密閉容器中排出；另一種是通過物理、化學等方法將氣體分子吸附或冷凝在低溫表面上。圖5 各種真空泵的工作范圍圖5給出了各種原理的真空泵的工作范圍。真空系統(tǒng)除了真空泵以外，還有被抽容器、連接件、閥門、導管等。在真空泵啟動之前，假設(shè)整個真空系統(tǒng)沒有漏氣的部位，內(nèi)部也不存在放氣源，抽氣系統(tǒng)中壓力處處相等，氣體不存在宏觀流動。啟動真空泵，真空泵處的壓力首先降低，氣體開始沿著從容器導管真空泵的方向流動，隨著氣體的不斷被抽出，系統(tǒng)中的壓力不斷降低，在工作相當長的時間后，

22、容器、管道和真空泵入口處的壓力逐漸趨于平衡并達到一個極限值，達到這種狀態(tài)后，不管真空泵再繼續(xù)工作多長時間，也不可能提高系統(tǒng)的真空度，此時達到了該真空泵所能達到的極限值。由于極限值的存在，至今還沒有一種泵能直接從大氣壓一直工作到超高真空。因此，為了獲得高真空，通常采用幾種泵組合起來使用。根據(jù)真空泵在真空系統(tǒng)中所承擔的工作任務，我們可以分為：粗抽泵：從大氣開始降低系統(tǒng)的壓力到另一抽氣系統(tǒng)開始工作的真空泵。前級真空泵：用于維持另一個泵的前級壓強在其最高許可的前級壓強以下的真空泵。主泵：在真空系統(tǒng)中，用來獲得所要求的真空度的真空泵。增壓泵：工作在低真空泵和高真空泵之間，用以提高抽氣系統(tǒng)在中間壓強范圍的

23、抽氣量或降低前級泵抽氣速率要求的真空泵。根據(jù)真空泵的工作范圍，還可以把真空泵分為：粗（低）真空泵：粗、低真空泵是指從大氣開始，降低被抽容器的壓強后工作在低真空或粗真空壓強范圍內(nèi)的真空泵。高真空泵：真空泵是指在高真空范圍工作的真空泵。超高真空泵：高真空泵是指在超高真空范圍工作的真空泵。真空泵的主要參數(shù)包括如下幾個：極限壓強：極限壓強又稱極限真空，它是指泵在入口處裝有標準試驗罩，并按規(guī)定條件工作，無其它引入氣體并正常工作的情況下，趨向穩(wěn)定的最低壓強。抽氣速率：抽氣速率一般用符號S表示，單位是m3/s（秒）或l/s（秒），抽氣速率是指泵裝有標準試驗罩，并按規(guī)定條件工作時，從試驗罩流過的氣體流量與在試

24、驗罩指定位置（通常是泵口出）測得的平衡壓強之比。簡稱泵的抽速。S=QG/P起動壓強：泵在無損壞起動并有抽氣作用時的壓強。啟動壓強是一個重要參量，使用真空泵時必須在低于啟動壓強時才能啟動，否則會造成無可挽回的損失。例如機械泵，在大氣壓下可以正常啟動，但擴散泵就必須低于啟動壓強時才能啟動。前級壓強：排氣壓強低于一個大氣壓的真空泵的出口壓強，單位是Pa。臨界前級壓強：擴散泵等所許可的最高前級壓強，超過了此值將導致泵損壞。 了解泵的臨界前級壓強對設(shè)計真空系統(tǒng)，合理選擇前級泵是十分重要的。如果前級泵無法保證入口管道中的壓強低于與其串聯(lián)的主真空泵的臨界前級壓力，主真空泵就不能正常工作，甚至造成損壞。真空泵

25、是一個真空系統(tǒng)獲得真空的關(guān)鍵。下面根據(jù)工作原理的不同我們主要介紹如下幾種真空泵：6.1 機械泵（旋片泵）獲得低真空常采用機械泵，機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。 如圖6(1)所示，旋片式機械泵通常由定子、偏心轉(zhuǎn)子、旋片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。定子為一圓柱形空腔，空腔上連接進氣管和出氣閥門，轉(zhuǎn)子頂端保持于定子的圓柱空腔內(nèi)切位置上。轉(zhuǎn)子上開有槽，槽內(nèi)安放了由彈簧連接的兩個旋片。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，兩旋片的頂端始終緊壓在定子空腔的內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是由馬達帶動的，整個空腔置于油箱中，油起到密切、潤滑和冷卻的作用。圖 6-1旋片泵結(jié)構(gòu)圖 圖6-2旋片

26、泵的工作原理圖圖6-2是旋片泵的工作原理圖。當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動到A旋片通過進氣口（圖6-2-1）時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，A旋片與進氣管相連的區(qū)域不斷擴大，而氣體就不斷地被吸入。當?shù)竭_圖b位置時，吸氣區(qū)域達到最大。旋片繼續(xù)運動，轉(zhuǎn)子達到一定位置時，B旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開，并將氣體不斷壓縮，直到壓強增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，之后進入下一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動使氣體不斷地從被抽容器中抽出。旋片式機械泵可以直接在大氣壓下開始工作，其極限真空度可達1.33×10-2Pa。旋片式機械泵的極限壓強主要取決于：1、定子空間中兩空腔間的密封性

27、，因為其中一空間為大氣壓，另一空間為極限壓強，密封不好將直接影響極限壓強；2、排氣口附近有一死角空間，旋片移動時它，此空間不可能趨于無限小，因此不能有足夠的壓力去頂開排氣閥門；3、泵腔內(nèi)密封油存在一定的蒸汽壓。旋片式機械泵使用時必須注意以下幾點：1、啟動前先檢查油槽中的油液面是否達到規(guī)定的要求，機械泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與泵的規(guī)定方向是否符合（否則會把泵油壓入真空）。2、機械泵停止工作時要立即讓進氣口與大氣相通，以清除泵內(nèi)外的壓差，防止大氣通過縫隙把泵內(nèi)的油緩緩地從進氣口倒壓進被抽容器（“回油”現(xiàn)象）。3、泵不宜長時間抽大氣，否則因長時間大負荷工作會使泵體和電動機受損。6.2 分子泵當氣體分子碰撞到高

28、速移動的固體表面時，一般不作彈性反射，而是在表面停留很短的時間，然后在離開表面時將獲得與固體表面速率相近的相對切向速率，這就是動量傳輸作用。渦輪分子泵就是利用這一現(xiàn)象而制成的。即它是靠高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子碰撞氣體分子并把它驅(qū)向排氣口，由前級泵抽走，而使被抽容器獲得高真空的一種機械分子泵。圖7 渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖右圖7是渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖。它的工作原理是基于葉輪轉(zhuǎn)子上的葉片和定子圓盤上的槽縫相互組合形成特定的形狀，當葉輪轉(zhuǎn)動時，從進氣口一側(cè)擴散進入泵腔中的氣體分子有較大的幾率運動向出氣口一側(cè)，從而實現(xiàn)抽氣的功能。在圖7中轉(zhuǎn)子軸上安裝了許多斜開縫的圓盤（構(gòu)成葉輪），在這些轉(zhuǎn)子圓盤之間對應的是定子

29、圓盤，定子圓盤上也開有斜縫，斜縫的方向與轉(zhuǎn)子上的斜縫相反，當轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，氣體分子從上部進氣口進入，在轉(zhuǎn)子和定子的作用下，分成兩股，向左或向右被壓縮到靠近泵軸的兩端，匯集至下部出口，被前級真空泵抽走。由于分子泵是工作在氣體分子流狀態(tài)下，它要求有一定的前級壓強，一般在10-1Pa左右，因此分子泵工作需要加前級真空泵。普通機械泵的極限壓強可以滿足分子泵前級壓強的要求，因此工作時把分子泵和機械泵串聯(lián)使用，使分子泵的出口接到機械泵的入口，首先啟動機械泵，達到分子泵要求的前級真空后再啟動分子泵，就可以實現(xiàn)高真空。用分子泵抽真空，對真空系統(tǒng)造成的污染的來源是分子泵軸承上潤滑油的蒸汽，為此，常在軸承上加水

30、冷卻以減少油氣蒸發(fā)。與其他常用真空泵比較，分子泵是比較“干凈”的一種。它的缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格較高；由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場中使用，否則會產(chǎn)生渦流，導致葉輪發(fā)熱、變形等嚴重后果；兩外分子泵對氫氣等輕質(zhì)氣體的抽速較小。6.3 羅氏泵羅氏泵又稱為機械增壓泵，它是具有一對同步高速旋轉(zhuǎn)的8字形轉(zhuǎn)子的機械真空泵。如圖8示，羅氏泵是即應用了分子泵的原理，又利用了旋片泵的變?nèi)莘e原理制成的。羅氏泵的特點是轉(zhuǎn)子與泵體、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間保持不大的間隙（約0.1mm），縫隙不需要油潤滑和密封，故很少有油蒸汽污染。由于這一結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與泵體、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間沒有摩擦，因此允許轉(zhuǎn)子有較大的轉(zhuǎn)速（可達3000轉(zhuǎn)/分）；此外，羅

31、氏泵還具有啟動快，振動小、在很寬的壓強范圍內(nèi)（1.33×1021.33Pa）具有很大的抽速等特點圖8 羅氏泵的工作原理七、真空測量儀表真空測量主要是指測量某一特定稀薄氣體空間的氣體壓強，真空測量所使用的儀器或儀表稱為真空計（表）。真空測量具有如下特點：1、測量范圍寬，被測真空度范圍從大氣壓105 Pa 到壓強趨于零的10-13Pa，跨越了19個數(shù)量級；2、大部分真空測量儀器或方法都是利用了低氣壓氣體某些可測物理量與氣體壓強有關(guān)，通過測量與壓力有關(guān)的物理量來確定氣體壓強而進行的相對測量；3、大部分真空測量儀表的測量結(jié)果與氣體的種類及成分有關(guān)，在我國計量檢定部門對真空計進行校準時統(tǒng)一使用

32、高純度氮氣；4、真空測量易受其它微小量的影響，尤其是在高真空和超高真空下。常用的真空計有電容式薄膜真空計、熱偶式真空計及電離真空計。7.1 電容式薄膜真空計圖9 電容式薄膜真空計測量規(guī)管結(jié)構(gòu)原理圖1.外殼2.電極3.電極 4.真空室5.真空室圖9是電容式薄膜真空計測量規(guī)管的結(jié)構(gòu)原理圖。電極2將整個真空計管內(nèi)部分成了真空室4和真空室5，分別有參考壓強P2和測量壓強P 1。當P1=P2時，電極2處于平衡位置，此時，電極2和電極3之間的電容量C=C0，如果電極2兩側(cè)壓強不同，即P1P2，電極2將受到壓力而變形，則兩電極之間距離發(fā)生變化，電容量C也相應變化。電容量C不同，P1與P2的差也不同，所以，可

33、以根據(jù)電容量C的大小測定出P1與P2的差值。在設(shè)計制造時，對真空計真空室4抽真空，使得P 2很小，即P2<<P1，忽略P2，P1與P2的差值可以被認為是P1也就是被測系統(tǒng)的真空度。從結(jié)構(gòu)可以看出，電容式薄膜真空計最大的優(yōu)點是抗污染性好，容易清洗， 特別是材料選用優(yōu)質(zhì)合金，可大大提高其耐腐蝕性，因此，電容式薄膜真空計具有熱偶真空計的一切優(yōu)點而克服了其缺點，可廣泛應用于電力設(shè)備真空干燥浸漬工藝過程中及其它有污染、有腐蝕性氣體的系統(tǒng)中。它的量程寬(1×105Pa1×10-2Pa)，精度高，穩(wěn)定性好，測量結(jié)果與氣體種類無關(guān)，特別是可以測量蒸汽和腐蝕性氣體的壓力。7.2

34、熱傳導真空計圖10 氣體熱傳導Q與氣體壓強P之間的關(guān)系由氣體分子運動論可知，在高壓強(低真空)時，氣體分子熱傳導與氣體壓強無關(guān)。在較低壓強(較高真空)時，氣體熱傳導與氣體壓強成正比，此時，壓強(真空度)變化，氣體熱傳導也相應地改變，這就是熱傳導真空計的理論基礎(chǔ)和設(shè)計原理。圖10是氣體熱傳導Q與壓強P的關(guān)系。隨著科學技術(shù)的進步和測量技術(shù)的發(fā)展，目前熱傳導真空計的測量上限已經(jīng)延伸到了大氣壓，即1×105Pa，它的測量范圍一般為103-10-1Pa。熱傳導真空計主要是由熱偶規(guī)管和測量儀兩部分組成的。圖11熱傳導真空計原理圖1.外殼2.引出線 3.熱絲圖11是熱傳導真空計原理圖。在規(guī)管中間固

35、定著一根金屬絲，金屬絲通以一定的電流，加熱金屬絲。金屬絲產(chǎn)生的熱量Q將以如下三種方式向周圍散發(fā)：通過氣體分子碰撞燈絲所帶走的熱量Q1、燈絲的熱幅射量Q2、熱絲本身與引出線傳導走的熱量Q3；即：Q=Q1+Q2+Q3達到熱平衡時，燈絲溫度T為一定值。此時，Q2、Q3與規(guī)管中氣體壓強無關(guān)，在熱平衡狀態(tài)下，Q2、Q3是恒定的值，而Q1在一定壓強范圍內(nèi)與規(guī)管中氣體的壓強有關(guān)，壓強越高，氣體分子數(shù)多，碰撞次數(shù)多，燈絲被帶走的熱量就多，燈絲溫度變化就大。因此通過測量熱絲的溫度可以得出被測系統(tǒng)內(nèi)的壓強(真空度)。測量熱絲溫度常用的方法有兩種，一種是用熱電偶直接測量熱絲溫度及其變化，以這一原理制成的真空計稱為熱

36、偶真空計。另一種是通過測量熱絲電阻及其變化，反映熱絲溫度及其變化。以這一原理制成的真空計稱為電阻真空計。圖12熱偶真空計測量規(guī)管結(jié)構(gòu)原理圖 圖13電阻真空計結(jié)構(gòu)原理圖1.外殼 2.加熱絲aob 1.熱絲 2.外殼3.基座3.熱電偶cod4.基座熱偶真空計測量規(guī)管結(jié)構(gòu)原理見圖12。真空計工作時，接通熱絲aob電源，開始加熱熱絲，熱量通過結(jié)點o傳到熱偶cod的工作端，熱偶cod另兩端通過基座連接到儀表上。當管內(nèi)壓強(真空度)變化時氣體熱傳導能力發(fā)生變化，在保持熱絲加熱電流一定時，熱絲的溫度就會發(fā)生變化，這就使得熱電偶的溫度也相應變化。經(jīng)過一定的信號處理，即可通過儀表根據(jù)熱電偶的溫度及變化測量出其壓

37、強(真空度)。電阻真空計又稱皮拉尼真空計，它由測量規(guī)管和測量電路兩部分組成，測量規(guī)管結(jié)構(gòu)原理見圖13。熱絲是用電阻溫度系數(shù)大的材料如鎢、鎳、鉑等金屬或半導體熱敏電阻等制成，它們對溫度的變化反應靈敏。工作時，熱絲的加熱電流保持恒定。被測真空系統(tǒng)內(nèi)壓強(真空度)發(fā)生變化時，管內(nèi)氣體熱傳導也會發(fā)生變化，導致熱絲溫度變化，相應地熱絲的電阻值就會發(fā)生變化。通過測量熱絲電阻變化，即可測出真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強(真空度)。與壓縮式真空計不同，熱傳導真空計(包括熱偶真空計和電阻真空計)的測量結(jié)果是氣體的全壓強，而不是分壓強。它能真實地反映被測系統(tǒng)的真空度，并且可以連續(xù)測量記錄系統(tǒng)中壓強(真空度)及其變化?？赏ㄟ^導線

38、進行遠距離測量和控制，可方便地接到微機上實現(xiàn)自動化 ，通過微機對工藝過程進行自動測量、控制。目前，許多熱傳導真空計本身就帶有打印和控制裝置。熱傳導真空計最大的缺點是讀數(shù)與外界環(huán)境關(guān)系密切，室溫變化對測量準確性影響較大，讀數(shù)誤差可達到一倍；而且熱絲表面的污染對測量準確性也有影響，為保證真空計穩(wěn)定地工作，必須經(jīng)常對熱絲表面進行仔細地清潔處理，并對真空計定期進行校準。由于氣體的熱傳導性質(zhì)和氣體種類有關(guān)，所以不同的氣體測量結(jié)果是不同的，熱傳導真空計的校準曲線隨氣體種類的不同而不同。7.3 電離真空計普通熱陰極電離真空計的結(jié)構(gòu)形式如同一個圓筒型三極管。它的工作原理示意圖如圖14所示。圖14 熱陰極電離規(guī)

39、管示意圖及工作原理圖F：陰極 A：加速極 C：收集極它的三個級是：發(fā)射電子的陰極F，螺旋形加速級A和圓筒狀的收集極C，通常封裝在玻璃管殼內(nèi)。在加速極A上加正電位，在收集極C上加負電位，工作時，陰極燈絲通電加熱，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。發(fā)射的熱電子受加速正電場的作用，飛向加速極，但由于加速極是螺旋形結(jié)構(gòu)，各圈之間有一定的較大間隙，所以只有小部分電子被加速極吸收，其余大部分電子能穿越過加速極飛向收集極。當這些電子靠近收集極時，由于收集極處于負電位，因此又被負電場排斥推向返回燈絲。同樣由于燈絲處于負電位，電子由減速而反向運動，不斷重復上述過程。這樣電子就在加速極附近大大延長了飛行路徑，電子在飛行中與氣體發(fā)生

40、碰撞，使氣體分子電離。電子飛行路徑越長，氣體分子被電離的幾率就越大。正離子飛向帶負電壓的收集極，失去電荷，在收集極上形成電流。通常收集極上的電流用I+表示，電子被加速極吸收，在加速極回路上形成電流Ie，稱為發(fā)射電流。實驗證明，當氣體壓力低于10-1Pa時，I+與被測系統(tǒng)中的壓力P成正比，與發(fā)射電流I0成正比。引入系數(shù)S，可寫成系數(shù)S稱為規(guī)管常數(shù)，或規(guī)管靈敏度。它表示單位氣體壓力和單位發(fā)射電流下產(chǎn)生的離子流大小，單位是Pa-1。規(guī)管的S值需要標準裝置校準來確定。八、真空系統(tǒng)的檢漏真空系統(tǒng)是由真空泵、管道、真空容器及閥門等部件組合而成，盡管在裝配時已經(jīng)注意了防止一切可能的漏氣，但漏氣現(xiàn)象仍然是不可避免的。所以尋找和發(fā)現(xiàn)真空系統(tǒng)的漏孔，將它們消除或限制在可允許的范圍內(nèi)，是真空技術(shù)經(jīng)常遇到的問題。判斷真空系統(tǒng)是否漏氣需要一定的方法。在漏孔比較大的情況下，憑經(jīng)驗往往能立刻判斷是否存在漏氣，例如聽漏氣聲或真空泵的聲音。在漏孔較小的情況下，往往難以迅速做出判斷。在這種情況下，繪制壓力-時間曲線是常用的判別方法之一。首先開通整