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真空技术基础(电阻规 电离规)
作者:ag8亚洲游戏    发布日期:2020-07-04 15:11


  真空技术基础(电阻规 电离规)_机械/仪表_工程科技_专业资料。真空技术基础(电阻规 电离规)

  真空技术基础 一个标准大气压为 1.0133×105 帕。“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在 真空状态下,单位体积中的气体分子数大大减少,分子平均自由程增大,气体分子之间、 气体分子与其它粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被应用于科研、生产的许多部 门中。例如:加速器,电子器件,大规模集成电路,热核反应,空间环境模拟,真空冶炼 等。在高真空中,由于材料中易挥发物的损失,表面吸附层的变化,物体表面特性也随之 改变。七十年代以来,表面科学的研究一直十分活跃,它不仅有很强的理论性,还有重大 的应用价值。随着科研、生产的发展,获得并保持真空已形成一门相应的技术??真空技 术。它包括:真空的获得、真空测量、检漏、真空系统的设计等。 依据真空概念,低于一个大气压的气体状态称为真空。真空度愈高,压强愈低,故用 气体压强表示真空度。我国采用国际单位??帕(Pascal),以前曾长期使用另一真空度单位 托。压强换算关系见表 3-1。 表 3-1 压强单位换算表 标准大气压 1 标准大气压 (atm) 1 托(Torr) (1 毫米汞柱) 1 帕(pa) (1 牛顿/米 2) 1 工程大气压 9.6784×10 -1 托 760 帕 1.0133×10 5 工程大气压 1.0332 -3 1 1.3158× 10 -3 1 7.5008×10 -3 133.32 1.3595×10 9.8692×10 -6 1 9.8067×10 4 1.0197×10 -5 735.56 1 17 目前线 帕,从一个标准大气压到10 -12 帕,几乎有 10 数量级这样宽的压 强范围。因此通常将真空范围划分为几个区域,不同的真空区域必须用不同的抽气设备和 测量仪器,见表 3-2。 表 3-2 真空区域 压强(帕) (托) 粗线 真空区域划分及其特点和应用 低线-8 ~ 10 -14 66 扩散泵 抽气系统 机械抽气机 机械抽气机 分子泵 吸附泵 U 形管压差计 测量仪器 压力真空表 麦克劳压强计 电阻真空计 热偶真空计 真空区域 物理现象 分子密度 n(1/cm3) 平均自由程 l (cm) d 为容器的 线性尺度 分子流 分子运动状态 粘滞流, 分子间碰撞为主 离地面高度(km) 粘滞流 分子流 分子与器壁 碰撞为主 粗真空 低真空 麦克劳压强计 电离真空计 潘宁规 高真空 超高真空机组 分子泵 吸附泵,低温泵 超高真空电离计 超高真空 能实现气体放电 能实现气体放电 1019 ~ 1016 10-6 ~ 10-3 1016 ~ 1013 10 -3 ~ 5 1013 ~ 109 5 ~ 104 109 104 l d l ?d l d l d 同前 14 ~ 30 30 ~ 90 90 ~ 440 440 ~ 20000 主要应用举例 真空成形、 真空输 真空蒸馏、干燥、 真空冶金,真空 表面物理、 热核反 运、真空浓缩。 冷冻,真空绝热, 镀膜,电真空器 应、等离子体、物 真空焊接。 理、超导技术,宇 件, 粒子加速器。 航技术。 一、线. 机械泵 机械泵是利用机械方法使工作室的容积,周期性地扩大和压缩来实现抽气的。属于这一 类型的有活塞抽气机和旋转抽气机。这是一种低真空泵,单独使用时可获得低真空,在真 空机组中用作前级泵。 旋片式线 所示。主要部件为圆筒形定子、偏心转子和旋片。工作原理 如图 3-2 所示。偏心转子绕自己中心 O 轴按箭头所示方向转动,转动中定子、转子在 B 处 保持接触、旋片靠弹簧作用始终与定子接触。两旋片将转子与定子间的空间分隔成两部分。 进气口 C 与被抽容器相连通。 出气口装有单向阀。 当转子由(a)转向(b)时, 空间 A 不断扩大, 气体通过进气口被吸入;转子转到(C)位置,空间 A 和进气口隔开,转到(d)位置以后,气体 受到压缩,压强升高,直到冲开出气口的单向阀,把气体排出泵外。转子连续转动,这些 过程就不断重复,从而把与进气口相连通的容器内气体不断抽出,达到真空状态。 机械泵在工作过程中,转子在快速运动,两片旋片在不断伸缩,在定子与转子、旋片 67 与 定子、旋片与 转子 各自的 接触处都存在 磨 擦,同时为了实现相对运动,活动零件相互间 留有一定的公差,即存在着微小间隙。因此整 个泵体必须浸没在机械泵油中,才能工作。泵 油起着密封润滑和冷却的作用。 1 2 3 4 5 7 6 图 3-1 旋片式机械泵结构 1. 滤网 2. 挡油板 3. 线. 转子 8. 油箱 9. 排气阀门 10.弹簧板 10 9 机械泵使用注意事项为: (1) 机械泵转 子 转动方 向 , 必须按 泵 上 规 定方向,不能反向。否则会把泵油压入线) 由于被抽气体在泵内被压缩,而且压 缩比又大,如气体中含有蒸汽,会因压缩而凝 成液体混人泵油中排不出去。因此,一般机械 泵不宜用于抽蒸汽,或含蒸汽较多的气体,具 有 气镇 装置 的机械泵 ,才适 于抽 含有 蒸汽 气 体。 8 (3) 机械泵停机后要防止发生“回油”现 象(为什么会发生回油?)。为此停机后须将进气口与大气接通,也可在机械泵进气口接 上电磁阀,停机时,电磁阀断电靠弹簧作用转向接通大气。 S S S 图 3-2 机械泵主要参数为: (1) 抽气速率(抽速 S) 抽气速率是指当抽气机的进口处在一定压强时,单位时间内流人抽气机的气体体积。 即 机械泵工作原理 S= DV Dt 升/秒 (或升/分) 根据旋片式真空泵的结构, 它的抽速可以用两旋片转动一周所扫过的体积 DV 以及转子 的转速 n 来求出。即: S = nDV 68 这一抽速是当进气口处于大气压强时的抽速。是抽气机的最大抽速。抽气机铭牌上给出的 抽速一般指的是最大抽速。 (2) 极限真空度 极限真空度是指被抽容器不漏气,经机械泵充分抽气后所能达到的最高真空度。由抽 气曲线 可见, 当抽气一段时间后曲线渐趋平直, 表示压强不再降低, 即到达极限真空。 一般机械泵的极限线 帕。机械泵的极限真空度取决于以下因素: (a) 出口处装有单向阀,只有当泵体内气体压强大于阀门外压强时,才能冲开单向阀向 外排气,到与外压强相等时单向阀关闭。此时由于存在无效空间(即定子和转子接触点 B 与出气口之间的一小块空间),气体不可能全部排出,它们将通过 B 处的微小间隙返回进 气口。抽气一段时间后,真空度到达一定值时,气体虽经压缩,但压强仍不够大,冲不开 单向阀,就排不出去,形成极限真空。 (b) 机械泵油有一定的饱和蒸气压,在常压下泵油中溶解有气体,当周围气压降低或温 度升高时又会放气。 压强(帕) 10 4 10 3 10 2 1 0 1 01 0.1 0.01 5 接 阀门 机 械 泵 0 5 2 1 1 0 5 0 图3-3 抽气曲线 热 偶 规 时间(分) 图 3-4 定容法抽速测量装置 2. 定容法测量抽速实验 在真空系统中,对一定容积的被抽容器,随着气体逐渐被抽出,容器内压强包括抽气机进 口处的压强不断降低,因而每次抽出的气体在不断减少,抽速就不断变化。这样,抽气机 的抽速应是在某一瞬时压强下被抽气体体积对时间的导数。即: S= dV dt 如果测出容器内不同时刻的压强值,并作压强随时间变化的抽气曲线,由此可计算抽速。 定容法测量抽速的实验装置如图 3-4 所示, 一般用体积足够大的被抽容器, 各连接导管 尽量短而粗,所用控制阀的孔径要大,则流阻可忽略不计,且容器内压强近似处处相等, 当抽气 dt 后,被抽出气体体积为 Sdt。因为容器容积未变,故容器内压强降低了 dP。在此 引入 PV 这一气体量,则 dt 时间内被抽出的气体量为 PSdt,容器内因抽气而减少的气体量 为 VdP。显然,这两者应是相等的,故有: 69 PSdt = -VdP Sdt = -V dp P (3-1) 式中负号是 dp 为负值而引入的。由(3-1) 式可 以得到: 2 1 Sdt = -Vd (?nP ) d (?nP ) S = -V dt (3-2) é d (?gP) ù S = 2.3V êdt ú ? ? 9 3 4 5 6 或 8 (3-3) 7 根据(3-2)或(3-3)式,只要测出一系列压强、时 图 3-5 三级高真空油扩散泵 间值。可在半对数坐标纸上作出抽气曲线. 回油管 d ( ?gP) / dt 代入(3-3)式, 2. 冷凝阱 7. 扩散泵油 即可 气曲线. 喷射喷口 求出该压强下的抽气速率。 4. 第一级喷口 9. 出气口 如只需粗略估计抽速,可求其平均抽速。 5. 第二级喷口 [ ] 即认为在一小段时间 t1 - t 2 间隔内抽速近似不 变,由(3-1)式得 Sò t t 2 1 dt = -V ò p 2 p1 dP P S ( t 2 - t1 ) = -V ( ?nP2 - ?nP1 ) S =V ?n P1 P2 t 2 - t1 (3-4) 2 的抽气时间代入(3-4)式即可求出平均抽速。例如,用停表测出 只要测出压强从 1 压强从 10~1 帕所需抽气时间 t。 即可求出该机械泵当压强从 10~1 帕区间的平均抽速为 p -p S=2.30(V/t)。 3. 油扩散泵 图 3-5 为三级高真空油扩散泵结构示意图。扩散泵油选用分子量大,饱和蒸汽压低,较 粘稠的油,泵油用规定功率的电炉加热后,产生大量高压蒸汽从各级喷口高速(速度可达 200~300 米/秒)喷出,使喷口周围压强降低,附近气体即向喷口区扩散,从而被吸入并随 70 油蒸汽一起向下运动。油蒸汽被冷却水套冷却,结成油滴回到泵底循环使用,空气分子此 时向喷口下方集结。如此三级喷口逐级起作用,将进气口空气分子集结到出气口,再由机 械泵将积聚起来的气体抽走,可见扩散泵和机械泵必须串接使用才形成抽气过程获得高真 空。 一般三级油扩散泵的极限线 帕。影响极限真空度的主要因素是油蒸汽压和 气体分子的反扩散。若加低温冷凝阱(放入干冰或液氮等),阻截油蒸汽分子进入系统, 或采用低蒸汽压扩散泵油,可使极限线 个数量级。 玻璃扩散泵的抽速一般为几十升/秒,金属扩散泵可达几百升/秒以上。 扩散泵使用注意事项: (1) 扩散泵不能单独工作,一定要用机械泵作前级泵,并使系统抽到 10 帕量级时才能 启动扩散泵; (2) 泵体要竖直,按规定量加油和选用加热电炉功率; (3) 牢记先通冷却水,后加热。结束时则应先停止加热,冷却一段时间后才能关闭。 4. 其它几种线) 分子泵 分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子而获得高真空、超高真空的一种机械线 转/分,这种泵的抽速范围很宽, 但不能直接对大气排气,需要配置前级泵。分子泵抽速与被抽气体的种类有关,如对氢的 抽速比对空气的抽速大 20% 。 分子泵适用于真空作业,如真空冶炼,半导体提纯,大型电子管排气、原子能工业、 空间模拟等。 (2) 吸附泵 许多化学性活泼的金属元素,如钛、钨、钼、锆、钡等都具有很强的吸气能力。其中 钛有强烈的吸气能力,在室温下性质稳定,易于加工,所以广泛用于真空技术,发展成为 一种超高真空泵??钛泵。 钛泵的抽气机理是气体分子碰撞在新鲜的钛膜上,形成稳定的化合物,随后又被不断 蒸发而形成的新钛膜所复盖。新钛膜又继续吸附气体分子,如此形成稳定的抽气。钛泵对 被抽气体有明显的选择性,对活性气体抽速很大,对惰性气体抽速很小。因而往往需要扩 -6 -10 散泵等作为辅助泵。钛泵的极限线 帕。 钛泵可应用于热核反应装置,加速器,空间模拟,半导体元件的镀膜技术和要求无油 污染的线) 低温吸附泵 用低温介质将抽气面冷却到 20K 以下,抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度 高的气体,产生很大的抽气作用。这种用低温表面将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低 温泵,或称冷凝泵。 -1 -5 71 5 -9 低温介质常采用比表面积大的分子筛、活性炭等,实验证明,分子筛在 10 ~ 10 帕压 强范围内,都有显著的抽气作用。 5. 描述线) 起始工作压强 是指真空泵开始工作时,被抽容器或泵入口处应达到的压强值。如果超过该压强值, -1 真空泵将无法工作。一般扩散泵起始压强为 10 帕,而机械泵为一大气压。 (2) 最大反压强 是指维持真空泵正常工作状态,泵的出口处所能承受的最大压强,又称临界反压强。 真空泵出口处压强超过最大反压强,将不能工作。油扩散泵的最大反压强约为 30 帕左右。 (3) 极限压强 是指真空泵入口端经过充分抽气后所能达到的最低压强,亦称极限线) 抽气速率 是指在一定压强、温度下,泵在单位时间内从被抽容器中抽出的气体体积。 S= (5) 真空产生率 dV dt P .T 是指在某压强下,单位时间内泵所抽出的气体量。 Q= d ( PV ) dt P.T = PS (Pa·L/S) 上述参量,对不同真空泵而言,常用其中几个主要参量来说明,尤其是抽气速率与极 限真空最为重要。 二、线. 静态变形真空计 截面为椭圆形的薄壁金属弯管,一端封闭,另一端与真空 室相通,当管内压强变化时,该弯管在内外压强差作用下发生 弹性变形,这一变形传送给指示器,由刻度读出。如指针式压 力真空表,这一类真空计适用于测量粗线. 静态液体线 所示,也称“U”形管压差计,它一端通大气,一 端通真空系统,利用两管液面(如扩散泵油等)高度差表示系 P0 接真空系统 Δh 统 的压 强 。 若 用 汞 r = r 0 - Dh ( 毫米汞 气压 柱 ), r 0 为大气压 强 ; 若 用低 蒸 汽 压 油 , 则 : r = r0 (r油 r 汞 ) × Dh , r油 、r 汞 分别为油和汞的密度。 72 3. 压缩式真空计—麦克劳压强计 结构如图 3-7 所示,A、B 两部分在 N 处连通,当水银 杯 R 升高,水银上升越过刻线 N 后,原 B、C 中的气体全被 压入测量毛细管 C 中。在压缩过程中气体温度可视为不变; 又 A、D 部分和真空系统连通,系统容积远大于 A、D 部分, 故压缩时可认为系统内压强不变。A、D;B、C 两部分气体 的压强差可由毛细管 C、D 水银柱的高度差 h 表示。以 V 表 示 N 以上 BC 的总体积, V C 为 C 管中压缩后气体的体积, 根据玻义耳定律 1 2 4 3 PV = ( P + h)Vc P= Vc h V - Vc 图 3-8 热偶规图 (3-5) 因 VcV 故近似可得到 P=hVc /V (3-6) 这样就把压强转化为毛细管水银柱高度差,由于待测压强只和仪器的体积和压缩后水银柱 高度差有关,故这种真空计是一种绝对真空计,可用它来校准其它真空计。麦克劳压强计 -6 测量范围为 10 ~ 10 mmHg ,它的缺点是不能连续测量,使用水银也带来诸多不便。 4. 热偶真空计(热偶规) 热偶真空计使用的测压元件为热偶规,其结构如图 3-8 所示。1-2 为加热丝,3-4 为热电 偶,留有管口与真空 系统相连接。加热丝中通以恒定电流时,其 温度取决于周围的散热条件。由于气体热导 率随压强变化,所以热丝的温度也随压强而 变,与加热丝连接的热电偶也将具有不同的 热电势,从而建立起规管内压强与热电势之 间的关系。经校准定标后,就可通过测量热 电势来指示测量的压强值。热偶线 帕。 使用时必须按规定调节到确定的加热电 流值。 -1 h1 C D A h2 h B N T R L 图 3-7 麦克劳压强计 73 5. 电阻式真空规(皮拉尼规),它利用电热丝的电阻温 度特性和温度随压强变化关系,将压强变换为电阻测量。如 图 3-9 所示。用电桥测出待测电阻。 + N N A RV R0 R1 G R2 R Rx V S S 图 3-11 潘宁规 图中 Rx 为电阻式规管,接入待测真空系统。R 为与 Rx 结构相同的补偿管,用来抵消环境温度的影响。Ro 用于调节零点,即调电桥平衡。 6. 电离真空计(电离规) 电离规结构如图 3-10 所示,阴极发射的电子在栅极电场作用下得到加速和气体分子碰撞, 并使它电离,正离子飞向带负电位的收集极,离子流的大小和 收集极C 气体压强成正比。 图 3-9 接真空系统 电阻式真空规 I + = Ie × K× P (3-7) 栅 极G 阴 极F 式中 I e 为规管工作时的阴极发射电流,K 为规管常数, 由规管 几何结构和电极工作电位决定,在一定压强范围内,近似为常 数,当维持发射电流恒定时,离子流和压强成线性关系。故每 次使用时均要调节发射电流达到规定要求,一般电离线 帕,只有系统线 帕以后才能启 动电离规(为什么?)。又电离真空计使用中,要对电极除气, 方法为对栅极、阴极通电加热,红热的栅极、阴极烘烤收集极 使它除气,每次除气要持续 5~10 分钟,注意,除气要在线 帕以上才能进行。真空系统其它部分一般也用烘烤办法除气。 为了使用方便,常把热偶真空计和电离真空计组合成复合线. 冷阴极电离线 年潘宁(Penning)首先利用磁场和电场中的冷阴极放电现象来测量低压强,潘宁 规结构如图 3-11 所示。中间电极为阳极,加电压 2KV,两块平行园板为阴极。外加 400 高 斯的磁场,方向基本与电场方向平行。由宇宙射线或场致发射所产生的初始电子在强电场 和磁场作用下,在两片阴极之间作螺旋形运动,不断和气体分子碰撞并使其电离。电子与 气体分子经过多次碰撞后,再被阳极吸收;离子质量大,基本上沿直线达到阴极上,并使 阴极发射出二次电子。电离过程中所产生的二次电子和阴极发射的二次电子又参加到电离 气体分子的过程中来。如此不断发展,建立起一定压强下的自持放电。测量回路中的电流 I 为离子流 I 和阴极二次电子流 Is 之和: 74 + I = I + + I s = Cp n -3 (3-8) 式中:C 为常数, n 在 1~2 间(与电极结构有关),又上式可看出潘宁规是非线性的。潘 宁规量程: 1 ~ 10 帕。优点是:灵敏度高,没有热阴极,寿命长,结构坚固,操作简便, 适于工业应用。缺点是:非线性,稳定性较差,电极抽气作用大,精度差,阴极要保持清 洁,如被油污染,将影响工作性能,因而有的潘柠规是拆装型的、便于清洗恢复使用。 8. 超高真空电离规 圆筒型电离规测量真空度的上限不可能低于 5 ? 10 帕,因被加速的电子被珊极吸收后,会 发射软 X 射线。X 射线达到收集极上,产生光电效应,故在收集极电路中形成与压强无关 的光电本底电流。 -6 1950 年诺丁汉 (Nottingham) 提出了上述解释后, 贝阿德 (Bayard) 和阿尔伯特 (Alpert) 提出了 B-A 规的结构,如图 3-12 所示。集电极采用直径为 0.1mm 的细钨丝,置于栅极的中 心,即管子的中心轴,阴极在栅极外面,此结构的特点是集电极面积(也就是接受 x 射线 的面积)缩小约一千倍,从而使光电流降低一千倍,B-A 规的测量范围即可延伸到10 帕, 同时集电极和栅极构成圆柱形电场,使栅极空间 99%的范围内电子能产生电离作用,因此 尽管收集极面积减小一千倍,但灵敏度基本上和圆筒形电 离规相近,且因所有电极都用细丝,易加热除气,适用与 超高线 三、真空检漏 真空系统只有在检漏后才能进行工作 1. 静态升压法: 先将真空系统抽到一定的真空度, 用 真空阀将系统和真空泵隔开,若系统内压力保持不变或变 化甚微,说明此系统不漏气,若系统内压力上升很快,表 示系统漏气,此法简单,可用于大部分真空系统。但此法 不能确定漏孔位置及大小。 图 3-12 B-A 规 2. 高频火花检漏器用于玻璃真空系统的检漏, 该检漏 器结构主要为一个塔式线圈。线圈初级用振动火花隙,激励谐振回路产生减幅高频电流, 在圈数很多的次级产生高频高压,次级线圈高压端用一弹簧引出,在弹簧尖端由于高频高 压将出现几条闪电式跳跃的放电火花。检漏时,将弹簧 F B 尖端移到待查玻璃管附近,若没有漏洞,弹簧尖端与玻 璃之间仍为闪电式跳跃的火花,并可看到管内气体被激 发放电的颜色。当遇到漏洞时,原来几条跳跃的火花, C T 会集成一束强烈的火花束,束的尾端指向漏洞所在。当 ~220V 火花检漏器稍作移动时,火花束尾端并不动,此处便是 漏洞。用火花检漏器找玻璃系统的漏洞是很方便的。还 图 3-13 高频火花检漏器原理图 可根据火花检漏器激起真空系统内气体放电的颜色粗略 B:蜂鸣器: F:火花隙 估计真空度,并根据放电颜色的变化情况来判断系统是 C:电容器: T:塔式线-数帕 1-0.1 0.1 以下 放电颜色 紫红色 浅紫红色 淡兰白色 空间无色,内壁上有荧光 3. 金属真空系统检漏:可充三个大气压的压缩气体,并在可疑处涂以检漏皂液或试剂, 观察有无气泡生成或有无反应。对更微小的漏洞,则采用氦质谱计检查。 四、真空产生率与真空技术基本方程 当气体流过管道时,总存在一定的压强降落,在低真空时主要由气流层间的内摩擦引 起,在高真空时则由气体分子与管壁碰撞所引起。单位时间内流过管道任意截面的气体量, 用下式来定义: 上式中 Q = PV = M m kT (3-9) P: 管道该截面处的压强; V,M: 单位时间内流过该截面的气体体积和质量; T: 气体的绝对温度; m: 气体分子量。 从上式可看出流过管道任意截面的气体量,即流量 Q 和与质量 M 之间只差一系数 Q= kT m M (3-10) 另外,单位时间内流过管道任意截面的气体量与管道两端的压强差成正比,故可写出 Q = U ( P1 - P2 ) 式中系数 U 称为该管道之流导,它的倒数成为流阻。 W = 1 U (3-11) (3-12) 真空产生率是指在一定压强下单位时间内从被抽容器中所抽出的气体量。即 d ( PV ) dt =P p dV = PS dt (3-13) 在实际真空系统中,当达到稳定状态后,系统中任一部分都不会发生气体的积累。因 此,单位时间内通过各个横截面上的气体量均应相等,即 Q = P1 S1 = P2 S 2 = U ( P1 - P2 ) (3-14) 76 P1 , S1 :被抽容器出口处压强与抽速; P2 ,S 2 :真空泵进口处压强与抽速; U:管道流导。 上式称为气体量的恒定关系式,由上式可得, P1 1 1 = ( ) S 1 U P1 - P2 (3-15) P2 1 1 = ( ) S 2 U P1 - P2 由此两式可得 (3-16) 1 1 1 = + S1 S 2 U (3-17) 上式称为真空技术基本方程。由此式可看出,当流导比真空泵抽速小得多时,即 U S2 时,则 S1 ? U 即对容器的抽速最大只能等于管道的流导,在这种情况下,即使用抽速大的真空泵来增加 有效速度也是无效的。同理,当流导比真空泵抽速大得多时,即 U S2 时,则 S1 高容器的有效抽速。 ? S2 , 此时容器的抽速将主要由真空泵的抽速来决定。这时如用抽速大的线

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