真空的获得与测量-中山大学物理学院2016.pdf

物理学院 近代物理实验 I 1 6 真空的获得与测量真空的获得与测量 13 级材料物理 合作人 指导老师 实验时间 2016 12 13 2016 12 20 一 一 实验实验目的目的 1 熟悉真空技术的基本知识 2 用膨胀法校准热偶真空计 二 二 实验原理实验原理 1 真空真空度及真空区域的划分度及真空区域的划分 真空是指充有低于一个大气压压强的气体的给定空间 即分子密度小于 2 5 10 19 分子 数 cm 3的给定空间 真空度的国际单位是 Pa 3 1133 3324 17 50062 10 11TorrPa PaTorr TorrmmHg 按照气体空间的物理特性常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空技术运用的特 点 将真空定性地划分为五个区段 1 粗真空 3 5 1 013 101 333 10 Pa 2 低真空 31 1 333 101 333 10 Pa 3 高真空 16 1 333 101 333 10 Pa 4 超高真空 610 1 333 101 333 10Pa 5 极高真空 10 1 333 10Pa 2 低低真空的获得真空的获得 获得低真空的常用的方法是机械泵 机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的 容积 使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空的泵 目前常用的是旋片式机械泵 3 高真空的获得高真空的获得 最早用来获得高真空的泵是扩散泵 扩散泵是靠油的蒸发 喷射 凝结重复循环来实现 抽气的 由于射流具有高流速 约 200m s 高的蒸汽密度 且扩散泵油分子量大 300 500 故能有效的带走气体分子 气体分子被带往出口处再由机械泵抽走 物理学院 近代物理实验 I 2 6 4 真空的测量真空的测量 测量真空度的装置称为真空计或真空规 真空计分两大类 一类是能够从它本身所测量 的物理量直接算得压强的 称为绝对真空计 例如 U 形管真空计 硅油 水银 另一类则 依靠校准才能算得压强的 称为相对真空计 如热电偶真空计和热阴极电离真空计等 1 热电偶真空计 利用气体的热传导系数随压强改变的关系来测量真空度 通常 是用来测量低真空的真空计 测量范围一般为 1 10 3Torr 图图 1 国产 国产 DL 3 型热电偶规管的校准曲线 范围两段为非线性 型热电偶规管的校准曲线 范围两段为非线性 2 阴极电离真空计 它通常是用来测量高真空的真空计 实践证明 在 10 1 10 8Torr 范围内 压强与正离子流成线性关系 但这里特别要注意的是 由于电离规管的阴极需要高 温才能发射电子的 如果真空度不够 10 4Torr 以上 这时通电加热阴极的灯丝就会很快把阴 极氧化而烧掉 所以一定要使真空度在 10 4Torr 以上才允许开电离真空计工作 5 真空的检漏 真空的检漏 真空检漏是真空技术中非常重要的一个环节 实际的真空系统如果达不到预计的极限真 空 在排除材料放气和泵工作不正常后 主要是对系统进行检漏 实验中主要使用两种检漏 方法 1 高频火花检漏法 2 真空计检漏法 6 热电偶真空计的校准与相关传感技术 热电偶真空计的校准与相关传感技术 静态膨胀法使基于波意耳 马略特定律 即在恒定的温度下 PV 常数 如下图 2 是膨 胀法校准热偶真空计的原理示意图 物理学院 近代物理实验 I 3 6 图图 2 膨胀法校准热偶真空计的原理示意图 膨胀法校准热偶真空计的原理示意图 其中三通真空阀 F 的长通支管是与取样室相接 转动旋柄时 就可以使阀芯侧壁上的小 孔 按需要接通左方的稳压室 取样室便取得与稳压室相同的气体压强 然后转向有房的膨 胀室 取样室内的气体便向压强低的膨胀室中膨胀 稳压室的容积相对于取样室来说是很大 的 保证连续取样保证连续取样 10 20 次的过程中 压强变化可以忽略才符合稳压的目的次的过程中 压强变化可以忽略才符合稳压的目的 真空阀 C 是 保持膨胀室内的本底压强 Px 用的 真空阀 D 是保持稳压室内的压强 其大小可以用 U 型管 真空计测量 设为 P0 被校正的热偶规管就接在膨胀室处 假定膨胀室已经是真空的 其 极限压强就是 Px 其容积为 V 取样室体积为 V0 现将其接通稳压室 然后使 F 通向膨胀 室 则膨胀室内最后压强为 P1 成立下面的关系 1000 x P VVPVPV 为避免在推导过程中引入 Px 本实验只要使 Px 小于 5 2 10 Torr 则可将其忽略 此时有 00 1 0 PV P VV 这时第一次膨胀后的结果 经第二次膨胀后 则以下关系成立 20001 00 2 00 1 P VVPVPV PVV P VVVV N 次膨胀后 简化式子 忽略二次方以上的项 则有 0 0n V PnP V 0 0nx V PnPP V 物理学院 近代物理实验 I 4 6 三 实验方法三 实验方法 膨胀法校准热偶式真空计实验系统 如图 3 所示 图图 3 膨胀法校准热偶式真空计实验系统 膨胀法校准热偶式真空计实验系统 实验步骤 实验步骤 1 转动三通阀塞 B 阀使其不通大气压也不通扩散泵 开机械泵 转动 A 阀抽膨胀室 转动 G 阀抽稳压室 5 分钟后关 A G 阀 再转动 B 阀通扩散泵 接通扩散泵电源 并开冷却 水 2 将油柱中间阀门关闭 转动 E 阀通稳压室 再转动 D 阀向稳压室充入 P0 4mm 油柱高气 压后关 D 阀 若油柱高度超过 4m 没 则可缓慢转动 G 阀由机械泵抽走一些气体 3 当扩散泵初期口形成油浪时 大约接通扩散泵加热电炉 20 分钟后 即扩散泵开始工作 开 C 阀对膨胀室抽高真空 开热偶真空计 当膨胀室真空度 P 10 1Pa 时 才允许开电 离真空计 4 当膨胀室真空度进入 10 3Pa 方可做校准实验 校准公式 00 n PnPVV 若 x P较大 则 00 nx PnPVVP 1 记下 x P 关 C 阀 这时待校正的热偶真空计已打开 其读数应满度 即 Xm 100 2 关电离真空计 转动取样室阀门 F 从稳压室取样到膨胀室 n 1 10 15 秒后 记下热偶真空计读数 X1 接着又从稳压室到膨胀室转动 F 阀 n 2 10 15 秒 后记下 X2 如此反复至读数 Xn 78 物理学院 近代物理实验 I 5 6 5 开 C 阀对膨胀室抽气 先开 H 阀再关 H 阀 然后缓慢转动 D 阀向稳压室充入 150mm 油 柱高的气体后 再关 D 阀 重复上述操作直到所需的 P0 当膨胀室真空度又进入 10 3Pa 时 再继续上述校准实验 即先关 C 阀及电离真空计 从 n 1 开始一直降至读数 Xn 20 6 老师检查数据后 实施抽走实验时放入真空系统内的气体 即开 C 阀使扩散泵对膨胀室 抽气使其真空度达到 10 1托 关闭 C 阀并断开扩散泵加热电炉 五分钟后关闭 B 阀 开 G 阀五分钟抽走充入稳压室里面的气体后关 G 阀 转动 E 阀通向膨胀室 关机械泵 关 水龙头 机械泵放进气体 即转动 B 阀使机械泵通大气压 四 实验数据与分析四 实验数据与分析 1 向稳压室充入 向稳压室充入 20mm 油柱高气压时的测量数据 油柱高气压时的测量数据 根据压强换算关系 112 26Torrmm 油柱高 3 17 50062 10PaTorr 可得 0 20 20 1 631 12 26 PmmTorrTorr 油柱 电离真空计测得的膨胀室的本底压强 2352 7 500612 109 0 10 2 101 2 10 x PPaTorrTorr 从稳压室每次取样体积为 V0 的气体 再充入到到膨胀室 记录每次的热电偶真空计的满度 数据 然后再利用校准公式 00 nx PnPVVP 计算出每组数据的压强值 Pn 数据整理 如下表 1 表表 1 取样次数取样次数 n Pn 和满度和满度 Xn 0 P 20mm 油柱高 油柱高 n 1 2 3 4 5 6 7 8 Pn Torr 0 00464 0 00919 0 0137 0 0183 0 0228 0 0274 0 0319 0 0365 Xn 97 93 90 86 84 82 78 76 2 向稳压室充入 向稳压室充入 148mm 油柱高气压时的测量数据 油柱高气压时的测量数据 同理可得 0 148 148 12 072 12 26 PmmTorrTorr 油柱 电离真空计测得的膨胀室的本底压强 52 1 2 1900 0 1 x PPaTorr 取样数据如下表 2 物理学院 近代物理实验 I 6 6 表表 2 取样次数 取样次数 n Pn 和满度和满度 Xn 0 P 148mm 油柱高 油柱高 n 1 2 3 4 5 6 7 8 Pn Torr 0 0338 0 0675 0 1011 0 1348 0 1685 0 2022 0 2359 0 2695 Xn 79 63 52 43 37 32 29 26 n 9 10 11 12 Pn Torr 0 3032 0 3369 0 3706 0 4043 Xn 24 22 21 20 由表 1 和表 2 的数据可作出热偶真空计的校准曲线 对数坐标 如下图 4 所示 图图 4 热偶真空计的校准曲线 对数