高真空的获得与测量.doc

高真空的获得与测量 一、 引言随着各门科学技术的迅速发展和相互渗透，真空作为一门单独的学科已显得尤为重要，它与电真空工业、原子能、宇宙航行及空间科学研究、表面物理研究、微电子学及真空冶金等有着紧密的联系并有着广泛的应用。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，我们将通过本实验对这些手段进行初步的认识和了解。二、 实验目的1.熟悉简单的高真空系统。2.掌握获得高真空的手段及测量方法。3.学习真空系统的基本抽气方程。三、实验原理一个真空系统，工作时除了真空泵的抽气因素外，还存在着相反因素，如器壁本体 材料及内部零件表面的气体脱附（出气），外界向系统的漏气及反扩散等。在任何瞬间，容器中的压强实际上是由这两种相反因素间的动态平衡所决定的。真空系统简化抽气示意图如图8.1-1。设被抽容器体积为，经管道与真空泵相连，由式（8.0-1）知泵的抽速为。由于管道对气流的阻碍，容器出口处的有效抽速降为Se(SeSp)。气体在流动中，其流量定义为单位时间内流过的气体量，而气体量由气体压强与体积的乘积所决定，则对于上述系统，每秒从容器抽掉的气体量为PSe。被抽容器除了原有大气之外，还存在器壁本体材料及内部零件表面的气体出气量（脱附率）和漏气率。这样每秒从容器掉的气体量应等于容器空间中气体量的减少率及由各种气源向容器注入气体量增加率之差，即 （8.1-1）此即真空系统的基本抽气方程。若求出压强作为时间的函数，便掌握了抽气过程的基本情况。1.当抽气进行了足够长时间后，容器压强不再变化，此时即为极限压强。上式中就得极限压强 （8.1-2）故要想得到低的极限压强，应尽量提高有效抽速，并降低漏气量与出气量。2.在忽略容器漏气量及气体出气量时，上式变为： （8.1-3）利用此式可近似计算有效抽速。3.对于封闭的真空系统（容器与真空泵隔绝），e，则压强的变化应遵从以下方程： （8.1-4）式中：是有限的，将逐渐减小，故由它引起的变化如图8.1-2中曲线；对于一定的漏孔，是恒定不变的，由它引起的变化如图8.1-2中曲线；在实际容器中，的变化表现为前两者的叠加，如图8.1-2中曲线。由此可知，根据实测-曲线的情况，即可判断真空系统是否存在漏气现象。在漏气量可以忽略的情况下，可求得出气量为： 四、 实验内容1.了解整个真空系统的结构（参见图8.1-3），拆装金属旋片式机械泵和油扩散泵，进一步了解其内部结构及工作原理。2.检查所有阀门是否全都关闭（关闭所有阀门），打开机械泵进行抽气。3.数分钟后，打开旁通阀门以及前级阀门，通过机械泵对真空室及扩散泵进行抽气。4.打开热偶真空计进行测量（先接通真空计电源，然后调节加热电流，再进行测量）。5.当真空度达到后，开启冷却水，接通扩散泵加热电源进行预热。6.扩散泵预热分钟后，关闭旁通阀门，打开主阀门，这时扩散泵开始对真空室抽气。7.当热偶真空计读数达到满量程后，关闭热偶真空计，打开电离真空计进行测量（先调节发射电流值为，然后经过调零、满刻度校准后即可进行测量）。8.抽至极限真空度后，关闭主阀门，测出一压强与时间的关系曲线（-曲线），进而求出每点所对应的气体出气量：9.当真空度约为时，迅速打开主阀门，测出-值，至极限真空。可先作出l-曲线，进而作出e-曲线。10.在冷阱中加入液氮后，观察其效果，测出极限真空度。11.关闭主阀门，测出-曲线，进而求出加液氮后每点所对应的气体出气量（脱附率）12.关闭电离真空计，切断扩散泵加热电源，此时不关冷却水和机械泵，待扩散泵泵体冷却后，关闭前级阀门，然后关闭机械泵（此时应对机械泵前级充气，以免返油）和冷却水。五、数据记录与处理1.抽至极限真空后关闭主阀门记录的p-t值如下时间T （s）04.2610.5416.3428.2044.3158.2671.2684.85压强p（Torr）4.458101520253035时间T （s）95.39107.13117.91138.89158.51177.65196.89213压强p（Torr）40455060708090100做出p-t曲线图由p-t曲线图和公式 可得-t曲线图（/s）2.打开主阀门抽至极限真空得到p-t值如下时间t（s）01.94.28.212.917.226.434.144.86289压强P（Torr）1004020108765.554.54由origin画出lnP-t曲线图如下由lnP-t曲线图及公式易得-t曲线图 （Torr/s）3.加入液氮抽至极限真空后，关闭主阀门，测出的P-t值如下时间T （s）03.666.9010.0015.3823.5931.8439.7955.53压强p（10-6Torr）35791520253040时间T （s）61.2786.86102.25118.14133.99207.34压强p（Torr）5678915做出P-t曲线图如下所示：由P-t曲线图和公式易得 -t曲线 （/s）本实验的主要误差在于记录压强P和对应的时间t，需要同时记录对应的值，关闭阀门后压强变化很快，要注意分工合作。六、思考题1.本实验加液氮后，极限真空度和气体出气量有何变化？为什么？答：由上面的-t图可看出，没加液氮时极限真空度为5*Torr,出气量在2.55*/s范围内，加入液