真空技术的基本知识.ppt

1、真空冶金学Vacuum Metallurgy,主 讲 钟 晖 Institute of vacuum Metallurgy,School of metallurgical science and engineering,真空冶金学,前 言 真空技术的发展史 第一章 真空技术的基本知识 第二章 金属真空蒸馏 第三章 有色合金中间产品的真空蒸馏分离 第四章 矿石及半成品的真空蒸馏 第五章 金属化合物的真空还原 第六章 高熔点金属的真空精炼 第七章 粉末材料的真空制备 第八章 金属表面处理 第九章 真空技术在冶金中的其他应用,真空冶金的应用，是建立在真空技术的进步和广泛使用的基础上的。,第一章真空技

2、术的基本知识,1. 真空的含义及表征 1.1大气与真空 1.2真空度的表征及单位 1.3真空区域的划分 2. 真空的获得 2.1 真空获得设备 旋片泵 定片式真空泵 往复泵 罗茨泵 水环真空泵 分子泵 滑阀式真空泵 油扩散泵 2.2 真空泵的选型,第一章真空技术的基本知识,3. 真空测量及其设备 3.1 什么是真空测量 3.2 真空计 3.3 全压力测量 3.4 分压力测量 3.5 真空计校准 4. 真空系统 4.1 什么是真空系统 4.2 真空系统的典型形式 4.3 真空阀门 4.4 捕集器 4.5 真空系统设计,第一章真空技术的基本知识,5. 真空系统漏气和检漏 5.1概述（基本概念） 5

3、.2检漏方法 5.3检漏仪器 5.4检漏方法的选择 6. 真空工程材料 6.1 材料的真空性能 6.2 真空系统对材料的要求 6.3 常见的真空材料,真空的含义及表征1.1 大气与真空,（1）大气的性质 看不到、摸不着，无色，无味 每一升大气大约有1克多重 大气不但有一定的重量，而且它又是由各种不同气体组成的 （2）大气的压力 由分子这种热运动所引起的气体分子之间、气体分子与地球表 面及地球表面上任何物体之间的频繁碰撞的结果产生大气 压力,（3）真空的科学含义 在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态或稀薄的气体状态 。,真空的特点: （1）真空状态下的气体压力低于一个大气压； （2）真空状态

4、下气体的分子密度小于大气状态的气体分子密度 ，气体分子的自由程增大； （3） 真空状态下由于分子密度的减小，因此作为组成大气组分的氧、氮等气体含量 ( 也包括水分的含量 ) 也将相对减少。,常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系,常温下低压空间中大气的分子密度,自然真空人为真空,真空度（degree of vacuum） ： 表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值来表示。,根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表示，而以压力表示真空度与此并不矛盾 在一般真空系统中，通常以各向同性的中性气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度，因此，真空度的测量仅仅归结于压力的测量（注意测量条件）。 （

5、有限容器、静止、稳态及各向同性单一的中性气氛）,1.2 真空度的表征及单位,真空度的其它表示方法,自由程与真空度的关系,真空度的单位 根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力，是碰撞表面单位面积上所受的力，单位为“帕斯卡”(Pascal)，简称“帕”(Pa)。,真空度百分数,真空单位换算,帕（Pa）：国际单位； 标准大气压：0下水银密度为13.595g*cm-3时，等于760毫米汞柱 高的压强；,1.3 真空区域的划分 划分依据：真空在技术上的应用特点、真空的物理特性、 真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围 （GB3163）,低真空 1.33105 1.33102（Pa） 低真空这种气体状态

6、与常压状态相比较，只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频繁。 利用真空与大气之间的压力差所产生的力可实现真空在下述方面的力学应用。 具体应用： 1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。,中真空 1.33102 1.3310-1（Pa） 气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小 。 利用气体分子密度降低可实现无氧化加热，利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘， 利用压强降低，液体沸点也降低的原理实现真空冷冻及真空干

7、燥。 具体应用： 1. 黑色金属的真空熔炼 ， 脱气 、 浇铸和热处理 ； 2. 真空热轧、真空表面渗铬； 3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装； 7. 高速空气动力学实验中的低压风洞。,高真空 1.3310-11.3310-5（Pa） 分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁, 气体分子密度小。 利用气体分子密度小，任何物质与残余气体分子的化学作用微弱 特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产 。 具体应用： 1. 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制； 常用结构材料的真空还原冶金； 2

8、. 纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发； 3. 难熔金属的真空烧结； 4. 半导体材料的真空提纯和晶体制备； 5. 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造； 6. 真空镀膜，离子注入膜-刻蚀等表面改性； 7. 电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子 衍 射仪，电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒子加速器、能谱 仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造； 8. 电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束熔炼。,超高真空 1.3310-5 （Pa） 气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面形成单分子层的时间增长， 气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。 利用

9、气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究 具体应用： 1. 可控热核聚变的研究； 2. 时间基准氢分子镜的制作； 3. 表面物理表面化学的研究； 4. 宇宙空间环境的模拟； 5. 大型同步质子加速器的运转； 6. 电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。,分子密度减小 分子数减少,抽走 化学反应 吸附 结晶 容积扩大,2. 真空的获得,2.1 真 空 获 得 设 备 真空泵：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被 抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。 某一封闭空间 产生、改善和维持真空 气体传输真空泵（机械真空泵）：利用机械运动(转动或滑动)以获得

10、真空的设备 气体捕集真空泵：使气体分子被吸附或凝结在泵内表面上以获得真空的设备,A.气体传输真空泵 （1）变容真空泵 . 往复式真空泵 ：活塞式真空泵 . 旋转式真空泵 1)油封式真空泵 （旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式 真空泵、余摆线真空泵等 ） 2)液环真空泵 3)干式真空泵 4)罗茨真空泵 （） 动量传输泵 1)分子泵（牵引分子泵、涡轮分子泵 、复合分子泵 ） 2)喷射泵 3)扩散泵 4）油增压泵(油扩散喷射泵) 5）离子传输泵 B.气体捕集式真空泵： 吸附泵、吸气剂泵、吸气剂离子泵、低温泵,真空系统中不同作用的泵,1、主泵：对被抽容器直接进行抽真空以获得满足工艺要求所需真空度的真空

11、泵。 2、粗抽泵：从大气压开始降低真空系统压强达到另一抽气系 统可以开始工作的真空泵。 3、前级泵：用于使另一个泵的前级压强维持在其最高许可的前级压强以下的真空泵。 4、维持泵：当真空系统抽气很小时，不能有效的利用主要前级泵。为此，在真空系统中另配一种抽气速度较小的辅助前级泵来维持主泵的正常工作或维持已抽空的容器所需的低压的真空泵。 、增压泵：工作在低真空泵和高真空泵之间，用以提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气要求的真空泵。,被抽容器,主泵,粗抽泵 前级泵,大气,主泵出口,前级泵入口,启动压力,前级压力,极限压力,维持泵 增压泵,描述真空泵性能的参量 抽气速率(体积流率):一定

12、压力、温度下真空泵在单位时间内从被抽 容器中抽走的气体体积(单位：m3s-1；Ls-1) 极限压力（极限真空）: 泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最 低的稳定的压力（单位：Pa） 起动压力:泵无损坏起动并有抽气作用的压力。 前级压力:排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。 最大前级压力:超过了能使泵损坏的前级压力。 最大工作压力:对应最大抽气量的入口压力。泵能连续工作而不恶 化或损坏。 抽气量Q：单位时间内流经泵入口的气体流量（单位：Pam3S-1； PaLS-1） 压缩比:泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。 水蒸气允许量：它是指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时 能抽除的水蒸

13、气质量流量。（单位：kg/h）,机械真空泵的规格及型号表示法,国产各种真空泵是由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123456。格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。 国产的各种机械真空泵的型号通常是用汉语拼音字母来表示(如下表所示)。汉语拼音字母表示泵的类型；字母前的数字表示泵的级数，单级时“1”省略；字母后边横线后的数字表示泵的抽速(L/S)。 某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是“L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000

14、，40000。真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。 例：2X一70 表示双级旋片式真空泵,抽气速率为70LS。,常用真空泵的汉语拼音代号及名称,旋片泵 sliding vane rotary vacuum pump,油封式机械真空泵，其工作压强范围为1013251.3310-2（Pa）属于低真空泵 ，是真空技术中最基本的真空获得设备之一 。,旋片泵的工作原理示意图,旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，有毒有爆炸性的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。 旋片泵可以单独使用，也可

15、以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。,2X双级旋片式真空泵： 由高压级与低压级二部分组成 ，可达到610-2pa，可单独使用，也可与增压泵、扩散泵、分子泵等超高真空泵连接在一起作为前级泵使用,X系列单级旋片式真空泵： 一种新型低真空获得设 备，能抽除一定量的水蒸 气，既可以做主泵，也可作 为罗茨真空泵的前级泵，配 成机组使用.,定片式真空泵,定片式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真空可达10-1Pa。泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易，但由于其工作性能不如旋片泵。,滑阀式真空泵 rotary piston vacuum pump,滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结

16、构不同。滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。,滑阀泵可分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种 结构形式。单级泵的极限压力为0.41.3Pa；双级泵的极 限压力为610-2 10-1Pa。一般抽速超过150L*S-1的大 泵都采用单级形式。这种泵可单独使用，也可作其它泵的 前级泵用。 滑阀泵具有允许工作压力高(104Pa)、抽气量大、能在 较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，滑阀泵运 转时的振动和操音较大，泵的振动影响真空系统的稳定。 缩短泵的寿命，并对环境造成污染。 此外,对于可凝性气 体的抽除不利,须设置气镇阀或于冷凝器配套,或改为热泵。,特点：,往复式真空泵(活

17、塞式真空泵 ) piston vacuum pump,往复式真空泵工作原理图 1.气缸 2.活塞 3.曲柄连杆机构 4.排气阀 5.吸气阀,特点：,往复式真空泵为低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35。 往复泵的极限压力，单级为4102103Pa，双级可达1Pa。往复泵有干式和湿式之分。干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物，极限压力要比干式泵的高。 它与旋片式真空泵相比较，它能被制成大抽速的泵，主要缺点是结构复杂，体积较大，运转时振动较大等。其在很多场合可由液环式真空泵所取代。,罗茨真空泵（简称罗茨泵）roots vacuum

18、 pump,罗茨泵的特点： 无内压缩，在较宽的压强范围内有较大的抽速；高、中真空泵需要前级泵。极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空； 起动快，能立即工作； 对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感； 转子不必润滑，泵腔内无油； 振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀； 驱动功率小，机械摩擦损失小； 结构紧凑，占地面积小；运转维护费用低。,分类： 直排大气的低真空罗茨泵 中真空罗茨泵（机械增压泵） 高真空多级罗茨泵,水环真空泵 liquid ring vacuum pump,水环真空泵的特点,真空度低，受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000400

19、0Pa。用油作工作液，可达130Pa。 结构紧凑，泵的转数较高，可与电动 机直联，无须减速装置。用小结构尺 寸，可获得大排气量，占地面积小。 泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵 内进行润滑，而且磨损很小。转动件 和固定件之间的密封可直接由水封来完成。 吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。 效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。 可以抽除易燃、易爆的气体、带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。,分子真空泵 molecular pump,分子泵：动量传输泵 在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。 1)牵

20、引分子泵 气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 3)复合分子泵 它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。,牵引分子泵 优点：起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。 缺点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。,牵引分子泵结构原理图,涡轮分子泵: 工作压力范围宽，在 10-1 10-8 pa 范围内具有稳定抽速；起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；分

21、子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用。 注意：对不同种类气体的抽除效果不一样。,1. 动片 2.定片 3.进气口 4. 轴 5. 轴承 6.排气口,复合式分子泵: 涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体，涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。 泵在很宽的压力范围内 (10-6 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。 涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合 涡轮叶片与筒式牵引

22、泵的串联组合,水蒸汽喷射泵hydro-steam ejector pump,喷射器的结构示意和工作原理,水蒸汽喷射真空泵是有一定压力的工作水蒸气通过拉瓦尔喷嘴，减压增速以超音速在吸入室与被抽介质混合，携带被抽介质一起向前运动，进入扩压管减速增压，排至下一级喷射器或大气，从而在吸入室形成真空。,四级喷射泵结构示意图,三级喷射泵,五级水蒸汽喷射泵,特点： (1)该泵无机械运动部分，不受摩擦、润滑、振动等条件限 制，因此可制成抽气能力很大的泵。工作可靠，使用寿命长。 只要泵的结构材料选择适当，对于排除具有腐蚀性气体、含 有机械杂质的气体以及水蒸等场合极为有利。适用于有廉价 的副产蒸汽或可利用的余汽、

23、废汽的场合。 (2)结构简单、重量轻，占地面积小。 (3)工作蒸汽压力一般为0.40.9MPa。,油扩散泵 diffusion pump,工作压强范围为10-210-6pa,1.蒸汽流 2.蒸汽流导管 3.气相加热器 4.水管 5.前置导油管 6.分馏槽 7.加热器 8.接机械泵 9.接被抽容器 10.气体 11.泵壳 12.泵液,喷射速度要高，喷口级数要多。 工作物质在常温时应是液体，并具有极低的蒸气压， 油扩散泵必须用机械泵为前级泵，将其抽出的气体抽走，不能单独使用。 在扩散泵和真空体系连接处安装冷凝阱，以捕捉可能进入体系的油蒸气。,气体捕集式真空泵：,钛升华泵的抽气机理是化学吸附。升华器

24、升华的钛沉积在冷的泵体壁面上，形成新鲜的钛膜，对氮、氧和一氧化碳等活性气体有比较强烈的吸附作用，并形成氮化钛、碳化钛和氧化钛等稳定的化合物，但对惰性气体和甲烷几乎不吸附。钛膜吸附气体只能是单分子层的，在已吸附气体分子的位置上不能再吸附气体。因此，钛升华器必须不断地升华，使泵体壁面上不断地沉积新的钛膜，才能达到连续抽气的目的。,低温真空泵 (又称低温泵、冷泵、冷凝泵)是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵，可获得无油高真空。 极限真空10-7 10-9 Pa 抽速大 ： 特别是对 H2O 、 H2 等气体抽速很大，因而 排气速度比其他真空泵快，大大提高产品产出量 ； 适应性强：真空腔

25、内无运动部件，来自外界的干扰或来自真空系统的微粒不影响低温泵工作； 可以安装在任何方位； 运动部件少且低速运行，寿命长。,2.2、真空泵的选择,真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求 。 正确地选择真空泵的工作点（压强范围）。 真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程 中产生的全部气体量。 正确地组合真空泵。 真空设备对油污染的要求。 了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗 粒灰尘，有无腐蚀性等 。 真空泵排出来的油蒸气对环境的影响。 真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。 真空泵的价格、运转及维修费用。,常用真空泵的工作压强范围及起动压强,各种泵可达

26、到的压强范围,各种冶金作业所需要的真空度（P133.3，Pa）,真空脱气：100102 感应熔炼：10-3102 电弧熔炼：10-3100 区域熔炼：10-910-2 固态脱气、烧结：10-7100 蒸发及溅射镀膜：10-1010-1 真空蒸馏：10-65*10-1 真空还原：10-53*101 真空干燥、浓缩：10-310-1,3.1 什么是真空测量？,真空度压力 真空度测量压力测量？ 测量真空度的仪器真空计,3.真空度测量,3.2 真空计 按真空度刻度方法分类 : 绝对真空计 （直接读取气体压力，与气体种类无关） 相对真空计 （校准后才能刻度，由真空规管和测量器 组成，与气体种类有关） 按

27、真空计测量原理分类: 直接测量真空计：10105Pa ，测量压力 间接测量真空计： 10Pa ，测量与压力有关的物理量的变化,真空测量中可能的问题 近代真空技术所涉及的压力范围：19个数级 (10510-14Pa) 真空计的量程 寄生现象的存在,一些真空计的压力测量范围,3.3 全压力测量 total pressure measure,U型管真空计 弹性元件真空计 压缩式真空计 热传导真空计 热阴极电离真空计 冷阴极电离真空计 电容式薄膜真空计 放射性电离真空计 磁悬浮转子真空计,U型管真空计,绝对真空计 测量范围：10510Pa。 (1)开式U型管真空计：p测 = p当地 - （A-B） (

28、2)闭式U型管真空计：p测 = 0 + （A-B）,（a）开式U型管真空计,（b）闭式U型管真空计,U型管真空计 玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的（预先抽至10-1Pa以下）或开口与大气相通，以U型管两端的液面差来指示真空度。,弹性元件真空计,利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理 测量范围：粗真空(102105Pa)。 结构和外形上与工业用压力表类似,弹簧管式 膜盒式 膜片式 1-指针 2-齿轮传动 3-连杆 4-弹簧管 5-膜盒 6-膜片 7-接头 8-外壳,合理选择量程。 不超过35使用，否则要校正。 压力表指针平稳后，才能读

29、数 定期校验。,真空度=1.01105（1-A/0.1） Pa,真空表,压力真空表,弹性元件真空表的主要特点：,(1)测量结果是气体和蒸气的全压力，并与气体种类、成分及其性 质无关； (2)测量过程中，仪表的吸气和放气很小，同时仪表内部没有高温 部件，不会使油蒸气分解； (3)测量精度较高； (4)反应速度较快； (5)结构牢固，选用适当材料能测量腐蚀性气体； (6)是绝对真空计，精度0.5级以上的表可作为标准表。,压缩式真空计,麦克劳真空计(简称麦氏计)，绝对真空计 测量范围为102l0-3Pa 可做为校准其它真空计的主要仪器。,压缩真空计的特点是： 让被测真空系统的残留气体进入规内，然后加

30、以压缩，比较压缩前后的体积和压力的变化，就可算出其真空度。,V,V11,V1,V,V11,V1,V,V11,V1,V,V11,V1,P=kh2 K=d2 / 4V,V,V11,V1,V,V11,V1,V,V11,V1,V,V11,V1,d,P(v+v1)=(p+h)V11,麦氏计特点 (1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气体而言。(2)测量范围较宽，测量精度比较高，一般相对误差在 lO%左右。(3)不能连续测量。每测量一次需升降水银一次，不能连 续读数，操作费时。(4)水银蒸气对人体有害。,PM-2型组合式麦氏真空表,热传导真空计：粗真空和低真空测量,在一定的加热条件下，低压力下气体分子热传

31、导与压力有关，相对真空计，须进行校准。 以气体分子对热丝的冷却能力作为压力的指示。热丝的温度T1是压力p的函数 。,热丝温度的测量方法： (1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质 (2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化 (3)利用热丝电阻随温度变化的性质 膨胀式真空计 热偶真空计 电阻真空计（热敏电阻真空计）,（相对真空计）气体种类的影响： 热传导真空计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同气体分子的导热系数不同引起的。因此，在测量不同气体的压力时，可根据干燥空气(或氮气)刻度的压力读数，再乘以相应的被测气体相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即 Preal = SPread 式中Pread

32、以干燥空气(或氮气)刻度的压力计读 数，Pa Preal被测气体的实际压力，Pa S被测气体对空气的相对灵敏度。,热传导规对一些气体与蒸汽的相对灵敏度,ZJ-51型热偶真空规管 测量范围：65 0.1Pa,热阴极电离真空计,工作原理 ：电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分 子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级 电子。 在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n，在一定温 度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空 度 。 由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计 。,热阴极电离真空计由测量规管和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组

33、成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量离子电流。,ZJ-27型宽量程热阴极电离规 测量范围：41.010-5Pa,ZDR-27B电离真空计测量范围: 10110-5Pa,电离真空计规管,规管的基本结构主要包括三个电极： (1)提供一定数量电子流Ie的灯丝F(阴极) (2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极)； (3)收集离子流Ii的离子收集极C(相对阴极为负电位),使用注意：测量上限 （K值变化）测量下限 （本底电流）,热阴极电离真空计分类：(1)普通型电离真空计(110-1l0-5Pa)；(2)超高真空电离真空计(110-1l0-8Pa，有的下 限为10-10Pa)；(3

34、)高压力电离真空计(10210-3Pa)。,离子流 Ii与气体压力p的关系： Ii=KIep 式中Ie发射电子流 K规管系数，单位为Pa-1,传统型电离规相对灵敏度,不同气体电离截面不同，所以电离规管系数K与气体种类有关， 引入相对灵敏度Sr概念， Sr=KKN2 真实压力:preal=pread/Sr,冷阴极电离真空计,冷阴极电离真空计是靠冷发 射(场致发射、光电发射、气体 被宇宙射线电离等)所产生的少量 初始自由电子，电子碰撞气体分 子，有一部分为电离碰撞，电离 后形成的正离子在阴极上打出的 二次电子 。电离过程连锁的进行， 在很短时间内雪崩式地产生大量 的电子和离子，这样就形成了自 持气

35、体放电(一般称为潘宁放 电)，此放电电流与压力有关，用 放电电流即可做为真空度的测量。,相对真空计 测量误差较大 普通冷阴极电离真空计的压力测量范围 110-5Pa。,电容式薄膜真空计 根据金属弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电 容变化的原理制成 。 是一种绝对真空计 目前在计量部门可以作为低真空副标准真空计。测 量范围为10-310Pa ，具有灵敏度高、气体的介电常数 不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快等 特点。,放射性电离真空计,利用放射性同位素辐射出来的粒子或粒子对气体分子的电离作用制成。在一定压力范围内，电离所产生的离子流与气体压力的关系为：Ii=Sp 测量范围为0.11

36、04Pa 与气体种类有关,磁悬浮转子真空计 根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成。 标准真空计，测量范围为10 -110 -5 Pa,3.4 分压力测量 partial pressure vacuum measure 分压力真空计是专用的小型质谱仪器真空质谱计,属于电离类型的，按原子离子或分子离子的质荷比进行分析，分三个阶段：(1)在离子源中用电子碰撞的办法将气体电离。 (2)在质量分析器中利用磁偏转、共振、飞行时间不同等质量 分离技术，将离子按质荷比不同进行分离。 (3)检测器(或离子收集极)接收分离的离子，将离子流放大，在 显示装置上显示出每一质荷比的离子流强度。

37、 质谱计的种类很多，可根据质量分析系统的工作原理来表征和命名。如：磁偏转质谱计、回旋质谱计、飞行时间质谱计、射频质谱计、谐振感应质谱计和四极质谱计等。,四极滤质器的质量分离原理是基于不同质荷比的离子在高频和直流四极场中，运动轨迹稳定与否来实现的。在一特定的电压下，只有一种质量的离子可以通过，其余的离子都通不过，当直流电压和高频电压由小逐渐变大时，质量不同的离子，从质量小到质量大，依次地通过分析器达到收集极。因此，根据收集极离子流的变化，可以判断各种气体的成分和相对多少。它是近代残余气体分析器中最为流行的无磁滤质器，其性能指标较高 。,四极滤质器,3.5 真空计校准,真空计校准: 对相对真空计进

38、行“刻度”。 什么情况下需要校准？ 真空标准: 绝对真空计 标准相对真空计(或副标准真空计) 绝对校准系统,绝对真空计：所有绝对真空计均可作为真空标准 （U型管、弹性元件和压缩式） 标准压缩式真空计（压力范围510-10Pa，各国真空 计量的基准器具） 标准相对真空计(或副标准真空计)：一种高稳定、高精度的 相对真空计，它经过一等真空标准器具校准之后，可作为二 等真空标准器具，对一般工作真空计进行校准。 校准迅速 校准压力范围宽 热阴极电离真空计 电容薄膜真空计 绝对校准系统：以绝对真空计为基准，将经过压力衰减后精确计算出的再生低压力作为标准的真空计校准系统。 膨胀法校准系统：U型管压力计校准

39、下限延伸,压力真空校验器,真空计的选择原则,(1)在要求的压力区域内有要求的精度。 (2)被测气体是否会损伤真空计；真空计可否会给被测 气体状态带来影响。 (3)能测全压力吗?可校准吗?灵敏度与气体种类有关否。 (4)可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。 (5)稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。 (6)还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、 市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。,4.真空系统,真空系统是由真空 泵、真空测量装置、真 空阀门、连接导管以及 捕集器、除尘器、真空 继电器规头等元件，经 过精心组装而成的。,4.1 什么是真空系统,高真空系统1-被抽容器 2-真空测量规

40、管 3-主阀 4-予真空管道阀 5-前级管道阀 6-连接管道 7-放气阀 8-前级泵 9-主泵 10-水冷障板,真空实验室一角,真空实验室一角,真空系统的分类,按真空系统抽气过程: 静态系统和动态系统 按真空系统工作真空度的高低: 低真空系统、中真空系统、高真空系统和超高真空系统. 按真空系统工作的清洁程度: 有油真空系统(真空室有油蒸气污染的)和无油真空系统(真空室无油蒸气污染的)。 按真空系统的结构材料: 玻璃真空系统(除了机械真空泵以外全由玻璃制成)和金属真空系统。 在实际应用中，往往把上述不同的分类加以综合，称 为“大型动态金属高真空系统”、“无油超高真空系统”、 “玻璃高真空系统”等

41、等。,4.2 真空系统的典型形式,(1)低真空系统 (1.331051.33102Pa) ： 机械泵、水环泵等 (2)中真空系统(1.331021.3310-1Pa) : 油增压泵(主泵)+机械泵(前级泵) 罗茨泵+机械泵 罗茨泵+小型罗茨泵(中间泵)+机械泵 油增压泵或罗茨泵+罗茨泵+机械泵 油增压泵+罗茨泵+机械泵 罗茨泵+水环泵,(3)高真空系统 (1.3310-11.3310-5Pa ): 扩散泵+机械泵 扩散泵+油增压泵+机械泵 扩散泵+罗茨泵+机械泵 (4)超高真空系统 (1.3310-5Pa ): 扩散泵和钛泵并联（主泵）+扩散泵单独串联前级机械 泵（可达1.3310-6Pa）

42、扩散泵+扩散泵(中间泵)+机械泵 分子泵+机械泵 钛泵或溅射离子泵+并联或串联分子筛吸附泵(无油超 高真空系统) 低温泵+串联或并联分子筛吸附泵(预真空泵) (无油超 高真空系统),高真空油扩散泵机组,以罗茨+旋片机组作为预抽，以高真空油扩散泵为主机的高真空抽气设备,可获得10-110-4Pa的高真空环境。,(5)真空机组:由各种真空元件组合而成，是不带真空室的排气系统，目前国产机组有油扩散泵机组，油增压泵机组和罗茨泵机组。,罗茨往复真空机组,ZJ型罗茨泵做为主抽泵，往复真空泵做为前级泵组成的抽气机组,罗茨旋片泵真空机组,4.3 真空阀门（真空系统组成元件）,真空阀门: 在真空系统中，用来改变

43、气流方向，切断或接通管路，调节气流量大小，定量充气的真空系统元件.,对真空阀门的一般要求 阀门的密封性能要好，阀板密封处的漏气率要小；阀板开启后应尽可能有较大的流导；阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压，高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长，超高真空阀门应能耐烘烤(400450)；阀门结构要简单，开关轻便省力，有标志，传动机构在高压侧；真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。,真空阀门分类,各类真空阀门,气动高真空蝶阀 通过电磁换向阀改变气路方向，控制执行气缸驱动蝶阀作启闭运动,体积小，结构简单,气动型高真空球阀 通过电磁换向阀改变气路方向，控制执行气缸驱动球阀,

44、电磁高真空挡板阀 以电磁力为动力直接带动阀板动作，使阀门开启或关闭。,真空电磁阀 以电磁力吸引衔铁，带动阀盖 电磁真空带充气阀,真空插板阀 手柄带动阀杆上下运动使阀板开启或关闭,真空微调阀 供真空系统或流量装置系统中启闭或充入微量气体之用，以控制和调节系统内真空度,4.4 捕集器,捕集器: 也称为阱，用来捕集真空系统中的可凝 性蒸气。 根据捕集器捕集蒸气的原理和方法不同，捕集器 可分为 挡油帽 机械捕集器(又称挡板、障板、机械阱) 冷凝捕集器(又称冷阱) 吸附捕集器(又称吸附阱) 其它类型的捕集器(如钛升华阱、电捕集器， 热捕集器，离子捕集器等）,常用冷剂的致冷温度和CO2、H2O、Hg蒸汽压

45、,设计步骤 (1)明确真空装置的使用要求，包括真空装置的容积、极限 真空、工作压强、剩余气体的允许成分、使用周期、被抽 气体成分及其温度、油污染对工件的影响、以及其它特殊 要求(振动、嗓音)； (2)根据使用要求选择主泵及辅助泵； (3)根据极限真空、工作压强、气体成分、测量反应时间、以及 监视真空度的主要部位要求，来选择真空测量仪器； (4)绘制真空系统原理图； (5)计算真空泵的抽速、管路流导，从而确定各种真空元件的结 构尺寸； (6)拟订真空装置检漏方案， (7)对于超高真空系统而言，需要制定系统烘烤措施； (8)大型真空装置需要拟出供水、供气、供电原理图； (9)提出真空装置的控制要求

46、。,4.5 真空系统的设计,主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在 主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵 能正常工作。通常前级泵直接影响主泵的抽气性能，影响真空系统 的抽气时间和经济效益。 选泵是指选择主泵而言，而配泵是指为主泵选配合适的前级泵或 预抽泵。 选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽 速的大小。 配前级泵： (1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。 (2)前级泵在主泵出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强。 (3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。,主泵类型的确定 根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真

47、空度 各种泵的工作压强范围； 根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况安装 气镇装置； 根据初次投资和日常运转维护费用 。 主泵抽速大小的确定 被抽容器的工作真空度和其最大排气流量 被抽容器的容积和所要求的抽气时间 S=2.303v/tLog(P1/P2), 真空系统选择 ,如果用旋片泵，使用时间长了以后，旋片泵也会产生少量的回油，要想得到洁净真空，最好考虑无油真空系统，且需要很快达到工作真空度可能有点困难，建议再加一个罗茨泵提高抽速。,某工艺要求设备具备10-3Pa以上的真空度，真空室的大小约为700mmX700mm,要求在1015分钟内达到真空度要求，而且真空室要求

48、纯净。试分析该真空系统的构成。,真空系统设计实例分析,参考方案：,（1）旋片泵扩散泵,扩散泵很容易回油，污染真空室，目前没有好的办法能够完全避免，扩散泵上安装水冷挡板通常是解决扩散泵回油的常用办法，但也不能完全避免回油，对真空度也会造成一点影响，达不到你的洁净真空的要求。,（2）旋片泵涡轮分子泵,5.真空检漏,真空检漏：检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。 基本概念：漏气：气体通过系统上的漏孔或间隙从高压侧流到低压侧的现象，也叫实漏。 虚漏: 是相对实漏而言的一种物理现象。是由于材料放气、解吸、凝结气体的再蒸发、气体通过器壁的渗透及系统内死空间中气体的流出等原因引起压力升高。 气密性：表征真

49、空系统器壁防止气体渗透的性能，它包括通过漏孔(或间隙)的漏气和材质的渗气。,5.1 概述,漏率：用等效流导或漏气速率表示漏孔的大小，即单位时间内流过 漏孔(包括间隙)的气体量。(单位: Pam3/S) 最小可检漏率：某种检漏方法能够检测出的漏率的最小值。 最佳灵敏度：检漏仪器在最佳条件下所能检测出的最小漏率。 检漏灵敏度：在具体条件下，某种检漏方法所能检测出的最小 漏率。 反应时间：从检漏方法开始实施(开始喷吹示漏气体)到指示方法 (仪表)做出反应的时间。 消除时间：从检漏方法停止(停止喷吹且开始抽出示漏气体)到指 示方法的指示消失的时间。,注意：用漏率表示漏孔大小时，如果不加特殊说明，则是指在漏 孔入口压力为1.01105Pa，出口压力低于1.33103Pa， 温度为2963K的标准条件下，单位时间内流过漏孔的露点 温度低于248K的空气的气体量。漏率的单位是帕斯卡立 方米秒，记为Pa m3s。为了方便，有时用帕斯卡 升秒，记为Pa Ls。,最大容许漏率：真