真空的获得与测量实验设计

颜泽海

[摘           要]  实验基于真空的各项特性以及对应的条件获取技术进行，为达到测量真空度的目的对组合电离规管以及热偶规管的真空计进行了合理运用。通过实验能够对真空技术有更深入的了解。

[关    键   词]  真空;获得;测量

[中图分类号]  O4-33               [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）12-0124-02

真空条件下的空间气体是非常稀薄的，且与一个标准大气压相比有着更低的气体压强。在这样一个气体环境下，质点与分子、分子和分子之间较少发生碰撞，与固体表面相重的分子在单位时间内数量较少，这也就使得真空环境下的物化特性相较于非真空环境有所不同，真空环境所对应的是更低的气化点、受污染程度较小的气体、更弱的氧化作用、更少的热传导等。许多实验都需要利用到真空条件。目前，工业生产已经离不开真空技术，空间技术、材料工艺、薄膜技术、表面科学大规模集成电路以及高能力的加速器等都需要对真空进行利用，其对近代尖端科学技术的发展而言非常关键。

一、真空度与气体压强（单位Pa）

客观度量气体稀薄程度所得到的数据化结果则为真空度，气体空间有着越高的真空度，则其中的气体分子在单位体积中的数目越小，该空间内的压强也就越低。一般状况下，用气体压强替代难以度量的气体分子密度来表示真空度。根据SI，压强单位是N/M2，称为帕斯卡，简称帕（Pa）。

对真空区域进行下列划分：粗真空：103～105Pa;低真空：10-1～103Pa;高真空：10-6～10-1Pa;超高真空：10-12～10-6Pa;极高真空：小于10-12Pa。

二、真空的特点及应用

（一）特点

1.气体空间在以下条件下相当于零污染：与大气压环境相对比，以等于其万亿分之一的密度实现了气体分子在该空间当中的分布。气体压强越高，分子密度越大;气体压强越低，分子密度越小，n∝P，n=P/kT。

不考虑与宇宙相关的状况，对任意超高真空系统，可视其不存在带电粒子或气体分子碰撞气体分子的状况。基于这一条件，原子能科学、离子加速器以及电真空器件实现了进一步的发展。

3.真空环境内只有极低的频率会在固体表面上存在气体分子的碰撞。压强（单位：托）和碰撞发生的频率分别用P和v表示，温度（单位：K）用T表示，气体分子量（单位：g）表示为μ，关系式为：v=3.5×1022P/（分子/平方厘米*秒）。

例如，在普通高真空，P=10-6Torr时（1Torr=1mmhg=133.3Pa），室温下氮气分子的v=4.5×1014（分子/平方厘米*秒）（一般为每秒几千万亿次）。假设固体表面会吸附与之发生碰撞的每一个气体分子，若气体分子以5*1014个/cm2的单位量被吸附于固体表面，则其能够在短短一秒的時间内覆盖住整个表面。但在高真空系统当中，表面被完全覆盖的时间以小时计。这一技术为推进表面科学的发展做出了巨大贡献。

（二）应用

真空传热以及真空制冷都是物理状态随气压而改变的实例。若需要在某一环境内保持低温，则可以起到保温隔热作用的真空就是必须条件。在要求的真空环境当中，电子枪、日光灯和灯泡等电真空器件才能够正常工作。无污染的工作表面对微电子技术而言是必须的，高真空条件常见于物理实验当中，超高真空也常常应用于空间科学以及高能物理。

目前，工业生产已经离不开真空技术，空间技术、材料工艺、薄膜技术、表面科学大规模集成电路以及高能力的加速器等都需要对真空进行利用，其对近代尖端科学技术的发展而言非常关键。

三、真空的获得与测量

（一）真空的获得

1.各种类型的真空泵共同运行的条件下能够获得真空。目前常见的有两种类型。

第一种是内吸型，常见的有冷凝泵、溅射离子泵、钛升华泵以及吸附泵等。也就是封闭系统内的空气泵当中，其内部固体表面存在吸附的气体。

另一种是外排型，常见的有分子泵、扩散泵以及机械泵，是能够向泵体外排出气体的真空泵。

这两种类型的真空泵有各自的优点和缺点，需要根据实际情况进行选择。

2.真空泵性能指标

启动压强：机械泵1个大气压，扩散泵0.1Pa。

极限压强：机械泵0.1Pa，扩散泵0.001Pa。

抽气速率：机械泵6L/s，扩散泵240L/s。

3.真空泵工作原理

（1）机械泵（见图1 旋片式机械泵工作原理）

（2）扩散泵（见图2 三级喷油嘴扩散泵工作原理）

（二）真空的测量

1.真空计分类

热偶真空计，其测量范围：102～10-1Pa。电离真空计，其测量范围：10-1～10-5Pa，另外可测10-2～10-8Pa，102～10-4Pa。

2.真空计工作原理

（1）热偶真空计：（见图3）对真空度的测量是基于能够形成电动势的热电偶以及具备热传导性质的气体分子来实现的。

在电流值恒定的条件下，若有越高压强的气体存在于玻璃壳当中，组合加热丝温度就越容易下降，最终热电动势的测量读数会较小;若气体的压强低，则状况相反。气体的压强通过电动势的高低来体现。仅通过表头读数是无法得出压强值的，通常在标定仪表电动势时会对压强的绝对测量进行参考。

在首次对热偶规管进行利用时，需要先校准面板，以满偏为标准对加热电流进行调节。

（2）电离真空计：（见图4）所选用的是测量电路和电力规管共同构成的三极管型电离真空机。

通电的灯丝在达到一定的温度以后会对电子进行发射，能够起到正偏压加速作用的栅极会所发出的电子进行加速处理，在其完成了与气体分子的碰撞之后，板级会对正离子进行吸收，栅极会对电子进行吸收。气体压强越高，就会有更多的空气分子被电离，而空气分子被电离的量决定了有多大的电流能够通过板级。在利用比例系数完成了校准操作以后，就可以用真空度所对应电流量大小来进行指示。

四、实验内容与操作步骤

1.对开关按钮以及真空机组进行检查，确保其状态正常。在关闭三通阀、蝶阀以及放气阀的前提下开机。

2.在将实验室总电源打开以后，让械泵以及真空机组的电源保持开启状态，若经过检查发现无法正常脱离的问题存在于电磁阀当中，则在第一时间将机械泵的电源切断并开展相应的检查工作。

3.保证能够在正常状态下运转机械泵以后，处于启动状态的机械泵在排气时通常会发出“嗒”的声音，并产生白色雾气，这些都是正常的现象，通常是由未开机时间较长、未能够平衡运转转子、负载不够大以及高压强的工作环境造成的。

4.機械泵因排气所发出的声音会在持续运行5分钟左右之后有所减弱。让热偶真空既保持开启状态，以“测量1”调节旋转档位，在操作正确的情况下能够观察到表头读数的变化为：低真空缓慢增加至20Pa，之后再变为5Pa。接着，在以“测量2”对档位开关进行调节之前拉出并锁定三通阀，调节完成以后观察其表头读数变化，应当与“测量1”位置相同，因低真空密封作用存在于电磁阀当中，所以在该过程会伴随着排气声。

5.表头读数显示5Pa的真空度以后，将三通阀推入，将蝶阀打开，以4-6L/min的流量循环冷却水。启动扩散泵。

6.经过30分钟左右的时间之后，观察到热偶真空计表头度数逐渐满偏。

7.在读数完全满偏之后，确认完成了0.1Pa档位的精度调节的前提下，开启电离真空计。

8.充分运行扩散泵的必需条件是沸腾状态的扩散泵油，在启动机械泵之后的35～40分钟能够达到该状态，这时电离真空计读数所对应的真空度会明显变大。扩散泵与机械泵级联持续了长时间的运行以后，真空度会上升到一个极限值，约为0.001Pa，具体状况要根据仪器来看。观察抽气速率，对扩散泵和机械泵进行比较。

9.要根据一定的顺序关闭各个仪器，首先是要将蝶阀关闭，接着再将扩散泵关闭，这一操作完成之后等待30分钟，停止冷却水的循环，接着再让机械泵停止运行，将热偶真空计关闭，在切断实验室总电源之前，应当先确保机组总电源断开。

10.为了确保真空系统的绝对安全，下列操作不可以出现任何错误：

a.电离真空计或者说高真空气的开启必须在小于等于0.1Pa的真空度条件下进行，在完成数据观测以后要求必须在第一时间关闭电离真空计。

b.在启动扩散泵之前一定要保证冷却水循环的开启，预热操作要求在真空计读数达到5Pa时进行，若气体真空度超过0.1Pa，一定不能使其接触到高温扩散泵油，在切断机械泵电源之前要先冷却泵油。

c.对突发的断电以及断水状况开展的应对措施。

11.数据处理：

◎编辑 原琳娜