真空的获得与测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州大学物理科学与技术学院 作者:宋长安

  用直观的展示真空的获得与测量系统,掌握三种真空规测量不同的真空度的使用方法。了解涡轮分子泵的结构与使用。真空在日常生活中的应用。针对光线能量、压力用演示的方法说明光压的能量与测量。

1、引言

  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。

2、实验原理与装备

  (1) 机械泵:是用来获得真空、改善和维持真空的装置简称为真空泵。获得低真空的独立设备为机械泵, 获得高真空的为分子泵,有机械泵作为前级真空下, 分子泵就能获得高真空。两种泵都纯属机械转动而抽气的金属泵。机械泵结构简单, 主体为圆柱形钢筒定子空腔, 内有一转子, 偏心安置在钢筒定子内旋转, 转速为350~ 750 转/ 分。装在转子沟槽内的两个旋片依靠弹簧力和离心力保持与泵体充分接触。定子上有一个与被抽系统相联的进气口和一个单向活塞阀出气口。当转子顺时针转动时, 由进气口进入转子与定子之间部分空间V1 的体积不断扩大, 而出气口与转子、定子间的部分空间V2 体积不断缩小, 前者扩大V1 将气体抽入, 后者将气体压缩V2 将压缩后的气体排出泵外, 达到抽气的目的。一般机械泵上标称2X ) 8, / 20说明它是两个串联的双杠, / X0 是旋片式的, / 80表示每秒8 升的抽气体速率。

  (2) 分子泵:是利用高速旋转的涡轮叶片, 不断对被抽气体分子施以定向的动量和压缩作用, 将气体排除, 是一种纯机械的高速旋转的真空泵。在泵内有一个圆柱形高速旋转的转子, 气体分子从转子上得到一定的动量, 使分子自进气口朝向出气口方向运动, 达到抽气目的。该泵启动平稳迅速, 它具有刹车功能, 可以得到高速旋转的泵在短时间内很快停下来, 工作压强范围宽, 从101pa 到高真空10-7pa 都可以正常工作。开启分子泵, 由冷规可以测得从低真空到高真空的数值变化过程, 最终进入高真空由复合冷规测得等数据。由数字毫秒计显示光压旋转仪叶片的旋转速度。由此可以知道真空的获得和应用地过程。

  (3) 光压仪:针对太阳能的利用, 有太阳能热水器、太阳能电池、太阳能发电站, 太阳能温室、太阳能灶等, 但是对光压力的利用还很少。众所周知, 光是由光子组成的, 光子具有能力, 当然也有动量。光子作用在物体上, 会产生一个压力, 称为光压。普通条件下, 光压非常微弱, 测量与观察均非常困难。直接能显示光压作用效果的装置。本实验真空光压演示仪, 它能有效地利用普通光线的光压, 直接推动内部的旋转体旋转, 光线的强弱驱动旋转速度不同。国内未曾出现过结构简单、价格低廉的此类型设备。( 光压仪于2003 年4 月已获得专利, 专利号; ZL 022 36896. 5)

  (3) 真空系统:此设备是玻璃系统匡架结构, 可作的内容有真空的获得、真空检漏、热偶规真空测量低真空, 改变被抽体积V1V2, 可以得到不同的抽速。电离规测量高真空, 复合规连续测量。霓虹灯在低真空下演示用, 光压仪在高真空下演示, 形色双全。直观性强, 对真空系统一目了然, 由低真空1pa- 10-6pa 到高真空抽速快、功能多, 不但可以做高低真空的获得, 还可以做真空的应用, 分子泵上的k1、k 2、k 5 按顺序接通, 用热偶规测量低真空度, 分别打开k6、k 7 记录两个不同容积的抽速, 用高频火花检漏仪激发玻璃系统中气体放电, 从放电颜色可粗略地判断真空系统的气压, 找到漏点并排除。获得机械泵的初极真空度。在实验中可以获得机械泵的初极真空由热偶规测得, 改变容积的大小V1V2, 可根据时间的变化, SP =dv/dt若所有进入泵口的气体分子都被排除或吸收, 则理论抽气速率为: S 理C/NA C( 为通过单位面积的气体分子入射率, n 为气体密度,A 为泵口截面积。对于真空泵, 其实际的最佳抽速( 标称抽速) 为: S标= S理H 式中: H为何氏系数, 取决于泵的工作原理和结构设计, 其数值小于1。极限压强Pu, 此时实际抽速已降为零, 可推出实际抽气速率为: S实= S际(1-Pu/P)在工作压强P> P 时, S实U S际; P UPU 时, S实U0。因各种气体分子有不同的分子量. 平均运动速率. 电离几率和化学活性等物化特性, 将产生不同的抽气效果。设被抽容器体积为V1V2, 抽速为SP 算出机械泵的抽速。开启霓虹灯, 根据霓虹灯的光亮和颜色, 可以分析惰性气体的含量, 测得机械泵极限值。开启分子泵进入高真空, 由k1 三通转换到分子泵, k8、k7、k6、k5 都关闭, 在30 分钟内可以达到分子泵的极限真空度2×10- 6Pa, 这时分子泵只抽光压仪, 用光电效应, 数字毫秒计记数, 就可以算出每烛光与每瓦特的差别。测量光压仪在一定光亮中的转动速度。

参考资料:

  [1] 沙振舜. 新编近代物理实验南京大学出版社. 2002. 4.291- 308

  [2] 肃 泰. 膜导电玻璃及发展应用甘肃科学学报. 2004. 3.124- 126

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