玻璃真空系统及其测量与检漏

真空系统 宋长安 兰州大学物理科学与技术学院

  为不熟悉工程实际的理科学生设计制造了玻璃制扩散泵真空系统实物模型, 使其直观地了解真空获得、测量和检漏的工作原理。简述其构造及由此模型可具体理解的内容。

1、玻璃真空系统

  获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类: 能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵( 如机械泵) , 用来产生预备真空, 需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵( 玻璃扩散泵) , 次级泵用来进一步提高真空度, 获得高真空。

  真空分段: ① 粗真空760 ~10 Pa;② 低真空10 ~10-2 Pa; ③ 中真空10-2 ~10-4Pa; ④ 高真空10-4~10-7 Pa;⑤超高真空10-12~10-14 Pa;玻璃扩散泵其结构图1 所示, 扩散泵是高真空泵, 当机械泵的极限真空度不能满足要求时,通常加扩散泵来获得高真空。这种泵不能从通常气压下开始工作,只能在低于1Pa气压下才能工作。因此, 必须与初级泵串联使用。

  扩散泵的液体油有多种, 目前广泛使用的是3 号扩散泵油( 20℃时饱和汽压为1.3×10-6Pa)沸点375℃和275号硅油( 20℃时饱和汽压为1.3×10-8 Pa) 沸点430℃。

  扩散泵开始工作之前, 必须先开动机械泵抽气, 达到预备真空时( 约1.3 Pa) , 便可以使用电炉对扩散泵蒸发器中的油进行加热, 约25~35 min的时间, 便可观察到, 扩散泵油开始沸腾, 油蒸汽开始顺向每一级喷口定向喷发, 形成射流。当硅油加热至沸腾时430℃, 便产生大量油蒸汽, 蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出, 此时, 由于来自被抽容器的气体不断向蒸汽流中扩散,( 便称扩散泵) 便被带到下方伞形帽喷发的射流, 这股射流的压强大于上一级射流, 气体分子进入下一级射流, 这一级压强又大于上一级射流, 而油蒸汽被冷凝水套凝结, 沿着管壁经过回油管流回蒸发器, 被带到下方的气体则由机械泵以每秒4 升的速率抽走, 20 min 后可达到扩散泵的极限真空度。这些工作状态, 只有透过玻璃很容易观察到,扩散、喷发和冷凝的过程, 这也是扩散泵名称的由来, 这些工作状态金属扩散泵是无法观察到的。使用扩散泵时必须注意:

  ① 与扩散泵配合的机械泵, 它的抽气速率必须保证及时排走扩散泵内部所排出的气体。

  ② 扩散泵工作时冷却水必须畅通, 否则会使冷凝水套中的水温过高, 油蒸汽不能很好的凝结, 以致部分蒸汽要冲向被抽容器, 影响泵的抽气速率和极限真空度。

  ③ 加热电炉的功率大小也是影响泵的抽气速率, 所以应选择适合的电炉。

扩散泵热偶真空计

图1 扩散泵  图2 热偶真空计

2、真空系统测量

  真空计是测量真空系统中气体压强的仪器,种类很多, 这里介绍的复合真空计是常见的一种, 复合真空计是由温差电偶真空计与热阴极电离真空计组合而成。

2.1、温差电偶真空计的原理

  温差电偶真空规管由玻璃制成, 通过小管8 和真空系统相接, 如图2 所示, 在规管内的两根引线上装有热丝3,另外两根引线上焊着一对温差电偶4, 温差电偶的另一端与热丝在A 点焊接。由于在低压下, 气体的热传导系数与压强成正比, 所以在通过热丝的电流( 90~150 mA) 一定的条件下, 热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高, 温差电偶电动势也就随之而增大。因此, 通过测量温差电偶电动势, 就可确定出被测系统的真空度, 温差电偶真空计就是根据这个原理制成的。温差电偶真空计的电离真空计的测量范围1~5×10-2Pa。

2.2、热阴极电离真空计的原理

  电离真空规管就是一只三极管, 如图3 所示, 通过B 管与真空系统相接, 使用时, 在灯丝电路中通以电流5 mA, 灯丝受热后便发射电子, 由于栅极为正电压, 使电子加速, 中途与气体分子相碰, 气体的密度越大, 碰撞机会越大, 产生的正离子也越多。另外, 由于板极电压为负, 便吸引正离子在板极电路中形成板极电流Ip , 气体分子密度越大( 即压强越大) , 板极电流也越大, 反之就小。所以, 通过测量板极电流便可以确定气体的压强, 热阴极电离真空计就是根据这个原理制成的。热阴极电离真空计是测量极高真空的仪器,测量范围为1×10-2~1×10-5 Pa。注意: 一旦测量完结, 立刻关闭电离真空规管灯丝, 这样可延长规管使用寿命。

 电离真空计复合计真空计

图3 电离真空计  图4 复合计真空计