真空的獲得與測量實驗設計

顏澤海

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?實驗基于真空的各項特性以及對應的條件獲取技術進行，為達到測量真空度的目的對組合電離規(guī)管以及熱偶規(guī)管的真空計進行了合理運用。通過實驗能夠對真空技術有更深入的了解。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?真空;獲得;測量

[中圖分類號] ?O4-33 ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）12-0124-02

真空條件下的空間氣體是非常稀薄的，且與一個標準大氣壓相比有著更低的氣體壓強。在這樣一個氣體環(huán)境下，質點與分子、分子和分子之間較少發(fā)生碰撞，與固體表面相重的分子在單位時間內數(shù)量較少，這也就使得真空環(huán)境下的物化特性相較于非真空環(huán)境有所不同，真空環(huán)境所對應的是更低的氣化點、受污染程度較小的氣體、更弱的氧化作用、更少的熱傳導等。許多實驗都需要利用到真空條件。目前，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)離不開真空技術，空間技術、材料工藝、薄膜技術、表面科學大規(guī)模集成電路以及高能力的加速器等都需要對真空進行利用，其對近代尖端科學技術的發(fā)展而言非常關鍵。

一、真空度與氣體壓強（單位Pa）

客觀度量氣體稀薄程度所得到的數(shù)據(jù)化結果則為真空度，氣體空間有著越高的真空度，則其中的氣體分子在單位體積中的數(shù)目越小，該空間內的壓強也就越低。一般狀況下，用氣體壓強替代難以度量的氣體分子密度來表示真空度。根據(jù)SI，壓強單位是N/M2，稱為帕斯卡，簡稱帕（Pa）。

對真空區(qū)域進行下列劃分：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;極高真空：小于10-12Pa。

二、真空的特點及應用

（一）特點

1.氣體空間在以下條件下相當于零污染：與大氣壓環(huán)境相對比，以等于其萬億分之一的密度實現(xiàn)了氣體分子在該空間當中的分布。氣體壓強越高，分子密度越大;氣體壓強越低，分子密度越小，n∝P，n=P/kT。

不考慮與宇宙相關的狀況，對任意超高真空系統(tǒng)，可視其不存在帶電粒子或氣體分子碰撞氣體分子的狀況?；谶@一條件，原子能科學、離子加速器以及電真空器件實現(xiàn)了進一步的發(fā)展。

3.真空環(huán)境內只有極低的頻率會在固體表面上存在氣體分子的碰撞。壓強（單位：托）和碰撞發(fā)生的頻率分別用P和v表示，溫度（單位：K）用T表示，氣體分子量（單位：g）表示為μ，關系式為：v=3.5×1022P/（分子/平方厘米*秒）。

例如，在普通高真空，P=10-6Torr時（1Torr=1mmhg=133.3Pa），室溫下氮氣分子的v=4.5×1014（分子/平方厘米*秒）（一般為每秒幾千萬億次）。假設固體表面會吸附與之發(fā)生碰撞的每一個氣體分子，若氣體分子以5*1014個/cm2的單位量被吸附于固體表面，則其能夠在短短一秒的時間內覆蓋住整個表面。但在高真空系統(tǒng)當中，表面被完全覆蓋的時間以小時計。這一技術為推進表面科學的發(fā)展做出了巨大貢獻。

（二）應用

真空傳熱以及真空制冷都是物理狀態(tài)隨氣壓而改變的實例。若需要在某一環(huán)境內保持低溫，則可以起到保溫隔熱作用的真空就是必須條件。在要求的真空環(huán)境當中，電子槍、日光燈和燈泡等電真空器件才能夠正常工作。無污染的工作表面對微電子技術而言是必須的，高真空條件常見于物理實驗當中，超高真空也常常應用于空間科學以及高能物理。

目前，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)離不開真空技術，空間技術、材料工藝、薄膜技術、表面科學大規(guī)模集成電路以及高能力的加速器等都需要對真空進行利用，其對近代尖端科學技術的發(fā)展而言非常關鍵。

三、真空的獲得與測量

（一）真空的獲得

1.各種類型的真空泵共同運行的條件下能夠獲得真空。目前常見的有兩種類型。

第一種是內吸型，常見的有冷凝泵、濺射離子泵、鈦升華泵以及吸附泵等。也就是封閉系統(tǒng)內的空氣泵當中，其內部固體表面存在吸附的氣體。

另一種是外排型，常見的有分子泵、擴散泵以及機械泵，是能夠向泵體外排出氣體的真空泵。

這兩種類型的真空泵有各自的優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)實際情況進行選擇。

2.真空泵性能指標

啟動壓強：機械泵1個大氣壓，擴散泵0.1Pa。

極限壓強：機械泵0.1Pa，擴散泵0.001Pa。

抽氣速率：機械泵6L/s，擴散泵240L/s。

3.真空泵工作原理

（1）機械泵（見圖1 旋片式機械泵工作原理）

（2）擴散泵（見圖2 三級噴油嘴擴散泵工作原理）

（二）真空的測量

1.真空計分類

熱偶真空計，其測量范圍：102～10-1Pa。電離真空計，其測量范圍：10-1～10-5Pa，另外可測10-2～10-8Pa，102～10-4Pa。

2.真空計工作原理

（1）熱偶真空計：（見圖3）對真空度的測量是基于能夠形成電動勢的熱電偶以及具備熱傳導性質的氣體分子來實現(xiàn)的。

在電流值恒定的條件下，若有越高壓強的氣體存在于玻璃殼當中，組合加熱絲溫度就越容易下降，最終熱電動勢的測量讀數(shù)會較小;若氣體的壓強低，則狀況相反。氣體的壓強通過電動勢的高低來體現(xiàn)。僅通過表頭讀數(shù)是無法得出壓強值的，通常在標定儀表電動勢時會對壓強的絕對測量進行參考。

在首次對熱偶規(guī)管進行利用時，需要先校準面板，以滿偏為標準對加熱電流進行調節(jié)。

（2）電離真空計：（見圖4）所選用的是測量電路和電力規(guī)管共同構成的三極管型電離真空機。

通電的燈絲在達到一定的溫度以后會對電子進行發(fā)射，能夠起到正偏壓加速作用的柵極會所發(fā)出的電子進行加速處理，在其完成了與氣體分子的碰撞之后，板級會對正離子進行吸收，柵極會對電子進行吸收。氣體壓強越高，就會有更多的空氣分子被電離，而空氣分子被電離的量決定了有多大的電流能夠通過板級。在利用比例系數(shù)完成了校準操作以后，就可以用真空度所對應電流量大小來進行指示。

四、實驗內容與操作步驟

1.對開關按鈕以及真空機組進行檢查，確保其狀態(tài)正常。在關閉三通閥、蝶閥以及放氣閥的前提下開機。

2.在將實驗室總電源打開以后，讓械泵以及真空機組的電源保持開啟狀態(tài)，若經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)無法正常脫離的問題存在于電磁閥當中，則在第一時間將機械泵的電源切斷并開展相應的檢查工作。

3.保證能夠在正常狀態(tài)下運轉機械泵以后，處于啟動狀態(tài)的機械泵在排氣時通常會發(fā)出“嗒”的聲音，并產(chǎn)生白色霧氣，這些都是正常的現(xiàn)象，通常是由未開機時間較長、未能夠平衡運轉轉子、負載不夠大以及高壓強的工作環(huán)境造成的。

4.機械泵因排氣所發(fā)出的聲音會在持續(xù)運行5分鐘左右之后有所減弱。讓熱偶真空既保持開啟狀態(tài)，以“測量1”調節(jié)旋轉檔位，在操作正確的情況下能夠觀察到表頭讀數(shù)的變化為：低真空緩慢增加至20Pa，之后再變?yōu)?Pa。接著，在以“測量2”對檔位開關進行調節(jié)之前拉出并鎖定三通閥，調節(jié)完成以后觀察其表頭讀數(shù)變化，應當與“測量1”位置相同，因低真空密封作用存在于電磁閥當中，所以在該過程會伴隨著排氣聲。

5.表頭讀數(shù)顯示5Pa的真空度以后，將三通閥推入，將蝶閥打開，以4-6L/min的流量循環(huán)冷卻水。啟動擴散泵。

6.經(jīng)過30分鐘左右的時間之后，觀察到熱偶真空計表頭度數(shù)逐漸滿偏。

7.在讀數(shù)完全滿偏之后，確認完成了0.1Pa檔位的精度調節(jié)的前提下，開啟電離真空計。

8.充分運行擴散泵的必需條件是沸騰狀態(tài)的擴散泵油，在啟動機械泵之后的35～40分鐘能夠達到該狀態(tài)，這時電離真空計讀數(shù)所對應的真空度會明顯變大。擴散泵與機械泵級聯(lián)持續(xù)了長時間的運行以后，真空度會上升到一個極限值，約為0.001Pa，具體狀況要根據(jù)儀器來看。觀察抽氣速率，對擴散泵和機械泵進行比較。

9.要根據(jù)一定的順序關閉各個儀器，首先是要將蝶閥關閉，接著再將擴散泵關閉，這一操作完成之后等待30分鐘，停止冷卻水的循環(huán)，接著再讓機械泵停止運行，將熱偶真空計關閉，在切斷實驗室總電源之前，應當先確保機組總電源斷開。

10.為了確保真空系統(tǒng)的絕對安全，下列操作不可以出現(xiàn)任何錯誤：

a.電離真空計或者說高真空氣的開啟必須在小于等于0.1Pa的真空度條件下進行，在完成數(shù)據(jù)觀測以后要求必須在第一時間關閉電離真空計。

b.在啟動擴散泵之前一定要保證冷卻水循環(huán)的開啟，預熱操作要求在真空計讀數(shù)達到5Pa時進行，若氣體真空度超過0.1Pa，一定不能使其接觸到高溫擴散泵油，在切斷機械泵電源之前要先冷卻泵油。

c.對突發(fā)的斷電以及斷水狀況開展的應對措施。

11.數(shù)據(jù)處理：

◎編輯 原琳娜