玻璃真空系統(tǒng)及其測量與檢漏

　　為不熟悉工程實際的理科學生設計制造了玻璃制擴散泵真空系統(tǒng)實物模型, 使其直觀地了解真空獲得、測量和檢漏的工作原理。簡述其構造及由此模型可具體理解的內容。

1、玻璃真空系統(tǒng)

　　獲得真空用真空泵。真空泵按工作條件的不同分為兩類: 能夠在大氣壓下工作的真空泵稱為初級泵( 如機械泵) , 用來產(chǎn)生預備真空, 需要在預備條件下才能工作的真空泵稱為次級泵( 玻璃擴散泵) , 次級泵用來進一步提高真空度, 獲得高真空。

　　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;玻璃擴散泵其結構圖1 所示, 擴散泵是高真空泵, 當機械泵的極限真空度不能滿足要求時,通常加擴散泵來獲得高真空。這種泵不能從通常氣壓下開始工作,只能在低于1Pa氣壓下才能工作。因此, 必須與初級泵串聯(lián)使用。

　　擴散泵的液體油有多種, 目前廣泛使用的是3 號擴散泵油( 20℃時飽和汽壓為1.3×10^-6Pa)沸點375℃和275號硅油( 20℃時飽和汽壓為1.3×10^-8 Pa) 沸點430℃。

　　擴散泵開始工作之前, 必須先開動機械泵抽氣, 達到預備真空時( 約1.3 Pa) , 便可以使用電爐對擴散泵蒸發(fā)器中的油進行加熱, 約25～35 min的時間, 便可觀察到, 擴散泵油開始沸騰, 油蒸汽開始順向每一級噴口定向噴發(fā), 形成射流。當硅油加熱至沸騰時430℃, 便產(chǎn)生大量油蒸汽, 蒸汽經(jīng)過導管由各級噴嘴高速噴出, 此時, 由于來自被抽容器的氣體不斷向蒸汽流中擴散,( 便稱擴散泵) 便被帶到下方傘形帽噴發(fā)的射流, 這股射流的壓強大于上一級射流, 氣體分子進入下一級射流, 這一級壓強又大于上一級射流, 而油蒸汽被冷凝水套凝結, 沿著管壁經(jīng)過回油管流回蒸發(fā)器, 被帶到下方的氣體則由機械泵以每秒4 升的速率抽走, 20 min 后可達到擴散泵的極限真空度。這些工作狀態(tài), 只有透過玻璃很容易觀察到,擴散、噴發(fā)和冷凝的過程, 這也是擴散泵名稱的由來, 這些工作狀態(tài)金屬擴散泵是無法觀察到的。使用擴散泵時必須注意:

　�、� 與擴散泵配合的機械泵, 它的抽氣速率必須保證及時排走擴散泵內部所排出的氣體。

　　② 擴散泵工作時冷卻水必須暢通, 否則會使冷凝水套中的水溫過高, 油蒸汽不能很好的凝結, 以致部分蒸汽要沖向被抽容器, 影響泵的抽氣速率和極限真空度。

　�、� 加熱電爐的功率大小也是影響泵的抽氣速率, 所以應選擇適合的電爐。

圖1 擴散泵　　圖2 熱偶真空計

2、真空系統(tǒng)測量

　　真空計是測量真空系統(tǒng)中氣體壓強的儀器,種類很多, 這里介紹的復合真空計是常見的一種, 復合真空計是由溫差電偶真空計與熱陰極電離真空計組合而成。

2.1、溫差電偶真空計的原理

　　溫差電偶真空規(guī)管由玻璃制成, 通過小管8 和真空系統(tǒng)相接, 如圖2 所示, 在規(guī)管內的兩根引線上裝有熱絲3,另外兩根引線上焊著一對溫差電偶4, 溫差電偶的另一端與熱絲在A 點焊接。由于在低壓下, 氣體的熱傳導系數(shù)與壓強成正比, 所以在通過熱絲的電流( 90～150 mA) 一定的條件下, 熱絲的溫度隨著規(guī)管內真空度的提高而升高, 溫差電偶電動勢也就隨之而增大。因此, 通過測量溫差電偶電動勢, 就可確定出被測系統(tǒng)的真空度, 溫差電偶真空計就是根據(jù)這個原理制成的。溫差電偶真空計的電離真空計的測量范圍1～5×10^-2Pa。

2.2、熱陰極電離真空計的原理

　　電離真空規(guī)管就是一只三極管, 如圖3 所示, 通過B 管與真空系統(tǒng)相接, 使用時, 在燈絲電路中通以電流5 mA, 燈絲受熱后便發(fā)射電子, 由于柵極為正電壓, 使電子加速, 中途與氣體分子相碰, 氣體的密度越大, 碰撞機會越大, 產(chǎn)生的正離子也越多。另外, 由于板極電壓為負, 便吸引正離子在板極電路中形成板極電流Ip , 氣體分子密度越大( 即壓強越大) , 板極電流也越大, 反之就小。所以, 通過測量板極電流便可以確定氣體的壓強, 熱陰極電離真空計就是根據(jù)這個原理制成的。熱陰極電離真空計是測量極高真空的儀器,測量范圍為1×10^-2～1×10^-5 Pa。注意: 一旦測量完結, 立刻關閉電離真空規(guī)管燈絲, 這樣可延長規(guī)管使用壽命。

圖3 電離真空計　　圖4 復合計真空計