真空的获得与测量

真空的获得与测量

物理071班 陈文龙 07180118

【摘要】了解真空的获得与测量的方法原理，熟悉熟悉获得真空的机械泵和油

扩散泵，以及测量真空的热偶真空计和电离真空计等实验仪器的结构组成，掌握它们的性能及操作方法。

【关键词】真空度、真空泵、真空计、水冷、极限压强 【引言】

“真空”泛指低于一个大气压的气体状态，真空技术的历史开始于1634年，当时，托里拆利将一端密封的长玻璃管注满汞并倒置于盛有汞的槽里，发现汞柱顶端产生真空。但是真空技术作为一门的学科出现，只是近几十年的事。自二十世纪初起，随着电子管的研究和生产，逐步建立起了能够获得与测量压强低于10-7Torr的高真空设备与技术；到二十世纪五十年代，随着表面物理、原子能物理，以及半导体、电子计算机、航空技术的迅速发展，发展了超高真空技术（10-8—10-11Torr）；到二十世纪七十年代，又进一步提高到压强低于10-11Torr的极高真空。目前，真空技术在近代尖端科学技术，如高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等工作中都占有关键的地位，在一般工业生产中的应用则种类繁多，包括化学工业、医学工业、制盐制糖工业、食品工业、电子工业等。

真空状态下气体的稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。真空度越高，气体压强越低，气体分子越稀少。根据压强值的不同，大致可分为五个区域：粗真空760～10托，低真空10～10-3托，高真空10-3～10-8托，超高真空10-8～10-12托，极高真空小于10-12托。

【实验方案】

一、实验原理

压强差是造成气体在管道内定向流动的原因，而且气体总是从高压强端流向低压强端。在真空系统中，真空泵的作用正是如此。它使被抽容器出口至泵进气口的连接管道两端造成压强差。使容器中的气体分子不断减少，从而获得真空。1、真空的获得

获得真空要用真空泵。它是应用机械的、物理的或化学的方法制成为能够达到抽气目的的设备或元件。按其工作条件及作用，真空泵可分为两大类：一、能直接在大气压下工作的真空泵称为前级泵，用以产生预备真空；二、需在一定的前置真空条件下才能开始工作，以继续提高真空度的真空泵称为次级泵。在实验中我们采用机械泵作为前级泵，油扩散泵作为次级泵。

真空的获得是通过真空泵的“抽气”作用来实现的。所谓“抽气”是真空泵静候容器中的气体分子在无规则运动中自动地跑进泵口，然后通过真空泵内的某种机构将它们排出泵外。与此同时又阻挡容器外的气体分子通过真空泵逆向进入容器。

用真空泵对容器进行“抽气”，用到机械泵和油扩散泵：机械泵是利用机械旋转造成“吸气”和“排气”过程以获得真空，它的极限真空约为10-1Pa（但由

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真空的获得与测量实验报告

于各方面原因，我们使其达到10-1Pa），这主要由机械泵的饱和蒸气压以及机械加工的精度决定；油扩散泵是利用气体的扩散性质制作的，它能获得比机械泵更

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高的真空度，工作压力范围是10—10Pa，启动压强为6.7Pa，所以在实验要先用机械泵将真空度抽到6.7Pa以下，然后再用油扩散泵来获得高真空。 2、真空的测量

测量真空用真空计，它是测量真空系统中气体压强的仪器。真空计可分为绝对真空计（如：U形压力计，麦克劳真空计等）和相对真空计（如：电阻真空计、热偶真空计、电离真空计、放射真空计等）两类。相对真空计必须经过校准后方可使用。真空计的性能一般可用测量范围、灵敏度、寿命及响应时间等指标来衡量。真空计测量真空度一般是利用一些便于测量的物理现象，而这些物理现象与压强或气体密度有某种已知的确定规律，通过对这些物理现象的测定来间接“推出”压强的数值。

对真空度的测量一般是用热电偶真空计和电离真空计，热电偶真空计用来测量低真空时的压强，电离真空计用来测量高真空时的压强。 二、实验过程

1、接通冷却水，使冷却水首先经过挡油器的冷却水管，再进入油扩展泵排气管水嘴，最后从油扩展泵上部水嘴排出；

2、准备好真空测量仪器，接好电源；

3、打开复合真空计，对热偶真空计预热10分钟；

4、开启机械泵，打开三通阀，用热偶真空计测量低真空，直到机械泵对真空室预抽至6.7 Pa以下，记下机械泵所能达到的极限真空度为3.6Pa；

5、当系统真空度达到6.7Pa以下时，关三通阀，接通扩散泵冷却水，逐渐加热油扩散泵约40分钟；

6、开高真空阀，当热偶真空计上显示真空度要接近10-1Pa时，应使热偶真空计断开，等待一会儿，确保真空室压强低于10-1Pa时，接通电离真空计（打开灯丝开关预热10分钟），进行高真空测量；

7、每隔一段时间记录一组数据；

8、测量完毕后，先关电离真空计，接着关高真空阀，并停止油扩散泵加热； 9、待油扩散泵冷却后，开三通阀，使油扩散泵和真空系统处于低真空状态； 10、待油扩散泵完全冷却后，关闭冷却水与机械泵，整理好实验仪器，等老师确认无误签字后，离开实验室。 三、数据记录及处理

真空室压强与时间关系图3真空室压强(10-2帕)2.521.510.50123456710时间（分钟)真空室压强（10-2帕）

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真空的获得与测量实验报告

真空室压强（10-2帕） 2.4 2.1 2.05 2 1.8 1.73 1.6 1.7 1.5 1.53 时间（分钟） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 四、实验总结 在真空的获得实验中，由于仪器相对复杂，导致我们不会操作，反映了我们自行阅读说明书的能力还有待加强。同时由于仪器的使用要求比较高，这就进一步要求我们能够清楚的了解仪器的使用条件，小心使用。 在实验中要注意以下三点：

1、对于电离真空计，要做到只能在压强小于0.1Pa时才能使用，并且在使用时时刻关注是否满足其使用条件，并在实验结束后最先关闭；

2、对于油扩散泵，只有在真空室压强小于6.7Pa后，才能开启工作，并且在工作之前需要先预热，在实验结束后，要在关闭电离真空计后立刻关闭高真空阀与油扩散泵；

3、对于冷却水，要先通冷却水，再开始油扩散泵预热，并在实验结束后，等油扩散泵完全冷却后才能停止，在实验中，要保证水循环畅通。

思考题：如何确定热偶真空计两个测量档中哪个对应测量真空室压强，哪个对应测量真空系统的压强？

答：当油扩散泵未开启以及三通阀打开时，两档测量所得压强应该是一致的。当压强达到6.7Pa以下时，油扩散泵可以工作，那么必须关闭三通阀，打开高真空阀，此时由于油扩散泵的工作，真空室的压强应该是逐渐降低，而真空系统的压强应该是缓慢升高的，可以以此来确定热偶真空计的两档测量档所对应测量的地方。

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