真空技术及真空计量基本知识.pdf

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1、第二章第二章 真空计量基本知识真空计量基本知识一、真空1.11.1 真空、理想气体状态方程、气体分子的热运动真空、理想气体状态方程、气体分子的热运动地球的周围有一层厚厚的空气，称为大气，人类就生活在这些大气中。空气有一定的质量，在通常状况下，大约为 1.29g/l，可以说是很轻的。但地球周围的空气非常密，在几十公里以上的高空还有空气存在，这么厚的一层空气受地球引力作用，就会对地面上的一切物体产生压力，这就是大气压。早在17 世纪，托里拆利就通过实验证实了大气压强的大小。通常一个标准大气压约等于 0.1MPa，相当于 760mm 左右的汞柱所产生的压强。真空是指低于一个大气压的气体空间，但不可理

2、解为什么都没有。真空是同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。按照阿佛加德罗定律1mol 任何气体在标准状况下，有6.0221023个分子，占据22.4L 的体积。由此我们得到标准状态下气体分子的密度为310 个/cm。在非标准状况下，当气体处于平衡时，满足描述理想气体的状态方程理想气体的状态方程。式中的 N 为气体的摩尔数，P 为压力（Pa）,T 热力学温度，为波尔兹曼常数，=1.3810-23J/K。因此在非标准状况下，气体分子数密度及压力和温度有关。每立方厘米中的气体分子数可以表示为：193 N p kTVn 7.24106PT式中 n 为气体分子数密度（cm-3），由此可见，即便在P

3、1.31011Pa这样很高的真空度时，T=293K时，每立方厘米的空间中仍有数百个气体分子。因此所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。同时我们也可知，气体分子数密度在温度不变时，及压力成正比。因此，真空度可用压力来表示也是以此为理论依据。在真空抽气过程中，一般可认为是等温的，我们说容器中的压力降低了或气体分子数密度减少了都是正确的。1.21.2 气体分子的热运动气体分子的热运动从微观的角度看，气体是由分子组成的，所有分子都处在不断的、无规则的运动状态。分子的这种运动及温度有关，因此我们称之为热运动。做无规则运动的气体速度不都具有相同的值，而是形成一个各种1/19速度的速度分布，具有最大速度和

4、最小速度的分子数都比较少，而具有“中等”速度的分子数比较多，速度的分布是有规律的。容器中的气体，施于器壁或测量元件的压力，是大量气体分子不断对他们进行碰撞的结果。我们知道，所有气体分子都在以各种可能的速度和方向无规则的运动着，随时都有一部分分子碰撞到器壁或测量元件上，并把它们的动量传递给被碰撞的物体，对于一个分子来讲，它每次碰撞在什么地方，有多大的动量都是偶然的，不确定的。但对于容器中的大量分子而言，每时每刻都有许多分子碰撞到器壁和测量元件上，按照统计规律，这种碰撞是恒定的、持续的、确定的，从宏观上表现出来的，就是压力。因此从分子运动的观点看，气体压力是由于大量气体分子做无规则的热运动，对物体

5、表面施加碰撞的统计平均结果。1.31.3 真空的特点真空的特点在低于大气压力的稀薄气体中，气体所显示的第一个特点是气体分子数目的减少,即单位体积内所具有的分子数目的减小.低压气态空间所显示的第二个特点是随着分子数目的减少,分子间、分子及器壁之间相互的碰撞次数也逐渐的减少下来。随大气压力降低，每秒种内碰撞到每平方厘米表面积上去的分子数是在不断减少的。低气压状态中，气体的第三个特点是气体分子热运动自由程的增大。所谓自由程，是指一个气体分子在其热运动过程中，彼此之间不断发生碰撞，一个分子及其它分子每连续两次碰撞之间所走的路程。由于分子运动速度不同，运动情况不同，单独讨论某一个分子的自由程是无意义的，

6、因此通常采用平均自由程的概念，它定义为相当多的不同自由程的平均值。平均自由程也只有统计的概念。理论和实验表明，气体分子的平均自由程可以用下式表示其中为分子直径，p 为压强，T 为气体温度，k 为玻耳兹曼常数。kT22p二、真空的度量根据上面的讨论，我们可以看出，在真空中气体分子数目、气体分子间相互碰撞次数及气体分子碰撞到空间任何物体表面上去的次数都有着明显的减少。随着气态空间分子数的减少，即出现了真空度不断提高的过程。所谓真空度，就是空间中气态物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低压力及高真空或高压力及低真空，在含义上是完全相同的。在真空技术中由于真空度2/

7、19和压强有关，所以真空度的度量单位是用压强来表示。压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），简称帕，是目前国际上推荐使用的国际单位制。我国采用国际单位制。1958 年，第一届国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。托（Torr）是最初获得真空时被采用的真空技术中的独特单位，实际上也是 1mmHg 柱所产生的压强。两者的关系为1Torr=133.322Pa=1mmHg。还有一种压强的计量单位是巴(bar),1 bar=105 Pa，它的常用单位是毫巴(mbar)，1mbar=10-3bar=100Pa，这也是我们镀膜线控制界面所用的压强单位。三、真空的划分有了度量

8、真空度的单位，就可以定量表示真空度的高低了。但在习惯上，人们只需要指出真空状态的大致情况时，采用划分真空区域的方法是比较方便的。根据我国制定的国标，真空区域大致划分如下：低真空区域105-102Pa（760-1 托）中真空区域102-10-1Pa（1-10-3托）高真空区域10-1-10-5Pa（10-3-10-7托）超高真空区域 10-5Pa（10-7托）3.13.1 低真空区域低真空区域在低真空情况下，气体分子的平均自由程小于 10-4cm，分子数密度还很高，在容器壁上经常保留着一个被吸附的气体层，容器内部气体分子由于不断及其它分子发生碰撞，所以运动轨迹是一个平均自由程远小于容器尺寸的空间

9、折线。如图1 示。图 1 低真空下气体分子的运动轨迹d在高真空情况下，由于离开器壁的分子不能及其它分子碰撞返回器壁表面，所以器壁上，至少是大部分器壁上已不能保留布满气体分子的吸附层。在高真空情况下，如果真空容器的内部存在一个蒸发源，例如真空镀膜的蒸镀物质，由于蒸发的原子不可能因及其它分子碰撞而返回蒸发源，所以蒸发速度可以达到该温度下的最大值。另外，从蒸发源飞离的蒸发原子，将不改变方向，一直碰到器壁或屏上，并凝结在那里。冷凝的蒸镀层只在屏朝向蒸发源的那一面和器壁不被遮挡的部分出现，如图4 所示。如同蒸发源是一个点光源一样。这就是真空镀膜的基础。在高真空情况下，气体的热传导能力及压力有关，压力越低

10、，热传导能力越差。绝热性能越高。这是因为压力越低，载热分子数越少的缘故。像杜瓦斯、保温瓶等都是利用了这一原理。四、蒸汽所谓蒸汽（又称可凝性气体），是相对于永久气体（或称非可凝性气体）而言的。对于任何一种气体，都存在着一个临界温度，在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫凝结。凝结的逆过程，即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率，单位是 kg/(m2 s)。在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率大于凝结率，则宏观上

11、表现为液体的蒸发；若蒸发率小于凝结率，则宏观上表现为蒸汽的凝结；二者相等时，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应温度下的饱和蒸汽压 PS。物质的饱和蒸汽压 PS随着温度升高而增大。5/19在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前可以使用理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，理想气体定律不再适用，气体的饱和蒸汽压 PS只及温度有关，在特定温度下是一个定值。只要保持温度恒定，饱和蒸汽压就不会改变，容积减小，将有一部分蒸汽分子凝结成液体；反之增大容积，又会有一部分液体变为气体。饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题。以最常见的

12、旋片泵为例，如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大，在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前，水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压，那么继续压缩的过程中，就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中，无法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽，增大吸气侧的水蒸汽比例和压力，导致泵的抽气能力和极限真空的下降。解决这一问题的一个传统方法是加气镇，即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在达到饱和前便被排出。水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计的精确使用。测量读数时，如果测量管内经过压缩的气体中，水蒸汽的分压力低于当时饱和蒸汽压，那么读数显示的是水蒸汽和永久气体的压力；若水蒸汽已经达到饱

13、和发生液化，那么读数会比永久气体的分压力高一些，无法得到准确的数据。为消除水蒸汽对测量的干扰，常在麦氏计上安装一个低温冷阱，这样测得的就只是永久气体的分压力。液体（或固体）在真空中蒸发（或升华）变成蒸汽时需要吸收热量，称为汽化热。这种现象有时也会给真空操作带来问题，比如在大型真空装置中积存一些水，抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除，而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰，余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发，从而会延长抽真空的时间。五、气体吸附气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在表面上,形成单层或多层气体分子层的现象叫做吸附。发生吸附作用的原因是由于固体表面存在着力场。根据吸附力的不同,气体吸附可分

14、为物理吸附和化学吸附。物理吸附是气体分子受范德瓦尔斯力的吸引作用而附着在吸附剂表面之上,其特点是吸附较弱,吸附热较小,吸附不稳定,较易脱附,但对吸附的气体一般无选择性,温度越低吸附量越大,能形成多层吸附,分子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。化学吸附是靠固体表面原子及气体分子间形成吸附化学键来实现的,及发生化学反应相类似,同物理吸附相比,化学吸附的特点是吸附强,吸附热大,稳定不易脱附,吸附有选择性,温度较高时发生化学吸附的气体分子增多,只能紧6/19贴表面形成单层吸附(在化学吸附的分子上面还能形成物理吸附),溅射离子泵和电子管中吸气剂的吸气作用就包括化学吸附。气体吸附的逆过程,即被吸附

15、的气体或蒸汽从表面释放出来重新回到空间的过程,称为脱附或解吸。解吸现象可以是自然发生的,也可以是人为加速的。自然解吸有两种情况,一是从宏观平均地看,每个吸附气体分子在表面停留一段时间后,都要发生脱附飞回空间,这时也会有其它气体分子发生新的吸附,在气体温度压力一定的条件下,吸附速率及脱附速率相等,表面上的气体吸附量维持恒定;另一种情况是在抽真空的过程中,空间气体压力不断降低,表面上脱附速率大于吸附速率,气体吸附量逐渐减少,气体从表面上缓缓放出,这种现象在真空中叫做材料的放气或出气。工程中最关心的问题是表面上的气体吸附总量和抽真空时表面的放气速率,但至今还没有很准确通用的计算方法,只能从实验经验中

16、总结出:在低真空阶段,表面吸附及表面放气及空间气体相比,数量很小,其影响可以忽略不计;在中真空阶段,表面放气量已接近空间气体量,对二者应同样重视;进入高真空乃至超高真空阶段,表面放气(不计系统漏气时)已成为主要气体负荷,放气的快慢直接影响着抽空时间。通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生,在真空技术中叫做去气或除气.人工去气可以缩短系统达到极限真空的时间;可以获得没有气体分子遮盖的清洁表面。加热烘烤去气方法通过提高吸气表面的温度,增加分子热运动能量来促进解吸,边加热边排气,常用于超高真空系统容器内表面及内部构件的去气和真空电子器件内灯丝等内部金属元件的去气；离子轰击去气方法一般是在空间形

17、成气体放电,产生离子体区,高能离子轰击待清洗的固体表面,产生气体溅射,使吸附气体发生脱附,这是一种相当有效、简捷迅速的除气手段,在薄膜技术、表面科学等有气体放电条件或有离子源的设备中广泛采用。六、真空的获得真空技术在不同领域中应用，对真空度的要求各不相同，在实践中，人们根据不同需要研制了各式各样的真空泵或抽气方法，它们形状不同，原理各异。目前用以获得真空的技术方法有两种：一种是通过某7/19些机械的运动把气体直接从密闭容器中排出；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上。图 5 各种真空泵的工作范围图 5 给出了各种原理的真空泵的工作范围。真空系统除了真空泵以外，还有被抽容

18、器、连接件、阀门、导管等。在真空泵启动之前，假设整个真空系统没有漏气的部位，内部也不存在放气源，抽气系统中压力处处相等，气体不存在宏观流动。启动真空泵，真空泵处的压力首先降低，气体开始沿着从容器导管真空泵的方向流动，随着气体的不断被抽出，系统中的压力不断降低，在工作相当长的时间后，容器、管道和真空泵入口处的压力逐渐趋于平衡并达到一个极限值，达到这种状态后，不管真空泵再继续工作多长时间，也不可能提高系统的真空度，此时达到了该真空泵所能达到的极限值。由于极限值的存在，至今还没有一种泵能直接从大气压一直工作到超高真空。因此，为了获得高真空，通常采用几种泵组合起来使用。根据真空泵在真空系统中所承担的工

19、作任务，我们可以分为：粗抽泵：粗抽泵：从大气开始降低系统的压力到另一抽气系统开始工作的真空泵。前级真空泵：前级真空泵：用于维持另一个泵的前级压强在其最高许可的前级压强以下的真空泵。主泵：主泵：在真空系统中，用来获得所要求的真空度的真空泵。增压泵：增压泵：工作在低真空泵和高真空泵之间，用以提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气速率要求的真空泵。根据真空泵的工作范围，还可以把真空泵分为：粗（低）真空泵：粗（低）真空泵：粗、低真空泵是指从大气开始，降低被抽容器的压强后工作在低真空或粗真空压强范围内的真空泵。高真空泵：高真空泵：真空泵是指在高真空范围工作的真空泵。超高真空泵：超高真空泵：高

20、真空泵是指在超高真空范围工作的真空泵。真空泵的主要参数包括如下几个：极限压强：极限压强：极限压强又称极限真空，它是指泵在入口处装有标准试验罩，并按规定条件工作，无其它引入气体并正常工作的情况下，趋向稳定的最低压强。8/19抽气速率：抽气速率：抽气速率一般用符号S 表示，单位是m3/s（秒）或l/s（秒），抽气速率是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量及在试验罩指定位置（通常是泵口出）测得的平衡压强之比。简称泵的抽速。S=QG/P起动压强：起动压强：泵在无损坏起动并有抽气作用时的压强。启动压强是一个重要参量，使用真空泵时必须在低于启动压强时才能启动，否则会造成无可挽回的

21、损失。例如机械泵，在大气压下可以正常启动，但扩散泵就必须低于启动压强时才能启动。前级压强：前级压强：排气压强低于一个大气压的真空泵的出口压强，单位是Pa。临界前级压强：临界前级压强：扩散泵等所许可的最高前级压强，超过了此值将导致泵损坏。了解泵的临界前级压强对设计真空系统，合理选择前级泵是十分重要的。如果前级泵无法保证入口管道中的压强低于及其串联的主真空泵的临界前级压力，主真空泵就不能正常工作，甚至造成损坏。真空泵是一个真空系统获得真空的关键。下面根据工作原理的不同我们主要介绍如下几种真空泵：6.16.1 机械泵（旋片泵）机械泵（旋片泵）获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内

22、吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。如图 6(1)所示，旋片式机械泵通常由定子、偏心转子、旋片等结构构成。定子为一圆柱形空腔，空腔上连接进气管和出气阀门，转子顶端保持于定子的圆柱空腔内切位置上。转子上开有槽，槽内安放了由弹簧连接的两个旋片。当转子旋转时，两旋片的顶端始终紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达带动的，整个空腔置于油箱中，油起到密切、润滑和冷却的作用。9/19图 6-1 旋片泵结构图图 6-2 旋片泵的工作原理图图 6-2 是旋片泵的工作原理图。当转子顺时针转动到A 旋片通过进气口（图 6-2-1）时，空气由被抽容器通过进气管被吸入。随着转子的转

23、动，A 旋片及进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当到达图 b 位置时，吸气区域达到最大。旋片继续运动，转子达到一定位置时，B 旋片把被吸入气体的区域及被抽容器隔开，并将气体不断压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，之后进入下一个循环，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。旋片式机械泵可以直接在大气压下开始工作，其极限真空度可达1.3310-2Pa。旋片式机械泵的极限压强主要取决于：1、定子空间中两空腔间的密封性，因为其中一空间为大气压，另一空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；2、排气口附近有一死角空间，旋片移动时它，此空间不可能趋于无限小，因此不

24、能有足够的压力去顶开排气阀门；3、泵腔内密封油存在一定的蒸汽压。旋片式机械泵使用时必须注意以下几点：1、启动前先检查油槽中的油液面是否达到规定的要求，机械泵转子转动方向及泵的规定方向是否符合（否则会把泵油压入真空）。2、机械泵停止工作时要立即让进气口及大气相通，以清除泵内外的压差，防止大气通过缝隙把泵内的油缓缓地从进气口倒压进被抽容器（“回油”现象）。3、泵不宜长时间抽大气，否则因长时间大负荷工作会使泵体和电动机受损。6.26.2 分子泵分子泵10/19当气体分子碰撞到高速移动的固体表面时，一般不作弹性反射，而是在表面停留很短的时间，然后在离开表面时将获得及固体表面速率相近的相对切向速率，这就

25、是动量传输作用。涡轮分子泵就是利用这一现象而制成的。即它是靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走，而使被抽容器获得高真空的一种机械分子泵。图 7 涡轮分子泵的结构示意图右图 7 是涡轮分子泵的结构示意图。它的工作原理是基于叶轮转子上的叶片和定子圆盘上的槽缝相互组合形成特定的形状，当叶轮转动时，从进气口一侧扩散进入泵腔中的气体分子有较大的几率运动向出气口一侧，从而实现抽气的功能。在图7 中转子轴上安装了许多斜开缝的圆盘（构成叶轮），在这些转子圆盘之间对应的是定子圆盘，定子圆盘上也开有斜缝，斜缝的方向及转子上的斜缝相反，当转子高速旋转时，气体分子从上部进气口进入，在转子和定子的

26、作用下，分成两股，向左或向右被压缩到靠近泵轴的两端，汇集至下部出口，被前级真空泵抽走。由于分子泵是工作在气体分子流状态下，它要求有一定的前级压强，一般在 10-1Pa 左右，因此分子泵工作需要加前级真空泵。普通机械泵的极限压强可以满足分子泵前级压强的要求，因此工作时把分子泵和机械泵串联使用，使分子泵的出口接到机械泵的入口，首先启动机械泵，达到分子泵要求的前级真空后再启动分子泵，就可以实现高真空。用分子泵抽真空，对真空系统造成的污染的来源是分子泵轴承上润滑油的蒸汽，为此，常在轴承上加水冷却以减少油气蒸发。及其他常用真空泵比较，分子泵是比较“干净”的一种。它的缺点是结构复杂，价格较高；由于高速旋转

27、，不能在磁场中使用，否则会产生涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果；两外分子泵对氢气等轻质气体的抽速较小。6.36.3 罗氏泵罗氏泵11/19罗氏泵又称为机械增压泵，它是具有一对同步高速旋转的 8 字形转子的机械真空泵。如图 8 示，罗氏泵是即应用了分子泵的原理，又利用了旋片泵的变容积原理制成的。罗氏泵的特点是转子及泵体、转子及转子之间保持不大的间隙（约 0.1mm），缝隙不需要油润滑和密封，故很少有油蒸汽污染。由于这一结构，转子及泵体、转子及转子之间没有摩擦，因此允许转子有较大的转速（可达 3000 转/分）；此外，罗氏泵还具有启动快，振动小、在很宽的压强范围内（1.331021.33Pa）具

28、有很大的抽速等特点图 8 罗氏泵的工作原理七、真空测量仪表真空测量主要是指测量某一特定稀薄气体空间的气体压强，真空测量所使用的仪器或仪表称为真空计（表）。真空测量具有如下特点：1、测量范围宽，被测真空度范围从大气压105 Pa 到压强趋于零的 10-13Pa，跨越了 19 个数量级；2、大部分真空测量仪器或方法都是利用了低气压气体某些可测物理量及气体压强有关，通过测量及压力有关的物理量来确定气体压强而进行的相对测量；3、大部分真空测量仪表的测量结果及气体的种类及成分有关，在我国计量检定部门对真空计进行校准时统一使用高纯度氮气；4、真空测量易受其它微小量的影响，尤其是在高真空和超高真空下。常用的

29、真空计有电容式薄膜真空计、热偶式真空计及电离真空计。7.17.1 电容式薄膜真空计电容式薄膜真空计12/19图 9 电容式薄膜真空计测量规管结构原理图1.外壳2.电极3.电极4.真空室5.真空室图 9 是电容式薄膜真空计测量规管的结构原理图。电极2 将整个真空计管内部分成了真空室 4 和真空室 5，分别有参考压强 P2和测量压强 P 1。当 P1=P2时，电极 2 处于平衡位置，此时，电极2 和电极 3 之间的电容量 C=C0，如果电极2 两侧压强不同，即P1P2，电极2 将受到压力而变形，则两电极之间距离发生变化，电容量 C 也相应变化。电容量C 不同，P1及 P2的差也不同，所以，可以根据

30、电容量C 的大小测定出 P1及 P2的差值。在设计制造时，对真空计真空室4 抽真空，使得 P 2 很小，即 P2P1，忽略 P2，P1及 P2的差值可以被认为是 P1也就是被测系统的真空度。从结构可以看出，电容式薄膜真空计最大的优点是抗污染性好，容易清洗，特别是材料选用优质合金，可大大提高其耐腐蚀性，因此，电容式薄膜真空计具有热偶真空计的一切优点而克服了其缺点，可广泛应用于电力设备真空干燥浸渍工艺过程中及其它有污染、有腐蚀性气体的系统中。它的量程宽(1105Pa110-2Pa)，精度高，稳定性好，测量结果及气体种类无关，特别是可以测量蒸汽和腐蚀性气体的压力。7.27.2 热传导真空计热传导真空

31、计图 10 气体热传导 Q 及气体压强 P 之间的关系13/19由气体分子运动论可知，在高压强(低真空)时，气体分子热传导及气体压强无关。在较低压强(较高真空)时，气体热传导及气体压强成正比，此时，压强(真空度)变化，气体热传导也相应地改变，这就是热传导真空计的理论基础和设计原理。图 10 是气体热传导 Q 及压强 P 的关系。随着科学技术的进步和测量技术的发展，目前热传导真空计的测量上限已经延伸到了大气压，即1105Pa，它的测量范围一般为 103-10-1Pa。热传导真空计主要是由热偶规管和测量仪两部分组成的。图 11 是热传导真空计原理图。在规管中间固定着一根金属丝，金属丝通以一定的电流

32、，加热金属丝。金属丝产生的热量 Q 将以如下三种方式向周围散发：通过气体分子碰撞灯丝所带走的热量Q1、灯丝的热幅射量 Q2、热丝本身及引出线传导走的热量Q3；即：Q=Q1+Q2+Q3达到热平衡时，灯丝温度 T 为一定值。此时，Q2、Q3 及规管中气体压强无关，在热平衡状态下，Q2、Q3 是恒定的值，而 Q1 在一定压强范围内及规管中气体的压强有关，压强越高，气体分子数多，碰撞次数多，灯丝被带走的热量就多，灯丝温度变化就大。因此通过测量热丝的温度可以得出被测系统内的压强(真空度)。测量热丝温度常用的方法有两种，一种是用热电偶直接测量热丝温度及其变化，以这一原理制成的真空计称为热偶真空计。另一种是

33、通过测量热丝电阻及其变温度及其变化。以这一原理制成的真空计称为电阻真空计。化，反映热丝图 11热传导真空计原理图1.外壳2.引出线3.热丝14/19图 12 热偶真空计测量规管结构原理图图 13 电阻真空计结构原理图1.外壳2.加热丝 aob1.热丝2.外壳3.基座3.热电偶 cod4.基座热偶真空计测量规管结构原理见图 12。真空计工作时，接通热丝 aob 电源，开始加热热丝，热量通过结点 o 传到热偶 cod 的工作端，热偶cod 另两端通过基座连接到仪表上。当管内压强(真空度)变化时气体热传导能力发生变化，在保持热丝加热电流一定时，热丝的温度就会发生变化，这就使得热电偶的温度也相应变化。

34、经过一定的信号处理，即可通过仪表根据热电偶的温度及变化测量出其压强(真空度)。电阻真空计又称皮拉尼真空计，它由测量规管和测量电路两部分组成，测量规管结构原理见图 13。热丝是用电阻温度系数大的材料如钨、镍、铂等金属或半导体热敏电阻等制成，它们对温度的变化反应灵敏。工作时，热丝的加热电流保持恒定。被测真空系统内压强(真空度)发生变化时，管内气体热传导也会发生变化，导致热丝温度变化，相应地热丝的电阻值就会发生变化。通过测量热丝电阻变化，即可测出真空系统内的压强(真空度)。及压缩式真空计不同，热传导真空计(包括热偶真空计和电阻真空计)的测量结果是气体的全压强，而不是分压强。它能真实地反映被测系统的真

35、空度，并且可以连续测量记录系统中压强(真空度)及其变化。可通过导线进行远距离测量和控制，可方便地接到微机上实现自动化，通过微机对工艺过程进行自动测量、控制。目前，许多热传导真空计本身就带有打印和控制装置。热传导真空计最大的缺点是读数及外界环境关系密切，室温变化对测量准确性影响较大，读数误差可达到一倍；而且热丝表面的污染对测量准确性也有影响，为保证真空计稳定地工作，必须经常对热丝表面进行仔细地清洁处理，并对真空计定期进行校准。由于气体的热传导性质和气体种类有关，所以不同的气体测量结果是不同的，热传导真空计的校准曲线随15/19气体种类的不同而不同。7.37.3 电离真空计电离真空计普通热阴极电离

36、真空计的结构形式如同一个圆筒型三极管。它的工作原理示意图如图14 所示。图 14 热阴极电离规管示意图及工作原理图F：阴极A：加速极C：收集极它的三个级是：发射电子的阴极F，螺旋形加速级A 和圆筒状的收集极 C，通常封装在玻璃管壳内。在加速极 A 上加正电位，在收集极 C 上加负电位，工作时，阴极灯丝通电加热，产生热电子发射。发射的热电子受加速正电场的作用，飞向加速极，但由于加速极是螺旋形结构，各圈之间有一定的较大间隙，所以只有小部分电子被加速极吸收，其余大部分电子能穿越过加速极飞向收集极。当这些电子靠近收集极时，由于收集极处于负电位，因此又被负电场排斥推向返回灯丝。同样由于灯丝处于负电位，电

37、子由减速而反向运动，不断重复上述过程。这样电子就在加速极附近大大延长了飞行路径，电子在飞行中及气体发生碰撞，使气体分子电离。电子飞行路径越长，气体分子被电离的几率就越大。正离子飞向带负电压的收集极，失去电荷，在收集极上形成电流。通常收集极上的电流用 I+表示，电子被加速极吸收，在加速极回路上形成电流 Ie，称为发射电流。实验证明，当气体压力低于 10-1Pa 时，I+及被测系统中的压力P 成正比，及发射电流 I0 成正比。引入系数 S，可写成P 1 IS Ie系数 S 称为规管常数，或规管灵敏度。它表示单位气体压力和单位发射电流下产生的离子流大小，单16/19位是 Pa-1。规管的 S 值需要

38、标准装置校准来确定。八、真空系统的检漏真空系统是由真空泵、管道、真空容器及阀门等部件组合而成，尽管在装配时已经注意了防止一切可能的漏气，但漏气现象仍然是不可避免的。所以寻找和发现真空系统的漏孔，将它们消除或限制在可允许的范围内，是真空技术经常遇到的问题。判断真空系统是否漏气需要一定的方法。在漏孔比较大的情况下，凭经验往往能立刻判断是否存在漏气，例如听漏气声或真空泵的声音。在漏孔较小的情况下，往往难以迅速做出判断。在这种情况下，绘制压力-时间曲线是常用的判别方法之一。首先开通整个真空系统，启动粗真空泵，使系统达到可能达到的最低压力，然后用阀门切断真空泵和系统，通过连接在系统上的真空计观察压力随时

39、间的变化，记录数据并绘制曲线。如果切断真空泵后，系统中压力开始升高，但升高的速度逐渐变慢。压力升高到一定的值P1 后就不再升高，而是长时间维持一个稳定值。这种情况说明压力升高不是漏气引起的，而是系统内部存在着放气源。如果切断真空泵之后系统压力直线升高，能一直升高到及外部大气压平衡，这说明系统存在漏气。漏气速率：漏率是指在规定条件下，一种特定气体通过漏孔的流量。设关闭阀门后系统中的压力由 P1在时间 t 内升高到 P2,漏率应为QGLP2 P1Vt式中 V 表示真空系统的容积。QGL的单位是 Pa.l.s-1。寻找真空系统的漏气位置主要有：1、压力检漏法，主要用于待检验系统内部压强大于外部压强时

40、，如气压法。气压法是用一定的方法或仪器从容器外部检测出从漏孔中泄漏出的示漏物质量，从而判断出漏孔的位置及漏率的大小。具体方法是将高压气体充入被检装置中，观察气体是否逸出。一般充入N2气或干空气。观察时，在可疑处涂肥皂墨，有气泡出现就说明该位置漏气。对于检查玻璃真空系统，也可用高频火花检漏仪，其内部是一个高频变压器，输出的高频电压可激发空气放电，产生电火花。当检漏仪靠近漏孔时，电火花形成一股线条，集中到漏气孔，并钻入真空系统。而无漏孔时，保持原来杂乱无章的散射。2、真空检漏法，主要用于被检容器内压强小于外界压强时，如氦质谱仪检漏法。氦质谱仪检漏法是目前灵敏度最高的检漏方法，可检出 10-7-10

41、-11Pa.l.s 的漏孔。它的工作原理是以氦气作为示漏气体，以检测到氦气的多少来进行检漏。当有质量不同的原子在仪器电离室中电离成各带电荷的正离子，离子在加速区受到静电场的加速作用，获得一定动能后进入磁场，受磁场作用作圆周运动，不同离子具有不同的偏转半径，只17/19有偏转半径及质谱仪的几何半径相同的离子才能穿过出口狭缝达到收集极形成电流。当用氦气做示漏气体时，调整电场强度使氦离子流正好到达收集极，则在检漏时，被检漏系统若中泄漏，则会有氦原子扩散至氦质谱检漏仪中，仪表中会有读数反映出系统有漏孔。图 15 氦质谱检漏示意图检漏时，首先将氦质谱仪连接到被检漏的真空系统上，用氦质谱仪中的真空泵对整个

42、真空系统抽真空，达到氦质谱仪的工作压力。如果因为漏孔大，仅用氦质谱仪中的真空泵不能达到质谱仪的工作压力，还需要使用辅助真空泵协助工作，（图中未画出）。到达质谱仪的工作压力后，使质谱仪处于工作状态，即不断检测真空系统中氦气的含量，同时用喷嘴往真空系统中怀疑有漏孔的位置吹氦气。当喷吹到某一位置时，如果氦质谱仪的仪表指示发生明显偏转，（即氦含量剧增）则证明该位置有漏孔。用上述方法检漏时，喷吹氦气要先从靠近质谱仪的一侧开始由近及远，由上及下（氦气比空气轻）。最好先用大气流确定漏孔大致范围，再用细小气流确定漏孔的准确位置。使用氦气作示漏气体是因为 1）氦气在空气及其残余气体中含量少，本底压力小；2）氦气轻，易穿过18/19漏孔，流动和扩散也快；3）氦是一种惰性气体，不及真空系统中器件发生反应。真空检漏是从事真空技术的人员经常碰到的问题，必须要有很大的耐心，细心搜索。任何疏忽，都可能导致重复的工作。任何疏忽，都可能导致重复的工作。19/19