真空基础知识

一、真空基础什么是真空真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。事实上，在真空技术里，真空系针对大气而言，一特定空间内部之部份物质被排出，使其压强小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空或真空状态。真空常用压强单位表示，在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕（Pa），即牛顿/平方米。压强的常用单位有巴（bar）、毫巴（mbar）千帕（kPa）、兆帕（MPa）、托（torr）磅每平方英寸（psi）标准大气压（atm）等单位名称符号换算关系备注标准大气压atm1atm=101325Pa托Torr1Torr=133.3Pa美国常用毫米汞柱mmHg1mmHg=133.3Pa毫巴mbar1mbar=10E2Pa欧洲常用按气体压强大小的不同，通常把真空范围划分为：低真空10E5~10E2Pa中真空10E2~10E-1Pa高真空10E-1~10E-5Pa超高真空10E-5Pa道尔顿分压定律相互间不起化学作用的混合气体的总压力等于组成它的各种气体成分的分压力之和。P=P1+P2+…+Pn每种气体成分的分压力：指在与混合气体的温度和体积相同，并且与混合气体中所含的这种气体的量完全相等的条件下，该种气体单独存在时的压力。真空的获得真空泵是利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备，即用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵包括干式螺杆真空泵、水环泵、往复泵、滑阀泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵，分子泵等，真空泵的一个基本指标是抽速S，定义为：S=Q/P其中p为真空泵入口处的气压，Q仍为单位时间内通过该处的气体流量。真空泵的另一个技术指标是它能够提供的极限真空度。对于一个真空系统来说，其能够达到的极限真空度不仅取决于真空泵，还取决于正真空系统，包括系统的气体泄漏程度，系统的容积，以及管路的流导。干式螺杆真空泵（SP630）干式螺杆真空泵，是利用一对变螺距的螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用的抽气设备，两螺杆经精细动平衡校正，由轴承支撑，安装在泵壳中，螺杆与螺杆之间都有一定的间隙，因此泵工作时，相互之间无摩擦，运转平稳，噪音低，工作腔无需润滑油，因此，干式螺杆泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘。由于螺杆制成变螺距结构，与等螺距结构相比，极限真空更高，而消耗功率更低，具有节能，免维修等优点。旋片泵（SV750B）工作原理：依靠放置在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后排除泵体外的。说明：为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片式机械泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其他真空泵的前级真空泵罗茨泵（SWU201）工作原理：泵体内的两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。转子的咬合精度很高，因而转子与转子之间，转子与泵体之间的间隙中不再使用油来作密封介质。罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：1)较宽的压力范围内有较大的抽速；2)转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速；3)泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；4)结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；5)压缩比较低，对氢气抽气效果差；6)转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。分子泵工作原理：对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运动。结构：涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成，每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度，动片与定片倾角方向相反，主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动，从而实现抽气目的。对一般气体分子的抽除极为有效。应用特点：（1）工作压力范围宽，在10-1～10-8pa（10E-3——10E-11mbar）范围内具有稳定抽速达到1000l/s；（2）起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；（3）分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。真空的测量真空规：真空测量的元件被称为真空规。热偶真空规和皮拉尼真空规热偶真空规和皮拉尼规都是以气体的热导率随气体压力的变化为基础而设计的，它们是低真空里最常用的测量手段。热偶真空规：通过测量热丝温度实现皮拉尼真空规：通过测量热丝的电阻随温度的变化实现工作原理：在热偶真空规中，将作为热丝的Pt丝悬起并在其中通过恒定强度的电流。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射，金属丝热传导以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而呈现有规律的变化。电离真空规电离真空规是高真空范围最常使用的测量方法。工作原理：由热阴极发射出的电子将在飞向阳极的过程中碰撞气体分子，并使后者发生电离。由离子收集极接收电离的离子，并根据离子电流Ii的大小测量出环境的真空度。影响因素：1、阴极发射的电子电流强度Ie；2、气体分子的碰撞截面；3、气体分子密度。注意：电离真空规的工作上限为1Pa左右，在10-9~1Pa（10E-11——10E-2mbar）之间，电离真空规的测量指示值与气体压力呈线性关系。由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因而电离真空规的测量值也与所测气体种类有关。薄膜真空规工作原理：依靠薄膜在气体压力差下产生机械位移，从而可用于气体绝对压力测量。测量结果与气体种类无关。结构特点：薄膜真空规具有两个被隔开的真空腔，当其中一个腔内的压力已知，另一个腔内的压力未知的情况下，薄膜的位移量将与两者的压力差值成正比。测量范围：薄膜真空规具有很好的线性度，其探测下限约为10-3Pa（10E-7mbar），相当于探测到的薄膜位移只有一个原子尺度大小；测量上限取决于薄膜材料本身的破坏强度或薄膜的位移极限。