真空的获得和测量

真空的获得和测量刘何燕2011-6-23何谓真空环境？为什么需要获得真空环境？如何划分真空的级别？如何获得真空？如何测量真空度？目录何谓真空环境？本指没有任何实物粒子存在的空间，但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑，会发现还是不时有基本粒子在真空中出现又消失，无中生有。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。工业上的真空指的是气压比一标准大气压小的气体空间，是指稀薄的气体状态，为什么需要获得真空环境？生活中（食品的保存----防腐）（保温瓶---隔热）科研领域（样品制备；性能测试------防氧化）真空环境可粗略地分为：低真空102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空10-5Pa如何划分真空的级别？如何获得真空？人们通常把能够从密闭容器中排出气体或使容器中的气体分子数目不断减少的设备称为真空获得设备或真空泵目前在真空技术中，采用各种不同的方法，已经能够获得和测量从大气压力105Pa到10-13Pa，宽达18个数量级的压力范围在真空获得技术中，目前用以获得真空的技术方法有两种•通过某此机构的运动把气体直接从密闭容器中排出•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。利用这两种方法所制造的各种真空泵种类较多，分类方法各异，但是，最常用的方法还是按泵的工作原理或其结构特点加以分类气体传输泵：气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵气体捕集泵：这种泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵真空泵的分类变容真空泵是利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气和排气过程的一种真空泵。气体在排出前被压缩动量传输泵这种泵是依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口气体传输泵的分类气体捕集泵的分类：吸气剂离子泵：它是使被电离的气体通过电磁场或电场的作用吸附在有吸气材料的表面上，以达到抽气的目的低温泵：利用低温表面捕集气体的真空泵吸附泵：它主要依靠具有大表面的吸附剂（如多孔物质）的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵吸气剂泵：它是一种利用吸气剂以化学结合方式捕获气体的真空泵。吸气剂通常是以块状或沉积新鲜薄膜形式存在的金属或合金实际应用中常用到的真空泵有哪几种？•旋片式机械真空泵•罗茨真空泵•油扩散泵•涡轮分子泵•低温吸附泵•溅射离子泵气体输运泵气体捕集泵旋片式机械真空泵工作原理：旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。旋片式机械真空泵特点：•其工作压强范围为101325-1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。•它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。•结构简单，工作可靠•由于它以油作为密封物质，因此它会造成油蒸气的回流和对真空系统造成油的污染。罗茨真空泵工作原理：在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。罗茨泵的特点：•在较宽的压强范围内有较大的抽速；•起动快，能立即工作；•对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；•转子不必润滑，泵腔内无油；•振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；•驱动功率小，机械摩擦损失小；•结构紧凑，占地面积小；•运转维护费用低•压力范围为：0.1-1000Pa•其极限真空度可以达到10-2Pa油扩散泵工作原理：在前级真空泵所造成的低真空条件下，加热泵内硅油，使受热沸腾蒸发，生成蒸气，以极高速度通过该泵的各级喷口的缝隙喷出，使容器内部的气体分子扩散到蒸汽中被带到前级真空泵所能作用的位置，由前级真空泵迅速抽出，使系统达到高真空的要求。•由于泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的油污染，因此在材料表面分析仪器和其他超高真空系统中一般不采用油扩散泵。•其工作压力范围为1-10-6（Pa）•不能直接与大气相连，在使用油扩散泵之前需要采用各种形式的机械泵将系统预抽到1Pa左右。油扩散泵的特点：涡轮分子泵工作原理：靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定的方向运用的原理来工作。涡轮分子泵的转子叶片具有特定的形状，在它以20000-30000r/min的高速旋转时，叶片将动量传给气体分子。涡轮分子泵装有很多级叶片，上一级叶片输送过来的气体分子又会受到下一级叶片的作用而被进一步压缩至更下一级。分子泵输送气体应满足二个必要条件：1).涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有0.06μm，即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06μm，就可能与第二个气体分子相碰。而在1.3Pa时，分子间平均自由程可达4.4mm。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。2).分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。涡轮分子泵的特点：•其对一般气体分子的抽除极为有效。（例如对于氮气，其压缩比（即泵出口的压力与入口的压力之比）可以达到109。但是对于抽取原子序数气体的能力较差，例如氢气，其压缩比仅为103左右。•工作压力范围宽，在10-1～10-8pa范围内具有稳定抽速•起动时间短，能抽除各种气体和蒸气•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低温吸附泵工作原理：依靠气体分子会在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附的物理现象实现对于气体分子的去除，进而获得高真空的装备低温吸附泵的特点：其极限真空度一般处于10-1-10-8Pa之间•低温吸附泵工作所需要的预真空应达到10-1Pa以下，以减少吸附泵的负荷并在泵体内积聚过厚的气体凝聚产物。•在低温时平衡蒸气压较高的气体不容易用低温吸附泵来去除（例如H2，He和Ne）•除了上述几种气体外，低温吸附泵对各种气体的抽速均很大•运转成本较高溅射离子泵工作原理：靠高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子相互碰撞后引起气体电离放电，而电离后的气体分子在高速撞击Ti阴极时又会溅射出大量的Ti原子。由于Ti原子的活性很高，因此它将以吸附和化学反应的形式捕获大量的气体分子并使其在泵体内沉积下来，从而在真空室内造成无油的高真空环境。溅射离子泵的特点：•其极限真空度可以到10-8Pa左右•溅射离子泵的抽速对于不同的气体是不同的。对于活性较大的气体种类，溅射离子泵具有较大的抽速。比如，溅射离子泵对于H2的抽速是其对O2、H2O蒸汽或N2的抽速的数倍，而它对于后面几种气体的抽速又远远大于其对Ar的抽速。•溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再释放出来。如何测量真空度？需要首先指出一点，即由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能会由于温度不同而存在误差。当测量点处温度较高时，相应测出的气体压力也将偏高。相反，当测量点温度偏低时，测量出的气体压力也将偏低。在气体压力较高，气体的流动状态接近或达到黏滞流状态的情况下，上述温度差别造成的测量误差将趋近于零。这时，任何气体压力差都将由于气体的迅速扩散和流动而趋于消失。真空测量用的元件常被称为真空规热偶真空规皮拉尼真空规电离真空规薄膜真空规热偶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，它们是低真空时最常用的测量手段。热偶真空规工作原理：在热偶真空规中，在作为热丝的Pt丝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。在0.1-100Pa的压力范围内，气体的热导率将随着气体压力的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。这时，用热电偶的方法测出热丝本身的温度，也就相应测出的环境的压力。热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量。在气体压力高于100Pa的情况下，气体的热导率将不再随气体压力而显著变化。这时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏程度将迅速下降。当气体压力低于0.1Pa以后，由于气体分子传导走的热量的总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度也将呈下降趋势。皮拉尼规有称为热阻式真空规，其工作原理与热偶真空规相似，皮拉尼规以电桥的方式，通过测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空度的测量。经常与热偶真空规结合使用的高真空规称为电离真空规，它是在高真空范围内最常使用的测量工具。皮拉尼规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，并根据离子电流强度的大小就可以测量出环境的真空度。由于离子电流强度的大小将取决于阴极发射的电子电流强度、气体分子的碰撞截面以及气体分子的密度等三个因素，因而在固定阴极发射电流和固定气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的压力。电离真空规电离真空规可检测的压力下限受阴极发射的高能光子在离子收集极上产生的光电效应所限制。这种效应产生的光电流相当于10-7Pa的真空度下的离子电流。薄膜式真空规是一种依靠金属薄膜在气体压力差作用下产生机械位移，从而可用于气体绝对压力测量，测量结果与气体种类无关的真空规。薄膜真空规有两个被隔离的真空腔。当一个真空腔内的压力为已知，另一个真空腔的压力为未知的情况下，薄膜的位移量将与两个腔内的压力差成正比。为提高测量的准确度，薄膜位移是靠测量薄膜与另一个金属电极间的电容的变化来实现的。薄膜式真空规在很大的量程范围内，薄膜真空规都具有很好的线性度，其探测下限约为10-3Pa，这相当于探测到的薄膜位移只有一个原子尺度大小。