高真空的测量与应用.docx

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高真空的测量与应用

《异质结原理与器件》

期末论文

题目高真空的产生及其测量和应用研究

班级：

光信息1102

组员：

杨星、

完成日期：

2013年12月9日

成绩：

高真空的产生及其测量和应用研究

摘要：

真空技术作为一门交叉性极强的学科，其应用领域已经渗透到包括机械、电子、生物工程、材料科学、表面科学等各行各业之中。

特别是近年来，一些新兴技术的飞速发展，给真空技术提供了越来越广阔的应用舞台。

随着科学技术的发展，高真空技术应用范围很广。

高真空的获得和测量对人们生活、生产是至关重要的。

随着科学的发展，真空将会带给我们更多的便利和更大的惊喜。

关键词：

高真空；真空泵；真空计；高真空的应用

引言：

真空技术作为一门交叉性极强的学科，其应用领域已经渗透到包括机械、电子、生物工程、材料科学、表面科学等各行各业之中。

特别是近年来，一些新兴技术的飞速发展，给真空技术提供了越来越广阔的应用舞台。

随着真空技术发展的日趋成熟，工业生产和科学研究上对真空度的要求越来越高，小到真空吸盘，大到高能粒子加速器都要涉及真空的概念及技术。

通过分析影响真空度的主要因素及其影响规律，针对不同的影响因素提出各自有利真空获取和维持的解决方案，并将各措施具体地与抽真空工艺过程控制各环节相匹配，从而制定出较为科学的现行抽真空工艺流程已显得十分重要。

文章以历史发展为基础，探讨真空技术的一些基础知识和从发现、获得、测量、检漏到应用的几个重要问题，从而使人们能更深入地了解真空技术的重要性、研究现状和未来发展前景。

真空的基本概念

通常所说的“真空”并不空，里面存在一定浓度的气体分子，因此，可以按气体浓度的大小来表示“真空”的程度。

但是，多数情况下直接用浓度表示真空稀薄的程度不方便，而是用气压来表示真空度，气压的单位是帕，符号表示为Pa，lPa=lN/m2，latm=1.013×105Pa。

真空的单位

⎯大气压（atm）:

标准的大气压力定义为1atm

⎯帕（Pa）:

N/m2（常用单位：

Pa）

⎯巴（Bar）:

Dy/cm2,（常用单位：

mBar）

⎯乇（Torr）:

1/760atm,（常用单位：

Torr）

真空的划分

就物理现象来说，粗真空以分子相互碰撞为主；低真空中分子相互碰撞和分子与器壁碰撞不相上下；高真空时主要是分子与器壁碰撞；超高真空下分子碰撞器壁的次数减少而形成一个单分子层的时间已达到数分钟以上；极高真空时分子数目极为稀少以致统计涨落现象比较严重（大于5%），经典统计规律产生了偏差。

真空的获得——真空泵

定义：

真空泵是根据一定的工作原理，用来产生、改善和维持真空环境的装置。

真空度分类真空泵

低真空：

•旋片式机械泵、•低温吸附泵

高真空：

•扩散泵、•涡轮分子泵

超高真空：

•涡轮分子泵、•离子泵、•Ti升华泵

有油/无油分类真空泵

有油：

•旋片式机械泵、•扩散泵、•涡轮分子泵

无油：

•无油机械泵、•低温吸附泵、•涡轮分子泵、•离子泵、•Ti升华泵

用来获得真空的器械简称为真空泵。

各级真空均可通过各种真空泵来获得。

目前，真空泵可分为两种：

外排型和内吸型。

所谓外排型是指将气体排出泵体之外，如旋片式机械泵、油扩散泵和分子泵等；内吸型是指将气体吸附在泵体之内的某一固体表面上，如吸附泵、离子泵和冷凝泵等。

但无论何种泵，都不可能在整个真空范围内工作，图1标出了它们适合的工作范围。

从图中可以看出，有些泵可直接从大气压下开始工作，但极限真空度都不高，如机械泵和吸附泵，通常这类泵用作前级泵；而有些泵则只能在一定的预备真空条件下才能开始正常工作，如油扩散泵、离子泵等，这类泵需要前级泵配合，可作为高真空泵。

图1真空泵的压强范围

介绍水环式真空泵工作原理

　　水环真空泵（简称水环泵）是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000~4000Pa，串联大气喷射器可达270~670Pa。

水环泵也可用作压缩机，称为水环式压缩机，是属于低压的压缩机，其压力范围为1~2×105Pa表压力。

　　水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。

在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。

由于真空应用技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。

由于水环泵中气体压缩是等温的，故可抽除易燃、易爆的气体，此外还可抽除含尘、含水的气体，因此，水环泵应用日益增多。

水环式真空泵工作原理如原理图：

在泵体中装有适量的水作为工作液。

当叶轮按图中指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。

水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。

此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。

如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

　　综上所述，水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。

高真空的测量——真空计

由于真空度覆盖了十几个数量级的范围，一种真空计难以测量如此宽范围的真空度，所以需要不同种类的真空计。

每一种真空计都只能测量一定范围的真空度，各种真空计结合起来完成全范围内的真空度的测量。

表2是各种真空计的测量范围。

表2常用真空计及其测量范围

水银U型压强计

105~10-1

压缩真空计

104~10-2

热传导真空计

102~10-1

真空电离计

102~10-4

宽量程电离真空计

10-1~10-8

温差电偶真空计的原理

温差电偶真空规管由玻璃制成，通过小管8和真空系统相接，如图5所示，在规管内的两根引线上装有热丝3，另外两根引线上焊着一对温差电偶4，温差电偶的另一端与热丝在A点焊接。

由于在低压下，气体的热传导系数与压强成正比，所以在通过热丝的电流（90～150mA）一定的条件下，热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高，温差电偶电动势也就随之而增大。

因此，通过测量温差电偶电动势，就可确定出被测系统的真空度，温差电偶真空计就是根据这个原理制成的。

温差电偶真空计的测量范围是1～5×10-2Pa。

热阴极电离真空计的原理

电离真空规管就是一只三极管，如图6所示，通过B管与真空系统相接，使用时，在灯丝电路中通以电流5mA，灯丝受热后便发射电子，由于栅极为正电压，使电子加速，中途与气体分子相碰，气体的密度越大，碰撞机会越大，产生的正离子也越多。

另外，由于板极电压为负，便吸引正离子在板极电路中形成板极电流I，气体分子密度越大（即压强越大），板极电流也越大，反之就小。

所以，通过测量板极电流便可以确定气体的压强，热阴极电离真空计就是根据这个原理制成的。

热阴极电离真空计是测量高真空的仪器，测量范围为1×10-2～1×10-5Pa，经改进，电离真空计能测量到10-11Pa。

注意：

一旦测量完结，立刻关闭电离真空规管灯丝，这样可延长规管的使用寿命。

高真空的应用

真空包装

真空包装是将食品、药、名贵药材等装入包装袋，抽出包装袋内的空气，达到预定真空度后，完成封口工序。

真空充气包装是将食品、药、名贵药材等装入包装袋，抽出包装袋内的空气达到预定真空度后，再充入氮气或其它混合气体，然后完成封口工序。

真空包装的主要作用是除氧，以有利于防止食品、药、名贵药材等变质，其原理也比较简单，因食品、药、名贵药材等霉腐变质主要由微生物的活动造成，而大多数微生物（如霉菌和酵母菌）的生存是需要氧气的，而真空包装就是运用这个原理，把包装袋内和食品、药、名贵药材等细胞内的氧气抽掉，使微生物失去生存的环境。

太空制药

太空制药是真空和微重力环境利用的重要方面。

在地面上制药，由于地球重力作用，培养物会发生沉淀，处在沉淀中的微生物会因缺氧而死亡。

如输氧搅拌，所形成的低压小气泡又会破坏细胞；如加防泡剂，则会降低氧的溶解度，有碍微生物的繁殖，形成恶性循环。

而在微重力环境中，培养物液体中含有大量的气泡，也不会沉淀，微生物可随时获得氧气，生长速度比地面快一倍以上，可高效率、高纯度地制造许多药物，如治疗烧伤的表皮生长素、治疗贫血的红血球生长素、防治病毒感染的免疫血清、治疗肺气肿的胰蛋白酶抑制素、治疗血栓的尿激酶、治疗血友病的抗溶血因子8、治疗糖尿病的β细胞、治疗癌症的干扰素等40多种。

主要的制药方法是电泳法，将组分不同的混合物在直流电场作用下精确地分离成不同成份。

其设备第一代为静态电泳仪，第二代为连续流动电泳仪。

结论

高真空技术的广泛应用及其可靠性指标体系的日益健全，要求学术界对其获得和测量给出更高的技术。

因此，高真空的获得和测量对人们生活、生产是至关重要的。

文章介绍了获得和测量高真空的设备、原理与方法，并简要说明了高真空在人们日常生活和生产中的一些应用，总结出了真空的研究现状和应用前景。

目前，高真空技术已经广泛地融入我们的日常生活、工农业生产和高科技之中了。

随着科学的发展，真空将会带给我们更多的便利和更大的惊喜。

参考文献

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附件：

真空的测量