?8.1 概述 ?8.2 真空的获得 ?8.3 真空的测量 ?8.4 真空检漏技术 第 8章：真空技术 8.1 概述 ? 真空概念 – 真空：一定空间内气体分子密度 小于 该地区大气 压下气体分子密度。并非指一定的空间内空无一 物 ? 按真空度划分 10 5 粗真空 3× 10 3 中真空 10 -1 高真空 10 -4 超高真空 10 -7 极高真空 ? 真空在低温中的应用 – 在气体液化、低温液体的贮运 (低温容器) 以及减压 降温的控制中，都离不开真空技术。 ? 1、 He以环境温度和 10~15MPa压力充入厚壁容器中； ? 2、用LN 2 冷却He 至 77K （ T-S图上 2~3） ? 3、用LH 2 冷却He 至 10K （ T-S图上 3~5） ? 4、 He绝热放气液化 （ T-S图上 5~f） 西蒙氦液化系统 返回 8.2 真空的获得 ? 真空的获得方法 ：机械、物理、化学、物 理化学 ? 获得真空的工具—真空泵： 机械泵 机械的方法 扩散泵 物理的方法 低温泵 物理的方法 吸附泵 物理、化学方法 返回 8.2.1 机械泵 ? 1 两个主要作用 – 获得低真空 – 作为其它抽更高真空 泵 (扩散泵、冷凝泵 ) 的前级泵 ? 2 旋片式机械泵 – 转子与泵体呈偏心 – 旋片靠弹簧紧贴在空 腔内表面 – 排气阀用油密封，防 止大气返流 8.2.1 机械泵 ? 3 不宜抽水蒸汽 – 水蒸汽在压缩过程中会冷凝，形成的液体和油混 合残留在泵体内，产生的后果： ? 泵体中水蒸气压和被抽容器压力达到平衡时，泵就不起 抽气作用了； ? 水混入油后，使油含酸性，引起油胶化、泵的金属零件 氧化，损坏机械泵。 ? 4 极限真空 – 国产的双旋片机械泵的极限真空为 0.67 Pa。 ? 5 机械泵的抽气速率 – 不是一个常数，随容器中的压力而变，达极限真 空时抽速为零。 返回 8.2.2 扩散泵 2 工作原理（参考） – 当扩散泵油锅中的泵油在真空中 被加热到沸腾温度时，便产生大 量的油蒸气，油蒸汽经导管由各 级喷嘴定向高速喷出。由于进扩 散泵的被抽气体的分压大于蒸汽 流中该气体的分压，所以该气体 分子就不断地扩散到蒸汽流中。 该气体分子被动量很大的油蒸汽 撞击，沿蒸汽流方向高速运动， 气体分子碰到壁后又反射回来， 再次受到蒸汽流撞击，重新沿蒸 汽流方向流向泵壁，经多次碰撞 后，被多级压缩，到达低真空 端，最后被前级泵抽走。而油蒸 汽在冷却的泵壁上被冷凝后返回 油锅中重新被加热。如此循环工 作，达到高真空的目的。 扩散泵是获得高真空 的主要工具，是一种 次级泵，需以机械泵 作为前级泵。 ? 1 结构示意图 2 工作原理 ? 油射流的形成 – 扩散泵底部的高真空油在经泵外电炉加热后，产生的油蒸 气沿着烟囱管传输到上部，经平行喷嘴向下喷出。由于前 级机械泵的抽空作用，喷嘴外的气体压强很低，压差使油 蒸气从喷嘴处定向高速喷出，形成射流。 ? 射流具有很强的带分子的能力 – 高的射流运动速度 – 蒸气流密度大 – 油的分子量大 被抽分子一旦落入射流范围，便可从射流中获得向出口方 向运动的动量，迅速往下方飞去，因此在射流界面内被抽 气体分子不能长期滞留。 ? 被抽气体分子进入射流 – 由于被抽气体分子不能在射流中长期滞留，因此被抽气体 分子在射流中密度很小，射流界面上与界面内的被抽气体 分子密度差使气体分子不断向射流中扩散，进入射流后被 高速流动的射流带至机械泵抽口附近，最终被机械泵抽 走 8.2.2 扩散泵 8.2.2 扩散泵 3 冷却水的作用 射流在往下运动过程 中，有冷却水冷却， 油分子就被冷凝下来 ，沿泵壁流回泵的底 部，继续循环使用。 4 多级扩散泵 一个喷嘴所能建立的 压缩比有时还嫌小， 为了获得高的压缩比 ，近代泵内都有 3~4个 喷嘴相串联，这种称 为三( 四 )级油扩散泵。 返回 8.2.3 低温泵 ? 1 原理 – 利用低温表面将气体冷凝以实现抽气的一 种泵 – 用低温介质将抽气面冷却到一定温度( 如 20K)以下，抽气面就能大量冷凝沸点温度 比该抽气面温度高的气体，产生很大的抽 气作用。 ? 2 低温表面的冷却方式 ? (1) 贮液式低温泵 ? 图中液氮用于给液氦容 器保温用，下面接真空 设备。 ? 低温介质(液氦)直接注 入泵内液池，液池的外 壁作为低温板使气体冷 凝达到抽气目的。 8.2.3 低温泵 ? 2 低温表面的冷却方式 ? (2)连续流动式低温泵 ? 泵中低温板是一个热交换 器，低温液体在热交换器 中汽化，其蒸发的潜热和 显热可用来冷却 8.2.3 低温泵 ? 2 低温表面的冷却方式 ? (3)带制冷机的低温泵 8.2.3 低温泵 ? 3 低温泵装在真空系统内的两种方法 – 把低温板设置在待抽气的真空容器内部 ? 优点：得到最大的抽气速率 ? 缺点：抽气中不能进行再生 – 把低温泵设置在待抽气的真空容器外部 8.2.3 低温泵 返回 ? 1 原理 – 吸附泵利用吸附 材料在 低温下 吸 附真空系统中的 气体的原理进行 工作。 – 这些吸附材料在 低温下 具有很强 的吸附能力，吸 附方式一般有物 理吸附、吸收和 化学吸附。 8.2.4 吸附泵 ? 2 吸附剂 – 吸附剂种类：活性炭、分子筛 – 吸附 ：当冷却到一定温度 (如液氮 )时，其吸附能力 将比室温下大大提高。 – 解吸：将吸附泵加热到泵体温度，若要脱水，则 需加热到 200~250℃ ? 3 低温泵和吸附泵的优缺点 – 优点： ? 不含油蒸汽，可得到极为洁净的真空 ? 由于冷面尺寸不受限制，可得到很大的抽气速率 – 缺点： ? 要消耗低温液体 或 要由低温制冷机提供冷量 8.2.4 吸附泵 返回 8.3 真空的测量 ? 1 真空系统中最重要的被测参数 – 真空度 ? 2 测真空度所用的仪表 – “真空计 ” 或 “真空规 ” ? 3 测量方法 – 直接测气体压强：U 形真空计、麦氏真空 计； – 间接测量，非电量电测法：热偶真空计、 电离真空计 (热阴极、冷阴极 )等 8.3 真空的测量- 热偶真空计 ? 工作原理：利用气体导热性与真空度 之间存在的一定关系而制成的热传导 真空计。 – 压强越高( 真空越低) → 分子数越多→ 带走灯丝(FF’) 上热量多→ 热电偶(EE’) 产生的电动势小。 – 压强越低( 真空越高) → 分子数越少→ 带走灯丝上热量少→ 热电偶产生的电动 势大。 ? 测量范围： 5~0.1Pa – 当压强大时，气体分子导热与 P无关 – 当压强小时，通过辐射和灯丝的固体导 热占主要，这两项与 P无关 ? 1 工作原理 – 在低压强气体中，气体分子被电离所产生的正离 子数通常是与气体分子密度成正比的。利用这一 关系可制成电离真空计。电离真空计测量出离子 数就可测得该空间的压强值。 ? 2 应用 – 在高真空测量中，电离真空计是最主要、最实用 的一种 – 在极高真空测量中，电离真空计是唯一实际可用 的真空计 ? 3 电离气体的两种方法 – 在电场或磁场中被加速的电子轰击气体分子 （ 热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计） – 从放射性物质中放射出具有一种能量的粒子去轰 击气体分子 8.3 真空的测量- 电离真空计 ? 热阴极电离真空计 – 由灯丝加热提供电子源的电离真空计。 ? 冷热阴极电离真空计 – 靠宇宙线或其它因素产生少量自由电子。 8.3 真空的测量- 电离真空计 条件：电场、磁场、少量电子。 A-阳极； K-阴极 强电场和强磁场方向垂直 阴阳极间为强磁场 ?少量电子在强磁场和电场作用下 在两极间来回振荡，轰击气体分子 使其电离，直至被阳极吸收。电离 得到的正离子在强磁场作用下轰击 阴极，使阴极产生二次发射，发射 电子在飞向阳极过程中又轰击分子 使其电离。 返回 8.4 真空检漏技术 ? 8.4.1 概述 ? 8.4.2 气压法 ? 8.4.3 高频火花检漏仪 ? 8.4.4 氦质谱仪检漏法 返回 8.4.1 概述 ? 目的 – 达到并保持某一较高的真空度。 ? 方法 – 压力检漏法： P内 >P外， 气压法 – 真空检漏法： P内 <P外， 氦质谱仪检漏 法、高频火花检漏法等 – 其它方法： 放射性同位素法 等 返回 8.4.2 气压法 ? 气压法 – 用一定的方法或仪器在容器外部检测出从 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 – 将高压气体充入被检装置中，观察气体是 否逸出。 – 高压气体：一般用N 2 或干空气 – 观察是否有气体逸出：在可疑处涂肥皂水 返回 8.4.3 高频火花检漏仪 ? 1 检漏对象 – 玻璃系统或器件 ? 2 高频火花检漏仪 – 是高频火花发生器，产生电火花 ? 3 是否有漏的判别 – 无漏孔时：电火花保持原来杂乱无章的散射 – 有漏孔时 ：杂乱的火花形成一股线条，并出现亮 点 ? 4 使用中注意点 – 使用时不宜在某一处停留过久，以免击穿玻璃 返回 8.4.4 氦质谱仪检漏法 ? 1 氦质谱仪检漏系统示意图 1-检漏仪 2 辅助阀 3 辅助泵 4 被检体 5 He钢瓶 6 喷枪 ? 2 工作原理 氦作为示漏气体的专门用于检漏的质谱分析仪器，以检测到的 示漏气体 —氦的多少来进行检漏。 – N：质谱室阴极，把来自检漏系统的气体分子电离成离子 – S 1 ：磁偏转气体入口，离子加速极，加速电压 V （入口） – H：均匀磁场，使被加速的离子按圆形轨迹运动 – S 2 ：磁偏转气体出口 – K：离子接收靶，收集离子 ? 偏转半径： ? 当 H与 V一定时，偏转半径 R与离子的质荷比M(m/e) 有关。 ? 对于用氦气作示漏气体检漏时，固定 H和 R值，调节 V值使氦离 子正好通过狭缝 S 2 。 8.4.4 氦质谱仪检漏法 MV H R 144 = ? 工作原理：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，当离子在加 速区受到静电场的加速，获得一定的动能后 进入磁场，受磁场作用作圆周运动，不同的 离子具有不同的偏转半径，只有偏转半径与 质谱仪的几何半径相同的离子才能穿过出口 狭缝到达收集极形成离子流。当用氦作示漏 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，被检漏系统在若有泄 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。 8.4.4 氦质谱仪检漏法 ? 3 用氦气作示漏气体的原因 – He在空气中及其残余气体中含量少，本底 压力小 – He轻，易穿过漏孔，流动和扩散也快 – He为惰性气体，不与真空系统中器件发生 化学反应 8.4.4 氦质谱仪检漏法 ? 4 几种检漏方法 – 喷氦法、氦罩法、检漏盒法、压力检漏法、吸嘴法 ? （ 1）喷氦法 8.4.4 氦质谱仪检漏法 1-检漏仪 2 辅助阀 3 辅助泵 4 被检体 5 He钢瓶 6 喷枪 ? （ 2）氦罩法 8.4.4 氦质谱仪检漏法 1-检漏仪；2- 辅助阀； 3-辅助泵； 4-被检体； 5-氦钢瓶；6- 氦罩； 7-阀门； 8-标准漏孔 使用时，先对被检系统和氦罩抽真空→关闭阀 2,7→对 6冲 He→看质 谱仪上仪表读数； 若有读数，则表明漏气，需进一步用喷 He法查找漏孔 ； 若无读数，说明没有漏孔。 ? （ 3）检漏盒法 8.4.4 氦质谱仪检漏法 1-检漏仪； 2-辅助阀； 3-辅助泵； 4-被检体； 5-氦钢瓶； 6-喷枪； 7-检漏盒； 8-密封圈 先抽气，使处于真空状态并使 4与 7密合→喷He ? （ 4）压力检漏法 8.4.4 氦质谱仪检漏法 1-检漏仪； 2-辅助阀； 3-辅助泵 4-被检体； 5-氦钢瓶； 6-容器 对容器抽真空，制造压差，若有漏孔，有利于 He漏入容器 ? （ 5）吸嘴法 8.4.4 氦质谱仪检漏法 1-检漏仪； 2-吸嘴； 3-被检容器； 4-He钢瓶 氦质谱仪内部结构示意图 高灵敏度检漏器开机 : ? 开前级泵抽空 ? 开扩散泵 ? 10分钟后开抽速阀和 冷规 ? 当质谱室压强达到一 定值时 ,启动电子源 ? 打开标准漏孔得到仪 器显示的电流大小与 漏率之间的关系 ? 与被检系统 (此时也 应已抽至高真空 )相 连接开始检漏 返回