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1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 题题 目目 真空的获得与测量 学生姓名学生姓名 剌 博 博 专业名称专业名称 物 理 学 学 指导教师指导教师 岳 喜 成 成 2011年5月20日 教学单位 物理与信息技术系 学生学号 200791014097 编 号 WL2011WL097 目目 录录 一 论文正文 引言引言1 1.1.真空的概念真空的概念1 1.1真空1 1.2真空度及真空区域的划分1 1.3真空系统2 2.2.真空技术的发展真空技术的发展2 3.3.真空的获得真空的获得3 3.1真空泵的基本原理3 3.2真空泵的分类4 3.2.1机械泵4 3.2.2油扩散泵5 3.2.3蒸汽
2、式喷射泵6 3.2.4水环真空泵7 3.2.5无油干式机械真空泵9 3.2.6 油封式真空泵10 4 4真空的测量真空的测量13 4.1热偶真空计13 4.2电离真空计13 4.3 U型压力计15 4.4高频电火花真空测定仪（又叫检漏仪）15 4.5 定容法测机械泵的有效抽速16 5 5真空的应用真空的应用17 5.1真空在电真空器件中的应用17 5.2真空在镀膜工业中的应用17 5.3 真空过滤和真空浸渍中的应用18 6 6 真空的检漏真空的检漏19 7.7.真空科学发展前景展望真空科学发展前景展望19 参考文献参考文献20 谢辞谢辞21 二 附录 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）任务书22
3、 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）中期检查报告25 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）指导教师指导记录表27 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）结题报告29 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）成绩评定及答辩评议表32 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）答辩过程记录（附页）34 I 真空的获得与测量真空的获得与测量 摘要：摘要：通过对真空及相关概念的描述及真空技术的发展的整体回顾，重点介绍 真空的获得与测量的基本方法以及在真空的获得与测量中所需要的设备和仪器 ，并对真空的未来作了展望。用直观的展示真空的获得与测量系统 ,掌握四种真空规测量不同的真空度的使用方法，及使用抽气机抽吸、用特殊的 吸气剂吸取、用
4、冷凝剂捕获气体。 关键字：关键字：真空的获得 ；真空的测量； 真空应用； 真空发展 II Acquisition and measurement of vaccume Abstract: Through the void and related concepts described and vacuum technology focuses on the overall review, the vacuum with the basic way to measure and the vacuum have the necessary equipment and apparatus and th
5、e vacuum future for the future. with an intuitive to show the vacuum with the measurement system, the mastery of three kinds of measurement of a vacuum which the directions, and the use of smoke touted as a special smoke, inhale from being an agent, the gas. Keyword: Vacuum to obtain ；Vacuum Measure
6、ment ； Vacuum applications； Development of vacuum III 目目 录录 引言引言1 1.1.真空的概念真空的概念1 1.1真空1 1.2真空度及真空区域的划分1 1.3真空系统2 2.2.真空技术的发展真空技术的发展2 3.3.真空的获得真空的获得3 3.1真空泵的基本原理3 3.2真空泵的分类4 3.2.1机械泵4 3.2.2油扩散泵5 3.2.3蒸汽式喷射泵6 3.2.4水环真空泵7 3.2.5无油干式机械真空泵9 3.2.6 油封式真空泵10 4.4.真空的测量真空的测量13 4.1热偶真空计13 4.2电离真空计13 4.3 U型压力计1
7、5 4.4高频电火花真空测定仪（又叫检漏仪）15 4.5 定容法测机械泵的有效抽速16 5.5.真空的应用真空的应用17 5.1真空在电真空器件中的应用17 5.2真空在镀膜工业中的应用17 5.3 真空过滤和真空浸渍中的应用18 6.6. 真空的检漏真空的检漏19 7.7.真空科学发展前景展望真空科学发展前景展望19 参考文献参考文献20 谢辞谢辞21 1 引言引言 泛指低于一个大气压的气体状态。目前，真空技术在近代尖端科学技术，如高能粒子 加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等工作中都占有关 键的地位，在一般工业生产中的应用则种类繁多，包括化学工业，医学工业，制盐
8、制糖工 业，食品工业，电子工业等。超高真空还促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 、纳米材料等的发展。 1 1真空的概念真空的概念 1.11.1真空真空 真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。在“真空”中， 声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。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 其压力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 帕斯卡或托尔做为压力的单位。目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真 空的空间。 1.21.2真空度及真空区域的划分真空度及真空区域的划分 真空高低的程度是用真空
9、度这个物理量来衡量的，即用真空度来描述气体 的稀薄程度容器中单位体积中的分子数即分子密度n越小，表明真空度越高 但由于气体分子密度这个物理量不易度量，真空度的高低便常以同温下气体的 压强来表示，所以真空度的单位也就是压强的单位根据公式P=nkT，相同温 度下，气体压强P越高，分子密度n就越大，真空度当然就越低；相反，气体压 强P越低，分子密度n就越小，真空度也就越高显然，真空度的国际单位就是 Pa，它与单位的关系为：1 =133.3Pa 通常按照气体空间的物理特性，常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空 技术应用特点，这三方面都比较接近的真空定性地划为如下几个区段（这种划 分并非唯一）： 粗
10、真空 1.013105 1.333103Pa， 低真空 1.333103 1.33310-1 Pa， 高真空 1.33310-1 1.33310-6 Pa， 2 超高真空 1.33310-6 1.33310-10 Pa， 极高真空 1.33310-10 Pa （如图1所示）。真空泵按其工作机理可分为排气型和吸气型两大类排气型真 空泵是利用内部的各种压缩机构，将被抽容器中的气体压缩到排气口，而将气 体排出泵体之外，如机械泵、扩散泵和分子泵等吸气型真空泵则是在封闭的 真空系统中，利用各种表面（吸气剂）吸气的办法将被抽空间的气体分子长期 吸着在吸气剂表面上，使被抽容器保持真空，如吸附泵、离子泵和低温
11、泵等。 真空泵的主要性能可有下列指标衡量： （1）极限真空度：无负载（无被抽容器）时泵入口处可达到的最低压强（最高 真空度） （2）抽气速率：在一定的温度与压力下，单位时间内泵从被抽容器抽出气体的 体积，单位（升/秒） （3）启动压强：泵能够开始正常工作的 最高压强 3.23.2真空泵的分类真空泵的分类 3.2.13.2.1机械泵机械泵 机械泵是运用机械方法不断地改变泵 内吸气空腔的容积，使被抽容器内气体 的体积不断膨胀从而获得真空的泵。机 械泵的种类很多，目前常用的是旋片式机械泵。如图2： 图图2 4 旋片式机械泵的结构如右图，它由一个定子、一个偏心转子、旋片、弹簧组 成。定子为一圆柱形空腔
12、，空腔上装着进气管和出气阀门，转子顶端保持与空 腔壁相接触，转子上开有槽，槽内安放了由弹簧连接的两个刮板当转子旋转 时，两刮板的顶端始终沿着空腔的内壁滑动为了保证机械泵的良好密封和润 滑，排气阀浸在密封油里以防止大气流入泵中。油通过泵体上的缝隙、油孔及 排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔 之间的密封。同时，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真 空的影响。工作时，转子沿着箭头所示方向旋转时，进气口方面容积逐渐扩大 而吸入气体，同时逐渐缩小排气口方面容积将已吸入气体压缩从排气口排出。 当机械泵对体积为V的容器抽气时，因泵旋转一周所抽出气体体积为泵的
13、工作体积，使被抽体积V增大了，设抽气前V中压强为P，转子旋转一周后V 中压强为P1，则有： 1( )PVP VV 所以， VV V PP 1 同理，设转子旋转二周后，容器V中压强为P2，则： 2 12 VV V P VV V PP 第N周后，则有： N N VV V PP 若机械泵每分钟转n转，则经t分钟后，N = nt，容器中的压强Pt为： nt t VV V PP 图图3 从上式可以看出，随着时间的延长，被抽容器中的压强逐渐减少，但实际 工作中，由于机械泵油的饱和蒸气压（室温时）约为10- 1Pa，以及泵的结构和泵的加工精度的限制，机械泵只能抽到一定的压强，此最 低压强即为机械泵的极限压强
14、”，一般为10-1Pa 5 机械泵的抽气速率主要取决于泵的工作体积，在抽气过程中，随着机械泵 进气口处压强的降低，抽气速率也逐渐减小，当抽到系统的极限压强时，系统 的漏放气与抽出气体达到动态平衡，此时抽率为零。目前生产的机械泵多是两 个泵腔串联起来的，称为双级旋片机械泵，它比单级泵具有极限真空度高和在 低气压下具有较大的抽气速率等优点。（如图3所示） 机械泵能否在大气压下启动正常工作，其极限真空度是否理想，它取决于 ：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；排气口附近有一“死角”空间，在旋 片移动时它不可能趋于无限小，因此不能有足够
15、的压力去顶开排气阀门；泵 腔内密封油有一定的蒸汽压（室温时约为10-1Pa）。 3.2.23.2.2油扩散泵油扩散泵 油扩散泵是用来获得高真空的主要设备。工作 压强范围：10-510- 7Pa。主要由泵体、冷阱、喷嘴、导管、蒸气流冷却 水套和加热器等组成（如图4所示）。 扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的。它的工 作原理是通过电炉加热处于泵体下部的专用油，沸 腾的油蒸汽沿着伞形喷口高速向上喷射，在喷嘴出 口处蒸汽流造成低压，因而使进气口附近被抽气体 的压强高于蒸汽流中该气体的压强，所以被抽气体 分子就沿蒸汽流束的方向高速运动，即不断向泵体 下部运动,经三级喷嘴连续作用将被抽气体压缩到低真空端由机
16、械泵抽走。而油 蒸汽通过冷却水降温，运动到下部与冷的泵壁接触，又凝结为液体，循环蒸发 。 扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40 Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。因为在这一压强下，可以 保证绝大部分气体分子以定向扩散形式进入高速蒸汽流。此外若扩散泵在较高 空气压强下加热，会导致具有大分子结构的扩散泵油分子的氧化或裂解油扩 散泵的极限真空度主要取决于油蒸气压和反扩散两部分。 图图4 6 在使用扩散泵时要注意的是：开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵 本身抽至几Pa 数量级的预备真空。再通冷却水，后通电加热泵油。停机时，应先断开扩散泵 加热电源，
17、待泵油降到室温后，再断开冷却水源，最后断开机械泵电源。这样 操作可防止泵油氧化变质，提高真空的清洁程度，延长使用寿命，保证系统的 极限真空。 通常的真空系统不是只有一种真空泵在工作，而是由至少两级真空泵组成 的。本实验中真空系统由两级构成，前级泵是旋片式机械泵构成，二级泵是油 扩散泵。 3.2.33.2.3蒸汽式喷射泵蒸汽式喷射泵 按其工作原理，基本上分为气体输送泵和气体捕集泵两种类型。 气体输送泵包括：1、液环真空泵（水环式真空泵）2、往复式真空泵3 、旋片式真空泵4、定片式真空泵5、滑阀式真空泵6、余摆线真空泵7、干式 真空泵8、罗茨真空泵9、分子真空泵10、牵引分子泵11、复合式真空泵1
18、2、 水喷射真空泵13、气体喷射泵14、蒸汽喷射泵 扩散泵等气体捕集泵包括：吸附泵和低温泵等。 水喷射真空泵它可单独使用，也可用为增压泵、扩散泵、分子泵的前 级泵、维持泵、钛泵的预抽泵用。可用于电真空容器制 造、真空焊接、印刷、吸 塑、制冷设备维修及仪器仪表 设备配套和实验室等。广泛适用于食品、科研、医疗、 电子、化工、医药、大专院校等部门。 利用机械、物理、化学、物理化学等方法对容器进行抽气，以获得和维持真 空的装置。真空泵和其他设备（如真空容器、真空阀、真空测量仪表、连接 管路等）组成真空系统，广泛应用于电子、冶金、化工、食品、机械、医药 、航天等部门。 工作原理：先由转动真空泵把系统抽到
19、10- 2Pa扩散泵油被加热沸腾,以高速从喷出的油蒸汽流不断将系统内气体分子带到 7 泵的侧臂弯管球泡处集结,待气体密度达到机械真空泵的工作范围而被抽出,从 而逐渐获得高真空。 3.2.43.2.4水环真空泵水环真空泵 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200040 00Pa，串联大气喷射器可达270670Pa。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12105Pa表压力。 工作原理: 水环式真空泵圆柱形泵缸内注入一定量的水，星形叶轮偏心地装在泵缸内，当 叶轮旋转时，水受离心力作用被甩向四周而形成一个相对于叶轮为偏心的封闭 水环。
20、水环式真空泵中被抽吸的气体沿吸气管及接头由吸气孔进入水环与叶轮之间的 空间，右边月牙形部分，由于叶轮的旋转，这个空间容积由小逐渐增大，因而 产生真空抽吸气体。水环式真空泵随着叶轮的旋转，气体进入左边月牙形部分 。 因叶轮是偏心旋转的，此空间逐渐缩小，气体逐渐受到压缩升压，气与水便由 排气孔经接头沿排气管进入水箱中，自动分离后再由放气管放出。水环式真空 泵中废弃的水和空气一起被排到水箱里。 特点： 1结构简单，制造精度要求不高，容易加工。 2结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置。故用小的结 构尺寸，可以获得大的排气量，占地面积也小。 3压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温
21、度变化很小。 4由于泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件 和固定件之间的密封可直接由水封来完成。 5吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。 缺点： 1效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。 8 2真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压 的限制。用水作工作液，极限压强只能达到20004000Pa。用油作工作液，可达 130Pa。 总之，由于水环泵中气体压缩是等温的，故可以抽除易燃、易爆的气体。由于 没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物 。有了这些突出的特点，尽管它效率低，仍然得到了广泛的应用。
22、这种泵具体可分为： 1)牵引分子泵 气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分 子流状态下工作。 3)复合分子泵 它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体 。泵在很宽的压力范围内 (10-6 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国 Alcatle 公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油 ，且不用前级泵直接向大气中排气。 复合式分子泵的分
23、类： 复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：一种是涡轮叶片与盘式牵 引泵的串联组合；另一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。涡轮级主要用 来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。 盘式牵引级是在平板圆盘平面上按一定规律开出数条型线沟槽，然后将数块圆 盘串接起来构成，型线有阿基米德螺线、对数螺线、圆弧线等。抽气时靠高速 9 转动的圆盘对气体分子进行“拖动”，使其沿沟槽作由内向外及由外向内的往 复折回的定向流动，从而达到抽气目的。 筒式牵引级是在圆筒形的转子或定子的圆柱面上开一定断面形状的沟槽，如矩 形、圆弧形
24、、三角形及其它形状的多头螺旋槽。由于简式牵引泵型线沟槽开在 转子圆柱外表面或泵体内表面上，因此可以充分利用圆柱外圆较高的线速度对 气体分子进行动量传递，提高泵的抽气效果。在设计制造中，可以通过改变螺 旋沟槽通道与抽气方向之间的夹角 ( 螺旋升角 ) 来达到较理想的抽气效果。 设计要点： 在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的应配和衔接关系。 由于涡轮级有较大的抽气面积，抽速很大，而牵引级沟槽抽气面积较小，在两 种结构的联接处，由涡轮叶片压缩下来的气体分子的流动方式突然转变，使气 体分子的运动在联接处由有序变成无序，至使返流增加，抽气能力下降。因此 ，在设计时应在涡轮级和牵引级转换
25、处加上过渡级结构，以提高泵的抽气性能 。 随着复合分子泵的不断改进，其应用领域越来越广，在某些抽气系统上可以替 代扩散泵，缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。 3.2.53.2.5无油干式机械真空泵无油干式机械真空泵 无油干式机械真空泵（又简称干式机械泵）是指泵能从大气压力下开始抽气， 又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他工作介质，而且泵的极 限压力与油封式真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。 目前，真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流体充 当泵的工作介质，在泵内起冷却、密封、润滑等多种作用。随着科学技术的发 展以及真空应用领域的扩大，原有的
26、机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两 个急需解决问题：一是泵的工作介质返流污染被抽容器，而这种返流在许多情 况下影响产品的质量、数量，增加设备的维护成本。其次，由于某些工艺过程 中的反应物质使真空泵内的介质严重变质，使泵不能正常工作。 对于普通的无油真空系统来说，虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类 10 附件来防止返流，但不能彻底解决问题，而且使系统显得复杂。而使用适当型 式的干式机械真空泵，则可以达到理想的使用效果。 干式机械真空泵的应用是广泛的，主要有以下几个方面：1）低压化学气相沉积 中的多晶硅制备工艺中；2）半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生 成腐蚀性气体和研磨微粒；3
27、）除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺，不希望 微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，则用一定型式的干式机械真空泵可以 满足要求；4）在化学工业、医药工业、食品工业中的蒸馏、干燥、脱泡、包装 等，要防止有机溶剂造成污染，适合用干式真空泵；5）用做一般无油清洁真空 系统的前级泵，以防止油污染。 近年来，干式机械真空泵得到迅速的发展，国外多家大真空公司都研制出了新 型的干式械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制 工作，如东北大学、沈阳真空技术研究所、上海真空泵厂等。目前，干式机械 真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、凸轮式、往复 活塞式、膜片式等，这类泵的速度较低，适用于小容量高压缩比（单级压缩比 ）。非接触型的干式泵有罗茨型、爪型、螺杆型、涡旋型等，其速度较高，适 用大容量，低压缩比（指单级压缩比）。不同类型的干式泵具有各自的特点。 使用时可根据不同的用途加以选择。 3.2.63.2.6 油封式真空泵油封式真空泵 简介及分类:油封式真空泵：它是利用油类密封各运动部件之间的间隙，减 少有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置，故又称气镇式 真空泵。