S - CC

第 37-39 讲
真 空 技 术

真 空 的 特 性
压 力
(Torr)
Atm.
10-3
10-6
10-9
10-10
10-11
主 要 气 体 负 载
湿 空 气
水 蒸 汽 (75 %- 95%)
H2O, CO
H2O, CO, N2, H2
CO, H2
H2

1. 真 空 与 低 温 的 关 系
没 有 真 空 技 术 就 不 可 能 获 得 超 低 温 ; 没 有 低 温 技 术 就 不 能 产 生 清 洁
的 极 高 真 空 。
低 温 技 术 的 发 展 促 进 了 真 空 科 学 ; 而 真 空 技 术 的 前 进 又 带 动 着 低 温
技 术 。
真 空 的 分 类
真 空 的 获 取
真 空 部 件 及 设 备
抽 空 时 间 计 算 与 真 空 系 统 设 计
真 空 系 统 检 漏

2. 根 据 真 空 程 度 分 类
粗 真 空 p>3kPa( 或 p>25torr) 真 空 成 形 及 许 多 常 见 的 工 业 应 用
中 真 空
高 真 空
超 高 真 空
极 高 真 空
0.10Pa

3. 真 空 系 统 中 的 流 动 方 式
• 在 常 压 下 的 气 体 流 动 称 为 连 续 流 , 根 据 Re 判 断 流 动 状 态
1. 层 流 , Re

真 空 系 统 的 流 导
流 体 粘 度
管 道 长 度
圆 管 连 续 流 , 泊 叶 松 方 程
128Lm
p
4
D
管 道 直 径
流 体 平 均 密 度
真 空 工 况 p 很 低 , 可 作 为 理 想 气
体 ( 等 温 流 动 )
代 入
p M /
RT
平 均 压 力
p ( p p ) /
1 2
2
128LRTm
D
pM
p
4
连 续 流

当 气 体 压 力 降 低 , 混 合 流 ( 有 时 也 被 称 作 滑 流 ) 在 管 路 中 形 成 , 位 于 管 壁 临 近 位 置
的 气 体 分 子 速 度 并 不 等 于 0, 而 是 以 一 定 速 度 沿 平 行 于 管 轴 的 方 向 在 壁 面 上 " 滑
行 ", 根 据 气 体 的 运 动 定 理 , 圆 管 中 混 合 流 的 质 量 流 量
m
4
D
pp
128LR T
[1
8
R T
(
pD 2M
)
1/ 2
]
混 合 流
自 由 分 子 流 ( 长 管 中 ), λ》D
3
M
D p
m
( 长 管 ) 自 由 分 子 流
18R T L
u
在 自 由 分 子 流 方 式 下 的 流 体 其 质 量 流 量 与 压 力 降 成 正 比 , 并 与 管
径 的 三 次 方 成 正 比 。

真 空 工 程 中 更 为 普 遍 使 用 的 参 数 是 排 气 量 , 该 参 数 的 定 义 是
Q
在 真 空 单 元 中 引 入 流 导 C, 定 义 为
得 出 通 过 长 圆 管 的 流 导
1. 连 续 流 层 流
2. 混 合 流
3. 自 由 分 子 流
C
4
D p
128 L
4
D
p
C (1
128L
体 积 流 量 测 量 点 所 对 应 的 压 力 值
C
RT
18M
D
L
8
pD
3
pV
C
体 积 流 量
RT
2M
mRT
M
Q
p
)
m
• 由 各 独 立 流 单 元 串 联 形 成 的 系 统 其 总 流 导 C 0 的 计 算 式 为
单 位 是
3
Pa m
/s
• 流 导 的 概 念 在 分 析 复
杂 的 真 空 管 路 系 统 时 非
常 重 要 ;
• 电 路 中 的 电 导 的 计 算 ,
可 以 通 过 画 出 等 效 线 路 ,
再 根 据 线 路 求 出 总 流 导 。
1 1
• 由 各 独 立 流 单 元 并 联 形 成 的 系 统 其 总 流 导 计 算 式 为 C 0 C i
i
C0
i
C i
与 电 路 理 论 相 似

4 真 空 系 统 抽 气 时 间 的 计 算
将 系 统 从 环 境 压 力 抽 到 所 希 望 的 操 作 压 力 所 需 的 时 间 。
真 空 空 间 的 压 力
泵 的 排 气 量
泵 进 口 处 压 力
系 统 抽 速 S s =Q/p
泵 抽 速 S p =Q/p i
p i
p
C 0 =Q/(p-p i )
介 于 真 空 腔 室 与 真 空 泵 之 间 的 管 路 系
统 的 总 流 导 与 排 气 量 之 间 的 关 系
体 积 V
图 : 真 空 系 统 抽 气 时 间 计 算 示 意 图
泵 抽 气 速 度 Sp, 系 统 抽 气 速 度 Ss 及 管 路 总 流 导 Co 之 间 的 关 系
1 1 1
Ss S
p
Co
系 统 抽 气 速 度 对 于 真 空 系 统 的 抽 气 时 间 有 很 大 的 影 响

与 抽 气 时 间 有 关 的 因 素
容 器 体 积
虚 漏 举 例
“ 漏 ” 的 概 念
死 空 间
带 放 气 孔 的 螺 钉
由 于 泄 漏 而 进 入 系 统 的 质 量 流 量 以 符 号 m l :
1 实 际 漏 孔 ;
2 系 统 中 的 捕 集 气 体 以 及 潜 伏 的 气 袋 的 气 体 释 放 所 表 现 出 的 虚 假 漏 孔 ;
3 金 属 壁 面 或 密 封 原 料 的 “ 放 气 ”— 任 何 材 料 当 被 暴 露 于 真 空 时 , 其 表 面 和 其 内
部 或 两 者 同 时 都 可 能 释 放 气 体 。

对 于 一 个 干 净 的 、 精 心 设 计 的 并 且 经 过 仔 细 检 验 的 真 空 系 统 来 说 , 放 气 是 系 统 流 入 质 量 的 主 要 部 分 。
材 料 表 面 的 平 均 放 气 速 率 *
Aluminum (anodized)
Aluminum
Brass
Beryllium
Copper
Copper (OFHC)
Delrin
Lead
Mild Steel
1018 Steel (Ni plated)
Gold Sheet
Titanium
Stainless steel
1 hour 10 hours >24 hrs untreated degreased polished baked
3x10-5
8x10-7
2x10-6
1x10-6
1x10-7
8x10-9
6x10-6
1x10-7
2x10-6
2x10-6
8x10-8
1x10-9
5x10-8
Outgassing rates in torrliter/sec cm 2
Exposure to vacuum
3x10-7
5x10-8
6x10-7
5x10-7
5x10-9
2x10-9
1x10-7
2x10-8
2x10-7
5x10-7
not available
not available
1x10-8
8x10-8
1x10-10
1x10-7
1x10-9
1x10-10
3x10-11
7x10-7
4x10-9
3x108
1x10-8
5x10-9
5x10-10
1x10-10
3x10-5
8x10-7
1x10-6
1x10-6
1x10-7
8x10-9
6x10-6
1x10-8
2x10-6
not available
8x10-8
1x10-9
7x10-8
Surface Condition
3x10-5
1x10-8
1x10-6
5x10-7
1x10-8
8x10-9
not available
5x10-8
5x10-7
not available
1x10-8
not available
1x10-9
N/A
1x10-8
8x10-6
1x10-6
1x10-9
5x10-7
not available
1x10-8
5x10-8
not available
not available
not available
5x10-9
*Rates can vary significantly, depending on pre-cleaning and preparation methods, and system history
5x10-10
5x10-13
N/A
N/A
1x10-12
1x10-12
8x10-7
N/A
5x10-10
not available
not available
2x10-12
3x10-13

材 料 表 面 的 平 均 放 气 速 率 *
Outgassing rates in torrliter/sec cm 2
Exposure to vacuum
Surface Condition
1 hour 10 hours >24 hrs untreated degreased polished baked
Epoxy (Shell Epon) 2x10 -5 1x10 -6 not available not available not available N/A 8x10-8
Buna N
Neoprene
Mylar
Acrylic
Teflon (poly’fluoro’lene)
Nylon (polyamide)
Lexan (polycarbonate)
PVC
Silicon rubber
Silastic (sealant)
Viton
Steatite (ceramic)
Pyrex (7740)
8x10-6
3x10-6
8x10-7
2x10-6
2x10-7
5x10-6
7x10-7
5x10-7
7x10-6
5x10-5
8x10-7
5x10-8
1x10-7
2x10-6
8x10-7
1x10-7
1x10-6
8x10-8
3x10-7
2x10-7
3x10-7
8x10-7
3x10-6
5x10-8
1x10-8
2x10-8
8x10-7
4x10-8
7x10-9
5x10-7
2x10-8
4x10-8
6x10-8
1x10-7
6x10-8
6x10-7
2x10-8
7x10-9
5x10-9
8x10-6
3x10-6
8x10-7
2x10-6
2x10-7
5x10-6
1x10-7
5x10-7
7x10-7
8x10-5
8x10-7
N/A
not available
8x10-7
6x10-7
N/A
8x10-7
N/A
N/A
N/A
N/A
2x10-7
N/A
1x10-7
N/A
not available
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
4x10-8
2x10-9
2x10-9
1x10-8
8x10-9
6x10-9
8x10-9
8x10-8
6x10-10
5x10-8
5x10-10
N/A
2x10-9
*Rates can vary significantly, depending on pre-cleaning and preparation methods, and system history.

从 系 统 中 流 出 的 质 量 流 量 :
mout S
s
pS
s
/ RT
对 真 空 系 统 用 质 量 守 恒 方 程 , 并 假 设 气 体 遵 循 理 想 气 体 方 程 ,
pV
pV
mRT
mRT
系 统 容 积
m
l
m
out
dm
dt
把 放 气 率 或 漏 率 定 义 为
V
Q
d
dt
i
m
l
V
RT
RT
dp
dt
时 间
普 通 抽 气 真 空 系 统 抽 气 时 间 的 方 程
dp
dt
Q
V
i
S p
s
V
系 统 抽 气 速 度
Ss Q / p mout
RT /
p
如 果 知 道
Q i =f(t, p)
S s =f(p)
分 析 解 或 数 值 解

当 抽 气 时 间
足 够 长 , =0
dp
dt
Q
V
i
S p
s
V
同 时 系 统 压 力 达 到 了 该 系 统 的 极 限 压 力 p u
得 到 极 限 压 力 p u 与 漏 率 Q i 及 系 统 抽 气 速 度 S s 之 间 的 关 系 pu Qi / Ss
在 大 多 数 真 空 泵 的 操 作 压 力 范 围 内 , 压 力 变 化 时 泵 的 抽 速 是 不 变 的 , 并 且 处 于 自 由 分
子 流 状 态 下 时 管 路 系 统 的 总 流 导 与 压 力 无 关 。 即 (S p 、C o 都 是 常 数 )。
这 样 , 系 统 抽 速 Ss 与 压 力 也 是 无 关 的
从 初 始 压 力 p 1 (t=0) 积 分 到 最 终 压 力 p 2 (t=tp), 即 得 抽 气 时 间 t=t p
t
p
V
S
s
p1
pu
ln( )
p p
2
u
在 系 统 处 于 设 计 阶 段 时 , 系 统 漏 率 Qi 是 很 难 预 计 的 , 将 极 限 压 力 p u 置 零 , 并 引 入
系 统 允 许 因 子 Fs, 从 而 可 以 得 到 一 个 所 需 系 统 抽 速 的 大 致 估 计
S
s
FV
s
p1
ln( )
t p
p
2

表 2: 真 空 系 统 初 步 设 计 中 的 系 统 允 许 因 子 Fs
真 空 系 统 设 计 终 压
系 统 允 许 因 子
Pa Torr Fs
100,000 - 13,000 760 – 100 1.0
13,000 - 1,300 100 – 10 1.25
1,300 - 70 10 - 0.5 1.50
70 - 7 0.5 - 0.05 2.0
7 - 0.03 0.05- 0.0002 4.0

在 高 真 空 区 域 放 气 作 用 处 于 支 配 地 位 ,, 放 气 率
Q Q exp( t / t )
i
0 1
S S ( p / p)
s
t=0 时 的 放 气 率 系 统 的 特 定 常 数
0
1
u
代 入 式
dp
dt
Q
V
i
S p
s
V
系 统 处 于 远 远 高 于 极 限 压 力 时 的 抽 速
p
p
1
p
u
p
u
S0t
Q0[exp( t / t1) exp( S0t / V )]
exp( )
V S ( p p )[ 1
( V / S t )]
0 1 u
0 1
系 统 初 始 压 力
放 气 率 可 以 表 示 为 比 表 面 放 气 率 q 1 ( 单 位 表 面 积 上 经 过 一 定 时 间 t' 时 的 放 气 速 率 ) 和
表 面 积 A 的 乘 积
Qi q1 A Q0 exp( t'/ t1)
或 Q0 q1 Aexp( t'/ t1)

5. 真 空 设 备 与 部 件
图 : 典 型 真 空 系 统 的 基 本 部 件
采 用 扩 散 泵 可 获 得 0.10mPa 至 0.01mPa 的 真 空 度
如 果 需 要 更 低 的 压 力 , 则 在 机 械 泵 / 扩 散 泵 机 组 的 基 础 上 还 需 设 置 离 子 泵 或 低 温 泵 。
在 通 常 的 低 温 系 统 中 — 例 如 真 空 粉 末 绝 热 和 真 空 绝 热 , 机 械 泵 或 机 械 泵 / 扩 散 泵
机 组 即 可 满 足 所 需 的 真 空 要 求 。

5.1 机 械 泵
获 得 粗 真 空
可 作 为 获 得 高 真
空 的 扩 散 泵 或 冷
凝 泵 的 前 级 泵
旋 片 式 机 械 泵 结 构 示 意 图
使 用 最 广 的 机 械 泵 有
旋 片 式 和 定 片 式 两 种

机 械 泵 还 可 用 来 减 压 降 湿 、 干 燥 、 蒸 馏 等 过 程 。
气 镇 泵 : 但 普 通 的 机 械 泵 不 适 宜 于 抽 水 蒸 汽 , 为 此 市 售 机
械 泵 常 设 有 气 镇 装 置 , 其 原 理 是 在 被 压 缩 的 水 蒸 汽 尚 未
冷 凝 前 , 从 大 气 中 放 入 一 部 分 空 气 , 使 其 水 蒸 汽 分 压 小
于 其 饱 和 压 力 , 从 而 避 免 水 蒸 汽 的 冷 凝 , 因 此 可 把 含 水
蒸 汽 的 气 体 抽 走 。
机 械 泵 的 抽 速 不 是 一 个 常 数 , 它 随 容 器 中 的 压 力 而 变 , 达
极 限 真 空 时 抽 速 为 零 。

5.2 油 扩 散 泵
扩 散 泵 需 要 一 台 机 械 泵 作 为 前 级 泵 以 使 扩 散 泵 的 出 口 压 力 在 1Pa 至 2Pa 左 右
油 扩 散 泵 高 真 空 机 组

扩 散 泵 的 极 限 压 力 大 约 在 2μPa(1.5×10-8torr) 的 数 量 级 范 围 。
油 : 常 用 硅 油 , 室 温 下 扩 散 泵 油 的 典 型 蒸 汽 压 为 1μPa(0.8×10 -8 torr)( 对 碳 氢 油 )
扩 散 泵 的 抽 速 在 压 力 为 250 mPa 至 80 μPa(2×10 -3 torr 到 6×10 -7 torr ) 范 围 内 实
际 上 为 一 常 数 。 在 极 低 压 力 下 , 当 泵 内 的 出 气 速 率 和 其 它 气 体 负 载 与 泵 抽 速 趋 近
时 , 泵 的 净 抽 速 为 零 。
理 想 情 况 下 , 扩 散 泵 将 尽 可 能 抽 走 扩 散 入 泵 入 口 的 气 体 分 子 , 因 此 扩 散 泵 的 抽 速
应 等 于 扩 散 泵 口 的 流 导 :
S
R T
32 M
D
0 u 2
p
扩 散 泵 入 口 直 径
实 际 泵 抽 速 和 理 论 泵 抽 速 之 比 被 称 为 Ho 系 数 , 因 此 实 际 抽 速 :
S
p
0
H 0
S
p
( 商 业 化 扩 散 泵 典 型 Ho 系 数 0.40~0.55)
所 有 的 扩 散 泵 都 有 一 定 量 的 返 流 蒸 汽 , 因 此 在 扩 散 泵 的 入 口 可 安 装 一 个 冷 阱 或 障 板 冷
凝 油 蒸 汽 以 免 油 蒸 汽 返 流 到 被 抽 真 空 系 统 。 对 于 低 温 真 空 系 统 来 说 , 冷 阱 是 非 常 重 要
的 , 否 则 低 温 系 统 中 的 冷 表 面 将 起 到 冷 阱 的 作 用 , 积 聚 的 油 蒸 汽 层 将 污 染 高 反 射 率 表
面 使 低 温 系 统 性 能 受 到 影 响 。

5.3 涡 轮 分 子 泵
机 械 式
高 速 旋 转 的 多 级 涡 轮 转 子 叶 片 和 静 止 涡 轮 叶 片 的 组 合
利 用 高 速 旋 转 的 动 叶 轮 将 动 量 传 给 气 体 分 子 , 使 气 体 产 生 定 向 流 动 而 抽 气 的 真 空 泵 。
特 点 : 在 分 子 流 区 域 内 对 被 抽 气 体 产 生 很 高 的 压 缩 比 , 从 而 获 得 所 需 要 的 真 空 性 能 ,
对 被 抽 气 体 无 选 择 性 、 无 记 忆 效 应 、 操 作 简 单 、 使 用 方 便 。 由 于 对 分 子 量 大 的 气 体
具 有 很 高 的 压 缩 比 , 因 此 在 运 转 过 程 中 , 高 真 空 区 域 不 会 受 到 油 蒸 汽 的 污 染 , 该 泵
不 需 要 冷 阱 和 油 挡 板 , 即 可 获 得 清 洁 的 高 真 空 和 超 高 真 空 环 境 。
应 用 领 域 : 表 面 分 析 、 加 速 器 技 术 、 等 离 子 体 技 术 、 电 真 空 器 件 制 造 及 真 空 技 术 等

5.4 离 子 泵
采 用 离 子 化 和 化 学 吸 附 相 结 合 的 原 理 从 真 空 空 间 中 抽 走 气 体 。
图 8.8: 离 子 泵 结 构 示 意 图
图 8.9: 典 型 离 子 泵 的 抽 速
工 作 原 理 : 通 过 场 发 射 从 阴 极 发 射 出 的 电 子 由 于 阳 极 吸 引 而 向 阳 极 移 动 , 磁 场 对
电 子 有 一 作 用 力 , 使 其 以 摆 线 轨 迹 运 动 。 其 间 将 碰 撞 气 体 分 子 , 每 个 碰 撞 会 产 生
一 个 或 多 个 自 由 电 子 及 一 个 正 离 子 。 电 子 继 续 以 摆 线 轨 迹 向 阳 极 运 动 , 正 离 子 则
受 负 电 势 作 用 的 阴 极 所 吸 引 。 大 多 数 重 离 子 将 通 过 阴 极 开 口 部 分 , 向 收 集 器 移 动
时 受 力 减 速 。 当 离 子 化 气 体 打 击 收 集 器 时 而 被 收 集 器 捕 获 。 剩 下 部 分 的 离 子 将 轰
击 阴 极 , 并 撕 开 ( 溅 射 ) 一 部 分 钛 金 属 , 该 钛 金 属 将 罩 在 收 集 器 表 面 , 并 将 收 集
器 上 捕 集 到 的 气 体 掩 埋 起 来 , 溅 射 的 钛 金 属 将 为 收 集 器 提 供 新 鲜 的 活 性 表 面 以 进
一 步 通 过 化 学 键 ( 化 学 吸 附 ) 捕 获 气 体 离 子 。

• 离 子 泵 不 适 宜 于 压 力 大 于 1Pa 的 抽 空 , 因 为 较 高 压 力 下 阴 极 寿 命 将 很 短 。
• 离 子 泵 在 抽 空 气 时 , 其 典 型 操 作 范 围 在 10mPa 至 10nPa 压 力 之 间 , 离 子 泵 抽 空 的
极 限 压 力 大 约 在 0.25nPa(2×10 -12 乇 )。
在 高 真 空 区 域 , 离 子 泵 的 一 个 重 要 优 点 是 离
子 泵 本 身 可 用 作 真 空 计 , 因 为 作 用 在 离 子 泵
上 的 电 流 与 被 抽 空 间 气 体 的 绝 对 压 力 成 正 比 。
由 于 离 子 泵 不 采 用 油 , 因 此 与 扩 散 泵 比 它 是
一 清 洁 操 作 泵 。
离 子 泵 的 主 要 缺 点 是 需 要 高 功 耗 (10 mPa 下 ,
一 50 l/s 的 离 子 泵 需 475 W 的 功 耗 ), 以 及 其
整 体 及 部 件 的 造 价 过 高 。
离 子 泵 钛 板

5.5 低 温 泵
• 工 作 原 理 : 用 低 温 介 质 将 抽 气 面 冷 却 到 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 。 即 用 低 温 表 面 将 气 体
冷 凝 而 达 到 抽 气 目 的 。 又 称 冷 凝 泵 。
• 特 点 : 用 低 温 泵 可 获 得 清 洁 的 超 高 真 空 , 它 具 有 无 油 , 大 抽 速 等 优 点 。
• 应 用 : 镀 膜 设 备 , 真 空 模 拟 , 高 能 粒 子 加 速 器 , 受 控 热 核 反 应 , 电 真 空 器 件 ,
材 料 科 学 和 表 面 分 析 仪 器 等 。
• 分 类 : 按 低 温 表 面 的 冷 却 方 式 分 为 :
• (1) 贮 液 式 低 温 泵 。
• (2) 连 续 流 动 式 低 温 泵 。 泵 中 低 温 板 是 一 热 交 换 器 , 低 温 液 体 在 热 交 换 器
中 汽 化 , 其 蒸 发 潜 热 和 显 热 即 可 用 来 冷 却 。
• (3) 带 制 冷 机 的 低 温 泵 。 封 闭 循 环 小 型 制 冷 机 低 温 泵 是 由 低 温 泵 体 , 抽 气
低 温 板 , 辐 射 屏 蔽 板 , 制 冷 机 (G-M 制 冷 机 或 Stirling 制 冷 机 等 ) 和 压 缩 机 等
部 分 组 成 。 制 冷 机 的 一 , 二 级 冷 头 分 别 与 辐 射 屏 和 低 温 板 相 连 。 低 温 板 温 度
如 达 到 15-20K, 大 部 分 气 体 都 能 冷 凝 , 可 达 到 抽 气 目 的 。

或 分 子 泵
(1) 贮 液 式 低 温 泵 (2) 连 续 流 动 式 低 温 泵

(3) 带 制 冷 机 的 低 温 泵

5.6 吸 附 泵
工 作 原 理 : 利 用 某 些 吸 附 或 吸 收 材 料 可 吸 附 真 空 中 的 残 余 气 体 , 这 些 吸 附
材 料 在 低 温 下 具 有 很 强 的 吸 附 能 力 , 从 而 实 现 抽 空 目 的 。
• 吸 附 方 式 :(1) 物 理 吸 附 ;(2) 吸 收 ;(3) 化 学 吸 附
• 单 级 吸 附 泵 抽 真 空 范 围 为 大 气 压 力 至 100mPa;
• 两 级 吸 附 泵 则 可 将 真 空 抽 到 大 约 100Pa。

典 型 的 无 油 超 高 真 空 系 统 举 例
涡 卷 式 干 泵 + 分 子 泵 + 离 子 泵

6 真 空 辅 件
• 真 空 阀
• 波 纹 管 、 及 其 他 管 件
• 真 空 接 口 (KF、CF 法 兰 )
刀 口 法 兰 的 密 封

7 真 空 测 量 ( 真 空 计 )
• 实 际 真 空 要 比 大 气 压 小 好 几 个 数 量 级 , 普 通 的 压 力 表 无 法 用 于 真 空 测 量 。
• 采 用 水 银 计 可 测 量 的 压 力 范 围 为 大 气 压 力 至 250Pa, 其 测 量 精 度 为 100Pa。
麦 氏 真 空 计
皮 拉 尼 真 空 计
热 偶 真 空 计
朗 缪 尔 真 空 计
克 努 曾 真 空 计
热 电 离 真 空 计
菲 利 浦 真 空 计
发 明 了 各 种 真 空 计
贝 亚 德 - 阿 尔 帕 特 真 空 计
阿 尔 法 特 龙 真 空 计
压 力
乇
各 类 真 空 计 的 真 空 测 量 范 围

• 麦 氏 (McLeod) 真 空 计 的 工 作 原 理 : 对 采 样 气 体 进 行 等 温 压 缩 , 把 压 力 提 高 到 一 可 以 用 水 银 柱 压 力 计 测 量
的 水 平 , 通 过 理 想 气 体 状 态 方 程 即 可 以 计 算 出 采 样 气 体 的 低 压 值 。
• 热 偶 规 真 空 计 / 皮 拉 尼 真 空 计 的 工 作 原 理 : 热 偶 计 中 通 过 一 固 定 的 加 热 电 流 来 加 热 灯 丝 , 由 于 漏 热 主 要 与 自
由 分 子 热 导 相 关 , 灯 丝 的 温 度 平 衡 值 即 与 真 空 规 管 中 气 体 绝 对 压 力 相 关 , 该 温 度 值 可 通 过 热 电 偶 测 量 , 热
电 偶 输 出 的 热 电 势 即 反 应 了 热 偶 规 管 中 气 体 真 空 度 。
• 电 离 规 真 空 计 的 工 作 原 理 : 当 高 速 移 动 的 电 子 从 气 体 中 通 过 时 , 能 使 一 些 气 体 分 子 离 子 化 。 对 于 给 定 速 度
的 某 固 定 电 子 流 , 气 体 中 形 成 离 子 的 速 率 与 单 位 体 积 内 气 体 的 分 子 数 成 正 比 , 也 就 是 与 气 体 的 压 力 成 正 比 。
离 子 计 或 热 阴 极 电 离 计 即 采 用 这 种 原 理 测 量 气 体 的 真 空 度 。 对 于 热 阴 极 电 离 计 , 为 了 保 障 热 阴 极 不 被 氧 化 ,
所 测 气 体 压 力 一 般 规 定 在 大 约 100mPa(10 -3 mmHg) 以 下 。

8 真 空 检 漏 技 术
检 漏 是 真 空 系 统 必 不 可 少 的 环 节 , 是 一 门 学 问 。
检 漏 的 方 法 :
1 压 力 检 漏 法 :
2 真 空 检 漏 法 : 又 分 静 态 升 压 法 、 放 电 管 法 、 高 频 火 花 检
漏 法 、 真 空 检 漏 法 、 卤 素 检 漏 内 探 头 法 、 离 子 泵 检 漏 法 、
氢 — 钯 法 、 氦 质 谱 仪 检 漏 法 。
3 其 它 方 法 : 如 荧 光 法 、 放 射 性 同 位 素 法 等 。
下 面 介 绍 几 种 常 用 的 真 空 检 漏 方 法 :

先 定 义 真 空 系 统 漏 气 速 率 ( 简 称 漏 率 )Q 来 定 量 衡 量 真 空 系 统 漏 气 指 标
真 空 系 统 的 体 积
Q V
p
t
Δt 时 间 内 的 压 力 上 升 值
单 位 (Pa·L/s)

气 压 法 : 将 高 压 气 体 充 入 被 检 装 置 , 观 察 气 体 是 否 逸 出 ,
其 方 法 有 :
(1) 把 被 检 物 放 入 水 中 或 涂 上 肥 皂 液 , 观 察 是 否 有 气 泡 。
(2) 以 高 压 CO 2 充 入 被 检 容 器 , 用 氨 气 试 探 , 有 漏 则 在 漏 孔 处 会 出 现 雾
状 物 (NH 4 ) 2 CO 3 。
(3) 用 卤 素 物 质 ( 氟 利 昂 CF 2 Cl 2 , 四 氯 化 碳 CCl 4 , 三 氯 乙 烯 C 2 HCl 3 等 )
充 入 被 检 容 器 , 然 后 用 带 吸 嘴 的 特 制 铂 二 极 管 探 测 漏 孔 , 检 测 卤 素
物 质 , 这 是 一 种 高 灵 敏 度 的 探 测 器 , 其 灵 敏 度 为 10 -4 P~10 -6 Pa·l/s.

高 频 火 花 检 漏 仪 检 漏 法 : 高 频 火 花 检 漏 仪 由 玻 璃 制 的
真 空 系 统 组 成 , 它 利 用 一 个 高 频 火 花 发 生 器 , 在 探 头
的 端 部 产 生 强 烈 的 电 磁 辐 射 , 使 周 围 的 气 体 部 分 被 激
发 或 电 离 。 与 气 体 分 子 碰 撞 后 , 又 产 生 新 的 离 子 与 电
子 , 如 此 产 生 “ 连 锁 反 应 ”, 形 成 电 火 花 。
玻 璃 是 电 的 绝 缘 体 , 并 且 导 电 率 处 处 为 零 。 检 漏
时 , 探 头 移 近 玻 璃 系 统 , 若 无 漏 孔 则 电 火 花 保 持 原 来
杂 乱 无 章 的 散 射 。 有 漏 孔 时 , 由 于 玻 璃 的 内 外 有 压 力
差 , 外 面 的 气 体 经 漏 孔 高 速 流 入 , 电 离 的 气 体 分 子 也
高 速 流 入 , 由 于 其 具 有 较 高 的 电 导 率 , 所 以 在 漏 孔 处
能 使 杂 乱 的 火 花 形 成 一 股 线 条 , 并 在 漏 孔 处 出 现 亮 点 ,
这 样 便 检 出 泄 漏 处 。
使 用 时 不 宜 在 某 一 处 停 留 过 久 , 以 免 击 穿 玻 璃 。

氦 质 谱 检 漏 法 : 根 据 磁 偏 转 原 理 实 现 , 是 所 有 真 空 检 漏 方 式 中 灵 敏 度 最 高 的 方 法 。
质 谱 室 中 的 阴 极 发 射 出 电 子 , 打 击 气 体 分 子 , 使 其 电 离 。
离 子 一 一 定 的 速 度 进 入 磁 场 中 , 在 磁 场 力 的 作 用 下 作 圆 周 运 动 , 其 半 径 为
磁 场 强 度
R
144
H
MV
M=m/e 为 质 荷 比
加 速 电 压
(8-48)
当 H,V 一 定 时 , 对 于 不 同 的 M 值 有 不
同 的 R 值 。
在 实 际 氦 质 谱 检 漏 仪 中 , 往 往 固 定 R 值
和 H 值 , 通 过 调 节 加 速 电 压 值 使 氦 离 子
恰 好 通 过 离 子 流 收 集 器 的 缝 隙 s 2 , 到 达
收 集 极 K 上 。 收 集 到 的 离 子 流 经 过 放 大 ,
在 电 流 表 中 输 出 。 漏 量 越 大 , 则 离 子 流
越 大 , 相 应 电 表 输 出 值 越 大 。

氦 检 漏 仪 最 小 可 检 漏 率 :
真 空 模 式 :5X10 -12 mbar l/s
(5X10 -13 Pa m 3 /s)
吸 枪 模 式 :5X10 -8 mbar l/s
(5X10 -9 Pa m 3 /s)
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