真空的獲得與測量

　　用直觀(guān)的展示真空的獲得與測量系統，掌握三種真空規測量不同的真空度的使用方法。了解渦輪分子泵的結構與使用。真空在日常生活中的應用。針對光線(xiàn)能量、壓力用演示的方法說(shuō)明光壓的能量與測量。

1、引言

　　真空作為一門(mén)單獨的學(xué)科已顯得尤為重要，它與電真空工業(yè)、原子能、宇宙航行及空間科學(xué)研究、表面物理研究、微電子學(xué)及真空冶金等有著(zhù)緊密的聯(lián)系并有著(zhù)廣泛的應用。真空技術(shù)的主要環(huán)節和基礎是真空的獲得、真空的測量及真空檢漏等。

2、實(shí)驗原理與裝備

　　(1) 機械泵：是用來(lái)獲得真空、改善和維持真空的裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為真空泵。獲得低真空的獨立設備為機械泵, 獲得高真空的為分子泵，有機械泵作為前級真空下, 分子泵就能獲得高真空。兩種泵都純屬機械轉動(dòng)而抽氣的金屬泵。機械泵結構簡(jiǎn)單, 主體為圓柱形鋼筒定子空腔, 內有一轉子, 偏心安置在鋼筒定子內旋轉, 轉速為350~ 750 轉/ 分。裝在轉子溝槽內的兩個(gè)旋片依靠彈簧力和離心力保持與泵體充分接觸。定子上有一個(gè)與被抽系統相聯(lián)的進(jìn)氣口和一個(gè)單向活塞閥出氣口。當轉子順時(shí)針轉動(dòng)時(shí), 由進(jìn)氣口進(jìn)入轉子與定子之間部分空間V1 的體積不斷擴大, 而出氣口與轉子、定子間的部分空間V2 體積不斷縮小, 前者擴大V1 將氣體抽入, 后者將氣體壓縮V2 將壓縮后的氣體排出泵外, 達到抽氣的目的。一般機械泵上標稱(chēng)2X ) 8, / 20說(shuō)明它是兩個(gè)串聯(lián)的雙杠, / X0 是旋片式的, / 80表示每秒8 升的抽氣體速率。

　　(2) 分子泵：是利用高速旋轉的渦輪葉片, 不斷對被抽氣體分子施以定向的動(dòng)量和壓縮作用, 將氣體排除, 是一種純機械的高速旋轉的真空泵。在泵內有一個(gè)圓柱形高速旋轉的轉子, 氣體分子從轉子上得到一定的動(dòng)量, 使分子自進(jìn)氣口朝向出氣口方向運動(dòng), 達到抽氣目的。該泵啟動(dòng)平穩迅速, 它具有剎車(chē)功能, 可以得到高速旋轉的泵在短時(shí)間內很快停下來(lái), 工作壓強范圍寬, 從101pa 到高真空10-7pa 都可以正常工作。開(kāi)啟分子泵, 由冷規可以測得從低真空到高真空的數值變化過(guò)程, 最終進(jìn)入高真空由復合冷規測得等數據。由數字毫秒計顯示光壓旋轉儀葉片的旋轉速度。由此可以知道真空的獲得和應用地過(guò)程。

　　(3) 光壓儀：針對太陽(yáng)能的利用, 有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能發(fā)電站, 太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能灶等, 但是對光壓力的利用還很少。眾所周知, 光是由光子組成的, 光子具有能力, 當然也有動(dòng)量。光子作用在物體上, 會(huì )產(chǎn)生一個(gè)壓力, 稱(chēng)為光壓。普通條件下, 光壓非常微弱, 測量與觀(guān)察均非常困難。直接能顯示光壓作用效果的裝置。本實(shí)驗真空光壓演示儀, 它能有效地利用普通光線(xiàn)的光壓, 直接推動(dòng)內部的旋轉體旋轉, 光線(xiàn)的強弱驅動(dòng)旋轉速度不同。國內未曾出現過(guò)結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的此類(lèi)型設備。( 光壓儀于2003 年4 月已獲得專(zhuān)利, 專(zhuān)利號; ZL 022 36896. 5)

　　(3) 真空系統：此設備是玻璃系統匡架結構, 可作的內容有真空的獲得、真空檢漏、熱偶規真空測量低真空, 改變被抽體積V1V2, 可以得到不同的抽速。電離規測量高真空, 復合規連續測量。霓虹燈在低真空下演示用, 光壓儀在高真空下演示, 形色雙全。直觀(guān)性強, 對真空系統一目了然, 由低真空1pa- 10-6pa 到高真空抽速快、功能多, 不但可以做高低真空的獲得, 還可以做真空的應用, 分子泵上的k1、k 2、k 5 按順序接通, 用熱偶規測量低真空度, 分別打開(kāi)k6、k 7 記錄兩個(gè)不同容積的抽速, 用高頻火花檢漏儀激發(fā)玻璃系統中氣體放電, 從放電顏色可粗略地判斷真空系統的氣壓, 找到漏點(diǎn)并排除。獲得機械泵的初極真空度。在實(shí)驗中可以獲得機械泵的初極真空由熱偶規測得, 改變容積的大小V1V2, 可根據時(shí)間的變化, SP =dv/dt若所有進(jìn)入泵口的氣體分子都被排除或吸收, 則理論抽氣速率為: S 理C/NA C( 為通過(guò)單位面積的氣體分子入射率, n 為氣體密度,A 為泵口截面積。對于真空泵, 其實(shí)際的最佳抽速( 標稱(chēng)抽速) 為: S標= S理H 式中: H為何氏系數, 取決于泵的工作原理和結構設計, 其數值小于1。極限壓強Pu, 此時(shí)實(shí)際抽速已降為零, 可推出實(shí)際抽氣速率為: S實(shí)= S際(1-Pu/P)在工作壓強P> P 時(shí), S實(shí)U S際; P UPU 時(shí), S實(shí)U0。因各種氣體分子有不同的分子量. 平均運動(dòng)速率. 電離幾率和化學(xué)活性等物化特性, 將產(chǎn)生不同的抽氣效果。設被抽容器體積為V1V2, 抽速為SP 算出機械泵的抽速。開(kāi)啟霓虹燈, 根據霓虹燈的光亮和顏色, 可以分析惰性氣體的含量, 測得機械泵極限值。開(kāi)啟分子泵進(jìn)入高真空, 由k1 三通轉換到分子泵, k8、k7、k6、k5 都關(guān)閉, 在30 分鐘內可以達到分子泵的極限真空度2×10- 6Pa, 這時(shí)分子泵只抽光壓儀, 用光電效應, 數字毫秒計記數, 就可以算出每燭光與每瓦特的差別。測量光壓儀在一定光亮中的轉動(dòng)速度。

參考資料:

　　[1] 沙振舜. 新編近代物理實(shí)驗南京大學(xué)出版社. 2002. 4.291- 308

　　[2] 肅 泰. 膜導電玻璃及發(fā)展應用甘肅科學(xué)學(xué)報. 2004. 3.124- 126