7-1 真空获得与测量实验

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1、7-1真空的获得与测量实验引言真空技术已成为先进的科学技术之一，被广泛应用于工业生产、科学研究的各个领域。它与电子管真空工业、原子能、宇宙航行及空间科学研究、表面物理研究、微电子学等有着紧密地联系。真空技术的主要环节和基础是真空的获得，真空的测量及真空检漏等，通过本实验我们将对这些实验的方法和手段进行初步的学习和了解。实验预习1．学习旋片式机械真空泵、油扩散泵的工作原理；2．了解真空的获得与测量实验系统及实验注意事项。实验目的1．通过低真空的获得，学习使用旋片式机械真空泵和测量低真空的热偶计。掌握测量容器的体积比。2．通过高真空的获得，学

2、习使用油扩散真空泵和测量高真空的电离真空计。3．了解玻璃管和金属在高真空中的放气现象和去气方法。4．通过制作放电管，掌握对放电管充气方法，观察放电管放电现象，并计算最佳放电时放电管内的气压差。4．测量氦（或氖）放电管光谱，并进行光谱分析（选做）。实验装置一、真空系统该实验装置由被抽真空的容器，旋片式机械真空泵和油扩散真空泵，测量真空度的热电偶真空计、电离真空计，不锈波纹钢管道和真空阀门所连成的一个整体系统称为真空系统。系统结构如图7-1-1所示。TG1、TG2——热偶真空规管扩散泵机械泵差压传感器I差压传感器II加热炉充气瓶放电管充气连接

3、管通大气图7-1-1真空获得与测量实验系统结构图，IG——电离真空规管；A、B、C——真空容器；——油扩散泵蝶阀，、、、、、、、——角阀，——针形阀，——电磁真空压差阀，——三通阀，、——两级压力调节器；H——加热炉，——加热炉温度计61．低真空系统。该部分实验利用理想气体波义耳定律测量容器A和容器B的容积比。低真空通过旋片机械泵获取，连接在机械泵上的电磁阀在接通电源时将抽气口与被抽系统接通，停泵时，割断泵与被抽系统的连接，而与大气相通，防止机械泵返油。复合真空计的热电偶计TG1，用于监测系统真空状态，利用差压传感器I(24PCC)测量容

4、器A、B充气后的压强，三通阀V12可以使差压传感器的C口通大气，也可以通容器B，分别用于传感器定标和测量系统压强。2．高真空系统高真空系统是利用前级的旋片式机械泵和后级的油扩散泵来获得容器C和放电管HeDT的高真空状态，然后对放电管充入Ne或He气，制造Ne或He放电管，并利用WDS光栅光谱仪测量放电管的光谱。公共前级的旋片真空泵起前置抽低真空作用，可以用机械泵先把油扩散泵和系统抽到低真空。油扩散泵通过蝶阀V1与系统相通，机械泵则通过角阀V3连接到扩散泵，充当其前级泵。该扩散泵使用水冷。复合真空计的热电偶计TG2和电离计IG用于监测高真空

5、系统的真空度。加热炉H可以对放电管加热去气。充气系统的气瓶中储存高纯Ne或He，V13为气瓶总阀，利用减压阀V14可以控制充到储气管中的气体压强和容量，再通过微调针阀V5的控制把气体充入到放电管中。充气后放电管中的气压可以通过传感器II(24PCC)测量。用计算机自动控制的WDS光栅光谱仪可以测量放电管的光谱。3．真空阀门真空阀门在真空系统中起着改变气流方向或气体流量大小的作用。在实验中采用的是金属不锈钢真空阀门，主要有手动角阀、手动针阀、蝶阀和三通阀几种（如图7-1-2所示）7-1-2常见的金属阀门：(a)角阀、(b)针阀、(c)三通阀

6、、(d)碟阀(a)(b)(c)(d)4．扩散硅压阻式差压传感器差压传感器是压力传感器的一种。压力传感器是利用半导体材料（如单晶硅）的压阻效通大气口传感硅片固定片测量口正压力腔参考压力腔通大气口差压测量口（被测压强）缺口内部密封传感硅片（a）外形结构（b）内部剖面示意（c）电路接线示意图7-1-3差压传感器的外形及示意图应制成的器件。半导体材料因受力而产生应变时，由于载流子的浓度和迁移率的变化而导致电阻率发生变化的现象称为压阻效应。差压传感器的原理结构示意图和外形图如图7-1-3所示。6当在差压传感器的2、4两端加上一恒定电压Us后，在其1

7、、3两端会输出一与压差DP成线性关系的电压Up：（7-1-1）U0为压差为零时的输出电压，系数kP一般为一常数。差压传感器在使用时要先通过定标确定U0和kP的数值，再利用上述公式进行测量。本实验中使用的24PCC型差压传感器压力范围为15Psi（1Psi=6.895´103Pa），其工作电源采用2mA恒流源，电压量程为225mV，灵敏度为15mV/Psi，线性度为±1.0%。一只24PCC用于放电管内气压测量，另一只24PCC用于低真空实验测量。5．辉光放电及放电管光谱图7-1-4辉光放电示意图（1）辉光放电现象气体的辉光放电意味部分气体

8、分子开始分解为可以导电的离子与电子，即形成了等离子体。在如图7-1-4所示的与待抽真空容器相通的玻璃管内封入两个金属电极，就构成了气体放电管，在放电管的两电极上加上数千伏特的直流高电压时，电子