為不熟悉工程實(shí)際的理科學(xué)生設(shè)計(jì)制造了玻璃制擴(kuò)散泵真空系統(tǒng)實(shí)物模型, 使其直觀地了解真空獲得、測(cè)量和檢漏的工作原理。簡(jiǎn)述其構(gòu)造及由此模型可具體理解的內(nèi)容。

1、玻璃真空系統(tǒng)

　　獲得真空用真空泵。真空泵按工作條件的不同分為兩類: 能夠在大氣壓下工作的真空泵稱為初級(jí)泵( 如機(jī)械泵) , 用來(lái)產(chǎn)生預(yù)備真空, 需要在預(yù)備條件下才能工作的真空泵稱為次級(jí)泵( 玻璃擴(kuò)散泵) , 次級(jí)泵用來(lái)進(jìn)一步提高真空度, 獲得高真空。

　　真空分段: ① 粗真空760 ～10 Pa;② 低真空10 ～10^-2 Pa; ③ 中真空10^-2 ～10^-4Pa; ④ 高真空10^-4～10^-7 Pa;⑤超高真空10^-12～10^-14 Pa;玻璃擴(kuò)散泵其結(jié)構(gòu)圖1 所示, 擴(kuò)散泵是高真空泵, 當(dāng)機(jī)械泵的極限真空度不能滿足要求時(shí),通常加擴(kuò)散泵來(lái)獲得高真空。這種泵不能從通常氣壓下開(kāi)始工作,只能在低于1Pa氣壓下才能工作。因此, 必須與初級(jí)泵串聯(lián)使用。

　　擴(kuò)散泵的液體油有多種, 目前廣泛使用的是3 號(hào)擴(kuò)散泵油( 20℃時(shí)飽和汽壓為1.3×10^-6Pa)沸點(diǎn)375℃和275號(hào)硅油( 20℃時(shí)飽和汽壓為1.3×10^-8 Pa) 沸點(diǎn)430℃。

　　擴(kuò)散泵開(kāi)始工作之前, 必須先開(kāi)動(dòng)機(jī)械泵抽氣, 達(dá)到預(yù)備真空時(shí)( 約1.3 Pa) , 便可以使用電爐對(duì)擴(kuò)散泵蒸發(fā)器中的油進(jìn)行加熱, 約25～35 min的時(shí)間, 便可觀察到, 擴(kuò)散泵油開(kāi)始沸騰, 油蒸汽開(kāi)始順向每一級(jí)噴口定向噴發(fā), 形成射流。當(dāng)硅油加熱至沸騰時(shí)430℃, 便產(chǎn)生大量油蒸汽, 蒸汽經(jīng)過(guò)導(dǎo)管由各級(jí)噴嘴高速噴出, 此時(shí), 由于來(lái)自被抽容器的氣體不斷向蒸汽流中擴(kuò)散,( 便稱擴(kuò)散泵) 便被帶到下方傘形帽噴發(fā)的射流, 這股射流的壓強(qiáng)大于上一級(jí)射流, 氣體分子進(jìn)入下一級(jí)射流, 這一級(jí)壓強(qiáng)又大于上一級(jí)射流, 而油蒸汽被冷凝水套凝結(jié), 沿著管壁經(jīng)過(guò)回油管流回蒸發(fā)器, 被帶到下方的氣體則由機(jī)械泵以每秒4 升的速率抽走, 20 min 后可達(dá)到擴(kuò)散泵的極限真空度。這些工作狀態(tài), 只有透過(guò)玻璃很容易觀察到,擴(kuò)散、噴發(fā)和冷凝的過(guò)程, 這也是擴(kuò)散泵名稱的由來(lái), 這些工作狀態(tài)金屬擴(kuò)散泵是無(wú)法觀察到的。使用擴(kuò)散泵時(shí)必須注意:

　　① 與擴(kuò)散泵配合的機(jī)械泵, 它的抽氣速率必須保證及時(shí)排走擴(kuò)散泵內(nèi)部所排出的氣體。

　　② 擴(kuò)散泵工作時(shí)冷卻水必須暢通, 否則會(huì)使冷凝水套中的水溫過(guò)高, 油蒸汽不能很好的凝結(jié), 以致部分蒸汽要沖向被抽容器, 影響泵的抽氣速率和極限真空度。

　　③ 加熱電爐的功率大小也是影響泵的抽氣速率, 所以應(yīng)選擇適合的電爐。

圖1 擴(kuò)散泵　　圖2 熱偶真空計(jì)

2、真空系統(tǒng)測(cè)量

　　真空計(jì)是測(cè)量真空系統(tǒng)中氣體壓強(qiáng)的儀器,種類很多, 這里介紹的復(fù)合真空計(jì)是常見(jiàn)的一種, 復(fù)合真空計(jì)是由溫差電偶真空計(jì)與熱陰極電離真空計(jì)組合而成。

2.1、溫差電偶真空計(jì)的原理

　　溫差電偶真空規(guī)管由玻璃制成, 通過(guò)小管8 和真空系統(tǒng)相接, 如圖2 所示, 在規(guī)管內(nèi)的兩根引線上裝有熱絲3,另外兩根引線上焊著一對(duì)溫差電偶4, 溫差電偶的另一端與熱絲在A 點(diǎn)焊接。由于在低壓下, 氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)與壓強(qiáng)成正比, 所以在通過(guò)熱絲的電流( 90～150 mA) 一定的條件下, 熱絲的溫度隨著規(guī)管內(nèi)真空度的提高而升高, 溫差電偶電動(dòng)勢(shì)也就隨之而增大。因此, 通過(guò)測(cè)量溫差電偶電動(dòng)勢(shì), 就可確定出被測(cè)系統(tǒng)的真空度, 溫差電偶真空計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。溫差電偶真空計(jì)的電離真空計(jì)的測(cè)量范圍1～5×10^-2Pa。

2.2、熱陰極電離真空計(jì)的原理

　　電離真空規(guī)管就是一只三極管, 如圖3 所示, 通過(guò)B 管與真空系統(tǒng)相接, 使用時(shí), 在燈絲電路中通以電流5 mA, 燈絲受熱后便發(fā)射電子, 由于柵極為正電壓, 使電子加速, 中途與氣體分子相碰, 氣體的密度越大, 碰撞機(jī)會(huì)越大, 產(chǎn)生的正離子也越多。另外, 由于板極電壓為負(fù), 便吸引正離子在板極電路中形成板極電流Ip , 氣體分子密度越大( 即壓強(qiáng)越大) , 板極電流也越大, 反之就小。所以, 通過(guò)測(cè)量板極電流便可以確定氣體的壓強(qiáng), 熱陰極電離真空計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。熱陰極電離真空計(jì)是測(cè)量極高真空的儀器,測(cè)量范圍為1×10^-2～1×10^-5 Pa。注意: 一旦測(cè)量完結(jié), 立刻關(guān)閉電離真空規(guī)管燈絲, 這樣可延長(zhǎng)規(guī)管使用壽命。

圖3 電離真空計(jì)　　圖4 復(fù)合計(jì)真空計(jì)