真空系統原理

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        (一) 真空簡介

        一個標準大氣壓為1.0133×105帕?!罢婵铡笔侵笟鈮旱陀谝粋€大氣壓的氣體狀態。在真空狀態下,單位體積中的氣體分子數大大減少,分子平均自由程增大,氣體分子之間、氣體分子與其它粒子之間的相互碰撞也隨之減少。這些特點被應用于科研、生產的許多部門中。例如:加速器,電子器件,大規模集成電路,熱核反應,空間環境模擬,真空冶煉等。在高真空中,由于材料中易揮發物的損失,表面吸附層的變化,物體表面特性也隨之改變。七十年代以來,表面科學的研究一直十分活躍,它不僅有很強的理論性,還有重大的應用價值。隨著科研、生產的發展,獲得并保持真空已形成一門相應的技術??真空技術。它包括:真空的獲得、真空測量、檢漏、真空系統的設計等

        依據真空概念,低于一個大氣壓的氣體狀態稱為真空。真空度愈高,壓強愈低,故用氣體壓強表示真空度。我國采用國際單位帕(Pascal),以前曾長期使用另一真空度單位托。壓強換算關系見表1-1。

        表1-1壓強單位換算表

        真空系統原理(圖1)

        目前真空度可達10^12帕,從一個標準大氣壓到10-12帕,幾乎有10^17數量級這樣寬的壓強范圍。因此通常將真空范圍劃分為幾個區域,不同的真空區域必須用不同的抽氣設備和測量儀器,見表1-2。

                                                                                                                  表1-2真空區域劃分及其特點和應用

        真空系統原理(圖2)

        (二) 真空系統原理

        真空是指在給定的空間內低于一個大氣壓力的氣體狀態,是一種物理現象,在真空技術里,真空系針對大氣而言,一特定空間內部之部份物質被排出,使其壓力小于一個標準大氣壓,我們通稱此空間為真空或真空狀態;

        (三) 真空的獲得

        3.1機械泵

        機械泵是利用機械方法使工作室的容積,周期性地擴大和壓縮來實現抽氣的。屬于這一類型的有活塞抽氣機和旋轉抽氣機。這是一種低真空泵,單獨使用時可獲得低真空,在真空機組中用作前級泵。

        真空系統原理(圖3)

        旋片式真空泵結構如圖3-1所示。主要部件為圓筒形定子、偏心轉子和旋片。工作原理如圖3-1所示。偏心轉子繞自己中心O軸按箭頭所示方向轉動,轉動中定子、轉子在B處保持接觸、旋片靠彈簧作用始終與定子接觸。兩旋片將轉子與定子間的空間分隔成兩部分。進氣口C與被抽容器相連通。出氣口裝有單向閥。當轉子由(a)轉向(b)時,空間A不斷擴大,氣體通過進氣口被吸入;轉子轉到(C)位置,空間A和進氣口隔開,轉到(d)位置以后,氣體受到壓縮,壓強升高,直到沖開出氣口的單向閥,把氣體排出泵外。轉子連續轉動,這些過程就不斷重復,從而把與進氣口相連通的容器內氣體不斷抽出,達到真空狀態。

        真空系統原理(圖4)

        機械泵在工作過程中,轉子在快速運動,兩片旋片在不斷伸縮,在定子與轉子、旋片與定子、旋片與轉子各自的接觸處都存在磨擦,同時為了實現相對運動,活動零件相互間留有一定的公差,即存在著微小間隙。因此整個泵體必須浸沒在機械泵油中,才能工作。泵油起著密封潤滑和冷卻的作用。

        旋片真空泵是獲得低、中真空泵的主要泵種之一,它可分為油封泵和干式泵,根據所要求的真空度(人們把真空度劃分為低真空10^5~10^2pa,中真空10^2~10^-1pa,高真空10^-1~10-5pa,超高真空<10^-5pa),可采用單級泵和雙級泵,其中以雙級泵應用更為普遍;我們使用的旋片式真空泵(簡稱旋片泵)是一種油封式機械真空泵,其工作壓強范圍為101325-133X10-2(Pa),屬于低真空泵,它可以單獨使用,也可以作為其它高真空泵或超高真空泵的前級泵,廣泛地應用于冶金、機械、軍工、電子、化工、輕工、石油及醫藥等生產和科研部門。

        真空系統原理(圖5)

        旋片泵具有抽速快,體積小,重量輕,噪聲低,維修方便,極限真空度高等優點,可以抽除密封容器中的干燥氣體,若附有氣鎮裝置,還可以抽除一定量的可凝性氣體,但它不適于抽除含氧過高的,對金屬有腐蝕性的、對泵油會起化學反應以及含有顆粒塵埃的氣體。

        旋片泵是真空技術中最基本的真空獲得設備之一,旋片泵多為中小型泵,旋片泵有單級和雙級兩種,所謂雙級,就是在結構上將兩個單級泵串聯起來,一般多做成雙級的,是由高壓級與低壓級二部分組成,它的吸入口與真空容器或真空設備連接,在運轉時容器內的氣體將大量吸入與排出。當設備獲得真空時,高壓級排氣閥片將封閉,高壓級吸入的氣體將轉送到第二級,并經第二級吸入與排出,這樣真空設備可獲得一定的真空,根據用戶使用情況,可配備真空增壓泵,將該泵做為前級泵,由于增壓泵的抽氣力加強,前級泵連續抽除,能使設備獲得更高的真空;旋片泵的抽速與入口壓強的關系規定如下:在入口壓強為1333Pa133Pa和1.33X10 ^1(Pa)下,其抽速值分別不得低于泵的名義抽速的95%、50%和20%。

        根據旋片式真空泵的結構,它的抽速可以用兩旋片轉動一周所掃過的體積DV以及轉子的轉速n來求出。即:

        真空系統原理(圖6)

        這一抽速是當進氣口處于大氣壓強時的抽速。是抽氣機的最大抽速。抽氣機銘牌上給出的抽速一般指的是最大抽速。

        3.2分子泵

        分子泵是利用高速旋轉的轉子把動量傳輸給氣體分子,使之獲得定向速度,從而被壓縮、被驅向排氣口后為前級抽走的一種真空泵,它廣泛的應用于表面分析、加速器技術、等離子技術電真空器件的制造以及真空技術的各個領域。

        真空系統原理(圖7)

        3.3吸附泵

        許多化學性活潑的金屬元素,如鈦、鎢、鉬、鋯、鋇等都具有很強的吸氣能力。其中鈦有強烈的吸氣能力,在室溫下性質穩定,易于加工,所以廣泛用于真空技術,發展成為一種超高真空泵鈦泵。

        鈦泵的抽氣機理是氣體分子碰撞在新鮮的鈦膜上,形成穩定的化合物,隨后又被不斷蒸發而形成的新鈦膜所復蓋。新鈦膜又繼續吸附氣體分子,如此形成穩定的抽氣。鈦泵對被抽氣體有明顯的選擇性,對活性氣體抽速很大,對惰性氣體抽速很小。因而往往需要擴散泵等作為輔助泵。鈦泵的極限真空度為10 ^-6--10 ^-10Pa。

        鈦泵可應用于熱核反應裝置,加速器,空間模擬,半導體元件的鍍膜技術和要求無油污染的真空設備。

        3.4低溫吸附泵

        用低溫介質將抽氣面冷卻到20K以下,抽氣面就能大量冷凝沸點溫度比該抽氣面溫度高的氣體,產生很大的抽氣作用。這種用低溫表面將氣體冷凝而達到抽氣目的的泵叫做低溫泵,或稱冷凝泵。

        低溫介質常采用比表面積大的分子篩、活性炭等,實驗證明,分子篩在10^5~10^-9帕壓強范圍內,都有顯著的抽氣作用。

        (四) 描述真空泵性能的參量

        (1)起始工作壓強是指真空泵開始工作時,被抽容器或泵入口處應達到的壓強值。如果超過該壓強值,真空泵將無法工作。一般擴散泵起始壓強為10^-1帕,而機械泵為一大氣壓。

        (2)最大反壓強是指維持真空泵正常工作狀態,泵的出口處所能承受的最大壓強,又稱臨界反壓強。真空泵出口處壓強超過最大反壓強,將不能工作。油擴散泵的最大反壓強約為30帕左右。

        (3)極限壓強是指真空泵入口端經過充分抽氣后所能達到的最低壓強,亦稱極限真空。

        (4)抽氣速率是指在一定壓強、溫度下,泵在單位時間內從被抽容器中抽出的氣體體積。

        真空系統原理(圖8)

        (5)真空產生率是指在某壓強下,單位時間內泵所抽出的氣體量。

        真空系統原理(圖9)

        上述參量,對不同真空泵而言,常用其中幾個主要參量來說明,尤其是抽氣速率與極限真空最為重要。

        (五) 真空測量

        1.靜態變形真空計

        截面為橢圓形的薄壁金屬彎管,一端封閉,另一端與真空室相通,當管內壓強變化時,該彎管在內外壓強差作用下發生彈性變形,這一變形傳送給指示器,由刻度讀出。如指針式壓力真空表,這一類真空計適用于測量粗真空。

        真空系統原理(圖10)

        2.靜態液體真空計

        也稱“U”形管壓差計,它一端通大氣,一端通真空系統,利用兩管液面(如擴散泵油等)高度差表示系統的壓強。

        3.壓縮式真空計—麥克勞壓強計

        結構如圖所示,A、B兩部分在N處連通,當水銀杯R升高,水銀上升越過刻線N后,原B、C中的氣體全被壓入測量毛細管C中。在壓縮過程中氣體溫度可視為不變;又A、D部分和真空系統連通,系統容積遠大于A、D部分,故壓縮時可認為系統內壓強不變。A、D;B、C兩部分氣體的壓強差可由毛細管C、D水銀柱的高度差h表示。以V表示N以上BC的總體積,VC為C管中壓縮后氣體的體積,根據玻義耳定律。

        真空系統原理(圖11)

        真空系統原理(圖12)

        這樣就把壓強轉化為毛細管水銀柱高度差,由于待測壓強只和儀器的體積和壓縮后水銀柱 高度差有關,故這種真空計是一種絕對真空計,可用它來校準其它真空計。它的缺點是不能連續測量,使用水銀也帶來諸多不便。

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