高真空系统的维修与检测毕业论文.doc

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1、学生姓名 学 号 专 业物理学指导教师姓名 职 称 部 门物理学系论文题目高真空系统的维修与检测论文摘要:真空技术在现代科学研究和生产实践中的应用非常广泛，真空科学是一门重要的学科方向。懂得如何操作和检测真空系统，甚至学会如何维护一个真空系统是一项重要的实验技能。本文的主要工作是修复一套多年未维护且有故障的用于制作弗兰克赫兹实验管的高真空系统，并以此为例，讲述了高真空的获得、检测和维护的相关知识。最后对修复后的系统进行了抽速、器壁放气等测试，比较了两种不同的粗真空计的测量结果，并对所得到的结果进行了分析讨论。关键词:高真空技术 真空系统的维修 真空检测AbstractVacuum techni

2、que is widely used in modern research and daily practice. Vacuum science is a very important subject.The main purpose of this work is to repair a high-vacuum system, which was used for the fabrication of Frank-Hertz tube. The system has not been operated for several years. Based on this, this thesis

3、 introduced systematically related topics on operation, measurement and maintenance of a high-vacuum system. At last, pumping speed and out-gassing of the chamber were investigated on the repaired system. As well, measuring results from two different kinds of gauge for coarse vacuum were compared. R

4、elated topics were further discussed.Key wordsHigh-vacuum technology, repair a high-vacuum system, vacuum testing摘要真空技术在现代科学研究和生产实践中的应用非常广泛，真空科学是一门重要的学科方向。懂得如何操作和检测真空系统，甚至学会如何维护一个真空系统是一项重要的实验技能。本文的主要工作是修复一套多年未维护且有故障的用于制作弗兰克赫兹实验管的高真空系统，并以此为例，讲述了高真空的获得、检测和维护的相关知识。最后对修复后的系统进行了抽速、器壁放气等测试，比较了两种不同的粗真空计的测量

5、结果，并对所得到的结果进行了分析讨论。关键词高真空技术 真空系统的维修 真空检测AbstractVacuum technique is widely used in modern research and daily practice. Vacuum science is a very important subject.The main purpose of this work is to repair a high-vacuum system, which was used for the fabrication of Frank-Hertz tube. The system has no

6、t been operated for several years. Based on this, this thesis introduced systematically related topics on operation, measurement and maintenance of a high-vacuum system. At last, pumping speed and out-gassing of the chamber were investigated on the repaired system. As well, measuring results from tw

7、o different kinds of gauge for coarse vacuum were compared. Related topics were further discussed.Key wordsHigh-vacuum technology, repair a high-vacuum system, vacuum testing目录导言2第一章：真空技术概述21.1真空物理概念21.1.1何为真空21.1.2真空的分类应用21.1.3真空的气体动力学模型31.1.4真空系统的基本组成51.2真空密封技术51.2.1静密封：永久密封51.2.2静密封：可拆密封51.2.3动密封

8、71.2.4动密封真空阀门81.3真空抽气技术91.3.1机械真空泵91.3.2蒸气流真空泵111.3.3气体捕集式真空泵121.4真空计量技术131.4.1绝对真空计131.4.2相对真空计131.4.3真空计的“量程”15第二章：JK-100高真空抽气系统的维修162.1 JK-100高真空抽气系统概述162.2 系统的拆卸、清洗、更换172.2.1拆卸172.2.2清洗172.2.3.更换182.2.4.完成182.3组装过程中的问题与解决18第三章：真空系统特性测定193.1真空系统抽气时间研究193.2真空系统漏气研究223.3电阻真空计、热偶真空计的关联曲线233.4真空材料的除气

9、研究25结语29参考文献30致谢31导言真空技术是现代科学技术的基础组成部分，广泛应用于科学研究与生产等各个部门。本文从一台机械-扩散机组入手，对真空技术各方面进行介绍。第一章：真空技术概述本章介绍真空的基本原理、真空系统的组成、真空密封、真空抽气、真空计量。1.1真空物理概念1.1.1何为真空真空，是指给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。处于真空状态下的气体稀簿程度称真空度，大小以系统压强表示。气体密度越小，大气压强越低，真空度越高。1.1.2真空的分类应用随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下，应用各种不同的真空工艺

10、（如表1）。表1. 不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况真空状态气体性质应用原理应用概况粗真空105 103Pa76010Torr气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化分子相互间碰撞频繁利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用1.真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒；2.真空吸盘起重、真空医疗器械；3.真空成型，复制浮雕；4.真空过滤；5.真空浸渍。低真空103 10-1Pa1010-3Torr气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小利用气体分子密度降低可实现无氧化加热；利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消

11、失的原理实现真空隔热和绝缘；利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥1.黑色金属的真空熔炼 ， 脱气 、 浇铸和热处理；2.真空热轧、真空表面渗铬；3.真空绝缘和真空隔热；4.真空蒸馏药物、油类及高分子化合物；5.真空冷冻、真空干燥；高真空10-1 10-6Pa10-310-8Torr分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁；气体分子密度小利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产1.稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；2.半导体材料的真空提纯和晶体制备；3.高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造；4.真空镀膜

12、，膜一刻蚀等表面改性；5.电真空工业电光管、离子管、电子源管、电子衍射仪，电子显微镜，各种粒了加速器、能谱仪，气体激光器的制造；超高真空10-1 10-6Pa10-110-8Torr气体分子密度摄低与器壁磋撞的次敌极少致使表面形成单分子层的时间增长；气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究1.可控热核聚变的研究；2.时间基准氢分子镜的制作；3.表面物理表面化学的研究；4.宇宙空间环境的模拟；5.大型同步质子加速器的运转；6.电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。1.1.3真空的气体动力学模

13、型真空环境是一种低气压状态，因而必须服从气体实验定律，气体状态方程：PV=NkT （1.1）式中，P是气体压强；V是气体容积；T是气体绝对温度；N是气体分子总数；k是Boltzman常量，k=1.3810-23Pam2K-4。通常用气体动力学理论能解释真空性质与压强之间的关系。该理论假定气体分子可以用不停地自由运动的硬球表示；分子间以及分子与器壁见只发生弹性碰撞。从这些假定出发，可演绎出许多关系和准则，解释气体的性质。对于高真空、超高真空，常用以下概念描述：1.压强：大量杂乱运动的分子碰撞容器表面所引起的动量改变率即气体对表面的压强P=1/3 mnvs2 （1.2）2.麦克斯韦速度分布定律：处

14、于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律，气体分子热运动速率介于vv+dv之间的几率为： （1.3）3.三种特征速率：最可几速率vm 是在气体分子所具有的各种不同热运动速度中出现几率最大的速度，即与F(v)最大值相对应的v值；所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度v；把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度vs。它们的计算公式如下：, , （1.4）4.入射到表面的分子数：单位时间内轰击到真空中单位面积上的分子数=1/4 nvm= （1.5）5.自由程：气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程6.自由程有长有

15、短，差异很大，但大量自由程的统计平均值却是一定的，称为平均自由程(m)。稳态下气体内同类分子间碰撞的平均自由程：= （1.6）表2列出了不同压强下氮气的平均自由程数值、入射到单位面积上的分子束和单分子层形成时间：压强Pa10510-410-610-810-10n2.710192.710102.71082.71062.71042.810232.810142.810122.810102.8108610-66103610561076109310-19s3s5min8.5h35天n=分子数/cm3,在0时。=入射分子数/cm2,在0、s-1时。=平均自由程，单位cm。=单分子层形成时间，粘附几率为1。

16、1.1.4真空系统的基本组成通常真空系统由以下几部分组成：1抽气设备：各种真空泵2真空阀门；3连接管道；4真空测量装置：真空压力表、各种规管；5其它元件：例如捕集器、除尘器、储气罐等再之后几节中将分别详细介绍这些组成。1.2真空密封技术真空系统是由真空泵、阀门、扑集器、导管等各种元件通过不同的连接形式组成的，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在一起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在一定范围内，所以真空密封是真空系统设计、装配过程中的重要问题。有些真空密封除了

17、要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输、运动的传输、材料的递送或者让辐射传输。为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。根据连接件的相互关系，密封方法、用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。总起来说，根据被连接件的相互关系，可以将真空密封分为两大类：静密封连接和动密封连接。这些密封连接方法分别适用于不同的工作条件。1.2.1静密封：永久密封永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处，用这种方法可以保证最好的密封和机械强度。常见的永久密封有：金属与金属的焊接、金属与玻璃或玻璃与玻璃的封接等。1.2.2静密封：可拆密封在真空系统需要经常

18、拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽然不如永久连接，但是真空系统某些地方是需要经常拆卸的，因此这种连接用得较多。其结构有如下几种。1. 用于静连接的弹性体密封垫圈由于弹性体具有弹性好、受压时体积不变，可堵塞漏气路径等一系列特点，因此把氯丁橡胶、丁腈橡胶(如图1.1)、氟橡胶、硅橡胶、聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压缩（如图1.2，1.3），即可实现真空静连接密封的目的。图1.1丁腈橡胶O型圈图1.2垫圈连接的形式图1.3垫圈链接实物图这种弹性体垫圈的密封性能主要取决于弹性体和被连接件之间接触面的粗糙度及弹性体本身的透气性、放

19、气率和蒸气压等因素。2. 用于静连接的金属密封垫圈为了适应超高真空系统进行高温烘烤的需要，在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈，其材料大都是具有延展性好、蒸气压低的一些金属及合金（如铟、铝、铜、银、金、蒙耐尔合金等）。(如图1.4,1.5)图1.4 金属密封垫圈实物图图1.5 矩形截面金属密封圈截面图3. 金属密封垫圈与弹性体垫圈比较金属密封垫圈与弹性体垫圈相比较虽然具有放气量小、渗透率低、能耐高温烘烤等优点，但是密封时需要有较大的压紧力和较严格的调整技术，而且重复使用次数也较少。4.真空规管的密封连接真空规管靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封（如图1.6,1.7）。图1.6 真空规管密封图

20、图1.7 真空规管密封实物图1.2.3动密封把运动传递到真空容器中所需要的密封连接称为动密封连接。各种真空设备中的的动密封连接实例很多，如各种真空阀门的开启和关闭；真空熔炼炉、真空热处理炉的送料、拉锭、浇注等机构的传动；真空镀膜设备工件架的转动等。 真空动密封连接结构与工作在常压下的密封结构有所不同。这种密封除了要求其结构本身有足够的强度、寿命和合理的外形尺寸等外，针对真空特点，它还必须保证密封的可靠性。即动密封连接在长期工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气或使漏气维持在设计要求的范围之内。就真空容器所要求的传动性质来看，动密封所传递的运动主要有往复直线运动，旋转运动，摆动运动和包括这三种

21、运动形式的复合运动等四种情况。为了实现这些运动，并且根据真空特点、动密封连接在很大程度上决定于密封部分所采用的方法。真空动密封常采用金属波纹管密封实现向真空中传递直线运动、摆动和旋转运动。金属波纹管（如图1.8）是用金属制成的薄壁摺皱软管，富有弹性、易于弯曲与伸缩。应当注意的是波纹管只能作伸缩和弯曲变形，不能承受扭转。由于金属波纹管能够同高真空装置的其它元件一起进行高温去气，所以可以用于真空度为lO-8Pa的真空容器中传递运动。图1.8 金属波纹管图1.9 波纹管实现真空中运动的传递图1.9左边是金属波纹管用在低真空阀门中传递直线运动实现密封的例子。图中波纹管的一端焊在阀板上，另一端焊在法兰上

22、，通过轴杆与阀板的螺纹连接将轴杆的旋转运动变为阀板的直线运动。中图和右图是金属波纹管传递转动的密封型式。在工作当中，金属波纹管随杆件的动动而作摇动，其上并不承受扭矩的作用。1.2.4动密封真空阀门在真空系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，切断或接通管路的真空系统元件称为真空阀门。真空阀门在真空系统中的作用是：开关气路、控制气流大小、定量充气等。常见的真空阀门如蝶阀（如图1.10），阀板的边缘上嵌有O形密封圈，阀板靠螺栓固定在传动轴阀杆上，使阀杆带动阀板转动，当阀板上的密封圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭，从关闭位置、阀板再转动90O时，阀门即完全打开，该种阀门的主要优点是体积小。结构

23、简单。图1.10 真空蝶阀零部件全图又如插板阀（如图1.11），弹性体密封圈是嵌在阀体上。转动手柄即可打开或关闭阀门。优点是结构紧凑，能通过气体、液体、固体、下料和取样等。图1.11插板阀结构图与实物图另一种常见的阀门是针阀（如图1.12）。针阀是一种微调阀，其阀塞为针形，主要用作调节气流量。微调阀要求阀口开启逐渐变大，从关闭到开启最大能连续细微地调节。针形阀塞即能实现这种功能。针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针，而阀座是用锡、铜等软质材料制成。阀针与阀座问的密封是依靠其锥面紧密配合达到的。图1.12 针阀结构图与实物图1.3真空抽气技术真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装

24、置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。真空泵的极限真空或称极限压强是指经过充分抽气后所能达到的压强最低的稳定的真空度。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。工作压强范围是泵能正常工作的压强范围，由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵

25、按其性能要求组合起来，以机组型式应用，依抽气范围由低至高分称前级泵以及主泵。真空泵依照其抽气原理，可分为机械真空泵、蒸汽流真空泵和气体捕集式真空泵三种。1.3.1机械真空泵凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，称为机械真空泵。分为变容式和动量传输式两种。1. 变容真空泵：它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。例如JK-100机组的前级泵旋片真空泵，涡轮分子泵等。（1）旋片真空泵旋片真空泵主要由定子、旋片、转子组成（如图1.13）。在泵腔内偏心地装有转子，转子槽中装有两块旋片，由于弹簧弹力作用而紧贴于缸壁(转动后还有旋片离心力)。转子和

26、旋片将定子腔分成吸气和排气两部分。当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出（如图1.14）。工作范围大气压至110-2Pa。图1.13旋片真空泵结构图与实物图图1.14旋片真空泵工作原理图（2）涡轮分子泵（常见简称：分子泵）涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成（如图1.15）。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动，从而实现抽气目的。工作范围110-1110-8Pa。图1.15

27、涡轮分子泵结构图分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。例：H2 在空气中含量很小，但由于H2分子具有很大的运动速度 (最可几速度为1557m/s)，所以分子泵对H2的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。1.3.2蒸气流真空泵靠高速蒸汽射流携带气体进行抽气的是蒸汽流真空泵。主要有：水蒸汽喷射泵、油扩散泵等。例如JK-100机组的主泵油扩散泵（如图1.16）。当油蒸汽从伞形喷嘴高速喷

28、出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处，在此处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体在此堆积、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。油扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。工作范围110-1210-4Pa。图1.16 油扩散泵结构图与实物图部分未在器壁处冷凝的油蒸汽，则在水冷挡板出冷凝回流（如图1.17）。图1.17水冷挡板实物图1.3.3气体捕集式真空泵气体捕集式真空泵是一种使气体分子被吸

29、附或凝结在泵内表面上的真空泵。常见的如溅射离子泵、钛升华泵，这两者都是使被电离的气体通过电场或电磁场的作用吸附在吸气材料的表面上，以达到抽气目的的。1.溅射离子泵靠Penning放电维持抽气的一种无油清洁超高真空泵。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。主要由阳极、阴极、磁场和电源四大部分组成（如图1.18），极间电压几千伏特，轴向磁场几千高斯。电场迫使电离或离子轰击阴极产生的电子在阴极间震荡，磁场不让电子直接到达阳极而是沿螺旋路径运动，以增大电离几率。溅射离子泵的工作范围是10-210-8Pa。图1.18溅射离子泵结构图图1.19 钛升华泵结构图2.钛升华泵利用加热的方法升华钛并使其沉积在一个

30、冷却的表面上，对气体进行薄膜吸附的抽气装置（如图1.19）。钛升华泵的工作过程是由控制器通电给升华器(或热丝)，使钛加热到足够高的温度(1100)直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上，形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中，与活性气体结合成稳定的化合物(固相的TiO或TiN)，结果将空间的气体分子抽除了。吸附机理是比较复杂的通常认为是物理吸附和化学吸附综合作用的结果，以化学吸附为主。工作范围是10-110-8Pa。1.4真空计量技术真空计又称真空规，是测量真空度的仪器，可分为绝对真空计和相对真空计两种。1.4.1绝对真空计直接读取气体压力，其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计

31、算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型压力计（如图1.20）、压缩式真空计和热辐射真空计等。图1.20 U型计结构图绝对真空计的缺点是不能连续测量，由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，只能测粗真空、低真空，操作费时。1.4.2相对真空计由一些气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进刻度，必须进行校准才能刻度。相对真空计的种类很多，如热传导真空计和电离真空计等。1.热传导真空计利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成。常用的有电阻真空计（如图1.22）和热偶真空计（如图1.21）。原理是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，

32、热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。其中，利用热电偶直接测量热丝的温度变化的热传导真空计叫热偶真空计，测量范围10010-1 Pa；利用热丝电阻随温度变化的性质，由测得的电阻值推导热丝温度变化的热传导真空计叫电阻真空计，测量范围：大气压至110-1Pa。图1.21热偶真空计结构图图1.22电阻真空计实物图2.电离真空计电离真空计的工作原理是：电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生

33、电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。常见的是热阴极电离真空计。热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量即离子电流。热阴极电离真空计规管的基本结构主要包括三个电极（如图1.23）： (1)提供一定数量电子流Ie的灯丝作阴极； (2)产生电子加速场并收集电子流的阳极即电子加速极； (3)收集离子流Ii的收集极(相对阴极为负电位)。图1.23热阴极电离真空计结构与实物图离子流Ii与压

34、力p可用下式表示：Ii=KIep 式中K是规管系数，单位为Pa-1。在一定压力范围内K为一常数，若保持发射电子流I，为一恒量时，则离子流Ii与压力p呈线性关系，当压力高到某一值时，K值会随压力p而变化，这就达到了压力线性测量上限pmax，它由电极的几何结构、电极间电位分布以及发射电流大小所决定。规管系数K在气体压力p很低时仍可保持为常数，但离子流Ii随压力p降低而减小到一定限度后，将会埋没在电离计工作中不可避免地存在着的其它与压力p无关的本底电流之中，因而达到其压力测量下限pmin。这种本底电流包括X射线光电流等。因此，热阴极电离真空计存在一个测量范围pminppmax，通常在10-110-5

35、Pa，是最常用的高真空测量规。1.4.3真空计的“量程”压力测量中，除极少数直接测量外，绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象，然后再测量这一过程中与压力有关的物理量，进而设法确定压力值。然而，任何具体物理现象与压力的关系，都是在某一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是真空计的“量程”。尽可能扩展每一种方法的量程，是真空科学研究的重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(10510-14pa)，没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。例如在JK-100机组中

36、，同真空腔体上安装了测低真空的电阻真空计和测高真空的电离真空计。第二章：JK-100高真空抽气系统的维修2.1 JK-100高真空抽气系统概述实验所用JK-100高真空抽气机组由上海曙光机械制造厂于1999.6出产。是最典型的机械-油扩散抽气系统。所用机械泵为2XZ-2型旋片真空泵，油扩散泵为水冷式，铭牌标示极限真空2.710-4Pa。全系统共安装3个真空计，分别为电阻真空计、热偶真空计以及电离真空计。后两者连接在SG-3II复合真空计上读数，以Pa为单位，量程在2010-5Pa；电阻真空计连接ZDZ-1真空计读数，以Torr为单位，量程在2010-3Torr（约合10310-1Pa）。全系统

37、共计有蝶阀3个（原为4个，重装后一通气口封死），挡板阀1个，针阀1个。（如图2.1）图2.1 JK-100高真空抽气机组结构图系统初始时机械泵可抽至0.7Pa，电离规不能正常开始工作。拆卸后，发现扩散泵内硅油已部分氧化变黑，很多接口处丁腈橡胶O型圈损坏变形。图2.2 泵芯与变黑的硅油2.2 系统的拆卸、清洗、更换2.2.1拆卸由于机械泵不能达到极限压强、以及怀疑扩散泵内油已氧化等原因，将全系统拆卸重装。（如图2.3）图2.3 仪器拆卸后部分零部件图2.2.2清洗真空零部件的表面清洗处理是很必要的，因为由污染物所造成的气体、蒸气源会使真空系统不能获得所要求的真空度。此外，由于污染物的存在，还会影

38、响真空部件连接处的强度和密封性能。对于被已氧化的硅油污染的扩散泵内部，及拆卸后暴露于大气的各管道、阀门处进行了清洗。步骤是：（1） 清除泵油、用纱布蘸煤油擦洗泵壁。（2） 用细砂步打磨泵内部，清除积垢。（3） 依次用丙酮、苯、无水乙醇清洗内部，最后用纱布擦干。（4） 将泵芯至烘箱烘干，时间1小时，温度120。图2.4 系统清洗用器材图2.2.3.更换重装时，更换了所有拆下的部件上的丁腈橡胶O型圈。更换了硅油，依厂家标准共用去120ml。对一条管道进行了密封，以此闲置一个蝶阀。2.2.4.完成完成后系统运转正常，能达到的最高稳定真空度约为6.210-4Pa（与铭牌示数在同一量级）。2.3组装过程

39、中的问题与解决1.法兰盘的平行安装如图2.5所示是一个蝶阀的安装处，箭头所指的是气流方向。注意到这个蝶阀与管道两端相连，分称为A、B，每个端口各有一个O型圈密封。A、B共用4跟长螺丝固定。此处的问题是，初次安装时将螺丝拧得过紧，导致B外逆气流方向的法兰盘形变，系统漏气，又由于A处密封良好，因而产生：开蝶阀漏气，关蝶阀抽气良好的现象。为了解决这个问题，用一同型号蒙版紧紧固定形变的法兰盘一段时间，使金属法兰盘恢复，重装时小心拧住4个螺丝，并微调使4个同型螺丝拧入尺寸相当、法兰盘严格平行于蝶阀平面。重装后开阀漏气现象消失。BA图2.5 碟阀安装处2.O型圈的非标配置O型圈的尺寸通常用外径线径衡量，存

40、在通用的标准配置。JK-100所用的O型圈，只有少数为标准规格。由于一处113mm4mm的O圈无法购得，选择购买较小的110mm4mm的代用，在重装过程中，较小的O圈脱离凹槽，被压在接口处，拧紧螺丝后断裂。由于此处原橡胶圈形变较小，暂用原密封圈。下次购买应选择稍大的115mm4mm型号。另其他一些O圈虽然不能与原O圈规格完全一致，但接口处密封良好，不存在漏气问题，实际操作中，非标准O圈换标准建议选择外径较大（2mm）的型号。3真空系统简单检漏方法当整个系统组装完毕，打开机械泵发现无法抽至极限压强时，可以用盖蒙板分段抽测的方法检漏。蒙板通常是一块有一定厚度的金属板，蒙板与被蒙盖住的部分不能直接相

41、连，中间必须垫有软密封橡胶垫圈。第三章：真空系统特性测定3.1真空系统抽气时间研究1.实验原理流导，即在恒温下，当存在压强差是气体会经管道流动。在自由分子流情况下，经管道的气流量Q正比于压差，即：Q=C（p1-p2） (3.1)比例常数C即流导，大小与管道直径有关。若进入泵的气流量恒定，则在泵入口会建立具有恒定压强p的稳态，定义抽速S0：S0= (3.2)真空系统内气相的气体质量变化率等于单位时间内进入和离开气相的气体质量之差。温度不变，气体种类恒定时，质量变化率正比于气流量， (3.3)又知 ，则对于定体积系统 (3.4)假定是常数，上式积分得(设初始压强为p0)： (3.5)由此可知，容器

42、内压强将以时间常数V/S指数地下降，并在t=时达到极限压强 (3.6)2.实验步骤与数据第一次由大气压开始抽气，自然漏气至系统为20Pa以上后立即开始第二次抽气，记录系统压强（热偶规读数）与抽气时间的关系，作图：第一次抽气：拟合结果：第二次抽气：拟合结果：3.实验分析由式（3.5），知第一次抽气与第二次抽气的初始压强p0（t=0时的系统压强）相近，分别为p01=19.82和p02=18.86，但两次抽气时间相差甚远。两次连续抽气抽速S可看作恒量，铭牌示S=90L/s,时间t的系数（单位m3/s）：=133.6, =4.57;因此V1=12.02m3,V2=0.41m3,第二次实际抽气只有第一次

43、的3.42%，因此时间远远小于第一次。3.2真空系统漏气研究1.实验原理真空器壁上如有小孔，大气就会漏入容器内。大多数固体材料在没有缺陷时是不会漏气的，漏孔往往出现在密封处。由于压差、振动和热循环等原因在接头内产生的应力和应变，都可能造成街头损坏。关闭抽气泵，系统开始漏气，由式（3.3）得： （3.7）由式（3.1） ，则 （3.8）由此可知，容器内压强将以时间常数C/V指数地上升，并在t=时达到大气压强。2.实验步骤与数据用机械泵抽真空至0.1Pa，关闭机械泵，记录系统压强p与时间变化关系，作图。拟合结果：3.实验分析由于实验中放气至20Pa远远小于大气压105Pa，放气时间几百秒远远小于系

44、统内部达到大气压所需时间，因此拟合未得到大气压值。要用上述放气公式拟合得到大气压，应在系统中添加一个能测粗真空的真空规，测量104102Pa量级上的放气时间。3.3电阻真空计、热偶真空计的关联曲线1.实验原理如第一章所述，电阻真空计与热偶真空计同属热传导型真空计，作用原理相同。2.实验步骤与数据同一次抽气，记录电阻真空计与热偶真空计的数值，作关联曲线如图。拟合结果：3.实验分析两真空计测量的是同一个真空系统的压强，但示数却存在线性关系，这是主要是JK-100真空系统的设计决定的。在这一真空系统上，两真空计所处的位置不同。虽然真空系统连通，但由上文知流导C与管道直径有关，电阻真空计所处的管道（如图3.1）大于热偶真空计所处的管道，因此两个位置的流导不同（分别设为C1，C2）。图3.1 热偶计与电阻计位置图通过连通体系各处的气流量Q相同，设p1、p2分别为电阻真空计、热偶真空计所测压强，p0为两管道接口处压强（为简化计算，不考虑碟阀的影响并将两管道近似地看作是串联的），由式（3.1）得：Q=C1（p1-p0）=C2（p2-p0），