真空的获得和测量

一、实验目的

1．了解基本的真空系统的结构

2．了解低真空的获得设备－机械泵的原理及使用

3．了解热传导真空计、U型真空计、高频火花真空测定仪的原理及使用

二、实验原理

真空系统是指压强小于1个大气压的系统。

1．真空的获得

（1）机械泵

课件中有详细的介绍，该部分内容要求学生自学。

（2）扩散泵（本次实验中并未使用，给学生简单介绍）

扩散泵是靠油的蒸发－喷射－凝结重复循环来实现抽气的，由于射流具有高流速（约200m/s），高的蒸汽密度，且扩散泵油分子量大（300～500），故能有效的带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走。

2．真空的测量

测量真空的仪器种类很多，本实验选用U型压力计、热偶真空计和高频电火花真空测定仪。

（1）水银U型压力计构造简单，无需校准，可以在气压不太低时使用。一般压力计一端封闭，另一端接入真空系统，封闭断为真空，这样压力计可直接指示总压力，两边水银柱的高度差即为总压力。对于精密工作则需进行温度修正。对于压力较低（低于10³Pa）的测量，油压力计比水银压力计更精确，因为油的密度低得多，绝对压力由下式给出 P=ρ_油gh 式中h是油压力计的读数。

（2）热偶真空规的原理是利用在低气压下气体的热导率与压强之间的依赖关系。在玻璃管中封入加热丝及两根不同金属丝制成一对热电偶。当加热丝通以恒定的电流时，热丝的温度一定，当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶两端的热电动势增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强与热电动势并非线性关系。热偶真空计的测量范围大约在100～10^-1Pa之间，它不能测量再低的压强，这是因为当压强更低时，热丝的温度较高，此时气体分子热传导带走的热量很小，而由热丝引线本身产生的热传导和热辐射这两部分不再与压强有关，因此就达到了测量下限。

（3）高频电火花真空测定仪（捡漏仪）是一种粗略测量玻璃真空系统的仪器，接通电源后，调节放电火花间隙，当产生击穿放电时，将高频放电探头在被抽容器处不停的移动。随着压强的变化，系统内放电辉光的颜色不断变化，从放电颜色可粗略估计真空系统的气压，放电颜色与气体压力关系如表1所示，当气压低于10^-2Pa时，火花仪就不再适用了。

表1 放电颜色与压力关系

放电辉光颜色	系统压力/Pa	说明
不发光，在管内靠近玻璃壁的金属零件上有光点	10⁵～10³	气压过高，带电粒子不足以使气体电离和激发发光
紫色条纹或一片紫红色	10³～1	氧氮的激发发光颜色
一片淡红色	10～1	氧氮的激发发光颜色
淡青白色	1～10^-1	系统内残余水汽和阴极分解时放出的CO、CO₂发光颜色
玻璃上有局部的微光	10^-1～10^-2	系统内残余水汽和阴极分解时放出的CO、CO₂发光颜色
不发光，在金属零件上没有光点，但玻璃壁上有荧光	＜10^-2	带电粒子与气体分子碰撞太少，发光微弱

3．真空系统

根据不同的工作需要，可组建各种真空系统。最简单的系统结构只需机械泵加上测量仪器即可获得粗真空到低真空的工作氛围，如图1所示。本实验所使用的就是最简单的低真空系统。

在机械泵的进气口管道上一定要装上放气阀，如图1中活塞2，当系统抽气时将其关闭，而当泵停止工作后立即将它打开与大气相通，放气入泵。否则，停泵后泵的出气口与进气口之间约有一倍大气压的压力差，在此压差作用下油会慢慢地从排气阀门渗到进气口并进入真空系统造成污染，这就是返油事故。

低真空测量用U型压力计和热偶计。对玻璃系统可用高频电火花真空测定仪激发气体使之放电，通过观测放电辉光颜色即可估计真空度的大概数量级。

图1 低真空系统

三、实验内容

1．启动真空系统，用U型压力计和热偶真空计测量系统真空度。

2．用高频电火花真空测定仪观测系统内辉光的变化，在每一个数量级至少记一次现象，与表1内现象比较有何异同。

3．测量P－t关系曲线。

4．抽至极限真空度。

5．注意事项

（1）对玻璃系统操作一定要轻缓，事先把步骤拟好，正确无误方可进行实验。

（2）开泵之前一定要关闭放气阀，关泵之前一定要先关闭阀门，然后停泵并立即打开放气阀。

（3）高频火花仪的探头要离开玻璃管1cm左右的距离，不可与管壁接触，也不可以停在一处，以免打裂玻璃。

四、实验步骤

1．启动热偶真空计，对热偶规进行加热，将换项开关接通加热挡，调节工作电流为130mA，加热结束后将换项开关接通测量档。

2．启动机械泵，打开活塞C1，使真空室与机械泵相连，此时U型真空计两水银面高度将发生变化，待稳定后，关闭活塞C2，启动机械泵电源开关。

3．启动计时秒表，每隔30秒记录一个压强值。实验过程中可利用火花发电仪观察真空系统内辉光的变化。

4．当抽到极限真空度时，系统会提示做好关闭电源的准备，此时可以停表，首先关闭活塞C1，再关闭电源开关，最后打开活塞C1。

5．提交实验报告，会得到P-t曲线及实验成绩。

五、思考题

1．热偶真空计测真空的原理是什么？限制热偶计测量下限的主要因素是什么？

2．机械泵停泵后，应注意什么事项，为什么？