真空技术基础 陈梓本科毕业论文 论文题目： 高真空系统的维修与检测 院 系： 物理学 专 业： 物理学 姓 名： 陈梓 学 号： 0519090 指导教师： 乐永康 职 称： 高级讲师 2009 年 6 月 9 日学生姓名陈梓学 号0519090专 业物理学指导教师姓名乐永康职 称高级讲师部 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 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 not 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 two 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 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 not 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 two 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（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，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