為不熟悉工程實際的理科學生設計制造了玻璃制擴散泵真空系統實物模型, 使其直觀地了解真空獲得、測量和檢漏的工作原理。簡述其構造及由此模型可具體理解的內容。

1、玻璃真空系統

　　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泵( 如機械泵) , 用來產生預備真空, 需要在預備條件下才能工作的真空泵稱為次級泵( 玻璃擴散泵) , 次級泵用來進一步提高真空度, 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;玻璃擴散泵其結構圖1 所示, 擴散泵是高真空泵, 當機械泵的極限真空度不能滿足要求時,通常加擴散泵來獲得高真空。這種泵不能從通常氣壓下開始工作,只能在低于1Pa氣壓下才能工作。因此, 必須與初級泵串聯使用。

　　擴散泵的液體油有多種, 目前廣泛使用的是3 號擴散泵油( 20℃時飽和汽壓為1.3×10^-6Pa)沸點375℃和275號硅油( 20℃時飽和汽壓為1.3×10^-8 Pa) 沸點430℃。

　　擴散泵開始工作之前, 必須先開動機械泵抽氣, 達到預備真空時( 約1.3 Pa) , 便可以使用電爐對擴散泵蒸發器中的油進行加熱, 約25～35 min的時間, 便可觀察到, 擴散泵油開始沸騰, 油蒸汽開始順向每一級噴口定向噴發, 形成射流。當硅油加熱至沸騰時430℃, 便產生大量油蒸汽, 蒸汽經過導管由各級噴嘴高速噴出, 此時, 由于來自被抽容器的氣體不斷向蒸汽流中擴散,( 便稱擴散泵) 便被帶到下方傘形帽噴發的射流, 這股射流的壓強大于上一級射流, 氣體分子進入下一級射流, 這一級壓強又大于上一級射流, 而油蒸汽被冷凝水套凝結, 沿著管壁經過回油管流回蒸發器, 被帶到下方的氣體則由機械泵以每秒4 升的速率抽走, 20 min 后可達到擴散泵的極限真空度。這些工作狀態, 只有透過玻璃很容易觀察到,擴散、噴發和冷凝的過程, 這也是擴散泵名稱的由來, 這些工作狀態金屬擴散泵是無法觀察到的。使用擴散泵時必須注意:

　　① 與擴散泵配合的機械泵, 它的抽氣速率必須保證及時排走擴散泵內部所排出的氣體。

　　② 擴散泵工作時冷卻水必須暢通, 否則會使冷凝水套中的水溫過高, 油蒸汽不能很好的凝結, 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, 所以應選擇適合的電爐。

圖1 擴散泵　　圖2 熱偶真空計

2、真空系統測量

　　真空計是測量真空系統中氣體壓強的儀器,種類很多, 這里介紹的復合真空計是常見的一種, 復合真空計是由溫差電偶真空計與熱陰極電離真空計組合而成。

2.1、溫差電偶真空計的原理

　　溫差電偶真空規管由玻璃制成, 通過小管8 和真空系統相接, 如圖2 所示, 在規管內的兩根引線上裝有熱絲3,另外兩根引線上焊著一對溫差電偶4, 溫差電偶的另一端與熱絲在A 點焊接。由于在低壓下, 氣體的熱傳導系數與壓強成正比, 所以在通過熱絲的電流( 90～150 mA) 一定的條件下, 熱絲的溫度隨著規管內真空度的提高而升高, 溫差電偶電動勢也就隨之而增大。因此, 通過測量溫差電偶電動勢, 就可確定出被測系統的真空度, 溫差電偶真空計就是根據這個原理制成的。溫差電偶真空計的電離真空計的測量范圍1～5×10^-2Pa。

2.2、熱陰極電離真空計的原理

　　電離真空規管就是一只三極管, 如圖3 所示, 通過B 管與真空系統相接, 使用時, 在燈絲電路中通以電流5 mA, 燈絲受熱后便發射電子, 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, 碰撞機會越大, 產生的正離子也越多。另外, 由于板極電壓為負, 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( 即壓強越大) , 板極電流也越大, 反之就小。所以, 通過測量板極電流便可以確定氣體的壓強, 熱陰極電離真空計就是根據這個原理制成的。熱陰極電離真空計是測量極高真空的儀器,測量范圍為1×10^-2～1×10^-5 Pa。注意: 一旦測量完結, 立刻關閉電離真空規管燈絲, 這樣可延長規管使用壽命。

圖3 電離真空計　　圖4 復合計真空計