7-1 真空獲得與測量實(shí)驗(yàn)1

1、171真空的獲得與測量實(shí)驗(yàn)真空的獲得與測量實(shí)驗(yàn)引言引言真空技術(shù)已成為先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。它與電子管真空工業(yè)、原子能、宇宙航行及空間科學(xué)研究、表面物理研究、微電子學(xué)等有著緊密地聯(lián)系。真空技術(shù)的主要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)是真空的獲得，真空的測量及真空檢漏等，通過本實(shí)驗(yàn)我們將對這些實(shí)驗(yàn)的方法和手段進(jìn)行初步的學(xué)習(xí)和了解。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)1學(xué)習(xí)旋片式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵的工作原理；2了解真空的獲得與測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

2、注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?通過低真空的獲得，學(xué)習(xí)使用旋片式機(jī)械真空泵和測量低真空的熱偶計(jì)。掌握測量容器的體積比。2通過高真空的獲得，學(xué)習(xí)使用油擴(kuò)散真空泵和測量高真空的電離真空計(jì)。3了解玻璃管和金屬在高真空中的放氣現(xiàn)象和去氣方法。4通過制作放電管，掌握對放電管充氣方法，觀察放電管放電現(xiàn)象，并計(jì)算最佳放電時(shí)放電管內(nèi)的氣壓差。4測量氦（或氖）放電管光譜，并進(jìn)行光譜分析（選做）。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理一、真空的獲得1真空泵真空的獲得主要是利用氣體分

3、子的運(yùn)動(dòng)特性，借助真空泵把封閉在真空系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的氣體分子排出泵外或者吸收（氣體分子永遠(yuǎn)或暫時(shí)留在泵內(nèi)），同時(shí)，阻止外部的氣體分子通過真空泵進(jìn)入真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)內(nèi)部由于泵口分子被排出導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的氣體濃度不均勻，氣體分子會(huì)持續(xù)不斷的向泵口運(yùn)動(dòng)，從而形成了“抽”氣過程，使得真空系統(tǒng)內(nèi)部壓強(qiáng)低于外部空間，即獲得了真空。對于前一種將氣體分子排出泵外的系統(tǒng)，稱為開放式抽真空系統(tǒng)，利用真空泵吸收氣體分子的系統(tǒng)稱為封閉式抽真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)所能達(dá)到

4、的真空程度與真空系統(tǒng)的封閉性，真空泵的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)，被抽氣體的種類以及真空泵與被抽系統(tǒng)的連接方式有很大的關(guān)系。不同的真空泵適用于不同的真空范圍，在實(shí)驗(yàn)中開放式系統(tǒng)常用的真空泵有：旋片式機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、羅茨泵、渦輪分子泵等。封閉式系統(tǒng)常用的真空有：吸附泵、鋯鋁（鈦）泵、離子泵和鈦升華泵等。開放式系統(tǒng)常用的真空泵的工作原理和使用方法可參見“真空技術(shù)基本知識(shí)部分”。2玻璃及金屬的表面加熱去氣玻璃及金屬的表面往往會(huì)吸附大量的氣體，當(dāng)玻璃及金

5、屬在大氣中時(shí)，這些氣體和周圍氣體達(dá)到平衡，但當(dāng)周圍成為真空時(shí)，平衡被破壞，吸附在表面的氣體會(huì)逐漸釋放出來，當(dāng)被抽的容器內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到103Pa時(shí)，這種現(xiàn)象變得愈加明顯。一般表現(xiàn)為真空度長時(shí)間難以提高，或一旦停止抽氣被抽系統(tǒng)的真空度會(huì)慢慢降低，這種現(xiàn)象很像系統(tǒng)漏氣。因此，為了獲得高真空，或在停止抽氣后仍能維持原真空系統(tǒng)的真空度，就需要設(shè)法除去吸附在容器表面的氣體。實(shí)驗(yàn)中常用的方法是在抽到高真空的同時(shí)，加熱整個(gè)金屬或玻璃，以提高氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)

6、速度，使吸附的氣體更快地從表面和體內(nèi)釋放出來，以達(dá)到提高系統(tǒng)的真空度。溫度越高去氣過程越快，但溫度不能高于被加熱材料的熔點(diǎn)，如玻璃一般限于350C0，加熱的方法可以用加熱電爐、高頻加熱法或火焰。高頻加熱法即把金屬部件至于高頻電磁場中，利用金屬的感應(yīng)電流（渦流）將金屬加熱至高溫來達(dá)到去氣目的。3左右時(shí)，氣體或蒸氣在電壓較高(2000V左右)、電流較小(約幾毫安)的條件下，放電管中出現(xiàn)的瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象稱為輝光放電輝光放電。由于電子從陰極向陽

7、極運(yùn)動(dòng)過程中，與氣體原子非彈性碰撞失去能量后，要經(jīng)過一段距離加速，才能發(fā)生下一次非彈性碰撞，因此，輝光放電的特征是在放電管中交替地出現(xiàn)亮區(qū)和暗區(qū)，如圖714中所示，從陰極到陽極依次出現(xiàn)：①阿斯頓暗區(qū)、②陰極輝光區(qū)、③陰極暗區(qū)(克魯克斯暗區(qū))、④負(fù)輝光區(qū)、⑤法拉第暗區(qū)、⑥正輝光區(qū)、⑦陽極暗區(qū)、⑧陽極輝光區(qū)等八個(gè)發(fā)光強(qiáng)度不同的區(qū)域。不同區(qū)域內(nèi)輝光的波長、亮度除了與電極材料、放電管的長度、放電電流強(qiáng)度、氣體的種類有關(guān)外，還與真空度有關(guān)，真空度

8、太低時(shí)，例如1個(gè)大氣壓時(shí)，電子的平均自由程很短而達(dá)不到陽極，就看不到輝光現(xiàn)象，真空度約為103Pa時(shí)，輝光開始出現(xiàn)。隨著真空度的提高，輝光帶越來越寬，達(dá)到102Pa左右時(shí)，正輝光區(qū)范圍最大，負(fù)輝區(qū)最亮。當(dāng)真空度達(dá)到10Pa左右時(shí)，正輝光區(qū)范圍縮短，顏色也發(fā)生變化，當(dāng)真空度達(dá)1Pa左右時(shí)，輝光只見于兩極，管壁由于電子轟擊而出現(xiàn)與玻璃材料有關(guān)的熒光。當(dāng)真空度超過0.1Pa時(shí)，放電和輝光都消失。因此，通過對輝光放電現(xiàn)象的觀察可以粗略地估計(jì)真空

9、度。2放電管光譜測量放電管兩端加上電壓后，在電場的作用下，管中氣體的原子、分子受到加速電子的碰撞發(fā)生激發(fā)和電離，氣體原子獲得能量由基態(tài)躍遷到高能的激發(fā)態(tài)，而處于高能激發(fā)態(tài)的原子一般是不穩(wěn)定的，將發(fā)生自發(fā)輻射或受激輻射由高能激發(fā)態(tài)躍遷到低能態(tài)，能量以光子的形式放出，形成放電。原子由高能態(tài)En向低能態(tài)Em躍遷時(shí)，輻射光的頻率為：（712）hEEmn???其中，h為普朗克常數(shù)。原子的能級躍遷滿足一定的規(guī)律，即躍遷的選擇定則，因此，原子發(fā)光的頻

10、率是一定的，即原子光譜是線狀光譜。對于分子發(fā)光，由于分子內(nèi)的電子躍遷時(shí)，分子振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能也發(fā)生變化，頻率展寬，形成帶狀光譜。此外氣體放電輻射中，還會(huì)出現(xiàn)連續(xù)光譜。氣體的電導(dǎo)率為：（713）eeecmne??2?其中，n為電子密度，為氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率，為氣體分子平均自由程。一定溫ece?度下，e2、me和為常數(shù)?？梢钥吹?，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，明顯會(huì)影響到n的變化，ec同時(shí)，當(dāng)外加電壓不同時(shí)，場強(qiáng)發(fā)生變化，載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，由于