2023年4月19日发(作者：大学导航)真空技术及真空计量基本知识
第⼆章 真空计量基本知识
⼀、真空
1.1 真空、理想⽓体状态⽅程、⽓体分⼦的热运动
地球的周围有⼀层厚厚的空⽓，称为⼤⽓，⼈类就⽣活在这些⼤⽓中。空⽓有⼀定的质量，在通常状况下，⼤约为1.29g/l ，
可以说是很轻的。但地球周围的空⽓⾮常密，在⼏⼗公⾥以上的⾼空还有空⽓存在，这么厚的⼀层空⽓受地球引⼒作⽤，就会
对地⾯上的⼀切物体产⽣压⼒，这就是⼤⽓压。早在17世纪，托⾥拆利就通过实验证实了⼤⽓压强的⼤⼩。通常⼀个标准⼤
⽓压约等于0.1MPa ，相当于760mm 左右的汞柱所产⽣的压强。
真空是指低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间，但不可理解为什么都没有。真空是同正常的⼤⽓相⽐，是⽐较稀薄的⽓体状态。按照阿
佛加德罗定律1mol 任何⽓体在标准状况下，有6.0221023个分⼦，占据22.4L 的体积。由此我们得到标准状态下⽓体分⼦的
密度为319/103cm 个?。
在⾮标准状况下，当⽓体处于平衡时，满⾜描述理想⽓体的状态⽅程。
式中的N 为⽓体的摩尔数，P 为压⼒（Pa ）,T 热⼒学温度，为波尔兹曼常数，=1.3810-23J/K 。因此在⾮标准状况下，⽓
体分⼦数密度与压⼒和温度有关。每⽴⽅厘⽶中的⽓体分⼦数可以表⽰为： T
P n 61024.7?= 式中n 为⽓体分⼦数密度（cm -3），由此可见，即便在Pa P 11103.1-?=这样很⾼的真空度时，T=293K
时，每⽴⽅厘⽶的空间中仍有数百个⽓体分⼦。因此所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。同时我们也可知，⽓体分⼦
数密度在温度不变时，与压⼒成正⽐。因此，真空度可⽤压⼒来表⽰也是以此为理论依据。在真空抽⽓过程中，⼀般可认为是
等温的，我们说容器中的压⼒降低了或⽓体分⼦数密度减少了都是正确的。
kT V N p ??
=
1.2 ⽓体分⼦的热运动
从微观的⾓度看，⽓体是由分⼦组成的，所有分⼦都处在不断的、⽆规则的运动状态。分⼦的这种运动与温度有关，因此我们
称之为热运动。做⽆规则运动的⽓体速度不都具有相同的值，⽽是形成⼀个各种速度的速度分布，具有最⼤速度和最⼩速度的
分⼦数都⽐较少，⽽具有“中等”速度的分⼦数⽐较多，速度的分布是有规律的。
容器中的⽓体，施于器壁或测量元件的压⼒，是⼤量⽓体分⼦不断对他们进⾏碰撞的结果。我们知道，所有⽓体分⼦都在以各
种可能的速度和⽅向⽆规则的运动着，随时都有⼀部分分⼦碰撞到器壁或测量元件上，并把它们的动量传递给被碰撞的物体，
对于⼀个分⼦来讲，它每次碰撞在什么地⽅，有多⼤的动量都是偶然的，不确定的。但对于容器中的⼤量分⼦⽽⾔，每时每刻
都有许多分⼦碰撞到器壁和测量元件上，按照统计规律，这种碰撞是恒定的、持续的、确定的，从宏观上表现出来的，就是压
⼒。因此从分⼦运动的观点看，⽓体压⼒是由于⼤量⽓体分⼦做⽆规则的热运动，对物体表⾯施加碰撞的统计平均结果。
1.3 真空的特点
在低于⼤⽓压⼒的稀薄⽓体中，⽓体所显⽰的第⼀个特点是⽓体分⼦数⽬的减少,即单位体积内所具有的分⼦数⽬的减⼩.
低压⽓态空间所显⽰的第⼆个特点是随着分⼦数⽬的减少,分⼦间、分⼦与器壁之间相互的碰撞次数也逐渐的减少下来。随⼤
⽓压⼒降低，每秒种内碰撞到每平⽅厘⽶表⾯积上去的分⼦数是在不断减少的。
低⽓压状态中，⽓体的第三个特点是⽓体分⼦热运动⾃由程的增⼤。所谓⾃由程，是指⼀个⽓体分⼦在其热运动过程中，彼此
之间不断发⽣碰撞，⼀个分⼦与其它分⼦每连续两次碰撞之间所⾛的路程。由于分⼦运动速度不同，运动情况不同，单独讨论
某⼀个分⼦的⾃由程是⽆意义的，因此通常采⽤平均⾃由程的概念，它定义为相当多的不同⾃由程的平均值。平均⾃由程也只
有统计的概念。理论和实验表明，⽓体分⼦的平均⾃由程可以⽤下式表⽰
其中为分⼦直径，p为压强，T为⽓体温度，k为玻⽿兹曼常数。
⼆、真空的度量
根据上⾯的讨论，我们可以看出，在真空中⽓体分⼦数⽬、⽓体分⼦间相互碰撞次数及⽓体分⼦碰撞到空间任何物体表⾯上去
的次数都有着明显的减少。随着⽓态空间分⼦数的减少，即出现了真空度不断提⾼的过程。所谓真空度，就是空间中⽓态物质
的稀薄程度。⽓体的压⼒越低，其稀薄程度越⼤，也就是真空度越⾼。因此，低压⼒与⾼真空或⾼压⼒与低真空，在含义上是
完全相同的。在真空技术中由于真空度和压强有关，所以真空度的度量单位是⽤压强来表⽰。
压强所采⽤的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），简称帕，是⽬前国际上推荐使⽤的国际单位制。我国采⽤国际单位制。
1958年，第⼀届国际技术会议曾建议采⽤“托”(Torr)作为测量真空度的单位。托（Torr）是最初获得真空时被采⽤的真空技术
中的独特单位，实际上也是1mmHg柱所产⽣的压强。两者的关系为1Torr=133.322Pa=1mmHg。还有⼀种压强的计量单位是
巴(bar), 1 bar =105 Pa ，它的常⽤单位是毫巴(mbar)，1mbar=10-3bar=100Pa，这也是我们镀膜线控制界⾯所⽤的压强单
位。
三、真空的划分
有了度量真空度的单位，就可以定量表⽰真空度的⾼低了。但在习惯上，⼈们只需要指出真空状态的⼤致情况时，采⽤划分真
空区域的⽅法是⽐较⽅便的。根据我为什么要好好学习
国制定的国标，真空区域⼤致划分如下：低真空区域105-102Pa （760-1托）
中真空区域102-10-1Pa （1-10-3托）
⾼真空区域10-1-10-5Pa （10-3-10-7托）
超⾼真空区域＜10-5Pa （＜10-7托）
3.1 低真空区域
在低真空情况下，⽓体分⼦的平均⾃由程⼩于10-4cm，分⼦数密度还很⾼，在容器壁上经常保留着⼀个被吸附的⽓体层，容
器内部⽓体分⼦由于不断与其它分⼦发⽣碰撞，所以运动轨迹是⼀个平均⾃由程远⼩于容器尺⼨的空间折线。如图1⽰。
图1 低真空下⽓体分⼦的运动轨迹<
此时如果容器内部存在⼀个蒸发源，例如⽤电热杯加热⼀⼩杯⽔，由于⽓体分⼦数密度⾼，在⽔蒸⽓分⼦不断离开⽔⾯⼜会不
断被碰撞返回⽔⾯，所以蒸发速度慢。另⼀⽅⾯，离开⽔⾯的蒸汽分⼦由于与其他⽓体分⼦碰撞，完全破坏了刚离开⽔⾯时的
⽅向，⽽是通过杂乱⽆章的空间折线做随机运动，如图2⽰。任何蒸汽分⼦都可能凝结在容器壁或屏的任何⼀⾯，不会由于屏
的存在⽽在容器上部壁上出现“分⼦阴影”。因此真空镀膜不能⼯作在粗真空范围，否则，就会在真空镀膜机腔内及被镀件的所
有表⾯上出现膜层。
在低真空情况下，⽓体传导热量的能⼒与压⼒⽆关。低真空情况下⽓体传导热的过程主要是靠⽓体分⼦间的相互碰撞，动能⾼
的⽓体分⼦通过碰撞把热能传递给动能低的分⼦以完成热量的传递。若压⼒⾼，分⼦数密度⼤，分⼦平均⾃由程⼩，反之，压
⼒低，分⼦数密度⼩，平均⾃由程增加，⼆者相互关联，使得在粗真空范围内⽓体的热传导能⼒并不随着压⼒的降低⽽提⾼。
在低真空条件下，分⼦⾃由程⼩，⽓体可视为连续介质，⽓流通过管道时，流层间存在摩擦阻⼒，因此流速沿半径⽅向会均匀
减⼩，中间最⼤，⽽贴近管壁处由于壁对⽓体的粘着作⽤，使流速为零。从分⼦运动的观点看，出现这种现象的原因是⽓体分
⼦具有传递动量的能⼒。⽓体随⽓流做定向运动时具有⼀定的动量，由于分⼦数密度很⾼，这些分⼦同时还要在各个⽅向上做
⽆规则热运动，碰撞与之相邻的⽓体分⼦，把它们的⼀部分动量传递给这些分⼦，这样互相碰撞传递动量的结果，形成如上所
述的速度分布。⽓体的这种传递动量或内部各层之间交换动量的现象称为⽓体的粘滞性和内摩擦。上述⽓体分⼦的平均⾃由程
⼩于管道最⼩截⾯尺⼨的流动状态就称为粘滞流。低真空下⽓体的流动主要表现为粘滞流。
3.2 中真空区域
在中真空区域内，随真空度由低到⾼，分⼦的平均⾃由程从10-4cm到10cm，变得可与容器尺⼨相⽐拟。所以中真空情况下，
容器壁上吸附的⽓体层⽐低真空容易脱离器壁。中真空环境中液体的蒸发也要⽐低真空快很多。
在中真空状态下，随着⽓压的降低，平均⾃由程的增加就开始不⾜以补偿分⼦数减少造成的影响，出现了热传导能⼒与压⼒有
关的现象，在⼀定范围内，热传导能⼒与⽓体压⼒成正⽐。根据这⼀特点，制成了热传导式真空计。
在中真空下，分⼦的平均⾃由程可以与容器的尺⼨相⽐拟，但分⼦之间还存在较多碰撞，⽓体的流动既不是粘滞流，也不是分
⼦流，⽽是介于粘滞流和分⼦之间的⼀种中间流状态。
3.3 ⾼真空区域
在⾼真空情况下，⽓体分⼦的平均⾃由程⼀般在10cm以上，这就是说，在⼀个容器内部，做热运动的⽓体分⼦之间已⼏乎不
发⽣碰撞。它们只与容器壁发⽣碰撞，在容器壁间作折线运动。如图3⽰。
图3⾼真空时⽓体分⼦的热运动路径图4⾼真空时蒸汽分⼦的直线轨迹>>d 在⾼真空情况下，由于离开器壁的分⼦不能与其它
分⼦碰撞返回器壁表⾯，所以器壁上，⾄少是⼤部分器壁上已不能保留布满⽓体分⼦的吸附层。
在⾼真空情况下，如果真空容器的内部存在⼀个蒸发源，例如真空镀膜的蒸镀物质，由于蒸发的原⼦不可能因与其它分⼦碰撞
⽽返回蒸发源，所以蒸发速度可以达到该温度下的最⼤值。另外，从蒸发源飞离的蒸发原⼦，将不改变⽅向，⼀直碰到器壁或
屏上，并凝结在那⾥。冷凝的蒸镀层只在屏朝向蒸发源的那
⼀⾯和器壁不被遮挡的部分出现，如图4所⽰。如同蒸发源是⼀个点光源⼀样。这就是真空镀膜的基础。
在⾼真空情况下，⽓体的热传导能⼒与压⼒有关，压⼒越低，热传导能⼒越差。绝热性能越⾼。这是因为压⼒越低，载热分⼦
数越少的缘故。像杜⽡斯、保温瓶等都是利⽤了这⼀原理。
四、蒸汽
所谓蒸汽（⼜称可凝性⽓体），是相对于永久⽓体（或称⾮可凝性⽓体）⽽⾔的。对于任何⼀种⽓体，都存在着⼀个临界温
度，在临界温度以上的⽓体，不能通过等温压缩发⽣液化，称为永久⽓体；⽽在临界温度以下的⽓体，靠单纯增加压⼒即能使
其液化，便是蒸汽。
空间中的蒸汽分⼦返回到液体内去的过程叫凝结。凝结的逆过程，即液体分⼦飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。单位时间通
过单位⾯积液⾯蒸发的质量叫蒸发率，单位是kg/(m2s)。在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率⼤于
凝结率，则宏观上表现为液体的蒸发；若蒸发率⼩于凝结率，则宏观上表现为蒸汽的凝结；⼆者相等时，则处于饱和状态，此
时空间蒸汽的压⼒称为对应温度下的饱和蒸汽压P S。物质的饱和蒸汽压P S随着温度升⾼⽽增⼤。
在真空⼯程中，在蒸汽没有达到饱和之前可以使⽤理想⽓体定律和公式来描述蒸汽的性质；⽽蒸汽⼀旦达到饱和，理想⽓体定
律不再适⽤，⽓体的饱和蒸汽压P S只与温度有关，在特定温度下是⼀个定值。只要保持温度恒定，饱和蒸汽压就不会改变，
容积减⼩，将有⼀部分蒸汽分⼦凝结成液体；反之增⼤容积，⼜会有⼀部分液体变为⽓体。
饱和蒸汽受压缩时发⽣液化这⼀性质常给变容式真空泵的抽⽓带来困难，最突出的就是⽔蒸汽的抽除问题。以最常见的旋⽚泵
为例，如果吸⼊的⽓体中⽔蒸汽的⽐例较⼤，在⽔蒸汽和永久⽓体被压缩达到排⽓压⼒之前，⽔蒸汽的分压⼒已经达到饱和蒸
汽压，那么继续压缩的过程中，就会有⼀部分⽔蒸汽发⽣液化⽽混⼊泵油中，⽆法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下
重新汽化成蒸汽，增⼤吸⽓侧的⽔蒸汽⽐例和压⼒，导致泵的抽⽓能⼒和极限真空的下降。解决这⼀问题的⼀个传统⽅法是加
⽓镇，即向压缩腔内充⼊永久⽓体成份以降低⽔蒸汽所占的⽐例，使其在达到饱和前便被排出。
⽔蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计的精确使⽤。测量读数时，如果测量管内经过压缩的⽓体中，
⽔蒸汽的分压⼒低于当时饱和蒸汽压，那么读数显⽰的是⽔蒸汽和永久⽓体的压⼒；若⽔蒸汽已经达到饱和发⽣液化，那么读
数会世界名书
⽐永久⽓体的分压⼒⾼⼀些，⽆法得到准确的数据。为消除⽔蒸汽对测量的⼲扰，常在麦⽒计上安装⼀个低温冷阱，这样
测得的就只是永久⽓体的分压⼒。
液体（或固体）在真空中蒸发（或升华）变成蒸汽时需要吸收热量，称为汽化热。这种现象有时也会给真空操作带来问题，⽐
如在⼤型真空装置中积存⼀些⽔，抽真空后⼀部分⽔蒸发成蒸汽排除，⽽这部分⽔吸收汽化热使其余的⽔降温直⾄结冰，余下
的⽔就只能以升华的⽅式缓慢蒸发，从⽽会延长抽真空的时间。
五、⽓体吸附
⽓体或蒸汽被固体表⾯浮获⽽附着在表⾯上,形成单层或多层⽓体分⼦层的现象叫做吸附。发⽣吸附作⽤的原因是由于固体表
⾯存在着⼒场。
根据吸附⼒的不同,⽓体吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是⽓体分⼦受范德⽡尔斯⼒的吸引作⽤⽽附着在吸附剂表
⾯之上,其特点是吸附较弱,吸附热较⼩,吸附不稳定,较易脱附,但对吸附的⽓体⼀般⽆选择性,温度越低吸附量越⼤,能形成多层吸
附,分⼦筛吸附泵和低温泵的吸⽓作⽤就属于物理吸附。化学吸附是靠固体表⾯原⼦与⽓体分⼦间形成吸附化学键来实现的,与
发⽣化学反应相类似,同物理吸附相⽐,化学吸附的特点是吸附强,吸附热⼤,稳定不易脱附,吸附有选择性,温度较⾼时发⽣化学吸
附的⽓体分⼦增多,只能紧贴表⾯形成单层吸附(在化学吸附的分⼦上⾯还能形成物理吸附),溅射离⼦泵和电⼦管中吸⽓剂的吸
⽓作⽤就包括化学吸附。
⽓体吸附的逆过程,即被吸附的⽓体或蒸汽从表⾯释放出来重新回到空间的过程,称为脱附或解吸。解吸现象可以是⾃然发⽣的,
也可以是⼈为加速的。⾃然解吸有两种情况,⼀是从宏观平均地看,每个吸附⽓体分⼦在表⾯停留⼀段时间后,都要发⽣脱附飞回
空间,这时也会有其它⽓体分⼦发⽣新的吸附,在⽓体温度压⼒⼀定的条件下,吸附速率与脱附速率相等,表⾯上的⽓体吸附量维持
恒定;另⼀种情况是在抽真空的过程中,空间⽓体压⼒不断降低,表⾯上脱附速率⼤于吸附速率,⽓体吸附量逐渐减少,⽓体从表⾯
上缓缓放出,这种现象在真空中叫做材料的放⽓或出⽓。⼯程中最关⼼的问题是表⾯上的⽓体吸附总量和抽真空时表⾯的放⽓
速率,
但⾄今还没有很准确通⽤的计算⽅法,只能从实验经验中总结出:在低真空阶段,表⾯吸附及表⾯放⽓与空间⽓体相⽐,数量很⼩,
其影响可以忽略不计;在中真空阶段,表⾯放⽓量已接近空间⽓体量,对⼆者应同样重视;进⼊⾼真空乃⾄超⾼真空阶段,表⾯放⽓
(不计系统漏⽓时)已成为主要⽓体负荷,放⽓的快慢直接影响着抽空时间。
通过⼈为的⼿段有意识地促进⽓体解吸现象的发⽣,在真空技术中叫做去⽓或除⽓.⼈⼯去⽓可以缩短系统达到极限真空的时间;
可以获得没有⽓体分⼦遮盖的清洁表⾯。加热烘烤去⽓⽅法通过提⾼吸⽓表⾯的温度,增加分⼦热运动能量来促进解吸,边加热
边排⽓,常⽤于超⾼真空系统容器内表⾯及内部构件的去⽓和真空电⼦器件内灯丝等内部⾦属元件的去⽓；离⼦轰击去⽓⽅法
⼀般是在空间形成⽓体放电,产⽣离⼦体区,⾼能离⼦轰击待清洗的固体表⾯,产⽣⽓体溅射,使吸附⽓体发⽣脱附,这是⼀种相当
有效、简捷迅速的除⽓⼿段,在薄膜技术、表⾯科学等有⽓体放电条件或有离⼦源的设备中⼴泛采⽤。
六、真空的获得
真空技术在不同领域中应⽤，对真空度的要求各不相同，在实践中，⼈们根据不同需要研制了各式各样的真空泵或抽⽓⽅法，
它们形状不同，原理各异。⽬前⽤以获得真空的技术⽅法有两种：⼀种是通过某些机械的运动把⽓体直接从密闭容器中排出；
另⼀种是通过物理、化学等⽅法将⽓体分⼦吸附或冷凝在低温表⾯上。
图5 各种真空泵的⼯作范围
图5给出了各种原理的真空泵的⼯作范围。
真空系统除了真空泵以外，还有被抽容器、连接件、阀门、导管等。在真空泵启动之前，假设整个真空系统没有漏⽓的部位，
内部也不存在放⽓源，抽⽓系统中压⼒处处相等，⽓体不存在宏观流动。启动真空泵，真空泵处的压⼒⾸先降低，⽓体开始沿
着从容器→导管→真空泵的⽅向流动，随着⽓体的不断被抽出，系统中的压⼒不断降低，在⼯作相当长的时间后，容器、管道
和真空泵⼊⼝处的压⼒逐渐趋于平衡并达到⼀个极限值，达到这种状态后，不管真空泵再继续⼯作多长时间，也不可能提⾼系
统的真空度，此时达到了该真空泵所能达到的极限值。
由于极限值的存在，⾄今还没有⼀种泵能直接从⼤⽓压⼀直⼯作到超⾼真空。因此，为了获得⾼真空，通常采⽤⼏种泵组合起
来使⽤。
根据真空泵在真空系统中所承担的⼯作任务，我们可以分为：
粗抽泵：从⼤⽓开始降低系统的压⼒到另⼀抽⽓系统开始⼯作的真空泵。
前级真空泵：⽤于维持另⼀个泵的前级压强在其最⾼许可的前级压强以下的真空泵。
主泵：在真空系统中，⽤来获得所要求的真空度的真空泵。
增压泵：⼯作在低真空泵和⾼真空泵之间，⽤以提⾼抽⽓系统在中间压强范围的抽⽓量或降低前级泵抽⽓速率要求的真空泵。
根据真空泵的⼯作范围，还可以把真空泵分为：
粗（低）真空泵：粗、低真空泵是指从⼤⽓开始，降低被抽容器的压强后⼯作在低真空或粗真空压强范围内的真空泵。
⾼真空泵：真空泵是指在⾼真空范围⼯作的真空泵。
超⾼真空泵：⾼真空泵是指在超⾼真空范围⼯作的真空泵。
真空泵的主要参数包括如下⼏个：
极限压强：极限压强⼜称极限真空，它是指泵在⼊⼝处装有标准试验罩，并按规定条件⼯作，⽆其它引⼊⽓体并正常⼯作的情
况下，趋向稳定的最低压强。
抽⽓速率：抽⽓速率⼀般⽤符号S表⽰，单位是m3/s（秒）或l/s（秒），抽⽓速率是指泵装有标准试验罩，并按规定条件⼯作
时，从试验罩流过的⽓体流量与在试验罩指定位置（通常是泵⼝出）测得的平衡压
强之⽐。简称泵的抽速。
S=Q G/P
起动压强：泵在⽆损坏起动并有抽⽓作⽤时的压强。启动压强是⼀个重要参量，使⽤真空泵时必须在低于启动压强时才能启
动，否则会造成⽆可挽回的损失。例如机械泵，在⼤⽓压下可以正常启动，但扩散泵就必须低于启动压强时才能启动。
前级压强：排⽓压强低于⼀个⼤⽓压的真空泵的出⼝压强，单位是Pa。
临界前级压强：扩散泵等所许可的最⾼前级压强，超过了此值将导致泵损坏。了解泵的临界前级压强对设计真空系统，合理选
择前级泵是⼗分重要的。如果前级泵⽆法保证⼊⼝管道中的压强低于与其串联的主真空泵的临界前级压⼒，主真空泵就不能正
常⼯作，甚⾄造成损坏。
真空泵是⼀个真空系统获得真空的关键。下⾯根据⼯作原理的不同我们主要介绍如下⼏种真空泵：
6.1 机械泵（旋⽚泵）
获得低真空常采⽤机械泵，机械泵是运⽤机械⽅法不断地改变泵内吸⽓空腔的体积，使被抽容器内⽓体的体积不断膨胀，从⽽
获得真空的装置。
如图6(1)所⽰，旋⽚式机械泵通常由定⼦、偏⼼转⼦、旋⽚等结构构成。定⼦为⼀圆柱形空腔，空腔上连接进⽓管和出⽓阀
门，转⼦顶端保持于定⼦的圆柱空腔内切位置上。转⼦上开有槽，槽内安放了由弹簧连接的两个旋⽚。当转⼦旋转时，两旋⽚
的顶端始终紧压在定⼦空腔的内壁上。转⼦的转动是由马达带动的，整个空腔置于油箱中，油起到密切、润滑和冷却的作⽤。
图6-1旋⽚泵结构图图6-2旋⽚泵的⼯作原理图
图6-2是旋⽚泵的⼯作原理图。当转⼦顺时针转动到A旋⽚通过进⽓⼝（图6-2-1）时，空⽓由被抽容器通过进⽓管被吸⼊。随
着转⼦的转动，A旋⽚与进⽓管相连的区域不断扩⼤，⽽⽓体就不断地被吸⼊。当到达图b位置时，吸⽓区域达到最⼤。旋⽚
继续运动，转⼦达到⼀定位置时，B旋⽚把被吸⼊⽓体的区域与被抽容器隔开，并将⽓体不断压缩，直到压强增⼤到可以顶开
出⽓⼝的活塞阀门⽽被排出泵外，之后进⼊下⼀个循环，转⼦的不断转动使⽓体不断地从被抽容器中抽出。厨房对联
旋⽚式机械泵可以直接在⼤⽓压下开始⼯作，其极限真空度可达1.3310-2Pa。旋⽚式机械泵的极限压强主要取决于：1、定
⼦空间中两空腔间的密封性，因为其中⼀空间为⼤⽓压，另⼀空间为极限压强，密封不好将直接影响极限压强；2、排⽓⼝附
近有⼀死⾓空间，旋⽚移动时它，此空间不可能趋于⽆限⼩，因此不能有⾜够的压⼒去顶开排⽓阀门；3、泵腔内密封油存在
⼀定的蒸汽压。
旋⽚式机械泵使⽤时必须注意以下⼏点：1、启动前先检查油槽中的油液⾯是否达到规定的要求，机械泵转⼦转动⽅向与泵的
规定⽅向是否符合（否则会把泵油压⼊真空）。2、机械泵停⽌⼯作时要⽴即让进⽓⼝与⼤⽓相通，以清除泵内外的压差，防
⽌⼤⽓通过缝隙把泵内的油缓缓地从进⽓⼝倒压进被抽容器（“回油”现象）。3、泵不宜长时间抽⼤⽓，否则因长时间⼤负荷
⼯作会使泵体和电动机受损。
6.2 分⼦泵
当⽓体分⼦碰撞到⾼速移动的固体表⾯时，⼀般不作弹性反射，⽽是在表⾯停留很短的时间，然后在离开表⾯时将获得与固体
表⾯速率相近的相对切向速率，这就是动量传输作⽤。涡轮分⼦泵就是利⽤这⼀现象⽽制成的。即它是靠⾼速转动的转⼦碰撞
⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，⽽使被抽容器获得⾼真空的⼀种机械分⼦泵。
图7 涡轮分⼦泵的结构⽰意图
右图7是涡轮分⼦泵的结构⽰意图。它的⼯作原理是基于叶轮转⼦上的叶⽚和定⼦圆盘上的槽缝相互组合形成特定的形状，当
叶轮转动时，从进⽓⼝⼀侧扩散进⼊泵腔中的⽓体分⼦有较⼤的⼏率运动向出⽓⼝⼀侧，从⽽实现抽⽓的功能。在图7中转⼦
轴上安装了许多斜开缝的圆盘（构成叶轮），在这些转⼦圆盘之间对应的是定⼦圆盘，定⼦圆盘上也开有斜缝，斜缝的⽅向与
转⼦上的斜缝相反，当转⼦⾼速旋转时，⽓体分⼦从上部进⽓⼝进⼊，在转⼦和定⼦的作⽤下，分成两股，向左或向右被压缩
到靠近泵轴的两端，汇集⾄下部出⼝，被前级真空泵抽⾛。
由于分⼦泵是⼯作在⽓体分⼦流状态下，它要求有⼀定的前级压强，⼀般在10-1Pa左右，因此分⼦泵⼯作需要加前级真空
泵。普通机械泵的极限压强可以满⾜分⼦泵前级压强的要求，因此⼯作时把分⼦泵和机械泵串联使⽤，使分⼦泵的出⼝接到机
械泵的⼊⼝，⾸先启动机械泵，达到分⼦泵要求的前级真空后再启动分⼦泵，就可以实现⾼真空。
⽤分⼦泵抽真空，对真空系统造成的污染的来源是分⼦泵轴承上润滑油的蒸汽，为此，常在轴承上加
⽔冷却以减少油⽓蒸发。与其他常⽤真空泵⽐较，分⼦泵是⽐较“⼲净”的⼀种。它的缺点是结构复杂，价格较⾼；由于⾼速旋
转，不能在磁场中使⽤，否则会产⽣涡流，导致叶轮发热、变形等严重后果；两外分⼦泵对氢⽓等轻质⽓体的抽速较⼩。
6.3 罗⽒泵
罗⽒泵⼜称为机械增压泵，它是具有⼀对同步⾼速旋转的8字形转⼦的机械真空泵。如图8⽰，罗⽒泵是即应⽤了分⼦泵的原
理，⼜利⽤了旋⽚泵的变容积原理制成的。
罗⽒泵的特点是转⼦与泵体、转⼦与转⼦之间保持不⼤的间隙（约0.1mm），缝隙不需要油润滑和密封，故很少有油蒸汽污
染。由于这⼀结构，转⼦与泵体、转⼦与转⼦之间没有摩擦，因此允许转⼦有较⼤的转速（可达3000转/分）；此外，罗⽒泵
还具有启动快，振动⼩、在很宽的压强范围内（1.33102—1.33Pa）具有很⼤的抽速等特点
图8 罗⽒泵的⼯作原理
七、真空测量仪表
真空测量主要是指测量某⼀特定稀薄⽓体空间的⽓体压强，真空测量所使⽤的仪器或仪表称为真空计（表）。
真空测量具有如下特点：1、测量范围宽，被测真空度范围从⼤⽓压105 Pa 到压强趋于零的10-13Pa，跨越了19个数量级；
2、⼤部分真空测量仪器或⽅法都是利⽤了低⽓压⽓体某些可测物理量与⽓体压强有关，通过测量与压⼒有关的物理量来确定
⽓体压强⽽进⾏的相对测量；3、⼤部分真空测量仪表的测量结果与⽓
体的种类及成分有关，在我国计量检定部门对真空计进⾏校准时统⼀使⽤⾼纯度氮⽓；4、真空测量易受其它微⼩量的影响，
尤其是在⾼真空和超⾼真空下。
常⽤的真空计有电容式薄膜真空计、热偶式真空计及电离真空计。
7.1 电容式薄膜真空计
图9 电容式薄膜真空计测量规管结构原理图
1.外壳
2.电极
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.电极
4.真空室
5.真空室
图9是电容式薄膜真空计测量规管的结构原理图。电极2将整个真空计管内部分成了真空室4和真空室5，分别有参考压强P2和
测量压强P1。当P1=P2时，电极2处于平衡位置，此时，电极2和电极3之间的电容量C=C0，如果电极2两侧压强不同，即
P1≠P2，电极2将受到压⼒⽽变形，则两电极之间距离发⽣变化，电容量C也相应变化。电容量C不同，P1与P2的差也不同，
所以，可以根据电容量C的⼤⼩测定出P1与P2的差值。在设计制造时，对真空计真空室4抽真空，使得P2很⼩，即P2<
7.2 热传导真空计
由⽓体分⼦运动论可知，在⾼压强(低真空)时，⽓体分⼦热传导与⽓体压强⽆关。在较低压强(较⾼真空)时，⽓体热传导与⽓
体压强成正⽐，此时，压强(真空度)变化，⽓体热传导也相应地改变，这就是热传导真空计的理论基础和设计原理。图10是⽓
体热传导Q 与压强P 的关系。随着科学技术的进步和测量技术的发展，⽬前热传导真空计的测量上限已经延伸到了⼤⽓压，即
1105Pa ，它的测量范围⼀般为103-10-1Pa 。
热传导真空计主要是由热偶规管和测量仪两部分组成的。
图11是热传导真空计原理图。在规管中间固定着⼀根⾦属丝，⾦属丝通以⼀定的电流，加热⾦属丝。⾦属丝产⽣的热量Q 将
以如下三种⽅式向周围散发：通过⽓体分⼦碰撞灯丝所带⾛的热量
Q1、灯丝的热幅
射量Q2、热丝本⾝与引出线传导⾛的热量Q3；即：
图10 ⽓体热传导Q 与⽓体压强P 之间的关系
图11 热传导真空计原理图 1.外壳 2.引出线 3.热丝
Q=Q1+Q2+Q3
达到热平衡时，灯丝温度T为⼀定值。此时，Q2、Q3与规管中⽓体压强⽆关，在热平衡状态下，Q2、Q3是恒定的值，⽽Q1
在⼀定压强范围内与规管中⽓体的压强有关，压强越⾼，⽓体分⼦数多，碰撞次数多，灯丝被带⾛的热量就多，灯丝温度变化
就⼤。因此通过测量热丝的温度可以得出被测系统内的压强(真空度)。
测量热丝温度常⽤的⽅法有两种，⼀种是⽤热电偶直接测量热丝温度及其变化，以这⼀原理制成的真空计称为热偶真空计。另
⼀种是通过测量热丝电阻及其变化，反映热丝温度及其变化。以这⼀原理制成的真空计称为电阻真空计。
图12热偶真空计测量三年级上册数学应用题100道
规管结构原理图图13电阻真空计结构原理图
1.外壳
2.加热丝aob 1.热丝 2.外壳
3.基座
3.热电偶cod
4.基座
热偶真空计测量规管结构原理见图12。真空计⼯作时，接通热丝aob电源，开始加热热丝，热量通过结点o传到热偶cod的⼯作
端，热偶cod另两端通过基座连接到仪表上。当管内压强(真空度)变化时⽓体热传导能⼒发⽣变化，在保持热丝加热电流⼀定
时，热丝的温度就会发⽣变化，这就使得热电偶的温度也相应变化。经过⼀定的信号处理，即可通过仪表根据热电偶的温度及
变化测量出其压强(真空度)。
电阻真空计现代化的英文
⼜称⽪拉尼真空计，它由测量规管和测量电路两部分组成，测量规管结构原理见图13。热丝是⽤电阻温度系数⼤
的材料如钨、镍、铂等⾦属或半导体热敏电阻等制成，它们对温度的变化反应灵敏。
⼯作时，热丝的加热电流保持恒定。被测真空系统内压强(真空度)发⽣变化时，管内⽓体热传导也会发⽣变化，导致热丝温度
变化，相应地热丝的电阻值就会发⽣变化。通过测量热丝电阻变化，即可测出真空系统内的压强(真空度)。
与压缩式真空计不同，热传导真空计(包括热偶真空计和电阻真空计)的测量结果是⽓体的全压强，⽽不是分压强。它能真实地
反映被测系统的真空度，并且可以连续测量记录系统中压强(真空度)及其变化。可通过导线进⾏远距离测量和控制，可⽅便地
接到微机上实现⾃动化，通过微机对⼯艺过程进⾏⾃动测量、控制。⽬前，许多热传导真空计本⾝就带有打印和控制装置。热
传导真空计最⼤的缺点是读数与外界环境关系密切，室温变化对测量准确性影响较⼤，读数误差可达到⼀倍；⽽且热丝表⾯的
污染对测量准确性也有影响，为保证真空计稳定地⼯作，必须经常对热丝表⾯进⾏仔细地清洁处理，并对真空计定期进⾏校
准。由于⽓体的热传导性质和⽓体种类有关，所以不同的⽓体测量结果是不同的，热传导真空计的校准曲线随⽓体种类的不同
⽽不同。
7.3 电离真空计
普通热阴极电离真空计的结构形式如同⼀个圆筒型三极管。它的⼯作原理⽰意图如图14所⽰。
图14 热阴极电离规管⽰意图及⼯作原理图
F：阴极A：加速极C：收集极
它的三个级是：发射电⼦的阴极F，螺旋形加速级A和圆筒状的收集极C，通常封装在玻璃管壳内。在
加速极A 上加正电位，在收集极C 上加负电位，⼯作时，阴极灯丝通电加热，产⽣热电⼦发射。发射的热电⼦受加速正电场的
作⽤，飞向加速极，但由于加速极是螺旋形结构，各圈之间有⼀定的较⼤间隙，所以只有⼩部分电⼦被加速极吸收，其余⼤部
分电⼦能穿越过加速极飞向收集极。当这些电⼦靠近收集极时，由于收集极处于负电位，因此⼜被负电场排斥推向返回灯丝。
同样由于灯丝处于负电位，电⼦由减速⽽反向运动，不断重复上述过程。这样电⼦就在加速极附近⼤⼤延长了飞⾏路径，电⼦
在飞⾏中与⽓体发⽣碰撞，使⽓体分⼦电离。电⼦飞⾏路径越长，⽓体分⼦被电离的⼏率就越⼤。正离⼦飞向带负电压的收集
极，失去电荷，在收集极上形成电流。
通常收集极上的电流⽤I+表⽰，电⼦被加速极吸收，在加速极回路上形成电流Ie ，称为发射电流。实验证明，当⽓体压⼒低于
10-1Pa 时，I+与被测系统中的压⼒P 成正⽐，与发射电流I0成正⽐。引⼊系数S ，可写成
e
I I S P +=1 系数S 称为规管常数，或规管灵敏度。它表⽰单位⽓体压⼒和单位发射电流下产⽣的离⼦流⼤⼩，单位是Pa-1。规
管的S 值需要标准装置校准来确定。
⼋、真空系统的检漏
真空系统是由真空泵、管道、真空容器及阀门等部件组合⽽成，尽管在装配时已经注意了防⽌⼀切可能的漏⽓，但漏⽓现象仍
然是不可避免的。所以寻找和发现真空系统的漏孔，将它们消除或限制在可允许的范围内，是真空技术经常遇到的问题。
判断真空系统是否漏⽓需要⼀定的⽅法。在漏孔⽐较⼤的情况下，凭经验往往能⽴刻判断是否存在漏⽓，例如听漏⽓声或真空
泵的声⾳。在漏孔较⼩的情况下，往往难以迅速做出判断。在这种情况下，绘制压⼒-时间曲线是常⽤的判别⽅法之⼀。⾸先
开通整个真空系统，启动粗真空泵，使系统达到可能达到的最低压⼒，然后⽤阀门切断真空泵和系统，通过连接在系统上的真
空计观察压⼒随时间的变化，记录数据并绘制曲线。如果切断真空泵后，系统中压⼒开始升⾼，但升⾼的速度逐渐变慢。压⼒
升⾼到⼀定的值P1后就不再升⾼，⽽是长时间维持⼀个稳定值。这种情况说明压⼒升⾼不是漏⽓引起的，⽽是系统内部存在
着
放⽓源。如果切断真空泵之后系统压⼒直线升⾼，能⼀直升⾼到与外部⼤⽓压平衡，这说明系统存在漏⽓。
漏⽓速率：漏率是指在规定条件下，⼀种特定⽓体通过漏孔的流量。设关闭阀门后系统中的压⼒由P1在时间t 内升⾼到P2,漏
率应为
V t
P P Q GL 教师个人工作总结
12-= 式中V 表⽰真空系统的容积。Q GL 的单位是Pa.l.s -1。
寻找真空系统的漏⽓位置主要有：1、压⼒检漏法，主要⽤于待检验系统内部压强⼤于外部压强时，如⽓压法。⽓压法是⽤⼀
定的⽅法或仪器从容器外部检测出从漏孔中泄漏出的⽰漏物质量，从⽽判断出漏孔的位置及漏率的⼤⼩。具体⽅法是将⾼压⽓
体充⼊被检装置中，观察⽓体是否逸出。⼀般充⼊N 2⽓或⼲空⽓。观察时，在可疑处涂肥皂墨，有⽓泡出现就说明该位置漏
⽓。对于检查玻璃真空系统，也可⽤⾼频⽕花检漏仪，其内部是⼀个⾼频变压器，输出的⾼频电压可激发空⽓放电，产⽣电⽕
花。当检漏仪靠近漏孔时，电⽕花形成⼀股线条，集中到漏⽓孔，并钻⼊真空系统。⽽⽆漏孔时，保持原来杂乱⽆章的散射。
2、真空检漏法，主要⽤于被检容器内压强⼩于外界压强时，如氦质谱仪检漏法。氦质谱仪检漏法是⽬前灵敏度最⾼的检漏⽅
法，可检出10-7-10-11Pa.l.s 的漏孔。它的⼯作原理是以氦⽓作为⽰漏⽓体，以检测到氦⽓的多少来进⾏检漏。当有质量不同
的原⼦在仪器电离室中电离成各带电荷的正离⼦，离⼦在加速区受到静电场的加速作⽤，获得⼀定动能后进⼊磁场，受磁场作
⽤作圆周运动，不同离⼦具有不同的偏转半径，只有偏转半径与质谱仪的⼏何半径相同的离⼦才能穿过出⼝狭缝达到收集极形
成电流。当⽤氦⽓做⽰漏⽓体时，调整电场强度使氦离⼦流正好到达收集极，则在检漏时，被检漏系统若中泄漏，则会有氦原
⼦扩散⾄氦质谱检漏仪中，仪表中会有读数反映出系统有漏孔。
