低真空的获得和测量.doc
低真空的获得和测量 实验目的掌握低真空获得和测量的方法.实验原理1)旋片式机械泵机械泵的主要指标（或参量）是极限压强和抽气速率.常用机械泵进气口的最低压强可达l10-1Pa,（10-210-3Torr）真空度，即机械泵的极限真空度.目前常用的机械泵多为两个或两个以上的泵芯串联起来形成的二级泵或多级泵,其极限真空度可达10-2Pa或更高.注意事项 机械泵工作时由电动机动力维持者抽气口和排气口的压强差，一旦停止工作，排气口的大气压将把真空泵油压到定子腔中，造成返油事故.因此，机械泵停止工作后必须使抽气口与大气相通，使泵的进气口和排气口气压平横.2）粗真空、低真空的测量(1) U形管压强计这是最简单的绝对压强计分为开管、闭管两种.本实验中采用的是闭管式.测量时，将U形管开口端与待测系统相接,U形管两侧的水银液面高度差值，便是待测的真空度.显然它是粗真空量具.(2) 热偶真空计的原理是利用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系.其关系如图6.1.4所示.(3) 放电管，高频火花真空检漏仪低压气体在高压电场中被电离而导电，井发生辉光放电现象，辉光的颜色、形状，亮度将随着气压的不同而改变.将一封有金属电极的玻璃放电管接入真空系统中，加上高压后就可以通过放电现象来粗略地估计真空度.放电管中放电现象与真空度的关系见表6.1.1由于放电现象与剩余气体的压强，成分等多种因素有关，所以观测需要凭经验，只能估计出真空度的数量级.高频火花真空检漏仪除用作真空检漏外，也可用来估计系统内真空度的数量级.见表6.1.2.3)定容法测机械泵的抽速设被抽空间的容积为V，气体压强为P，则所抽气体量可用PV表示（注意气体的克分子数）.令机械泵的有效抽速为S,则单位时间内抽出的气体量Q=PS,此为抽气口的气体流量,同时此流量等于气体总量的减少率,即 (6.1.1)由于V是被抽容积，为恒量，故有 （6.1.2）对上式积分，得 (6.1.3)式中P0是t=0时刻容器内气体的压强（6.1.4）式表示被抽空间的压强P随时间t的变化关系.注意d（lnP0）=0，（6.1.4）式可写成 (6.1.4)6.1.4式给出抽速的定义,对于一个容积为V的容器，只要先求得lnP和t的关系曲线，由曲线的斜率乘以V，即可得出抽速S值。由于这种方法实际上是测定一个规定容器内的压强P随时间t的变化，因此称为定容法.定容法测机械泵有效抽速的优点是，操作简单，只要求一个真空规，一个秒表和一个适当大小的容器即可.缺点是在抽速过大时，Pt关系难测准.此外，使用的容器过小，将招致测量上的困难和实验结果的误差.而V过大，则放气严重，在某一瞬间容器内的压强很不均匀，因此测量得到的数据往往误差较大.实验内容1）实验装置在真空系统中用活塞将机械泵和各种真空计连接起来.2）实验内容(1)学习开动机械泵获得低真空；(2)利用U形管，热偶计测量真空度;(3)观察不同真空度时放电现象，与U形管热偶计比较，对照;(4)求得本次实验之最高真空度;(5)测量Pt关系曲线并求粗真空下的机械泵的抽速;(6)研究放电对真空度及热偶计的影响（选做）3）实验步骤提示（1）实验用的真空系统原已保持一定真空真,开动机械泵（接通马达电源）前,应缓慢地将大气放入系统.（2）开动机械泵后，气压由大气压降至几百帕变化很快,要抓紧时间用U形管和放电管作对比观测.(3) 在气压较低时，放电对真空度及热偶计示数有显著影响，因此要适当控制放电管,火花检漏仪的使用次数及每次观察时间. (4) 重新开始实验步骤，定量测量机械泵的抽速极限压强(5)实验结束时,真空系统内应保持真空同时机械泵抽气口要与大气相通.注意事项(1)操作玻璃真空系统时，必须谨慎.未设计好实验方案并经教员同意之前，切忌乱动.实验进行时,转动活塞要缓慢.(2)观察放电现象时，不得触摸高压电源及有关部分，以免触电.(3)机械泵停止工作后，必须放大气入机械泵.数据处理1.利用放电管及火花仪观测现象并估测真空度,现象如下表：气压（Torr）放电管现象火花仪大气无放电现象无色10两端呈现紫色光条，并逐渐变宽紫色10两极紫色宽带，中间略有红色紫红色10中间红色加深，充满整个管子红色10管中辉光向两极缩，中间变暗红色10两端辉光，中间呈现紫色荧光浅红色 10两端辉光，中间呈蓝色荧光浅红色以上的现象和表6.1.1和6.1.2基本符合2.粗真空时真空管水银柱刻度记录如下表（每十秒一点，共25个点）：注：测出的是左端的刻度，压强差需乘以2。130.00227.50324.45422.10519.60617.50715.70814.15912.501011.201110.00128.90138.00147.30156.55165.90175.35184.80194.30203.80213.25223.00232.75242.50252.15将上表转换成lnp-t表如下：t（s）0102030405060708090100110Ln p4.0944.0073.8903.7893.6693.5553.4473.3433.2193.1092.9962.879t（s）120130140150160170180190200210220230Ln p2.7732.6812.5732.4682.3702.2622.1522.0281.8721.7921.7051.609根据上表绘制出lnp-t图线如下：Origin的线性拟合过程如下：2007-3-26 22:17 "/Graph1" (2454185)Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameterValueError-A4.10299 0.00611B-0.010944.5513E-5-RSDNP-0.999810.0154324<0.0001-由线性拟合的过程可以看出则由公式 加之以不确定度部分得抽速：3.低真空时利用真空热偶计观测压强（每隔一刻度记录一点）P（Torr）10时间（s）030.8742.0951.9963.4382.18120.84222.56作出P-t曲线：Origin的拟合过程如下：2007-3-26 22:57 "/Graph2" (2454185)Fit Data1_B to y0 + A1e(-x/t1) + A2e(-x/t2): Chi2/DoF2.46331R20.99978 ParameterValueError-y0-5.993253.00716A127833.7661816291.39025t10.007218.64845E-4A2255.1816539.712t20.052970.00673思考题1.放大气入系统时,放气要缓慢,为什么?怎样操作活塞?答：因为如果太快的话以后实验要测量抽速时水银柱会下降太快而导致没能记录到足够多的点。操作活塞要用双手，左手扶住，右手轻轻向一个方向旋转，2.机械泵停泵后，必须注意什么事项,为什么？答：机械泵停止工作后，必须放大气入机械泵.3.为什么在气压较低时（真空度较高）,要适当控制放电管,火花仪的使用次数及每次观察时间？答：因为如果连续多次使用放电管和火花仪，可能会损坏仪器。每次使用时必须短时间，而且不能连续多次使用。
