【毕业设计】高真空系统的维修与检测

利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究可控热核聚变的研究时间基准氢分子镜的制作表面物理表面化学的研究宇宙空间环境的模拟大型同步质子加速器的运转电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

真空的气体动力学模型真空环境是种低气压状态，因而必须服从气体实验定律，气体状态方程式中，是气体压强是气体容积是气体绝对温度是气体分子总数是常量。

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之间的几率为三种特征速率最可几速率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，即与最大值相对应的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。

它们的计算公式如下，，入射到表面的分子数单位时间内轰击到真空中单位面积上的分子数ν自由程气体中个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程自由程有长有短，差异很大，但大量自由程的统计平均值却是定的，称为平均自由程。

稳态下气体内同类分子间碰撞的平均自由程表列出了不同压强下氮气的平均自由程数值入射到单位面积上的分子束和单分子层形成时间压强天分子数，在时。

入射分子数，在时。

平均自由程，单位。

单分子层形成时间，粘附几率为。

真空系统的基本组成通常真空系统由以下几部分组成抽气设备各种真空泵真空阀门连接管道真空测量装置真空压力表各种规管其它元件例如捕集器除尘器储气罐等再之后几节中将分别详细介绍这些组成。

真空密封技术真空系统是由真空泵阀门扑集器导管等各种元件通过不同的连接形式组成的，就是真空室也是由多个部件，多种不同材料的组件组建而成的。

这些各式各样的零件要用不同的密封方法连接在起，这些密封方法既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，保证真空系统的密封质量，把真空系统的漏气率控制在定范围内，所以真空密封是真空系统设计装配过程中的重要问题。

有些真空密封除了要求不漏气之外，还要求能够允许电流传输运动的传输材料的递送或者让辐射传输。

为了适应各种不同要求，采用了很多种不同结构形式的密封方法，用于真空密封的材料也很多。

根据连接件的相互关系，密封方法用途和材料的不同，可以对真空技术中所使用的密封方法进行分类。

总起来说，根据被连接件的相互关系，可以将真空密封分为两大类静密封连接和动密封连接。

这些密封连接方法分别适用于不同的工作条件。

静密封永久密封永久密封连接用于不需经常拆卸的密封连接处，用这种方法可以保证最好的密封和机械强度。

常见的永久密封有金属与金属的焊接金属与玻璃或玻璃与玻璃的封接等。

静密封可拆密封在真空系统需要经常拆卸的地方，应用可拆密封连接，这种连接在密封性能和机械强度上虽然不如永久连接，但是真空系统些地方是需要经常拆卸的，因此这种连接用得较多。

其结构有如下几种。

用于静连接的弹性体密封垫圈由于弹性体具有弹性好受压时体积不变，可堵塞漏气路径等系列特点，因此把氯丁橡胶丁腈橡胶如图氟橡胶硅橡胶聚四氯乙烯等弹性体制成圆形截面或矩形截面的环，然后将其夹在两个连接件之间并压缩如图即可实现真空静连接密封的目的。

图丁腈橡胶型圈图垫圈连接的形式图垫圈链接实物图这种弹性体垫圈的密封性能主要取决于弹性体和被连接件之间接触面的粗糙度及弹性体本身的透气性放气率和蒸气压等因素。

用于静连接的金属密封垫圈为了适应超高真空系统进行高温烘烤的需要，在超高真空管道连接处应采用金属密封垫圈，其材料大都是具有延展性好蒸气压低的些金属及合金如铟铝铜银金蒙耐尔合金等。

如图，图金属密封垫圈实物图图矩形截面金属密封圈截面图金属密封垫圈与弹性体垫圈比较金属密封垫圈与弹性体垫圈相比较虽然具有放气量小渗透率低能耐高温烘烤等优点，但是密封时需要有较大的压紧力和较严格的调整技术，而且重复使用次数也较少。

真空规管的密封连接真空规管靠拧紧螺母或压帽压缩胶圈来实现密封如图，。

图真空规管密封图图真空规管密封实物图动密封把运动传递到真空容型圈密封。

共用跟长螺丝固定。

此处的问题是，初次安装时将螺丝拧得过紧，导致外逆气流方向的法兰盘形变，系统漏气，又由于处密封良好，因而产生开蝶阀漏气，关蝶阀抽气良好的现象。

为了解决这个问题，用同型号蒙版紧紧固定形变的法兰盘段时间，使金属法兰盘恢复，重装时小心拧住个螺丝，并微调使个同型螺丝拧入尺寸相当法兰盘严格平行于蝶阀平面。

重装后开阀漏气现象消失。

图碟阀安装处型圈的非标配置型圈的尺寸通常用外径线径衡量，存在通用的标准配置。

所用的型圈，只有少数为标准规格。

由于处的圈无法购得，选择购买较小的的代用，在重装过程中，较小的圈脱离凹槽，被压在接口处，拧紧螺丝后断裂。

由于此处原橡胶圈形变较小，暂用原密封圈。

下次购买应选择稍大的型号。

另其他些圈虽然不能与原圈规格完全致，但接口处密封良好，不存在漏气问题，实际操作中，非标准圈换标准建议选择外径较大的型号。

真空系统简单检漏方法当整个系统组装完毕，打开机械泵发现无法抽至极限压强时，可以用盖蒙板分段抽测的方法检漏。

蒙板通常是块有定厚度的金属板，蒙板与被蒙盖住的部分不能直接相连，中间必须垫有软密封橡胶垫圈。

第三章真空系统特性测定真空系统抽气时间研究实验原理流导，即在恒温下，当存在压强差是气体会经管道流动。

在自由分子流情况下，经管道的气流量正比于压差，即比例常数即流导，大小与管道直径有关。

若进入泵的气流量恒定，则在泵入口会建立具有恒定压强的稳态，定义抽速真空系统内气相的气体质量变化率等于单位时间内进入和离开气相的气体质量之差。

温度不变，气体种类恒定时，质量变化率正比于气流量，进入流出又知流出，则对于定体积系统进入假定进入是常数，上式积分得设初始压强为进入进入由此可知，容器内压强将以时间常数指数地下降，并在∞时达到极限压强进入极限实验步骤与数据第次由大气压开始抽气，自然漏气至系统为以上后立即开始第二次抽气，记录系统压强热偶规读数与抽气时间的关系，作图第次抽气拟合结果第二次抽气拟合结果实验分析由式，知第次抽气与第二次抽气的初始压强时的系统压强相近，分别为和，但两次抽气时间相差甚远。

两次连续抽气抽速可看作恒量，铭牌示，时间的系数单位因此第二次实际抽气只有第次的，因此时间远远小于第次。

真空系统漏气研究实验原理真空器壁上如有小孔，大气就会漏入容器内。

大多数固体材料在没有缺陷时是不会漏气的，漏孔往往出现在密封处。

由于压差振动和热循环等原因在接头内产生的应力和应变，都可能造成街头损坏。

关闭抽气泵，系统开始漏气流出，由式得进入由式进入大气，则大气大气由此可知，容器内压强将以时间常数指数地上升，并在∞时达到大气压强。

实验步骤与数据用机械泵抽真空至，关闭机械泵，记录系统压强与时间变化关系，作图。

拟合结果实验分析由于实验中放气至远远小于大气压，放气时间几百秒远远小于系统内部达到大气压所需时间，因此拟合未得到大气压值。

要用上述放气公式拟合得到大气压，应在系统中添加个能测粗真空的真空规，测量量级上的放气时间。

电阻真空计热偶真空计的关联曲线实验原理如第章所述，电阻真空计与热偶真空计同属热传导型真空计，作用原理相同。

实验步骤与数据同次抽气，记录电阻真空计与热偶真空计的数值，作关联曲线如图。

拟合结果热偶电阻实验分析两真空计测量的是同个真空系统的压强，但示数却存在线性关系，这是主要是真空系统的设计决定的。

在这真空系统上，两真空计所处的位置不同。

虽然真空系统连通，但由上文知流导与管道直径有关，电阻真空计所处的管道如图大于热偶真空计所处的管道，因此两个位置的流导不同分别设为，。

图热偶计与电阻计位置图通过连通体系各处的气流量相同，设分别为电阻真空计热偶真空计所测压强，为两管道接口处压强为简化计算，不考虑碟阀的影响并将两管道近似地看作是串联的，由式得，由拟合结果得，管道截面面积越大，流导越大。

真空材料的除气研究实验原理金属的出气大真空系统大多数采用软钢或类似的金属制成全金属结构。

各种金属有不同的出气率。

金属材料在熔炼与加工过程中会溶解和吸收定量的气体。

当金属处于真空中时，这些气体就会不断放出，其放气速率取决于气体与金属结合能烘烤加热温度或粒子轰击能量及金属含气量。

金属的出气主要来自两个方面表面脱附得气体和表面化学反应产生的气体。

如图图金属表面吸附示意图金属表面的气体包括物理吸附和化学吸附的气体。

物理吸附的吸附热般小于千焦克分子，相当于气体分子在表面的凝聚。

化学吸附的作用力是化学键力，比物理吸附力强得多，气体分子与固体表面原子间发生化合作用，或分子离解成离子被化学键吸附在表面上。

烘烤除气般情况下，真空系统中的金属件及真空室壳体可以用真空烘烤方法除气。

真空中的烘烤系指在抽气循环的阶段中，将真空系统升温，随后又使之降到环境温度的过程。

烘烤的注意目的是使吸附的气体从被加热的表面上解吸，而且其解吸速率要远远大于在环境温度下的解吸速率，对解吸出的气体，用真空泵从系统中排除。

真空烘烤除气装置有很多种，例如，可以用电阻丝和玻璃纤维布做成烘烤带，包在被烘烤设备的外部对设备进行加热除气。

这种型式适用于形状复杂真实际上，对于内部压强均匀的两个理想容器，它们之间的流导是气体温度气体种类和容器间孔面积的函数，与孔面积成正比对于管道来说，还应考虑分子与管壁的碰撞等等。

此处只能定性的确定流导与管道截面积的正比关系。

空系统及设备的临时性烘烤或局部烘烤。

实验数据分实验组与对照组，实验组在真空度达到时，用烘烤带烘烤真空腔体，烘烤带输入电压用变压器调节，以此控制烘烤温度在左右，烘烤至真空度达时去除烘烤带。

对照组不加烘烤。