在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子溅射泵、升华泵等。真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等。随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。各种真空测量设备与微型计算机相结合，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。

真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。

凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。

一个较完善的真空系统由下列元件组成：

　 1．抽气设备：例如各种真空泵；

　  2．真空阀门；

　  3．连接管道；

　  4．真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；

5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。

 

获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类: 能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵(如机械泵),用来产生预备真空。 需要在预备条件下才能工作的真空泵称为次级泵(扩散泵),次级泵用来进一步提高真空度,获得高真空。

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^{- 4} Pa; ④ 高真空10^-4～10^-7Pa;⑤超高真空10^{- 12}～10^{- 14} Pa;

真空系统举例

回旋加速器的真空系统

回旋加速器的真空系统如图4所示。该系统一般由真空箱、真空泵（包括高真空泵和前级真空泵）和真空计组成。在真空箱中连接了2个真空计，PIR1控制0.1Pa~10-5Pa的压力范围，PEN控制高真空范围。高真空泵是带有阻尼栅板的油扩散泵DP，在油扩散泵和前级真空泵之间连接一个PIR2，用来监测油扩散泵的前级真空压力。

　　　　　　　　　　  图4.回旋加速器真空系统示意图

入高真空的电镜腔室所设。

　　 

　　　　　　　　　　  各种真空泵的工作原理

旋片式机械泵的结构图。

 

它由转子、定子、旋片（或称刮板）、活门和油槽等构成。泵的定子装在油槽中，定子的空腔时圆柱形。转子是圆柱形轮子，它偏心地装成与定子空腔内切的位置。转子可绕自己的旋转对称轴转动，转子是由马达带动的。转子中镶有两块刮板，刮板之间用弹簧相连，使刮板紧贴在定子空腔内壁上。当转子转动时，被抽容器中的气体经过进气口到定子与转子之间的空间，由活门及进气口排出。定子浸在油中，油是起密封、润滑与冷却作用的，进油槽是为了让油进入空腔。进空腔的油除了上述作用外，还起着协助打开活门的作用，因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开活门，而不可压缩的油，将强迫活门打开，活门的作用是让气体从泵中排出，而不让大气进入泵中。泵的工作原理如下图所示。

（a） 表示两刮板转动时上刮板A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。（b）、（c）表示进入泵中的气体被刮板B与被抽容器 隔开并被压缩到活门。当转子转动到图（d）的位置时，被压缩的气体的压强大于大气压强，这时活门被打开，气体排出泵外。两个刮板不停地重复以上过程，实现 了对容器连续抽气的目的。

以下是另一种旋片式机械泵的结构图。

　  利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。这种泵的极限真空为10^-4～10^-5帕，工作压力范围为10-1～10-4帕,抽速范围为几十至十几万升／秒（1升＝10^-3米3）。油扩散泵是获得高真空的主要设备，广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。

　　结构和工作原理油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成（见图）。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时,油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流，热运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得动量，产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动。到前级，油蒸气被冷凝，释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的。

 

　  　　　　　　

 

立式涡轮分子泵Pfeiffer TPU 150 的结构图

利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。

结构和工作原理

1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150～400米／秒)。单个叶轮的压缩比很小，涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同,但叶片倾斜角相反。图2为20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙,动叶轮可在静叶轮间自由旋转。

上图为一个动叶片的工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a),当气体分子到达A点附近时，在角度α1内反射的气体分子回到左侧；在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶轮右侧(图 3b),当气体分子入射到B点附近时，在α2角度内反射的气体分子将返回右侧；在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。

 

早在本世纪初, 就有人在抽真空的电子管中蒸发一些化学活动性强的金属, 使其与管内未能抽净的气体发生反应, 从而降低空间的气体分子浓度。这种金属以及起着相同作用的材料就叫做吸气剂, 这种方法叫做化学清除。实验证明, 用钛持续蒸发到一个冷却的壁上, 可以形成具有相当抽气速率的泵, 形成简单的升华泵。

　 俘获气体分子还可以使用电离吸附的方法。利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子, 正离子在电场作用下被驱逐到负电极上, 中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了空间气体分子浓度, 达到了获得真空的目的。这种现象称为电清除, 利用电清除达到除气目的的泵称为离子泵。离子泵对吸附的气体没有选择性。

　 离子泵和升华泵都能获得很高的真空度, 但是单独使用它们来获得更高的真空就有很大的困难。这与它们的工作机理有很大的关系。依靠物理吸附的离子泵俘获气体分子的能力有限; 升华泵产生的化学键能虽然大, 但很容易在其表面形成饱和, 影响其进一步吸收气体, 而且升华泵对惰性气体吸附效果不好。因此将两种泵合二为一, 就能得到吸气效果更好的溅射离子泵。

溅射离子泵的组成

　  溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。

阳极是由多个不锈钢圆筒排列组成的蜂窝状结构, 阴极是两块平行的钛合金板, 将阳极夹在中间, 三者相互间保持一定距离并通过高压绝缘陶瓷连接。阳极施加3~7 kV 直流高压, 阴极接地。阴阳极板被泵体密封在内部, 在泵体外部吸附相对放置的两块永磁铁, 磁场方向与极板垂直, 磁感应强度1000~2000 Gs。泵体结构如图。

 

　　 首先, 电源启动, 在阴阳极板间产生高压。由于级间距离很近, 根据E=U/d 可知, 电场强度E数值非常大, 尤其在阳极筒壁边缘处。在强大的电场和与之平行的磁场作用下, 电子以螺旋线方式高速运动, 由于电子运动行程的增加, 大大提高了与气体分子碰撞的几率。电子在空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子, 产生的电子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。此种放电称为潘宁放电, 潘宁放电能在很低的压强下进行。气体分子被电离后形成的正离子加速向阴极板运动, 由于能量很大, 冲击阴极时产生强烈的溅射, 大量的钛原子被轰击出来, 溅射出来的钛原子沉积在阳极筒内壁和阴极遭受离子轰击较少的部位，形成的新鲜钛膜在阳极筒内壁上吸附活性气体和亚稳态的惰性气体，在阴极溅射不剧烈的部位掩埋惰性气体。但以离子态到达阴极的气体分子很可能因离子的连续轰击而解吸,对惰性气体尤其如此。在大气中约含有1/100的氩。二极溅射离子泵对氩的抽速不但很低，而且每隔一定时间还显示出规则的压力脉冲。因此氩是影响泵的极限压力的主要因素。