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、低温泵等。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。
       低真空的应用主要涉及真空输送、真空过滤、真空成型、真空装卸、真空干燥及真空浓缩等，在纺织、粮食加工、矿山、铸造、医药等部门有着广泛的应用。
       本文主要是介绍最基本的真空系统的结构，尤其是低真空系统的结构，介绍低真空的获得设备－机械泵、油扩散泵以及热传导真空计、U型真空计、高频火花真空测定仪的原理及使用，重点介绍了油扩散泵的原理、结构以及相关计算。

一． 真空的获得
1. 机械泵：
       下图是旋片式机械泵结构图：

       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。

2. 油扩散泵：
1、概述：
       油扩散泵（oil diffusion pump）的工作原理与水蒸汽喷射泵相似，都是利用低压、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。
       [简史] 1915年，德国物理学家W.盖得发表了他研究的扩散泵报告。1916年，美国人I.朗缪尔制成泵壁带有冷却系统的所谓冷凝泵。这些泵以汞蒸气为工作介质可获得10-5帕真空。1928年,英国人C.D.伯尔奇发现高沸点的石油衍生物，1936年，C.D.希克曼等人制成人工合成油。这两种油在室温下的饱和蒸气压都非常低，从而取代了汞作为扩散泵的工作液。从此油扩散泵在高真空领域的工业生产和科学试验中就日渐普遍使用，并奠定了高真空技术的基础。60年xx始，油扩散泵又有了新的发展。主要的改进是：①泵的材料采用放气量甚小的不锈钢。②采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油如聚苯醚和硅油作为泵的工作液。③改革结构，新型油扩散泵在泵口法兰不变和不过分增大泵的外形尺寸条件下，在法兰下部突出地扩大泵腔的断面，其抽气速率可增大20～40%。如在此装设一个大直径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等。泵可有通常泵（指没有扩大泵腔断面的泵）的抽气速率，并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空。因此，油扩散泵在清洁超高真空的工业生产和科学试验中又取得重要的地位。

2、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）。

3、扩散泵的性能计算

1、扩散泵的抽速S的计算 ：
(4)式中ω——蒸汽射流的平均速度
R(L)、R(O)——分别表示泵筒与喷嘴帽的直径
a——蒸汽射流与泵壁的夹角
D——气体在射流中的扩散系数
2、扩散泵每级{zd0}压缩比(P2/P1)max的计算
(5)式中ω、D——意义同(4) L——蒸汽射流长度
3、蒸汽射流流谱的计算
扩散泵各级蒸汽射流的工作压强范围为10-2～l0-6Pa，在这样宽的领域里，蒸汽流从连续流向滑流、过渡流、分子流过渡。用一种理论解决上述各种流态中的问题是很困难的。通常，在连续流领域里，可用气体动力学理论去处理，在分子流领域里，可用分子流理论去处理。然而，处理两种流态之间的问题也是很困难的。为此，在处理蒸汽流问题之前，必须弄清楚所要处理的蒸汽流是属于那种流态。
M．Wutz建议用特征碰撞数Z大于10作为应用气体动力学的判据。
(6)式中C——油蒸汽分子的平均热运动速度(cm/s)
l——蒸汽流中混合物分子的平均自由程，因射流中蒸汽分子密度nd>>ng(混合物中空气分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm)
L——蒸汽射流的长度(cm)
V——蒸汽射流的平均速度(cm/s)
工作蒸汽在喷嘴内的流动，可用一维定常等熵流的公式去计算，而工作蒸汽在喷嘴外的流动比较复杂，往往是膨胀波、微压缩波和激波共存的复杂流场。
关于膨胀波的流场，可用下边的普朗特——迈耶流公式求解。对左伸膨胀波系，其计算公式为：
（7）对于右伸膨胀波系，其计算公式为：
（8）上二式中θ——气流方向角； λ——速度系数；
K——气体绝热指数；C1，C2——积分常数
关于激波流场中的气流参数，由下面诸公式计算。
（9）式中λ1——激波前的速度系数
λ2x——激波后的速度系数在x轴上的分量
λ2y——激波后的速度系数在y轴上的分量
K——气体绝热指数
(10) (11) (12)
上三式中P1、ρ1、T1及P2、ρ2、T2分别表示波前波后的压力，密度及温度
M1——波前气流马赫数；β——激波角；K——气体绝热指数。
       根据膨胀波及激波流场中的诸计算式，可绘出扩散泵中各级射流流谱(如图3中的I级喷嘴流谱)。显然，喷嘴系统的几何形状、级间距离及压缩比等对流谱和泵的性能有很大影响。为了确定较佳的喷嘴形状、级间距离及压缩比，应绘出多种工况下的流谱，选出其中一组较佳数据为设计方案。究竟选择那种流谱为{zj0}方案，应考虑下述原则：
(1)各级射流不重叠。
(2)应保证{dy}级射流充分膨胀。
(3)保证{dy}级射流有足够的长度，并且与泵壁的夹角应尽量小，以利于提高何氏系数。
同样，{dy}喷嘴上的挡油帽位置也应根据{dy}级射流流谱来确定，即挡油帽的轴向安装位置应保证挡住{dy}级射流流线中垂直泵壁以上的分量。

二． 真空的测量
       测量真空的仪器种类很多，本文介绍U型压力计、热偶真空计和高频电火花真空测定仪的相关知识。
1、水银U型压力计构造简单，无需校准，可以在压力不太低时使用。一般压力计一端封闭，另一端接入真空系统，封闭端为真空，这样压力计可直接指示总压力，两边水银柱的高度差即为总压力。对于精密工作则需进行温度修正。对于压力较低（低于10-3Pa）的测量，油压力计比水银压力计更xx，因为油的密度低得多，{jd1}压力由下式给出
P=ρ液gh
式中h是油压力计的读数。
2、热偶真空规的原理是利用在低气压下气体热导率与压强之间的依赖关系。如下图所示：

在玻璃管中封入加热丝C、D及两根不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定，当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶A、B两端的热电动势E增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强与热电动势并非线性关系，下图给出了热偶规则刻度曲线：

热偶真空计的测量范围大约在100~10-1Pa之间，它不能够测量再低的压强，这是因为当压强更低时，热丝的温度较高，此时气体分子热传导带走的热量很小，而由热丝引线本身产生的热传导和热辐射这两部分不再与压强有关，因此就达到了测量下限。
3、高频电火花真空测定仪（又叫检漏仪）是一种粗略测定玻璃真空系统的仪器，原理图如下图所示：

接通电源后，调节放电火花间隙G，当产生击穿放电时，将高频放电探头在被抽容器处不停的移动。随着压强的变化，系统内放电辉光的颜色不断变化，从放电颜色可粗略地估计真空系统的气压。放电颜色与气体压力关系如图所示。当气体低于10-2Pa时，火花仪就不再适用。

三． 真空系统
       根据不同的工作需要，可组建各种真空系统。最简单的系统结构只需机械泵加上测量仪器即可获得粗真空到低真空的工作氛围。如果所做的工作需要在高真空下进行，除了用机械泵外，还必须在机械泵后加扩散泵。扩散泵不能单独使用，它必须在一定的真空基础上才能启动，通常是用机械泵和扩散泵串联组成机组。如果想自己搭配这种机组，一定要先查阅真空设计手册，二者的抽速要匹配。一个高真空系统的构成如下图所示：

       机械泵作为前级泵，扩散泵是主泵。理论上在泵内气体稳定流动时，机械泵的排气量至少等于扩散泵的排气量，即：p’v’=pv   式中p’和p分别为机械泵和扩散泵的进口压力，v’和v分别为它们的抽速。为了留有充分余地和缩短体系由大气压将至扩散泵启动时所规定压力所需的时间，常使机械泵的抽气量大于理论上估计值的5～6倍。
       真空系统有金属和玻璃两类。根据需要选用合适的真空材料、真空泵、真空计和阀门组成真空系统。最简单的低真空系统如下两图所示。

       在机械泵的进气口管道上一定要装上放气阀，当系统抽气时将其关闭，而当泵停止工作后立即将它打开与大气相通，放气入泵。否则，停泵后泵的出气口与进气口之间约有一倍大气压的压力差，在此压差作用下油会慢慢地从排气阀门渗到进气口并进入真空系统造成污染，这就是返油事故。最为方便的方法是在机械泵进气口安装电磁阀，在关闭机械泵时电磁阀自动隔断泵与真空系统，同时向泵内放大气，从而与大气相通的放气孔关闭。低真空测量用U型压力计和热偶计，也可以用其他可测高压强的真空计。对玻璃系统可用高频电火花真空测定仪激发气体使之放电，通过观察放电辉光颜色即可估计真空度的大概数量级。

附注：
1、机械泵抽速的测定
如果一个容积为V的被抽容器在抽气时某一瞬间的压强为p，泵对该容器的有效抽速为ve，且在时间间隔dt内容器的压强降低dp，那么此间流入导管的气体量应为vepdt，容器内气体的减少量为Vdp。根据气体流量连续性原理，这两个量大小相等，符号相反，即
ve·p·dt= V·dp
ve=-V（dp/（p·dt））
2、真空分类

3、资料来源：