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真空是指在一個指定空間內(nèi)低于一個標準大氣壓力的氣體狀態(tài)，此狀態(tài)下氣體的稀薄程度稱為真空度。通常真空度用百分數(shù)來表示。如真空度為10％，意味著空間的10％的氣體已被抽出。真空度和氣體壓強的關系為：

真空度＝（101323.2-p）/101323.2

式中，p為真空系統(tǒng)內(nèi)的實際壓強，國際單位是帕（Pa）。傳統(tǒng)儀器廠家使用的壓強單位還有托（Torr）或毫巴（mbar），和帕斯卡（Pa）的換算關系如下：

1mbar＝0.75Torr-100Pa

系統(tǒng)內(nèi)的壓強越低，則真空度越高，表示系統(tǒng)內(nèi)的氣體被抽出得越多。如今，人們已經(jīng)習慣于用真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強數(shù)值來表示真空的狀態(tài)。

通常按照空間內(nèi)氣體壓強的范圍，把真空劃分為粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空見下表

不同真空的壓強范圍

一、質(zhì)譜儀器的真空要求

真空系統(tǒng)是質(zhì)譜儀的重要組成部分，通常情況下質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測器都需要在高真空下工作。如果質(zhì)譜儀的離子光學系統(tǒng)內(nèi)部不是一個良好真空狀態(tài)，離子在運動過程中就會和真空室內(nèi)的殘留氣體分子頻繁地發(fā)生碰撞，顯著降低儀器的分析靈敏度，并產(chǎn)生一系列的干擾效應，使質(zhì)譜分析復雜化，造成背景增高、分析誤差增大。當真空度變得很差時，還會引起系統(tǒng)內(nèi)電極之間相互放電或?qū)Φ胤烹姡狗治鰺o法進行，嚴重時會損壞儀器的離子光學及電子學部件。因此說真空系統(tǒng)運行的好壞對質(zhì)譜儀非常重要，不僅直接影響儀器的靈敏度和分析精度，還會間接影響儀器的使用壽命。如果真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整臺設備都會隨之停止運轉(zhuǎn)。

二、真空的獲得及真空測量

真空獲得的主要裝置是各種類型的真空泵，而不同類型的真空計則負責真空腔體內(nèi)的真空測量。根據(jù)各類質(zhì)譜儀器對真空的需求程度，可選擇不同類型的真空泵、真空計、真空閥門及相應的電子學控制部件，這些部件和質(zhì)譜儀的真空室組合成一個完整的真空系統(tǒng)，使質(zhì)譜儀器能夠獲得其所需要的真空度，圖1為熱離子質(zhì)譜儀的一個真空系統(tǒng)連接示意圖。前級泵3和分子泵2負責抽離子源部分的真空，兩個離子泵1負責分析室的真空。

圖1 熱離子質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)連接示意圖

三、各種真空組件

質(zhì)譜儀器真空系統(tǒng)主要包含如下一些部件:真空泵、真空計和真空閥。

1.真空泵

真空泵是獲得真空的設備。市場上真空泵種類很多簡單地可將其劃分為低真空泵和高真空泵兩大類。低真空泵又稱前級真空泵，既可用于真空腔室的預抽真空，又可作為高真空泵的前級泵提供高真空泵正常工作所需要的前級真空；高真空泵包括擴散泵、渦輪分子泵、鈦升華泵、濺射離子泵、吸氣劑泵、低溫泵等，負責真空系統(tǒng)里高真空的抽取。高真空泵啟動的一個共同點是不在常壓下啟動，需要在一定的真空條件下啟動。因此在一個真空系統(tǒng)中，低真空泵和高真空泵常常配合使用，共同完成抽取和保持系統(tǒng)真空的任務171現(xiàn)在一些真空儀器廠商根據(jù)市場，也已推出了將低真空泵和高真空泵功能組合在一起的真空機組，用來滿足各類分析儀器對真空的需求。

2.真空計

真空計是測量真空的設備。真空計又可分為**真空計和相對真空計，前者直接測量空間內(nèi)氣體的壓強，后者通過與壓強有關的物理量間接地測量空間內(nèi)氣體的壓強。按照真空計的不同原理與結(jié)構可細分為靜態(tài)變形真空計、壓縮式真空計、熱傳導真空計、電離真空計、氣體放電真空計、輻射真空計等。真空閥是使真空隔離和保持的常用組件。

下面簡單介紹部分常用的真空組件。

（1）擴散泵

擴散泵是通過加熱使高閃點的泵油蒸發(fā)，形成高速氣流從噴口噴出。由于油氣噴口設計在靠近泵的進氣口，且使油氣向側(cè)下噴出，因此進入泵內(nèi)的氣體分子會往高速油氣流中擴散被帶走，當氣流到達由冷卻水冷卻的泵壁后，又會凝結(jié)成液體流回蒸發(fā)器，油氣中因冷凝析出的氣體分子就會在出氣口處被前級泵抽出即擴散泵是靠油的蒸發(fā)、噴射、凝結(jié)重復循環(huán)來實現(xiàn)抽氣任務的。擴散泵具有無噪聲、無震動和成本不高等優(yōu)點，但其極限真空偏低，且使用過程中易造成系統(tǒng)油氣污染，現(xiàn)在很多新型質(zhì)譜儀器上已不再使用。

（2）渦輪分子泵（turbo pump）

是通過高速旋轉(zhuǎn)的多級渦輪轉(zhuǎn)子葉片和靜止渦輪葉片的組合進行抽氣的，在分子流區(qū)域內(nèi)對被抽氣體產(chǎn)生很高的壓縮比，從而獲得所需要的真空性能，對被抽氣體無選擇性、無記憶效應，操作簡單、使用方便。

（3）鈦升華泵

主要依靠電子轟擊或通電加熱使吸氣材料升溫，達1200～1500℃時它將不斷升華并沉積在水冷泵壁內(nèi)表面，形成新鮮的活性膜層而不斷地吸收和“掩埋”氣體分子。對活性氣體主要是形成固化化合物，對惰性氣體主要是“掩埋”。

（4）濺射離子泵

濺射離子泵是靠電磁場的作用產(chǎn)生潘寧放電而使氣體分子電離，利用電離產(chǎn)生的離子高速轟擊陰極鈦板引起鈦原子濺射，連續(xù)制造活性吸氣膜使電離了的氣體分子收附于其中達到抽氣效果的真空泵。

（5）吸氣劑泵

利用能夠吸收氣體的物質(zhì)來獲得真空的裝置（常用來作吸氣劑的物質(zhì)為鋯鋁、鋯石墨、鋯釩鐵等）。工作過程:首先將鋯鋁吸氣劑加熱至激活（900℃）形成活性表面，然后降溫至工作溫度（400℃）即可吸氣。吸氣機理:

①化學吸收，鋯鋁吸氣劑與其接觸的活性氣體如O2、CO、CO2、N2、烴類化合物發(fā)生化學反應，生成穩(wěn)定的化學物；

②化學吸附，鋯鋁吸氣劑和一些氣體如氫在一定溫度下生成氫化物，溫度稍高時，氣體從表面層擴散入內(nèi)層成為溶解于鋯鋁吸氣劑合金晶格內(nèi)的固溶體；

③物理吸附，鋯鋁吸氣劑的多孔表面依靠范德華力使氣體分子附著在表面和孔隙中（注:物理吸附的氣體在溫度升高時便可很快釋放）

（6）低溫泵

利用20K以下的低溫表面冷凝容器中的氣體和水蒸氣而獲得真空的設備。利用泵體內(nèi)溫度不同的兩級低溫板（65K、1K）來冷凝吸附真空系統(tǒng)中的氣體分子及水分子達到使系統(tǒng)獲得高真空。**級低溫板溫度保持在65K（-08℃）左右，主要用于冷凝吸附真空系統(tǒng)中的水分子；第二級低溫板溫度為15K（-28℃），主要用于冷凝吸附真空系統(tǒng)中的氣體分子（H2、N2、Ar）。低溫泵主要由制冷循環(huán)系統(tǒng)和低溫泵泵體兩部分組成；制冷系統(tǒng)使用高純氦氣作為制冷劑，對環(huán)境無害，工作安全性好。

（7）機械泵

機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開始工作，極限真空度一般為1.33～1.33×10^-2pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積的大小有關，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。

（8）全量程冷陰極真空規(guī)

這是一種全量程的新型冷陰極真空規(guī)，它集成了兩個獨立的真空測量系統(tǒng)（Pirani Cold Cathode冷陰極電離真空計系統(tǒng)），測量范圍為5×10^-9 1000mbar（1bar＝10⁵Pa），真空技術在20世紀得到迅速發(fā)展，并有廣泛的應用。20世紀初，旋轉(zhuǎn)式機械泵、皮氏真空計、擴散泵、熱陰極電離真空計等真空獲得和真空測量設備的相繼出現(xiàn)，為質(zhì)譜技術的發(fā)展創(chuàng)造了條件。接著，油擴散泵、渦輪分子泵、離子泵、低溫泵等新型真空獲得設備的出現(xiàn)，促使真空技術進入超高真空時代，質(zhì)譜儀器的性能指標也得到了顯著提高。