什么是真空技术?

什么是真空技术?

[拼音]：zhenkong jishu

[外文]：vacuum technology

建立低于大气压力的物理环境以在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需之技术。真空技术主要包括真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用 4个方面。在真空技术发展中，这4个方面的技术是相互促进的。真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于2.5×1019个的给定空间。真空是相对于大气压来说的，并非空间没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力(10-12帕)，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。气体稀薄程度是对真空的一种客观量度。作为量度，最直接的物理量是单位体积中的气体分子数。气体分子密度越小，气体压力越低，真空就越高。但由于历史原因，量度真空通常都用压力表示。量度真空的压力单位为帕斯卡，简称为帕（Pa），1Pa＝1N/m2。它与以往所用单位托(Torr)、毫巴(mbar)和标准大气压(atm)的关系为:


在只需指出真空范围而无需指出具体数值时，通常使用真空区域的说法。根据中国国家标准规定，真空被划为4个区域（见表）。

简史

远在1643年，意大利物理学家E.托里拆利发现真空和自然空间有大气和大气压力存在。他将一根一端封闭的长玻璃管灌满了汞，并倒立于汞槽中时，发现管中汞面下降，直至与管外的汞面相差76厘米时为止。托里拆利认为，玻璃管汞面上的空间是真空，76厘米高的汞柱是因为存在大气压力的缘故。1650年，德国的O.von盖利克制成活塞真空泵。1654年，他在雷根德堡进行了著名的马格德堡半球试验：用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸（35.5厘米）的铜半球（马格德堡半球）抽成真空，然后用两组各8匹马以相反方向拉拽铜球，始终未能将两半球分开。这个著名的试验又一次证明，空间有大气存在，且大气有巨大的压力。为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献，以往习用的真空压力单位Torr就是用他的名字命名的。

19世纪中后期，英国工业革命的成功，促进了生产力和科学实验发展，同时也推动了真空技术的发展。1850年和1865年，先后发明了汞柱真空泵和汞滴真空泵，从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。压缩式真空计的应用，首次使低压力的测量成为可能。

20世纪初开始制造真空电子管，促使真空技术向高真空发展。1935～1937年取得了 3项成果：气镇真空泵（可抽含少量水蒸汽的气体）、油扩散泵（可抽到 10-5帕真空）和冷阴极电离计（量程为10-1～10-5帕）。这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为大多数真空系统所常用。1940年以后，真空应用扩大到核研究（回旋加速和同位素分离等）、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等方面，真空技术开始成为一个独立的学科。

第二次世界大战期间，原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要，促进了真空技术的发展。如扩散泵系统采用烘烤(泵除外)和液氮挡板等措施，获得了10-7～10-8帕的超高真空。1950年开始相继制成的涡轮分子泵、钛升华泵、溅射离子泵（见吸气剂离子泵）和低温泵等，获得了10-7～10-11帕的超高真空。BA电离真空计可测最低压力下限为5×10-9～10-10帕，改型的真空计可测最低压力下限延伸到10-12～10-16帕。

真空获得

在地球上通常是对特定的封闭空间抽气来获得真空。用来抽气的设备称为真空泵。早先制成的真空泵，抽气速度不大，极限真空低，很难满足生产和科学试验的需要。后来相继制成一系列抽气机理不同的真空泵，抽速和极限真空都得到不断的提高。如低温泵的抽气速率可达6×104升／秒（1升＝10-3米103），极限真空可达10-11帕数量级。用任何一种真空泵都不能达到从大气压到10-11帕这样宽压力范围的真空，只有用几台不同种类性能良好的真空泵联合抽气才能达到目的。

真空测量

测量从数百到10-11帕这样相差悬殊的压力，尚没有一种真空计能单独胜任。105～102帕范围内的压力，可利用d簧管或压力测量仪表进行测量。低于102帕压力，就需要利用气体某些物理特性制成的真空计来测量：利用气体的可压缩性制成的压缩式真空计，可测压力范围为102～10-4帕；利用气体热导性制成的热导真空计，可测压力范围为10～10-1帕；利用气体电离制成的电离真空计和BA电离真空计，可测压力范围分别为10-1～10-6帕和5×10-9～10-10帕;改型的BA电离真空计可测压力下限达10-12～10-16帕数量级。

真空检漏

为了保证真空系统能达到和保持工作需要的真空，除需要配备合适的、抽气性能良好的真空泵外，真空系统或其零部件还必须经过严格的检漏，以便消除破坏真空的漏孔。低（粗）真空、中真空和高真空系统一般用气压检漏。对于超高真空系统，在采用一般检漏法粗检以后，还要采用灵敏度较高的检漏仪如卤素检漏仪和质谱检漏仪来检漏（见真空检漏）。

真空应用

随着真空获得技术的发展，真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。真空应用是指利用稀薄气体的物理环境完成某些特定任务。有些是利用这种环境制造产品或设备，如灯泡、电子管和加速等。这些产品在使用期间始终保持真空；而另一些则仅把真空当作生产中的一个步骤，最后产品在大气环境下使用，如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。真空的应用范围极广，主要分为低真空、中真空、高真空和超高真空应用。

低（粗）真空

利用低（粗）真空获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘和真空过滤机等。

中真空

中真空一般可应用在3个方面。

（1）排除物料中吸留或溶解的气体（或所含水分）：在这方面的运用有真空干燥、真空脱水、真空浓缩、冷冻干燥、真空除气和真空浸渍等。如真空浓缩生产炼乳，不需加热就能蒸发乳品中的水分。采用冷冻干燥法通过冷冻升华可以除去产品中的水分，使产品最后的含水量很低、化学性变化小，而挥发性成分基本上保留在产品中，有利于产品的贮藏。真空浸渍是在除去产品中吸留的湿汽或气体后，填充以另一种物质来改善产品的性能，如改良绝缘材料的介电性能，增加纺织品、纸张和木材的强度或减小其可燃性等。

（2）制造灯泡：灯泡在使用的过程中需保持真空，可以防止灯丝在高温下氧化。

（3）真空冶金:可以保护活性金属在熔化、浇铸和烧结等过程中不致氧化，如活性难熔金属钨、钼、钽、铌、钛和锆等的真空熔炼。真空炼钢可以避免加入的一些少量元素在高温中烧掉和有害气体杂质等的渗入，可以提高钢的质量。

（4）用作热绝缘：如保温瓶可以保存冷、热饮料和食品。

高真空

高真空可用于热绝缘、电绝缘和避免分子、电子、离子碰撞的场合。

（1）热绝缘：如杜瓦瓶可用来贮存液态空气、液态氮和液态氦等。

（2）电绝缘：如用于真空开关和高压器件（加速、电子管）等。

（3）避免分子、电子和离子碰撞：高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、Ｘ射线管、加速、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜：从真空镀膜蒸发源蒸发出的涂覆材料的原子，以直线运动到达待涂的基片上，而且在途中原子之间要不发生碰撞，这样得到的沉积薄膜质量优良，可供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。

超高真空

外层空间的能量传输与超高真空中的能量传输相似，故超高真空可用作空间模拟。在超高真空下，单分子层形成的时间长（以小时计），这就可以在一个表面尚未被气体污染前利用这段充分长的时间来研究其表面特性，如摩擦、粘附和发射等。

参考书目

A.Roth，Vacuum Technology，American Elsevier Publ.Co.，New York，1976.