第1讲真空科学的发展及应用.docx

第1讲真空科学的发展及应用.docx

《第1讲真空科学的发展及应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1讲真空科学的发展及应用.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第1讲真空科学的发展及应用

[简介]:

人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。

战国时期“老子道德经”一书说“鞲鞴”是虏而不屈、动而愈出”，这是利用真空吸气原理的有记载的描述。

而欧州到十六世纪才发明这种设备。

中国晋朝炼丹家和医生葛洪（公元218～3l6年）在“肘后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、创造的“拔火罐”医疗法、正是真空技术在医学上应用的具体例证。

因为发生在火罐里的现象正是一个获得真空和应用真空的完好过程。

这种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。

因为在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。

即相当于在罐中获得6×104Pa的低压。

至于葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。

不过在我国“天工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人类在早期发展真空技术所做出的贡献。

人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。

战国时期“老子道德经”一书说“鞲鞴”是虏而不屈、动而愈出”，这是利用真空吸气原理的有记载的描述。

而欧州到十六世纪才发明这种设备。

中国晋朝炼丹家和医生葛洪（公元218～3l6年）在“肘后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、创造的“拔火罐”医疗法、正是真空技术在医学上应用的具体例证。

因为发生在火罐里的现象正是一个获得真空和应用真空的完好过程。

这种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。

因为在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。

即相当于在罐中获得6×104Pa的低压。

至于葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。

不过在我国“天工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人类在早期发展真空技术所做出的贡献。

1、真空的含义及特点

    在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。

人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。

这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，主要有如下几个基本特点：

（1）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。

由于作用在地球表面上的一个大气压约为10135N/m2，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。

不同压强下单位面积上的作用力，如表1所示。

（2）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。

因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。

表2给出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。

表1不同压力下单位面积上的作用力

压力（Pa）

作用力（kg/cm2）

压力（Pa）

作用力（kg/cm2）

105

1．03328

5×103

6.79755×10-2

5×104

6.79755×10-1

1×103

1.35951×10-2

3×104

4.07853×10-1

5×102

6.79755×10-3

1×104

1.35951×10-1

1×102

1.35951×10-3

表2常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系

大气压力（Pa）

平均自由程（cm）

大气压力（Pa）

平均自由程（cm）

105

6.5×10-6

1×10-3

5×102

103

5×10-4

1×10-6

5×10-5

102

5×10-3

1×10-9

5×108

1×10-1

5×100

1×10-4

5×1013

（3）真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量（也包括水分的含量）也将相对减少。

表3给出了标准大气的成份。

表1标准大气的成分

成分

分子量

容积百分比

重量百分比

分压强（托）

N2（氮）

28.0134

79.084

75.520

593.44

O2（氧）

31.9988

20.948

23.142

159.20

Ar（氩）

39.984

0.934

1.288

7.10

CO2（二氧化碳）

44.00995

3.14×10-2

4.8×10-2

2.4×10-1*

Ne（氖）

20.183

1.82×10-3

1.3×10-3

1.4×10-2

He（氦）

4.0026

5.24×10-4

6.9×10-9

4.0×10-3

Kr（氪）

83.80

1.14×10-4

3.3×10-4

8.7×10-4

Xe（氙）

131.30

8.7×10-6

3.9×10-3

6.6×10-5

H2（氢）

2.01594

5×10-5

3.5×10-6

4×10-4

CH4（甲烷）

16.04303

2×10-4

1×10-4

1.5×10-3

N2O（氧化二氮）

44.0128

5×10-5

8×10-4

4×10-3

O3（臭氧）

47.9982

夏：

0~7×10-6

0~1×10-5

0~5×10-5*

冬：

0~2×10-6

0~0.3×10-5

0~1.5×10-5*

SO2（二氧化硫）

64.0628

0~1×10-4

0~2×10-4

0~8×10-4*

NO2（二氧化氮）

46.055

0~2×10-6

0~3×10-6

90~1.5×10-5*

NH3（氨）

17.03061

0~痕迹量

0~痕迹量

0~痕迹量

CO（一氧化碳）

28.01055

0~痕迹量

0~痕迹量

0~痕迹量

I2（碘）

253.8088

0~1×10-6

0~9×10-5

0~8×10*6*

    *表示随时间、地点而变化的值

    真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用，这一点我们将在下节中详述。

2、不同真空状态下的真空工艺技术

    随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下、应用各种不同的真空工艺、达到为生产及科学研究服务的目的。

目前，可以说，从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造，到几公里长的大型加速器的运转，从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。

不同真空状态下所引发出来的各种真空工艺技术的应用概况如表4所示。

表4不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况

真空状态

气体性质

应用原理

应用概况

粗真空

105~103（Pa）

760~10（Torr）

气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化．分子相互间碰撞频繁

利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用

1.真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒；

2.真空吸盘起重、真空医疗器械；

3.真空成型，复制浮雕；

4.真空过滤；

5.真空浸渍。

低真空

103~10-1（Pa）

10~10-3（Torr）

气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小

利用气体分子密度降低可实现无氧化加热利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘

利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥

1.黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理

2.真空热轧、真空表面渗铬；

3.真空绝缘和真空隔热；

4.真空蒸馏药物、油类及高分子化合物；

5.真空冷冻、真空干燥；

6.真空包装、真空充气包装；

7.高速空气动力学实验中的低压风洞

高真空

10-1~10-6（Pa）

10-3~10-8（Torr）

分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁

气体分子密度小

利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产

1.稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金；

2.纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发；

3.难熔金疆的真空烧结；

4.半导体材料的真空提纯和晶体制备；

5.高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造；

6.真空镀膜，离子注入．膜一刻蚀等表面改性；

7.电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、x光显微镜，各种粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造；

8.电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束加

超高真空

10-1~10-6（Pa）

10-1~10-8（Torr）

气体分子密度摄低与器壁磋撞的次敌极少致使表面形成单分子层的时间增长

气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。

利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究

1.可控热核聚变的研究；

2.时间基准氢分子镜的制作；

3．表面物理表面化学的研究；

4.宇宙空间环境的模拟；

5.大型同步质子加速器的运转；

6.电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中。

现就其主要的几个部门简述如下：

1．真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用

    真空输运、吸引及起吊设备、都是利用真空与大气间存在压力差所产生的力来做功的。

由于这种机械能存在着压强处处均匀的特点，因此可绝对密接地施加到任何形状的平面上。

目前、这些真空设备大多用在吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物粉状