什么是真空技术

使气体压强低于地面上人类环境气压的技术。

真空技术发展史

约在公元前6世纪，中国在冶铁技术中采用了风箱鼓风的方法，那时称风箱为“鞲鞴”（图1）。战国时期的《老子道德经》一书中说“鞲鞴”是“虚而不屈，动而愈出”。这是利用了真空吸气的原理。欧洲到16世纪才发明了这种设备。中国晋朝炼丹家和医生葛洪在《时后备急方》中介绍了中国古代劳动人民利用气体的热胀冷缩，创造了“拔火罐”的方法。这是把真空技术应用于医学的例子。

17世纪，意大利科学家伽利略在研究从矿井里抽水的问题时发现，用泵汲水的高度不能超过10m。他认为吸水是由于大气压力的作用，说明空气有重量。在他的影响下，E.托里拆利用汞装满一端封闭的玻璃管，然后将封闭端朝上立在汞池中，这样就在玻璃管上部获得了真空。这是人类第一次得到的最好的真空。托里拆利测得玻璃管中汞柱高与玻璃管的粗细、长短均无关。1648年，B.帕斯卡在不同高度的山上进行了测量，发现玻璃管中的汞柱有不同的高度，从而确立了气压与地面高度有关的思想。1654年，德国马德堡市市长盖利克把直径40cm的两个中空铜制半球抽成真空，从两侧各用8匹马向相反方向拉，竟没有拉开这个铜球。从此以后，真空的存在已不再被人怀疑了。

气体分子运动论为真空技术的发展奠定了理论基础。真空技术进入实用阶段的标志是，1858年J.普吕克尔和H.W.盖斯勒发明真空放电管，而后J.A.夫累铭在1904年又造出了二级真空电子管，L.德福雷斯特在1907年造出了三极真空电子管，等等。近代真空技术的发展已经和科学技术、工业生产、日常生活紧密地联系了起来。1957年，人类开始进入太空。太空是一个真空环境，为了熟悉它，人们在地面上建造了许多大型空间环境模拟室(见彩图)。空间科学技术的发展，把真空技术又推向一个新阶段。

真空度

气体稀薄的程度叫真空度。国际单位制中，真空度以压强单位帕(Pa)度量。由于历史原因，在真空技术领域中常以托(Torr)作为真空度的单位。历史上曾使用的单位还有巴(bar)、大气压(atm)、千克力/厘米2(kgf/cm2)及磅力/英寸2(1bf/in2)，换算关系由表1给出。

目前，实验上可以达到的真空度，从 760Torr直到10-14Torr(表2)。

真空的获得

可用机械的方法获得真空。如活塞泵、旋片泵等，主要是通过活塞或旋片不断地运动来改变泵体的体积，从而把气体排放出去（图2）A1→A2→A3→A4。稍高的真空度的获得，则要利用扩散现象。用高速运动的气流（包括分子泵中高速运动的圆盘或叶片），把扩散进泵体并和气流分子碰撞的气体分子带走。如扩散泵（图3）、增压泵等。此外，还有：

（1）低温泵。利用低温表面冷凝或冻结气体，如液氦冷凝泵。为了增加吸气量，在低温表面上再附一层气体霜，这就构成了深冷霜吸气泵。

（2）吸附泵。利用吸气材料，如活性炭、分子筛、锆-铝等吸气剂，冷冻或加热使之产生吸气作用。

（3）离子泵。首先使气体电离，然后利用强电场（或再加上磁场）驱赶电离气体直接进入金属壁。

（4）催化泵。通过化学反应，把较难抽除的气体变成容易抽除的气体。如使氢气和氧气化合成水蒸气而后抽除。

真空的测量

即对真空度的测量。测量真空度的压强传感器通常叫真空规。测量较高压强的真空规有：测量压强差所产生力的液柱高度压力计；振动薄膜规；利用玻意耳定律的麦克劳规；测量不同压强下气体导热变化的热偶真空计等。测量低压强的真空规有电离规，先使规中的分子电离，测量电离了的分子数量，给出离子流强度，再换算成相应的分子密度或压强数值。这类真空规可测到10-11Pa以下。还有用分压强计测量总压强的，但也是用电离的方法测离子数量。

真空环境的特性

（1）压强小于地面上大气的压强。

（2）气体分子密度小，因而导热性差，传播声音的性能差（或不传播声音），物质在其中易挥发，不氧化，生物不能维持生命，对运动物体的阻力小，电绝缘性可变等。

（3）容易产生清洁的固体表面。因而使固体的表面特性（如润滑、摩擦、腐蚀等）和触媒的表面化学性质都完全不同于地面上大气环境中的特性。

（4）电磁波的传播性能优于大气中。

正是这些以及由此诱发的其他特性，使得真空技术获得了广泛的应用。

真空的工业应用

利用真空环境的低压强性质，可以完成许多地面大气环境中无法完成的工艺过程。真空技术的应用主要有以下几方面。

（1）利用真空与地面大气压强差产生的力，可以进行流体的输运，制造离心式液体泵、离心式鼓风机。还可制造真空吸尘器、拔火罐及人工流产用的医疗器械等。

（2）利用真空中气体分子密度小的特性，制造电真空器件如各种电光源、电子管等。由于真空环境中活性金属不易氧化，可在此环境中进行活性金属(Ca、Li、Cs等)的氧化物还原；进行某些金属的真空焊接、真空熔炼等。

（3）利用真空的低气压，可以进行某些低熔点金属(Mg、Li、Zn等)的分馏、纯化。进行某些高沸点、高纯化学试剂的真空分馏。当压强降到 10-1Pa，分馏速率达到一稳定值。此后再降低压强，且分馏源和冷凝面的距离小于分子自由程时就发生分子分馏。可用以分馏许多高分子量的材料而不使其分解，这个方法已成功地应用到维生素浓缩生产中。

（4）在1～10-1Pa压强下，可对许多不耐高温的产品进行低温脱水，真空干燥。这一方法成功地用于食品工业、生物制品，如浓缩食品、奶粉、制造血浆等。

（5）在10-2Pa压强下进行真空镀膜，可制造高质量的反射膜和透射膜，以及许多特殊用途的薄膜如磁性膜、半导体膜，塑料镀导电层以制造波导管等。

某些新兴工业中也广泛应用真空技术，如同位素分离；各种加速器中都要应用真空技术；大规模集成电路也需要在真空环境中加工。

真空技术还广泛地应用在科学研究中。如表面物理实验就是在超高真空中进行的；重离子加速器要求清洁无油的真空排气系统;受控热核反应要求10-6Pa超高真空；高能粒子对撞机储存环的交叉区要求10-10Pa极高真空。空间科学更离不开真空环境，人们几乎在地面上模拟了一切可能的空间环境，在其中进行火箭发动机的高空点火、真空推力测定、热设计需要的温控试验、材料的空间效应评价试验以及摩擦、润滑与冷焊试验等。