真空技术基础知识

真空技术基础知识

前言

1. 真空

“真空”来源于拉丁语“Vacuum ”，原意为“虚无”，但绝对真空不可达到，也不存在。只

能无限的逼近。即使达到10-14—10-16托的极高真空，单位体积还有330—33个分子。

在真空技术中，“真空”泛指低于该地区大气压的状态，也就是同正常的大气比，是较为稀薄的气体状态。真空是相对概念，在“真空”下，由于气体稀薄，即单位体积的分子数目较少，故分子之间或分子与其它质点（如电子、离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间碰撞表面（例如器壁）的次数亦相对减少。这就是“真空”最主要的特点。利用这种特点可以研究常压不能研究的物质性质。如热电子发射、基本粒子作用等。

2. 真空的测量单位

一、用压强做测量单位

真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度，作为这种量度，最直接的物理量应该是单位体积中的分子数。但是由于分子数很难直接测量，因而历来真空度的高低通常都用气体的压强来表示。气体的压强越低，就表示真空度越高，反之亦然。

根据气体对表面的碰撞而定义的气体的压强是表面单位面积上碰撞气体分子动量的垂直分量的时间变化率。因此，气体作用在真空容器表面上的压强定义为单位面积上的作用力。

压强的单位有相关单位制和非相关单位制。相关单位制的各种压强单位均根据压强的定义确定。非相关单位制的压强单位是用液注的高度来量度。

下面介绍几种常用的压强单位。

【标准大气压】（atm ）

1标准大气压=101325帕

【托】（Torr ）

1托=1/760标准大气压

【微巴】（μba ）

1μba=1达因/厘米2

【帕斯卡】（Pa ）国际单位制

1帕斯卡=1牛顿/m2

【工程大气压】（at ）

1工程大气压=1公斤力/厘米2

二、用真空度百分数来测量 %100760

760%⨯-=P δ 式中P 的单位为托，δ为真空度百分数。此式适用于压强高于一托时。

3. 真空区域划分

有了度量真空的单位，就可以对真空度的高低程度作出定量表述。此外，为实用上便利起见，人们还根据气体空间的物理特性、常用真空泵和真空规的有效使用围以及真空技术应用特点这三方面的差异，定性地粗划为几个区段。但这种划分并不是十分严格的，下面介绍一种划分方法。

粗真空＜760~10托

低真空＜10~10-3托

高真空＜10-3~10-8托

超高真空＜10-8~10-12托

极高真空＜10-12托

4.真空技术在国民经济中的应用

真空技术在工业生产和近代科学的发展中已日益渗透到各个领域，成为电子、冶金、机械、食品、化工、半导体、低温技术、原子能、宇航等国防、国民经济、科研部门中必不可少的新技术之一。其应用具体包括在如下几个方面。

一、形成压差，可以做功。

二、提高热、电绝缘性能。

三、利用真空，撤除氛围气体屏障。

四、延长粒子飞行路径。

五、减少有害气体作用。

六、促成材料出气效应。

七、模拟宇宙环境。

气体在平衡状态下的特性

1.分子运动论的基本观点

气态是物质存在的各种状态中最简单的一种状态。气态的最主要特征是：它既无一定形状，也无一定体积。任一数量的气体，都能无限制地膨胀而充满于任何形状与大小的容器中。气体又能均匀的混合在一起。任何不同种类的气体，不论其比例如何，都能混合成均匀状态。

对于气体的大量现象及实验总结出来的规律，需进一步作出解释，于是发展起来了气体分子运动论。其基本观点如下：

一、物质是由分子组成的

从化学中已知一切物质都是由分子、原子构成的，而分子是物质保持其化学性质的最小单位。分子的直径大约是10-8厘米的数量级。

通过大量的实践，使人们认识到自然界中每一物体不管它处于什么状态，都不是密实的连续体，也就是说物质结构是不连续的，分子之间是有空隙的。不同的物质空隙大小不同。

二、分子永远在不规则的运动——热运动

扩散现象说明分子是在不停地运动的例子。分子运动的特点也只能从一些间接的实验中观察到。布朗运动就是其中一种。

三、分子之间存在相互作用力

已知物质是由分子组成，分子在不停的运动，而且分子间还有空隙。那么为什么物质分子、原子又能结合成一个整体呢？这是因为分子有相互吸引力。当我们把物体的一部分分开时，必须加外力来克服这些分子间的引力才行。

另外我们压缩物体时也需要力，这说明分子间还存在着排斥力。正因为分子间的排斥力，才使物质分子不是一个挨着一个紧靠在一起，而是有一定的空隙。

因此分子之间不但存在着吸引力，而且也存在着排斥力。它们均为短程力。实验证明：当两个分子之间的距离约小于10-8厘米，斥力大于引力，分子间的作用表现为斥力；当两个分子间距离大于10-8厘米，小于10-6厘米时，吸引力大于排斥力，分子间的作用力表现为吸引力；分子间的距离大于10-6厘米时，作用力就十分微弱，可以认为分子间没有相互作用了。

2.气体的实验定律和理想气体

一、气体的实验定律

玻义耳定律

一定质量的任何气体，在恒定温度下，气体的压强和体积的乘积为常数，换言之，即它们的压强和体积成反比，其数学表达式为：

常数

PV

=

盖·吕萨克定律

一定质量的任何气体，若变化过程中压强保持不变（这样的变化过程称为等压过程），而且变化过程中所经历的中间状态均可近似的看作平衡状态，则体积和温度之商保持不变。数学表达式为：

V

=

常数

T

查理定律

一定质量的任何气体，若变化过程中体积保持不变（这样的变化过程为等容过程），而且变化过程中过经历的中间状态均可近似的看作平衡状态，则压强和温度之商保持不变。数学表达式为：

P

=

常数

T

状态过程方程

一定质量的任何气体，当从一平衡态过渡到另一平衡态时，压强和体积的乘积与温度之商为一恒量。数学表达式为：

PV

常数

=

T

阿伏伽德罗定律

在标准状态下（T0=273K，P0=1atm）一摩尔的任何气体的体积等于22.4升。（包含6.02×1023个分子）。

上述的几条定律是大量的气体实验的总结，而实验总是在一定的条件下进行的，所以定律有局限性，不同气体的局限性也不同。同时各种气体相对于定律的结论都有不同程度的偏离，也就是存在近似性。这种近似性既来源于测量的误差，也决定于各种气体本身的个性。这种个性趋于同一，很自然的使我们设想一种理想化的模型。

二、理想气体

凡是严格服从上述各条气体实验定律的气体，称为理想气体。这就是理想气体的宏观定义。

理想气体是一个理论模型，实际是不存在的。这个假想的概念引进的实际意义基于以下的事实，即在较低的压强和较高的温度下，各种气体都可以十分近似的看作理想气体，也就是在我们真空技术中所遇到的气体都可以当作理想气体。

从结构上看，理想气体具有以下特点：

（1）分子本身大小比起它们之间的距离来可以忽略不计，因此可以把分子看作是没有体积的几何质点。

气体体积的确切意义应为分子能自由到达的整个空间，所以上述特点可以使气体体积这一状态参量更加明确，即可用容器的容积代替。

（2）除了分子相互碰撞的瞬间外，分子间没有相互作用力。

也就是说除了分子碰撞瞬间外，可视为自由粒子，直线飞行，牛顿第二定律对个别粒子也是成立的。这一特点，保证了气体分子的压强不受分子间作用的影响。

（3）分子在运动中不断相互碰撞，而且也不断地与容器壁发生碰撞，这些碰撞是完全弹性的。

由于碰撞的时间是如此的短，碰撞过程中的能量转换过程亦可忽略，由于没有动能损