超高真空物理与技术基础

超高真空物理与技术基础
王 勇 国家同步辐射实验室，中国科学技术大学
（初 稿）
第一章 绪 论
1.1 真空的基本概念 1.2 真空技术发展史 1.3 真空技术的应用 1.4 真空度的单位与真空区域的划分 1.4.1 真空度的单位 1.4.2 真空区域的划分 1.5 自然真空、人为真空和标准大气成分 1.5.1 自然真空 1.5.2 人为真空 1.5.3 标准大气成分
参考书： 《真空技术》 王欲知编 四川科学技术出版社 1985 《真空物理》 高本辉，崔素 科学出版社 1983 《真空设计手册》 达道安主编 国防工业出版社 1991 《Vacuum Technology》 ROTH NORTH-HOLLAND 1976 《Vacuum Physics and Technology》 Edited by G. L.Weissler & R. W. Carlson, ACADEMIC PRESS, 1979 《Foundations of Vacuum Science and Technology》 Edited by James M. Lafferty, JOHN WILEY & SONS, INC 1998 《The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum 》 Edited by P.A.ReadHead, J.P.Hobson, E.V.Kornelsen USA 1993

第一章
绪
论
什么是真空？是虚无，是宇宙……？在大多数人的心目中，真空就是没有空 气的空间。看看我们生活的周围世界，真空包装、热水瓶胆、电灯泡、吸尘器等 等，它们都是利用和使用真空的产品。其实不然，真空中隐藏着巨大的奥秘。从 微观世界里看，纵然把实物粒子都抽尽了的空间，也不是真空，它还会充满光线、 红外线、紫外线、微波、无线电波，以及 X—射线、γ—射线等，除此之外还有 中微子、引力场等的存在。这些虽然不是实物粒子，但是它们都是一种物质形态， 就是说这种空间也充满着物质，并不空。什么没有的真空中实际上飞行着许多基 本粒子，数量巨大的基本粒子一会儿生成，一会儿消失。真空，绝非是我们想象 中没有物质的空间。相反的，真空是一种基本粒子剧烈活动的场所，是不可思议 的奇异环境。要搞清楚真空什么，就要涉及“物质的本质”和“宇宙如何演化” 。 探索真空的本质属于现代科学尖端课题。诺贝尔物理学奖获得者李政道在“展望 ２１世纪科学发展前景”一文中就提出，研究真空将是２１世纪物理学的重要研 究方向。 通常我们说宇宙空间是没有空气的真空。 真空英文字 Vacuum 一词源于古希腊 拉丁文 Vacuo（虚空） ，其原意为 empty 空着的，中文有“虚无”之意。但是我们 检测一下航天飞机轨道周围的空间，可以发现那里仍然有稀薄的空气。真空包装 袋和热水瓶胆夹层里面更不是什么都没有。我们所说的真空，不过是“气体极稀 薄的空间”罢了。人类对真空的研究和应用由来已久，对它并不陌生。时至今日， 真空技术作为一门应用科学对人类生活所起的巨大作用足已使我们惊叹不已。总 之，今天的世界，从科研、生产到日常生活，几乎无一不与真空密切相关，真空 技术的应用已渗透到各个领域，成为一门不可或缺的应用科学。
1.1 真空的基本概念
真空通常是指在一密闭空间内的气体分子利用外力将其排除所形成的物理状 态，或指在给定空间内气体分子所产生的压力低于一个标准大气压的气体状态。 标准大气压是指在海平面上，标准状态（273.2K,760mmHg 压强）下，大气的压力。 空间大气主要由氧分子和氮分子组成， 而且这些分子总是在空间不停的飞来飞去。 通常一个标准大气压下，大气中每立方厘米有 2.69×1019 个气体分子。因此我们 19 有了真空的另一个定义，就是每立方厘米的气体分子密度低于 2.69×10 个气体 分子空间称之为真空。在星际空间中或许每立方厘米只有不到 10 个分子，目前世 界上人工获得的最高真空是 10-12 帕的数量级， （这一纪录是由沃森研究中心的 J·汤姆逊于 1976 年 10 月在国际商用机械公司创造的。 所使用的低温系统的温度 -12 可降到一 269℃【－452°F】 ）即使在 10 帕的极高真空里每立方厘米仍然还有数 10 个到数百个气体分子。 完全没有气体的空间状态称为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。
1.1 真空技术发展史
我国是最早利用真空技术的国际，公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了

风箱鼓风法，风箱鼓风就是利用了真空吸气的原理。那时称风箱为“鞲 鞴”(goubei)。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。图 1.是对当时利用风箱冶铁的场 景。欧洲 16 世纪才发明了这种设备。
图 1.古人利用风箱鼓风冶铁的场景 中国晋朝炼丹家和医生葛洪 (公元 218 ～ 3l6 年)在“时后备急方”中所介 绍的利用气体的热胀冷缩、而创造的“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。参见见图 2.
图 2. “拔火罐”及物理治疗过程 2400 年前真空就一直困扰着历代最优秀的科学家， 古西腊哲学家琉西巴斯 （公 元前五世纪）和德谟克利特（Demokritos，BC460～370 年）则认为有真空存在。

认为世界上有两种元素，一种是“充实的和坚固的”叫做存在，一种是“空虚 （ken）的和稀薄的”叫做非存在。原子论的完成者德膜克利特认为：“所有的物 质都是由原子组成，而原子之外就是虚空”。 而古希腊人哲学家亚里士多德（Aristolels, BC 384～322 年）为认为世界必 然是到处都充满了物质，不可能有真空；世界万物都是由地（地球球体） 、水（海 洋） 、气（大气层） 、火（看不见的外层）4 层构成，至于这四层之外，它们是 “完 美的以太”组成的。亚里士多德以及它的追随者认为“空间（space）为物体所占 据的范围” ，而“真空（vacuum）是不任何含物体的空间” ，从逻辑上讲，既然“空 间”必含有物质，所以没有“真空”存在。受到当时技术条件的限制，对于这两 种观点，没有办法证明孰是孰非。后来，人们就自然而然地形成了“自然厌恶真 空（nature abhors a vacuum）”的观念，用以太解释了一些物理现象。“自然 厌恶真空”是根据日常生活中一个简单的现象而形成的：古人认为水泵之所以能 够抽水，是因为如果水不跟着活塞升起来，就会形成真空，而自然是不能允许真 空存在的，因此水就被抽吸上来。但当人们在抽深井水时，却发现了与“自然厌 恶真空”相悖的现象，无论用多大的功率，井底的水无法吸出 10 米以上的高度， 哲学家的沉思也无法解释。直到 17 世纪，意大利科学家伽利略研究了从矿井中的 抽水问题，水泵的吸水高度不能超过 10m，可能是大气压力的作用，说明空气有重 量。 1643 年著名的意大利物理学家伽利略弟子托里拆利 (Torricelli) 在 世 界 上 做 了 第 一 个 真 空 实 验 — — 首 创 了 760mmHg 实验，证明大气压力的存在。他在一只盛有水银的 玻璃皿中，将一根长 1 米左右的一端封闭的玻璃管内装满水 银，然后将玻璃管开口的一端插入玻璃器皿里的水银中，使 之保持竖直状态。这时可以看到靠近封闭端，有一段玻璃管 没有水银，那里就是真空。
图 3. 托里折利实验示意图