真空技術與應用

真空技術是建立低于大氣壓力的物理環境，以及在此環境中進行工藝制作、物理測量和科學試驗等所需的技術。真空技術主要包括真空獲得、真空測量、真空檢漏和真空應用四個方面。在真空技術發展中，這四個方面的技術是相互促進的。
 

　　真空是指低于大氣壓力的氣體的給定空間，即每立方厘米空間中氣體分子數大約少于兩千五百億億個的給定空間。真空是相對于大氣壓來說的，并非空間沒有物質存在。用現代抽氣方法獲得的zui低壓力，每立方厘米的空間里仍然會有數百個分子存在。氣體稀薄程度是對真空的一種客觀量度 ，zui直接的物理量度是單位體積中的氣體分子數。氣體分子密度越小，氣體壓力越低，真空就越高。但由于歷史原因，量度真空通常都用壓力表示。
 

　　遠在1643年，意大利物理學家托里拆利發現，真空和自然空間有大氣和大氣壓力存在。他將一根一端封閉的長玻璃管灌滿汞，并倒立于汞槽中時，發現管中汞面下降，直至與管外的汞面相差76厘米時為止。托里拆利認為，玻璃管汞面上的空間是真空，76厘米高的汞柱是因為存在大氣壓力的緣故。
 

　　1650年，德國的蓋利克制成活塞真空泵。1654年，他在馬德堡進行了的馬德堡半球試驗：用真空泵將兩個合在一起的、直徑為14英寸（35.5厘米）的銅半球抽成真空，然后用兩組各八匹馬以相反方向拉拽銅球，始終未能將兩半球分開。這個的試驗又一次證明，空間有大氣存在，且大氣有巨大的壓力。為了紀念托里拆利在科學上的重大發現和貢獻，以往習用的真空壓力單位就是用他的名字命名的。
 

　　19世紀中后期，英國工業革命的成功，促進了生產力和科學實驗發展，同時也推動了真空技術的發展。1850年和1865年，先后發明了汞柱真空泵和汞滴真空泵，從而研制成了白熾燈泡（1879）、陰極射線管（1879）、杜瓦瓶（1893）和壓縮式真空計（1874）。壓縮式真空計的應用使低壓力的測量成為可能。
 

　　20世紀初，真空電子管出現，促使真空技術向高真空發展。1935～1937年發明了氣鎮真空泵、油擴散泵和冷陰極電離計。這些成果和1906年制成的皮拉尼真空計至今仍為大多數真空系統所常用。
 

　　1940年以后，真空應用擴大到核研究（回旋加速器和同位素分離等）、真空冶金、真空鍍膜和冷凍干燥等方面，真空技術開始成為一個獨立的學科。第二次世界大戰期間，原子物理試驗的需要和通信對高質量電真空器件的需要，又進一步促進了真空技術的發展。
 

　　在地球上，通常是對特定的封閉空間抽氣來獲得真空，用來抽氣的設備稱為真空泵。早先制成的真空泵，抽氣速度不大，極限真空低，很難滿足生產和科學試驗的需要。后來相繼制成一系列抽氣機理不同的真空泵，抽速和極限真空都得到不斷的提高。如低溫泵的抽氣速率可達60000升/秒，極限真空可達千億分之一帕數量級。
 

　　為了保證真空系統能達到和保持工作需要的真空，除需要配備合適的、抽氣性能良好的真空泵以外，真空系統或其零部件還必須經過嚴格的檢漏，以便消除破壞真空的漏孔。低（粗）真空、中真空和高真空系統一般用氣壓檢漏 ；對于超高真空系統，在采用一般檢漏法粗檢以后，還要采用靈敏度較高的檢漏儀，如鹵素檢漏儀和質譜檢漏儀來檢漏。
 

　　隨著真空獲得技術的發展，真空應用日漸擴大到工業和科學研究的各個方面。真空應用是指利用稀薄氣體的物理環境完成某些特定任務。有些是利用這種環境制造產品或設備，如燈泡、電子管和加速器等。 這些產品在使用期間始終保持真空；而另一些則僅把真空當作生產中的一個步驟，zui后產品在大氣環境下使用，如真空鍍膜、真空干燥和真空浸漬等。
 

　　真空的應用范圍極廣，主要分為低真空、中真空、高真空和超高真空應用。低真空是利用低（粗）真空獲得的壓力差來夾持、提升和運輸物料，以及吸塵和過濾，如吸塵器、真空吸盤 。
 

　　中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的氣體或水分、制造燈泡、真空冶金和用作熱絕緣。如真空濃縮生產煉乳，不需加熱就能蒸發乳品中的水分。
 

　　真空冶金可以保護活性金屬，使其在熔化、澆鑄和燒結等過程中不致氧化，如活性難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮、鈦和鋯等的真空熔煉；真空煉鋼可以避免加入的一些少量元素在高溫中燒掉和有害氣體雜質等的滲入，可以提高鋼的質量。
 

　　高真空可用于熱絕緣、電絕緣和避免分子電子、離子碰撞的場合。高真空中分子自由程大于容器的線性尺寸，因此高真空可用于電子管、光電管、陰極射線管、X 射線管、加速器、質譜儀和電子顯微鏡等器件中，以避免分子、電子和離子之間的碰撞。這個特性還可應用于真空鍍膜 ，以供光學、電學或鍍制裝飾品等方面使用。
 

　　外層空間的能量傳輸與超高真空中的能量傳輸相似，故超高真空可用作空間模擬。在超高真空條件下，單分子層形成的時間長（以小時計），這就可以在一個表面尚未被氣體污染前 ，利用這段充分長的時間來研究其表面特性，如摩擦、粘附和發射等。