經(jīng)典真空技術(shù)與設(shè)備
張振厚 李云奇
第一章 真空及其應(yīng)用 1.1 真空科學(xué)發(fā)展史的回顧及其分支學(xué)科的劃分 人們通常在回顧真空科學(xué)發(fā)展史時(shí)，常常誤認(rèn)為1643年托里析利的壓力實(shí)驗(yàn)和1650年葛利克發(fā)明抽氣機(jī)是對真空這一現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn)。其實(shí)早在公元前六世紀(jì)我國在冶鐵技術(shù)中即采用了“風(fēng)箱鼓風(fēng)法”，這是利用真空進(jìn)行吸氣原理有記載的描述。公元218~316年我國晉朝醫(yī)生葛洪又創(chuàng)造了“拔火罐”醫(yī)療法。這是真空技術(shù)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的具體例證�？梢姼鹄顺闅鈾C(jī)的發(fā)明與我國的風(fēng)箱鼓風(fēng)抽氣相比較，在時(shí)間上至少要晚幾百年。因此在我們回顧真空科學(xué)發(fā)展的歷程時(shí)，是不應(yīng)忘記我們的祖先，對人類在早期發(fā)展真空技術(shù)中所做出的貢獻(xiàn)。
但是，真空科學(xué)與技術(shù)作為獨(dú)立的科學(xué)體系還是從20世紀(jì)初開始的。這時(shí)由于電子器件，原子能，航天技術(shù)對真空環(huán)境的需求，極為迫切，從而大大的推動(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展。除了作為獲得，檢測，真空系統(tǒng)及其元件等產(chǎn)品的自身發(fā)展借以配合許多科學(xué)創(chuàng)新的條件和手段外，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互交叉與滲透，因此又極大的豐富了真空科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)涵。尤其是“超高真空”，“超清潔表面”的出現(xiàn)，揭示了自然界中許多新穎的現(xiàn)象和規(guī)律，其中納米技術(shù)的發(fā)展就是很好的例證。目前“真空科學(xué)與技術(shù)”包括了諸多的學(xué)科分支，表1-1給出了“國際真空科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用協(xié)會(huì)（IUVSTA）的劃分方法及其分支學(xué)科的內(nèi)容。”
表1-1 真空科學(xué)與技術(shù)的分支學(xué)科
| 分支學(xué)科 |
分支學(xué)科的內(nèi)容 |
| 經(jīng)典真空技術(shù) |
真空獲得，測量，檢漏，真空系統(tǒng)及元件。 |
| 真空冶金 |
真空熔煉鑄造，真空脫氣鑄造，真空熱處理，真空焊接，真空還原蒸留炭化，單晶體制備，表面處理。 |
| 等離子體科學(xué)與技術(shù) |
等離子體在磁控濺射，離子鍍等設(shè)備的應(yīng)用。等離子體化學(xué)氣相沉積，高純度單晶薄膜制備，等離子體顯示器件。 |
| 薄膜科學(xué)與技術(shù) |
真空蒸發(fā)鍍，真空濺射鍍，真空離子鍍，化學(xué)氣相沉積。 |
| 電子材料和加工工藝 |
真空電子器件，半導(dǎo)體材料，光電材料，敏感材料，薄膜電子材料，薄膜材料，智能材料，沉積加工工藝，外延生長技術(shù)，掩膜和刻蝕等。 |
| 表面科學(xué) |
固體表面電子結(jié)構(gòu)，原子結(jié)構(gòu)的研究，超高真空掃描隧道顯微鏡，表面性能測試。 |
| 應(yīng)用表面科學(xué) |
紫外光電子能譜分析離子中和譜、X光電子能譜等表面分析儀器。 |
| 納米科學(xué)與技術(shù) |
納米材料的制備，納米生物學(xué)，納米機(jī)械與納米動(dòng)力學(xué)，納米電子學(xué)，納米醫(yī)療。 |
1.2 大氣與真空 1.2.1 大氣的性質(zhì)
大氣雖然是一種看不到、摸不著，既無色，也無味的氣體，但是，它確占有一定的空間和具有一定的重量。把一個(gè)沒有打氣的籃球用比較精密的天平稱一下，然后打足氣再稱一次。結(jié)果，第二次稱得的籃球重量比第一次增加了。實(shí)驗(yàn)證明，每一升大氣大約有1克多重。
大家知道，在我們周圍所有的東西，不論大小都被地球引力所吸引，當(dāng)然大氣也不例外。不過，在這里我們應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充一點(diǎn)，這就是大氣不但有重量，而且它還是可以壓縮的。因此，當(dāng)上一層大氣壓在下一層大氣的上面時(shí)，下一層大氣就會(huì)被壓得比上一層大氣更密實(shí)些。表明大氣輕重程度的物理量是氣體的密度，它的單位是克/厘米3。在真空技術(shù)中，還通常用氣體的分子密度來說明大氣的稀薄程度。用氣體單位體積內(nèi)所含有的氣體分子數(shù)來表示。其單位是 個(gè)/厘米3。
因?yàn)樘幱诘厍虮砻嫔舷聦哟髿馑艿降膲嚎s最大，因此這一層大氣的密度也就最大，相反，離開地球表面越高，大氣的密度也就越小。這就是地球周圍大氣層上疏下密的原因。
表1-2給出了標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度壓力、密度與大氣層高度的關(guān)系。
表1-2 標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度、壓力、密度與大氣層高度的關(guān)系
| 高度（公里） |
溫度（℃） |
壓力（托） |
密度（克/厘米3） |
| 0 |
15 |
760 |
1.23×10-8 |
| 1 |
8.5 |
674.1 |
1.11×10-8 |
| 2 |
2.0 |
596.3 |
1.01×10-8 |
| 3 |
-4.5 |
526.0 |
9.09×10-4 |
| 4 |
-11 |
462.5 |
8.19×10-4 |
| 5 |
-17.5 |
405.4 |
7.36×10-4 |
| 6 |
-24.5 |
354.2 |
6.60×10-4 |
| 7 |
-30.5 |
308.3 |
5.90×10-4 |
| 8 |
-36.9 |
267.4 |
5.26×10-4 |
| 9 |
43.4 |
231.0 |
4.67×10-4 |
| 10 |
-49.9 |
198.8 |
4.14×10-4 |
| 15 |
-56.5 |
90.8 |
1.95×10-4 |
| 20 |
56.5 |
48.5 |
8.89×10-5 |
| 30 |
-46.6 |
8.98 |
1.84×10-5 |
| 40 |
-22.8 |
2.15 |
4.00×10-6 |
| 50 |
-2.5 |
0.589 |
1.03×10-6 |
| 60 |
-17.4 |
0.168 |
3.06×10-7 |
| 70 |
-53.5 |
4.14×10-2 |
3.75×10-8 |
| 80 |
-92.5 |
7.78×10-3 |
2.00×10-8 |
| 90 |
-92.5 |
1.23×10-3 |
3.17×10-9 |
| 100 |
-63.1 |
2.26×10-4 |
5.0×10-10 |
| 160 |
749 |
2.27×10-6 |
1.28×10-12 |
| 220 |
1021 |
6.4×10-7 |
2.0×10-13 |
| 300 |
1159 |
1.4×10-7 |
3.6×10-14 |
| 400 |
1214 |
3.0×10-8 |
6.5×10-15 |
| 500 |
1226 |
8.2×10-9 |
1.6×10-15 |
| 600 |
1233 |
2.6×10-9 |
4.6×10-16 |
| 700 |
1234 |
3.9×10-10 |
1.5×10-16 |
注：“托”是壓力單位的一種表示方法，我們將在以后的有關(guān)部分中介紹。
關(guān)于大氣層的厚度，確切地說，它是沒有明顯界限的。一般來說，按照密度的概念可以粗略地認(rèn)為。它的厚度大約有十六公里左右。
大氣不但有一定的重量，而且它又是由各種不同氣體組成的，其成份和它的分壓強(qiáng)如表1-3所示。
| 成份 |
分子量 |
容積百分比 |
重量百分比 |
分壓強(qiáng)（托） |
| N2（氮） |
28.0134 |
78.084 |
75.520 |
593.44 |
| O2（氧） |
30.9988 |
20.948 |
23.142 |
159.20 |
| Ar（氬） |
39.945 |
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 |
6.9×10-3 |
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（氫） |
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） |
44.0123 |
5×10-5 |
8×10-4 |
4×10-3 |
| O3（臭氧） |
47.9982 |
夏：0~7×10-6
冬：0~2×10-6 |
0~1×10-5
0~0.3×10-5 |
0~5×10-5*
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） |
46.0055 |
0~2×10-6 |
0~3×10-6 |
0~1.5×10-5* |
| NH3（氨） |
17.03061 |
0~痕跡量 |
0~痕跡量 |
0~痕跡量 |
| CO（一氧化碳） |
28.01055 |
0~痕跡量 |
0~痕跡量 |
0~痕跡量 |
| I2（碘） |
253.8088 |
0~1×10-6 |
0~9×10-5 |
0~8×10-6* |
*表示隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化的值
1.2.2 大氣的壓力 大家知道，世界上的一切物質(zhì)都是由極其微小的粒子所組成，在物理學(xué)中稱它為分子。分子有大有小，大小差別也很懸殊。但是，我們即便使用放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍的電子顯微鏡，也只能找到幾個(gè)分子。在這里我們不妨打個(gè)比喻，如果拿水分子與乒乓球相比，那就像用乒乓球同地球相比一樣，分子實(shí)在是小得可憐��！根據(jù)科學(xué)的計(jì)算，組成任何物質(zhì)的分子，它們的直徑都在10-8厘米這個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。分子雖然小得這么可憐，但是它確實(shí)每時(shí)每刻都在進(jìn)行著毫無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，而且分子的這種雜亂無章的運(yùn)動(dòng)又與它本身的溫度有關(guān)，因此，在物理學(xué)中把這種運(yùn)動(dòng)稱為分子的熱運(yùn)動(dòng)。
由分子這種熱運(yùn)動(dòng)所引起的氣體分子之間、氣體分子與地球表面及地球表面上任何物理之間的頻繁碰撞的結(jié)果，就必然要引起“力”的作用。這個(gè)“力”就是大氣的壓力。因此，我們說，氣體壓力是力的概念，而這種力是永遠(yuǎn)與氣體分子永不停止的運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系著的。當(dāng)然在“真空技術(shù)”中，我們所說的壓力含義，那是指氣體分子作用于容器壁單位面積上的力。這一點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)記住的。
表大氣壓力實(shí)驗(yàn)如圖1-1所示。用一根一端封閉起來的長玻璃管和一個(gè)盛裝水銀的小槽子，首先從玻璃管的開口端向管內(nèi)灌滿水銀，通過水銀把大氣從管內(nèi)趕走，再用手指按住管口，把玻璃管倒立在水銀槽的水銀中，然后放開手指，此時(shí)管內(nèi)的水銀將逐漸下落，如果這根管子長度大于760毫米，那么，當(dāng)管內(nèi)水銀下降到760毫米的位置時(shí)，它就會(huì)不再下降。由于水銀的比重是13.6克/厘米3，所以支持這個(gè)水銀柱的力量，在每平方厘米的面積上是1.03公斤。這個(gè)力就是大氣壓力。實(shí)驗(yàn)的首創(chuàng)者是著名的物理學(xué)家托里析利，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是1643年。
為了證明大氣的巨大壓力，葛利克于1654年用兩個(gè)直徑為60厘米的金屬半球，把它們相向的合起來，用抽氣機(jī)把球內(nèi)的大氣抽出，然后用八對駿馬朝相反方向拉球，但是無論如何也拉不開這兩個(gè)相互密合著的半球，這一驚人的表演，不但使當(dāng)時(shí)觀看表演的羅馬教皇弗狄南三世為之震驚，也使全世界的科學(xué)家為之震驚。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)在馬德堡，因此人們就把它稱之為馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。
我們在前面所看到的大氣的巨大壓力，都是作用在空間物理的表面上。如果在物體的內(nèi)部有一定的壓力，那么，當(dāng)它進(jìn)入到宇宙空間環(huán)境里，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？為了弄清這個(gè)問題，你可以把一只青蛙放到玻璃罩內(nèi)，然后用真空泵把罩里面的空氣抽走。這時(shí)你就會(huì)看到，這只青蛙在抽氣過程中會(huì)自行爆破。道理十分簡單，由于青蛙腹部的壓力相對于玻璃罩內(nèi)壓力不斷降低而增大，于是，當(dāng)青蛙腹部的壓力沖破了它的肌體時(shí)，青蛙也就爆炸開來了。
同樣，在宇宙空間中，由于大氣層上疏下密，高空中的壓力隨著大氣層的升高而逐漸降低，因此節(jié)日放起的氣球也就自然會(huì)在高空中爆破。
1.2.3 真空的含義 在我們探索真空的時(shí)候，為什么要先從大氣壓力談起呢？這是因?yàn)槿祟悓φ婵盏恼J(rèn)識(shí)首先是從地球表面上的大氣壓力開始的。真空與大氣壓力的關(guān)系是什么？要回答這個(gè)問題，我們首先應(yīng)當(dāng)弄清什么是真空。真空一詞來源于古希臘文中。它的意思是“虛無”。但是物質(zhì)是客觀存在的，正如恩格斯所說：“運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在方式，無論何時(shí)何地，都沒有也不可能有沒有運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)”。“沒有運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)和沒有物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是同樣不可想象的”。物質(zhì)的存在、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是絕對的，而物質(zhì)量的多少，運(yùn)動(dòng)的形式和激烈的程度則是相對的。因此，真空也必然是相對存在的。真空相對于大氣而存在，所以我們通常所說的真空，就是指比大氣壓力低的空間。它首先意味著，在這種空間里，由于氣體分子的存在而存在著壓力，只不過這種壓力比它周圍的大氣空間里的壓力小些而已。當(dāng)然，人們在真空科學(xué)里所定義的真空，應(yīng)當(dāng)是“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的氣體狀態(tài)”。所以，有人把真空認(rèn)為是什么物質(zhì)也不存在的，即所謂的“絕對真空”那是錯(cuò)誤的。
通過前面的討論，不難看出，我們所接觸到的真空大體上只有兩種：一個(gè)是宇宙空間所存在著的真空；一個(gè)是人們用真空泵所獲得的真空。為了把它們區(qū)別開來，人們通常把前者叫作“自然真空”，而把后者稱為“人為真空”。
當(dāng)人們在航天技術(shù)研究的過程中，發(fā)射到宇宙真空環(huán)境中去的火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船以及航天飛機(jī)等，都要在自然真空的環(huán)境下工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。處于這種真空環(huán)境下工作的各種設(shè)備、儀器、材料以及宇宙空間飛行器本身，會(huì)發(fā)生什么新的現(xiàn)象？會(huì)產(chǎn)生什么新的問題？都必須先在地面上仿造宇宙的真空環(huán)境來實(shí)驗(yàn)。因此，在地面上獲得“人為真空”，建造龐大的宇宙空間模擬室是非常必要的。
我國1970年4月20日發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星，離地球表面的最近點(diǎn)為439公里，最遠(yuǎn)點(diǎn)為2384公里。因而在它的運(yùn)動(dòng)軌道上，其壓強(qiáng)值大約在10?8~10-11毫米水銀柱之間。如圖1-2所描述的那樣，廣闊的宇宙空間，是一個(gè)無限大的真空環(huán)境。這一點(diǎn)是毫無疑問的。
1.2.4 真空的特點(diǎn) 在低于一個(gè)大氣壓力的稀薄氣體狀態(tài)中，氣體所顯示的第一個(gè)特點(diǎn)是氣體分子數(shù)目的減少，即氣體單位體積中所具有的分子數(shù)目的減小。常溫下低壓空間中大氣的分子密度如表1-4所示。
表1-4 常溫下低壓空間中大氣的分子密度
| 壓力（托） |
大氣分子密度（個(gè)/厘米3） |
壓力（托） |
大氣分子密度（個(gè)/厘米3） |
| 760 |
2.5×1019 |
1×10-7 |
3.3×10 9 |
| 240 |
9.7×1018 |
1×10-8 |
3.3×108 |
| 100 |
3.3×10 18 |
1.8×10-8 |
3.3×10 8 |
| 10 |
3.3×1017 |
1×10-9 |
3.3×107 |
| 1 |
3.3×10 16 |
1×10-10 |
3.3×10 6 |
| 1×10-1 |
3.3×1015 |
1×10-11 |
3.3×105 |
| 1×10-2 |
3.3×10 14 |
1×10-12 |
3.3×10 4 |
| 1×10-3 |
3.3×1013 |
1×10-12 |
3.3×103 |
| 1×10-4 |
3.3×10 12 |
1×10-14 |
3.3×102 |
| 1×10-5 |
3.3×1011 |
1×10-15 |
3.3×101 |
| 1×10-6 |
3.3×1010 |
1×10-16 |
|
低壓氣態(tài)空間中氣體所顯示的第二個(gè)特點(diǎn)是伴隨著氣體分子數(shù)目的減少，分子之間、分子與器壁之間相互的碰撞次數(shù)也逐漸的減少下來。常溫下氣體分子在每秒鐘內(nèi)碰撞到1Cm2，表面積上去的分子個(gè)數(shù)如表1-5所示。
表1-5 常溫下氣體分子在每秒鐘內(nèi)碰撞到一平方厘米表面積上的個(gè)數(shù)
| 大氣壓力（托） |
每秒鐘碰撞到每平方厘米
表面積上的分子數(shù)
[個(gè)/厘米2.秒] |
大氣壓力（托） |
每秒鐘碰撞到每平方厘米
表面積上的分子數(shù)
[個(gè)/厘米2.秒] |
| 760 |
3×1023 |
1×10-5 |
3.54×10 16 |
| 10 |
3.54×10 21 |
1×10-8 |
3.54×1022 |
| 1 |
3.54×1020 |
1×10-11 |
3.54×109 |
| 1×10-3 |
3.54×1017 |
1×10-16 |
3.54×104 |
從表中不難看出，隨著大氣壓力的降低，每秒鐘內(nèi)碰撞到每平方厘米表面積上去的分子數(shù)是在不斷減少的。
低壓氣體狀態(tài)中，氣體的第三個(gè)特點(diǎn)是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)自由路程的增大，所謂的分子自由運(yùn)動(dòng)路程，是指一個(gè)氣體分子在其熱運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過兩次碰撞后所走的距離。由于分子熱運(yùn)動(dòng)永遠(yuǎn)處于雜亂無章的狀態(tài)之中，所以這種自由運(yùn)動(dòng)路程是永遠(yuǎn)也不會(huì)相等的。為了說明問題，常常把許多分子經(jīng)過兩次碰撞后所走過的路程平均起來，這個(gè)路程就叫做氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均自由路程。
表1-6給出了氣體分子在不同壓力下，平均自由路程的數(shù)值。從表1-6中可以看出常壓下氣體分子相互兩次碰撞的平均距離只有0.06微米�？墒钱�(dāng)壓力降低到10-8托時(shí)，分子的平均自由路程競達(dá)到了5000米這樣驚人的數(shù)字。
表1-6 常溫下大氣分子平均自由路程與大氣壓力的關(guān)系
| 大氣壓力（托） |
平均自由路程
[厘米] |
大氣壓力（托） |
平均自由路程
[厘米] |
| 760 |
6.5×10-8 |
1×10-5 |
5×10 2 |
| 10 |
5×10 ?4 |
1×10-8 |
5×105 |
| 1 |
5×10-3 |
1×10-11 |
5×108 |
| 1×10-3 |
5×100 |
1×10-16 |
5×1013 |
稀薄氣體的這些特點(diǎn)所引發(fā)出來的在大氣中所沒有的許多新的現(xiàn)象，被人們在許多工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例，我們將在1.3節(jié)中加以介紹。
1.25 真空的測量單位 通過上面的討論，我們可以看出，在真空中氣體分子數(shù)目、氣體分子間相互碰撞次數(shù)及氣體分子碰撞到空間任何物體表面上去的次數(shù)都有著明顯的減少。隨著氣態(tài)空間分子數(shù)目的減少，即出現(xiàn)了真空度不斷提高的過程。所謂真空度，就是指低壓空間中氣態(tài)物質(zhì)的稀薄程度。氣體的壓力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低壓力與高真空或高壓力與低真空，在含義上是完全相同的。這一點(diǎn)千萬不要弄混。
正如機(jī)械加工需要測量被加工零件的尺寸一樣，在真空科學(xué)中，對低壓空間氣態(tài)物質(zhì)的稀薄程度的大小，同樣也需要測量。測量真空度大小的量是壓力，它的單位很多，表1-7給出的是常用的幾種壓力單位的換算關(guān)系。
表1-7 幾種常用壓力單位的換算關(guān)系
|
帕
（Pa） |
托
（Torr） |
微巴
（μba） |
物理大氣壓
（ATM） |
工程氣壓
（Kg/cm2） |
1帕
=1牛頓/米2 |
1 |
7.5006×10-3 |
10 |
9.869×10-6 |
1.0197×10-5 |
1托=1/760
國際標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 |
1.3332
×102 |
1 |
1.3332×103 |
1.3158×10-3 |
1.3595×10-3 |
1微巴
=1達(dá)因/厘米2 |
10-1 |
7.5006×10-4 |
1 |
9.8692×10-7 |
1.0197×10-6 |
1物理大氣壓
=1013250
達(dá)因/厘米2 |
1.0133
×105 |
760 |
1.0133×106 |
1 |
1.0332 |
1工程大氣壓=
1公斤/厘米2 |
9.8067
×104 |
735.56 |
9.8067×105 |
9.6784×10-1 |
1 |
由于國際單位制中壓力的單位是牛頓/米2。為了推廣這個(gè)單位，1969年國際計(jì)量委員會(huì)決定把這一單位命名為“帕”，并于1971年公布實(shí)行。它的全稱是“帕斯卡”，這也是為了紀(jì)念著名的科學(xué)家“帕斯卡”而采用的。
過去，真空科學(xué)領(lǐng)域中最常用的單位是“毫米水銀柱”，為了方便起見，人們常常用“托”字來表示，以紀(jì)念托利拆里這位著名的科學(xué)家。在數(shù)值上1托的壓力值大致與1毫米水銀柱的高度所產(chǎn)生的壓力值相等。因?yàn)榧兯y在0℃時(shí)的比重為13.5951克/厘米3，所以在一平方厘米的表面上，1毫米水銀柱所施加的力，就等于13.5951克力。這里應(yīng)當(dāng)說明的是，測量稀薄氣體狀態(tài)的量從本質(zhì)上來看，最好是采用氣體分子密度，但是這個(gè)物理量在實(shí)際應(yīng)用上是很不方便的。
不同壓力下，氣體分子碰撞到單位面積上所產(chǎn)生的力，如表1-8所示。
表1-8 不同壓力下單位面積上的作用力
| 壓力（托） |
作用力[公斤/厘米2] |
壓力（托） |
作用力[公斤/厘米2] |
| 760 |
1.03323 |
50 |
6.79755×10 -2 |
| 500 |
6.79755×10 ?1 |
10 |
1.35951×10-2 |
| 300 |
4.07853×10-1 |
5 |
6.79755×10-3 |
| 100 |
1.35951×10-1 |
1 |
1.35951×10-3 |
1.2.6 真空區(qū)域的劃分 有了度量真空度的單位，就可以定量的表示真空度的高低了。但是，在習(xí)慣上當(dāng)人們只需要定性地指出真空狀態(tài)的大致情況時(shí)，采用劃分真空區(qū)域的方法是比較方便的。
目前，劃分真空區(qū)域的方法較多，主要考慮的因素是真空在技術(shù)上的應(yīng)用特點(diǎn)、真空獲得設(shè)備和真空檢測儀表的有效適用范圍，以及真空的物理特性等幾個(gè)方面。但是，我們認(rèn)為，在真空狀態(tài)中，真空度越高，氣體狀態(tài)越稀薄，氣體分子的物理特性就逐漸發(fā)生變化，因此把氣體分子數(shù)的量變直到引起真空性質(zhì)的質(zhì)變的過程，作為劃分真空區(qū)域的依據(jù)，是比較合適的。根據(jù)我國所制訂的國標(biāo)GB3163的規(guī)定，真空區(qū)域大致劃分如下：
低真空區(qū)域 105~102 Pa （760~1托）
中真空區(qū)域 102~10-1 Pa （1~10-3托）
高真空區(qū)域 10-1~10-5 Pa （10-3~10-7托）
超高真空區(qū)域 〈10-5Pa （〈10-7托〉
處于低真空區(qū)域（包括粗真空區(qū)域）下的氣體狀態(tài)，與常壓下氣體狀態(tài)相比，只有分子數(shù)目由多變少的量的變化。在這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，由于氣體宏觀量（如密度、溫度等）在氣體空間中分布的不夠均勻，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子將把這個(gè)量由較大的地方，遷移到較小的地方去，以便最終達(dá)到均勻的分布。但是，在還沒有達(dá)到均勻分布之前的氣體狀態(tài)雖然處于變化之中，但還沒有引起質(zhì)的變化。同大氣狀態(tài)一樣，這時(shí)氣體的輸運(yùn)量仍與壓力無關(guān)。但是，盡管如此，分子數(shù)目減少這種量變過程對生產(chǎn)過程也起了極其重要的作用。例如利用一面是大氣，另一面是真空所造成的壓力差或吸引力來做為巨大的能源；把鋼水置于真空之下進(jìn)行澆注或處理，借以減少鋼中有害氣體的含量和雜質(zhì)，從而提高鋼的質(zhì)量；把食品或生物制品保存在真空容器里，借以減少有害氣體對它侵蝕而延長保存時(shí)間；如果在低真空里進(jìn)行濃縮結(jié)晶，那就可以非常方便地制取鹽、糖；如果把低壓環(huán)境下能使液體容易揮發(fā)的道理用于石油、化工，就可以通過“減壓蒸餾”來分離某些不能在高溫下操作的有機(jī)化合物。所有這此，下面我們都要介紹。
當(dāng)氣體處于高真空區(qū)域時(shí)，空間的氣體分子數(shù)已經(jīng)減少到使氣體分子之間的碰撞少于氣體分子與盛裝它的容器器壁的碰撞次數(shù)了。這就引起了真空物理的質(zhì)的變化。這種質(zhì)變首先表現(xiàn)在氣體的內(nèi)摩擦出現(xiàn)了滑動(dòng)現(xiàn)象，氣體的熱傳導(dǎo)也出現(xiàn)了溫度劇增的現(xiàn)象。與此同時(shí)，與大氣和中真空狀態(tài)下相反，壓強(qiáng)已經(jīng)與氣體的輸運(yùn)現(xiàn)象有關(guān)了。此外，在高真空區(qū)域如果氣體各部分溫度不同，還會(huì)出現(xiàn)熱流逸、熱輻射等在大氣和中真空時(shí)所沒有的新的物理性質(zhì)。在氣體的流動(dòng)性質(zhì)上也有新的區(qū)別。高真空的氣體流動(dòng)狀態(tài)是分子流，低真空則為粘滯流。由于這些特點(diǎn)，這一區(qū)域里的真空在生產(chǎn)和科學(xué)研究部門的應(yīng)用，就更為廣泛了。諸如電真空器件工業(yè)、高真空鍍膜工業(yè)；電子顯微鏡、基本粒子加速器；真空冶金工業(yè)中對稀有金屬、難熔金屬的冶煉、制取和提純；真空熱處理、真空焊接等等，都要用到高真空技術(shù)。
如果氣體的分子數(shù)目在容器內(nèi)再進(jìn)一步減少，則跨入了超高真空區(qū)域。在中真空和高真空區(qū)域里，空間的物理過程起主要作用，但在超高真空區(qū)域中，取代這個(gè)作用的是與真空接觸的物理表面上所發(fā)生的物理過程。這種變化的結(jié)果，使“真空”又一次從氣體分子數(shù)目的量變而產(chǎn)生了又一個(gè)新的質(zhì)變。這種變化表現(xiàn)在氣體分子在與真空接觸的物理表面間的吸附和脫附過程之中。研究這一過程的科學(xué)目前正在飛速地發(fā)展著，這就是表現(xiàn)物理和表現(xiàn)化學(xué)以及超細(xì)微粒的制備和應(yīng)用等方面。
1.3 不同真空狀態(tài)下的真空工藝技術(shù) 隨著氣態(tài)空間中氣體分子密度的減小，氣體的物理性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，人們基于氣體性質(zhì)的這種變化，在不同的真空狀態(tài)下應(yīng)用各種不同的工藝方法，達(dá)到各種不同的生產(chǎn)目的，就是真空應(yīng)用技術(shù)中所研究的主題。目前，可以說，從每平方厘米表面上有上百個(gè)電子元件的超大規(guī)模集成電路的制作，到幾公里長的大型加速器的運(yùn)轉(zhuǎn)，從受控核聚變到人造衛(wèi)生和航天器的宇宙飛行，直至許多民用裝飾品的生產(chǎn)，無一不與真空技術(shù)密切相關(guān)。表1-9是不同真空狀態(tài)下，根據(jù)氣體性質(zhì)的不同所引發(fā)出來的各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況。
表1-9 不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況
| 真空狀態(tài) |
氣體性質(zhì) |
應(yīng)用原理 |
應(yīng)用概況 |
低真空
105~102（Pa）
760~1（Torr） |
氣體狀態(tài)與常壓相比較，只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無氣體分子空間特性的變化，分子相互間碰撞頻繁。 |
利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力及壓差力均勻的原理實(shí)現(xiàn)真空的力學(xué)應(yīng)用 |
1、真空吸引和輸送固體、液體、膠體和微粒；
2、真空吸盤起重、真空醫(yī)療器材；
3、真空成型，復(fù)制浮雕；
4、真空過渡；
5、真空浸漬。 |
中低真空
102~10-1（Pa）
1~10-3（Torr） |
氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下，氣體分子密度較小。 |
利用氣體分子密度降低可實(shí)現(xiàn)無氧化加熱，利用氣壓降低時(shí)氣體的熱傳導(dǎo)及對流逐漸消失的原理實(shí)現(xiàn)真空隔熱和絕緣。利用壓強(qiáng)降低液體沸點(diǎn)也降低的原理實(shí)現(xiàn)真空冷凍真空干燥。 |
1、黑色金屬的真空熔煉、脫氣、澆注和熱處理。
2、真空熱扎、真空表面滲鉻；
3、真空絕緣和真空隔熱；
4、真空蒸餾藥物、油類及高分子化合物；
5、真空冷凍、真空干燥；
6、真空包裝、真空充氣包裝；
7、高速空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的低壓風(fēng)洞。 |
高真空
10-1~10-5（Pa）
10-3~10-7（Torr） |
分子間相互碰撞極少，分子與器壁間碰撞頻繁。
氣體分子密度小 |
利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學(xué)作用微弱的特點(diǎn)進(jìn)行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產(chǎn)。 |
1、稀有金屬、超純金屬和合金、半導(dǎo)體材料的真空熔煉和精制；常用結(jié)構(gòu)材料的真空還原冶金；
2、純金屬的真空蒸餾精煉；放射性同位素蒸發(fā)；
3、難熔金屬的真空燒結(jié)；
4、半導(dǎo)體材料的真空提純和晶體制備；
5、高溫金相顯微鏡及高溫材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制造；
6、真空鍍膜、離子注入、膜?刻蝕等表面改性；
7、電真空工業(yè)的光電管、離子管、電子源管、電子束管、電子衍射儀、電子顯微鏡、X光顯微鏡、各種粒子加速器、能譜儀、核輻射譜儀、中子管、氣體激光器的制造；
8、電子束除氣、電子束焊接、區(qū)域熔煉、電子束加工。 |
超高真空
＜10-5（Pa）
＜10-7（Torr） |
氣體分子密度極低與器壁碰撞的次數(shù)極少，致使表面形成單分子層的時(shí)間增長。氣態(tài)空間中只有固體本身的原子，幾乎沒有其他原子或分子的存在。 |
利用氣體分子密度極低與表現(xiàn)碰撞極少，表面形成單一分子層時(shí)間很長的原理，實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)物理與表現(xiàn)化學(xué)的研究。 |
1、可控?zé)岷司圩兊难芯浚?
2、時(shí)間基準(zhǔn)氫分子鏡的制作；
3、表面物理表面化學(xué)的研究；
4、宇宙空間環(huán)境的模擬；
5、大型同步質(zhì)子加速器的運(yùn)轉(zhuǎn)；
6、電磁懸浮式高精度陀螺儀的制作。 |
1.4 真空科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域
真空科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，目前已經(jīng)滲透到車輛、土木建筑工程、機(jī)械、包裝、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、石油、化工、食品、光學(xué)、電氣、電子、原子能、半導(dǎo)體、航空航天、低溫、專用機(jī)械、紡織、造紙、農(nóng)業(yè)、民用工業(yè)以及近年來得到迅速發(fā)展的表面科學(xué)與納米科學(xué)等工業(yè)部門和科學(xué)研究工作中。現(xiàn)就其主要的幾個(gè)部門簡述如下：
1.4.1 真空在輸運(yùn)、吸引、起吊及真空造型等設(shè)備中的應(yīng)用
真空輸運(yùn)、吸引及起吊設(shè)備，都是利用真空與大氣空間存在壓力差所產(chǎn)生的力來做功的。由于這種機(jī)械能存在著壓強(qiáng)處處均勻的特點(diǎn)，因此可絕對密實(shí)地施加工到任何形狀的平面上。目前，這些真空設(shè)備大多用在吸魚、糧食、面粉、煤粉、煙草、水泥、泥漿、紙漿、粉狀礦物、粉狀化工廠產(chǎn)品，水泥地板、預(yù)制板、機(jī)場及公路水泥路道的快速吸干、車間起吊、機(jī)床夾具，玻璃裝運(yùn)，吸乳、吸塵、人工流產(chǎn)吸引胎兒、吸痰、吸胸膜積水、膿液、吸腸以及吸引原子彈爆炸所產(chǎn)生的輻射塵埃等生產(chǎn)作業(yè)中。這些設(shè)備均具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作維護(hù)、運(yùn)輸，起吊吸引過程中無振動(dòng)，生產(chǎn)效率高，運(yùn)送易損壞物件安全可靠，對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。因此具有廣闊的應(yīng)用范圍和前景。
真空造型也是利用壓差力的一個(gè)重要方面，近年來在立體軍用地圖、盲人書籍、示數(shù)模型、高級(jí)陶瓷、混凝土予制件、電冰箱洗衣機(jī)板件、玩具、復(fù)制浮雕和文物、行波管和返波管中的細(xì)旋支住成形、質(zhì)譜儀中分析室以及微波系統(tǒng)的波導(dǎo)制作方法，都廣泛的采用了這一技術(shù)。
真空力學(xué)應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域是真空過濾和真空浸漬。目前化工、制糖、水泥等工業(yè)部門已開始大量采用的連續(xù)真空過濾，很容易將粘度大的懸浮液利用壓差力的作用，通過微細(xì)篩孔而將其懸浮液中的液體與固體分離。在染料工業(yè)中利用真空過濾法可以大量節(jié)省棉布。真空浸漬是把片狀或纖維狀的疏松物質(zhì)，進(jìn)行先抽真空，再在液體中浸漬充填一些新的物質(zhì)的一種新型工藝。這種工藝用在含油軸承、魚網(wǎng)纖維、皮革、非電解電容、變壓器、電動(dòng)機(jī)定子線圈等產(chǎn)品上已經(jīng)顯著的提高了產(chǎn)品質(zhì)量。此外，這種工藝對疏松劣質(zhì)木材進(jìn)行聚脂樹脂浸漬，對鉛筆木進(jìn)行蠟類浸漬使其改變原有的天然性能達(dá)到化劣質(zhì)為優(yōu)質(zhì)的目的，并已達(dá)到了預(yù)期的效果。
1.4.2 真空在電真空器件中的應(yīng)用 由于各種真空器件的工作原理是基于電場、磁場來控制電子在空間的運(yùn)動(dòng)借以達(dá)到放大、振蕩、顯示圖象等目的。因此，避免電子對氣體分子間的碰撞，保證電子在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，防止發(fā)射熱電子的陰極氧化中毒，把電子器件內(nèi)抽成不同電真空器件所要求的不同真空度，保證電子器件的正常工作，是絕對必要的。目前，電真空工業(yè)中所生產(chǎn)的電真空器件主要有各種電子管（整流管、發(fā)射管、收信管、調(diào)速管、行波管、磁控管、光電管等）；各種離子管（泵弧整流管、引燃管、計(jì)數(shù)管、閘流管、噪音管、雷達(dá)電線開關(guān)等）；各種電子束管（示波管、攝象管、顯象管、X光管、變象管等）；各種電光源管（照明燈、光譜燈、儀器用燈等）以及中子管、電子衍射儀、電子顯微鏡、X光顯微鏡，各種粒子加速器、質(zhì)譜儀、核輻射譜儀、氣體激光器以及利用真空中電子束進(jìn)行除氣、熔煉、區(qū)域提純、難熔金屬和介質(zhì)的熔化和鉆化，開槽切割、放射性同位素的蒸發(fā)，難熔金屬的焊接等許多方面。這些電子器件及工藝，在近代科學(xué)和近化大工業(yè)生產(chǎn)中所起的作用是不言而喻的。這里不再贅述。
1.4.3 真空在冶金工業(yè)中的應(yīng)用 在真空中對金屬及其合金進(jìn)行真空冶金范圍很廣，包括真空蒸餾、礦石及其半產(chǎn)品的真空分離，金屬化合物真空還原、鋼液爐外真空脫氣和精煉、金屬真空熔煉、真空燒結(jié)，真空熱處理、真空釬焊及真空固態(tài)接合等多種工藝方法。真空冶金工業(yè)自二十世紀(jì)五十年代發(fā)展以來，之所以得到極為廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)檎婵窄h(huán)境在冶金過程中具有一系列的特點(diǎn)所致。首先是真空環(huán)境中物質(zhì)與殘余氣體分子間的化學(xué)作用十分微弱，因此非常適宜對黑色金屬、稀有金屬、超純金屬及其合金、半導(dǎo)體材料的熔煉和精制。其次，在真空環(huán)境中可通過降低單一氣體分子的分壓強(qiáng)，達(dá)到鋼液脫氣精煉、真空碳脫氧的目的。真空環(huán)境的另一個(gè)特點(diǎn)還在于它在較低的溫度下，具有進(jìn)行一定反應(yīng)的能力，例如在同樣溫度下，有些反應(yīng)過程在大氣中則難以進(jìn)行，但是在低壓下就十分容易。這就是真空化合物分解和有色金屬冶煉的基本原理。表1-10中給出的真空冶金中，尚應(yīng)包括真空鍍膜工藝，但是由于這一領(lǐng)域，目前已成為真空表面處理技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，因此我們將在下一節(jié)中詳述。
表1-10 真空冶金的主要領(lǐng)域、工藝方法及其適用范圍
| 領(lǐng)域 |
工藝方法 |
運(yùn)用范圍 |
| 真 空 熔 煉 |
真空感應(yīng)熔煉 |
鐵鎳鈷銅鈹鈾系金屬及其合金
鈦鈹系金屬及其合金、鐵鎳鈷系高級(jí)合成鋼、鈾系合金、硅、鋯、鐵、鈮、鉑的區(qū)域精煉。 |
| 自耗電極真空電弧熔煉 |
鐵鎳鈷系高級(jí)合金鋼及低合金鋼，高級(jí)合金鎢鉬銠鉭鈦系金屬及合金。 |
| 非自耗電極真空電弧熔煉 |
鈾鈦鋯及碳化鈾熔煉 |
| 真空弧熱源在水冷銅坩堝中精煉及鑄造 |
鈦鋯鉬鈮鎢鉭及鈾等金屬合金 |
| 真空電子束熔煉同時(shí)在水冷銅坩堝中凝固成錠 |
鎢、鉬、鈮、組、鉿、鈹?shù)入y熔金屬及全金高級(jí)合金鋼、超級(jí)合金、超純金屬。 |
| 電子束熱源在水冷坩堝中皮殼精煉然后進(jìn)行離子鑄造或精密鑄造 |
鋁、鉬、鈮、鉭、鋯、鈦等，滾球軸承鋼等，高級(jí)合金鋼。 |
| 溢流法電子束多熔床熔煉及冷凝成錠 |
高純金屬、高純合金及高級(jí)合金鋼。 |
| 等離子弧熔煉 |
合金鋼及工具材料 |
| 等離子弧重熔 |
鈦及合金鋼 |
| 等離子弧感應(yīng)熔煉 |
耐熱鋼及耐熱合金 |
| 真空精煉 |
合金鋼精煉及脫氣 |
| 真空脫氣及爐外精煉 |
鋼包靜態(tài)真空脫氣 |
處理合金鋼 |
| 真空澆注 |
碳鋼合金鋼大鍛件鋼錠 |
| 倒包脫氣 |
結(jié)構(gòu)鋼 |
| 出鋼脫氣 |
與電爐組合處理各種合金鋼 |
| 出鋼脫氣加真空澆注 |
大鋼件鋼錠處理澆注 |
| 出鋼脫氣加倒包脫氣 |
各種鋼 |
| 提升處理（DH法） |
碳鋼、低合金錫、彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼電工鋼同上。 |
| 循環(huán)處理（RH法） |
同上 |
| 電磁攪拌真空脫氣 |
軸承鋼、超高強(qiáng)度鋼 |
| 真空鋼包吹氬 |
低合金鋼 |
| 真空電弧加熱脫氣 |
高合金鋼 |
| 真空吹氧脫碳精煉 |
不銹鋼及其他合金、高純鐵素體不銹鋼 |
| 電弧加熱電磁攪拌真空精煉 |
合金鋼、不銹鋼、軸承鋼。 |
| 真空吹氧精煉 |
不銹鋼 |
| 氬氧精煉 |
不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、工具鋼。 |
| 水蒸氣混氧精煉 |
不銹鋼、錳鉻鋼。 |
| 真空熱處理 |
真空退火 |
鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、工具模具鋼、鉬、鋁、鈦、鋯、鈾、銅、鈦合金。 |
| 真空氣體淬火真空高壓氣淬 |
高速鋼、馬氏體鉻鋼、冷作工具鋼、熱處工具鋼、鈦合金鑄件。 |
| 真空油淬火 |
工具鋼、高速鋇。 |
| 電子束淬火 |
活塞環(huán)槽脊、汽車凸輪軸及有關(guān)另件。 |
| 輝光離子氮化 |
鉻鋼、高速鋼、球未鑄鐵另件。 |
| 真空滲碳真空離子滲碳 |
軸鑿輪模具等另件 |
|
電子束焊接 |
難熔金屬活性金屬、耐熱鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高速鋼。 |
| 真空釬焊 |
不銹鋼、鋁和鋁合金、鈦及其合金鈹與不銹鋼、鈹-鈦、鈹-鈮、鈹-陶瓷。 |
| 真空固態(tài)接合（擴(kuò)散焊） |
鎳懸超合金，鈦合金Cu-Ni,Ti-鋼Cu-Nb、銅-鋼。 |
| 真空燒結(jié) |
真空精煉冶金 |
高純度耐熱金屬及合金，復(fù)合金屬、高磁性磁鐵、不銹鋼另件。 |
真空蒸餾
濃縮和
結(jié) 晶 |
真空蒸餾 |
有機(jī)油類、合成樹脂原料、高級(jí)酒精、高級(jí)脂肪酸、維生素A、E、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分離，鈦給鋯去掉鎂雜質(zhì)和二氧化碳。 |
| 真空濃縮 |
合成氨、合成尿素、制鹽糖、制酸、合成洗滌劑、制堿、浮制品、果汁、果醬。 |
| 真空結(jié)晶 |
氯化鉀、氯化鈉、合成尿素、合成氨。 |
1.4.4 真空在鍍膜工業(yè)中的應(yīng)用 真空鍍膜技術(shù)是真空應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要分支，它已廣泛地應(yīng)用于光學(xué)、電子學(xué)、能源開發(fā)，理化儀器、建筑機(jī)械、包裝、民用制品、表面科學(xué)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域中。真空鍍膜所采用的方法主要有蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍、束流沉積鍍以及分子束外延等。此外還有化學(xué)氣相沉積法。如果從真空鍍膜的目的是為了改變物質(zhì)表面的物理、化學(xué)性能的話，這一技術(shù)又是真空表面處理技術(shù)中的重要組成部分，其分類如表1-11所示。現(xiàn)就其幾個(gè)主要應(yīng)用方面做一簡單介紹。首先在光學(xué)方面，一塊光學(xué)玻璃或石英表面上鍍一層或幾層不同物質(zhì)的薄膜后，即可成為高反射或無反射（即增透膜）或者作任何預(yù)期比例的反射或透射材料，也可以做成對某種波長的吸收，而對另一波長的透射的濾色片。高反射膜從大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡和各種激光器開始，一直到新型建筑物的大窗鍍膜玻璃，都很需要。增透膜則大量用于照相機(jī)和電視攝象機(jī)的鏡頭上。在電子學(xué)方面真空鍍膜更占有極為重要的地位。各種規(guī)模的集成電路，包括存貯器、運(yùn)算器、高速邏輯元件等都要采用導(dǎo)電膜、絕緣膜和保護(hù)膜。作為制備電路的掩膜則用到鉻膜。磁帶、磁盤、半導(dǎo)體激光器、約瑟夫遜器件、電荷耦合器件（CCD）也都用到各種薄膜。在顯示光器件方面，錄象磁頭、高密度錄象帶以及平面顯示裝置的透明導(dǎo)電膜、攝像管光導(dǎo)膜、顯示管熒光屏的鋁襯等也都是采用真空鍍膜制備。在元件方面，在真空中蒸發(fā)鎳鉻，鉻或金屬陶瓷可以制造電阻，在塑料上蒸發(fā)鋁、一氧化硅、二氧化鈦等可以制造電容器，蒸發(fā)硒可以得到靜電復(fù)印機(jī)用的硒鼓、蒸發(fā)鈦酸鋇可以制造磁致伸縮的起聲元件等等。真空蒸發(fā)還可以用于制造超導(dǎo)膜和慣性約束聚變反應(yīng)用的微珠鍍層。此外還可對珠寶、鐘表外殼表面、紡織品金屬花紋、金絲銀絲等蒸鍍裝飾用薄膜，以及用于濺射鍍或離子鍍對刀具、模具等制造超硬膜。近兩年內(nèi)所興起的多弧離子鍍制備鈦金制品，如不銹鋼薄板、鏡面板、包柱、扶手、高檔床托架、樓梯欄桿等目前正在盛行。 表1-11 真空表面處理技術(shù)的分類
| 表面處理目的 |
處理方法 |
粒子運(yùn)動(dòng)
能 量 |
工作方式 |
| 等離子體 |
高真空 |
| 薄膜沉積（表面度增加） |
PVD |
真空蒸發(fā)鍍膜 |
0.1~1ev |
等離子熔煉輝光放電分解 |
電阻加熱蒸發(fā)
加子束蒸發(fā)
真空電弧蒸
真空感應(yīng)蒸發(fā)
真空感應(yīng)蒸發(fā)
分子束外延 |
| 真空濺射鍍膜 |
10~
100ev |
放電方式：直流、交流、高頻。
電極數(shù)止：2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)。
反應(yīng)濺射：磁控濺射、對向靶濺射。 |
離子束濺射鍍膜 |
| 真空離子鍍膜 |
數(shù)10~
500ev |
直流二級(jí)型
多陰極型
ARE型、增強(qiáng)ARE
HCD型
高頻型 |
單-離子束鍍膜
集團(tuán)離子束鍍膜 |
| CVD |
化學(xué)反應(yīng)
熱擴(kuò)散 |
等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PCVD） |
低壓等離子化學(xué)氣相沉積（LPCVD） |
| 微細(xì)加工（面厚減少 ） |
離子刻蝕 |
數(shù)百ev~
數(shù)kev |
高頻濺射刻蝕、等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕。 |
離子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、電子束刻蝕、X射線曝光。 |
| 表面改性（不改變表面厚度） |
離子注入 |
數(shù)kev~
1000kev |
活性離子沖擊離子氮化 |
離子注入 |
1.4.5 真空在食品包裝及冷凍干燥工業(yè)中的應(yīng)用 近二十年來，利用真空氣氛對食品進(jìn)行保鮮的包裝技術(shù)發(fā)展較快。因?yàn)檫@種包裝不但具有免除氧氣使食品不易腐爛變質(zhì)，貼體和充氣包裝即可不受昆蟲危害又可抑制霉菌生長，可提高和延長食品保鮮程度和存放時(shí)間等特點(diǎn)，而且包裝設(shè)備大多結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價(jià)格低廉，采用的塑料包裝材料成本低，美觀大方，易于普及。真空包裝的食品種類較多，如榨菜、大頭菜、海帶、香腸、扒雞、燒鴨、豆制品、奶粉、麥乳精等等。由于新鮮的產(chǎn)品從收獲到另售過程中所經(jīng)過的中間環(huán)節(jié)時(shí)間較長，損失嚴(yán)重，易提高銷售價(jià)格，而真空包裝工藝的推廣，將使新鮮產(chǎn)品的價(jià)格和冷藏費(fèi)用降低，從而可緩和供需之間的矛盾。因此真空保鮮必將成為潛力極大的市場而活躍在人們的生活中。
真空冷凍干燥技術(shù)最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)初，近年來發(fā)展很快。這是因?yàn)樗c通常的熱曬、熱風(fēng)干燥、紅外干燥、高頻干燥相比較具有很多優(yōu)點(diǎn)。由于冷凍的工藝過程是先將被干物料凍結(jié)，然后抽真空，使物料中已凍結(jié)成冰的水份不經(jīng)過液態(tài)而直接升華去掉。因此凍干后的制品，不但可以呈現(xiàn)多孔性狀態(tài)而保持原來的形狀，使其加水后易恢復(fù)原狀，而且低溫干燥還可以防止物料熱分解。同時(shí)由于真空氣氛下干燥的物料免除了氧化作用，因此干燥后的制品，其物理、化學(xué)和生物性能可完全不變。真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍正在逐年擴(kuò)大。具應(yīng)用實(shí)例如表1-12所示。
表1-12 真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍及實(shí)例
| 應(yīng)用范圍 |
應(yīng)用實(shí)例 |
| 生物體保存 |
血漿、細(xì)菌、動(dòng)脈、骨骼、皮膚、角膜、神經(jīng)組織 |
| 貴重或熱敏性藥物生產(chǎn) |
酶、疫苗、激素、各種抗生素 |
| 食品制作與保存 |
咖啡、海產(chǎn)品、水果、調(diào)味品 |
| 微粉末干燥 |
氨基酸、金屬粉、礦物粉 |
1.4.6 真空在航天工業(yè)中的應(yīng)用 真空科學(xué)與航天技術(shù)密切相關(guān)的主要環(huán)節(jié)來至于空間的環(huán)境模擬，因?yàn)檫\(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站、宇宙探測器以及航天飛機(jī)等各種空間飛行器，在空間飛行的過程中，都是在宇宙的自然真空中進(jìn)行的。因此他們除了直接的受到空間真空環(huán)境的影響外，還要受到太陽輻射、各種帶電粒子及溫度的影響。這些因素將造成材料性能的改變或損傷；儀器靈敏度的失靈，從而會(huì)破壞這些飛行器的工作，甚至?xí)斐捎詈絾T的傷亡。為此，在地面上建立模擬空間環(huán)境的宇宙空間模擬實(shí)驗(yàn)裝置，是非常必要的。因?yàn)橹挥性诟鞣N飛行器上天之前通過地面的模擬實(shí)驗(yàn)，掌握航天器在空間工作的條件和特性，消除飛行中的各種隱患，才能確保飛行器及宇航員的安全。為了滿足這些要求，目前地面上建立起的各種模擬裝置較多。表1-13給出了幾種主要模擬裝置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其對真空度的要求，供讀者參考。
表1-13 宇宙空間模擬設(shè)備的分類、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)用真空度
| 分類 |
模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 |
實(shí)用真空度（Pa） |
| 火箭發(fā)動(dòng)機(jī) |
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)空間點(diǎn)火，再起動(dòng)、熱平衡發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量、全尺寸燃燒，羽流效應(yīng)燃料在真空中性質(zhì)，太陽譜模擬，飛行器振動(dòng)。 |
10-1~10-8 |
| 宇航員訓(xùn)練密封艙 |
空間環(huán)境適應(yīng)性（失重，生理變化，生活規(guī)律等）
飛行事故處理能力，宇航服性能，宇宙醫(yī)學(xué)研究。 |
102~1 |
| 離子推力器 |
離子推力器封命及性能 |
10-4~10-5 |
| 材料及元件 |
溫控材料、太陽能電池，飛船添隔熱材料，耐高溫材料，潤滑材料，光學(xué)斑，消旋軸承。 |
10-1~10-6 |
| 熱真空實(shí)驗(yàn) |
衛(wèi)生飛船的部件及整體性能 |
10-4~10-5 |
| 衛(wèi)星表面帶電模擬 |
為了防止衛(wèi)星、飛航表面介質(zhì)產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，影響衛(wèi)星正常工作，為研究材料進(jìn)行充電、放電及防護(hù)而要求衛(wèi)生表面帶電模擬實(shí)驗(yàn)。 |
10-3~10-5 |
1.4.7 真空在加速器及受控核聚變中的應(yīng)用 加速器是對粒子加速使被加速的粒子獲得高能源的裝置，在加速器中能夠產(chǎn)生各種能量的電子、質(zhì)子、氚、α粒子及其它重離子。利用這些粒子與物質(zhì)的相互作用，還可以產(chǎn)生各種帶電和不帶電的次級(jí)粒子，如γ粒子、中子、多種介子、超子、反粒子等。加速器產(chǎn)生的粒子和射線已經(jīng)用于核物理的研究以及醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)食品等部門。
為確保粒子與殘余氣體分子不發(fā)生碰撞散射現(xiàn)象，真空度必須達(dá)到保證粒子直線運(yùn)動(dòng)的要求，否則不但會(huì)引起束流損失或粒子達(dá)不到高的能量，而且與易發(fā)生真空絕緣不夠?qū)е录铀倨鲹舸�，使加速器不能處于正常工作狀態(tài)。表1-14是各種加速器的分類及它們所要求的真空度。
表1-14 加速器的類型及其真空度范圍
| 加速器類型 |
真空度范圍（Pa） |
| 靜電加速器 |
1.3×10-3 ~ 1.3×10-4 |
| 直線加速器 |
1.3×10-3 ~ 1.3×10-6 |
| 回旋加速器 |
1.3×10-4 ~ 1.3×10-6 |
| 電子?正電子貯存環(huán)（意大利） |
1.3×10-7 |
| 質(zhì)子貯存環(huán)（歐洲聯(lián)合原子核研究中心） |
1.3×10-9 |
| 高義環(huán)超導(dǎo)貯存加速器（美國） |
1.3×10-10 |
隨著地球上石油儲(chǔ)量的逐漸減少及大量能源消耗中所引起的環(huán)境污染，新能源的開發(fā)已經(jīng)提到日程，其中受控核聚變所產(chǎn)生的巨大利用，就是最理想的一種。
目前，在這種新能源的開發(fā)上主要有兩種，一種是利用重原子核裂變?yōu)閮蓚�(gè)輕原子核。 在其裂變反應(yīng)過程中所釋放出來的巨大的能量來發(fā)電，建立原子能發(fā)電站；另一種是利用兩個(gè)輕原子（如氘、氚）聚合成一個(gè)重原子核能釋放出來的巨大能量，這就是核聚變反應(yīng)。利用這種反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，必須對反應(yīng)過程加以控制，因此稱為受控核聚變。由于這種聚變的原料氘和氚的來源可以從取之不盡的海水中提取，因此它的發(fā)展前途是不言而喻的。
核聚變反應(yīng)要求的溫度很高，約為2億度，這樣高的溫度，只有像太陽那樣的恒星內(nèi)部才能達(dá)到。在聚變反應(yīng)中，如果氘、氚中含有雜質(zhì)，這種超高溫是很難達(dá)到的。因此將核聚變裝置中抽到十分清潔的超高真空是必不可缺少的條件。通常要求的真空度在10-7~10?9Pa范圍內(nèi)。
1.4.8 真空在表面科學(xué)研究中的應(yīng)用 近年來表面科學(xué)的研究十分活躍，這是因?yàn)楹芏辔锢�、化學(xué)過程（如催化、腐蝕等）大都發(fā)生在固體的表面，因此考察和研究固體表面和固體內(nèi)部的不同點(diǎn)，就顯得十分必要。
所謂表面，實(shí)際上就是氣體與固體之間的界面。甚至包括其過渡區(qū)域。如前所述，由于地球表面上的任何物體都被大氣所包圍，要想研究真正的表面，尋求一個(gè)毫無污染源的環(huán)境，是相當(dāng)困難的。但是，隨著近代超高真空技術(shù)的飛躍發(fā)展，為解決這一問題提供了良好的條件。雖然在超高真空環(huán)境中所獲得的清潔表面仍然會(huì)通過吸附的方式被真空室內(nèi)殘余的氣體所污染，得不到絕對清潔的表面，但是通過提高真空室內(nèi)的真空度，延續(xù)清潔表面被逐漸污染的時(shí)間，是可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)真空室真空度達(dá)到10-7Pa的超高真空時(shí)，在固體表面吸附一個(gè)原子或分子層厚度時(shí)，氣體所需要的時(shí)間大約為60分鐘。時(shí)間雖然較短，但是充分利用這段時(shí)間通過多種表面儀器對實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行表面的研究和測試，是完全可能的。可見，做為表面科學(xué)研究的手段，研制表面科學(xué)實(shí)驗(yàn)所用的各種表面儀器及有關(guān)裝置是真空應(yīng)用領(lǐng)域中一項(xiàng)必不可缺的組成部分。表1-15是由中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司所研制生產(chǎn)的幾種表面儀器。
表1-15 幾種表面儀器的主要技術(shù)指標(biāo)與用途
| 型號(hào)及名稱 |
主要技術(shù)指標(biāo) |
用 途 |
FW-4型
分子束外延設(shè)備 |
極限真空：7×10-9Pa
分子束源：8個(gè)獨(dú)立式束源爐
最大容量：40cm3
溫控：1250℃±0.5℃
襯底尺寸：φ75mm
溫控900℃
配套儀器：高能電子衍射儀（HEED）、四極質(zhì)譜儀（QMS）、外延生長系統(tǒng)、分析予處理系統(tǒng)、樣品引進(jìn)系統(tǒng)、外延生長工藝過程微機(jī)控制。 |
應(yīng)用于研究和確定晶體生長機(jī)理，開展表面物理研究，生長各種半導(dǎo)體材料，可精確控制外延薄膜的厚度、成份和摻雜組分，制備各種組分要求和平坦表面及陡峭的分界面和非常薄的薄膜，可做外延生長時(shí)的原位分析。 |
NP-2型
光電能譜儀 |
極限真空：10-8Pa
靈敏度：2×10-5
信背比：20：1
分辨率：1.0ev |
用于表面和界面組分鑒定價(jià)態(tài)分析。
廣泛應(yīng)用于表面物理、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、金屬材料、新材料、半導(dǎo)體摩擦、腐蝕、薄膜等科研領(lǐng)域。 |
SKL-12型
多功能電子能譜儀 |
極限真空：7×10-8Pa
分辨率：2~3A
放大率：6×105 |
用于表面和界面組份和價(jià)態(tài)分析，廣泛用于表面物理、化學(xué)研究、金屬材料、各種新材料、金屬腐蝕和摩擦、薄膜和科研等生產(chǎn)領(lǐng)域。 |
CH-Ⅳ型
場離子顯微鏡 |
極限真空：7×10-8Pa
分辨率：2~3A
放大率：6×105 |
用于晶格缺陷、晶界偏析、吸附現(xiàn)象、擴(kuò)散遷移、表面反應(yīng)、合金結(jié)構(gòu)、放射線損傷研究，能直接分辨并分析樣品表面上的單個(gè)原子。 |
1.4.9 真空在納米科學(xué)研究中的應(yīng)用 納米科學(xué)與技術(shù)研究的對象，是結(jié)構(gòu)尺寸在0.1~100nm范圍內(nèi)物質(zhì)的性質(zhì)和應(yīng)用。在納米尺寸下，由于物質(zhì)出現(xiàn)了許多新的規(guī)律和特性，如物理、化學(xué)中的量子效應(yīng)，生物學(xué)中的基因轉(zhuǎn)化、剪裁、對接、電子學(xué)中的統(tǒng)計(jì)漲落特性，機(jī)械學(xué)中微小摩擦的新規(guī)律等都會(huì)逐一的凸現(xiàn)出來。因此，崛起于20世紀(jì)90年代的這門新學(xué)科，問世后發(fā)展十分迅速。由于物質(zhì)的最小單元是原子，氫原子的直徑為0.1nm，一般的金屬原子直徑為0.3~0.4nm，即一個(gè)納米大體相當(dāng)于4個(gè)原子的直徑，可見納米科學(xué)中所研究的問題，實(shí)際上就是研究單獨(dú)原子或分子的問題。因此，為研究這一領(lǐng)域提供一個(gè)良好的清潔環(huán)境，是十分必要的，這就是大多數(shù)納米粒子在制備與應(yīng)用研究中應(yīng)采用真空技
