真空技术概述

在真空科学与技术中，“真空”词被理解为低于一个标准大气压的气体状态。这种状态同正常的大气状态相比较，气体较为稀薄，即单位体积内的分子数目较少，分子之间或分子与其它粒子（如电子、离子）之间的碰撞几率减少，分子在单位时间内碰撞于单位表面积（如器壁）上的次数也相对减少。这些是“真空”的主要特性。真空常用帕斯卡（Pa）或托尔（Torr）作为压力的单位（1 Torr = 133.3 Pa）。在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。

真空技术专业名词解释

1. 标准大气压

在重力加速度为980.665cm/s²，水银温度为0℃，密度为13.5951g/cm³的条件下，760mm高的汞柱产生的压力，称为标准大气压。一个标准大气压的值为：

2. 真空度

表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值来表示。

3. 真空区域划分

低真空：1E5Pa～1E2Pa

中真空：1E2Pa～1E-1Pa

高真空：1E-1Pa～1E-5Pa

超高真空：1E-5Pa～1E-9Pa

极高真空：低于1E-9Pa

4. 全压力

混合气体中所有组分压力的总和。

5. 分压力

混合气体中某一组分的压力。

6. 平均自由程

一个分子与其它气体分子每连续两次碰撞之间的平均路程，叫平均自由程。平均自由程与压力、温度及分子直径等因素有关。对于室温下的空气，平均自由程近似值由下式给出：

式中λ —平均自由程，m；p —气体压力，Pa。

7. 粘滞流

气体分子的平均自由程远小于导管最小截面尺寸的流态。因此，流动取决于气体的粘滞性，粘滞流可以是层流或滞流。

8. 分子流

气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态。

9. 中间流

在粘滞流和分子流之间状态下气体通过导管的流动。

10. 流量

在给定时间间隔内通过某一截面的气体量除以该时间。

11. 吸附

固体或液体对气体或蒸气的捕集现象。

12. 解吸

被材料吸附的气体或蒸气的释放现象。

13. 去气

气体从材料中人为的解吸。

14. 放气

气体从材料中自然的解吸。

15. 渗透

气体通过固体阻挡层的现象。

注：只列出常用真空技术术语，如果需要其它术语的解释，请查阅真空标准GB/T3163-2007。

真空环境的获得

真空环境是很多精密设备运转的前提条件，由于目前自然真空的利用十分困难，因此一般通过真空泵获取真空环境。用来获得、改善、维持真空的装置称为真空泵。一般来说，为了获得高真空、超高真空及极高真空，有时还要采用多台真空泵构成机组来完成抽气任务。因此，了解各种真空泵的工作原理、主要性能、结构特点等，对于正确选择经济适用的真空泵是非常重要的。

最常用的真空泵就是机械泵，它通过转子旋转，将空气从吸气口吸入，然后从出气口排出。机械泵能够达到的真空度大概为1Pa。但是这样的真空度还远远达不到很多物理实验的要求，所以更高要求的真空环境就需要用到涡轮分子泵或磁悬浮分子泵来获得。涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。由于涡轮分子泵需要在粗真空下才能正常工作，一般利用机械泵作为其前级泵。分子泵进入正常转速后利用烘烤的手段可得到1E-8Pa的极限压力。

分子泵的高转速也使得其十分“脆弱”，一粒灰尘甚至气体本身都会对运转中的叶片造成巨大的伤害。并且只要分子泵在启动状态，前级机械泵就需要一直维持运转。启动和关闭都要严格遵循程序，否则就可能造成“机毁泵亡”。

影响真空环境的因素

真空环境的获得比较困难，尤其是超高真空环境，其中主要的影响因素有以下几点：

1. 部件生产过程中，其表面不可避免的会附着金属碎屑和灰尘，因此在进行抽空作业前，必须对部件表面进行清洁，以保证环境尽快达到所需要求。

2. 在温度和压力的作用下，所有物质都可以通过冷凝和蒸发在固液气三种状态下变化，因此物质的聚集状态对真空环境的影响巨大。

3. 吸附在部件表面的气体在真空环境下会被解吸，之后逸到真空环境中，影响真空系统、另外真空系统通常由不同的密封件连接在一起，由于密封质量的不同，因此整体的漏率对真空环境影响较大。

4. 为了获得高质量的真空环境，在操作过程中，可使用烘烤的方法增加气体的解吸和扩散，以便设备能更多的抽出金属中逸出的气体。

5. 由于解吸过程缓慢，为了防止冷凝蒸汽（如水蒸气和其他可冷凝物）吸附在真空室内壁上，造成避免不必要的污染，应该使用干燥的氮气代替空气对真空室进行排气。

真空的测量

真空度测量指的是对低于大气压的气体全压的测量。因此，真空计是测量真空系统中低于大气压的所有气体总压的仪器。以下是一些常见的真空计：

1. 薄膜真空计：该装置中用金属弹性薄膜把规管分隔成两个小室，一侧接被测系统，另一侧作为参考压力室，当被测系统压力变化时薄膜随之变形，利用变形量来测量压力。将变形量转换为电容的变化用电学方法来测量的薄膜真空计称为电容薄膜真空计。电容薄膜真空计的压力测量范围与膜片的厚度、直径、材料等有关，其测量范围为1E-3Pa～1E6Pa。

2. 电阻真空计：其利用在不同气体压力下测量电阻元件阻值变化来确定真空度。中科科仪的KYP-101型变送器的测量范围为1E5Pa～1E-1Pa，具有空间小、温度补偿快、真空测量稳定等优点。

图1. KYP-101型单电阻变送器

3. 电离真空计：通过待测气体在控制条件下电离所产生的离子流来测定压力的一种真空计。其具有反应迅速，可连续读数，可测量很低压力，普通型的电离计可测量到5E-6Pa，改进后制成的超高真空电离计可测量到1E-11Pa。但是电离真空计的灵敏度与气体种类有关，没有专门的保护线路，一旦真空系统突然泄漏，规管灯丝往往立即烧毁。

氦质谱检漏技术

真空系统是由真空泵、阀门、导管等各种元件通过不同形式组成的，这些各式各样的零件要用不同的密封方法链接在一起，既要保证零件的可靠连接又要防止通过接头发生漏气，因此当真空容器和真空系统确定之后，检漏工作通常是关键的。氦质谱检漏技术已成为迄今为止最灵敏、最有效、最方便也是应用最广的检漏手段，其检漏效率高，简便易操作，仪器反应灵敏，精度高，不易受其他气体的干扰。中科科仪KYKY系列氦质谱检漏仪性能稳定，操作方便，可靠性高，其中ZQJ-3000型氦质谱检漏仪最小可检漏率为5E-13Pa∙m³/s。

图2. ZQJ-3000型氦质谱检漏仪

真空的应用

真空对人类主要的贡献有两点：对基础研究来说，提供了最清洁和最少受外界干扰的实验环境；对工业生产来说，则可以制造性能最优越、甚至自然界前所未有的材料。随着真空技术在航空航天和军工、光伏发电以及半导体等领域的应用，它已经成为工业体系不可或缺的重要技术。目前真空技术受到世界各国的重视，真空腔体、技术、材料、配件等有着广阔的市场前景。高真空度真空腔体消费群体由下游企业构成，高真空度真空腔体主要运用于半导体制造、太阳能装备制造、光纤制造、食品机械、真空镀膜设备、医疗设备等行业。

中科科仪分子泵有着优异的抽气能力，并且有一系列的产品可以满足不同客户对真空环境的需求，随着市场的扩大，我们开发的脚步也从未停止。

参考文献

[1] 刘玉魁.真空工程设计[M].北京:化学工业出版社,2016.

[2] GB/T3163-2007,真空技术术语[S].

--部分资源来源于网络，侵权即删。