人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。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。而欧州到十六世纪才发明这种设备。中国晋朝炼丹家和医生葛洪 (公元218 ～ 3l6年)在“肘后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、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。这种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。因为在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。即相当于在罐中获得6 × 10⁴Pa的低压。至于葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。不过在我国“天工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人类在早期发展真空技术所做出的贡献。
二 、 真空及其应用
1、真空的含义及特点
    在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，主要有如下几个基本特点：
    （ 1 ）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为 10135N/m²，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。不同压强下单位面积上的作用力，如表 1 所示。
    （ 2 ）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。表 2 给出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。

压力 (Pa)	作用力 (kg/cm2 )	压力 (Pa)	作用力 (kg/cm2 )
105	1．03328	5 × 103	6.79755 × 10-2
5 × 104	6.79755 × 10-1	1 × 103	1.35951 × 10-2
3 × 104	4.07853 × 10-1	5 × 102	6.79755 × 10-3
1 × 104	1.35951 × 10-1	1 × 102	1.35951 × 10-3

大气压力 (Pa)	平均自由程 (cm)	大气 压力 (Pa)	平均自由程 (cm)
105	6.5 × 10-6	1 × 10-3	5 × 102
103	5 × 10-4	1 × 10-6	5 × 10-5
102	5 × 10-3	1 × 10-9	5 × 108
1 × 10-1	5 × 106	1 × 10-4	5 × 1013

成分	分子量	容积百分比	重量百分比	分压强（托）
N2（氮）	28.0134	7.084	75.520	593.44
O2（氧）	31.9988	20.948	23.142	159.20
Ar （氩）	39.984	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 × 10-9	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（氢）	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）	44.0128	5 × 10-5	8 × 10-4	4 × 10-3
O3 （臭氧）	47.9982	夏： 0~7 × 10-6	0~1 × 10-5	0~5 × 10-5*
		冬： 0~2 × 10-6	0~0.3 × 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）	46.055	0~2 × 10-6	0~3 × 10-6	90~1.5 × 10-5*
NH3 （氨）	17.03061	0~ 痕迹量	0~ 痕迹量	0~ 痕迹量
CO （一氧化碳）	28.01055	0~ 痕迹量	0~ 痕迹量	0~ 痕迹量
I2 （碘）	253.8088	0~1 × 10-6	0~9 × 10-5	0~8 × 10*6*

    * 表示随时间、地点而变化的值
2 、不同 真空状态下的真空工艺技术
    随着气态空间中气体分子 密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基 于气体性质的这一变化，在不同的 真空状态下、应用各种不同的真空工艺、达到为生产及科学研究服务的目的 。 目前 ， 可以说 ， 从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成 电路的制造，到几公里长的大型加 速器的运转，从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫 星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。不同真空状态下 所引发出来的各种真空 工艺技术的应用概况如表 4 所示。

真空状态	气体性质	应用原理	应用概况
粗真空 105 ~103（Pa） 760~10（Torr）	气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化．分子相互间碰撞频繁	利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用	1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒； 2. 真空吸盘起重、真空医疗器械； 3. 真空成型，复制浮雕； 4. 真空过滤； 5. 真空浸渍。
低真空 103 ~10-1（Pa） 10~10-3（Torr）	气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小	利用气体分子密度降低可实现无氧化加热利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘 利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥	1. 黑色金属的真空熔 炼 ， 脱气 、 浇铸和热处理 2. 真空热轧、真空表面渗铬； 3. 真空绝缘和真空隔热； 4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物； 5. 真空冷冻、真空干燥； 6. 真空包装、真空充气包装； 7. 高速空气动力学实验中的低压风洞
高真空 10-1 ~10-6（Pa） 10-3~10-8 （ Torr ）	分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁 气体分子密度小	利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产	1. 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金； 2. 纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发； 3. 难熔金疆的真空烧结； 4. 半导体材料的真空提纯和晶体制备； 5. 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造； 6. 真空镀膜，离子注入．膜一刻蚀等表面改性； 7. 电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造； 8. 电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束加
超高真空 10-1 ~10-6（Pa） 10-1~10-8（Torr）	气体分子密度摄低与器壁磋撞的次敌极少致使表面形成单分子层的时间增长 气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。	利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究	1. 可控热核聚变的研究； 2. 时间基准氢分子镜的制作； 3 ．表面物理表面化学的研究； 4. 宇宙空间环境的模拟； 5. 大型同步质子加速器的运转； 6. 电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

三、真空科学的应用领域

领域	工艺方法	运用范围
真 空 熔 炼	真空感应熔炼	铁镍钴铜铍铀系金属及其合金 钛铍系金属及其合金、铁镍钴系高级合金钢、铀系合金、硅、锆、铁、铌、铂的区域精炼
	自耗电极真空弧熔炼	铁镍钴系高级合金钢及低合金钢，高级合金钨铝铑钽钛系金属及其合金
	非 耗电极真空电弧熔炼	铀钛锆及碳化铀熔炼
	真空弧热源在水冷铜坩埚中精炼及铸造	钛锆钼铌钨钽及铀等金属合金
	真空电子束熔炼同时在水冷铜坩埚中凝固成锭	钨、钼、铌、钽、铪、铍等尔难熔金属及全金高级合金钢、超级合金、起纯金属
	电子束热源在水冷 铜坩埚中皮壳精练然后进行离子铸造或精密铸造	铝、钼、铌、钽、锆、钛等，滚球轴承钢等，高级合金钢
	溢流法电子束多重熔床熔炼及冷凝成锭	高纯金属、高纯合金及高级合金钢
	等离子弧熔炼	合金钢及工具材料
	等离子弧重熔	钛及合金钢
	等离子弧感应熔炼	耐热钢及耐热合金
	真空精练	合金钢精练及脱气
真 空 脱 气 及 炉 外 精 炼	钢包静态真空脱气	处理合金钢
	真空浇注	碳钢合金钢大锻件钢锭
	倒包脱气	结构钢
	出钢脱气	与电炉组合处理各种合金钢
	出钢脱气加真空浇注	大钢件钢锭处理浇注
	出钢脱气加例包脱气	各种钢
	提升处理（ DH 法）	碳钢、低合金锡、弹簧钢、轴承钢、不锈钢电工钢
	循环处理（ RH 法）	同上
	电磁搅拌真空脱气	轴承钢、超高强度钢
	真空钢包吹氩	低合金钢
	真空电弧加热脱气	高合金钢
	真空吹氧脱碳精练	不锈钢及其他合金、高纯铁素体不锈钢
	电弧加热电磁搅拌真空精炼	合金钢、不锈钢、轴承钢
	真空吹氧精炼	不锈钢
	氩氧精炼	不锈钢、结构钢、轴承钢、工具钢
	水蒸气混氧精炼	不锈钢、猛铬钢
真 空 热 处 理	真空退火	铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、工具模具钢、钼、铝、钛、锆、铀、铜、钛合金
	真空气体淬火真空高压气淬	高速钢、马氏体铬钢、冷作工具钢、热处工具钢、钛合金铸件
	真空油淬火	工具钢、高速钡
	电子束淬火	活塞环槽脊、汽车凸轮轴及有关零件
	辉光离子氮化	铬钢、高速钢、球未铸铁零件
	真空渗碳真空离子渗碳	轴凿轮模具等零件
真 空 接 合	电子束焊接	难熔金属活性金属、耐热钢、不锈钢、弹簧钢、高速钢
	真空钎焊	不锈钢、铝和铝合金、钛及其合金铍与不锈钢、铍 - 钛、铍 - 铌、铍 - 陶瓷
	真空固态结合（扩散焊）	镍悬超合金，钛合金 Cu-Ni ， Ti- 钢 Cu-Nb 、铜 - 钢
真空烧结	真空精类冶金	高纯度耐热金属及合金，复合金属、高磁性磁铁、不锈钢零件
真空蒸馏浓缩和结晶	真空蒸馏	有机油类、合成树脂原料、高级酒精、高级脂肪酸、维生素 A 、 E 、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分离、钛给锆去掉镁杂质和二氧化碳
	真空浓缩	合成氨、合成尿素、制盐糖、制酸、合成洗涤剂、制碱、浮制品、果汁、果酱
	真空结晶	氯化钾、氯化钠、合成尿素、合成氨

4 、真空在镀膜工业中的应用
    真空镀膜技术是真空应用技术的一个重要分支，它已广泛地应用于光学、电子学、能源开发，理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学以及科学研究等领域中。真空镀膜所采用的方法主要有蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流沉积镀以及分子束外延等。此外还有化学气相沉积法。如果从真空镀膜的目的是为了改变物质表面的物理、化学性能的话，这一技术又是真空表面处理技术中的重要组成部分，其分类如表 6 所示。现就其几个主要应用方面做一简单介绍。首先在光学方面，一块光学玻璃或石英表面上镀一层或几层不同物质的薄膜后，即可成为高反射或无反射（即增透膜）或者作任何预期比例的反射或透射材料，也可以作成对某种波长的吸收，而对另一种波长的透射的滤色片。高反射膜从大口径的天文望远镜和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜茉莉，都很需要。增透膜则大量用于照相和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜玻璃，都很需要。增透膜则大量用于照相机和电视摄象机的镜头上。在电子学方面真空镀膜更占有极为重要的地位。各种规模的继承电路。包括存贮器、运算器、告诉逻辑元件等都要采用导电膜、绝缘膜和保护膜。作为制备电路的掩膜则用到铬膜。磁带、磁盘、半导体激光器，约瑟夫逊器件、电荷耦合器件（ CCD ）也都甬道各种薄膜。在显示器件方面，录象磁头、高密度录象带以及平面显示装置的透明导电膜、摄像管光导膜、显示管荧光屏的铝衬等也都是采用真空镀膜法制备。在元件方面，在真空中蒸发镍铬，铬或金属陶瓷可以制造电阻，在塑料上蒸发铝、一氧化硅、二氧化钛等可以制造电容器，蒸发硒可以得到静电复印机用的硒鼓、蒸发钛酸钡可以制造磁致伸缩的起声元件等等。真空蒸发还可以用于制造超导膜和惯性约束巨变反应用的微珠镀层。此外还可以对珠宝、钟表外壳表面、纺织品金属花纹、金丝银丝线等蒸镀装饰用薄膜，以及采用溅射镀或离子镀对刀具、模具等制造超硬膜。近两年内所兴起的多弧离子镀制备钛金制品，如不锈钢薄板、镜面板、包柱、扶手、高档床托架、楼梯栏杆等目前正在盛行。

表面处理目的	处理方法		粒子运动能量	工作方式
				等离子体	高真空
薄膜沉积（表面厚度增加）	PVD	真空蒸发镀膜	0.1~1ev	等离子熔射辉光放电分解	电阻加热蒸发 加子束蒸发 真空电弧蒸发 真空感应蒸发 分子束外延
		蔗农溅射镀膜	10~100ev	放电方式：直流、交流、高频 电极数值： 2 级、 3 级、 4 级 反应溅射、磁控溅射、对向靶溅射	离子束溅射镀膜
		真空离子镀膜	数 10~5000ev	直流二级型 多阴极型 ARE 型、增强 ARE HCD 型 高频型	单一离子束镀膜 集团离子束镀膜
	CVD		化学反应热扩散	等离子增强化学气和沉积（ PCVD ）	低压等离子化学气相沉积 （ LPCVD ）
微细加工（表面厚度减少）	离子刻蚀		数百 ev~ 数 kev	高频溅射刻蚀 等离子刻蚀 反应离子刻蚀	离子束刻蚀 反应离子束刻蚀 电子束刻蚀 X 射线曝光
表面改性（不改变表面厚度）	离子注入		数 kev~1000kec	活性离子冲击离子氮化	离子注入

5 ．真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用

应用范围	应用实例
生物体保存	血浆、细菌、动脉、骨骼、皮肤'、角膜、神经组织
贵重或热敏性药物生产	酶、疫苗、激素、各种抗生素
食品制作与保存	咖啡、海产品、水果、调味品
微粉末干燥	氨基酸、金属粉、矿物粉

6 ．真空在航天工业中的应用

分类	模拟实验内容	实用真空度 (Pa)
火箭发动机	火箭发动机空间点火。再起动、热平衡发动机推力测量、全尺寸燃烧，羽流效应燃料在真空中性质，太阳谱模拟，飞行器振动	10 -1 ~10-8
宇航员训练密封舱	空间环境适应性 ( 失重，生理变化，生活规律等 ) 飞行事故处理能力．宇航服性能，宇宙医学研究	10 2 ~1
离子推力器	离子推力器封命及性能	10-4 ~10-5
材料及元件	温控材料，太阳能电池，飞船添隔热材料，耐高温材料，润滑材料，光学斑，消旋轴承	10-1 ~10-6
热真空实验	卫生飞船的部件及整体性能	10-4 ~10-5
卫星表面带电模拟	为了防止卫星、飞航表面介质产生不均匀现象，影响卫星正常工作，为研究材料进行充电，放电及防护而要求卫生表面带电模拟实验	10-3 ~10-5

7 ．真空在加速器及受控核聚变中的应用

加速器类型	真空度范围（ Pa ）
静电加速器	1.3 × 10-3~1.3 × 10-4
直线加速器	1.3 × 10-3 ~1.3 × 10-6
回旋加速器	1.3 × 10-4 ~1.3 × 10-4
电子 - 正电子贮存环（意大利）	1.3 × 10-7
质子贮存环（欧美联合原子核研究中心）	1.3 × 10-9
高义环超导贮存加速器（美国）	1.3 × 10-10