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。 |
表 1 不同压力下单位面积上的作用力
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 |
表 2 常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系
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 × 100 | 1 × 10-4 | 5 × 1013 |
(3) 真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量 ( 也包括水分的含量 ) 也将相对减少。表 3 给出了标准大气的成份。
表 1 标准大气的成分
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
真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用，这一点我们将在下节中详述。
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。
表 4 不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况 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。 |
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