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1、真空技术的历史回顾与近代发展真空技术的历史回顾与近代发展一一.前言前言 二二.经典真空技术及其应用的历史回顾经典真空技术及其应用的历史回顾 三三.真空实用技术及其应用真空实用技术及其应用 四四.真空技术的近代发展真空技术的近代发展 第1页/共79页“真空技术真空技术”作为独立的学科体系，始于作为独立的学科体系，始于1919世纪末世纪末2020世纪初。世纪初。2020世世纪中期，随着电子器件、原子能、航天技术对真空条件的需求，推纪中期，随着电子器件、原子能、航天技术对真空条件的需求，推动了真空技术的长足进步。动了真空技术的长足进步。前 言真空技术的开创与发展一一.前言前言第2页/共79页我国在我
2、国在2020世纪世纪6060年代初，把真空技术作为极端技术（高压、真空、年代初，把真空技术作为极端技术（高压、真空、高温、低温）之一，受到国家的高度重视。高温、低温）之一，受到国家的高度重视。前 言我国的真空技术我国的真空技术第3页/共79页我我校校的的“真真空空技技术术及及设设备备”专专业业正正是是在在这这种种情情况况下下，于于19581958年年诞诞生生的的，19621962年年有有了了第第一一届届毕毕业业生生。19791979年年成成立立中中国国真真空空学学会会。19831983年年中中国国真真空空学学会会作作为为中中国国唯唯一一的的会会员员单单位位加加入入了了国国际际真真空空科科学学技
3、技术术与与应用协会（应用协会（IUVSTAIUVSTA）。）。前 言第4页/共79页传传统统的的真真空空技技术术主主要要包包括括：真真空空的的获获得得、检检测测以以及及真真空空系系统统的的配配置置等等。它成为配合许多学科创新的条件和手段。它成为配合许多学科创新的条件和手段。现现代代科科学学技技术术的的相相互互交交叉叉渗渗透透，极极大大地地丰丰富富了了真真空空技技术术的的内内涵涵。尤尤其其是是超超高高真真空空、超超清清洁洁表表面面的的出出现现，揭揭示示了了自自然然界界中中许许多多新新的的现现象象和和规规律律，纳米科技就是一例。纳米科技就是一例。前 言第5页/共79页 前 言o根根据据IUVSTA
4、IUVSTA的的划划分分，现现代代真真空空技技术术的的分分支支学学科科包包括括：经经典典的的真真空空技技术术（真真空空获获得得、检检测测、系系统统及及其其常常规规应应用用），真真空空冶冶金金及及表表面面工工程程，等等离离子子体体科科学学与与技技术术，薄薄膜膜，电电子子材材料料及及加加工工工工艺艺，表表面面科科学学，应应用用表表面面科科学学，纳纳米米科科学学与与技技术术（见见图图1.11.1）。目目前前我我国国真真空空学学会会也也是是按按此此分分支支设设置置专专业业委员会的。委员会的。o因因此此，真真空空技技术术不不仅仅为为现现代代许许多多科科技技所所需需要要，而而且且在在更更深深层层次次的的物
5、物理理学学研研究究中中也也是是一个非常重要的物理范畴。一个非常重要的物理范畴。第6页/共79页 前 言图1.1 现代真空技术第7页/共79页二二.经典真空技术及其应用的历史回经典真空技术及其应用的历史回顾顾 1.1.何谓真空何谓真空 2.2.真空技术的发展历史真空技术的发展历史 经典真空技术及其应用的历史回顾第8页/共79页1.1.何谓真空何谓真空所所谓谓的的真真空空，一一种种是是物物理理学学上上的的“真真空空”，没没有有或或者者不不计计气气体体分分子子和和原原子子存存在在的的物物理理空空间间，仅仅存存在在各各种种能能量量粒粒子子的的场场空空间间；另另一一种种是是应应用用物物理理与与技技术术所
6、所讨讨论论的的“真真空空”，指指低低于于一一个个大大气气压压力力的的稀稀薄薄气气体体的的空空间状态。间状态。“真空真空”一词来自拉丁语一词来自拉丁语“VacuumVacuum”，原意是，原意是“空虚空虚”。真空的定义真空的定义经典真空技术及其应用的历史回顾第9页/共79页地地球球上上存存在在着着自自然然状状态态的的真真空空。包包围围地地球球的的大大气气层层、受受地地心心引引力力（空空气分子重力）的作用，离地面越高、空气越稀薄。气分子重力）的作用，离地面越高、空气越稀薄。经典真空技术及其应用的历史回顾第10页/共79页通通常常衡衡量量气气体体稀稀密密程程度度的的物物理理量量是是压压力力，因因为为
7、气气体体分分子子处处于于无无规规则则的的热热运运动动之之中中，与与物物体体碰碰撞撞时时会会产产生生压压力力。气气体体分分子子密密度度越越大大，气气体体压压力力也也越大。越大。在在海海洋洋平平面面上上，气气体体产产生生的的压压力力值值为为101325Pa101325Pa，约约10105 5PaPa，此此值值称称为为标标准准大大气气压压。而而珠珠峰峰顶顶处处的的大大气气压压力力只只有有32000Pa32000Pa。为为海海平平面面处处压压力力的的三三分之一左右。分之一左右。经典真空技术及其应用的历史回顾第11页/共79页大大气气压压力力随随着着离离地地高高度度的的递递增增而而降降低低，基基本本按按
8、指指数数规规律律下下降降。高高度度（Z Z）每每升升高高1515公公里里，压压力力（p p）下下降降一一个个数数量量级级。地地球球大大气气层层以以外外的的宇宇宙宙真真空空，称为称为“空间真空空间真空”，它是典型的，它是典型的“自然真空自然真空”。自然真空经典真空技术及其应用的历史回顾大气压力与高度的关系式第12页/共79页人人通通过过胸胸腔腔和和腹腹腔腔之之间间的的膈膈膜膜的的收收缩缩和和放放松松迫迫使使肺肺呼呼吸吸，吸吸气气时时胸胸腔腔压力接近大气压力，呼气时可降到大气压力以下，即人为真空状态。压力接近大气压力，呼气时可降到大气压力以下，即人为真空状态。经典真空技术及其应用的历史回顾第13页
9、/共79页进进一一步步，人人们们运运用用科科技技手手段段，发发明明了了各各种种真真空空泵泵去去抽抽掉掉密密闭闭容容器器中中的的气气体体，获获得得“人人为为真真空空”，逐逐渐渐形形成成了了“真真空空技技术术”这这个个学学科科。但但是是，即即使使在在使使用用现现代代排排气气方方法法获获得得的的最最低低压压力力，也也只只能能达达到到1010-12-121010-13-13PaPa，还远未达到绝对真空。还远未达到绝对真空。人为真空经典真空技术及其应用的历史回顾第14页/共79页2.2.真空技术的发展历史真空技术的发展历史 最最早早的的真真空空获获得得和和应应用用，可可追追溯溯到到公公元元前前六六世世纪
10、纪，我我国国炼炼铁铁技技术术就就相相当当进进步步，为为了了熔熔化化铁铁，在在炼炼铁铁炉炉上上配配有有鼓鼓风风设设备备。最最初初使使用用的的叫叫“鞲鞲”的的皮囊鼓风、皮囊鼓风、“风箱风箱”鼓风。鼓风。为了增强炼铁能力，提高炼铁质量，我国在战国时发明了最早的鼓风炼铁技术。这种鼓风炼铁采用人力压动的皮风囊鼓风。到了西汉又出现了马排、牛排（即用马、牛带动的皮风囊鼓风）。特别是到了东汉初年，发明了水力鼓风囊-水排。这些鼓风炼铁技术，是世界冶炼史上的奇迹。鼓风炼铁技术直到年后的世纪末才传入欧洲。世纪欧洲才炼出了第一炉生铁。到了明代，我国又发明了活塞式木风箱，加大了风压和风量，强化、优化了冶炼，并增加了产量
11、。欧洲直到世纪后期，才使用了活塞式鼓风箱，这又比我国晚了一个多世纪。-中国古代冶金史话 小知识经典真空技术及其应用的历史回顾第15页/共79页o风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排气。与现在的往复活塞真空泵的作用原理基气。与现在的往复活塞真空泵的作用原理基本相同。这种风箱在公元本相同。这种风箱在公元13671367年时就已成为年时就已成为炼铁的重要工具了。这是最早真空获得和应炼铁的重要工具了。这是最早真空获得和应用的实例。用的实例。经典真空技术及其应用的历史回顾第16页/共79页o还还有有更更为为典典型型的的例例子子是是中中医医的的拔拔火火罐罐（如如右右图图
12、）。两两千千年年前前，它它已已在在我我国国民民间间用用作作治治病病的的工工具具。它它很很好好地地利利用用了了空空气气热热胀胀冷冷缩缩、蒸蒸汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。汽冷凝等物理现象来形成罐内真空。经典真空技术及其应用的历史回顾第17页/共79页历历史史上上有有确确切切记记载载获获得得“真真空空”的的却却是是欧欧洲洲人人。16431643年年，意意大大利利人人托托利利拆拆里里做做了了大大气气压压实实验验。他他用用一一根根一一端端封封闭闭的的细细长长玻玻璃璃管管和和一一个个盛盛水水银银的的小小槽槽，先先将将水水银银从从玻玻璃璃管管开开口口端端灌灌入入，直直到到灌灌满满全全管管。然然后后压压住
13、住开开口口，将将玻玻璃璃管管倒倒立立在在水水银银槽槽内内，再再打打开开压压住住的的开开口口。此此时时玻玻璃璃管管中中的的水水银银高高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760760毫米时，就不再下降了。毫米时，就不再下降了。经典真空技术及其应用的历史回顾第18页/共79页他他认认为为在在玻玻璃璃管管上上端端的的空空隙隙容容积积内内就就是是“真真空空”。随随后后，他他的的学学生生帕帕斯斯卡卡等等人人将将实实验验搬搬到到山山上上去去做做，结结果果水水银银柱柱低低于于760760毫毫米米，证证明大气压与高度有关。明大气压与高度有关。经典真空技术及其应用的历史回顾大气压与高
14、度有关托里拆利实验第19页/共79页16541654年年德德国国人人葛葛利利克克发发明明了了活活塞塞真真空空泵泵。他他为为了了证证明明大大气气压压的的巨巨大大力量，曾做过一次公开实验（见下图）。力量，曾做过一次公开实验（见下图）。经典真空技术及其应用的历史回顾第20页/共79页他用两个直径他用两个直径119119厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因厘米的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用而求得的表面上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用8 8匹马，匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马才能向相反方向拉开
15、。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德堡半球实验而闻名于世。德堡半球实验而闻名于世。经典真空技术及其应用的历史回顾第21页/共79页16621662年年英英国国人人玻玻义义耳耳发发现现玻玻义义耳耳定定律律，到到18791879年年瑞瑞士士人人伯伯努努利利提提出出气体分子运动论，他们奠定真空技术最初的物理基础。气体分子运动论，他们奠定真空技术最初的物理基础。小知识【玻义耳-马略特定律】它反映气体的体积随压强改变而改变的规律。对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比；或者说，其压强P与它的体积V的乘积为一常量。【伯努利与气体分子运动论伯努利与气体分子运动论】伯努利伯努利明确
16、地叙述了气体分子运气体分子运动论动论，认为气体作用在容器壁上的压力，可以用大量的分子快速地来回运动来解释。经典真空技术及其应用的历史回顾第22页/共79页从从16431643年年托托里里拆拆利利获获得得真真空空，到到18791879年年爱爱迪迪生生发发明明碳碳丝丝电电灯灯泡泡的的200200多多年年间间，真真空空技技术术经经历历了了一一个个漫漫长长的的发发展展过过程程。这这个个过过程程孕孕育育着着电电子子学的诞生和发展。学的诞生和发展。即即所所谓谓“电电真真空空器器件件”就就是是内内部部空空间间为为真真空空的的电电子子器器件件。真真空空技技术术为为电电子子技技术术的的发发展展开开辟辟了了道道路
17、路。在在2020世世纪纪初初，电电子子技技术术的的发发展展，又又推推动动了真空技术的飞速发展。了真空技术的飞速发展。电子技术与真空技术的相互促进与影响经典真空技术及其应用的历史回顾第23页/共79页19051905年年德德国国盖盖得得发发明明了了机机械械泵泵，19061906年年皮皮拉拉尼尼发发明明热热阻阻真真空空计计；之之后后，盖盖得得又又于于19131913年年和和19151915年年先先后后发发明明了了分分子子泵泵、扩扩散散泵泵；19161916年年贝克利发明了热阴极电离计。贝克利发明了热阴极电离计。盖德 发明的机械泵盖德发明的分子泵经典真空技术及其应用的历史回顾第24页/共79页经典真
18、空技术及其应用的历史回顾盖德发明的水银扩散泵第25页/共79页真真空空技技术术迅迅速速从从低低真真空空发发展展到到高高真真空空，高高真真空空技技术术的的发发展展势势头头一一直直延延续续到到第第二二次次世世界界大大战战。尤尤其其是是希希克克曼曼19361936年年发发明明了了油油扩扩散散泵泵，潘潘宁宁19371937年年发发明明了了冷冷阴阴极极电电离离计计，使使得得高高真真空空技技术术在在获获得得和和测测量量两两方方面面基基本本上上已已完完善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。善。直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。经典真空技术及其应用的历史回顾现在的油扩散泵第26页/共79页19
19、401940年年以以后后真真空空技技术术在在原原子子能能方方面面得得到到广广泛泛应应用用，并并在在真真空空冶冶金金、真真空空镀镀膜膜、真真空空冷冷冻冻干干燥燥等等方方面面得得到到扩扩展展。到到19501950年年，真真空空范范围围提提高高到到1010-4-41010-5-5papa。在在某某些些实实验验室室里里也也曾曾得得到到更更高高的的真真空空，但但还还不不能能测测量量出出来。来。经典真空技术及其应用的历史回顾真空技术的应用在扩展第27页/共79页贝阿德阿尔珀特贝阿德阿尔珀特19501950年发明了年发明了B-AB-A规，才为测量超高真空创造了规，才为测量超高真空创造了条件。条件。19531
20、953年吸气剂离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真年吸气剂离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空。空。经典真空技术及其应用的历史回顾BA规发明吸气剂离子泵出现第28页/共79页从从2020世世纪纪5050年年代代到到7070年年代代的的2020多多年年里里，真真空空技技术术融融入入许许多多尖尖端端科科学学技技术术并并一一起起得得到到迅迅速速发发展展。高高能能加加速速器器、等等离离子子体体核核聚聚变变装装置置、微微电电子子学学、大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃。大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃。经典真空技术及其应用的历史回顾真空技术与尖端技术结
21、合第29页/共79页真空进入了真空进入了“超清洁超清洁”时代，压力范围从时代，压力范围从 10104 410105 5papa下下降降到到1010121210101313papa。一一下下子子真真空空度度提提高高了了七七八八个个数数量量级级，真真空空系系统统容容积积大大到到数数万万立立方方米米，低低温温泵泵的的抽抽速速可可高高达达10107 7升升/秒。秒。经典真空技术及其应用的历史回顾“超清洁”时代第30页/共79页今今天天的的真真空空技技术术，已已能能获获得得和和测测量量从从大大气气压压（10105 5papa）到到1010-13-13papa，压压力力范范围围达达1818个个数数量量级级
22、，并并随随着着某某些些新新应应用用的的开开拓拓而而要要求求一一步步步步地地接接近近“理理想真空想真空”。今天的真空技术：105pa 10-13pa经典真空技术及其应用的历史回顾第31页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用三、真空实用技术及其应用三、真空实用技术及其应用 真空实用技术主要包含真空获得技术、真空测量与检漏技术、以及真空真空实用技术主要包含真空获得技术、真空测量与检漏技术、以及真空系统和元件的设计计算等。真空技术的早期发展主要围绕这几方面进行。系统和元件的设计计算等。真空技术的早期发展主要围绕这几方面进行。真空实用技术的内容第32页/共79页目前，常用的真空获得设备有各
23、种机械泵，如旋片泵、定片泵、滑阀泵、目前，常用的真空获得设备有各种机械泵，如旋片泵、定片泵、滑阀泵、罗茨泵、往复泵、各种干式机械真空泵、扩散泵、分子筛吸附泵、升华罗茨泵、往复泵、各种干式机械真空泵、扩散泵、分子筛吸附泵、升华泵、溅射离子泵、涡轮分子泵和低温泵等（见图泵、溅射离子泵、涡轮分子泵和低温泵等（见图3.13.1）。它们以不同的原）。它们以不同的原理排气或吸附气体，以达到获得真空的目的。理排气或吸附气体，以达到获得真空的目的。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用常用的真空获得设备第33页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用图3.1 几种真空泵美国瓦里安旋片泵低温泵美国瓦
24、里安分子泵第34页/共79页目目前前实实用用的的测测量量真真空空度度的的各各种种真真空空计计（图图3.23.2）有有U U型型真真空空计计、压压缩缩式式真真空空计计、热热导导真真空空计计、热热阴阴极极电电离离真真空空计计和和冷冷阴阴极极电电离离真真空空计计等等。它它们们以以不不同同的的原原理理测测量量真真空空度度，其其中中对对于于通通过过其其他他物物理理测测量量间间接接获获得得真真空空度度的的，还需预先进行真空计较准。还需预先进行真空计较准。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用各种真空计第35页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用图3.2 几种真空计开式U型管真空计闭式U型管
25、真空计第36页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用热传导真空计原理图第37页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用热阴极电离真空计压缩式真空计第38页/共79页真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用冷阴极电离真空计第39页/共79页测量气体分压的有各种类型的质谱仪。可使其一密闭容器中获得所测量气体分压的有各种类型的质谱仪。可使其一密闭容器中获得所需的真空，还必须和各种漏孔作斗争，因而发明了各种检漏方法和需的真空，还必须和各种漏孔作斗争，因而发明了各种检漏方法和工具，如氦质谱检漏仪。工具，如氦质谱检漏仪。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用质谱仪第40页/共79页
26、随随着着提提高高容容器器真真空空度度的的过过程程，真真空空器器壁壁及及内内部部工工件件的的放放气气就就变变得得非非常常重重要要，它它往往往往成成为为阻阻碍碍达达到到高高真真空空的的主主要要因因素素。因因此此，往往往往都都要要对对这这些材料进行高温烘烤除气。些材料进行高温烘烤除气。研研究究气气体体分分子子或或原原子子在在固固体体材材料料中中的的扩扩散散逸逸出出和和表表面面脱脱附附、吸吸附附过过程程就成为进一步提高真空度的重要课题。就成为进一步提高真空度的重要课题。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第41页/共79页在在技技术术上上取取得得真真空空环环境境之之后后，可可以以产产生生大大气气中
27、中所所没没有有的的新新现现象象，供供人们利用：人们利用：1.1.形成压差可以做功；形成压差可以做功；2.2.提高热电绝缘性能；提高热电绝缘性能；3.3.延长粒子飞行路径；延长粒子飞行路径；4.4.去除周围气体屏障；去除周围气体屏障；5.5.减少有害气体作用；减少有害气体作用；6.6.高度清洁的物体表面。高度清洁的物体表面。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第42页/共79页1.1.形成压差可以做功形成压差可以做功 生生活活中中利利用用两两侧侧压压力力不不平平衡衡的的情情况况很很多多。一一面面是是大大气气压压一一面面是是真真空空所所造造成成的的压压力力差差或或吸吸引引力力是是可可以以利利用
28、用的的巨巨大大能能源源，如如真真空空输输送送、真真空空过过滤滤、真真空空成成型型、真真空空吸吸引引、真真空空浸浸渍渍等等，广广泛泛用用于于纺纺织织、粮粮食食加加工工、铸铸造造、电力等许多部门（图电力等许多部门（图3.33.3）。）。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第43页/共79页图3.3 压差应用实例真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用 气动真空输运设备（应用于化工、制药、食品、涂料行业）带式真空压榨过滤机（应用于化工、冶金、煤炭、造纸等行业）第44页/共79页 差压型真空注型机（广泛用于汽车、摩托车、家电、电子电器等产品零件的开发制作）真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用
29、真空压力浸渍设备（适用于电机、电器、变压器线圈及C型、O型铁芯的浸漆烘干处理）第45页/共79页2.2.提高热电绝缘性能 在在真真空空环环境境下下，气气体体分分子子稀稀薄薄了了，传传导导热热、电电的的作作用用可可以以减减弱弱。暖暖瓶瓶、保保温温杯杯、杜杜瓦瓦瓶瓶等等都都是是采采用用了了真真空空绝绝热热夹夹层层。大大功功率率电电器器设设备备的真空开关，有容易灭弧、工作稳定等优点。的真空开关，有容易灭弧、工作稳定等优点。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用暖瓶保温杯第46页/共79页3.3.延长粒子飞行路径延长粒子飞行路径 一般气体分子热运动的平均速度约为一般气体分子热运动的平均速度约为500
30、500米米/秒秒,比声速还略快些。在真空比声速还略快些。在真空中，气体分子的平均自由程变长，如压力为中，气体分子的平均自由程变长，如压力为10107 7PaPa时平均自由程可达到时平均自由程可达到5050多公里。多公里。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第47页/共79页电视机的显像管、计算机的显示器需要真空，其原因之一就是成像电视机的显像管、计算机的显示器需要真空，其原因之一就是成像用的电子束要避免与气体分子碰撞而散热。高能加速器需要真空，用的电子束要避免与气体分子碰撞而散热。高能加速器需要真空，是因为被加速的粒子，不会因碰撞而损失能量和散射掉。是因为被加速的粒子，不会因碰撞而损失能量
31、和散射掉。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用电视机计算机显示器第48页/共79页4.4.去除周围气体屏障去除周围气体屏障 在在大大气气下下物物体体周周围围是是致致密密的的气气层层。例例如如在在大大气气中中晒晒衣衣服服，水水分分不不容容易易挥挥发发出出来来。任任何何液液体体蒸蒸发发都都会会遇遇到到同同样样的的问问题题，周周围围的的气气体体越越密密，它它们们的的蒸蒸发发速速度度越越慢慢，因因蒸蒸发发速速度度受受到到液液体体蒸蒸气气在在周周围围气气体体中中的的扩扩散散速速度度的的限限制。制。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第49页/共79页在液体周围形成真空环境后，蒸发速度大大加快，沸
32、点也相应降低。在液体周围形成真空环境后，蒸发速度大大加快，沸点也相应降低。例如珠穆朗玛峰顶上水上的沸点只有例如珠穆朗玛峰顶上水上的沸点只有70700 0c c。食品生物制品的真空浓。食品生物制品的真空浓缩、真空冷冻干燥、石油减压蒸馏，都是应用这种原理的产物。缩、真空冷冻干燥、石油减压蒸馏，都是应用这种原理的产物。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用真空环境下液体的沸点降低第50页/共79页5.5.减少有害气体作用减少有害气体作用 在在气气体体环环境境中中，气气体体与与物物体体的的相相互互作作用用，从从微微观观来来看看，是是通通过过气气体体分分子子不不断断碰碰撞撞在在物物体体表表面面上上而而
33、发发生生的的。电电灯灯泡泡、电电子子管管以以及及各各种种电电真真空空器件多离不开灼热的钨灯丝。器件多离不开灼热的钨灯丝。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第51页/共79页钨钨灯灯丝丝负负有有发发射射电电子子的的重重要要使使命命，必必须须通通电电加加热热到到千千度度以以上上高高温温。这这样样的的高高温温如如果果没没有有真真空空环环境境，钨钨丝丝立立刻刻就就会会氧氧化化焚焚毁毁。一一些些活活性性金属需要在真空中冶炼也是同样的道理。金属需要在真空中冶炼也是同样的道理。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用电灯泡电子管第52页/共79页食食品品的的真真空空包包装装保保鲜鲜、粮粮食食的的气气调
34、调储储存存同同样样是是给给予予良良好好的的氛氛围围环环境境才做到的才做到的、减少有害气体作用。、减少有害气体作用。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用真空包装食品第53页/共79页6.6.高度清洁的物体表面高度清洁的物体表面 计算表明，每平方厘米的物体表面大约有计算表明，每平方厘米的物体表面大约有10105 5个分子可以布满一层。如个分子可以布满一层。如果气体分子碰到表面上并被吸附在那里的话，在果气体分子碰到表面上并被吸附在那里的话，在1010-1-1P Pa a的真空中只要的真空中只要几百分之一秒就会使物体表面全部被气体分子污染；几百分之一秒就会使物体表面全部被气体分子污染；1010-6
35、-6P Pa a的超高真的超高真空则需几分钟。空则需几分钟。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用第54页/共79页可见要使物体表面绝对可见要使物体表面绝对“清洁清洁”，必须在超高真空环境下才能办到。，必须在超高真空环境下才能办到。真空使物体表面暴露出真面目，这是表面科学所研究的内容。真空使物体表面暴露出真面目，这是表面科学所研究的内容。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用如何使物体表面绝对“清洁”？第55页/共79页四真空技术的近代发展四真空技术的近代发展 如前所述，经典的真空技术传统的真空技术，主要包括真空获得、检如前所述，经典的真空技术传统的真空技术，主要包括真空获得、检测以及真空
36、系统等自身的发展，成为配合许多学科创新的条件和手段。测以及真空系统等自身的发展，成为配合许多学科创新的条件和手段。然而，现代科技的相互交叉和渗透，极大的丰富了真空技术的内涵，尤然而，现代科技的相互交叉和渗透，极大的丰富了真空技术的内涵，尤其是超高真空、超清洁表面的出现，解释了自然界中许多新颖的现象和其是超高真空、超清洁表面的出现，解释了自然界中许多新颖的现象和规律。规律。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第56页/共79页它它是是真真空空技技术术应应用用的的一一个个主主要要方方面面，抽抽气气量量最最大大，真真空空度度最最高高，被被抽抽容容器器也也最最大大。它它对对外外层层空空间间和和星星际际
37、航航行行的的环环境境进进行行模模拟拟。飞飞行行器器进进入入太太空空后后不不受受大大气气层层保保护护，直直接接受受太太阳阳的的电电磁磁辐辐射射，带带电电粒粒子子的的轰轰击击，宇宙尘、陨石的轰击，所以要在地面上进行模拟实验。宇宙尘、陨石的轰击，所以要在地面上进行模拟实验。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用1 1航天技术中的真空应用航天技术中的真空应用第57页/共79页人造卫星，载人飞船，航天飞机，空间站等通称为航天器。不同的航天人造卫星，载人飞船，航天飞机，空间站等通称为航天器。不同的航天器因其负担的任务不同而运行在不同高度的轨道上。航天器随着运载火器因其负担的任务不同而运行在不同高度的轨道
38、上。航天器随着运载火箭发射升空后，首先遇到与地面不同的情况是空间真空环境。箭发射升空后，首先遇到与地面不同的情况是空间真空环境。真真空空技技术术的的近近代代发发展展人造卫星空间站航天飞机第58页/共79页在离地面在离地面200200500500公里的近地轨道上，空间真空度为公里的近地轨道上，空间真空度为10104 410106 6PaPa，100010001000010000公里的中轨道，约为公里的中轨道，约为10108 820201111PaPa，高空间约为，高空间约为1010131310101414PaPa。真真空空技技术术的的近近代代发发展展不同空间高度的真空度第59页/共79页在在无无
39、限限大大的的宇宇宙宙空空间间，从从航航天天器器上上发发出出的的气气体体分分子子，热热辐辐射射都都不不会会反反射射回回到到航航天天器器上上，均均被被无无限限宇宇宙宙所所吸吸收收，这这称称为为“分分子子沉沉”和和“热热沉沉”。因因而而，宇宇宙宙空空间间是是个个理理想想的的黑黑体体，是是个个既既冷冷又又黑黑的的空空间间。我我们们称称这这种种背背景环境叫景环境叫“冷黑冷黑”环境。环境。真真空空技技术术的的近近代代发发展展“冷黑”环境第60页/共79页空空间间真真空空、空空间间冷冷黑黑及及太太阳阳磁磁射射环环境境是是航航天天的的基基本本环环境境。此此外外，空空间间还还充充满满其其它它各各种种形形态态的的
40、物物质质，如如磁磁场场、引引力力场场、气气体体离离子子、等等离离子子体体、各各种种能能量量的的带带电电粒粒子子和和微微流流星星等等。这这些些都都是是自自然然存存在在的的，所所以又称为自然环境。以又称为自然环境。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第61页/共79页航航天天器器是是个个很很复复杂杂的的系系统统，一一般般由由热热控控、通通信信、遥遥测测遥遥控控、姿姿态态测测量量和和控控制制、电电源源、推推进进及及有有效效载载荷荷等等系系统统组组成成。它它们们能能在在轨轨道道上上正正常常工工作作吗吗？各各种种轨轨道道环环境境对对航航天天器器会会产产生生什什么么影影响响？如如何何进进行行防防护护？航航
41、天天器的装配工艺质量如何？器的装配工艺质量如何？真真空空技技术术的的近近代代发发展展第62页/共79页所有这一切，都需要通过实验来检验。因而要求在地面上创造模拟的空所有这一切，都需要通过实验来检验。因而要求在地面上创造模拟的空间环境，检验它们的性能，这就是空间环境模拟试验。真空技术是空间间环境，检验它们的性能，这就是空间环境模拟试验。真空技术是空间环境模拟技术的基础。环境模拟技术的基础。真真空空技技术术的的近近代代发发展展空间环境模拟试验第63页/共79页热热真真空空环环境境模模拟拟设设备备分分别别用用于于整整星星（船船）试试验验和和分分系系统统、组组件件试试验验。它它模模拟拟空空间间高高真真
42、空空、冷冷黑黑和和太太阳阳电电磁磁辐辐射射三三项项基基本本环环境境，是是空空间间模模拟拟的的最最基本设备。基本设备。真真空空技技术术的的近近代代发发展展热真空环境模拟设备第64页/共79页此此外外，还还有有超超高高、极极高高真真空空环环境境模模拟拟设设备备。它它们们是是针针对对星星外外暴暴露露于于空空间间超超高高真真空空或或极极高高真真空空的的运运动动部部件件的的润润滑滑、摩摩擦擦和和冷冷焊焊问问题题的的实实验验，以便找出防护的对策，保护卫星正常运行。以便找出防护的对策，保护卫星正常运行。还还有有火火箭箭发发动动机机启启动动和和羽羽流流试试验验，宇宇宙宙飞飞船船模模拟拟舱舱，以以及及其其它它一
43、一些些空空间环境模拟设备，总之这些专用设备，都需要真空技术。间环境模拟设备，总之这些专用设备，都需要真空技术。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第65页/共79页2 2等离子体技术中的真空应用等离子体技术中的真空应用 统统观观宇宇宙宙，99.999.9的的物物质质都都是是处处于于等等离离子子体体状状态态的的星星团团，而而星星团团之之间间，则则是是浩浩瀚瀚无无际际的的真真空空。但但在在地地球球上上通通常常见见到到的的自自然然物物质质总总是是以以固固体体、液液体体或或气气体体的的状状态态存存在在。只只有有在在上上层层高高空空的的稀稀薄薄大大气气中中，存存在着光致电离产生的等离子体。在着光致电离产
44、生的等离子体。真真空空技技术术的的近近代代发发展展等离子体在哪里？第66页/共79页随随着着科科技技的的发发展展，特特别别是是电电真真空空技技术术的的发发展展，在在地地球球上上可可以以很很方方便便地地在在特特定定的的容容器器中中获获得得低低密密度度的的稀稀薄薄气气体体状状态态，进进而而通通过过稀稀薄薄气气体体放电等方法获得等离子体状态。放电等方法获得等离子体状态。真真空空技技术术的的近近代代发发展展1850年，德国 盖斯勒创制稀薄气体放电用玻璃管，呈现放电发光。小知识第67页/共79页通通过过对对甲甲烷烷、氨氨、氩氩和和水水气气等等混混合合气气体体中中闪闪光光放放电电而而产产生生各各种种氨氨基
45、基酸酸和和核核酸酸盐盐基基等等的的研研究究正正启启迪迪我我们们，地地球球上上最最早早的的生生命命可可能能是是在在等等离子体中诞生的。离子体中诞生的。真真空空技技术术的的近近代代发发展展生命诞生等离子体第68页/共79页步步入入2121世世纪纪，核核聚聚变变电电站站将将被被建建成成为为地地球球上上取取之之不不尽尽、用用之之不不竭竭的的洁洁净净新新能能源源，以以真真空空技技术术为为基基础础的的等等离离子子体体技技术术将将在在人人们们的的生生活活和和科科技技发发展展中中起起着着越越来来越越重重要要的的作作用用。大大型型聚聚变变装装置置的的建建造造和和运运行行，大大的推动了工业界高技术的开发。大大的推
46、动了工业界高技术的开发。真真空空技技术术的的近近代代发发展展核聚变电站第69页/共79页对对真真空空技技术术而而言言，真真空空室室用用来来长长时时间间的的包包容容高高温温等等离离子子体体。真真空空室室的的漏漏气气率率，在在室室温温和和500500下下均均要要满满足足要要求求，达达到到了了需需要要30003000余余年年才才能能渗渗入入真真空空室室1 1升升气气体体的的极极微微小小的的渗渗透透率率。以以前前从从未未达达到到过过如如此此小小的漏率。的漏率。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第70页/共79页3 3纳米技术与真空纳米技术与真空 纳纳米米原原本本是是长长度度单单位位，即即1010-9
47、-9PaPa米米，纳纳米米技技术术研研究究的的对对象象是是尺尺寸寸在在0.10.1100100纳纳米米范范围围的的物物质质的的性性质质和和应应用用，因因此此人人们们以以“纳纳米米”冠冠名名，简简称称纳米技术。纳米技术。纳米科技是真空技术现代发展涉及的最新领域。纳米科技是真空技术现代发展涉及的最新领域。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第71页/共79页目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益：目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益：电电子子和和通通信信；纳纳米米医医疗疗；化化学学与与材材料料；能能源源；制制造造工工业业；飞机与汽车；飞机与汽车；航天；航天；环境保
48、护。环境保护。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第72页/共79页正正因因为为受受益益如如此此之之广广，有有人人认认为为它它将将是是明明天天似似乎乎能能产产生生突突破破的的一一个个科科技技领领域域，即即纳纳米米科科技技。当当我我们们进进入入2121世世纪纪的的时时候候，纳纳米米技技术术将将对对世世界界人人民民的的健健康康、财财富富和和安安全全产产生生重重大大影影响响，至至少少同同2020世世纪纪的的抗抗生生素素、集集成电路和人造聚合物那样所产生的影响相当。成电路和人造聚合物那样所产生的影响相当。真真空空技技术术的的近近代代发发展展纳米技术的辉煌前景第73页/共79页纳纳米米技技术术成成型型于
49、于上上世世纪纪9090年年代代初初，其其学学科科分分支支有有：纳纳米米物物理理学学，纳纳米米化化学学，纳纳米米生生物物学学，纳纳米米电电子子学学，纳纳米米机机械械学学，纳纳米米加加工工和和工工艺艺学学，以以及及纳纳米米表表征征测测量量学学。作作为为综综合合性性学学科科，纳纳米米材材料料学学包包含含上上述述七七个个学学科。科。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第74页/共79页4 4表面科学与真空表面科学与真空 我我们们所所看看到到的的固固体体“表表面面”，实实际际上上都都蒙蒙上上了了厚厚厚厚的的气气体体层层。在在大大气气的的环境下，获得真正的清洁、真实的固体表面是不可能的。环境下，获得真正的
50、清洁、真实的固体表面是不可能的。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第75页/共79页真真空空技技术术的的发发展展给给表表面面科科学学研研究究创创造造了了必必要要条条件件。随随着着真真空空技技术术的的发发展展，可可获获得得越越来来越越干干净净的的表表面面。表表面面科科学学离离不不开开真真空空技技术术。因因此此，表表面面科科学学成为真空技术的重要组成部分。成为真空技术的重要组成部分。真真空空技技术术的的近近代代发发展展第76页/共79页2020世世纪纪是是人人类类科科技技发发展展及及其其辉辉煌煌的的100100年年，有有一一系系列列重重大大发发现现和和发发明明，对对人人类类的的进进步步和和文文明