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1、经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。真空技术的历史、现在与将来东北大学第三期真空技术培训班讲义之一 主讲人：东北大学 杨乃恒 教授经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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o一一.前言前言 o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 o三三.真空实用技术及其应用真空实用技术及其应
2、用 o四四.真空技术的近代发展真空技术的近代发展 经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o“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世纪中期，随着电世纪中期，随着电子器件、原子能、航天技术对真空条件的子器件、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。需求，推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.前言前言经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未
3、经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o我国在我国在2020世纪世纪6060年代初，把真空技术作为年代初，把真空技术作为极端技术（高压、真空、高温、低温）之极端技术（高压、真空、高温、低温）之一，受到国家的高度重视。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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
4、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技术术与与应应用用协协会会（IUVSTAIUVSTA）。）。前 言经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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。它它成成为为配
5、配合合许许多多学科创新的条件和手段。学科创新的条件和手段。o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和规律，纳米科技就是一例。象和规律，纳米科技就是一例。前 言经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。前 言o根根据据IUVSTAIUVSTA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
6、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）。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委员员会的。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。经作者授
7、权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。前 言图1.1 现代真空技术经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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 o1.1.何谓真空何谓真空 o2.2.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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或
8、任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。1.1.何谓真空何谓真空o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间状状 态态。“真真 空空”一一 词词 来来 自自 拉拉 丁丁 语语“Vacuum”“Vacuum”，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
9、用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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（空空气气分分子子重重力力）的的作作用，离地面越高、空气越稀薄。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o通通常常衡衡量量气气体体稀稀密密程程度度的
10、的物物理理量量是是压压力力，因因为为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，气体压力也越大。气体压力也越大。o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。为为海海平面处压力的三分之一左右。平面处压力的三分之一左右。经典真空技术及其应用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与
11、流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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，称称为为“空空间间真真空空”，它它是是典典型型的的“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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人
12、或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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压力力接接近近大大气气压压力力，呼呼气气时时可可降降到到大大气气压压力力以以下下，即即人人为为真空状态。真空状态。经典真空技术及其应用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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
13、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，还还远远未未达达到绝对真空。到绝对真空。人为真空经典真空技术及其应用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。2.2.真空技术的发展历史真空技术的发展历史 o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
14、元元前前六六世世纪纪，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”的皮囊鼓风、的皮囊鼓风、“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
15、冶炼，并增加了产量。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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
16、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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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）。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及
17、原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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度逐逐渐渐下下降降，直直到到距距
18、离小槽液面以上离小槽液面以上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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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，证证明明大气压与高度有关。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度有关托里拆利实验经作者授权
19、，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o16541654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力量量，曾曾做做过过一一次公开实验（见下图）。次公开实验（见下图）。经典真空技术及其应用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o他用两个直径他用两个直径119119厘米的半球合起来，用厘米的半球合起来
20、，用真空泵将球内空气抽除，因而求得的表面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，每个半上所受大气压是很大的横向分力，每个半球用球用8 8匹马，才能向相反方向拉开。因为匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验在德国马德堡做的，故被称为马德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。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o16621662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，
21、到到18791879年年瑞瑞士士人人伯伯努努利利提提出出气气体体分分子子运运动动论论，他们奠定真空技术最初的物理基础。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】伯努利伯努利明确地叙述了气体分子气体分子运动论运动论，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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心
22、及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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着电子学的诞生和发展。育着电子学的诞生和发展。o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路。在在2020世世纪纪初初，电电子子技技术术的的发发展，又推动了
23、真空技术的飞速发展。展，又推动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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o19051905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年贝克利发明了热阴极电离计。年贝克利发明了热阴极电离计。盖德 发明
24、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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。经典真空技术及其应用的历史回顾盖德发明的水银扩散泵经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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1
25、9361936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善。直直到到今今天天，这这些些发发明明还还运运用用在在多多数数真真空空系系统统上。上。经典真空技术及其应用的历史回顾现在的油扩散泵经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o19401940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
26、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曾得到更高的真空，但还不能测量出来。也曾得到更高的真空，但还不能测量出来。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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，规，才为测量超高真空创造了条件。才为
27、测量超高真空创造了条件。19531953年吸年吸气剂离子泵的出现，使人们可以获得清气剂离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空。洁超高真空。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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
28、子学学、大大规规模模集集成成电电路路，特特别别是是航航天天技技术，促使真空技术发生新的飞跃。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合经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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
29、方米米，低低温温泵泵的的抽抽速速可可高达高达10107 7升升/秒。秒。经典真空技术及其应用的历史回顾“超清洁”时代经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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，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接近地接近“理想真空理想真空”。今天的真空技术：105pa 10-13pa经
30、典真空技术及其应用的历史回顾经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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 o真空实用技术主要包含真空获得技术、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计计算等。真空技术的早期发展主要围绕这几方面进行。几方面进行。真空实用技术的内容经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作
31、者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o目前，常用的真空获得设备有各种机械泵，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、涡轮分子泵吸附泵、升华泵、溅射离子泵、涡轮分子泵和低温泵等（见图）。它们以不同的原理排和低温泵等（见图）。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。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
32、的真空获得设备经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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里安分子泵经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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）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
33、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，还还需需预预先进行真空计较准。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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型管真空计经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中
34、心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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经作者授权，版权归东
35、北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o测量气体分压的有各种类型的质谱仪。可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。漏方法和工具，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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，
36、或用于商业用途。o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，往往往都要对这些材料进行高温烘烤除气。往都要对这些材料进行高温烘烤除气。o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就成成为为进进一一步步提提高真空度的重要课题。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及
37、原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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中所没有的新现象，供人们利用：气中所没有的新现象，供人们利用：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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及
38、原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。1.1.形成压差可以做功形成压差可以做功 o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、电电力力等许多部门（图）。等许多部门（图）。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用经作者授权，版权归东北大学真空与流体工
39、程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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）经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。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 真空压力浸渍设备（适用于电机、电器、
40、变压器线圈及C型、O型铁芯的浸漆烘干处理）经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。2.2.提高热电绝缘性能提高热电绝缘性能 o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的真真空空开开关关，有有容容易易灭灭弧弧、工工作作稳稳定等优点。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经作者授权，版
41、权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。3.3.延长粒子飞行路径延长粒子飞行路径 o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500500米米/秒秒,比声速还略快些。在真空中，气体分子的比声速还略快些。在真空中，气体分子的平均自由程变长，如压力为平均自由程变长，如压力为10107 7PaPa时平均自时平均自由程可达到由程可达到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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意
42、，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o电视机的显像管、计算机的显示器需要真电视机的显像管、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。撞而损失能量和散射掉。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲
43、义，或用于商业用途。4.4.去除周围气体屏障去除周围气体屏障 o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体蒸气在周围气体中的扩散速度的限制。液体蒸气在周围气体中的扩散速度的限制。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、
44、转载本讲义，或用于商业用途。o在液体周围形成真空环境后，蒸发速度大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峰顶上水上的沸点只有70700 0c c。食品生物制。食品生物制品的真空浓缩、真空冷冻干燥、石油减压品的真空浓缩、真空冷冻干燥、石油减压蒸馏，都是应用这种原理的产物。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于
45、商业用途。5.5.减少有害气体作用减少有害气体作用 o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发发生生的的。电电灯灯泡泡、电电子子管管以以及各种电真空器件多离不开灼热的钨灯丝。及各种电真空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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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
46、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金属属需需要要在在真真空空中中冶冶炼炼也也是是同同样样的道理。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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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才做做到到的的、减减少少有害气体作用。有害气
47、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经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。6.6.高度清洁的物体表面高度清洁的物体表面 o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。如果气体分子碰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，在到表面上并被吸附在那里的话，在1010-1-1P Pa a的的真空中只要几百分之一秒就会使物体表面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
48、；全部被气体分子污染；1010-6-6P Pa a的超高真空则的超高真空则需几分钟。需几分钟。真真空空实实用用技技术术及及其其应应用用经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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，必须在超高真空环境下才能办到。真空使物体表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面暴露出真面目，这是表面科学所研究的内容。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”？经作者授权，版权
49、归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。四真空技术的近代发展四真空技术的近代发展 o如前所述，经典的真空技术传统的真空技如前所述，经典的真空技术传统的真空技术，主要包括真空获得、检测以及真空系统术，主要包括真空获得、检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，尤其是透，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，解释了自然超
50、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。界中许多新颖的现象和规律。真真空空技技术术的的近近代代发发展展经作者授权，版权归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。o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