真空技术的发展史

真空技术

真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。真空技术主要包括真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用四个方面。在真空技术发展中，这四个方面的技术是相互促进的。

真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。真空是相对于大气压来说的，并非空间没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。气体稀薄程度是对真空的一种客观量度 ，最直接的物理量度是单位体积中的气体分子数。气体分子密度越小，气体压力越低，真空就越高。但由于历史原因，量度真空通常都用压力表示。

远在1643年，意大利物理学家托里拆利发现，真空和自然空间有大气和大气压力存在。他将一根一端封闭的长玻璃管灌满汞，并倒立于汞槽中时，发现管中汞面下降，直至与管外的汞面相差76厘米时为止。托里拆利认为，玻璃管汞面上的空间是真空，76厘米高的汞柱是因为存在大气压力的缘故。

1650年，德国的盖利克制成活塞真空泵。1654年，他在马德堡进行了著名的马德堡半球试验：用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸(35.5厘米)的铜半球抽成真空，然后用两组各八匹马以相反方向拉拽铜球，始终未能将两半球分开。这个著名的试验又一次证明，空间有大气存在，且大气有巨大的压力。为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献，以往习用的真空压力单位就是用他的名字命名的。

19世纪中后期，英国工业革命的成功，促进了生产力和科学实验发展，同时也推动了真空技术的发展。1850年和1865年，先后发明了汞柱真空泵和汞滴真空泵，从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。压缩式真空计的应用首次使低压力的测量成为可能。

20世纪初，真空电子管出现，促使真空技术向高真空发展。1935～1937年发明了气镇真空泵、油扩散泵和冷阴极电离计。这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为大多数真空系统所常用。

1940年以后，真空应用扩大到核研究(回旋加速器和同位素分离等)、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等方面，真空技术开始成为一个独立的学科。第二次世界大战期间，原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要，又进一步促进了真空技术的发展。

在地球上，通常是对特定的封闭空间抽气来获得真空，用来抽气的设备称为真空泵。早先制成的真空泵，抽气速度不大，极限真空低，很难满足生产和科学试验的需要。后来相继制成一系列抽气机理不同的真空泵，抽速和极限真空都得到不断的提高。如低温泵的抽气速率可达60000升/秒，极限真空可达千亿分之一帕数量级。

为了保证真空系统能达到和保持工作需要的真空，除需要配备合适的、抽气性能良好的真空泵以外，真空系统或其零部件还必须经过严格的检漏，以便消除破坏真空的漏孔。低(粗)真空、中真空和高真空系统一般用气压检漏 ；对于超高真空系统，在采用一般检漏法粗检以后，还要采用灵敏度较高的检漏仪，如卤素检漏仪和质谱检漏仪来检漏。

随着真空获得技术的发展，真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。真空应用是指利用稀薄气体的物理环境完成某些特定任务。有些是利用这种环境制造产品或设备，如灯泡、电子管和加速器等。 这些产品在使用期间始终保持真空；而另一些则仅把真空当作生产中的一个步骤，最后产品在大气环境下使用，如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。

真空的应用范围极广，主要分为低真空、中真空、高真空和超高真空应用。低真空是利用低(粗)真空获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘 。

中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的气体或水分、制造灯泡、真空冶金和用作热绝缘。如真空浓缩生产炼乳，不需加热就能蒸发乳品中的水分。

真空冶金可以保护活性金属，使其在熔化、浇铸和烧结等过程中不致氧化，如活性难熔金属钨、钼、钽、铌、钛和锆等的真空熔炼；真空炼钢可以避免加入的一些少量元素在高温中烧掉和有害气体杂质等的渗入，可以提高钢的质量。

高真空可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、X 射线管、加速器、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜 ，以供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。

外层空间的能量传输与超高真空中的能量传输相似，故超高真空可用作空间模拟。在超高真空条件下，单分子层形成的时间长(以小时计)，这就可以在一个表面尚未被气体污染前 ，利用这段充分长的时间来研究其表面特性，如摩擦、粘附和发射等。