真空技術概述

在真空科學與技術中，“真空”詞被理解為低于一個標準大氣壓的氣體狀態。這種狀態同正常的大氣狀態相比較，氣體較為稀薄，即單位體積內的分子數目較少，分子之間或分子與其它粒子（如電子、離子）之間的碰撞幾率減少，分子在單位時間內碰撞于單位表面積（如器壁）上的次數也相對減少。這些是“真空”的主要特性。真空常用帕斯卡（Pa）或托爾（Torr）作為壓力的單位（1 Torr = 133.3 Pa）。在自然環境里，只有外太空堪稱最接近真空的空間。

真空技術專業名詞解釋

1. 標準大氣壓

在重力加速度為980.665cm/s²，水銀溫度為0℃，密度為13.5951g/cm³的條件下，760mm高的汞柱產生的壓力，稱為標準大氣壓。一個標準大氣壓的值為：

2. 真空度

表示真空狀態下氣體的稀薄程度，通常用壓力值來表示。

3. 真空區域劃分

低真空：1E5Pa～1E2Pa

中真空：1E2Pa～1E-1Pa

高真空：1E-1Pa～1E-5Pa

超高真空：1E-5Pa～1E-9Pa

極高真空：低于1E-9Pa

4. 全壓力

混合氣體中所有組分壓力的總和。

5. 分壓力

混合氣體中某一組分的壓力。

6. 平均自由程

一個分子與其它氣體分子每連續兩次碰撞之間的平均路程，叫平均自由程。平均自由程與壓力、溫度及分子直徑等因素有關。對于室溫下的空氣，平均自由程近似值由下式給出：

式中λ?—平均自由程，m；p?—氣體壓力，Pa。

7. 粘滯流

氣體分子的平均自由程遠小于導管最小截面尺寸的流態。因此，流動取決于氣體的粘滯性，粘滯流可以是層流或滯流。

8. 分子流

氣體分子的平均自由程遠大于導管截面最大尺寸的流態。

9. 中間流

在粘滯流和分子流之間狀態下氣體通過導管的流動。

10. 流量

在給定時間間隔內通過某一截面的氣體量除以該時間。

11. 吸附

固體或液體對氣體或蒸氣的捕集現象。

12. 解吸

被材料吸附的氣體或蒸氣的釋放現象。

13. 去氣

氣體從材料中人為的解吸。

14. 放氣

氣體從材料中自然的解吸。

15. 滲透

氣體通過固體阻擋層的現象。

注：只列出常用真空技術術語，如果需要其它術語的解釋，請查閱真空標準GB/T3163-2007。

真空環境的獲得

真空環境是很多精密設備運轉的前提條件，由于目前自然真空的利用十分困難，因此一般通過真空泵獲取真空環境。用來獲得、改善、維持真空的裝置稱為真空泵。一般來說，為了獲得高真空、超高真空及極高真空，有時還要采用多臺真空泵構成機組來完成抽氣任務。因此，了解各種真空泵的工作原理、主要性能、結構特點等，對于正確選擇經濟適用的真空泵是非常重要的。

最常用的真空泵就是機械泵，它通過轉子旋轉，將空氣從吸氣口吸入，然后從出氣口排出。機械泵能夠達到的真空度大概為1Pa。但是這樣的真空度還遠遠達不到很多物理實驗的要求，所以更高要求的真空環境就需要用到渦輪分子泵或磁懸浮分子泵來獲得。渦輪分子泵是利用高速旋轉的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產生定向流動而抽氣的真空泵。由于渦輪分子泵需要在粗真空下才能正常工作，一般利用機械泵作為其前級泵。分子泵進入正常轉速后利用烘烤的手段可得到1E-8Pa的極限壓力。

分子泵的高轉速也使得其十分“脆弱”，一?；覊m甚至氣體本身都會對運轉中的葉片造成巨大的傷害。并且只要分子泵在啟動狀態，前級機械泵就需要一直維持運轉。啟動和關閉都要嚴格遵循程序，否則就可能造成“機毀泵亡”。

影響真空環境的因素

真空環境的獲得比較困難，尤其是超高真空環境，其中主要的影響因素有以下幾點：

1. 部件生產過程中，其表面不可避免的會附著金屬碎屑和灰塵，因此在進行抽空作業前，必須對部件表面進行清潔，以保證環境盡快達到所需要求。

2. 在溫度和壓力的作用下，所有物質都可以通過冷凝和蒸發在固液氣三種狀態下變化，因此物質的聚集狀態對真空環境的影響巨大。

3. 吸附在部件表面的氣體在真空環境下會被解吸，之后逸到真空環境中，影響真空系統、另外真空系統通常由不同的密封件連接在一起，由于密封質量的不同，因此整體的漏率對真空環境影響較大。

4. 為了獲得高質量的真空環境，在操作過程中，可使用烘烤的方法增加氣體的解吸和擴散，以便設備能更多的抽出金屬中逸出的氣體。

5. 由于解吸過程緩慢，為了防止冷凝蒸汽（如水蒸氣和其他可冷凝物）吸附在真空室內壁上，造成避免不必要的污染，應該使用干燥的氮氣代替空氣對真空室進行排氣。

真空的測量

真空度測量指的是對低于大氣壓的氣體全壓的測量。因此，真空計是測量真空系統中低于大氣壓的所有氣體總壓的儀器。以下是一些常見的真空計：

1. 薄膜真空計：該裝置中用金屬彈性薄膜把規管分隔成兩個小室，一側接被測系統，另一側作為參考壓力室，當被測系統壓力變化時薄膜隨之變形，利用變形量來測量壓力。將變形量轉換為電容的變化用電學方法來測量的薄膜真空計稱為電容薄膜真空計。電容薄膜真空計的壓力測量范圍與膜片的厚度、直徑、材料等有關，其測量范圍為1E-3Pa～1E6Pa。

2. 電阻真空計：其利用在不同氣體壓力下測量電阻元件阻值變化來確定真空度。中科科儀的KYP-101型變送器的測量范圍為1E5Pa～1E-1Pa，具有空間小、溫度補償快、真空測量穩定等優點。

圖1. KYP-101型單電阻變送器

3. 電離真空計：通過待測氣體在控制條件下電離所產生的離子流來測定壓力的一種真空計。其具有反應迅速，可連續讀數，可測量很低壓力，普通型的電離計可測量到5E-6Pa，改進后制成的超高真空電離計可測量到1E-11Pa。但是電離真空計的靈敏度與氣體種類有關，沒有專門的保護線路，一旦真空系統突然泄漏，規管燈絲往往立即燒毀。

氦質譜檢漏技術

真空系統是由真空泵、閥門、導管等各種元件通過不同形式組成的，這些各式各樣的零件要用不同的密封方法鏈接在一起，既要保證零件的可靠連接又要防止通過接頭發生漏氣，因此當真空容器和真空系統確定之后，檢漏工作通常是關鍵的。氦質譜檢漏技術已成為迄今為止最靈敏、最有效、最方便也是應用最廣的檢漏手段，其檢漏效率高，簡便易操作，儀器反應靈敏，精度高，不易受其他氣體的干擾。中科科儀KYKY系列氦質譜檢漏儀性能穩定，操作方便，可靠性高，其中ZQJ-3000型氦質譜檢漏儀最小可檢漏率為5E-13Pa?m³/s。

圖2. ZQJ-3000型氦質譜檢漏儀

真空的應用

真空對人類主要的貢獻有兩點：對基礎研究來說，提供了最清潔和最少受外界干擾的實驗環境；對工業生產來說，則可以制造性能最優越、甚至自然界前所未有的材料。隨著真空技術在航空航天和軍工、光伏發電以及半導體等領域的應用，它已經成為工業體系不可或缺的重要技術。目前真空技術受到世界各國的重視，真空腔體、技術、材料、配件等有著廣闊的市場前景。高真空度真空腔體消費群體由下游企業構成，高真空度真空腔體主要運用于半導體制造、太陽能裝備制造、光纖制造、食品機械、真空鍍膜設備、醫療設備等行業。

中科科儀分子泵有著優異的抽氣能力，并且有一系列的產品可以滿足不同客戶對真空環境的需求，隨著市場的擴大，我們開發的腳步也從未停止。

參考文獻

[1] 劉玉魁.真空工程設計[M].北京:化學工業出版社,2016.

[2] GB/T3163-2007,真空技術術語[S].

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