第一章 引论 1.1 真空及其度量 概念 物理学上的真空：指没有或者不计气体分子和原子存在的 物理空间。 应用物理与技术所讨论的真空:低于一个标准大气压的气 体状态 标准大气压北纬45度海平面，海拔高度为零，空间温 度为27摄氏度的大气压.此时压强为: 分子密度为: 2) 真空发展史 最早的真空获得和应用的实例可追溯到公元前6世纪 ，那时我国炼铁技术已相当进步，为了融化铁，在炼铁炉 上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓风、“风箱”鼓 风。风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排气。与现在 的往复式活塞真空泵的作用原理基本相同。 典型的真空应用的例子：中医的拔火罐。利用了空气的热 胀冷缩、蒸气冷凝等物理现象来形成罐内真空。 真空技术开始的标志1643年Torrcelli(意大利)托里拆 利实验 帕斯卡(法 物理学家 数学家)12岁发现三角形内角和定理 ,24岁发现压强.证明了大气压与高度有关 1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵马德堡半球实 验（为了证明大气压的巨大力量） 真空技术最初的理论基础1662年，英国人玻义耳发现 了玻义耳定律；1738年瑞士人伯努利提出了气体分子运动 论。 1905年德国人盖得发明了机械泵、1906年皮拉尼发明了热 阻真空计、1913年和1915年盖得先后发明了分子泵和扩 散泵、1916年贝克利发明了热阴极电离计。真空技术迅速 从低真空发展到高真空。1936年希克曼发明了分馏式油扩 散泵、1937年潘宁发明了冷阴极电离计，使高真空技术在 获得和测量两个方面基本完善。 1940年以后真空技术在原子能方面得到广泛应用，并在真空 冶金、真空镀膜、真空冷冻干燥等方面得到扩展。到1950年 ，真空范围已提高到 。贝阿德阿尔伯特在 1950年发明了B-A规，为测量高真空创造了条件。1953年吸 气泵-离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空。 从20世纪50年代到70年代的20多年里，真空技术融入了许多 尖端科学技术并一起得到迅速发展。高能加速器、等离子体 核聚变装置、微电子学中的超大规模集成电路，特别是航天 技术，促使真空技术发生新的飞跃。压力范围下降到 现代真空科学与技术分成8个学科分支：真空技术、真空冶 金、等离子体科学与技术、薄膜科学与技术、电子材料与加 工工艺、表面科学、应用表面科学、纳米科学与技术 真空的特点: 1稀3少 气体较为稀薄 单位体积内分子数目较少(分子密度小) 分子之间或分子与其它质点之间碰撞几率减少 分子在单位时间内碰撞于单位表面积上的次数相对减少 分类: 按成因分为自然真空和人为真空 动物 人(肺): 吸满气(740Torr)呼气(300Torr) 章鱼: 呼气时可达100Torr 蚊子: 吸血原理,利用大气压与腹腔压差造成真空 在100公里以下,海拔每增高15公里,大气压递减约1个数量级. 珠峰顶处的气压为32kPa，仅为海平面的三分之一 飞机: 10km以上高空, 200Torr左右,即26kPa 真空度:气体稀薄程度 可用气体压强、分子密度、平均自由程和单分子层形成 时间来描述。真空技术中通常用压强来表示，压强越低,真 空度越高。低真空时，有时用“真空度百分数”表示。 压强: Torr Pa bar mmHg 1.2 真空区域的划分及其物理特性(应用) 1）低真空（ Pa） n稠密，和正常情况下无太大差别，气体分子仍以杂乱无 章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞还十分频繁，很 难实现带电粒子的定向运动，气体流动属粘滞流态。 应用：得到压力差1公斤/平方厘米（并不要求空间性质有 所改变） 力学作用真空吸引和输送（无网捕捞、吸鱼机、搬运）、 真空成型、真空侵渍、拔火罐（起源于东晋公元300年左 右） 戈力特半球实验 转到 2）中真空（ ） 气体分子密度和常压相比有很大下降，氧化程度降低真 空冶炼（黑色金属的真空熔炼、脱气、浇铸和热处理）金 属材料内气泡、疏松减少，机械强度和性能大大增强 气体中的带电粒子在电场作用下将产生定向运动气体放 电真空电弧炉 气体的对流消失真空隔热和绝缘、（保温）保温瓶 液体的沸点降低 冷冻升华：真空冷冻脱水、冬天凉衣服 、真空冷冻干燥蔬菜、食品 高速空气动力学实验设备（火箭、导弹、飞机、F1赛车） 低压风洞 3）高真空（ ）真空冶金、真空镀膜、真 空器件的生产 分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少，平均自 由程很大，基本不存在气体分子之间的能量交换，分子 流动完全呈现分子流态。带电粒子的飞行方向不受干扰 （显像管），减少了气体的电离。 化学反应接近于零 活泼金属一定要在此状态下冶炼 Ti 、Be 、 Zr 、 U 、 Ge 、 Mo 、W 良好的电、热绝缘性能 材料的沸点、熔点降低 铝 空心钽阴极蒸发离子镀蒸镀氮化钛仿金薄膜 4）超高真空（ ） 气体分子是以固体表面的吸附为主； 单分子层形成时间等于或大于在实验室测量所用时间 制备“清洁”表面； 太空模拟室、可控热核聚变的研究、表面物理表面化学的 研究 5）极高真空（ ） 总结： u真空区域的划分原则真空的物理性质 低真空：力学性质 中真空：液体的沸点降低，气体放电 高真空：绝缘、绝热、无氧化 超高真空：获得清洁表面 极高真空：宇航、物理研究 真空区域的划分原则真空获得技术 低真空：旋片泵、水环泵、滑阀泵 中真空：罗茨泵、油增压泵 高真空：扩散泵、分子泵 超高真空：离子泵、升华泵 真空区域的划分原则真空测量技术 低真空：液位式真空计、指针式真空表 中真空：热偶计、电阻计、薄膜规 高真空：热阴极电离计、冷阴极电离计 超高真空：规 极高真空：调制规、弯注规 真空区域的划分原则真空应用技术 真空应用设备中（用户自己定义，不规范） 前级泵：低真空 次级泵：高真空 例如：感应炉：油增压泵（高）滑阀泵（低） 1.3 真空技术的应用领域 真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用 真空输运、吸引、起吊设备具有结构简单，易于操作、维 护、运输，起吊吸引过程中无振动，生产效率高，运送易 损坏物件安全可靠，对环境无污染等特点。 吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉 状矿物的输运 水泥地板、机场及公路水泥道路的快速吸干 车间起吊、机床夹具、玻璃装运 吸乳、吸尘、吸痰、吸胸膜积水、吸原子弹爆炸所产生的 辐射尘埃 真空造型近年来在立体军用地图、盲人书籍、高级陶瓷、 电冰箱洗衣机板件、玩具复制浮雕和文物中都有广泛应用 化工、制糖、水泥等工业部门已开始大量采用连续真空过 滤，很容易将黏度大的悬浮液利用压力差的作用，通过微 细筛孔将悬浮液中的液体与固体分离 真空浸渍是先对片状或纤维状的疏松物质进行抽真空，再 在液体中浸渍充填一些 新的物质的一种新型工艺 返回 真空在电真空器件中的应用由于各种真空器件的工作 原理是基于电场磁场来控制电子在空间的运动借以达到放 大、振荡、显示图象等目的。因此，避免电子对气体分子 间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子 的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成所要求的不同真空度 ，保证电子器件正常工作。 电真空工业中利用真空中电子束来进行除气、熔炼、区域 提纯、开槽切割、放射性同位素的蒸发难熔金属的焊接等 。 真空在冶金工业中的应用 真空熔炼、真空脱气及炉外精炼、真空热处理、真空烧结 、真空蒸馏浓缩和结晶 真空在镀膜工业中的应用 真空镀膜广泛的应用在光学、电子学、理化仪器、建筑机 械、包装、民用制品、表面科学中。 真空镀膜所采用的方法主要有：蒸发镀、溅射镀、离子镀 、束流沉积镀、化学气相沉积法等 增透膜、高反射膜、导电膜、绝缘膜、保护膜 真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用 生物体保存、贵重或热敏性药物生产、食品制作与保存等 真空在航天工业中的应用（模拟实验） 火箭发动机、航天员训练密封舱、离子推力器、材料及元 件、卫星表面带电模拟 真空在加速器及受控核聚变中的应用 加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能量的装置， 加速器产生的粒子和射线已经用于核物理研究和医疗、工 业、农业食品等部门。 真空在表面科学研究中的应用 当真空度达到的 超高真空时，在固体表面吸附 一个原子或分子层厚度时，所需的时间大约是60分钟。充 分利用这段时间对实验件进行表面研究和测试，是完全可 能的。 1.4 真空物理与真空工程 分子运动论（） 气体的流动理论（） 真空中的热力学问题（） 表面现象（） 溶解、扩散和渗透（） 表面电子发射（） 气体放电（） 带电粒子在各类型电磁场中的运动（） 电子光学基础（） 公式总结公式总结 习题习题 第二章 气体在平衡状态下的物理特性 平衡态 非平衡态 标准状态 2.1 基本定律 2.1.1 实验定律 波义耳-马略特定律 M一定 T=C 盖吕萨克定律 M一定 P=C 查理定律 M一定 V=C 常量 2.1.2 理想气体状态方程 所以 引申出 1) 阿弗加德罗定律 2) 道尔顿分压定律 3) 熟练掌握 返回 2.2 气体的压强公式 气体分子的动能 1)分子的自由度 2)能量按自由度均分原理 方均速率 3)气体的内能 2.3 Maxwell 速率分布率 气体分子以各种大小的速率沿各个方向运动，而且由于 相互碰撞，每个分子的速度都在不断变化。因此，某一特 定时刻单个分子速度的数值和方向，完全具有偶然性。然 而，就大量分子整体来看，在一定的条件下，它们的速度 分布却遵循一定的统计规律。为了研究气体分子按速率分 布情况，研究它的定量规律，引入速率分布函数的概念。 由图2-2 Maxwell 速率分布曲线可以看出,从坐标原点出发, 经过一极大值后,随速率的增大而渐近于横坐标.即气体分 子的速率可以取由0-之间的一切数值,速率很大和很小的 分子所占的比率都很小,而具有中等速率的分子所占的比率 却很大。 与速率分布函数极大值对应的速率叫做最可几速率.物理意 义:如果把整个速率范围分成许多相等的小区间,则分布在 最可几速率所在的区间的分子比率最大。 从上式中可以看出, 温度越高, 越大;分子的质量越大, 越小.对给定的气体,分布曲线的形状随温度而变;在同一 温度下,分布曲线的形状因气体的不同而不同. 对于空气 大约为 500m/s 返回 大量分子的速率的算术平均值叫做分子的平均速率, 用 表示. 分子速率平方的平均值 分子的方均根速率为 在讨论速率分布时用到最可几速率,计算分子运动的平均 距离时用平均速率,计算分子的平均平动动能时用方均根 速率. 返回 2.4 气体分子的碰撞 气体在管道中流动以及热传导、内摩擦、扩散现象的性质 都和分子之间的碰撞有关。 碰撞：实质上是分子在另一分子附近通过时受另一分子给 予的斥力而使运动方向急剧改变的过程。 研究单位时间