真空技术基础及其应用现状,刘甲朋,一、真空概述,1643年。伽利略（Galileo Galilei）的弟子托里拆利（Evangelista Torricelli）在意大利佛罗伦萨市（Florence）做了一个著名的实验，将一端密封的长管注满水银并倒置在盛有Hg（汞）的槽里时，发现了密封的玻璃管中760mm水银柱顶端产生的真空。从而证实了大气的压力可支撑760mm汞柱的重量。,托里拆利实验,1654年，德国工程师盖利克（Otto von Guericke）利用其发明的活塞抽气泵在马德堡市（Magdeburg）公开表演马德堡半球实验，即两边各用八匹马，也不能将合拢在一起的已抽真空的两个半球拉开。从此，人们对大气压力有了认识，物理学家们开始对低气压中的现象进行研究，工程师们发明了各种抽气机。,马德堡半球实验,阴极射线（Goldstein，1876年） 碳丝灯泡（T.A.Edison，1879年） X射线（W.Rontgen,1895年） 真空二极管（A.Fleming，1902年） 真空三极管（L.Forest，1907年） 充气日光灯（I.Langmuir，1915年） X射线管（ W.D.Coolidge，1915年）,早期真空相关发现和发明：,真空泛指低于地区大气压力的气体状态,1、真空的定义：,2、真空的特点：,与大气压有压力差 分子数密度低 平均自由程长 在表面形成单分子层的时间长,3、描述真空度的单位：,帕斯卡（Pa）：1Pa=1N/m2 标准大气压（ atm ）：1atm=101325Pa 巴（ bar ）：1bar=105Pa 托（Torr）：1Torr=1/760atm133Pa,4、真空区域的划分,根据GB/T3163-93，真空区域大致划分如下： 低真空：105Pa102Pa 中真空：102Pa10-1Pa 高真空：10-1Pa10-5Pa 超高真空：10-5Pa10-9Pa 极高真空：10-9Pa,二、真空系统,用于满足某种真空工艺要求，具有获得并测量、控制有特定真空度的系统称为真空系统,真空系统的组成,1、真空容器 2、真空获得设备 3、真空测量设备 4、真空控制系统 5、真空检漏,1、真空容器（vacuum chamber）,根据力学计算能允许容器的压力低于环境压力的真空密封容器,常用的真空容器主要有圆形和方形两种，圆形又分为立式和卧式两种结构 材质通常为304不锈钢，有特殊要求时，可以选用其他材料,2、真空获得设备,用来获得真空的设备，称为真空泵，按其工作原理，分为两大类： 压缩型真空泵：将气体从泵的入口端压缩到出口端，并排出泵体外。 吸附型真空泵：利用各种吸气作用将气体吸附在泵体内以达到降低真空度的作用。,罗茨真空泵,旋片真空泵,螺杆泵,分子泵,低温泵,罗茨泵机组,真空系统泵组组合,3、真空测量设备,真空度的高低通常用气体压强来表示，气体压强越低，真空度越高；反之，气体压强越高，真空度越低。 真空测量，就是测量真空系统的气体压强。,按照测量原理的不同，可将真空计分为以下三种： （1）压缩真空计：先将气体压缩，让其压强升高，测出升高后的压强后，再设法计算出原来的压强。 （2）热传导真空计：利用一根热的导丝，测量气体导热造成的某些效应，如温度的变化等。 （3）电离式真空计：利用电子碰撞气体分子，使其电离，然后测量所得的离子流。,各种真空计适用压力范围,几种常用真空计简介,电容薄膜真空计 原理：压强改变时薄膜发生形变，它和感知电极间的距离改变，从而其间的电容量改变，用电学的方法测出电容量，便可通过校准确定气体压强。 量程：其量程有四个数量级，105Pa10Pa、104Pa1Pa、103Pa10-1Pa、102Pa10-2Pa 特点：量程宽(1105Pa110-2Pa)，精度高，稳定性好，测量结果与气体 种类无关 ，特别是可以测量蒸汽和腐蚀性气体的压力,热阴极电离真空计 原理：使待测空间的气体电离，测量所产生的离子浓度，离子浓度正比于气体浓度，故在一定压强范围内常能得到线性的关系。 量程：1110-5Pa 优点： （1）测出的为总压强 （2）反应迅速，可连续读数，还可远距离控制； （3）对机械振动不敏感 缺点： （1）灵敏度与气体种类有关 （2）压强高于10-1Pa时，灯丝易于烧毁。,4、真空控制系统,控制真空系统中机组的启停，大门的开、闭，真空系统真空度、温度的监测系统，称为真空控制系统，该系统包括控制操作界面、显示界面等。,5、真空检漏技术,一个理想的真空容器，当达到真空状态后，与对其工作的真空泵隔离，该容器内的真空度不应改变。而一个真正容器内，则压强会上升，这是由于容器壁表面出气、渗透和漏气等因素构成的。 任何一个真空系统，漏气时绝对的，不漏时相对的。 一个真空系统的极限压强，实际就是抽气与漏气达到动态平衡时的压强。,真空系统的漏气分为实漏和虚漏 虚漏是指真空容器内部有漏源，如材料内部有孔洞，或结构上有死空间，其中的气体不能有效的被真空泵抽走，而是通过缝隙缓慢地，源源不断地漏向真空系统，就像有漏孔存在一样，但又无法从外部检测出来。它可以通过选用优质材料或改变设计方案解决 实漏指与外界连接的漏孔造成的漏气。它可以通过适当的检漏方法和检漏仪器检测出来。,真空泄漏测量指标：漏率，单位： Pam3/s 真空泄漏常用测量方法：氦质谱检漏仪检漏,6、真空容器设计参数示例,容器直径：DN5000mm； 筒体壁厚：20mm（局部加强筋） 极限真空：510-5Pa（液氮低温） 漏率： 优于210-5PaL/s 泵组：罗茨泵干泵机组、分子泵、低温泵,容器直径：DN2500mm； 筒体壁厚：16mm 极限真空：710-5Pa（液氮低温） 漏率： 优于210-5PaL/s 泵组：罗茨泵机组、分子泵、低温泵,容器直径：DN1600mm； 筒体壁厚：12mm 极限真空：210-4Pa 漏率： 优于210-5PaL/s 泵组：双旋片泵、双分子泵,三、真空技术的应用,从电气除尘器到食品的真空包装等日常应用，到薄膜合成，核聚变，加速器，宇宙航行领域为止，真空技术得到广泛的应用,与真空技术有关的各种行业及其应用实例,四、真空系统示例,真空镀膜机,在真空下对需要镀膜的产品进行镀膜，具体包括很多种类，包括真空离子蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，PLD激光溅射沉积等很多种。主要思路是分成蒸发和溅射两种。 应用示例：如：卫浴五金（如水龙头、眼镜片、汽车轮毂、首饰等装饰品镀超耐磨装饰（金银）纳米膜和纳米叠层膜。,真空炉,真空烧结 真空淬火 真空钎焊 真空冶炼,热真空环境模拟设备,用以模拟真空、冷黑和太阳辐射 3项宇宙空间基本参数，用于进行航天器的热真空试验和热平衡试验。,大型强子对撞机（LHC）,大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，由34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室所共同出资合作兴建的。有大约80个国家的7000名科学家和工程师参与项目建设。它包含了一个圆周长为27公里的圆形隧道，位于地下50至150米之间。隧道本身直径三米，位于同一平面上，坐落于在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（又名欧洲粒子物理实验室），横跨法国和瑞士的边境。,其他应用,真空包装 真空干燥 真空蒸馏 真空输送 真空解冻 真空含浸 吸尘器,五、真空列车与真空,真空列车是指在密闭的真空管道内行驶，不受空气阻力、摩擦及天气影响,1、真空管道,目前，直径六米以上，真空度-5、-6量级的真空容器已可轻易加工完成,2、真空度获得,各种真空泵技术已经非常完善，但是如何更经济，更环保，更快速的获得项目运行所需的真空度，是我们目前需要解决的难题。,3、真空度维持,各种检漏技术已非常完善，对于特高真空的保持已不再是难题。,结束语,真空技术近10年间的发展，核聚变装置及加速器的研究，几百m3超高真空容器的制造，10-11Pa的极高真空也能简单的获得。真空技术在各领域的应用不断扩大。 今后，作为一项尖端科学技术，真空技术将不断发展并在各领域扩大其用途。,谢谢大家！,