真空技术的历史、现在与将来

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》培训班讲义之一2006.6.2～2006.6.7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一.前言二.经典真空技术及其应用的历史回顾三.真空实用技术及其应用四.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。“真空技术”作为独立的学科体系，始于19世纪末20世纪初。20世纪中期，随着电子器件、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。前言一.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。我国在20世纪60年代初，把真空技术作为极端技术（高压、真空、高温、低温）之一，受到国家的高度重视。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。我校的“真空技术及设备”专业正是在这种情况下，于1958年诞生的，1962年有了第一届毕业生。1979年成立中国真空学会。1983年中国真空学会作为中国唯一的会员单位加入了国际真空科学技术与应用协会（IUVSTA）。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。传统的真空技术主要包括：真空的获得、检测以及真空系统的配置等。它成为配合许多学科创新的条件和手段。现代科学技术的相互交叉渗透，极大地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，揭示了自然界中许多新的现象和规律，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根据IUVSTA的划分，现代真空技术的分支学科包括：经典的真空技术（真空获得、检测、系统及其常规应用），真空冶金及表面工程，等离子体科学与技术，薄膜，电子材料及加工工艺，表面科学，应用表面科学，纳米科学与技术（见图1.1）。目前我国真空学会也是按此分支设置专业委员会的。因此，真空技术不仅为现代许多科技所需要，而且在更深层次的物理学研究中也是一个非常重要的物理范畴。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.经典真空技术及其应用的历史回顾1.何谓真空2.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.何谓真空所谓的真空，一种是物理学上的“真空”，没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；另一种是应用物理与技术所讨论的“真空”，指低于一个大气压力的稀薄气体的空间状态。“真空”一词来自拉丁语“Vacuum”，原意是“空虚”。真空的定义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。地球上存在着自然状态的真空。包围地球的大气层、受地心引力（空气分子重力）的作用，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。通常衡量气体稀密程度的物理量是压力，因为气体分子处于无规则的热运动之中，与物体碰撞时会产生压力。气体分子密度越大，气体压力也越大。在海洋平面上，气体产生的压力值为101325Pa，约105Pa，此值称为标准大气压。而珠峰顶处的大气压力只有32000Pa。为海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。大气压力随着离地高度的递增而降低，基本按指数规律下降。高度（Z）每升高15公里，压力（p）下降一个数量级。地球大气层以外的宇宙真空，称为“空间真空”，它是典型的“自然真空”。自然真空经典真空技术及其应用的历史回顾)ZkTmg(exppp0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。人通过胸腔和腹腔之间的膈膜的收缩和放松迫使肺呼吸，吸气时胸腔压力接近大气压力，呼气时可降到大气压力以下，即人为真空状态。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。进一步，人们运用科技手段，发明了各种真空泵去抽掉密闭容器中的气体，获得“人为真空”，逐渐形成了“真空技术”这个学科。但是，即使在使用现代排气方法获得的最低压力，也只能达到10-12～10-13Pa，还远未达到绝对真空。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.真空技术的发展历史最早的真空获得和应用，可追溯到公元前六世纪，我国炼铁技术就相当进步，为了熔化铁，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。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１２００年后的１３世纪末才传入欧洲。１４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、优化了冶炼，并增加了产量。欧洲直到１８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。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本相同。这种风箱在公元1367年时就已成为炼铁的重要工具了。这是最早真空获得和应用的实例。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。还有更为典型的例子是中医的拔火罐（如右图）。两千年前，它已在我国民间用作治病的工具。它很好地利用了空气热胀冷缩、蒸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。历史上有确切记载获得“真空”的却是欧洲人。1643年，意大利人托利拆里做了大气压实验。他用一根一端封闭的细长玻璃管和一个盛水银的小槽，先将水银从玻璃管开口端灌入，直到灌满全管。然后压住开口，将玻璃管倒立在水银槽内，再打开压住的开口。此时玻璃管中的水银高度逐渐下降，直到距离小槽液面以上760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。他认为在玻璃管上端的空隙容积内就是“真空”。随后，他的学生帕斯卡等人将实验搬到山上去做，结果水银柱低于760毫米，证明大气压与高度有关。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，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。1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验（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。他用两个直径119厘米的半球合起来，用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，每个半球用8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。1662年英国人玻义耳发现玻义耳定律，到1879年瑞士人伯努利提出气体分子运动论，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】伯努利明确地叙述了气体分子运动论，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。从1643年托里拆利获得真空，到1879年爱迪生发明碳丝电灯泡的200多年间，真空技术经历了一个漫长的发展过程。这个过程孕育着电子学的诞生和发展。即所谓“电真空器件”就是内部空间为真空的电子器件。真空技术为电子技术的发展开辟了道路。在20世纪初，电子技术的发展，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。1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；之后，盖得又于1913年和1915年先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。盖德发明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