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一.真空技术概况（巴德纯）二.真空工程理论基础（张世伟）三.干式真空泵原理与技术基础（巴德纯）四.真空系统组成与设计基础（刘坤）五.真空获得设备原理与技术基础（张以忱）六.真空测量技术基础（刘玉岱）七.真空镀膜技术基础（张以忱）八.质谱原理与真空检漏（刘玉岱）九.真空冶金技术基础（王晓冬）十.真空与低温技术及设备（徐成海）东北大学第八期培训系列之一.前言二.真空的概念与真空技术的发展三.真空技术的应用四.结束语“真空技术”作为独立的学科体系，诞生于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。前言现在，在我们身边利用真空技术的日用品到处可见。例如真空保温杯，保温饭盒，暖水瓶；在食品方面就更多了，如真空罐装液体，真空挤奶，真空干燥食品，真空包装，真空炸制食品等，举不胜举。前言真空包装机压差力的利用如电除尘器，高楼擦玻璃的机器人，板材的运输等（如Al板、Cu板、玻璃板的运输）。前言玻璃板的运输家用吸尘器电子管和电视显像管（电子束管），利用绝热效果的不锈钢制的罐、杯、碗，真空包装食品，真空下使之干燥的食品等为代表的物品。前言电子管真空保温杯，保温饭盒前言太阳能电池相机镜头另一方面，直接利用真空的制品也有很多，真空蒸发和真空涂层技术制作的透镜、玻璃、反射镜、太阳能电池、各种LSI（大规模集成电路）等。现在最尖端的科学技术的进展，很多受真空技术所支配的。人类的最终的能源是核聚变，探索物质结构的大型粒子加速器，今后会更加发展，预期航天技术等大科学中适用高度的真空技术，再有超晶格等新材料的合成，真空技术是不可缺少的。前言粒子加速器托克马克装置前言真空技术是和这些最尖端的科学技术相辅相成发展的。例如热聚变的研究需要有超高真空环境、容积100m3以上的真空容器的制造，真空度有很大提高。现在10-11Pa的极高真空很容易去获得。这样一来，真空技术从日用到最尖端的科学技术得以广泛的适用。真空技术与尖端技术结合在此，首先说明真空的概念及其发展经过，其次叙述真空的获得技术和检测技术的要点，最后对所有的真空应用领域加以具体实例来说明。与真空有关的作为大科学的核聚变、大型加速器和宇宙航天技术，这些简要的加以说明。前言2.1何谓真空2.2真空技术的历史2.3真空的获得和测量技术真空的概念与真空技术的发展真空的定义:比大气压低的压力状态，不是任何东西都没有的虚无的空间。从比大气压（约105Pa）低的状态到虚无的绝对真空（0Pa）为止的宽广的领域。表示真空的程度的基准是必要的。压力和温度分别为1个标准大气压、0℃时，1摩尔的气体分子有22.4升的体积存在的场合，把它称为标准状态。真空的概念与真空技术的发展作为表示真空的单位，现在用Pa（帕斯卡）作为单位，原来的是用Torr（托）作为真空的单位，现在均统一用Pa。Pa与Torr的关系如下：1Torr=133Pa760Torr=105Pa从地表向上的高度的真空度如图1所示。宇宙飞船飞行的压力约为10-5Pa，月亮与地球中间的压力约为10-7Pa，然而在银河系的边界（边缘）处的压力为10-14Pa。真空的概念与真空技术的发展图1地表以上的真空度真空的概念与真空技术的发展近代科学的开花期的17世纪，托里拆利、波义耳和哥里克等人建立了空气动力学法则和真空泵的开发。表1所示为第二次世界大战以前真空技术的历史。真空的概念与真空技术的发展年作者科学技术1643年托里拆利760mmHg上的真空1650年帕斯卡大气压力随高度而变化，活塞式真空泵1654年波义耳定律理想气体的压力与体积的关系1738年Bernoulli气体分子运动论1775年Lavoisier大气的空气是N2和O2的混合物1802年盖吕萨克定律气体体积温度定律1810年Medhurst第一条真空邮递线1811年阿佛加德罗气体恒定的分子密度1843年Samuda第一条真空铁路（都柏林）1850年Toepler汞柱真空泵1859年Maxwell气体分子速度分布定律真空的概念与真空技术的发展年作者科学技术1865年Sprengel汞滴下真空泵1874年Mcleod压缩式真空计1879年Edison碳丝白炽灯1879年Crookes阴极射线管1878年W.Gaede在德国诞生1881年VanderWaals真实气体状态方程1893年Dewar真空绝缘瓶1902年Fleming真空二极管1905年Gaede旋转汞真空泵，Leybold使泵企业化1906年Pirani热传导真空计真空的概念与真空技术的发展年作者科学技术1907年Forest真空三极管1909年Coolidge钨丝白炽灯，钨的粉末冶金1909年Gaede发明旋片旋转泵（Gaede型泵）1909年Knudsen气体分子流1911年Gaede分子真空泵发明1915年CoolidgeX射线管1915年Gaede汞扩散泵发明S＝0.1～0.2L/s1916年Langmuir冷凝扩散泵发明S＝3～5L/s1916年Buckley热阴极电离计真空的概念与真空技术的发展年作者科学技术1923年Holweck盘形分子泵1923年Gaede全金属三级汞扩散泵制造S＝60L/s，20Torr1935年Gaede气镇真空泵，机械泵气镇原理发明1936年Hickman分馏式油扩散泵1937年Penning冷阴极电离计1950年Bayard和Alpert超高真空计（称BA计）1953年Schwartz离子泵1953年Herb等吸气离子泵发明真空的概念与真空技术的发展年作者科学技术1951年Vacuum创刊（英国）1964年JVST创刊（美国）1958年第一次国际真空会议1961年第二次国际真空会议1955年Heraeas公司机械增压泵1958年Hall溅射离子泵真空的概念与真空技术的发展由于真空技术的飞速发展，用炭素灯丝发明了白炽灯泡（1875年），为了使灯丝的寿命长，使灯泡内含O2少而采用真空抽气的办法。霓虹灯制作设备白炽灯泡真空的概念与真空技术的发展20世纪初，人们在真空泵的开发上狠下功夫。因而，真空获得技术格外进步，出现大型蒸发用真空装置和大型的加速器。图2所示为真空容器的容积与真空度的发展过程，容器的尺寸和真空度都有很大增加和提高。真空的概念与真空技术的发展图2真空容器的容积与真空度的发展真空的概念与真空技术的发展历史上有确切记载的，可以认为真空技术的历史开始于1643年。当时，托里拆利（Torricelli）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。托里拆利实验真空的概念与真空技术的发展真空技术的初创时期延续到电灯泡的发明。在这段时期内，在气体定律的基本原理方面，取得了重大的理论和实践的科学技术突破。如玻义耳-马里奥特，查理，盖.吕萨克，伯努利，阿佛加德罗，麦克斯韦，玻尔兹曼等人的成就。【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。小知识真空的概念与真空技术的发展真空实际使用的第一个进展，是和利用真空与大气之间的压力差所产生的机械作用力联系在一起的。葛利克用一个由两个半球合成直径为119cm球体，内用真空泵抽空，在大气压力作用下在其两边各用8匹马而不能拉开的这个经典实验证明了大气的力量。（此即所谓的马德堡半球实验）。后人把这个原理用于真空邮递线和真空铁路运输。马德堡半球实验真空的概念与真空技术的发展爱迪生对白炽灯的研制（1879年）也是早期发明排气系统所产生的结果。（Toepler,Sprengel）白炽灯表明了低分子密度的用途（除去大气的活性组分）。麦克劳真空计（1874年）第一次使测量低压成为可能。高精度直立式麦氏真空计真空的概念与真空技术的发展克鲁克斯（Crookes，1879）的阴极射线管是增大了的平均自由程的第一次利用。而杜瓦瓶（Dewar，1893）则是真空绝热的首次使用。克鲁克斯与阴极射线管杜瓦瓶示意图真空的概念与真空技术的发展真空二极管（1902）、三极管（1907）以及钨丝（1909）的发明，开始了电子管的研制，并使白炽灯的研制日益成熟。在白炽灯生产中使用的真空的“质量”在电子管的新领域内显得不足，这就促使真空的获得和测量得到进一步发展。早期的真空二极管、三极管真空的概念与真空技术的发展皮拉尼真空计、盖德、朗缪尔的汞扩散泵以及热阴极电离真空计为高真空技术的发展提供了可能。汞扩散泵热阴极电离真空计真空的概念与真空技术的发展高真空技术的发展一直延续到第二次世界大战前后。在1935～1936年间取得了三项新成果：气镇泵、油扩散泵以及冷阴极电离真空计。这些成果，直至现在仍是大多数真空系统的常用部件。冷阴极电离真空计油扩散泵原理图真空的概念与真空技术的发展1940年以后真空技术在核技术研究（回旋加速器、同位素分离等），真空冶金，真空镀膜，冷冻干燥设备方面有了很大进展，如1955年机械增压泵的出现。到1950年，真空度一般能达到10-4～10-5Pa，或许达到更低的压强但还不能测量。1950年B-A真空计的出现，为测量更低的压强开辟了道路，进入超高真空领域。1953年出现的离子泵能获得更低的压强，即所谓的“清洁真空”出现。在过去的几十年间，为完成最尖端科学技术的需要，真空技术向大容量化、高真空化和高清洁化的方向发展。真空的概念与真空技术的发展真空度的不同，获得和测量技术也有很大的不同。首先，从获得的压力来看，从低真空到极高真空来分类如表2所示。低真空105～102Pa中真空102～10-1Pa高真空10-1～10-5Pa超高真空10-5～10-8Pa极高真空10-8Pa以下表2真空的分类真空的概念与真空技术的发展真空获得的方法可分成以下三类。（1）利用机械力的真空泵；（2）利用蒸汽喷射的真空泵；（3）利用表面现象的真空泵。这些泵的工作范围如图3所示。真空获得的方法真空的概念与真空技术的发展压力（Pa）泵的种类机械泵蒸汽喷射泵其他油封机械泵机械增压泵涡轮分子泵水银扩散泵油扩散泵油喷射泵蒸汽喷射泵溅射离子泵低温泵吸附泵10-610210-210-4104100图3各种真空泵的工作范围真空的概念与真空技术的发展各种泵可能达到的压力和抽速是组成真空系统所必须的。另外，欲获得高的真空度，适当的使用多台泵是必要的。超高真空状态的实现单用泵来抽是不行的，表面吸附的气体要烘烤除气或放电情况是必要的。极高真空的获得要使用低温泵，对于真空容器的材料的选择和内壁的处理是必不可少的。真空的概念与真空技术的发展罗茨真空泵组真空的概念与真空技术的发展真空的压力测定方法在较高压力时（105～1Pa）利用压力差U型管压力计，麦克劳真空计，薄膜计，弹簧管压力计等。在103～10-2Pa的中间压力范围，利用气体性质（热传导，粘性）的变化而做成的皮氏计、粘性真空计。在低压力时，使用将气体分子电离而测量的电离真空计。真空的概念与真空技术的发展真空计的名称可测的压力范围（Pa）水银压力计（U型管）105～102油压力计（U型管）3*103～1麦克劳真空计（一般型和特殊型）103～10-3弹性变形真空计105～102隔膜真空计（机械式）105～102隔膜真空计（电气式）105～10-3电离真空计（三极管型）10-1～10-5表3真空计的适用压力范围真空的概念与真空技术的发展真空的概念与真空技术的发展真空计的名称可测的压力范围（Pa）超高真空用B-A型10-2～10-6极高真空用热阴极磁控计10-5～10-10高真空用（舒尔茨型）10～10-2冷阴极真空计1～10-5皮拉尼真空计104～10-2热电偶真空计102～10-1热敏电阻真空计102～10-1粘性真空计1～10-5