经典真空技术与设备

经典真空技术与设备内容摘要：

质的质变的过程，作为划分真空区域的依据，是比较合适的。 根据我国所制订的国标 GB3163 的规定，真空区域大致划分如下： 低真空区域 105~102 Pa （ 760~1 托） 中真空区域 102~101 Pa （ 1~103 托） 高真空区域 101~105 Pa （ 103~107 托） 超高真空区域 〈 105Pa （〈 107 托〉 处于低真空区域（包括粗真空区域）下的气体状态，与常压下气体状态相比，只有分子数目由多变少的量的变化。 在这个压强区域内，由于气体宏观量（如密度、温度等）在气体空间中分布的不够均匀，由于分子的热运动，分子将把这个量由较大的地方，迁移到较小的地方去，以便最终达到均匀的分布。 但是，在还没有达到均匀分布之前的气体状态虽然处于变化之中，但还没有引起质的变化。 同大气状态一样，这时气体的输运量仍与压力无关。 但是，尽管如此，分子数目减少这种量变过程对生产过程也起了极其重要的作用。 例如利用一面是大气，另一面是真空所造成的压力差或吸引力来做为巨大的能源；把钢水置于真空之下进行浇注或处理，借以减少钢中有害气体的含量和杂质，从而提高钢的质量；把食品或生物制品保存在真空容器里，借以减少有害气体对它侵蚀而延长保存时间；如果在低真空里进行浓缩结晶，那就可以非常方便地制取盐、糖；如果把低压环境下能使液体容易挥发的道理用于石油、化工，就可以通过“减压蒸馏”来分离某些不能在高温下操作的有机化合物。 所有这此，下面我们都要介绍。 当气体处于高真空区域时，空间的气体分子数已经减少到使气体分子之间的碰撞少于气体分子与盛装它的容器器壁的碰撞次数了。 这就引起了真空物理的质的变化。 这种质变首先表现在气体的内摩擦出现了滑动现象，气体的热传导也出现了温度剧增的现象。 与此同时，与大气和中真空状态下相反，压强已经与气体的输运现象有关了。 此外，在高真空区域如果气体各部分温度不同，还会出现热流逸、热辐射等在大气和中真空时所没有的新的物理性质。 在气体的流动性质上也有新的区别。 高真空的气体流动状态是分子流，低真空则为粘滞流。 由于这些特点，这一区域里的真空 在生产和科学研究部门的应用，就更为广泛了。 诸如电真 8 空器件工业、高真空镀膜工业；电子显微镜、基本粒子加速器；真空冶金工业中对稀有金属、难熔金属的冶炼、制取和提纯；真空热处理、真空焊接等等，都要用到高真空技术。 如果气体的分子数目在容器内再进一步减少，则跨入了超高真空区域。 在中真空和高真空区域里，空间的物理过程起主要作用，但在超高真空区域中，取代这个作用的是与真空接触的物理表面上所发生的物理过程。 这种变化的结果，使“真空”又一次从气体分子数目的量变而产生了又一个新的质变。 这种变化表现在气体分子在与真空接 触的物理表面间的吸附和脱附过程之中。 研究这一过程的科学目前正在飞速地发展着，这就是表现物理和表现化学以及超细微粒的制备和应用等方面。 不同真空状态下的真空工艺技术 随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们基于气体性质的这种变化，在不同的真空状态下应用各种不同的工艺方法，达到各种不同的生产目的，就是真空应用技术中所研究的主题。 目前，可以说，从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制作，到几公里长的大型加速器的运转，从受控核聚变到人造卫生和航 天器的宇宙飞行，直至许多民用装饰品的生产，无一不与真空技术密切相关。 表 19是不同真空状态下，根据气体性质的不同所引发出来的各种真空工艺技术的应用概况。 表 19 不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况 真空状态 气体性质 应用原理 应用概况 低真空 105~102（ Pa） 760~1（ Torr） 气体状态与常压相比较，只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化，分子相互间碰撞频繁。 利用真空与大气的压力差产生的力及压差力均匀的原理实现真空的力学应用 真空吸引和输送固体、液体、胶体和 微粒； 真空吸盘起重、真空医疗器材； 真空成型，复制浮雕； 真空过渡； 真空浸渍。 中低真空 102~101（ Pa） 1~103（ Torr） 气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小。 利用气体分子密度降低可实现无氧化加热，利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘。 利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥。 黑色金属的真空熔炼、脱气、浇注和热处理。 真空热扎、真空表面渗铬； 真空绝缘和真空隔热； 真空蒸馏药物、油类 及高分子化合物； 真空冷冻、真空干燥； 真空包装、真空充气包装； 高速空气动力学实验中的低压风洞。 9 高真空 101~105（ Pa） 103~107（ Torr） 分子间相互碰撞极少，分子与器壁间碰撞频繁。 气体分子密度小 利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用微弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产。 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金； 纯金属的真空蒸馏精炼；放射性同位素蒸发； 难熔金属的真空烧结； 半导体 材料的真空提纯和晶体制备； 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造； 真空镀膜、离子注入、膜 — 刻蚀等表面改性； 电真空工业的光电管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪、电子显微镜、 X 光显微镜、各种粒子加速器、能谱仪、核辐射谱仪、中子管、气体激光器的制造； 电子束除气、电子束焊接、区域熔炼、电子束加工。 10 超高真空 ＜ 105（ Pa） ＜ 107（ Torr） 气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面形成单分子层的时间增长。 气态空间中只有固体本身的原子，几乎没有其他原子或分子的存在。 利用气体分子密度极低与表现碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理，实现表现物理与表现化学的研究。 可控热核聚变的研究； 时间基准氢分子镜的制作； 表面物理表面化学的研究； 宇宙空间环境的模拟； 大型同步质子加速器的运转； 电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。 真空科学的应用领域 真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺 织、造纸、农业、民用工业以及近年来得到迅速发展的表面科学与纳米科学等工业部门和科学研究工作中。 现就其主要的几个部门简述如下： 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、吸引及起吊设备，都是利用真空与大气空间存在压力差所产生的力来做功的。 由于这种机械能存在着压强处处均匀的特点，因此可绝对密实地施加工到任何形状的平面上。 目前，这些真空设备大多用在吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物、粉状化工厂产品，水泥地板、预制板、机场及公路水泥路道的快速吸干 、车间起吊、机床夹具，玻璃装运，吸乳、吸尘、人工流产吸引胎儿、吸痰、吸胸膜积水、脓液、吸肠以及吸引原子弹爆炸所产生的辐射尘埃等生产作业中。 这些设备均具有结构简单，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。 因此具有广阔的应用范围和前景。 真空造型也是利用压差力的一个重要方面，近年来在立体军用地图、盲人书籍、示数模型、高级陶瓷、混凝土予制件、电冰箱洗衣机板件、玩具、复制浮雕和文物、行波管和返波管中的细旋支住成形、质谱仪中分析室以及微波系统的波导制作 方法，都广泛的采用了这一技术。 真空力学应用的另一个领域是真空过滤和真空浸渍。 目前化工、制糖、水泥等工业部门已开始大量采用的连续真空过滤，很容易将粘度大的悬浮液利用压差力的作用，通过微细筛孔而将其悬浮液中的液体与固体分离。 在染料工业中利用真空过滤法可以大量节省棉布。 真空浸渍是把片状或纤维状的疏松物质，进行先抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺。 这种工艺用在含油轴承、鱼网纤维、皮革、非电解电容、变压器、电动机定子线圈等产品上已经显著的提高了产品质量。 此外，这种工艺对疏松劣质木材进行聚脂 树脂浸渍，对铅笔木进行蜡类浸渍使其改变原有的天然性能达到化劣质为优质的目的，并已达到了预期的效果。 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。