真空技術(shù)
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真空技術(shù)概述
在真空科學(xué)與技術(shù)中，“真空”詞被理解為低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體狀態(tài)。這種狀態(tài)同正常的大氣狀態(tài)相比較，氣體較為稀薄，即單位體積內(nèi)的分子數(shù)目較少，分子之間或分子與其它粒子（如電子、離子）之間的碰撞幾率減少，分子在單位時間內(nèi)碰撞于單位表面積（如器壁）上的次數(shù)也相對減少。這些是“真空”的主要特性。真空常用帕斯卡（Pa）或托爾（Torr）作為壓力的單位（1 Torr = 133.3 Pa）。在自然環(huán)境里，只有外太空堪稱最接近真空的空間。
真空技術(shù)專業(yè)名詞解釋
1. 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓
在重力加速度為980.665cm/s2，水銀溫度為0℃，密度為13.5951g/cm3的條件下，760mm高的汞柱產(chǎn)生的壓力，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值為：
2. 真空度
表示真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度，通常用壓力值來表示。
3. 真空區(qū)域劃分
低真空：1E5Pa～1E2Pa
中真空：1E2Pa～1E-1Pa
高真空：1E-1Pa～1E-5Pa
超高真空：1E-5Pa～1E-9Pa
極高真空：低于1E-9Pa
4. 全壓力
混合氣體中所有組分壓力的總和。
5. 分壓力
混合氣體中某一組分的壓力。
6. 平均自由程
一個分子與其它氣體分子每連續(xù)兩次碰撞之間的平均路程，叫平均自由程。平均自由程與壓力、溫度及分子直徑等因素有關(guān)。對于室溫下的空氣，平均自由程近似值由下式給出：
式中λ?—平均自由程，m；p?—?dú)怏w壓力，Pa。
7. 粘滯流
氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)小于導(dǎo)管最小截面尺寸的流態(tài)。因此，流動取決于氣體的粘滯性，粘滯流可以是層流或滯流。
8. 分子流
氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài)。
9. 中間流
在粘滯流和分子流之間狀態(tài)下氣體通過導(dǎo)管的流動。
10. 流量
在給定時間間隔內(nèi)通過某一截面的氣體量除以該時間。
11. 吸附
固體或液體對氣體或蒸氣的捕集現(xiàn)象。
12. 解吸
被材料吸附的氣體或蒸氣的釋放現(xiàn)象。
13. 去氣
氣體從材料中人為的解吸。
14. 放氣
氣體從材料中自然的解吸。
15. 滲透
氣體通過固體阻擋層的現(xiàn)象。
注：只列出常用真空技術(shù)術(shù)語，如果需要其它術(shù)語的解釋，請查閱真空標(biāo)準(zhǔn)GB/T3163-2007。
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真空環(huán)境的獲得
真空環(huán)境是很多精密設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件，由于目前自然真空的利用十分困難，因此一般通過真空泵獲取真空環(huán)境。用來獲得、改善、維持真空的裝置稱為真空泵。一般來說，為了獲得高真空、超高真空及極高真空，有時還要采用多臺真空泵構(gòu)成機(jī)組來完成抽氣任務(wù)。因此，了解各種真空泵的工作原理、主要性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，對于正確選擇經(jīng)濟(jì)適用的真空泵是非常重要的。
最常用的真空泵就是機(jī)械泵，它通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將空氣從吸氣口吸入，然后從出氣口排出。機(jī)械泵能夠達(dá)到的真空度大概為1Pa。但是這樣的真空度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到很多物理實(shí)驗(yàn)的要求，所以更高要求的真空環(huán)境就需要用到渦輪分子泵或磁懸浮分子泵來獲得。渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動而抽氣的真空泵。由于渦輪分子泵需要在粗真空下才能正常工作，一般利用機(jī)械泵作為其前級泵。分子泵進(jìn)入正常轉(zhuǎn)速后利用烘烤的手段可得到1E-8Pa的極限壓力。
分子泵的高轉(zhuǎn)速也使得其十分“脆弱”，一?；覊m甚至氣體本身都會對運(yùn)轉(zhuǎn)中的葉片造成巨大的傷害。并且只要分子泵在啟動狀態(tài)，前級機(jī)械泵就需要一直維持運(yùn)轉(zhuǎn)。啟動和關(guān)閉都要嚴(yán)格遵循程序，否則就可能造成“機(jī)毀泵亡”。
影響真空環(huán)境的因素
真空環(huán)境的獲得比較困難，尤其是超高真空環(huán)境，其中主要的影響因素有以下幾點(diǎn)：
1. 部件生產(chǎn)過程中，其表面不可避免的會附著金屬碎屑和灰塵，因此在進(jìn)行抽空作業(yè)前，必須對部件表面進(jìn)行清潔，以保證環(huán)境盡快達(dá)到所需要求。
2. 在溫度和壓力的作用下，所有物質(zhì)都可以通過冷凝和蒸發(fā)在固液氣三種狀態(tài)下變化，因此物質(zhì)的聚集狀態(tài)對真空環(huán)境的影響巨大。
3. 吸附在部件表面的氣體在真空環(huán)境下會被解吸，之后逸到真空環(huán)境中，影響真空系統(tǒng)、另外真空系統(tǒng)通常由不同的密封件連接在一起，由于密封質(zhì)量的不同，因此整體的漏率對真空環(huán)境影響較大。
4. 為了獲得高質(zhì)量的真空環(huán)境，在操作過程中，可使用烘烤的方法增加氣體的解吸和擴(kuò)散，以便設(shè)備能更多的抽出金屬中逸出的氣體。
5. 由于解吸過程緩慢，為了防止冷凝蒸汽（如水蒸氣和其他可冷凝物）吸附在真空室內(nèi)壁上，造成避免不必要的污染，應(yīng)該使用干燥的氮?dú)獯婵諝鈱φ婵帐疫M(jìn)行排氣。
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真空的測量
真空度測量指的是對低于大氣壓的氣體全壓的測量。因此，真空計(jì)是測量真空系統(tǒng)中低于大氣壓的所有氣體總壓的儀器。以下是一些常見的真空計(jì)：
1. 薄膜真空計(jì)：該裝置中用金屬彈性薄膜把規(guī)管分隔成兩個小室，一側(cè)接被測系統(tǒng)，另一側(cè)作為參考壓力室，當(dāng)被測系統(tǒng)壓力變化時薄膜隨之變形，利用變形量來測量壓力。將變形量轉(zhuǎn)換為電容的變化用電學(xué)方法來測量的薄膜真空計(jì)稱為電容薄膜真空計(jì)。電容薄膜真空計(jì)的壓力測量范圍與膜片的厚度、直徑、材料等有關(guān)，其測量范圍為1E-3Pa～1E6Pa。
2. 電阻真空計(jì)：其利用在不同氣體壓力下測量電阻元件阻值變化來確定真空度。中科科儀的KYP-101型變送器的測量范圍為1E5Pa～1E-1Pa，具有空間小、溫度補(bǔ)償快、真空測量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
圖1. KYP-101型單電阻變送器
3. 電離真空計(jì)：通過待測氣體在控制條件下電離所產(chǎn)生的離子流來測定壓力的一種真空計(jì)。其具有反應(yīng)迅速，可連續(xù)讀數(shù)，可測量很低壓力，普通型的電離計(jì)可測量到5E-6Pa，改進(jìn)后制成的超高真空電離計(jì)可測量到1E-11Pa。但是電離真空計(jì)的靈敏度與氣體種類有關(guān)，沒有專門的保護(hù)線路，一旦真空系統(tǒng)突然泄漏，規(guī)管燈絲往往立即燒毀。
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氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)
真空系統(tǒng)是由真空泵、閥門、導(dǎo)管等各種元件通過不同形式組成的，這些各式各樣的零件要用不同的密封方法鏈接在一起，既要保證零件的可靠連接又要防止通過接頭發(fā)生漏氣，因此當(dāng)真空容器和真空系統(tǒng)確定之后，檢漏工作通常是關(guān)鍵的。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)已成為迄今為止最靈敏、最有效、最方便也是應(yīng)用最廣的檢漏手段，其檢漏效率高，簡便易操作，儀器反應(yīng)靈敏，精度高，不易受其他氣體的干擾。中科科儀KYKY系列氦質(zhì)譜檢漏儀性能穩(wěn)定，操作方便，可靠性高，其中ZQJ-3000型氦質(zhì)譜檢漏儀最小可檢漏率為5E-13Pa?m3/s。
圖2. ZQJ-3000型氦質(zhì)譜檢漏儀
真空的應(yīng)用
真空對人類主要的貢獻(xiàn)有兩點(diǎn)：對基礎(chǔ)研究來說，提供了最清潔和最少受外界干擾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；對工業(yè)生產(chǎn)來說，則可以制造性能最優(yōu)越、甚至自然界前所未有的材料。隨著真空技術(shù)在航空航天和軍工、光伏發(fā)電以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用，它已經(jīng)成為工業(yè)體系不可或缺的重要技術(shù)。目前真空技術(shù)受到世界各國的重視，真空腔體、技術(shù)、材料、配件等有著廣闊的市場前景。高真空度真空腔體消費(fèi)群體由下游企業(yè)構(gòu)成，高真空度真空腔體主要運(yùn)用于半導(dǎo)體制造、太陽能裝備制造、光纖制造、食品機(jī)械、真空鍍膜設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。
中科科儀分子泵有著優(yōu)異的抽氣能力，并且有一系列的產(chǎn)品可以滿足不同客戶對真空環(huán)境的需求，隨著市場的擴(kuò)大，我們開發(fā)的腳步也從未停止。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉玉魁.真空工程設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.
[2] GB/T3163-2007,真空技術(shù)術(shù)語[S].
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