真空技术的历史、现在与将来.ppt

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,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,“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,真空技术的开创与发展,一.前言,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,,我国的真空技术,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,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,,,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前 言,图1.1 现代真空技术,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,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,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,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,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,,大气压力与高度的关系式,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,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,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,,,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,,,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,,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,,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,,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,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,,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,,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,,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,经典真空技术及其应用的历史回顾,盖德发明的水银扩散泵,,真空技术迅速从低真空发展到高真空，高真空技术的发展势头一直延续到第二次世界大战尤其是希克曼1936年发明了油扩散泵，潘宁1937年发明了冷阴极电离计，使得高真空技术在获得和测量两方面基本上已完善直到今天，这些发明还运用在多数真空系统上。

经典真空技术及其应用的历史回顾,现在的油扩散泵,1940年以后真空技术在原子能方面得到广泛应用，并在真空冶金、真空镀膜、真空冷冻干燥等方面得到扩展到1950年，真空范围提高到10-4～10-5pa在某些实验室里也曾得到更高的真空，但还不能测量出来经典真空技术及其应用的历史回顾,真空技术的应用在扩展,贝阿德－阿尔珀特1950年发明了B-A规，才为测量超高真空创造了条件1953年吸气剂－离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空经典真空技术及其应用的历史回顾,B－A规发明,吸气剂－离子泵 出现,,从20世纪50年代到70年代的20多年里，真空技术融入许多尖端科学技术并一起得到迅速发展高能加速器、等离子体核聚变装置、微电子学、大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃经典真空技术及其应用的历史回顾,真空技术与尖端技术结合,真空进入了“超清洁”时代，压力范围从 10－4～10－5pa下降到10－12～10－13pa一下子真空度提高了七八个数量级，真空系统容积大到数万立方米，低温泵的抽速可高达107升/秒经典真空技术及其应用的历史回顾,“超清洁”时代,,今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（105pa）到10-13pa，压力范围达18个数量级，并随着某些新应用的开拓而要求一步步地接近“理想真空”。

今天的真空技术： 105pa～ 10-13pa,经典真空技术及其应用的历史回顾,,真空实用技术及其应用,三、真空实用技术及其应用,真空实用技术主要包含真空获得技术、真空测量与检漏技术、以及真空系统和元件的设计计算等真空技术的早期发展主要围绕这几方面进行真空实用技术的内容,目前，常用的真空获得设备有各种机械泵，如旋片泵、定片泵、滑阀泵、罗茨泵、往复泵、各种干式机械真空泵、扩散泵、分子筛吸附泵、升华泵、溅射离子泵、涡轮分子泵和低温泵等（见图3.1）它们以不同的原理排气或吸附气体，以达到获得真空的目的真空实用技术及其应用,常用的真空获得设备,真空实用技术及其应用,图3.1 几种真空泵,美国瓦里安旋片泵,低温泵,美国瓦里安分子泵,目前实用的测量真空度的各种真空计（图3.2）有U型真空计、压缩式真空计、热导真空计、热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计等它们以不同的原理测量真空度，其中对于通过其他物理测量间接获得真空度的，还需预先进行真空计较准真空实用技术及其应用,各种真空计,真空实用技术及其应用,图3.2 几种真空计,开式U型管真空计,闭式U型管真空计,真空实用技术及其应用,热传导真空计原理图,真空实用技术及其应用,热阴极电离真空计,压缩式真空计,真空实用技术及其应用,冷阴极电离真空计,测量气体分压的有各种类型的质谱仪。

可使其一密闭容器中获得所需的真空，还必须和各种漏孔作斗争，因而发明了各种检漏方法和工具，如氦质谱检漏仪真空实用技术及其应用,质谱仪,随着提高容器真空度的过程，真空器壁及内部工件的放气就变得非常重要，它往往成为阻碍达到高真空的主要因素因此，往往都要对这些材料进行高温烘烤除气 研究气体分子或原子在固体材料中的扩散逸出和表面脱附、吸附过程就成为进一步提高真空度的重要课题真空实用技术及其应用,在技术上取得真空环境之后，可以产生大气中所没有的新现象，供人们利用： 1.形成压差可以做功； 2.提高热电绝缘性能； 3.延长粒子飞行路径； 4.去除周围气体屏障； 5.减少有害气体作用； 6.高度清洁的物体表面真空实用技术及其应用,1.形成压差可以做功,生活中利用两侧压力不平衡的情况很多一面是大气压一面是真空所造成的压力差或吸引力是可以利用的巨大能源，如真空输送、真空过滤、真空成型、真空吸引、真空浸渍等，广泛用于纺织、粮食加工、铸造、电力等许多部门（图3.3）真空实用技术及其应用,图3.3 压差应用实例,真空实用技术及其应用,气动真空输运设备 （应用于化工、制药、 食品、涂料行业 ）,带式真空压榨过滤机 （应用于化工、冶金、 煤炭、造纸等行业 ）,差压型真空注型机 （广泛用于汽车、摩托车、家电、电子电器等产品零件的开发制作 ）,真空实用技术及其应用,真空压力浸渍设备 （适用于电机、电器、变压器线圈及C型、。