真空区域的划分及其物理特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:巴德纯

真空区域的划分

根据真空物理特点、真空泵、真空测量及真空应用等因素划分真空区域。真空区域的大致划分如表:

低真空 105~102Pa
中真空 102~10-1 Pa
高真空 102~10-1 Pa
超高真空 10-5~10-8 Pa
极高真空 10-8 Pa以下

不同真空区域的主要物理特性

一、低真空

  1、n稠密,和正常情况下无太大差别,气体分子仍以杂乱无章的热运动为主,气体分子间的相互碰撞还十分频繁,很难实现带电粒子的定向运动,气体流动属粘滞流态。

  2、应用:得到压力差—1公斤/平方厘米(并不要求空间性质有所改变)

  3、力学作用-真空吸引和输送(无网捕捞、吸鱼机、搬运)、真空成型、真空侵渍、拔火罐(起源于东晋公元300年左右)

二、中真空

  1、气体分子密度和常压相比有很大下降,氧化程度降低——真空冶炼(黑色金属的真空熔炼、脱气、浇铸和热处理)—金属材料内气泡、疏松减少,机械强度和性能大大增强

  2、气体中的带电粒子在电场作用下将产生定向运动——气体放电——真空电弧炉

  3、气体的对流消失——真空隔热和绝缘、(保温)保温瓶

  4、液体的沸点降低 冷冻-升华:真空冷冻脱水、冬天凉衣服、真空冷冻干燥蔬菜、食品

  5、高速空气动力学实验设备(火箭、导弹、飞机、F1赛车)——低压风洞

三、高真空

  真空冶金、真空镀膜、真空器件的生产

  1、分子密度更加降低,分子之间的碰撞次数很少,平均自由程很大,基本不存在气体分子之间的能量交换,分子流动完全呈现分子流态。带电粒子的飞行方向不受干扰(显像管),减少了气体的电离。

  2、化学反应接近于零,活泼金属一定要在此状态下冶炼

  3、良好的电、热绝缘性能

  4、材料的沸点、熔点降低

四、超高真空

  1、气体分子是以固体表面的吸附为主;

  2、单分子层形成时间等于或大于在实验室测量所用时间——制备“清洁”表面;

  3、太空模拟室、可控热核聚变的研究、表面物理表面化学的研究。

补充:

  1、低真空区域:分子密度比较大。与常压下气体状态相比,只是分子数目由多变小的量变化,其物理性质与大气压下的气体相比没有本质上的区别。因大气状态一样,这时情报分析输运量与压力无关。但是,尽管如此,分子数目减少这种量变过程对生产却起了极其重要作用。例如,真空运输、真空过滤、真空吸盘等三种真空装置都是利用真空与大气之间存在的压差做功原理来实现的。

  2、高真空区域:当气体处于高真空区域时,空间的气体分子数大为减少。高真空的气体流动状态是分子流,这就引起了真空物理性质的质的变化。(一)首先表现在气体的内摩擦出现了滑动现象,气体的热传导也现出温度的剧增现象。与此同时,与大气和低真空状态相反,压力已经与气体输运现象有关了。(二)在高真空区域如果气体各部分温度不同,还会出现热流逸,热辐射等在大气和低真空时所没有的新的物理性能。由于这些特点,这一区域的真空在生产和科学研究部门的应用更加广泛。例如,真空镀膜技术、真空热处理、真空冶金、电真空器件及微电子技术等等都需要高真空条件。

  3、超高真空区域:如果气体分子数目进一步减少,则跨入了超高真空区域,在超高真空区域中,真空又一次从气体分子数目的量度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体表面间的吸附和脱附过程之中。这就是所兴起的表面物理和表面化学所研究的科学。例如,粒子加速器、受控核聚变装置;微电子、光电子技术;航天器用真空技术等都需要超高真空条件。

  4、极高真空区域:极高真空是指大气压力低于10-11Pa的空间真空环境。由于极高真空处于空间真空的分子沉环境中,完全不同于地面实验室容器的运动规律。它的分子运动不服从麦克斯韦速度分布律。在这种环境下,真空理论与技术都将发生实质性的变化。航天工业的发展,航天器(包括火箭、人造地球卫星、空间站、宇宙飞船、载人航天飞船)在高轨道的运行,真空度达10-11Pa,航天器周围的环境是3-4K背景的无限空间环境,从航天器发出的气体分子一旦离开,就会飞向无限空间不再返回,这就是分子沉环境气体分子运动的特性。

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