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,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10-1210-13Pa，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。鼓风炼铁技术直到年后的世纪末才传入欧洲。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10-410-5pa。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,BA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 104105pa下降到10121013pa。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、O型铁芯的浸漆烘干处理）,2.提高热电绝缘性能,在真空环境下，气体分子稀薄了，传导热、电的作用可以减弱。暖瓶、保温杯、杜瓦瓶等都是采用了真空绝热夹层。大功率电器设备的真空开关，有容易灭弧、工作稳定等优点。,真空实用技术及其应用,暖瓶,保温杯,3.延长粒子飞行路径,一般气体分子热运动的平均速度约为500米/秒,比声速还略快些。在真空中，气体分子的平均自由程变长，如压力为107Pa时平均自由程可达到50多公里。,真空实用技术及其应用,电视机的显像管、计算机的显示器需要真空，其原因之一就是成像用的电子束要避免与气体分子碰撞而散热。高能加速器需要真空，是因为被加速的粒子，不会因碰撞而损失能量和散射掉。,真空实用技术及其应用,电视机,计算机显示器,4.去除周围气体屏障,在大气下物体周围是致密的气层。例如在大气中晒衣服，水分不容易挥发出来。任何液体蒸发都会遇到同样的问题，周围的气体越密，它们的蒸发速度越慢，因蒸发速度受到液体蒸气在周围气体中的扩散速度的限制。,真空实用技术及其应用,在液体周围形成真空环境后，蒸发速度大大加快，沸点也相应降低。例如珠穆朗玛峰顶上水上的沸点只有700c。食品生物制品的真空浓缩、真空冷冻干燥、石油减压蒸馏，都是应用这种原理的产物。,真空实用技术及其应用,真空环境下液体的沸点降低,5.减少有害气体作用,在气体环境中，气体与物体的相互作用，从微观来看，是通过气体分子不断碰撞在物体表面上而发生的。电灯泡、电子管以及各种电真空器件多离不开灼热的钨灯丝。,真空实用技术及其应用,钨灯丝负有发射电子的重要使命，必须通电加热到千度以上高温。这样的高温如果没有真空环境，钨丝立刻就会氧化焚毁。一些活性金属需要在真空中冶炼也是同样的道理。,真空实用技术及其应用,电灯泡,电子管,食品的真空包装保鲜、粮食的气调储存同样是给予良好的氛围环境才做到的、减少有害气体作用。,真空实用技术及其应用,真空包装食品,6.高度清洁的物体表面,计算表明，每平方厘米的物体表面大约有105个分子可以布满一层。如果气体分子碰到表面上并被吸附在那里的话，在10-1Pa的真空中只要几百分之一秒就会使物体表面全部被气体分子污染；10-6Pa的超高真空则需几分钟。,真空实用技术及其应用,可见要使物体表面绝对“清洁”，必须在超高真空环境下才能办到。真空使物体表面暴露出真面目，这是表面科学所研究的内容。,真空实用技术及其应用,如何使物体表面绝对“清洁”？,四真空技术的近代发展,如前所述，经典的真空技术传统的真空技术，主要包括真空获得、检测以及真空系统等自身的发展，成为配合许多学科创新的条件和手段。然而，现代科技的相互交叉和渗透，极大的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，解释了自然界中许多新颖的现象和规律。,真空技术的近代发展,它是真空技术应用的一个主要方面，抽气量最大，真空度最高，被抽容器也最大。它对外层空间和星际航行的环境进行模拟。飞行器进入太空后不受大气层保护，直接受太阳的电磁辐射，带电粒子的轰击，宇宙尘、陨石的轰击，所以要在地面上进行模拟实验。,真空实用技术及其应用,1航天技术中的真空应用,人造卫星，载人飞船，航天飞机，空间站等通称为航天器。不同的航天器因其负担的任务不同而运行在不同高度的轨道上。航天器随着运载火箭发射升空后，首先遇到与地面不同的情况是空间真空环境。,真空技术的近代发展,人造卫星,空间站,航天飞机,在离地面200500公里的近地轨道上，空间真空度为104106Pa，100010000公里的中轨道，约为1082011Pa，高空间约为10131014Pa。,真空技术的近代发展,不同空间高度的真空度,在无限大的宇宙空间，从航天器上发出的气体分子，热辐射都不会反射回到航天器上，均被无限宇宙所吸收，这称为“分子沉”和“热沉”。因而，宇宙空间是个理想的黑体，是个既冷又黑的空间。我们称这种背景环境叫“冷黑”环境。,真空技术的近代发展,“冷黑”环境,空间真空、空间冷黑及太阳磁射环境是航天的基本环境。此外，空间还充满其它各种形态的物质，如磁场、引力场、气体离子、等离子体、各种能量的带电粒子和微流星等。这些都是自然存在的，所以又称为自然环境。,真空技术的近代发展,航天器是个很复杂的系统，一般由热控、通信、遥测遥控、姿态测量和控制、电源、推进及有效载荷等系统组成。它们能在轨道上正常工作吗？各种轨道环境对航天器会产生什么影响？如何进行防护？航天器的装配工艺质量如何？,真空技术的近代发展,？,所有这一切，都需要通过实验来检验。因而要求在地面上创造模拟的空间环境，检验它们的性能，这就是空间环境模拟试验。真空技术是空间环境模拟技术的基础。,真空技术的近代发展,空间环境模拟试验,热真空环境模拟设备分别用于整星（船）试验和分系统、组件试验。它模拟空间高真空、冷黑和太阳电磁辐射三项基本环境，是空间模拟的最基本设备。,真空技术的近代发展,热真空环境模拟设备,此外，还有超高、极高真空环境模拟设备。它们是针对星外暴露于空间超高真空或极高真空的运动部件的润滑、摩擦和冷焊问题的实验，以便找出防护的对策，保护卫星正常运行。还有火箭发动机启动和羽流试验，宇宙飞船模拟舱，以及其它一些空间环境模拟设备，总之这些专用设备，都需要真空技术。,真空技术的近代发展,2等离子体技术中的真空应用,统观宇宙，99.9的物质都是处于等离子体状态的星团，而星团之间，则是浩瀚无际的真空。但在地球上通常见到的自然物质总是以固体、液体或气体的状态存在。只有在上层高空的稀薄大气中，存在着光致电离产生的等离子体。,真空技术的近代发展,等离子体在哪里？,随着科技的发展，特别是电真空技术的发展，在地球上可以很方便地在特定的容器中获得低密度的稀薄气体状态，进而通过稀薄气体放电等方法获得等离子体状态。,真空技术的近代发展,1850年，德国 盖斯勒创制稀薄气体放电用玻璃管，呈现放电发光。,小知识,通过对甲烷、氨、氩和水气等混合气体中闪光放电而产生各种氨基酸和核酸盐基等的研究正启迪我们，地球上最早的生命可能是在等离子体中诞生的。,真空技术的近代发展,生命诞生,等离子体,步入21世纪，核聚变电站将被建成为地球上取之不尽、用之不竭的洁净新能源，以真空技术为基础的等离子体技术将在人们的生活和科技发展中起着越来越重要的作用。大型聚变装置的建造和运行，大大的推动了工业界高技术的开发。,真空技术的近代发展,核聚变电站,对真空技术而言，真空室用来长时间的包容高温等离子体。真空室的漏气率，在室温和500下均要满足要求，达到了需要3000余年才能渗入真空室1升气体的极微小的渗透率。以前从未达到过如此小的漏率。,真空技术的近代发展,3纳米技术与真空,纳米原本是长度单位，即10-9Pa米，纳米技术研究的对象是尺寸在0.1100纳米范围的物质的性质和应用，因此人们以“纳米”冠名，简称纳米技术。纳米科技是真空技术现代发展涉及的最新领域。,真空技术的近代发展,目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益：电子和通信；纳米医疗；化学与材料；能源；制造工业；飞机与汽车；航天；环境保护。,真空技术的近代发展,正因为受益如此之广，有人认为它将是明天似乎能产生突破的一个科技领域，即纳米科技。当我们进入21世纪的时候，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响，至少同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样所产生的影响相当。,真空技术的近代发展,纳米技术的辉煌前景,纳米技术成型于上世纪90年代初，其学科分支有：纳米物理学，纳米化学，纳米生物学，纳米电子学，纳米机械学，纳米加工和工艺学，以及纳米表征测量学。作为综合性学科，纳米材料学包含上述七个学科。,真空技术的近代发展,4表面科学与真空,我们所看到的固体“表面”，实际上都蒙上了厚厚的气体层。在大气的环境下，获得真正的清洁、真实的固体表面是不可能的。,真空技术的近代发展,真空技术的发展给表面科学研究创造了必要条件。随着真空技术的发展，可获得越来越干净的表面。表面科学离不开真空技术。因此，表面科学成为真空技术的重要组成部分。,真空技术的近代发展,20世纪是人类科技发展及其辉煌的100年，有一系列重大发现和发明，对人类的进步和文明产生了巨大的影响。21世纪，随着科技的进步，真空技术及其应用将会有更大的发展，对人类作出更大贡献。,真空技术的近代发展,课程结束,谢 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