你應(yīng)該知道的真空技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史

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作者|iVacuum 來(lái)源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

最早的真空獲得和應(yīng)用，可追溯到公元前6世紀(jì)，那時(shí)我國(guó)煉鐵技術(shù)就已相當(dāng)進(jìn)步，為了熔化鐵，在煉鐵爐上配有鼓風(fēng)設(shè)備。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓風(fēng)、“風(fēng)箱”鼓風(fēng)。風(fēng)箱的作用過(guò)程包括：負(fù)壓吸氣和增壓排氣。與現(xiàn)在的往復(fù)式活塞真空泵的作用原理基本相同。這種風(fēng)箱在公元1367時(shí)就已成為煉鐵的重要工具。這是最早真空獲得和應(yīng)用的實(shí)例。

另有更為典型的例子是中醫(yī)的拔火罐。兩千年前，它已在我國(guó)民間用作治病的工具。它很好地利用了空氣熱脹冷縮、蒸汽冷凝等物理現(xiàn)象來(lái)形成罐內(nèi)真空。

歷史上有確切記載獲得“真空”的是歐洲人。1643年，意大利人托里拆利做了大氣壓實(shí)驗(yàn)。他用一根一端封閉的細(xì)長(zhǎng)玻璃管和一個(gè)盛水銀的小槽，先將水銀從玻璃管開(kāi)口端灌入，直到灌滿全管。然后壓住開(kāi)口，將玻璃管倒立在水銀槽內(nèi)，再打開(kāi)壓著的開(kāi)口。此時(shí)玻璃管中的水銀高度逐漸下降，直到距離小槽液面以上760mm時(shí)，就不再下降了。托里拆利認(rèn)為在玻璃管上端的空隙內(nèi)就是“真空”。隨后，他的學(xué)生帕斯卡等人將此實(shí)驗(yàn)搬到山上去做，結(jié)果水銀柱高度低于760mm，證明大氣壓與高度有關(guān)。

▲ 托里拆利大氣壓實(shí)驗(yàn)示意

1654年德國(guó)人葛利克發(fā)明了活塞真空泵。他為了證明大氣壓的巨大力量，曾做過(guò)一次公開(kāi)實(shí)驗(yàn)，葛利克用兩個(gè)直徑119cm的半球合起來(lái)，用真空泵將球內(nèi)空氣抽除，因而球的表面上所受的大氣壓力是很大的，每個(gè)半球其橫向分力，每個(gè)半球用8匹馬，才能向相反方向拉開(kāi)。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是在德國(guó)馬德堡做的，故稱馬德堡半球?qū)嶒?yàn)而聞名于世。

▲ 馬德堡半球?qū)嶒?yàn)紀(jì)念郵票

1662年英國(guó)人玻義耳發(fā)現(xiàn)玻義耳定律。到1738年瑞士人伯努利提出氣體分子運(yùn)動(dòng)論，他們奠定了真空技術(shù)最初的理論基礎(chǔ)。

從1643年托里拆利獲得真空，到1879年愛(ài)迪生發(fā)明碳絲電燈泡的200多年間，真空技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。這個(gè)過(guò)程孕育著電子學(xué)的誕生和發(fā)展。所謂“電真空器件”就是內(nèi)部空間為真空的電子器件。真空技術(shù)為電子技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了道路。在20世紀(jì)初，電子技術(shù)的發(fā)展，又推動(dòng)了真空技術(shù)的飛速發(fā)展。

1905年德國(guó)蓋得發(fā)明了機(jī)械泵，1906年皮拉尼發(fā)明熱阻真空計(jì)；1913年和1915年蓋得先后發(fā)明了分子泵、擴(kuò)散泵；1916年貝克利發(fā)明了熱陰極電離計(jì)。真空技術(shù)迅速?gòu)牡驼婵瞻l(fā)展到高真空，高真空技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭一直延續(xù)到第二次世界大戰(zhàn)。尤其是?？寺?936年發(fā)明了分餾式油擴(kuò)散泵，潘寧1937年發(fā)明了冷陰極電離計(jì)，使得高真空技術(shù)在獲得和測(cè)量?jī)煞矫婊旧弦淹晟啤?/p>

▲ 三級(jí)分餾式油擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)圖：沿泵壁回流至油鍋的泵油先經(jīng)過(guò)外分餾環(huán)1，輕餾分蒸發(fā)供給第三級(jí)噴咀；當(dāng)泵油進(jìn)入到分餾環(huán)2時(shí)蒸發(fā)的次輕餾分的蒸汽供應(yīng)第二級(jí)噴咀，最后重餾分進(jìn)入中心分餾區(qū)3后蒸發(fā)供給一級(jí)噴咀，分餾可以提高泵的極限真空度。

1940年以后真空技術(shù)在原子能方面得到廣泛應(yīng)用，并在真空冶金、真空鍍膜，真空冷凍干燥等方面得到擴(kuò)展。到1950年，真空范圍已提高到10~10Pa。在某些實(shí)驗(yàn)室里也曾達(dá)到更高的真空，但還不能測(cè)量出來(lái)。貝阿德-阿爾伯特1950年發(fā)明了B-A規(guī)，才為測(cè)量超高真空創(chuàng)造了條件。1953年吸氣劑-離子泵的出現(xiàn)，使人們可以獲得清潔超高真空。

▲ 安捷倫CombiNEG吸氣劑復(fù)合型離子泵

從20世紀(jì)50年代到70年代的20多年里，真空技術(shù)融入了許多尖端科學(xué)技術(shù)并一起得到迅速發(fā)展。高能加速器、等離子體核聚變裝置、微電子學(xué)中的超大規(guī)模集成電路，特別是航天技術(shù)，促使真空技術(shù)發(fā)生新的飛躍。真空進(jìn)入了“超清潔”時(shí)代，壓力范圍從10~10Pa下降到10~10Pa。一下子真空度提高了七八個(gè)數(shù)量級(jí)，真空系統(tǒng)容積大到數(shù)萬(wàn)立方米:低溫泵的抽速可高達(dá)1000萬(wàn)L/s；甚至有的科學(xué)家認(rèn)為，今天的真空技術(shù)，已能獲得和測(cè)量從大氣壓（10Pa）到10Pa，壓力范圍達(dá)18個(gè)數(shù)量級(jí)，并隨著某些新應(yīng)用的開(kāi)拓而要求一步步地接近“理想真空”。

經(jīng)典的真空技術(shù)或傳統(tǒng)的真空技術(shù)主要囿于真空獲得、檢測(cè)以及真空系統(tǒng)自身的發(fā)展，成為許多學(xué)科創(chuàng)新的條件和手段。然而，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互交叉滲透，主體和條件之間的相互轉(zhuǎn)化，極大地豐富了真空科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)涵，尤其是超高真空、超清潔表面的出現(xiàn)，揭示了自然領(lǐng)域中許多新穎的現(xiàn)象和規(guī)律。

根據(jù)國(guó)際真空科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用協(xié)會(huì)（IUVSTA）和美國(guó)真空學(xué)會(huì)的劃分，現(xiàn)代真空科學(xué)與技術(shù)分成8個(gè)學(xué)科分支（如下表所示），已經(jīng)滲透到車輛、土木建筑工程、機(jī)械、包裝、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、石油、化工、食品、光學(xué)、電氣、電子、原子能、半導(dǎo)體、航空航天、低溫、專用機(jī)械、紡織、造紙、農(nóng)業(yè)、民用工業(yè)以及近年來(lái)得到迅速發(fā)展的表面科學(xué)與納米科學(xué)等工業(yè)部門(mén)和科學(xué)研究工作中。

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