什么是“真空”？當(dāng)我們談及這個(gè)概念時(shí)，很多人會想到太空。

與地球環(huán)境對比，太空環(huán)境是真空的，但是真空不是不存在任何物質(zhì)的狀態(tài)，即使在太空中也存在大量的塵埃、顆粒以及高能粒子。在《吃鵝腿之前，你最好了解一下這些物理知識》中，我們已經(jīng)對真空有了一個(gè)大概的了解。
真空的科學(xué)定義較為寬泛：低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體空間就被稱為真空。真空是相對而言的，不存在絕對的真空！
實(shí)現(xiàn)超高真空一直是實(shí)驗(yàn)物理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)物理中，超高真空能夠保證良好的隔熱條件，以實(shí)現(xiàn)極低溫度；在測試中，超高真空能夠保持樣品表面的干凈、不受特定氣氛原子的污染，能實(shí)現(xiàn)對樣品表面物理特性的探測；同時(shí)，超高真空環(huán)境能夠減少氣體分子對電子、離子等粒子的散射，確保實(shí)驗(yàn)按照理想條件進(jìn)行。

那我們?nèi)绾蝸碓u定真空的優(yōu)良呢？一個(gè)空間中真空的高低可以通過空間中分子數(shù)的多少反應(yīng)，而分子在不斷運(yùn)動、相互碰撞中形成了壓強(qiáng)。因此真空度可以用壓強(qiáng)來衡量。工程中常采用的壓強(qiáng)單位包括：帕斯卡（Pa）、巴（bar）和托（Torr），兩者的換算關(guān)系為：

。真空度的優(yōu)良可以粗略劃分為粗真空：

、低真空：

。

在大氣環(huán)境中，大氣壓強(qiáng)約為帕斯卡。而實(shí)驗(yàn)中常需要達(dá)到的真空度需要低于

Pa，遠(yuǎn)低于大氣環(huán)境的壓強(qiáng)，那么如何實(shí)現(xiàn)如此高的真空度呢？實(shí)驗(yàn)室常采用機(jī)械泵、分子泵、離子泵等手段實(shí)現(xiàn)超高真空。

旋片式機(jī)械泵

機(jī)械泵的種類較多，包括旋片式、定片式、滑片式機(jī)械泵。其中，旋片式機(jī)械泵由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧、排氣閥、泵油等部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1. 旋片式機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)
旋片泵的旋片把轉(zhuǎn)子、泵腔和兩個(gè)端蓋所圍成的月牙形空間分隔成三個(gè)空間，如圖1右所示，旋片之間由彈簧相互連接，旋片端部貼于機(jī)械泵的腔體壁滑動。
當(dāng)轉(zhuǎn)子單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與進(jìn)氣口連通的空間1容積逐漸增大，氣體壓強(qiáng)降低，泵體吸入氣體，機(jī)械泵處于吸氣過程；當(dāng)旋片將空間2與進(jìn)氣口隔絕時(shí)，氣體被壓縮，并被推動與出氣口相連；與出氣口連通的空間3容積縮小，排出氣體。機(jī)械泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，周期性地從進(jìn)氣口側(cè)吸入氣體，并將已吸入的氣體從排氣口排出，達(dá)到提高真空度的目的。
我們可以設(shè)想一種場景，現(xiàn)在我們有一個(gè)待抽真空的腔體，空間體積為V，壓強(qiáng)為P0。當(dāng)旋片式機(jī)械泵開始工作時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次，第一次吸氣過程剛完成時(shí)形成空間1的體積為

，此時(shí)與空間1連通的環(huán)境壓力為P1，壓力大小滿足：

則第二次抽氣過程完成后，待抽氣腔體的壓強(qiáng)大小為：

在這種理想情況僅在真空較差的情況下成立。
但是由于機(jī)械泵本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)械泵僅適用于得到低真空條件。影響機(jī)械泵真空度的因素包括死空間、泵本身的氣密性。其中，機(jī)械泵的死空間是限制極限真空的主要原因：

圖2.死空間示意圖
如圖2所示，機(jī)械泵的空間并非完全理想，機(jī)械泵中的轉(zhuǎn)子與泵腔定子相切，而在切點(diǎn)位置之外，轉(zhuǎn)子與腔體壁之間仍然存在一定空間。當(dāng)旋片越過出氣口后，這部分空間內(nèi)仍然存在部分空氣，并被旋片隔絕。這部分空間的氣體無法被完全排出，而是會隨著旋片旋轉(zhuǎn)與進(jìn)氣口相連，導(dǎo)致真空度無法進(jìn)一步降低，這部分空間被稱為死空間，如圖2標(biāo)注所示。
由于機(jī)械泵本身存在的問題，基于機(jī)械泵的進(jìn)一步改進(jìn)的雙級泵和氣鎮(zhèn)泵能夠達(dá)到更好的效果。

雙級泵

雙級泵是由兩部分機(jī)械泵組合形成，如圖3所示。當(dāng)前級泵排出的氣體經(jīng)過氣道轉(zhuǎn)入后一級機(jī)械泵（低真空泵），低真空級泵再通過壓縮將氣體排出，組成雙級泵。雙級泵結(jié)構(gòu)能夠有效降低機(jī)械泵死空間對真空度的影響，從而有效提高機(jī)械泵的極限真空度。

圖3. 雙級泵結(jié)構(gòu)示意圖

氣鎮(zhèn)泵

氣鎮(zhèn)泵設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)在于：在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，真空泵待抽空間常會混有部分水汽。
在機(jī)械泵的運(yùn)行過程中，隨著泵體對氣體的壓縮，水蒸氣分壓增大。當(dāng)壓縮空間的總壓強(qiáng)還未達(dá)到開啟排氣閥的臨界壓強(qiáng)時(shí)，水蒸氣分壓就達(dá)到了飽和，則水蒸氣就會凝結(jié)成水，壓力降低，導(dǎo)致氣體無法被排出。
當(dāng)空間增大，水蒸氣分壓降低，凝結(jié)在真空泵中的水揮發(fā)為水蒸氣，無法被排出。這導(dǎo)致真空度無法進(jìn)一步降低。
因此，為了降低水蒸氣對機(jī)械泵抽真空效果的影響，氣鎮(zhèn)泵在排氣口附近設(shè)計(jì)一個(gè)可自動開合的小孔。小孔能夠向排氣空間通入少量干燥空氣，以提高壓縮空間的壓力，幫助打開排氣閥。

分子泵

分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子壓縮氣體分子，從而驅(qū)動氣體分子被排出腔體的真空泵。分子泵能夠?qū)崿F(xiàn)相比與機(jī)械泵更高的真空度，實(shí)現(xiàn)高真空條件。

圖4. 分子泵結(jié)構(gòu)示意圖
如圖4所示，分子泵由泵體、動葉輪、靜葉輪、驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子能夠帶動動葉輪高速運(yùn)動，動葉輪與氣體分子碰撞，將動量傳遞給氣體分子，被傳遞到下一級葉片，最后由前級泵抽除。
分子泵通過高速旋轉(zhuǎn)的分子泵動葉輪與氣體分子相互碰撞傳遞動量。當(dāng)進(jìn)氣口的氣體分子濃度較高時(shí)，高密度的氣體分子與動葉輪相互碰撞，會導(dǎo)致葉輪損壞。因此，保證分子泵正常運(yùn)行要求環(huán)境氣壓低于一定的壓力，被稱為啟動氣壓。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，通常會同時(shí)采用機(jī)械泵作為前級真空泵、分子泵作為二級泵。機(jī)械泵首先將待抽腔室預(yù)抽至低真空，使環(huán)境壓力低于啟動氣壓，再進(jìn)一步啟動分子泵。
分子泵通過葉輪與氣體分子的碰撞傳遞動量。由于動量傳遞過程的難易程度與氣體分子量有關(guān)，所以平均分子量越大的氣體壓縮比更大，容易被抽走。而分子量小的氣體難以被抽走，例如氫氣等。因此，分子泵同樣存在極限真空。

離子泵

表面物理的實(shí)驗(yàn)通常要求固體表面極為潔凈。在低真空條件下，氣體分子會吸附在固體表面，從而污染樣品，影響樣品結(jié)果。離子泵能夠?qū)崿F(xiàn)超高真空的實(shí)驗(yàn)條件，是維持超高真空的重要手段。
以濺射離子泵為例，濺射離子泵基本上由電極以及外部磁體組成。離子泵中的陽極通常為圓柱形的空心不銹鋼，位于陽極管兩側(cè)的陰極一般由鈦板制成。鈦本身是一種良好的吸附材料，對活性氣體具有強(qiáng)烈的化學(xué)吸附作用。
當(dāng)陰陽極接通高電壓時(shí)，陽極筒內(nèi)的氣體分子被電離并形成潘寧放電，并釋放出大量電子形成空間電荷。在陰極、陽極電位以及外部磁場的共同作用下，被電離的電子在陽極筒內(nèi)進(jìn)行來回振蕩的滾輪線運(yùn)動，并與空間中的分子相互碰撞，使氣體分子發(fā)生電離，形成離子。
由于離子的質(zhì)量相對于電子質(zhì)量來說較大，磁場對其影響很小，電離產(chǎn)生的正離子被陽極電壓加速到幾千伏，并朝著陰極運(yùn)動，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用。?

圖5.離子泵的結(jié)構(gòu)示意圖[2]

不同類型的氣體，在濺射離子泵中抽氣的機(jī)理不同。

抽除的機(jī)理與上面這些重分子不同。氫離子的質(zhì)量很小，鈦原子對氫分子的濺射速率可以忽略不計(jì)。但是，氫離子達(dá)到鈦板上會與晶格中的電子復(fù)合，形成氫原子，并擴(kuò)散到鈦的晶格內(nèi)部，形成固溶體。

結(jié)語

機(jī)械泵、分子泵、離子泵能夠?qū)崿F(xiàn)的真空條件依次升級，分別是低真空、高真空，以及超高真空，是實(shí)驗(yàn)室中較為常見的幾種真空泵。
除此之外，真空泵還包括油擴(kuò)散泵、鈦升華泵、低溫泵等設(shè)施。不同實(shí)驗(yàn)要求的真空度不同，因此采用的真空泵也應(yīng)該因事制宜。真空泵的應(yīng)用對維持實(shí)驗(yàn)的超高真空環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行具有至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：
1.?一篇了解旋片式真空泵的原理、應(yīng)用、安裝、故障與維護(hù).?https://www.bilibili.com/read/cv19853058/2.劉文強(qiáng). 微型濺射離子泵的設(shè)計(jì)與性能研究[D].東南大學(xué),2022.?DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2021.001197.
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