真空度

定义

真空度是表示真空状态下气体稀薄程度的量，通常用气体压力值来表示^[1]。所谓真空，是指在给定空间内压力低于一个标准大气压的气体状态，标准大气压约为 101325 帕斯卡^[3]。一个空间内气体越稀薄，其压力越低，真空度越高；压力越高，真空度越低，因此低压强与高真空在实际应用中含义一致^[4]。气体压强为 0 的绝对真空只是一种理想状态，现实中并不存在^[2]。

在真空技术领域，真空度习惯用压力单位来量度。国际单位制中使用帕斯卡（Pa），历史上则长期使用托（Torr）和毫米汞柱（mmHg），1 托约等于 133.322 帕^[5]。国家标准《真空技术 术语》将真空度定义为表示真空状态下气体稀薄程度、通常用压力值表示的术语^[6]。日本等地的真空教材也指出，由于高真空度对应低绝对压力易引起混淆，这一说法近年使用有所减少^[7]。

除用绝对压力表示外，真空度还有一种相对表示方法，即用被测对象压力与测量地点大气压的差值来标识，普通真空表在常压时初始值为 0，测量真空时读数介于 0 到约 -101.325 千帕之间^[2]。国际真空行业通用、也更为严谨的做法是用绝对压力标识^[8]。

原理

真空度的物理基础在于气体分子数密度与压力的对应关系。在温度一定时，单位体积内的气体分子数越少，分子对容器壁的碰撞频率越低，压力也就越低^[1]。常温下大气中每立方厘米约有 2×10^19 个分子，而超高真空环境下这一数值可降到 10^5 个以下，气体分子之间的碰撞概率大幅下降，分子与器壁的碰撞成为主要过程^[9]。其中平均自由程是衡量稀薄程度的重要参数，指气体分子连续两次碰撞之间飞越的平均距离，符号为 λ，与压力、温度和分子直径有关^[10]。

在人为真空的获得中，抽气设备通过把密闭空间内的气体压缩并排入大气来降低空间压力。旋片式机械泵靠泵腔内转子的旋转把气体排出，极限压力约为数帕量级，通常只能达到低真空^[11]。要获得更高真空度，需要扩散泵、涡轮分子泵或吸附泵等串联组成机组，涡轮分子泵利用高速旋转的动叶轮把动量传给气体分子，使其产生定向流动而被抽走，并以前级机械泵维持排气口压力^[1]。

真空度的测量依赖压力随气体稀薄程度变化的物理效应。热偶真空计利用加热元件的温度与气体热传导的关系间接测压，电离真空计则通过电子碰撞气体分子产生的离子流大小推算压力，普通电离计可测到约 5×10^-6 帕，改进后的超高真空电离计可测到 10^-11 帕量级^[1]。为覆盖从常压到超高真空的宽广范围，常把两种以上真空计组合成复合真空计，实现自动转换与换档^[10]。

发展历程

1643 年，意大利物理学家托里拆利通过汞柱实验测定了标准大气压，为真空度测量奠定了基础^[9]。1654 年，德国科学家奥托·冯·格里克进行马德堡半球实验，用两半铜球被大气压紧的现象证实了真空的存在^[9]。19 世纪 50 年代，奥古斯特·托普勒发明托普勒泵，海因里希·盖斯勒发明水银置换泵，可获得约 10 帕的真空，推动了早期电磁学研究^[9]。

20 世纪以来，真空技术逐步形成真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用等核心领域^[9]。我国先后制定了《真空技术 术语》等国家标准，对真空度、漏率、极限压力等术语作出规范界定^[6]。目前实验上可达到的真空度覆盖约 16 个数量级以上的压力范围^[4]。

为便于讨论与应用，真空技术界按压力高低把真空划分为若干区域。常见的划分包括粗真空、低真空、中真空、高真空、超高真空和极高真空，也有按粗真空、低真空、高真空、超高真空划分的做法^[9]。我国标准将真空区域划分为低真空 10^5～10^2 帕、中真空 10^2～10^-1 帕、高真空 10^-1～10^-5 帕和超高真空不高于 10^-5 帕四个区域^[1]。划分依据除压力范围外，还包括气体分子密度、平均自由程以及粘滞流、分子流等气流状态的差异^[9]。

应用

不同真空区域对应不同工艺。低真空主要用于利用宏观压力差的场合，如真空吸尘、液体输运和真空包装；中真空多用于真空干燥、食品冷冻干燥和金属熔炼脱气^[9]。高真空适用于拉制单晶、白炽灯与电子管制造、表面镀膜以及半导体制造中的部分工艺^[9]。超高真空和极高真空则用于薄膜沉积、表面分析、粒子加速器、空间环境模拟和纳米技术研究等^[9]。

在电力设备中，真空度直接影响开关器件的灭弧能力。实验表明灭弧室真空度在 10^-3 帕数量级时即可可靠灭弧，制造厂出厂时通常把真空度提高到 10^-5 至 10^-6 帕，即使经过 20 年使用或贮存后因渗气下降到 10^-3 帕范围，仍能保证灭弧能力^[12]。在镀膜等精密工艺中，本底真空度的高低会影响薄膜杂质含量，磁控溅射通常需要较高的本底真空^[13]。

真空环境还为材料加工与检测提供了洁净、少干扰的条件。真空热处理、真空冶金和真空扩散焊等工艺借助低压环境减少氧化与污染，真空系统的密封性能则通过漏率和压升率等指标评定^[11]。在封装与低温领域，深冷容器夹层维持高真空可降低残余气体带来的对流与传导热漏，从而降低液氦等介质的蒸发率^[14]。

局限

真空度所能达到的极限受抽气设备能力与系统气体负荷的共同制约。决定真空度高低的因素主要有两个，一是真空泵本身能达到的极限真空度和抽速，二是整个系统的泄漏量^[2]。机械泵的极限压力约为数帕，低于约 1.33 帕时抽速明显下降；油扩散泵等则必须依靠前级泵把排气口压力降到一定值以下才能工作^[11]。

材料放气和漏气是限制真空度进一步提高的长期难题。真空系统由泵、阀门、导管和密封件连接而成，密封质量不同会使整体漏率存在差异；部件表面附着的碎屑、灰尘以及吸附的水汽在低压下会缓慢解吸，超高真空中表面吸附分子甚至成为主要气源^[1]。为减少放气，通常需要清洁表面、烘烤除气，并用干燥氮气代替空气对真空室排气^[1]。

测量环节同样存在局限。电离真空计的灵敏度与气体种类有关，且缺少专门保护，一旦系统突然泄漏，规管灯丝容易烧毁；热阴极电离计必须在压力低于约 10^-1 帕后才能启用，否则灯丝会被氧化烧断^[1]。因此在有扩散泵或增压泵的系统中，通常要同时安装热偶管与电离管，先用热偶真空计确认压力足够低后再启用电离真空计^[11]。此外，真空区域的划分目前并无统一规定，不同标准和行业给出的区间边界存在差别，比较与换算时需要注意所依据的划分口径^[15]。

参见

• 真空 —— 低于一个标准大气压的气体状态，是真空度所描述的对象。

• 真空泵 —— 获得并维持真空的装置，其极限真空度决定系统可达的真空水平。

• 真空计 —— 测量真空系统中低于大气压的气体总压的仪器。

• 托 —— 真空技术中曾长期使用的压力单位，1 托约等于 133.322 帕。

• 标准大气压 —— 真空度比较所依据的压力基准。

• 平均自由程 —— 反映气体稀薄程度、与真空区域划分密切相关的分子运动参数。