你应该知道的真空技术发展简史

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作者|iVacuum 来源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

最早的真空获得和应用，可追溯到公元前6世纪，那时我国炼铁技术就已相当进步，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。风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排气。与现在的往复式活塞真空泵的作用原理基本相同。这种风箱在公元1367时就已成为炼铁的重要工具。这是最早真空获得和应用的实例。

另有更为典型的例子是中医的拔火罐。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。

历史上有确切记载获得“真空”的是欧洲人。1643年，意大利人托里拆利做了大气压实验。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，再打开压着的开口。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760mm时，就不再下降了。托里拆利认为在玻璃管上端的空隙内就是“真空”。随后，他的学生帕斯卡等人将此实验搬到山上去做，结果水银柱高度低于760mm，证明大气压与高度有关。

▲ 托里拆利大气压实验示意

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，葛利克用两个直径119cm的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而球的表面上所受的大气压力是很大的，每个半球其横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验是在德国马德堡做的，故称马德堡半球实验而闻名于世。

▲ 马德堡半球实验纪念邮票

1662年英国人玻义耳发现玻义耳定律。到1738年瑞士人伯努利提出气体分子运动论，他们奠定了真空技术最初的理论基础。

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。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。

1905年德国盖得发明了机械泵，1906年皮拉尼发明热阻真空计；1913年和1915年盖得先后发明了分子泵、扩散泵；1916年贝克利发明了热阴极电离计。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年发明了分馏式油扩散泵，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。

▲ 三级分馏式油扩散泵结构图：沿泵壁回流至油锅的泵油先经过外分馏环1，轻馏分蒸发供给第三级喷咀；当泵油进入到分馏环2时蒸发的次轻馏分的蒸汽供应第二级喷咀，最后重馏分进入中心分馏区3后蒸发供给一级喷咀，分馏可以提高泵的极限真空度。

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，真空范围已提高到10~10Pa。在某些实验室里也曾达到更高的真空，但还不能测量出来。贝阿德-阿尔伯特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。

▲ 安捷伦CombiNEG吸气剂复合型离子泵

从20世纪50年代到70年代的20多年里，真空技术融入了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、微电子学中的超大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃。真空进入了“超清洁”时代，压力范围从10~10Pa下降到10~10Pa。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1000万L/s；甚至有的科学家认为，今天的真空技术，已能获得和测量从大气压（10Pa）到10Pa，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”。

经典的真空技术或传统的真空技术主要囿于真空获得、检测以及真空系统自身的发展，成为许多学科创新的条件和手段。然而，现代科学技术的相互交叉渗透，主体和条件之间的相互转化，极大地丰富了真空科学与技术的内涵，尤其是超高真空、超清洁表面的出现，揭示了自然领域中许多新颖的现象和规律。

根据国际真空科学技术与应用协会（IUVSTA）和美国真空学会的划分，现代真空科学与技术分成8个学科分支（如下表所示），已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业、民用工业以及近年来得到迅速发展的表面科学与纳米科学等工业部门和科学研究工作中。

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