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我们常说的“真空”,到底有多“真”?又是如何“空”?

2023-12-29 10:53| 发布者: | 查看: |

什么是“真空”?当我们谈及这个概念时,很多人会想到太空

与地球环境对比,太空环境是真空的,但是真空不是不存在任何物质的状态,即使在太空中也存在大量的尘埃、颗粒以及高能粒子。在《吃鹅腿之前,你最好了解一下这些物理知识》中,我们已经对真空有了一个大概的了解。

真空的科学定义较为宽泛:低于一个标准大气压的气体空间就被称为真空。真空是相对而言的,不存在绝对的真空

实现超高真空一直是实验物理的一个重要环节。在实验物理中,超高真空能够保证良好的隔热条件,以实现极低温度;在测试中,超高真空能够保持样品表面的干净、不受特定气氛原子的污染,能实现对样品表面物理特性的探测;同时,超高真空环境能够减少气体分子对电子、离子等粒子的散射,确保实验按照理想条件进行。

那我们如何来评定真空的优良呢?一个空间中真空的高低可以通过空间中分子数的多少反应,而分子在不断运动、相互碰撞中形成了压强。因此真空度可以用压强来衡量。工程中常采用的压强单位包括:帕斯卡(Pa)、巴(bar)和托(Torr),两者的换算关系为:1Pa=7.5×10-3Torr。真空度的优良可以粗略划分为粗真空:10`5~10`2Pa、低真空:10`2~10`-1Pa、高真空:10`-1~10`-6Pa、超高真空:10`-6~10`-9Pa。

在大气环境中,大气压强约为10`5帕斯卡。而实验中常需要达到的真空度需要低于10`-1Pa,远低于大气环境的压强,那么如何实现如此高的真空度呢?实验室常采用机械泵、分子泵、离子泵等手段实现超高真空。

旋片式机械泵  

机械泵的种类较多,包括旋片式、定片式、滑片式机械泵。其中,旋片式机械泵由定子、转子、旋片、弹簧、排气阀、泵油等部分构成,如图1所示。

图1. 旋片式机械泵的结构

旋片泵的旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成三个空间,如图1右所示,旋片之间由弹簧相互连接,旋片端部贴于机械泵的腔体壁滑动。

当转子单向旋转时,与进气口连通的空间1容积逐渐增大,气体压强降低,泵体吸入气体,机械泵处于吸气过程;当旋片将空间2与进气口隔绝时,气体被压缩,并被推动与出气口相连;与出气口连通的空间3容积缩小,排出气体。机械泵连续运转,周期性地从进气口侧吸入气体,并将已吸入的气体从排气口排出,达到提高真空度的目的。

我们可以设想一种场景,现在我们有一个待抽真空的腔体,空间体积为V,压强为P0。当旋片式机械泵开始工作时,转子旋转一次,第一次吸气过程刚完成时形成空间1的体积为▲V此时与空间1连通的环境压力为P1,压力大小满足:

则第二次抽气过程完成后,待抽气腔体的压强大小为:

当机械泵的转速为mrad·s-1时,经过t秒后,转子旋转m·t次,腔体内的压强为:

在这种理想情况仅在真空较差的情况下成立。

但是由于机械泵本身的结构特点,机械泵仅适用于得到低真空条件。影响机械泵真空度的因素包括死空间、泵本身的气密性。其中,机械泵的死空间是限制极限真空的主要原因:

图2.死空间示意图

如图2所示,机械泵的空间并非完全理想,机械泵中的转子与泵腔定子相切,而在切点位置之外,转子与腔体壁之间仍然存在一定空间。当旋片越过出气口后,这部分空间内仍然存在部分空气,并被旋片隔绝。这部分空间的气体无法被完全排出,而是会随着旋片旋转与进气口相连,导致真空度无法进一步降低,这部分空间被称为死空间,如图2标注所示。

由于机械泵本身存在的问题,基于机械泵的进一步改进的双级泵和气镇泵能够达到更好的效果。

双级泵

双级泵是由两部分机械泵组合形成,如图3所示。当前级泵排出的气体经过气道转入后一级机械泵(低真空泵),低真空级泵再通过压缩将气体排出,组成双级泵。双级泵结构能够有效降低机械泵死空间对真空度的影响,从而有效提高机械泵的极限真空度。

图3. 双级泵结构示意图

气镇泵

气镇泵设计的出发点在于:在实际的实验环境中,真空泵待抽空间常会混有部分水汽

在机械泵的运行过程中,随着泵体对气体的压缩,水蒸气分压增大。当压缩空间的总压强还未达到开启排气阀的临界压强时,水蒸气分压就达到了饱和,则水蒸气就会凝结成水,压力降低,导致气体无法被排出。

空间增大,水蒸气分压降低,凝结在真空泵中的水挥发为水蒸气,无法被排出。这导致真空度无法进一步降低

因此,为了降低水蒸气对机械泵抽真空效果的影响,气镇泵在排气口附近设计一个可自动开合的小孔。小孔能够向排气空间通入少量干燥空气,以提高压缩空间的压力,帮助打开排气阀。

分子泵

分子泵是利用高速旋转的转子压缩气体分子,从而驱动气体分子被排出腔体的真空泵。分子泵能够实现相比与机械泵更高的真空度,实现高真空条件

图4. 分子泵结构示意图

如图4所示,分子泵由泵体、动叶轮、静叶轮、驱动系统等部分组成。高速旋转的转子能够带动动叶轮高速运动,动叶轮与气体分子碰撞,将动量传递给气体分子,被传递到下一级叶片,最后由前级泵抽除。

分子泵通过高速旋转的分子泵动叶轮与气体分子相互碰撞传递动量。当进气口的气体分子浓度较高时,高密度的气体分子与动叶轮相互碰撞,会导致叶轮损坏。因此,保证分子泵正常运行要求环境气压低于一定的压力,被称为启动气压。在实际的实验过程中,通常会同时采用机械泵作为前级真空泵、分子泵作为二级泵。机械泵首先将待抽腔室预抽至低真空,使环境压力低于启动气压,再进一步启动分子泵。

分子泵通过叶轮与气体分子的碰撞传递动量。由于动量传递过程的难易程度与气体分子量有关,所以平均分子量越大的气体压缩比更大,容易被抽走。而分子量小的气体难以被抽走,例如氢气等。因此,分子泵同样存在极限真空

离子泵

表面物理的实验通常要求固体表面极为洁净。在低真空条件下,气体分子会吸附在固体表面,从而污染样品,影响样品结果。离子泵能够实现超高真空的实验条件,是维持超高真空的重要手段。

溅射离子泵为例,溅射离子泵基本上由电极以及外部磁体组成。离子泵中的阳极通常为圆柱形的空心不锈钢,位于阳极管两侧的阴极一般由钛板制成。本身是一种良好的吸附材料,对活性气体具有强烈的化学吸附作用

阴阳极接通高电压时,阳极筒内的气体分子被电离并形成潘宁放电,并释放出大量电子形成空间电荷。在阴极、阳极电位以及外部磁场的共同作用下,被电离的电子在阳极筒内进行来回振荡的滚轮线运动,并与空间中的分子相互碰撞,使气体分子发生电离,形成离子

由于离子的质量相对于电子质量来说较大,磁场对其影响很小,电离产生的正离子被阳极电压加速到几千伏,并朝着阴极运动,从而产生强烈的吸附作用

图5.离子泵的结构示意图

离子泵能够达到10`10Pa真空度。离子泵运行的过程中不需要泵油,并且运行过程中振动小、无噪声。与分子泵类似,离子泵正常运行要求启动气压低于0.1Pa。

不同类型的气体,在溅射离子泵中抽气的机理不同。N2、O2、CO、CO2这些气体,主要依靠沉积在阳极筒表面的钛原子的化学吸附作用被抽除。例如N2电子轰击后会产生N+、N2+等离子,这些离子在阳极的表面形成稳定的TiH化合物。对这些气体,溅射的钛分子的数目与泵抽除的压力成正比,而溅射速率则取决于离子的质量与钛的质量之比。

抽除H2的机理与上面这些重分子不同。氢离子的质量很小,钛原子对氢分子的溅射速率可以忽略不计。但是,氢离子达到钛板上会与晶格中的电子复合,形成氢原子,并扩散到钛的晶格内部,形成TiH固溶体。

结 语

机械泵、分子泵、离子泵能够实现的真空条件依次升级,分别是低真空、高真空,以及超高真空,是实验室中较为常见的几种真空泵。

除此之外,真空泵还包括油扩散泵、钛升华泵、低温泵等设施。不同实验要求的真空度不同,因此采用的真空泵也应该因事制宜。真空泵的应用对维持实验的超高真空环境,保证实验的正常进行具有至关重要的作用。

文章来源:中科院科学传播研究中心

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