如何獲得科學的超高真空

2020-12-06 中科院物理所

提起真空，相比大家都不陌生。簡單到日常的吸盤掛鈎，複雜到大型科學設備；小到拔火罐，大到廣袤的宇宙空間，都離不開真空的身影。今天我們就來給大家講一講，如何科學地獲取真空。

在定義上，我們把低於一個標準大氣壓（105Pa）的氣體狀態都稱之為真空。憑藉我們自己的力量，是否可以獲得真空呢？

日常獲取真空

這裡有一個簡單的辦法。我們可以拿一個玻璃杯，杯口潤溼。然後把被子扣在嘴上，使勁的吸氣，大家會發現杯子可以吸在嘴上。此時杯子內部就達到了一個粗糙的真空環境。這個真空度有多大呢？其實並不大。

我們吸氣靠的是肺部擴張，當我們盡力吸氣的時候，肺部最多可以提供4kPa的壓差，也就是大氣壓的4%。所以我們使勁的吸氣，也最多才能達到大氣壓96%的真空度。

不過這個實驗建議大家不要長時間做，我就是試久了，之後嘴變成了這樣。

生活中也有很多途徑可以獲得真空，比如拔火罐，就是利用罐中的真空，造成局部的淤血。同樣的還有真空收納袋，馬桶抽，真空掛鈎等等。但這些手段只能獲得十分粗糙的真空，這對於科學研究是遠遠不夠的。

在很多科學實驗中，空氣分子都是一個小「討厭鬼」。無處不在，無孔不入，在各種地方幹擾實驗的結果。因此高真空往往是很多科學設備的前提條件。

科學獲取真空

那在科學研究中，如何科學的獲得真空呢？

在科學設備中，我們一般通過真空泵來獲取高真空。最簡單的真空泵就是機械泵，原理上和小氣筒抽氣是一樣的。只不過是通過轉子旋轉，將空氣從吸氣口吸入，然後從出氣口排出。機械泵能夠達到的真空度大概是1Pa，也就是大氣壓的十萬分之一。

當然了，這樣的真空度還遠遠達不到很多物理實驗的要求。這時就要請出另一位「泵」屆大佬，分子泵。分子泵利用靠高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合，給空氣分子一個額外的定向速度，從腔體中抽出。常見的實驗用分子泵滿轉速可以達到1500Hz，也就是一秒鐘轉1500圈。要知道，航空發動機的轉速都不會高於500Hz，由此可見分子泵的抽氣能力是很強的。

所以，利用分子泵可以達到10-6Pa左右的真空度，即一個大氣壓的一千億分之一。

不過分子泵的高轉速使得它十分「脆弱」。一粒灰塵甚至氣體本身都會對運轉中的風扇造成巨大的傷害。所以分子泵只可以用來抽已經具有一定真空度的腔體，並且其出氣端也要保證有較好的真空度防止氣體倒灌傷害葉片。我們採取的辦法是給分子泵接入一個前級泵，一般都是用機械泵。只有先用機械泵將腔體中的真空度抽至10Pa以下的時候，分子泵才可以啟動。並且只要分子泵在啟動狀態，前級機械泵就要一致維持運轉。啟動和關閉都要嚴格遵循程序，否則就可能造成「機毀泵亡」哦。

現在我們將真空度已經降到了10-6Pa，我們發現真空度不再繼續下降了。但這還沒有到分子泵的極限。真空度無法繼續下降主要是由於腔體內壁吸附了很多空氣分子，在這個真空度下開始持續放氣，與分子泵的抽速平衡。所以為了減少內壁吸附的氣體，我們會給整個設備加熱。高溫下內壁放氣速度加快，可以儘量抽走吸附的氣體。

經過了連續幾天的烘烤，再把溫度降下來，我們會發現此時真空度已經達到了10-7Pa這個量級。這是終點嗎？不，我們還有辦法繼續提高真空度。

此時，腔體內部的空氣已經十分稀薄了，採取機械辦法已經很難提高真空度。這裡，就需要清楚另外兩尊大佬：吸附泵和離子泵。機械泵和分子泵都是通過將腔體內部空氣抽到外界達到真空的。而吸附泵和離子泵則與他們二者不同，這兩種泵都是通過氣體吸附的方式降低腔體中游離的空氣分子。原則上講空氣並沒有跑到腔外，只是被束縛住了。所以為了防止這兩種泵吸氣能力飽和，我們一般要利用分子泵達到高真空後，再啟動它們。

吸附泵原理比較簡單，多採用活性炭或者活潑金屬來吸附腔內的空氣分子。而離子泵則是通過高壓放電，將空氣電離，然後電離的空氣會經過電場、磁場作用吸附在由金屬鈦構成的陰極板上。加上這二者的幫助，我們可以達到10-9Pa的真空，這已經是一個大氣壓的一百萬億分之一。這已經達到了超高真空的範疇，足以滿足大多數科學實驗的要求了。

不過，就算是這樣的超高真空，一升空間中依然存在三億個空氣分子，這根宇宙中的真空比起來差的很遠。所以人類的超高真空技術，還有很長的路要走。

所有圖片均來自網絡。

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作者：李航

審稿：錢天

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