你應該知道的真空技術發展簡史

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作者|iVacuum 來源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

最早的真空獲得和應用，可追溯到公元前6世紀，那時我國煉鐵技術就已相當進步，為了熔化鐵，在煉鐵爐上配有鼓風設備。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓風、“風箱”鼓風。風箱的作用過程包括：負壓吸氣和增壓排氣。與現在的往復式活塞真空泵的作用原理基本相同。這種風箱在公元1367時就已成為煉鐵的重要工具。這是最早真空獲得和應用的實例。

另有更為典型的例子是中醫的拔火罐。兩千年前，它已在我國民間用作治病的工具。它很好地利用了空氣熱脹冷縮、蒸汽冷凝等物理現象來形成罐內真空。

歷史上有確切記載獲得“真空”的是歐洲人。1643年，意大利人托里拆利做了大氣壓實驗。他用一根一端封閉的細長玻璃管和一個盛水銀的小槽，先將水銀從玻璃管開口端灌入，直到灌滿全管。然后壓住開口，將玻璃管倒立在水銀槽內，再打開壓著的開口。此時玻璃管中的水銀高度逐漸下降，直到距離小槽液面以上760mm時，就不再下降了。托里拆利認為在玻璃管上端的空隙內就是“真空”。隨后，他的學生帕斯卡等人將此實驗搬到山上去做，結果水銀柱高度低于760mm，證明大氣壓與高度有關。

▲ 托里拆利大氣壓實驗示意

1654年德國人葛利克發明了活塞真空泵。他為了證明大氣壓的巨大力量，曾做過一次公開實驗，葛利克用兩個直徑119cm的半球合起來，用真空泵將球內空氣抽除，因而球的表面上所受的大氣壓力是很大的，每個半球其橫向分力，每個半球用8匹馬，才能向相反方向拉開。因為該實驗是在德國馬德堡做的，故稱馬德堡半球實驗而聞名于世。

▲ 馬德堡半球實驗紀念郵票

1662年英國人玻義耳發現玻義耳定律。到1738年瑞士人伯努利提出氣體分子運動論，他們奠定了真空技術最初的理論基礎。

從1643年托里拆利獲得真空，到1879年愛迪生發明碳絲電燈泡的200多年間，真空技術經歷了一個漫長的發展過程。這個過程孕育著電子學的誕生和發展。所謂“電真空器件”就是內部空間為真空的電子器件。真空技術為電子技術的發展開辟了道路。在20世紀初，電子技術的發展，又推動了真空技術的飛速發展。

1905年德國蓋得發明了機械泵，1906年皮拉尼發明熱阻真空計；1913年和1915年蓋得先后發明了分子泵、擴散泵；1916年貝克利發明了熱陰極電離計。真空技術迅速從低真空發展到高真空，高真空技術的發展勢頭一直延續到第二次世界大戰。尤其是希克曼1936年發明了分餾式油擴散泵，潘寧1937年發明了冷陰極電離計，使得高真空技術在獲得和測量兩方面基本上已完善。

▲ 三級分餾式油擴散泵結構圖：沿泵壁回流至油鍋的泵油先經過外分餾環1，輕餾分蒸發供給第三級噴咀；當泵油進入到分餾環2時蒸發的次輕餾分的蒸汽供應第二級噴咀，最后重餾分進入中心分餾區3后蒸發供給一級噴咀，分餾可以提高泵的極限真空度。

1940年以后真空技術在原子能方面得到廣泛應用，并在真空冶金、真空鍍膜，真空冷凍干燥等方面得到擴展。到1950年，真空范圍已提高到10~10Pa。在某些實驗室里也曾達到更高的真空，但還不能測量出來。貝阿德-阿爾伯特1950年發明了B-A規，才為測量超高真空創造了條件。1953年吸氣劑-離子泵的出現，使人們可以獲得清潔超高真空。

▲ 安捷倫CombiNEG吸氣劑復合型離子泵

從20世紀50年代到70年代的20多年里，真空技術融入了許多尖端科學技術并一起得到迅速發展。高能加速器、等離子體核聚變裝置、微電子學中的超大規模集成電路，特別是航天技術，促使真空技術發生新的飛躍。真空進入了“超清潔”時代，壓力范圍從10~10Pa下降到10~10Pa。一下子真空度提高了七八個數量級，真空系統容積大到數萬立方米:低溫泵的抽速可高達1000萬L/s；甚至有的科學家認為，今天的真空技術，已能獲得和測量從大氣壓（10Pa）到10Pa，壓力范圍達18個數量級，并隨著某些新應用的開拓而要求一步步地接近“理想真空”。

經典的真空技術或傳統的真空技術主要囿于真空獲得、檢測以及真空系統自身的發展，成為許多學科創新的條件和手段。然而，現代科學技術的相互交叉滲透，主體和條件之間的相互轉化，極大地豐富了真空科學與技術的內涵，尤其是超高真空、超清潔表面的出現，揭示了自然領域中許多新穎的現象和規律。

根據國際真空科學技術與應用協會（IUVSTA）和美國真空學會的劃分，現代真空科學與技術分成8個學科分支（如下表所示），已經滲透到車輛、土木建筑工程、機械、包裝、環境保護、醫藥及醫療器械、石油、化工、食品、光學、電氣、電子、原子能、半導體、航空航天、低溫、專用機械、紡織、造紙、農業、民用工業以及近年來得到迅速發展的表面科學與納米科學等工業部門和科學研究工作中。

編者按：本文轉載自微信公眾號：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum