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第1章　真空概论

1.1　真空

地球周围被大气所包围，中纬度地区距地球表面12km内为对流层，随着高度的增加，依次是平流层、中间层、热层（电离层）、外大气层以及星际空间。

标准大气是由各种气体组成的混合物，其主要成分有78.084%氮、20.948%氧、0.934%氩、3.14×10-2%二氧化碳、1.83×10-3%氖、5.24×10-4%氦、1.14×10-4%氪、8.7×10-6%氙、5×10-5%氢、2×10-4%甲烷。除此以外，还有氧化二氮、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨、一氧化碳、碘蒸气等。显然，工业发展的当今世界，排放到大气中的各种工业废气，虽然不是标准大气成分，但已经对人类生存环境造成了严重污染。表1-1给出了标准大气成分的相对分子质量或相对原子质量及分压。在压力为4×10-12Pa的外层空间，大气主要成分是氢气及少量的氦气。氢原子密度约为103个/cm3。

表1-1　标准大气成分

水蒸气虽然不是标准大气成分，但大气中含有大量水蒸气，含量多少取决于空气中的相对湿度，当相对湿度为50%时，空气中水蒸气分压约为1600Pa。水分子是极性分子，与材料表面有较强的亲和力，是高真空设备中最难抽走的气体。为尽快抽除水汽，有时不得不以加热烘烤方式，使其较快脱附。

大气中的氢气含量相对氮和氧含量较少，但它是超高真空系统中重要的气源，是金属材料冶炼及锻造过程中渗入引起的。氢以原子态溶解于材料，常温真空环境下释放缓慢。超高真空系统加热烘烤是使氢加速释放较好的处理方法。

很早以前，人们认为大气是没有重量的。直到17世纪意大利物理学家做了一个有趣的试验，即将一支装满水银的玻璃管倒插入盛水银的器皿中，发现水银面下降到一定高度后，不再下降了。也就是周围空气产生的压力与水银柱产生的压力相平衡了，此试验证明了大气是有质量的。1643年，托里拆利通过测量得到这个压力值。在海平面上为760mmHg，即101301Pa，可以近似认为是105Pa。通常称海平面测得的压力为“标准大气压”。在此压力下，每立方厘米0℃的空气中大约含有2.7×1019个气体分子，如果把气体分子看作小球，一个挨一个排起来可达270万公里。而地球子午线长为40000km，估计可绕地球赤道67.5圈，可见分子密度之大。

真空是相对大气而言的，如果某容器中的压力低于周围大气压值，那么，就称该容器中的气体状态为真空状态。如某地大气压值为105Pa，而密闭容器中的压力为1Pa，则容器处于真空状态，每立方厘米有2.7×1014个气体分子。可见，真空的空间并不空，而是充满了气体分子，以现代的各种抽气手段，可获得10-11～10-13Pa真空度，即使在这样稀薄的气体状态下，每立方厘米空间中仍然含有几十个到几百个气体分子。

真空分两种：一种为天然真空，另一种为人为真空。天然真空是自然本来就存在的自然现象，如众所周知的宇宙空间，即为天然的真空环境。而人为真空是人们利用各种抽气手段，在某一空间中所建立的真空。通常把人为真空，简称为真空。

地球周围的大气层，由于地球引力的作用，地球表面密度最大，随着高度的增加，气体越来越稀薄，即密度越来越小。在海平面上，大气压力约为1×105Pa，而珠穆朗玛峰顶压力约为3×104Pa，约为标准大气压的1/3。有时为了考验电气元器件对高原低气压气候条件的适应性，往往建造低气压人工气候箱，来模拟高原低气压，温度及雾冰条件，对元器件的可靠性进行验证。

目前世界人造卫星轨道最低高度为80km，此高度下空间环境的压力约为0.9Pa，而地球同步轨道上运行的通信卫星，距地面高度约为3600km，此环境下的压力约为1×10-12Pa。我国第一颗人造卫星，近地点高度438km，轨道环境的真空度为10-6Pa量级，远地点高度2384km，轨道环境的真空度为10-10Pa量级。随着距地表高度的不同，真空亦不同，高度越高真空度越高。自然真空随着海拔高度的变化关系，可以用下式表示：

（1-1）