1.3　真空区域划分

在真空科学技术领域中，目前可使用的压力范围是105～10-10Pa，就世界范围而言，获得的最高真空度是10-12Pa量级。从105Pa到10-12Pa，跨越十七个数量级。为了技术交流与使用方便，把这样宽的压力范围再划分几个真空区域。

国际上通常划分四个真空区域：低真空、中真空、高真空以及超高真空。我国真空行业标准中，也是划分四个真空区域，见表1-4。

笔者参考国外划分区域压力范围，认为高真空区域最低压力为10-6Pa，而超高真空压力范围为10-6～10-10Pa，增加一个极高真空区域，压力≤10-10Pa。即

真空区域的划分主要根据气体物理特性来确定，这些物理特性包括分子密度、平均自由程、换热形式、形成单分子层的时间，以及气体组分等。作者划分真空区域的见解分述如下。

1.气体分子密度

空气单位体积中的气体分子数，称为气体分子密度。分子密度与空间气体压力及温度有关，可用下面公式表示：

（1-3）

式中　n——单位体积气体中的分子数，个/m3；

        p——空间气体压力，Pa；

        T——空间气体温度，K。

由式（1-3）可见，分子密度随着气体压力降低逐渐减小，但在低真空下，分子密度还是比较大。如：真空度为100Pa时，每立方厘米中有3.3×1016个分子。由于分子密度大，与大气压下的气体相比较，其物理性质没有本质上的区别。

由低真空进入中真空及高真空区域后，由于分子密度的减小，使气体换热方式有了显著的变化。低真空主要是对流换热；中真空区域是传导和辐射换热；高真空及超高真空区是自由分子热传导和辐射换热，传导换热已经消失，工程计算上主要考虑辐射换热。气体相对热导率与压力关系见图1-3。

超高真空区域中，即使压力为10-10Pa时（超高真空区下限），每立方厘米中仍有2.7×104个气体分子。在这样稀薄气体状态下，气体分子运动基本上服从麦克斯韦统计分布规律。用压力表示真空度是有意义的。在极高真空区域中，若真空度为10-12Pa，那么每立方厘米中只有几百个气体分子。这时，气体分子运动不再服从经典的统计规律。从统计物理涨落理论推出，真空度为10-12Pa时，压力平均相对误差为5.4%；真空度为10-14Pa时，压力相对偏差达54%。可见，极高真空区域的这一本质差别，是划分这两个真空区域的重要依据。

2.平均自由程

一个气体分子与其他分子每连续两次碰撞之间的平均路程，叫平均自由程。平均自由程与压力、温度及分子直径等因素有关。对于室温下的空气，λ近似值由下式给出：

（1-4）

式中　λ——平均自由程，m；

        p——气体压力，Pa。

由式（1-4）可见，平均自由程为随着真空度升高而增加。在大气压下，平均自由程为6.7×10-6cm，也就是说分子大约走十万分之七毫米，就与一个气体分子相碰。真空度为0.1Pa时，平均自由程约为6.7cm；真空度为1.0×10-4Pa时，平均自由程达67m。

由于各种真空度下的平均自由程不同，使各真空区域的气体流动状态不同。低真空区域（p>100Pa）为湍流；中真空度区域为黏滞流或黏滞-分子流；高真空区域为分子流。

流动状态不同，使气体的黏滞性发生了变化，低真空和中真空区域气体的黏滞性是以分子间互相作用的内摩擦形式表现出来的；高真空区域的气体分子间没有内摩擦，而存在着与器壁之间相互作用的外摩擦。

低真空和中真空区域，分子的平均自由程小，气体分子之间碰撞是主要的；分子与器壁之间的碰撞是次要的。因而，气体主要存在于空间。真空泵主要抽走空间气体分子，容易抽走，需要抽气时间短。

高真空和超高真空区域，分子的平均自由程很大，分子之间几乎不发生碰撞，气体分子主要与容器壁碰撞。此时，真空泵主要抽走器壁解吸的分子，抽走这种分子要比抽空间分子难一些。因而，高真空需要的抽气时间长，超高真空就更长。

3.形成单分子层时间

理想的清洁表面上，覆盖一层单分子所需要的时间，称为形成单分子时间。形成单分子时间由下式确定：

（1-5）

其中

（1-5a）

（1-5b）

式中　t——形成单分子层时间，s；

        ϕm——形成单分子层需要的分子数，分子数/cm2；

        ϕ——分子入射率，即单位时间入射到单位面积上的分子数，分子数/（cm2·s）；

        p——气体压力，Pa；

        σ——分子直径，cm；

        T——气体温度，K；

        M——气体摩尔质量，g/mol。

高真空区域形成单分子层的时间很短，在1×10-4Pa下，为2.2s；而超高真空区域形成单分子层时间较长，在1×10-7Pa下为2200s，约36min。在此真空度下，两个光滑的干净表面互相接触，就会出现超高真空区特有的冷焊现象（即两个表面粘接在一起）。而高、中、低真空区由于得不到清洁表面，不会出现此现象。

超高真空区域中，可以得到清洁表面的时间长，有足够长的时间进行表面研究。从此观点出发，把1×10-7Pa作为高真空与超高真空的分界是恰当的。

4.气体组分

真空容器中空间的气体组分是随着真空度而变化。低真空区域，气体组分近似于大气成分；中真空时，气体组分发生了变化，空气中氮、氧成分很少了，主要是水蒸气；高真空时，空间中原有气体已很少了，主要是器壁放出来的气体，其中有70%～90%的水蒸气；超高真空下，被抽气体主要是氢气，是从器壁金属材料内部释放出来的；而玻璃超高真空系统，主要是氦气，是从大气中渗透过来的。