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如何获得科学的超高真空

  【康沃真空网】提起真空,相比大家都不陌生。简单到日常的吸盘挂钩,复杂到大型科学设备;小到拔火罐,大到广袤的宇宙空间,都离不开真空的身影。今天我们就来给大家讲一讲,如何科学地获取真空。

  在定义上,我们把低于一个标准大气压(105Pa)的气体状态都称之为真空。凭借我们自己的力量,是否可以获得真空呢?

  日常获取真空

  这里有一个简单的办法。我们可以拿一个玻璃杯,杯口润湿。然后把被子扣在嘴上,使劲的吸气,大家会发现杯子可以吸在嘴上。此时杯子内部就达到了一个粗糙的真空环境。这个真空度有多大呢?其实并不大。

  我们吸气靠的是肺部扩张,当我们尽力吸气的时候,肺部最多可以提供4kPa的压差,也就是大气压的4%。所以我们使劲的吸气,也最多才能达到大气压96%的真空度。

  不过这个实验建议大家不要长时间做,我就是试久了,之后嘴变成了这样。

如何获得科学的超高真空

  生活中也有很多途径可以获得真空,比如拔火罐,就是利用罐中的真空,造成局部的淤血。同样的还有真空收纳袋,马桶抽,真空挂钩等等。但这些手段只能获得十分粗糙的真空,这对于科学研究是远远不够的。

  在很多科学实验中,空气分子都是一个小“讨厌鬼”。无处不在,无孔不入,在各种地方干扰实验的结果。因此高真空往往是很多科学设备的前提条件。

  科学获取真空

  那在科学研究中,如何科学的获得真空呢?

  在科学设备中,我们一般通过真空来获取高真空。最简单的真空泵就是机械泵,原理上和小气筒抽气是一样的。只不过是通过转子旋转,将空气从吸气口吸入,然后从出气口排出。机械泵能够达到的真空度大概是1Pa,也就是大气压的十万分之一。

如何获得科学的超高真空

  当然了,这样的真空度还远远达不到很多物理实验的要求。这时就要请出另一位“泵”届大佬,分子泵。分子泵利用靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合,给空气分子一个额外的定向速度,从腔体中抽出。常见的实验用分子泵满转速可以达到1500Hz,也就是一秒钟转1500圈。要知道,航空发动机的转速都不会高于500Hz,由此可见分子泵的抽气能力是很强的。

如何获得科学的超高真空

  所以,利用分子泵可以达到10-6 Pa左右的真空度,即一个大气压的一千亿分之一。

  不过分子泵的高转速使得它十分“脆弱”。一粒灰尘甚至气体本身都会对运转中的风扇造成巨大的伤害。所以分子泵只可以用来抽已经具有一定真空度的腔体,并且其出气端也要保证有较好的真空度防止气体倒灌伤害叶片。我们采取的办法是给分子泵接入一个前级泵,一般都是用机械泵。只有先用机械泵将腔体中的真空度抽至10Pa以下的时候,分子泵才可以启动。并且只要分子泵在启动状态,前级机械泵就要一致维持运转。启动和关闭都要严格遵循程序,否则就可能造成“机毁泵亡”哦。

如何获得科学的超高真空

  现在我们将真空度已经降到了10-6 Pa,我们发现真空度不再继续下降了。但这还没有到分子泵的极限。真空度无法继续下降主要是由于腔体内壁吸附了很多空气分子,在这个真空度下开始持续放气,与分子泵的抽速平衡。所以为了减少内壁吸附的气体,我们会给整个设备加热。高温下内壁放气速度加快,可以尽量抽走吸附的气体。

  经过了连续几天的烘烤,再把温度降下来,我们会发现此时真空度已经达到了10-7Pa这个量级。这是终点吗?不,我们还有办法继续提高真空度。

  此时,腔体内部的空气已经十分稀薄了,采取机械办法已经很难提高真空度。这里,就需要清楚另外两尊大佬:吸附泵离子泵。机械泵和分子泵都是通过将腔体内部空气抽到外界达到真空的。而吸附泵和离子泵则与他们二者不同,这两种泵都是通过气体吸附的方式降低腔体中游离的空气分子。原则上讲空气并没有跑到腔外,只是被束缚住了。所以为了防止这两种泵吸气能力饱和,我们一般要利用分子泵达到高真空后,再启动它们。

  吸附泵原理比较简单,多采用活性炭或者活泼金属来吸附腔内的空气分子。而离子泵则是通过高压放电,将空气电离,然后电离的空气会经过电场、磁场作用吸附在由金属钛构成的阴极板上。加上这二者的帮助,我们可以达到10-9Pa的真空,这已经是一个大气压的一百万亿分之一。这已经达到了超高真空的范畴,足以满足大多数科学实验的要求了。

  不过,就算是这样的超高真空,一升空间中依然存在三亿个空气分子,这根宇宙中的真空比起来差的很远。所以人类的超高真空技术,还有很长的路要走。

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