我们常说的“真空”到底有多“真”？又是如何“空”？

  与地球环境对比，太空环境是真空的，但是真空不是不存在任何物质的状态，即使在太空中也存在大量的。在《吃鹅腿之前，你最好了解一下这些物理知识》中，我们已对真空有了一个大概的了解。

  真空的科学定义较为宽泛：低于一个标准大气压的气体空间就被称为真空。真空是相对而言的，不存在绝对的真空！

  实现超高真空一直是实验物理的一个重要环节。在实验物理中，超高真空能确保良好的隔热条件，以实现极低温度；在测试中，超高真空能够保持样品表面的干净、不受特定气氛原子的污染，能实现对样品表面物理特性的探测；同时，超高真空环境能够减少气体分子对电子、离子等粒子的散射，确保实验按照理想条件进行。

  那我们如何来评定真空的优良呢？一个空间中真空的高低能够最终靠空间中分子数的多少反应，而分子在不断运动、相互碰撞中形成了压强。因此真空度可以用压强来衡量。工程中常采用的压强单位包括：帕斯卡（Pa）、巴（bar）和托（Torr），两者的换算关系为：1Pa=7.5*103 Torr。真空度的优良可以粗略划分为粗线Pa、低线Pa、高线Pa、超高线Pa。

  在大气环境中，大气压强约为105帕斯卡。而实验中常要达到的线Pa，远低于大气环境的压强，那么怎么来实现如此高的真空度呢？实验室常采用机械泵、分子泵、离子泵等手段实现超高真空。

  机械泵的种类较多，包括旋片式、定片式、滑片式机械泵。其中，旋片式机械泵由定子、转子、旋片、弹簧、排气阀、泵油等部分构成，如图1所示。

  旋片泵的旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成三个空间，如图1右所示，旋片之间由弹簧相互连接，旋片端部贴于机械泵的腔体壁滑动。

  当转子单向旋转时，与进气口连通的空间1容积逐渐增大，气体压强降低，泵体吸入气体，机械泵处于吸气过程；当旋片将空间2与进气口隔绝时，气体被压缩，并被推动与出气口相连；与出气口连通的空间3容积缩小，排出气体。机械泵连续运转，周期性地从进气口侧吸入气体，并将已吸入的气体从排气口排出，达到提高真空度的目的。

  我们可以设想一种场景，现在我们有一个待抽真空的腔体，空间体积为V，压强为P0。当旋片式机械泵开始工作时，转子旋转一次，第一次吸气过程刚完成时形成空间1的体积为▲V，此时与空间1连通的环境压力P1，压力大小满足：

  但是由于机械泵本身的结构特点，机械泵仅适用于得到低真空条件。影响机械泵真空度的因素包括死空间、泵本身的气密性。其中，机械泵的死空间是限制极限真空的主要原因：

  如图2所示，机械泵的空间并非完全理想，机械泵中的转子与泵腔定子相切，而在切点位置之外，转子与腔体壁之间任旧存在一定空间。当旋片越过出气口后，这部分空间内任旧存在部分空气，并被旋片隔绝。这部分空间的气体无法被完全排出，而是会随着旋片旋转与进气口相连，导致真空度无法逐步降低，这部分空间被称为死空间，如图2标注所示。

  双级泵是由两部分机械泵组合形成，如图3所示。当前级泵排出的气体经过气道转入后一级机械泵（低真空泵），低真空级泵再通过压缩将气体排出，组成双级泵。双级泵结构能够大大降低机械泵死空间对真空度的影响，从而有效提升机械泵的极限线. 双级泵结构示意图

  ，水蒸气分压增大。当压缩空间的总压强还未达到开启排气阀的临界压强时，水蒸气分压就达到了饱和，则水蒸气就会凝结成水，压力降低，导致气体无法被排出。当

  。因此，为降低水蒸气对机械泵抽真空效果的影响，气镇泵在排气口附近设计一个可自动开合的小孔。小孔能够向排气空间通入少量干燥空气，以提高压缩空间的压力，帮助打开排气阀。分子泵

  分子泵是利用非常快速地旋转的转子压缩气体分子，从而驱动气体分子被排出腔体的真空泵。分子泵可以在一定程度上完成相比与机械泵更高的真空度，实现

  如图4所示，分子泵由泵体、动叶轮、静叶轮、驱动系统等部分所组成。非常快速地旋转的转子能够带动动叶轮高速运动，动叶轮与气体分子碰撞，将动量传递给

  分子泵通过非常快速地旋转的分子泵动叶轮与气体分子相互碰撞传递动量。当进气口的气体分子浓度较高时，

  ，会导致叶轮损坏。因此，保证分子泵正常运行要求环境气压低于一定的压力，被称为启动气压。在实际的实验过程中，通常会同时

  。机械泵首先将待抽腔室预抽至低真空，使环境压力小于启动气压，再进一步启动分子泵。分子泵通过叶轮与气体分子的碰撞传递动量。由于动量传递过程的难易程度与气体分子量有关，所以平均分子量越大的气体压缩比更大，容易被抽走。而分子量小的气体难以被抽走，例如氢气等。因此，

  。离子泵表面物理的实验通常要求固体表面极为洁净。在低真空条件下，气体分子会吸附在固体表面，从而污染样品，影响样品结果。

  的实验条件，是维持超高真空的重要手段。以溅射离子泵为例，溅射离子泵基本上由电极以及外部磁体组成。离子泵中的阳极通常为圆柱形的空心不锈钢，位于阳极管两侧的阴极一般由钛板制成。

  本身是一种良好的吸附材料，对活性气体具有着强烈的化学吸附作用。当阴阳极接通高电压时，阳极筒内的气体分子被电离并形成潘

  宁放电，并释放出大量电子形成空间电荷。在阴极、阳极电位以及外部磁场的共同作用下，被电离的电子在阳极筒内进行来回振荡的滚轮线运动，并与空间中的分子相互碰撞，使气体分子发生电离，形成离子。由于离子的质量相对于电子质量来说较大，磁场对其影响很小，电离产生的正离子被阳极电压加速到几千伏，并朝着阴极运动

  离子泵能达到10-10Pa的极限真空度。离子泵运行的过程中不需要泵油，并且运行过程中振动小、无噪声。与分子泵类似，离子泵正常运行要求

  ，在溅射离子泵中抽气的机理不同。N2、O2、CO、CO2这些气体，主要是依靠沉积在阳极筒表面的

  被抽除。例如N2受到电子轰击后会产生N+、N2+等离子，这些离子在阳极的表明产生稳定的TiN化合物。对这些气体，溅射的钛分子的数目与泵抽除的压力成正比，而溅射速率则取决于离子的质量与钛的质量之比。抽除H2的机理与上面这些重分子不同。氢离子的质量很小，钛原子对氢分子的溅射速率可忽略不计。但是，氢离子达到钛板上会与晶格中的电子复合，形成氢原子，并扩散到钛的晶格内部，形成TiN固溶体。

  除此之外，真空泵还包括油扩散泵、钛升华泵、低温泵等设施。不同实验要求的真空度不同，因此采用的真空泵也应该因事制宜。真空泵的应用对维持实验的超高真空环境，保证实验的正常进行具有至关重要的作用。参考文献