1.1　重要的真空環(huán)境

“真空”這個概念是在300多年前產(chǎn)生的。1643年，物理學家托里拆利做了這樣一個實驗：首先在一端密封的長玻璃管中注滿汞，然后把玻璃管倒過來，插入一個盛有汞的槽內(nèi)。這時發(fā)生了一個令托里拆利驚訝的現(xiàn)象：汞并不全都流入槽內(nèi)，而是形成了一根汞柱，汞柱的頂端形成了一段真空。他測量了汞柱的高度，大約是760mm。他由此計算出1個標準大氣壓的數(shù)值，即在標準重力加速度下，高度為760mm的汞柱在單位面積上的壓力。帕（Pa）是壓強的單位，1Pa等于0.0075mmHg。

氣體分子時刻處于雜亂無章的運動狀態(tài)下，分子之間不斷地發(fā)生著相互碰撞。在兩次碰撞之間，分子自由飛過一段路程，稱為自由程。兩次碰撞之間的自由程各不相同，由此平均自由程的概念被提出。氣體分子的平均自由程可以通過近似計算得到，在標準大氣壓下，氣體分子的平均自由程很小，只有幾十納米；在Pa下，平均自由程達5mm；當壓強降到Pa時，平均自由程更大，達到幾十米！

雖然在高真空環(huán)境下氣體分子的平均自由程很大，但是容器內(nèi)氣體分子的數(shù)量還是非常多的。以Pa的真空為例：分子的平均自由程等于50cm，在1cm3的體積內(nèi)，氣體分子數(shù)為4萬億個！可以看出，所謂“真空”，并不是一個真正空虛的空間，里面還有大量的氣體分子。但我們應該承認，在高真空下，容器里又是一個相當空虛的空間，氣體分子可以自由運動，在器壁間往返多次才能遇到另一個氣體分子。

在真空電子學中，“真空”指的是電子管或真空室內(nèi)部氣壓非常低（幾乎可以忽略不計）的狀態(tài)。電子管或真空室中的氣壓通常非常接近零，這樣可以減小電子與氣體分子碰撞的可能性，從而保證電子的自由移動和傳輸。這種幾乎無氣體的環(huán)境有助于提高電子器件的性能和可靠性。真空相關的概念還包括真空度、真空密度、真空泵等。真空度表示一定空間內(nèi)真空的程度，通常用壓強或氣體分子數(shù)來表示；真空密度則表示單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)；真空泵是將空氣或其他氣體抽取出來以獲得真空狀態(tài)的設備。截至本書成稿之日，人們已經(jīng)研究出各種真空泵（如機械泵、擴散泵、離子泵、分子泵等），再加上一些輔助方法，可以獲得Pa以下的高真空環(huán)境。

在真空電子學中，了解真空的性質和特點對設計和制造真空電子器件是至關重要的，因為真空環(huán)境會影響器件的性能和運行效果。因此，理解真空相關的概念是真空電子學研究和應用的基礎。

在真空電子器件中，從陰極發(fā)射的電子將在電場與磁場的作用下運動，在運動過程中，必須盡量避免與氣體分子發(fā)生碰撞。所以，真空電子器件內(nèi)應該保持足夠高的真空度，也就是平均自由程應該大于管殼的尺寸。電子管的真空度通常優(yōu)于Pa，即平均自由程大于幾十米！此外，電子管的陰極屬于活性表面，也需要在真空的環(huán)境下工作，以保證發(fā)射表面不受破壞，使電子管具有比較長的壽命。