第1章　真空概論

1.1　真空

地球周圍被大氣所包圍，中緯度地區距地球表面12km內為對流層，隨著高度的增加，依次是平流層、中間層、熱層（電離層）、外大氣層以及星際空間。

標準大氣是由各種氣體組成的混合物，其主要成分有78.084%氮、20.948%氧、0.934%氬、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%氫、2×10-4%甲烷。除此以外，還有氧化二氮、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨、一氧化碳、碘蒸氣等。顯然，工業發展的當今世界，排放到大氣中的各種工業廢氣，雖然不是標準大氣成分，但已經對人類生存環境造成了嚴重污染。表1-1給出了標準大氣成分的相對分子質量或相對原子質量及分壓。在壓力為4×10-12Pa的外層空間，大氣主要成分是氫氣及少量的氦氣。氫原子密度約為103個/cm3。

水蒸氣雖然不是標準大氣成分，但大氣中含有大量水蒸氣，含量多少取決于空氣中的相對濕度，當相對濕度為50%時，空氣中水蒸氣分壓約為1600Pa。水分子是極性分子，與材料表面有較強的親和力，是高真空設備中最難抽走的氣體。為盡快抽除水汽，有時不得不以加熱烘烤方式，使其較快脫附。

大氣中的氫氣含量相對氮和氧含量較少，但它是超高真空系統中重要的氣源，是金屬材料冶煉及鍛造過程中滲入引起的。氫以原子態溶解于材料，常溫真空環境下釋放緩慢。超高真空系統加熱烘烤是使氫加速釋放較好的處理方法。

很早以前，人們認為大氣是沒有重量的。直到17世紀意大利物理學家做了一個有趣的試驗，即將一支裝滿水銀的玻璃管倒插入盛水銀的器皿中，發現水銀面下降到一定高度后，不再下降了。也就是周圍空氣產生的壓力與水銀柱產生的壓力相平衡了，此試驗證明了大氣是有質量的。1643年，托里拆利通過測量得到這個壓力值。在海平面上為760mmHg，即101301Pa，可以近似認為是105Pa。通常稱海平面測得的壓力為“標準大氣壓”。在此壓力下，每立方厘米0℃的空氣中大約含有2.7×1019個氣體分子，如果把氣體分子看作小球，一個挨一個排起來可達270萬公里。而地球子午線長為40000km，估計可繞地球赤道67.5圈，可見分子密度之大。

真空是相對大氣而言的，如果某容器中的壓力低于周圍大氣壓值，那么，就稱該容器中的氣體狀態為真空狀態。如某地大氣壓值為105Pa，而密閉容器中的壓力為1Pa，則容器處于真空狀態，每立方厘米有2.7×1014個氣體分子。可見，真空的空間并不空，而是充滿了氣體分子，以現代的各種抽氣手段，可獲得10-11～10-13Pa真空度，即使在這樣稀薄的氣體狀態下，每立方厘米空間中仍然含有幾十個到幾百個氣體分子。

真空分兩種：一種為天然真空，另一種為人為真空。天然真空是自然本來就存在的自然現象，如眾所周知的宇宙空間，即為天然的真空環境。而人為真空是人們利用各種抽氣手段，在某一空間中所建立的真空。通常把人為真空，簡稱為真空。

地球周圍的大氣層，由于地球引力的作用，地球表面密度最大，隨著高度的增加，氣體越來越稀薄，即密度越來越小。在海平面上，大氣壓力約為1×105Pa，而珠穆朗瑪峰頂壓力約為3×104Pa，約為標準大氣壓的1/3。有時為了考驗電氣元器件對高原低氣壓氣候條件的適應性，往往建造低氣壓人工氣候箱，來模擬高原低氣壓，溫度及霧冰條件，對元器件的可靠性進行驗證。

目前世界人造衛星軌道最低高度為80km，此高度下空間環境的壓力約為0.9Pa，而地球同步軌道上運行的通信衛星，距地面高度約為3600km，此環境下的壓力約為1×10-12Pa。我國第一顆人造衛星，近地點高度438km，軌道環境的真空度為10-6Pa量級，遠地點高度2384km，軌道環境的真空度為10-10Pa量級。隨著距地表高度的不同，真空亦不同，高度越高真空度越高。自然真空隨著海拔高度的變化關系，可以用下式表示：

（1-1）

式中　p——海拔高度為h處的壓力，Pa；

        p0——大氣壓力，Pa；

        T——高度h處空間溫度，K；

        k——玻爾茲曼常數，1.380662×10-23J/K；

        m——空間粒子平均質量，kg；

        g——重力加速度，kg/s2；

        h——海拔高度，m。

表1-2給出了大氣壓力、密度、溫度隨海拔高度不同而變化的值。圖1-1繪出了大氣壓與海拔高度的關系。

A—壓力以Pa為單位；B—壓力以Torr為單位（1Torr=133.322Pa）

大氣溫度是重要熱力學參數。圖1-2為大氣溫度垂直分布及分層示意圖。由圖中可見，隨著高度的增加大氣溫度先是逐漸降低，到一定高度后，又逐漸上升，當升至50km平流層頂，溫度約為-2.5℃，而中間層頂約為-100℃。

再往上進入熱層，由于大氣中的氧分子及氧原子吸收太陽紫外線被加熱，溫度急劇上升。在500km處高達約1226℃。1000km以上，溫度不再隨高度增加而變化，稱為外大氣壓。此空間分子溫度很高，平均動能大，但空氣很稀薄，空間壓力進入10-6Pa數量級，由于氣體分子密度小，產生的溫度對航天器影響較小。