我们常说的“真空”，到底有多“真”？又是如何“空”？

Original *0 中科院物理所 2024-03-05

什么是“真空”？当我们谈及这个概念时，很多人会想到太空。

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尘埃、颗粒以及高能粒子。在《吃鹅腿之前，你最好了解一下这些物理知识》中，我们已经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，超高真空能够保证良好的隔热条件，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可以通过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：。真空度的优良可以粗略划分为粗真空：~、低真空：~、高真空：~、超高真空：~。

在大气环境中，大气压强约为帕斯卡。而实验中常需要达到的真空度需要低于Pa，远低于大气环境的压强，那么如何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。

旋片式机械泵

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。

图1. 旋片式机械泵的结构

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，压强为。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，此时与空间1连通的环境压力为，压力大小满足：

则第二次抽气过程完成后，待抽气腔体的压强大小为：

当机械泵的转速为m时，经过t秒后，转子旋转次，腔体内的压强为：

在这种理想情况仅在真空较差的情况下成立。

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：

图2.死空间示意图

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，转子与腔体壁之间仍然存在一定空间。当旋片越过出气口后，这部分空间内仍然存在部分空气，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，导致真空度无法进一步降低，这部分空间被称为死空间，如图2标注所示。

由于机械泵本身存在的问题，基于机械泵的进一步改进的双级泵和气镇泵能够达到更好的效果。

双级泵

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。双级泵结构能够有效降低机械泵死空间对真空度的影响，从而有效提高机械泵的极限真空度。

图3. 双级泵结构示意图

气镇泵

气镇泵设计的出发点在于：在实际的实验环境中，真空泵待抽空间常会混有部分水汽。

在机械泵的运行过程中，随着泵体对气体的压缩，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。

当空间增大，水蒸气分压降低，凝结在真空泵中的水挥发为水蒸气，无法被排出。这导致真空度无法进一步降低。

因此，为了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

分子泵是利用高速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。分子泵能够实现相比与机械泵更高的真空度，实现高真空条件。

图4. 分子泵结构示意图

如图4所示，分子泵由泵体、动叶轮、静叶轮、驱动系统等部分组成。高速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，将动量传递给气体分子，被传递到下一级叶片，最后由前级泵抽除。

分子泵通过高速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，高密度的气体分子与动叶轮相互碰撞，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，通常会同时采用机械泵作为前级真空泵、分子泵作为二级泵。机械泵首先将待抽腔室预抽至低真空，使环境压力低于启动气压，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，分子泵同样存在极限真空。